非分散性     红外   线(NDIR)     气体传感器   ，是与     光学   气体     传感器   联系最紧密的商用传感器之一，可用于评估汽车尾气、     测量   空气质量、探测气体泄漏情况，并支持各种医疗、工业和研究应用。最近，瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员成功研发了首个一体化、采用NDIR的气体传感器。该传感器采用特殊工艺     合成   的超材料制成，没有运动部件，只需很少的能量就可运行，是有史以来尺寸最小的NDIR传感器之一。

文中所述新型NDIR气体传感器新品，资料图

据了解，由于传感器设计简单、坚固、高效，采用了超材料，可省去NDIR气体传感器中的一个主要成本因素：介质     滤波器   ，同时，还可减小设备的尺寸以及能量消耗。基于体积小、成本低、能源消耗低这些优良特性，这种新型光学气体传感器，是理想的新型物联网和智能家居设备，可用于探测和响应环境的变化，未来还可用于医学诊断和监测。

传统NDIR传感器的工作原理是，将红外光通过室内空气照射到探测器上。除能被特定气体分子吸收的波长外，探测器前方的光学滤光片可滤除所有光线，因此，探测器所探测到的光的数量就指示了该气体在空气中的浓度。虽然大多数NDIR传感器都用于测量二     氧化   碳，但不同的滤光片可用于测量各种其他气体。

近几年，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，MEMS是连接机电信号的微型元件。在此次研究中，研究人员将超材料集成至MEMS平台上，进一步缩小了NDIR传感器的尺寸，并显著提高了其光程长度。

该设计的关键之处在于，其采用了一种称为超材料完美吸收器(MPA)的材料，而该MPA由铜和氧化铝组成的复杂分层结构制成。由于具备分层结构，MPA可吸收来自任何角度的光线。为了利用该特性，研究人员设计了一个多反射单元，能够通过多次反射红外光来“折叠”红外光，从而可以在一个尺寸为5.7×5.7×4.5毫米的空间内压缩一条约为50毫米长的光吸收路径。

在传统NDIR传感器中，光线需要穿过一个几厘米长的腔体，才能在浓度非常低的情况下探测到气体，但是，新设计优化了光的反射，能在一个半厘米长的腔体中就实现同样的灵敏度。

超材料能有效过滤和吸收光线，因而新设计与现有的传感器设计相比，更加简单、坚固。其主要部件为超材料热发射器、吸收单元以及超材料热电堆探测器。一个微控制器会定时将加热板加热，使超材料热发射器产生红外光。光穿过吸收单元，被热电堆探测到，然后微控制器从热电堆中收集电子信号，并将数据传输至     计算机   。

该设计的主要能源需求来自加热热发射器所需的能量，由于热发射器中采用的超材料具备高效率，该系统的工作温度与之前的设计相比，将低得多，因此每次进行测量时所需的能量也更少。

研究人员通过测量受控大气中不同浓度的二氧化碳来     测试   该设备的灵敏度，证明该系统可以探测到二氧化碳浓度，而且限噪分辨率为23.3 ppm，与商用系统相当。但是，该传感器每次进行测量时只需要58.6焦耳的能量，与商用低功耗NDIR二氧化碳热传感器相比，大约减少了5倍。
来源：传感器专家网