Датчик идеально подходит для новых устройств Интернета вещей и умного дома, предназначенных для обнаружения изменений в окружающей среде и реагирования на них. Он также может найти применение в будущем медицинском диагностическом и контрольном оборудовании.
Документ, объясняющий эти результаты, будет представлен на конференции Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), которая состоится 15-19 сентября в Вашингтоне, D.C., U.S.А.
«Наша конструкция датчика сочетает в себе простоту, надежность и эффективность.
Используя метаматериалы, мы можем исключить один из основных факторов затрат на газовые датчики NDIR, диэлектрический фильтр, и одновременно уменьшить размер и энергопотребление устройства ", – сказал Александр Лохбаум из Института электромагнитных полей ETH Zurich, Швейцария, и ведущий автор статьи. "Это делает датчики жизнеспособными для массовых и недорогих рынков, таких как автомобильная и бытовая электроника."
Датчики NDIR являются одними из наиболее востребованных с коммерческой точки зрения типов оптических газовых датчиков, используемых для оценки выхлопных газов транспортных средств, измерения качества воздуха, обнаружения утечек газа и поддержки различных медицинских, промышленных и исследовательских приложений.
Небольшой размер нового датчика, потенциально низкая стоимость и пониженное энергопотребление открывают новые возможности для этих и других типов приложений.
Уменьшение оптического пути
Обычные датчики NDIR работают, пропуская инфракрасный свет через воздух в камере, пока он не достигнет детектора. Оптический фильтр, расположенный перед детектором, устраняет весь свет, за исключением длины волны, которая поглощается конкретной молекулой газа, так что количество света, попадающего в детектор, указывает на концентрацию этого газа в воздухе. Хотя большинство датчиков NDIR измеряют углекислый газ, для измерения широкого спектра других газов можно использовать различные оптические фильтры.
В последние годы инженеры заменили обычные источник инфракрасного света и детектор на технологию микроэлектромеханических систем (MEMS), миниатюрные компоненты, которые соединяют механические и электрические сигналы.
В новой работе исследователи интегрируют метаматериалы в платформу MEMS для дальнейшей миниатюризации датчика NDIR и значительного увеличения длины оптического пути.
Ключом к конструкции является тип метаматериала, известный как идеальный поглотитель метаматериала (MPA), сделанный из сложной слоистой структуры меди и оксида алюминия. Благодаря своей структуре MPA может поглощать свет, идущий под любым углом.
Чтобы воспользоваться этим, исследователи разработали мультиотражающую ячейку, которая «складывает» инфракрасный свет, многократно отражая его. Такая конструкция позволила втиснуть путь поглощения света длиной около 50 миллиметров в пространство размером всего 5 мм.7 ? 5.7 ? 4.5 миллиметров.
В то время как обычные датчики NDIR требуют, чтобы свет проходил через камеру длиной несколько сантиметров для обнаружения газа при очень низких концентрациях, новая конструкция оптимизирует отражение света для достижения того же уровня чувствительности в полости длиной чуть более полсантиметра.
Простой, надежный и недорогой датчик
Благодаря использованию метаматериалов для эффективной фильтрации и абсорбции, новая конструкция проще и надежнее, чем существующие конструкции датчиков. Его основные части: термоэмиттер из метаматериала, абсорбционная ячейка и детектор термобатареи из метаматериала. Микроконтроллер периодически нагревает конфорку, в результате чего термоэмиттер из метаматериала генерирует инфракрасный свет. Свет проходит через абсорбционную ячейку и обнаруживается термобатареей.
Затем микроконтроллер собирает электронный сигнал от термобатареи и передает данные в компьютер.
Потребность в первичной энергии исходит от мощности, необходимой для нагрева теплового излучателя. Благодаря высокой эффективности метаматериала, используемого в тепловом излучателе, система работает при гораздо более низких температурах, чем предыдущие конструкции, поэтому для каждого измерения требуется меньше энергии.
Исследователи проверили чувствительность устройства, используя его для измерения различных концентраций углекислого газа в контролируемой атмосфере.
Они продемонстрировали, что он может обнаруживать концентрации углекислого газа с ограниченным шумом разрешением 23.3 части на миллион, что соответствует уровню коммерчески доступных систем. Однако для этого датчику потребовалось всего 58.6 миллиджоулей энергии на измерение, что примерно в пять раз меньше, чем у коммерчески доступных маломощных тепловых датчиков углекислого газа NDIR.
«Впервые мы реализуем интегрированный датчик NDIR, который использует исключительно метаматериалы для спектральной фильтрации. «Применение технологии метаматериалов для обнаружения газа NDIR позволяет нам радикально переосмыслить оптическую конструкцию нашего датчика, что приводит к созданию более компактного и надежного устройства», – сказал Лохбаум.
«Ультракомпактный датчик CO2 NDIR из метаматериалов», созданный Александром Лохбаумом, Юрием Федоришином и Юргом Лейтольдом, будет представлен в четверг, 19 сентября 2019 г., в 08:00.м.
EDT в номере Вашингтон 3 отеля Marriott Wardman Park в Вашингтоне, D.C.