Los investigadores han desarrollado el primer Sensor de gas infrarrojo no dispersivo (NDIR) 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 jamás creados.

El sensor es ideal para la nueva Internet de las cosas y los dispositivos domésticos inteligentes diseñados para detectar y responder a los cambios en el entorno. También podría encontrar uso en futuros equipos de monitoreo y diagnóstico médico.

Se presentará un artículo que explica estos resultados en la conferencia Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), celebrada del 15 al 19 de septiembre en Washington, CORRIENTE CONTINUA., ESTADOS UNIDOS.

"El diseño de nuestro sensor une la simplicidad, robustez, y eficiencia. Usando metamateriales, podemos omitir uno de los principales impulsores de costos en los sensores de gas NDIR, el filtro dieléctrico, y simultáneamente reducir el tamaño y el consumo de energía del dispositivo, "dijo Alexander Lochbaum del Instituto de Campos Electromagnéticos de ETH Zurich, Suiza, y autor principal del artículo. "Esto hace que los sensores sean viables para grandes volúmenes, mercados de bajo costo como el de la automoción y la electrónica de consumo ".

Los sensores NDIR se encuentran entre los tipos de sensores ópticos de gas más relevantes comercialmente, utilizado para evaluar el escape del vehículo, medir la calidad del aire, detectar fugas de gas y dar soporte a una variedad de servicios médicos, aplicaciones industriales y de investigación. El pequeño tamaño del nuevo sensor, potencialmente bajo costo, y los requisitos de energía reducidos abren nuevas oportunidades para estos y otros tipos de aplicaciones.

Reducir la vía óptica

Los sensores NDIR convencionales funcionan al hacer brillar luz infrarroja a través del aire en una cámara hasta que llega a 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 luz que ingresa al detector indica la concentración de ese gas en el aire. Aunque la mayoría de los sensores NDIR miden el dióxido de carbono, Se pueden utilizar diferentes filtros ópticos para medir una amplia gama de otros gases.

En años recientes, 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 más el sensor NDIR y mejorar drásticamente la longitud del camino óptico.

La clave del diseño es un tipo de metamaterial conocido como absorbente perfecto de metamaterial (MPA) hecho de una compleja disposición en capas de cobre y óxido de aluminio. Por su estructura, MPA puede absorber la luz proveniente de cualquier ángulo. Para aprovechar esto, los investigadores diseñaron una celda multirreflectante que "pliega" la luz infrarroja reflejándola muchas veces. Este diseño permitió que un camino de absorción de luz de unos 50 milímetros de largo se comprimiera en un espacio que medía 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 pocos centímetros de largo para detectar gas en 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 simple, robusto, y sensor de bajo costo

Mediante el uso de metamateriales para un filtrado 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 de metamaterial, una celda de absorción, y un detector de termopila de metamaterial. Un microcontrolador calienta periódicamente la zona de cocción, haciendo que el emisor térmico de 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 requerimiento 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 usándolo para medir concentraciones variables de dióxido de carbono en una atmósfera controlada. Demostraron que puede detectar concentraciones de dióxido de carbono con una resolución de ruido limitado de 23,3 partes por millón, un nivel a la par con los sistemas disponibles 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 de dióxido de carbono NDIR térmicos 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 de metamateriales para la detección de gases NDIR nos permite repensar radicalmente el diseño óptico de nuestro sensor, conduciendo a un dispositivo más compacto y robusto, "dijo Lochbaum.