近日，中科院上海微系統(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（CO₂）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)裥浴⒎�(wěn)定性和可重復(fù)性，在可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以Ultra-compact dual-channel integrated CO₂ infrared gas sensor為題，發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）上。

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呼出CO₂濃度可以直接反映人體的生理狀況，而檢測(cè)CO₂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CO₂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(xiàn)對(duì)活動(dòng)人群的可穿戴追蹤。因此，亟需克服CO₂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(cè)應(yīng)用。

該研究開(kāi)發(fā)出集成微機(jī)電系統(tǒng)光源、熱電堆探測(cè)器及光學(xué)氣室的超小型CO₂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(guò)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(guò)雙通道設(shè)計(jì)提高了傳感器的抗?jié)裥浴Ｍ瑫r(shí)，研究通過(guò)提高光耦合效率來(lái)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(guò)程和熱傳遞趨勢(shì)，并利用來(lái)自微機(jī)電系統(tǒng)光源的紅外光信號(hào)克服噪聲限制，提高了傳感器的靈敏度。同時(shí)，該研究測(cè)試了超小型CO₂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CO₂監(jiān)測(cè)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(cè)器作為紅外探測(cè)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(duì)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(guò)光學(xué)氣室設(shè)計(jì)雙光路結(jié)構(gòu)來(lái)抑制傳感器的漂移問(wèn)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(guò)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(hào)變化次數(shù)成倍增加。而這種電路可以補(bǔ)償因光路長(zhǎng)度減少而導(dǎo)致的靈敏度下降。

盡管超小型CO₂傳感器的響應(yīng)時(shí)間已得到縮短，但不足以描繪呼出CO₂的完整波形信息。同時(shí)，超小型CO₂傳感器在便攜式呼氣監(jiān)測(cè)方面存在局限性。科研人員將繼續(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(cè)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(wèn)題，以改善傳感器的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼出CO₂波形的完整采樣。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00782-6