據(jù)外媒報道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究人員成功研發(fā)了首個一體化、采用非分散性紅外線（NDIR）的氣體傳感器。該傳感器采用特殊工藝合成的材料（超材料）制成，沒有運(yùn)動部件，只需很少的能量就可運(yùn)行，是有史以來尺寸最小的NDIR傳感器之一。

（圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

該傳感器是理想的新型物聯(lián)網(wǎng)和智能家居設(shè)備，能夠用于探測和響應(yīng)環(huán)境的變化，未來還可用于醫(yī)學(xué)診斷和監(jiān)測。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院電磁場研究所成員兼論文首席作者Alexander Lochbaum表示：“我們的傳感器設(shè)計(jì)簡單、堅(jiān)固、高效，采用了超材料，可以省去NDIR氣體傳感器中的一個主要成本因素 – 介質(zhì)濾波器，同時還可以減小設(shè)備的尺寸以及能量消耗，因而能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)量和低成本，用于汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品?！?/p>

NDIR傳感器是與光學(xué)氣體傳感器聯(lián)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(zhì)量、探測氣體泄漏情況，并支持各種醫(yī)療、工業(yè)和研究應(yīng)用。新型傳感器體積小、成本低、能源消耗降低，也為其他應(yīng)用開辟了新的機(jī)會。

傳統(tǒng)NDIR傳感器的工作原理是，將紅外光通過室內(nèi)空氣照射到探測器上。除了能夠被特定氣體分子吸收的波長之外，探測器前方的光學(xué)濾光片能夠?yàn)V除所有光線，因此，探測器所探測到的光的數(shù)量就指示了該氣體在空氣中的濃度。雖然大多數(shù)的NDIR傳感器都用于測量二氧化碳，但是不同的濾光片可以用于測量各種其他氣體。

在最近幾年中，工程師們用微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)取代了傳統(tǒng)的紅外光源和探測器，MEMS是連接機(jī)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(jìn)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(shè)計(jì)的關(guān)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(fù)雜分層結(jié)構(gòu)制成。由于具備分層結(jié)構(gòu)，MPA可以吸收來自任何角度的光線。為了利用該特性，研究人員設(shè)計(jì)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(nèi)壓縮一條約為50毫米長的光吸收路徑。

在傳統(tǒng)的NDIR傳感器中，光線需要穿過一個幾厘米長的腔體，才能夠在濃度非常低的情況下探測到氣體，但是，新設(shè)計(jì)優(yōu)化了光的反射，能夠在一個半厘米長的腔體中就實(shí)現(xiàn)同樣的靈敏度。

超材料能夠有效地過濾和吸收光線，因而新設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的傳感器設(shè)計(jì)相比，更加簡單、堅(jiān)固。其主要部件為超材料熱發(fā)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(fā)射器能夠產(chǎn)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(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。

該設(shè)計(jì)的主要能源需求來自加熱熱發(fā)射器所需的能量，由于熱發(fā)射器中采用的超材料具備高效率，該系統(tǒng)的工作溫度與之前的設(shè)計(jì)相比，將低得多，因此每次進(jìn)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(shè)備的靈敏度，證明該系統(tǒng)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(tǒng)相當(dāng)。但是，該傳感器每次進(jìn)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。

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