．瑞士研發出小尺寸低功耗的新型 NDIR 氣體感測器

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來源：傳感器專家網

非分散性紅外線(NDIR)氣體感測，是與光學氣體感測器聯繫最緊密的商用感測器之一，可用於評估汽車排廢氣、測量空氣品質、探測氣體洩漏情況，並支持各種醫療、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、採用 NDIR 的氣體感測器。

該感測器採用特殊工藝合成的超材料製成，沒有運動組件，只需很少的能量就可運行，是有史以來尺寸最小的 NDIR 感測器之一。

文中所述新型 NDIR 氣體感測器新品，資料圖

據瞭解，由於感測器設計簡單、堅固、高效，採用了超材料，可省去 NDIR 氣體感測器中的一個主要成本因素：媒介濾波器，同時，還可減小設備的尺寸，以及能量消耗。基於體積小、成本低、能源消耗低這些優良特性，這種新型光學氣體感測器，是理想的新型物聯網和智慧家庭設備，可用於探測和響應環境的變化，未來還可用於醫學診斷和監測。

傳統 NDIR 感測器的工作原理是，將紅外線光透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 感測器都用於測量二氧化碳，但不同的濾光片，可用於測量各種其他氣體。

近幾年，工程師們用微電子機械系統(MEMS)技術，取代了傳統的紅外線光源和探測器，MEMS 是連接機電信號的微型元件。在此次研究中，研究人員將超材料整合至 MEMS 平台上，進一步縮小了 NDIR 感測器的尺寸，並顯著提高了其光程長度。

該設計的關鍵之處在於，其採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，組成的複雜分層結構製成。由於具備分層結構，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，能夠透過多次反射紅外線光來「折疊」紅外線光，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 感測器中，光線需要穿過一個幾釐米長的腔體，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，能在一個半釐米長的腔體中，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感測器設計相比，更加簡單、堅固。其主要組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，然後微控制器從熱電堆中，收集電子信號，並將數據傳輸至電腦。

該設計的主要能源需求，來自加熱熱發射器所需的能量，由於熱發射器中採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。

研究人員透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，該感測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 二氧化碳熱感測器相比，大約減少了 5 倍。