微型全元材料光学气体传感器（金色胶囊），旁边是一美分硬币。图片来源：苏黎世联邦理工学院亚历山大·洛奇鲍姆（Alexander Lochbaum）

研究人员已经开发出第一个完全集成的，非分散红外（NDIR）气体传感器，该传感器由经过特殊设计的合成材料（称为超材料）实现。该传感器没有活动部件，需要的能量很少，并且是有史以来最小的NDIR传感器之一。

该传感器非常适合用于新型物联网和旨在检测和响应环境变化的智能家居设备。它还可以在将来的医疗诊断和监视设备中找到用途。

解释这些结果的论文将在9月15日至19日在美国华盛顿特区举行的光学与激光科学前沿（FIO + LS）会议上发表。

“我们的传感器设计将简单性，坚固性和效率结合在一起。使用超材料，我们可以省去NDIR气体传感器的主要成本驱动因素之一，即介电滤波器，并同时减小设备的尺寸和能耗，” Alexander Lochbaum说道。瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所，论文的主要作者。“这使传感器适用于大批量，低成本市场，例如汽车和消费电子产品。”

NDIR传感器是商业上最相关的光学气体传感器之一，用于评估车辆排气，测量空气质量，检测气体泄漏并支持各种医疗，工业和研究应用。新传感器的小尺寸，潜在的低成本以及降低的能源需求为这些和其他类型的应用提供了新的机遇。

缩小光路

常规NDIR传感器的工作原理是使红外光穿过室内的空气，直至到达检测器。位于检测器前面的光学滤光器可消除所有光，但特定气体分子吸收的波长除外，因此进入检测器的光量表明该气体在空气中的浓度。尽管大多数NDIR传感器可测量二氧化碳，但可以使用不同的光学滤光片测量多种其他气体。

近年来，工程师已用微机电系统（MEMS）技术取代了传统的红外光源和检测器，该技术是在机械和电信号之间架起桥梁的微型组件。在这项新工作中，研究人员将超材料集成到MEMS平台上，以进一步使NDIR传感器小型化并显着增加光程长度。

设计的关键是一种超材料，称为超材料完美吸收体（MPA），由铜和氧化铝的复杂分层结构制成。由于其结构，MPA可以吸收来自任何角度的光。为了利用这一优势，研究人员设计了一种多反射单元，通过反射多次红外线来“折叠”红外光。这种设计允许将大约50毫米长的光吸收路径压缩到仅5.7×5.7×4.5毫米的空间中。

传统的NDIR传感器需要光线穿过几厘米长的腔室才能检测到极低浓度的气体，而新设计优化了光反射，以在刚好超过半厘米??长的腔体中实现相同水平的灵敏度。

简单，坚固，低成本的传感器

通过使用超材料进行有效的过滤和吸收，新设计比现有传感器设计既简单又坚固。它的主要部分是超材料热发射器，吸收池和超材料热电堆检测器。微控制器定期加热加热板，使超材料热发射器产生红外光。光穿过吸收池并被热电堆检测到。然后，微控制器从热电堆收集电子信号，并将数据流传输到计算机。

主要能量需求来自加热散热器的功率。由于在热辐射器中使用的超材料的高效性，该系统在比以前的设计低得多的温度下工作，因此每次测量所需的能量更少。

研究人员通过在受控气氛中测量设备中不同浓度的二氧化碳来测试设备的灵敏度。他们证明了它可以检测到二氧化碳浓度，其噪声极限分辨率为百万分之23.3，这一水平与市售系统相当。但是，为此，该传感器每次测量仅需要58.6毫焦耳的能量，与市售的低功率热NDIR二氧化碳传感器相比，大约减少了五倍。

“我们首次实现了一种完全依靠超材料进行光谱过滤的集成NDIR传感器。将超材料技术应用于NDIR气体传感可以使我们从根本上重新考虑传感器的光学设计，从而使设备更紧凑，更坚固。”洛赫鲍姆说。