Forskere demonstrerer den første optiske gassensor af alle metamaterialer

Forskere har udviklet den første fuldt integrerede, ikke-dispersiv infrarød (NDIR) gassensor aktiveret af specialkonstruerede syntetiske materialer kendt som metamaterialer. Sensoren har ingen bevægelige dele, kræver lidt energi at betjene og er blandt de mindste NDIR -sensorer, der nogensinde er skabt.

Sensoren er ideel til nyt tingenes internet og smarte hjemmeapparater designet til at registrere og reagere på ændringer i miljøet. Det kan også finde anvendelse i fremtidig medicinsk diagnostik og overvågningsudstyr.

Et papir, der forklarer disse resultater, vil blive præsenteret på konferencen Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), afholdt 15-19 september i Washington, D.C., USA.

"Vores sensordesign forener enkelhed, robusthed, og effektivitet. Ved hjælp af metamaterialer, vi kan udelade en af ​​de vigtigste omkostningsdrivere i NDIR -gassensorer, det dielektriske filter, og samtidig reducere enhedens størrelse og energiforbrug, "sagde Alexander Lochbaum fra Institute of Electromagnetic Fields of ETH Zurich, Schweiz, og hovedforfatter på papiret. "Dette gør sensorerne levedygtige til høj volumen, billige markeder såsom bil- og forbrugerelektronik. "

NDIR -sensorer er blandt de kommercielt mest relevante typer af optiske gassensorer, bruges til at vurdere bilens udstødning, måle luftkvaliteten, opdage gaslækager og støtte en række medicinske, industri- og forskningsapplikationer. Den nye sensors lille størrelse, potentielt lave omkostninger, og reducerede energikrav åbner nye muligheder for disse og andre typer applikationer.

Krympning af den optiske vej

Konventionelle NDIR -sensorer virker ved at skinne infrarødt lys gennem luft i et kammer, indtil det når en detektor. Et optisk filter placeret foran detektoren eliminerer alt lys undtagen bølgelængden, der absorberes af et bestemt gasmolekyle, så mængden af ​​lys, der kommer ind i detektoren, angiver koncentrationen af ​​den gas i luften. Selvom de fleste NDIR -sensorer måler kuldioxid, forskellige optiske filtre kan bruges til at måle en lang række andre gasser.

I de seneste år, ingeniører har erstattet den konventionelle infrarøde lyskilde og detektor med mikroelektromekaniske systemer (MEMS) teknologi, minimale komponenter, der bygger bro mellem mekaniske og elektriske signaler. I det nye værk, forskere integrerer metamaterialer på en MEMS -platform for yderligere at miniaturisere NDIR -sensoren og dramatisk forbedre den optiske sti -længde.

Nøglen til designet er en type metamateriale kendt som en metamaterialet perfekt absorber (MPA) fremstillet af et komplekst lagdelt arrangement af kobber og aluminiumoxid. På grund af dets struktur, MPA kan absorbere lys fra enhver vinkel. For at drage fordel af dette, forskerne designede en multireflekterende celle, der "folder" det infrarøde lys ved at reflektere det mange gange. Dette design gjorde det muligt at presse en lysabsorberingssti på omkring 50 millimeter lang ind i et rum, der kun måler 5,7 × 5,7 × 4,5 millimeter.

Mens konventionelle NDIR -sensorer kræver, at lys passerer gennem et kammer, der er et par centimeter langt, for at detektere gas ved meget lave koncentrationer, det nye design optimerer lysrefleksion for at opnå samme følsomhedsniveau i et hulrum, der er lidt over en halv centimeter langt.

En enkel, robust, og billig sensor

Ved at bruge metamaterialer til effektiv filtrering og absorption, det nye design er både enklere og mere robust end eksisterende sensordesign. Dens hoveddele er en metamateriale termisk emitter, en absorptionscelle, og en metamaterialet termopil detektor. En mikrokontroller opvarmer periodisk kogepladen, forårsager, at metamaterialets termiske emitter genererer infrarødt lys. Lyset bevæger sig gennem absorptionscellen og detekteres af termopilen. Mikrokontrolleren indsamler derefter det elektroniske signal fra termopilen, og streamer dataene til en computer.

Det primære energibehov kommer fra den effekt, der er nødvendig for at opvarme den termiske emitter. Takket være den høje effektivitet af det metamateriale, der bruges i den termiske emitter, systemet fungerer ved meget lavere temperaturer end tidligere designs, så der kræves mindre energi til hver måling.

Forskerne testede enhedens følsomhed ved at bruge den til at måle forskellige koncentrationer af kuldioxid i en kontrolleret atmosfære. De demonstrerede, at det kan detektere kuldioxidkoncentrationer med en støjbegrænset opløsning på 23,3 dele pr. Million, på niveau med kommercielt tilgængelige systemer. Imidlertid, for at gøre dette krævede sensoren kun 58,6 millijoule energi pr. måling, cirka en femdobling i forhold til kommercielt tilgængelige termiske NDIR-kuldioxidsensorer med lav effekt.

"For første gang, vi realiserer en integreret NDIR -sensor, der udelukkende er afhængig af metamaterialer til spektralfiltrering. Anvendelse af metamaterialeteknologi til NDIR gasføling giver os mulighed for at gentænke det optiske design af vores sensor radikalt, hvilket fører til en mere kompakt og robust enhed, sagde Lochbaum.