【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所李鐵研究員的科研團隊在超小型二氧化碳(CO?)氣體傳感器研制方面取得重要進展。研究團隊制備的傳感器具有尺寸小、功耗適中、性能穩(wěn)定、成本低以及在中紅外波段發(fā)光效率高等特點，同時具備良好的抗?jié)裥?、穩(wěn)定性和可重復(fù)性，在可穿戴呼吸監(jiān)測應(yīng)用中具有巨大的潛力。相關(guān)研究成果以“Ultra-compact dual-channel integrated CO? infrared gas sensor”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Microsystems & Nanoengineering》上(Microsystems & Nanoengineering, 2024, (10), 10.1038/s41378-024-00782-6)。
 

　　呼出CO?濃度可以直接反映人體的生理狀況，其檢測對危重患者的治療與康復(fù)具有重要意義。然而，現(xiàn)有的呼吸氣體分析儀由于內(nèi)部CO?氣體傳感器的限制，存在體積龐大和功耗高等問題，難以實現(xiàn)對活動人群的可穿戴追蹤。為實現(xiàn)CO?氣體傳感器的可穿戴呼吸監(jiān)測應(yīng)用，亟需克服內(nèi)部和外部干擾以及靈敏度限制。
 

　　針對此問題，李鐵團隊開發(fā)出一種將微機電系統(tǒng)(MEMS)光源和熱電堆探測器與光學(xué)氣室集成的超小型CO?氣體傳感器(如圖1)。CO?氣體傳感器最小尺寸為12 mm × 6 mm × 4 mm，工作溫度范圍為−20℃~ 50℃時的讀數(shù)誤差小于4%，其最小功耗約為33 mW，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間均為10 s(@1 Hz)，同時具備良好的抗?jié)裥?、穩(wěn)定性和可重復(fù)性。同時，傳感器通過熱傳導(dǎo)控制，降低了光源功耗和熱敏器件的環(huán)境溫度；縮短了傳感器穩(wěn)定所需時間。此外，雙通道設(shè)計提高了該傳感器的抗?jié)裥?；通過提高光耦合效率來補償光損失，并結(jié)合幅度微調(diào)網(wǎng)絡(luò)(Amplitude Trimming Network)等效提升了傳感器的靈敏度。這些結(jié)果表明，基于該策略開發(fā)的CO?氣體傳感器在可穿戴呼吸監(jiān)測應(yīng)用中具有巨大的潛力。
 

圖1 超小型雙通道集成CO?紅外氣體傳感器原理圖及可穿戴呼吸檢測裝置
 

　　圖2a展示了高發(fā)射率MEMS光源的制造工藝。圖2b展示了高探測率熱電堆探測器的制造工藝。圖2c展示了MEMS工藝制造的光源。在熱電堆紅外探測器的薄膜區(qū)域表面，共有88對熱電偶(如圖2e)。
 

圖2 MEMS光源、熱電堆探測器及其工藝流程圖和測試結(jié)果
 

　　在超小型集成CO?紅外氣體傳感器內(nèi)，MEMS光源用于產(chǎn)生高溫輻射中紅外光。熱電堆探測器通過溫差輸出其響應(yīng)，通常對溫度變化非常敏感，尺寸縮小對熱管理提出了挑戰(zhàn)。研究團隊采用COMSOL軟件中的瞬態(tài)模擬方法，模擬了傳感器內(nèi)部的溫度平衡過程和熱傳遞趨勢，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。有效利用來自MEMS光源的紅外光信號可以克服噪聲限制，并提高傳感器靈敏度。圖4展示了超小型CO?紅外氣體傳感器的信號處理過程。
 

圖3 超小型CO?紅外氣體傳感器模擬結(jié)果
 

圖4 超小型CO?紅外氣體傳感器的信號處理流程圖
 

　　圖5a為超小型CO?傳感器的校準(zhǔn)和測試平臺。研究人員利用該平臺對超小型CO?傳感器特性進行了測試。隨后，研究人員測試了超小型CO?傳感器的響應(yīng)速度，圖6展示了該傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間。此外，超小型CO?傳感器的濕度特性對于呼吸氣體監(jiān)測至關(guān)重要。圖7a至圖7d顯示了超小型CO?傳感器在四種溫度下的濕度特性，并提供了每種溫度下的單通道擬合數(shù)據(jù)和雙通道差分?jǐn)?shù)據(jù)。
 

圖5 超小型CO?傳感器的校準(zhǔn)和測試實驗
 

圖6 超小型CO?傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間測試結(jié)果
 

圖7 超小型CO?傳感器的濕度特性測試結(jié)果
 

　　最后，研究人員設(shè)計了一種基于面罩平臺的可穿戴呼出CO?監(jiān)測系統(tǒng)，對超小型CO?傳感器進行了初步研究，相關(guān)實驗結(jié)果如圖8所示。
 

圖8 超小型CO?傳感器應(yīng)用實驗
 

　　綜上所述，這項研究開發(fā)了一種超小型雙通道集成CO?紅外氣體傳感器。該傳感器選用發(fā)射率高、穩(wěn)定性好且成本低的MEMS光源，并選用兩個高選擇性、高性價比的熱電堆探測器作為紅外探測器；同時，采用注塑成型技術(shù)制造了低成本的光學(xué)氣室。隨后，該研究對高密度封裝結(jié)構(gòu)中的溫度分布進行了模擬分析，并通過在光學(xué)氣室設(shè)計雙光路結(jié)構(gòu)來抑制傳感器的漂移問題。該傳感器的光學(xué)模擬結(jié)果包括傳感器的光路長度和反射次數(shù)，實現(xiàn)了約78%的光耦合效率，并通過在后處理電路中增加幅度微調(diào)網(wǎng)絡(luò)，使ADC模塊采集的信號變化次數(shù)成倍增加。這種電路可以補償因光路長度減少而導(dǎo)致的靈敏度降低。此外，目前超小型CO?傳感器在便攜式呼氣監(jiān)測方面仍存在局限性。盡管超小型CO?傳感器的響應(yīng)時間已大幅縮短，但仍不足以描繪呼出CO?的完整波形信息。增加MEMS光源的調(diào)制深度、減小熱電堆紅外探測器的響應(yīng)時間常數(shù)、調(diào)整光學(xué)氣室的通風(fēng)口以及改變數(shù)字濾波算法，都有助于改善傳感器的響應(yīng)時間。研究人員將在后續(xù)研究工作中繼續(xù)探討該問題，以便實現(xiàn)對呼出CO?波形的完整采樣。
 

　　中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所為該論文的第一完成單位和通訊單位，馮立揚博士為該論文的第一作者，通訊作者為李鐵研究員。