據外媒報道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院（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。

圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學院

　　該傳感器是理想的新型物聯(lián)網和智能家居設備，能夠用于探測和響應環(huán)境的變化，未來還可用于醫(yī)學診斷和監(jiān)測。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院電磁場研究所成員兼論文首席作者Alexander Lochbaum表示：“我們的傳感器設計簡單、堅固、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 – 介質濾波器，同時還可以減小設備的尺寸以及能量消耗，因而能夠實現(xiàn)高產量和低成本，用于汽車和消費電子產品�！�

　　NDIR傳感器是與光學氣體傳感器聯(lián)系最緊密的商用傳感器之一，可用于評估汽車尾氣、測量空氣質量、探測氣體泄漏情況，并支持各種醫(yī)療、工業(yè)和研究應用。新型傳感器體積小、成本低、能源消耗降低，也為其他應用開辟了新的機會。

　　傳統(tǒng)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，探測器前方的光學濾光片能夠濾除所有光線，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械系統(tǒng)（MEMS）技術取代了傳統(tǒng)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可以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(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，新設計優(yōu)化了光的反射，能夠在一個半厘米長的腔體中就實現(xiàn)同樣的靈敏度。

　　超材料能夠有效地過濾和吸收光線，因而新設計與現(xiàn)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(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(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(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。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。