Создан первый полностью метаматериальный оптический датчик газа
Москва, 12:21, 30 Авг 2019, редакция FTimes.ru, автор Евгения Ковалева.
Исследователи из Федеральной высшей технической школы Цюриха создали первый полностью интегрированный, недисперсионный инфракрасный (НДИК) газовый датчик. Получить конструкцию позволили метаматериалы.
Устройство не имеет движущихся частей, требует небольшого количества энергии и является одним из самых маленьких среди аналогов, сообщает phys.org. Это – идеальный датчик для Интернета вещей, компонентов умного дома, диагностических систем и аппаратуры для наблюдения.
Результаты исследования будут представлены на конференции Границ оптики и лазерных наук (FIO + LS), проходящей 15-19 сентября в Вашингтоне, США.
«Дизайн датчика объединяет простоту, прочность и эффективность. Использование метаматериалов позволяет отказаться от одного из самых дорогих компонентов НДИК-сенсоров, диэлектрического фильтра. Одновременно уменьшается размер и энергопотребление», — сказал ведущий автор работы, Александр Лохбаум.
В стандартных НДИК-датчиках инфракрасный свет проходит сквозь воздух в камере к детектору. Расположенный напротив него оптический фильтр удаляет весь свет, помимо длин волн, поглощаемых определенными газовыми молекулами. Большинство сенсоров измеряют уровни СО2, но существуют оптические фильтры для других веществ. Инженеры заменили источники ИК-света и детектор микроэлектромеханическими системами (МЭМС). Теперь исследователи внедрили в них метаматериалы для дальнейшего уменьшения размера и удлинения оптического пути.
Ключевым элементом дизайна стал метаматериальный идеальный абсорбер (МИА) со сложной структурой слоев меди и диоксида алюминия. Он может поглощать свет, поступающий под любым углом. Ученые создали камеру, удерживающую ИК-свет за счет многократного отражения. Дизайн позволил втиснуть путь поглощения 50 мм в пространство 5,7х5,7х4,5 мм.
Датчик состоит из теплоизлучателя, поглощающей камеры и термоэлектрического детектора. Микроконтроллер периодически нагревает плитку, заставляя первый генерировать инфракрасный свет. Он проходит сквозь поглотитель и распознается термоэлектрическим элементом. Микроконтроллер затем собирает электронные сигналы, передавая данные на компьютер. Основная часть энергии идет на нагрев. Датчик может обнаружить СО2 в концентрациях с предельным разрешением 23,3 част/млн – соответствует стандартным аналогам. На каждое измерение требуется 58,6 мДж – в 5 раз меньше, чем самым маломощным детекторам углекислого газа.
