Forskare har utvecklat den första helt integrerade, icke-dispersiv infraröd (NDIR) gassensor aktiverad av specialkonstruerade syntetiska material som kallas metamaterial. Sensorn har inga rörliga delar, kräver lite energi för att fungera och är bland de minsta NDIR-sensorer som någonsin skapats.

Sensorn är idealisk för nya Internet of Things och smarta hemenheter utformade för att upptäcka och reagera på förändringar i miljön. Det kan också användas i framtida medicinsk diagnostik och övervakningsutrustning.

Ett dokument som förklarar dessa resultat kommer att presenteras vid konferensen Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), hölls 15-19 september i Washington, D.C., U.S.A.

"Vår sensordesign förenar enkelhet, robusthet, och effektivitet. Använda metamaterial, vi kan utelämna en av de viktigaste kostnadsdrivande faktorerna i NDIR-gassensorer, det dielektriska filtret, och samtidigt minska enhetens storlek och energiförbrukning, " sa Alexander Lochbaum från Institute of Electromagnetic Fields of ETH Zürich, Schweiz, och huvudförfattare på tidningen. "Detta gör sensorerna genomförbara för hög volym, lågkostnadsmarknader som bil- och konsumentelektronik."

NDIR-sensorer är bland de kommersiellt mest relevanta typerna av optiska gassensorer, används för att bedöma fordonsavgaser, mäta luftkvaliteten, upptäcka gasläckor och stödja en mängd olika medicinska, industri- och forskningsapplikationer. Den nya sensorn är liten, potentiellt låg kostnad, och minskat energibehov öppnar nya möjligheter för dessa och andra typer av tillämpningar.

Minskar den optiska vägen

Konventionella NDIR -sensorer fungerar genom att lysa infrarött ljus genom luft i en kammare tills det når en detektor. Ett optiskt filter placerat framför detektorn eliminerar allt ljus utom våglängden som absorberas av en viss gasmolekyl så att mängden ljus som kommer in i detektorn indikerar koncentrationen av den gasen i luften. Även om de flesta NDIR-sensorer mäter koldioxid, olika optiska filter kan användas för att mäta en lång rad andra gaser.

På senare år har ingenjörer har ersatt den konventionella infraröda ljuskällan och detektorn med mikroelektromekaniska system (MEMS) teknologi, små komponenter som överbryggar mekaniska och elektriska signaler. I det nya arbetet, forskare integrerar metamaterial på en MEMS -plattform för att ytterligare miniatyrisera NDIR -sensorn och dramatiskt förbättra den optiska banlängden.

Nyckeln till designen är en typ av metamaterial känd som en metamaterial perfect absorber (MPA) gjord av ett komplext skiktat arrangemang av koppar och aluminiumoxid. På grund av dess struktur, MPA kan absorbera ljus som kommer från alla vinklar. För att dra nytta av detta, forskarna designade en multireflekterande cell som "viker" det infraröda ljuset genom att reflektera det många gånger om. Denna design gjorde det möjligt för en ljusabsorptionsbana som var cirka 50 millimeter lång att klämmas in i ett utrymme som endast mätte 5,7 × 5,7 × 4,5 millimeter.

Medan konventionella NDIR-sensorer kräver att ljus passerar genom en kammare som är några centimeter lång för att detektera gas i mycket låga koncentrationer, den nya designen optimerar ljusreflektion för att uppnå samma nivå av känslighet i en kavitet som är drygt en halv centimeter lång.

En enkel, robust, och lågprissensor

Genom att använda metamaterial för effektiv filtrering och absorption, den nya designen är både enklare och mer robust än befintliga sensordesigner. Dess huvuddelar är en metamaterial termisk emitter, en absorptionscell, och en metamaterial-termopildetektor. En mikrokontroller värmer regelbundet upp värmeplattan, vilket får metamaterialets termiska sändare att generera infrarött ljus. Ljuset färdas genom absorptionscellen och detekteras av termostapeln. Mikrokontrollern samlar sedan in den elektroniska signalen från termostapeln, och strömmar data till en dator.

Det primära energibehovet kommer från den effekt som behövs för att värma värmesändaren. Tack vare den höga effektiviteten hos metamaterialet som används i den termiska emittern, systemet fungerar vid mycket lägre temperaturer än tidigare konstruktioner, så det behövs mindre energi för varje mätning.

Forskarna testade enhetens känslighet genom att använda den för att mäta olika koncentrationer av koldioxid i en kontrollerad atmosfär. De visade att den kan detektera koldioxidkoncentrationer med en brusbegränsad upplösning på 23,3 delar per miljon, en nivå i nivå med kommersiellt tillgängliga system. Dock, för att göra detta krävde sensorn endast 58,6 millijoule energi per mätning, ungefär en femfaldig minskning jämfört med kommersiellt tillgängliga termiska NDIR-koldioxidsensorer med låg effekt.

"För första gången, vi realiserar en integrerad NDIR-sensor som uteslutande förlitar sig på metamaterial för spektralfiltrering. Genom att tillämpa metamaterialteknologi för NDIR-gasavkänning kan vi ompröva den optiska designen av vår sensor radikalt, vilket leder till en mer kompakt och robust enhet, sa Lochbaum.