近日,中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員李鐵團隊在超小型二氧化碳(CO?)氣體傳感器研制方面取得進展。該團隊制備的傳感器具有尺寸小、功耗適中、性能穩定、成本低以及在中紅外波段發光效率高等特點,具備良好的抗濕性、穩定性和可重復性,在可穿戴呼吸監測應用中具有應用前景。相關研究成果以Ultra-compact dual-channel integrated CO??infrared gas sensor為題,發表在《微系統與納米工程》(Microsystems & Nanoengineering)上。

呼出CO?濃度可以直接反映人體的生理狀況,而檢測CO?濃度有助于危重患者的治療與康復。現有的呼吸氣體分析儀由于內部CO?氣體傳感器限制,存在體積龐大和功耗高等問題,難以實現對活動人群的可穿戴追蹤。因此,亟需克服CO?氣體傳感器內部和外部干擾與靈敏度限制,以實現傳感器的可穿戴呼吸監測應用。

該研究開發出集成微機電系統光源、熱電堆探測器及光學氣室的超小型CO?氣體傳感器。該傳感器最小尺寸為12mm×6mm×4mm,最小功耗約為33mW,響應時間和恢復時間均為10s,工作溫度范圍為?20℃至50℃時,讀數誤差小于4%。研究通過熱傳導控制,降低了傳感器的光源功耗和熱敏器件環境溫度,縮短了傳感器穩定所需時間,并通過雙通道設計提高了傳感器的抗濕性。同時,研究通過提高光耦合效率來補償光損失,結合幅度微調網絡等效提升了傳感器的靈敏度。

該研究采用COMSOL軟件中的瞬態模擬方法,模擬了傳感器內部的溫度平衡過程和熱傳遞趨勢,并利用來自微機電系統光源的紅外光信號克服噪聲限制,提高了傳感器的靈敏度。同時,該研究測試了超小型CO?傳感器的特性。進一步,該研究設計了基于面罩平臺的可穿戴呼出CO?監測系統。

該研究選用發射率高、穩定性好且成本低的微機電系統光源以及兩個高選擇性、高性價比的熱電堆探測器作為紅外探測器,并采用注塑成型技術制造低成本的光學氣室。該研究對高密度封裝結構中的溫度分布進行模擬分析,并通過光學氣室設計雙光路結構來抑制傳感器的漂移問題。傳感器的光學模擬結果顯示,傳感器實現了約78%的光耦合效率,并通過在后處理電路中增加幅度微調網絡,使ADC模塊采集的信號變化次數成倍增加。而這種電路可以補償因光路長度減少而導致的靈敏度下降。

盡管超小型CO?傳感器的響應時間已得到縮短,但不足以描繪呼出CO?的完整波形信息。同時,超小型CO?傳感器在便攜式呼氣監測方面存在局限性。科研人員將繼續探討增加微機電系統光源的調制深度、減小熱電堆紅外探測器的響應時間常數、調整光學氣室的通風口以及改變數字濾波算法等問題,以改善傳感器的響應時間,實現對呼出CO?波形的完整采樣。

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