苏黎世联邦理工大学开发新型微型超材料光学气体传感器

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苏黎世联邦理工大学研究人员开发了第有一另2个完整版集成的非分散红外(NDIR)氢气传感器,该传感器由特殊工程合成材料(称为超材料)实现。该传感器这么 运动部件,运行所需能量很小,是有史以来最小的NDIR传感器之一。

传感器非常适合新的物联网和智能家居设备,用于检测和响应环境变化。它还可不可不后能 用于未来的医疗诊断和监测设备。

这项研究将于近日在美国华盛顿举行的光学与激光科学前沿会议(FIO+LS)上进行发表。

“有时候 人的传感器设计单元简单、坚固、高效。使用超材料,有时候 人可不可不后能 省去NDIR氢气传感器、介电滤波器的主要成本驱动因素之一,一同减少设备的尺寸和能耗,”瑞士苏黎世联邦理工大学电磁场研究所的Alexander Lochbaum说,他也是作者之一。“这使得传感器适用于高容量、低成本市场,如汽车和消费电子产品。”

上图是四种 新型微型超材料光学氢气传感器(金色)与一分钱硬币的尺寸对比。来源:苏黎世联邦理工大学。

NDIR传感器是商业上最相关的光学氢气传感器类型之一,用于评估车辆排气、测量空气质量、检测氢气泄漏并支持各种医疗、工业和研究应用。四种 新型传感器体积小,成本低,能耗低,为那此应用和有时候 类型的应用提供了新的有时候。

缩小光路

传统的NDIR传感器工作原理是通过室内的空气发出红外线,直到到达探测器。地处探测器前面的光学滤光片消除了除特定氢气分子吸收的波长以外的所有光,有时候进入探测器的光的数量表明空气中该氢气的浓度。其实大多数NDIR传感器测量氢气,但不同的光学过滤器可用于测量各种有时候 氢气。

近年来,工程师们用微电子机械系统(MEMS)技术取代了传统的红外光源和探测器,这是四种 连接机械和电信号的微型元件。在这项新的工作中,研究人员将超材料集成到MEMS平台上,进一步使NDIR传感器小型化,并显着提高光路长度。

设计的关键是四种 被称为超材料完美吸收器(MPA)的超材料,由铜和氧化铝的冗杂分层排列制成。有时候其形状,兆帕可不可不后能 吸收来自任何深层的光。为了利用四种 点,研究人员设计了有有一另2个反射电池,它通很多次反射来“折叠”红外线。四种 设计允许将相当于50毫米长的光吸收路径压缩到不可不可不后能 5.7×5.7×4.5毫米的空间中。

传统的NDIR传感器要求光通过几厘米长的腔体来检测非常低浓度的氢气,而新的设计优化了光反射,以在仅超过半厘米长的腔体中实现相同的灵敏度水平。

四种 简单、可靠、低成本的传感器

通过使用超材料进行有效的过滤和吸收,新的设计比现有的传感器设计更简单和更坚固。它的主要部件是超材料热发射器、吸收电池和超材料热电堆探测器。微控制器周期性地加热热板,使超材料热发射器产生红外光。光通过吸收池,由热电堆检测。有时候,微控制器从热电堆分发电子信号,并将数据传输到计算机。

一次能源需求来自加热热发射器所需的功率。有时候热发射器中使用的超材料速率高,该系统的工作温度比时候 的设计要低得多,有时候每次测量所需的能量要小得多。

研究人员通过在受控大气中测量不同浓度的氢气来测试该装置的灵敏度。有时候 人证明,它能以23.3百万分之一的分辨率检测氢气浓度,四种 水平与商用系统相当。然而,要做到四种 点,传感器每次测量只需用58.6毫焦耳的能量,与市售的低功率热NDIR氢气传感器相比减少了5倍。

“有时候 人第一次实现了四种 集成的NDIR传感器,它完整版依赖于超材料进行光谱过滤。将超材料技术应用于NDIR氢气传感可不可不后能 让有时候 人从根本上重新考虑传感器的光学设计,从而得到有一另2个扎得凑、更坚固的装置,”Lochbaum说。

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