近日,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員李鐵團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(diǎn),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)用中具有應(yīng)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(tǒng)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(fù)。現(xiàn)有的呼吸氣體分析儀由于內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(nèi)部和外部干擾與靈敏度限制,以實(shí)現(xiàn)傳感器的可穿戴呼吸監(jiān)測應(yīng)用。

該研究開發(fā)出集成微機(jī)電系統(tǒng)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(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均為10s,工作溫度范圍為?20℃至50℃時(shí),讀數(shù)誤差小于4%。研究通過熱傳導(dǎo)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(wěn)定所需時(shí)間,并通過雙通道設(shè)計(jì)提高了傳感器的抗?jié)裥?。同時(shí),研究通過提高光耦合效率來補(bǔ)償光損失,結(jié)合幅度微調(diào)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(nèi)部的溫度平衡過程和熱傳遞趨勢,并利用來自微機(jī)電系統(tǒng)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(shè)計(jì)了基于面罩平臺(tái)的可穿戴呼出CO?監(jiān)測系統(tǒng)。

該研究選用發(fā)射率高、穩(wěn)定性好且成本低的微機(jī)電系統(tǒng)光源以及兩個(gè)高選擇性、高性價(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(jié)構(gòu)中的溫度分布進(jìn)行模擬分析,并通過光學(xué)氣室設(shè)計(jì)雙光路結(jié)構(gòu)來抑制傳感器的漂移問題。傳感器的光學(xué)模擬結(jié)果顯示,傳感器實(shí)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。而這種電路可以補(bǔ)償因光路長度減少而導(dǎo)致的靈敏度下降。

盡管超小型CO?傳感器的響應(yīng)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(jiān)測方面存在局限性?？蒲腥藛T將繼續(xù)探討增加微機(jī)電系統(tǒng)光源的調(diào)制深度、減小熱電堆紅外探測器的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)、調(diào)整光學(xué)氣室的通風(fēng)口以及改變數(shù)字濾波算法等問題,以改善傳感器的響應(yīng)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)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