Onderzoekers hebben de eerste volledig geïntegreerde, niet-dispersieve infrarood (NDIR) gassensor mogelijk gemaakt door speciaal ontworpen synthetische materialen die bekend staan ​​als metamaterialen. De sensor heeft geen bewegende delen, vereist weinig energie om te werken en is een van de kleinste NDIR-sensoren die ooit zijn gemaakt.

De sensor is ideaal voor nieuwe Internet of Things en smart home-apparaten die zijn ontworpen om veranderingen in de omgeving te detecteren en erop te reageren. Het kan ook worden gebruikt in toekomstige medische diagnostiek en bewakingsapparatuur.

Een paper waarin deze resultaten worden uitgelegd, zal worden gepresenteerd op de conferentie Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), gehouden op 15-19 september in Washington, gelijkstroom, VS.

"Ons sensorontwerp verenigt eenvoud, robuustheid, en efficiëntie. Metamaterialen gebruiken, we kunnen een van de belangrijkste kostenfactoren in NDIR-gassensoren weglaten, het diëlektrische filter, en tegelijkertijd de grootte en het energieverbruik van het apparaat verminderen, " zei Alexander Lochbaum van het Instituut voor Elektromagnetische Velden van ETH Zürich, Zwitserland, en hoofdauteur op het papier. "Dit maakt de sensoren levensvatbaar voor grote volumes, goedkope markten zoals auto- en consumentenelektronica."

NDIR-sensoren behoren tot de commercieel meest relevante typen optische gassensoren, gebruikt om uitlaatgassen van voertuigen te beoordelen, luchtkwaliteit meten, gaslekken detecteren en een verscheidenheid aan medische, industriële en onderzoekstoepassingen. Het kleine formaat van de nieuwe sensor, mogelijk lage kosten, en verminderde energiebehoefte openen nieuwe mogelijkheden voor deze en andere soorten toepassingen.

Het optische pad verkleinen

Conventionele NDIR-sensoren werken door infrarood licht door de lucht in een kamer te laten schijnen totdat het een detector bereikt. Een optisch filter dat voor de detector is geplaatst, elimineert al het licht behalve de golflengte die wordt geabsorbeerd door een bepaald gasmolecuul, zodat de hoeveelheid licht die de detector binnenkomt de concentratie van dat gas in de lucht aangeeft. Hoewel de meeste NDIR-sensoren koolstofdioxide meten, verschillende optische filters kunnen worden gebruikt om een ​​groot aantal andere gassen te meten.

In recente jaren, ingenieurs hebben de conventionele infrarood lichtbron en detector vervangen door micro-elektromechanische systemen (MEMS) technologie, minuscule componenten die een brug slaan tussen mechanische en elektrische signalen. In het nieuwe werk onderzoekers integreren metamaterialen op een MEMS-platform om de NDIR-sensor verder te miniaturiseren en de optische padlengte drastisch te verbeteren.

De sleutel tot het ontwerp is een type metamateriaal dat bekend staat als een metamateriaal perfect absorber (MPA), gemaakt van een complexe gelaagde opstelling van koper en aluminiumoxide. Door zijn structuur, MPA kan licht absorberen dat uit elke hoek komt. Om hiervan te profiteren, de onderzoekers ontwierpen een multi-reflecterende cel die het infraroodlicht "vouwt" door het vele malen te reflecteren. Dankzij dit ontwerp kon een lichtabsorptiepad van ongeveer 50 millimeter lang worden geperst in een ruimte van slechts 5,7 × 5,7 × 4,5 millimeter.

Terwijl conventionele NDIR-sensoren licht nodig hebben om door een kamer van enkele centimeters lang te gaan om gas in zeer lage concentraties te detecteren, het nieuwe ontwerp optimaliseert de lichtreflectie om hetzelfde niveau van gevoeligheid te bereiken in een holte van iets meer dan een halve centimeter lang.

Een eenvoudige, robuust, en goedkope sensor

Door metamaterialen te gebruiken voor efficiënte filtering en absorptie, het nieuwe ontwerp is zowel eenvoudiger als robuuster dan bestaande sensorontwerpen. De belangrijkste onderdelen zijn een thermische emitter van metamateriaal, een absorptiecel, en een metamateriaal thermozuildetector. Een microcontroller verwarmt periodiek de kookplaat, waardoor de thermische emitter van het metamateriaal infrarood licht genereert. Het licht gaat door de absorptiecel en wordt gedetecteerd door de thermozuil. De microcontroller verzamelt vervolgens het elektronische signaal van de thermozuil, en streamt de gegevens naar een computer.

De primaire energiebehoefte is afkomstig van het vermogen dat nodig is om de thermische emitter te verwarmen. Dankzij het hoge rendement van het metamateriaal dat in de thermische emitter wordt gebruikt, het systeem werkt bij veel lagere temperaturen dan eerdere ontwerpen, er is dus minder energie nodig voor elke meting.

De onderzoekers testten de gevoeligheid van het apparaat door het te gebruiken om verschillende concentraties kooldioxide te meten in een gecontroleerde atmosfeer. Ze toonden aan dat het kooldioxideconcentraties kan detecteren met een geluidsbeperkte resolutie van 23,3 delen per miljoen, een niveau dat vergelijkbaar is met in de handel verkrijgbare systemen. Echter, hiervoor had de sensor slechts 58,6 millijoule energie per meting nodig, ongeveer een vijfvoudige reductie in vergelijking met in de handel verkrijgbare thermische NDIR-kooldioxidesensoren met laag vermogen.

"Voor de eerste keer, we realiseren een geïntegreerde NDIR-sensor die uitsluitend vertrouwt op metamaterialen voor spectrale filtering. Door metamateriaaltechnologie toe te passen voor NDIR-gasdetectie kunnen we het optische ontwerp van onze sensor radicaal heroverwegen, wat leidt tot een compacter en robuuster apparaat, ' zei Lochbaum.