中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)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(jìn)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(fā)光效率高等特點(diǎn)，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(guān)研究成果以Ultra-compact dual-channel integrated CO??infrared gas sensor為題，發(fā)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?，F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(wèn)題，難以實(shí)現對活動(dòng)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(shí)現傳感器的可穿戴呼吸監測應用。
該研究開(kāi)發(fā)出集成微機電系統光源、熱電堆探測器及光學(xué)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(shí)間和恢復時(shí)間均為10s，工作溫度范圍為?20℃至50℃時(shí)，讀數誤差小于4%。研究通過(guò)熱傳導控制，降低了傳感器的光源功耗和熱敏器件環(huán)境溫度，縮短了傳感器穩定所需時(shí)間，并通過(guò)雙通道設計提高了傳感器的抗濕性。同時(shí)，研究通過(guò)提高光耦合效率來(lái)補償光損失，結合幅度微調網(wǎng)絡(luò )等效提升了傳感器的靈敏度。
該研究采用COMSOL軟件中的瞬態(tài)模擬方法，模擬了傳感器內部的溫度平衡過(guò)程和熱傳遞趨勢，并利用來(lái)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(shí)，該研究測試了超小型CO?傳感器的特性。進(jìn)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(fā)射率高、穩定性好且成本低的微機電系統光源以及兩個(gè)高選擇性、高性?xún)r(jià)比的熱電堆探測器作為紅外探測器，并采用注塑成型技術(shù)制造低成本的光學(xué)氣室。該研究對高密度封裝結構中的溫度分布進(jìn)行模擬分析，并通過(guò)光學(xué)氣室設計雙光路結構來(lái)抑制傳感器的漂移問(wèn)題。傳感器的光學(xué)模擬結果顯示，傳感器實(shí)現了約78%的光耦合效率，并通過(guò)在后處理電路中增加幅度微調網(wǎng)絡(luò )，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(cháng)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(shí)間已得到縮短，但不足以描繪呼出CO?的完整波形信息。同時(shí)，超小型CO?傳感器在便攜式呼氣監測方面存在局限性?？蒲腥藛T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(shí)間常數、調整光學(xué)氣室的通風(fēng)口以及改變數字濾波算法等問(wèn)題，以改善傳感器的響應時(shí)間，實(shí)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
