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非分散性紅外線(NDIR)氣體傳感器，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(píng)估汽車尾氣、測(cè)量空氣質(zhì)量、探測(cè)氣體泄漏情況，并支持各種醫(yī)療、工業(yè)和研究應(yīng)用。最近，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員成功研發(fā)了首個(gè)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(yùn)動(dòng)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。
文中所述新型NDIR氣體傳感器新品，資料圖
據(jù)了解，由于傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、高效，采用了超材料，可省去NDIR氣體傳感器中的一個(gè)主要成本因素：介質(zhì)濾波器，同時(shí)，還可減小設(shè)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(yōu)良特性，這種新型光學(xué)氣體傳感器，是理想的新型物聯(lián)網(wǎng)和智能家居設(shè)備，可用于探測(cè)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(cè)。
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(cè)器上。除能被特定氣體分子吸收的波長(zhǎng)外，探測(cè)器前方的光學(xué)濾光片可濾除所有光線，因此，探測(cè)器所探測(cè)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)NDIR傳感器都用于測(cè)量二氧化碳，但不同的濾光片可用于測(cè)量各種其他氣體。
近幾年，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(cè)器，MEMS是連接機(jī)電信號(hào)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(tái)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(zhǎng)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(gè)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(gè)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(zhǎng)的光吸收路徑。
在傳統(tǒng)NDIR傳感器中，光線需要穿過一個(gè)幾厘米長(zhǎng)的腔體，才能在濃度非常低的情況下探測(cè)到氣體，但是，新設(shè)計(jì)優(yōu)化了光的反射，能在一個(gè)半厘米長(zhǎng)的腔體中就實(shí)現(xiàn)同樣的靈敏度。
超材料能有效過濾和吸收光線，因而新設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的傳感器設(shè)計(jì)相比，更加簡(jiǎn)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(cè)器。一個(gè)微控制器會(huì)定時(shí)將加熱板加熱，使超材料熱發(fā)射器產(chǎn)生紅外光。光穿過吸收單元，被熱電堆探測(cè)到，然后微控制器從熱電堆中收集電子信號(hào)，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(cè)量時(shí)所需的能量也更少。
研究人員通過測(cè)量受控大氣中不同濃度的二氧化碳來測(cè)試該設(shè)備的靈敏度，證明該系統(tǒng)可以探測(cè)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(cè)量時(shí)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(wǎng)
