研发出首个超材料制成的光学气体传感器 可测量汽车尾气等

瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员成功研发了首个一体化、采用非分散性红外线(NDIR)的气体传感器。该传感器采用特殊工艺合成的材料(超材料)制成，没有运动部件，只需很少的能量就可运行，是有史以来尺寸最小的NDIR传感器之一。

该传感器是理想的新型物联网和智能家居设备，能够用于探测和响应环境的变化，未来还可用于医学诊断和监测。瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所成员兼论文首席作者Alexander Lochbaum表示：“我们的传感器设计简单、坚固、高效，采用了超材料，可以省去NDIR气体传感器中的一个主要成本因素 – 介质滤波器，同时还可以减小设备的尺寸以及能量消耗，因而能够实现高产量和低成本，用于汽车和消费电子产品。”

NDIR传感器是与光学气体传感器联系最紧密的商用传感器之一，可用于评估汽车尾气、测量空气质量、探测气体泄漏情况，并支持各种医疗、工业和研究应用。新型传感器体积小、成本低、能源消耗降低，也为其他应用开辟了新的机会。

传统NDIR传感器的工作原理是，将红外光通过室内空气照射到探测器上。除了能够被特定气体分子吸收的波长之外，探测器前方的光学滤光片能够滤除所有光线，因此，探测器所探测到的光的数量就指示了该气体在空气中的浓度。虽然大多数的NDIR传感器都用于测量二氧化碳，但是不同的滤光片可以用于测量各种其他气体。

在最近几年中，工程师们用微电子机械系统(MEMS)技术取代了传统的红外光源和探测器，MEMS是连接机电信号的微型元件。在此次研究中，研究人员将超材料集成至MEMS平台上，进一步缩小了NDIR传感器的尺寸，并显著提高了其光程长度。

该设计的关键之处在于，其采用了一种称为超材料完美吸收器(MPA)的材料，而该MPA由铜和氧化铝组成的复杂分层结构制成。由于具备分层结构，MPA可以吸收来自任何角度的光线。为了利用该特性，研究人员设计了一个多反射单元，能够通过多次反射红外光来“折叠”红外光，从而可以在一个尺寸为5.7 × 5.7 × 4.5毫米的空间内压缩一条约为50毫米长的光吸收路径。

在传统的NDIR传感器中，光线需要穿过一个几厘米长的腔体，才能够在浓度非常低的情况下探测到气体，但是，新设计优化了光的反射，能够在一个半厘米长的腔体中就实现同样的灵敏度。

超材料能够有效地过滤和吸收光线，因而新设计与现有的传感器设计相比，更加简单、坚固。其主要部件为超材料热发射器、吸收单元以及超材料热电堆探测器。一个微控制器会定时将加热板加热，使超材料热发射器能够产生红外光。光穿过吸收单元，被热电堆探测到，然后微控制器从热电堆中收集电子信号，并将数据传输至计算机。

该设计的主要能源需求来自加热热发射器所需的能量，由于热发射器中采用的超材料具备高效率，该系统的工作温度与之前的设计相比，将低得多，因此每次进行测量时所需的能量也更少。

研究人员通过测量受控大气中不同浓度的二氧化碳来测试该设备的灵敏度，证明该系统可以探测到二氧化碳浓度，而且限噪分辨率为23.3 ppm，与商用系统相当。但是，该传感器每次进行测量时只需要58.6焦耳的能量，与商用低功耗NDIR二氧化碳热传感器相比，大约减少了5倍。