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《宁波材料所在先进气体传感材料与传感器关键技术方面取得进展》

  • 来源专题：中国科学院亮点监测
  • 编译者： yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间：2019-04-06

  • 传感器与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱，传感器技术的优劣成为衡量一个国家科技水平和是否处在国际战略竞争制高点的重要标志，是发达国家高度重视的核心基础技术。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业，其技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。

    　　由中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员杨明辉带领的固体功能材料团队在先进气体传感材料的研发与先进气体传感器设计方面进行了系统的研究。通过对材料结构、形貌及组成的设计，开发出一系列高性能的气体传感材料，包括首次将金属氮氧化物异质结构材料应用于气体传感材料(Small, 2016, 12(23): 3128-3133)、首次合成纯相Sn3N4材料并应用于酒精传感(Chemistry of Materials, 2017, 29(3): 969-974) 及多种多壳层中空传感材料(ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(17): 15314-15321、Nanoscale, 2016, 8(36): 16349-16356等)。

    　　团队在研发高性能传感材料的基础上，开发了多种类型气体传感器以满足不同应用环境，主要包括半导体型、电化学型、催化燃烧型及光学型气体传感器。团队目前已经采用先进的制造工艺，开发了低功耗、小尺寸、高性能的多种气体传感器。

    　　基于研制的先进气体传感器件，固体功能材料团队正在积极研制多场景智能气体检/监测装备。“室内空气监测设备”面向室内典型的污染物进行监测，主要包括VOCs( 甲醛、苯系物)、颗粒物(PM2.5、PM10) 及臭氧等，实时获取室内空气质量状况，并及时反馈到空气净化装置。“空气质量微型监测站”面向室外空气污染物的监测，主要包括颗粒物(PM2.5、PM10)、NO、CO、SO2及O3。设备在城市中进行网格化布置，并通过无线网络将数据及时传回控制中心，实现对污染源迅速定位，促使人员快速赶赴现场排查原因，对其进行紧急处置，尽量将污染所产生的影响降到最低。

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    • 研究人员开发出第一种完全集成的非色散红外（NDIR）气体传感器，该传感器由专门设计的合成材料（称为超材料）实现。 传感器没有移动部件，操作所需的能量很少，是有史以来最小的NDIR传感器之一。 该传感器非常适用于新的物联网和智能家居设备，旨在检测和响应环境变化。它还可以用于未来的医疗诊断和监测设备。 解释这些结果的论文将于9月15日至19日在美国华盛顿特区举行的光学+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，坚固性和高效性结合在一起。使用超材料，我们可以省略NDIR气体传感器，介质滤波器的主要成本驱动因素之一，同时减少设备的尺寸和能耗，”Alexander Lochbaum说道。瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所，论文的第一作者。 “这使传感器可用于汽车和消费电子等大批量，低成本市场。” NDIR传感器是商业上最相关的光学气体传感器类型之一，用于评估汽车尾气，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。新型传感器体积小，成本低，能耗低，为这些和其他类型的应用开辟了新的机会。 缩小光学路径 传统的NDIR传感器通过在腔室中通过空气照射红外光直到其到达检测器来工作。 位于探测器前方的滤光器消除了除特定气体分子吸收的波长以外的所有光，使得进入探测器的光量表明该气体在空气中的浓度。 尽管大多数NDIR传感器都测量二氧化碳，但不同的滤光片可用于测量各种其他气体。 近年来，工程师用微机电系统（MEMS）技术取代了传统的红外光源和探测器，微机电系统是机械和电信号之间的桥梁。 在这项新工作中，研究人员将超材料集成到MEMS平台上，以进一步实现NDIR传感器的小型化，并显着增强光程长度。 设计的关键是一种超材料，称为超材料完美吸收体（MPA），由复杂的铜和氧化铝层状排列组成。由于其结构，MPA可以吸收来自任何角度的光。为了利用这一点，研究人员设计了一种多反射单元，通过多次反射红外光来“折叠”红外光。这种设计允许将约50毫米长的光吸收路径挤压到仅5.7×5.7×4.5毫米的空间中。 传统的NDIR传感器需要光线通过几厘米长的腔室以检测极低浓度的气体，而新设计优化了光线反射，以便在半个半厘米长的腔体内实现相同的灵敏度。 一种简单，坚固且低成本的传感器 通过使用超材料进行有效的滤波和吸收，新设计比现有传感器设计更简单，更稳健。其主要部件是超材料热发射器，吸收单元和超材料热电堆检测器。微控制器周期性地加热加热板，使超材料热发射器产生红外光。光传播通过吸收室并由热电堆检测。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热发射器所需的功率。由于热发射器中使用的超材料的高效率，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。 研究人员使用它来测量受控气氛中不同浓度的二氧化碳，测试了该设备的灵敏度。 他们证明，它可以检测二氧化碳浓度，其噪音限制分辨率为23.3份，与商用系统相当。 然而，为了做到这一点，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减少了约五倍。 “我们首次实现了集成的NDIR传感器，它完全依赖于超材料进行光谱过滤。应用超材料技术进行NDIR气体传感，使我们能够从根本上重新思考传感器的光学设计，从而实现更加紧凑和坚固的设备，” 洛克鲍姆说。  
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  • 《研究人员首次展示了全超材料光学气体传感器》
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    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2019-09-04
    • 研究人员开发出第一种完全集成的非色散红外（NDIR）气体传感器，该传感器由专门设计的合成材料（称为超材料）实现。 传感器没有移动部件，操作所需的能量很少，是有史以来最小的NDIR传感器之一。 该传感器非常适用于新的物联网和智能家居设备，旨在检测和响应环境变化。它还可以用于未来的医疗诊断和监测设备。 解释这些结果的论文将于9月15日至19日在美国华盛顿特区举行的光学+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，坚固性和高效性结合在一起。使用超材料，我们可以省略NDIR气体传感器，介质滤波器的主要成本驱动因素之一，同时减少设备的尺寸和能耗，”Alexander Lochbaum说道。瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所，论文的第一作者。 “这使传感器可用于汽车和消费电子等大批量，低成本市场。” NDIR传感器是商业上最相关的光学气体传感器类型之一，用于评估汽车尾气，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。新型传感器体积小，成本低，能耗低，为这些和其他类型的应用开辟了新的机会。 缩小光学路径 传统的NDIR传感器通过在腔室中通过空气照射红外光直到其到达检测器来工作。 位于探测器前方的滤光器消除了除特定气体分子吸收的波长以外的所有光，使得进入探测器的光量表明该气体在空气中的浓度。 尽管大多数NDIR传感器都测量二氧化碳，但不同的滤光片可用于测量各种其他气体。 近年来，工程师用微机电系统（MEMS）技术取代了传统的红外光源和探测器，微机电系统是机械和电信号之间的桥梁。 在这项新工作中，研究人员将超材料集成到MEMS平台上，以进一步实现NDIR传感器的小型化，并显着增强光程长度。 设计的关键是一种超材料，称为超材料完美吸收体（MPA），由复杂的铜和氧化铝层状排列组成。由于其结构，MPA可以吸收来自任何角度的光。为了利用这一点，研究人员设计了一种多反射单元，通过多次反射红外光来“折叠”红外光。这种设计允许将约50毫米长的光吸收路径挤压到仅5.7×5.7×4.5毫米的空间中。 传统的NDIR传感器需要光线通过几厘米长的腔室以检测极低浓度的气体，而新设计优化了光线反射，以便在半个半厘米长的腔体内实现相同的灵敏度。 一种简单，坚固且低成本的传感器 通过使用超材料进行有效的滤波和吸收，新设计比现有传感器设计更简单，更稳健。其主要部件是超材料热发射器，吸收单元和超材料热电堆检测器。微控制器周期性地加热加热板，使超材料热发射器产生红外光。光传播通过吸收室并由热电堆检测。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热发射器所需的功率。由于热发射器中使用的超材料的高效率，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。 研究人员使用它来测量受控气氛中不同浓度的二氧化碳，测试了该设备的灵敏度。 他们证明，它可以检测二氧化碳浓度，其噪音限制分辨率为23.3份，与商用系统相当。 然而，为了做到这一点，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减少了约五倍。 “我们首次实现了集成的NDIR传感器，它完全依赖于超材料进行光谱过滤。应用超材料技术进行NDIR气体传感，使我们能够从根本上重新思考传感器的光学设计，从而实现更加紧凑和坚固的设备，” 洛克鲍姆说。 ——文章发布于2019年8月29日
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