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非分散性紅外線(NDIR)氣體傳感器，是與光學氣體傳感器聯系最緊密的商用傳感器之一，可用于評估汽車尾氣、測量空氣質量、探測氣體泄漏情況，并支持各種醫療、工業和研究應用。最近，瑞士蘇黎世聯邦理工學院研究人員成功研發了首個一體化、采用NDIR的氣體傳感器。該傳感器采用特殊工藝合成的超材料制成，沒有運動部件，只需很少的能量就可運行，是有史以來尺寸最小的NDIR傳感器之一。
文中所述新型NDIR氣體傳感器新品，資料圖
據了解，由于傳感器設計簡單、堅固、高效，采用了超材料，可省去NDIR氣體傳感器中的一個主要成本因素：介質濾波器，同時，還可減小設備的尺寸以及能量消耗。基于體積小、成本低、能源消耗低這些優良特性，這種新型光學氣體傳感器，是理想的新型物聯網和智能家居設備，可用于探測和響應環境的變化，未來還可用于醫學診斷和監測。
傳統NDIR傳感器的工作原理是，將紅外光通過室內空氣照射到探測器上。除能被特定氣體分子吸收的波長外，探測器前方的光學濾光片可濾除所有光線，因此，探測器所探測到的光的數量就指示了該氣體在空氣中的濃度。雖然大多數NDIR傳感器都用于測量二氧化碳，但不同的濾光片可用于測量各種其他氣體。
近幾年，工程師們用微電子機械系統(MEMS)技術取代了傳統的紅外光源和探測器，MEMS是連接機電信號的微型元件。在此次研究中，研究人員將超材料集成至MEMS平臺上，進一步縮小了NDIR傳感器的尺寸，并顯著提高了其光程長度。
該設計的關鍵之處在于，其采用了一種稱為超材料完美吸收器(MPA)的材料，而該MPA由銅和氧化鋁組成的復雜分層結構制成。由于具備分層結構，MPA可吸收來自任何角度的光線。為了利用該特性，研究人員設計了一個多反射單元，能夠通過多次反射紅外光來“折疊”紅外光，從而可以在一個尺寸為5.7×5.7×4.5毫米的空間內壓縮一條約為50毫米長的光吸收路徑。
在傳統NDIR傳感器中，光線需要穿過一個幾厘米長的腔體，才能在濃度非常低的情況下探測到氣體，但是，新設計優化了光的反射，能在一個半厘米長的腔體中就實現同樣的靈敏度。
超材料能有效過濾和吸收光線，因而新設計與現有的傳感器設計相比，更加簡單、堅固。其主要部件為超材料熱發射器、吸收單元以及超材料熱電堆探測器。一個微控制器會定時將加熱板加熱，使超材料熱發射器產生紅外光。光穿過吸收單元，被熱電堆探測到，然后微控制器從熱電堆中收集電子信號，并將數據傳輸至計算機。
該設計的主要能源需求來自加熱熱發射器所需的能量，由于熱發射器中采用的超材料具備高效率，該系統的工作溫度與之前的設計相比，將低得多，因此每次進行測量時所需的能量也更少。
研究人員通過測量受控大氣中不同濃度的二氧化碳來測試該設備的靈敏度，證明該系統可以探測到二氧化碳濃度，而且限噪分辨率為23.3 ppm，與商用系統相當。但是，該傳感器每次進行測量時只需要58.6焦耳的能量，與商用低功耗NDIR二氧化碳熱傳感器相比，大約減少了5倍。
來源：傳感器專家網
