Los investigadores han desarrollado el primer sensor de gas infrarrojo no dispersivo NDIR totalmente integrado habilitado por materiales sintéticos especialmente diseñados conocidos como metamateriales. El sensor no tiene partes móviles, requiere poca energía para funcionar y se encuentra entre los sensores NDIR más pequeños de la historiacreado.
El sensor es ideal para el nuevo Internet de las cosas y los dispositivos domésticos inteligentes diseñados para detectar y responder a los cambios en el entorno. También podría ser utilizado en futuros equipos de diagnóstico y monitoreo médico.
Se presentará un documento que explica estos resultados en la conferencia Frontiers in Optics + Laser Science FIO + LS, celebrada del 15 al 19 de septiembre en Washington, DC, EE. UU.
"El diseño de nuestro sensor combina simplicidad, robustez y eficiencia. Usando metamateriales, podemos omitir uno de los principales factores de costos en los sensores de gas NDIR, el filtro dieléctrico, y al mismo tiempo reducir el tamaño y el consumo de energía del dispositivo", dijo AlexanderLochbaum, del Instituto de Campos Electromagnéticos de ETH Zurich, Suiza, y autor principal del artículo: "Esto hace que los sensores sean viables para mercados de alto volumen y bajo costo, como la automoción y la electrónica de consumo".
Los sensores NDIR se encuentran entre los tipos de sensores de gas ópticos más relevantes comercialmente, se utilizan para evaluar el escape del vehículo, medir la calidad del aire, detectar fugas de gas y respaldar una variedad de aplicaciones médicas, industriales y de investigación. El tamaño pequeño del nuevo sensor, potencialmente bajo costo, y los requisitos de energía reducidos abren nuevas oportunidades para estos y otros tipos de aplicaciones.
Reducción de la vía óptica
Los sensores NDIR convencionales funcionan al iluminar la luz infrarroja a través del aire en una cámara hasta que alcanza un detector. Un filtro óptico colocado frente al detector elimina toda la luz, excepto la longitud de onda que es absorbida por una molécula de gas en particular, de modo que la cantidad de luzentrar al detector indica la concentración de ese gas en el aire. Aunque la mayoría de los sensores NDIR miden dióxido de carbono, se pueden usar diferentes filtros ópticos para medir una amplia gama de otros gases.
En los últimos años, los ingenieros han reemplazado la fuente de luz infrarroja convencional y el detector con tecnología de sistemas microelectromecánicos MEMS, componentes minúsculos que unen las señales mecánicas y eléctricas. En el nuevo trabajo, los investigadores integran metamateriales en una plataforma MEMS para miniaturizar aún másSensor NDIR y mejora dramáticamente la longitud del camino óptico.
La clave para el diseño es un tipo de metamaterial conocido como un absorbente perfecto de metamaterial MPA hecho de una disposición compleja en capas de óxido de cobre y aluminio. Debido a su estructura, el MPA puede absorber la luz proveniente de cualquier ángulo. Para aprovecharPara ello, los investigadores diseñaron una celda multirreflectante que "pliega" la luz infrarroja reflejándola muchas veces. Este diseño permitió que una trayectoria de absorción de luz de unos 50 milímetros de largo se exprimiera en un espacio de solo 5,7 × 5,7 × 4,5 milímetros.
Mientras que los sensores NDIR convencionales requieren que la luz pase a través de una cámara de unos centímetros de largo para detectar gas a concentraciones muy bajas, el nuevo diseño optimiza la reflexión de la luz para lograr el mismo nivel de sensibilidad en una cavidad de poco más de medio centímetro de largo.
Un sensor simple, robusto y de bajo costo
Al usar metamateriales para una filtración y absorción eficientes, el nuevo diseño es más simple y más robusto que los diseños de sensores existentes. Sus partes principales son un emisor térmico metamaterial, una celda de absorción y un detector de termopila metamaterial. Un microcontrolador calienta periódicamente elplaca calefactora, que hace que el emisor térmico metamaterial genere luz infrarroja. La luz viaja a través de la celda de absorción y es detectada por la termopila. El microcontrolador luego recoge la señal electrónica de la termopila y transmite los datos a una computadora.
El requisito de energía primaria proviene de la energía necesaria para calentar el emisor térmico. Gracias a la alta eficiencia del metamaterial utilizado en el emisor térmico, el sistema funciona a temperaturas mucho más bajas que los diseños anteriores, por lo que se necesita menos energía para cada medición.
Los investigadores probaron la sensibilidad del dispositivo al usarlo para medir concentraciones variables de dióxido de carbono en una atmósfera controlada. Demostraron que puede detectar concentraciones de dióxido de carbono con una resolución limitada al ruido de 23.3 partes por millón, un nivel similar al disponible comercialmente.Sin embargo, para hacer esto, el sensor requirió solo 58.6 milijulios de energía por medición, aproximadamente una reducción de cinco veces en comparación con los sensores térmicos de dióxido de carbono NDIR de baja potencia disponibles comercialmente.
"Por primera vez, realizamos un sensor NDIR integrado que se basa exclusivamente en metamateriales para el filtrado espectral. La aplicación de la tecnología metamaterial para la detección de gases NDIR nos permite repensar radicalmente el diseño óptico de nuestro sensor, lo que lleva a un dispositivo más compacto y robusto", dijo Lochbaum.
"Sensor de CO2 NDIR ultracompacto totalmente metamaterial", por Alexander Lochbaum, Yuriy Fedoryshyn y Juerg Leuthold se presentará el jueves 19 de septiembre de 2019 a las 08:00 a.m.EDT en la habitación Washington 3 del hotel Marriott Wardman Park enWashington DC
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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