研究人員研發首個超材料制成的光學氣體傳感器 可測量汽車尾氣等

據國外媒體報道，瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的研究人員成功開發出第一個集成的非分散紅外(NDIR)氣體傳感器。該傳感器由一種特殊的合成材料(超材料)制成，沒有移動部件，需要很少的能量來運行。這是歷史上最小的NDIR傳感器之一。

(圖片來源:蘇黎世聯邦理工學院)該傳感器是一種理想的新型物聯網和智能家居設備，可用于檢測和響應環境的變化，未來還可用于醫療診斷和監測。瑞士蘇黎世聯邦理工學院電磁場研究所成員、論文第一作者Alexander Lochbaum表示:“我們的傳感器設計簡單、耐用、高效，使用超材料可以消除NDIR氣體傳感器中的一個主要成本因素——電介質過濾器。同時，它們可以降低設備的尺寸和能耗，實現汽車和消費電子產品的高產量和低成本應用。”NDIR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、檢測氣體泄漏，并支持各種醫療、工業和研究應用。新型傳感器尺寸小、成本低、能耗低，為其他應用開辟了新的機遇。傳統NDIR傳感器的工作原理是通過室內空氣將紅外光照射到探測器上。除了可以被特定氣體分子吸收的波長，探測器前面的濾光片可以過濾掉所有的光。因此，檢測器檢測到的光量表明了空氣中氣體的濃度。雖然大多數NDIR傳感器用于測量二氧化碳，但不同的過濾器也可用于測量各種其他氣體。近年來，工程師們用微機電系統(MEMS)技術取代了傳統的紅外光源和探測器，MEMS是一種連接機電信號的微型元件。在這項研究中，研究人員將超材料集成到MEMS平臺上，進一步減小了NDIR傳感器的尺寸，并顯著增加了其光路長度。這種設計的關鍵是使用一種叫做超材料完美吸收器(MPA)的材料，這種材料由銅和氧化鋁的復雜分層結構制成。由于其層狀結構，MPA可以吸收任何角度的光。為了利用這一特性，研究人員設計了一種多重反射單元，可以通過多次反射來“折疊”紅外光，使其存儲在5.7×5.7×4.5毫米的空間中，壓縮50毫米長的光吸收路徑。在傳統的NDIR傳感器中，光需要穿過幾厘米長的空腔，才能檢測到濃度非常低的氣體。然而，新的設計優化了光的反射，使半厘米長的空腔也能達到同樣的靈敏度。超材料可以有效地過濾和吸收光線，使新的設計比現有的傳感器設計更簡單、更堅固。它的主要組件是超材料熱發射器、吸收單元和超材料熱電堆探測器。微控制器周期性地加熱加熱板，使超材料熱發射器產生紅外光。光穿過吸收單元并被熱電堆檢測到。微控制器然后從熱電堆收集電子信號，并將數據傳輸到計算機。這種設計的主要能量需求來自加熱散熱器所需的能量。由于散熱器中使用的超材料的高效率，該系統的工作溫度將比以前的設計低得多，因此每次測量所需的能量更少。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，證明該系統可以檢測二氧化碳濃度，并具有23.3 ppm的噪聲限制分辨率，與商業系統相當。然而，該傳感器每次測量僅需要58.6焦耳的能量，這比商用低功率NDIR二氧化碳熱傳感器大約少五倍。

標簽：

汽車資訊熱門資訊