近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所李鐵研究員的科研團隊在超小型二氧化碳(CO?)氣體傳感器研制方面取得重要進展。研究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光效率高等特點，同時具備良好的抗濕性、穩定性和可重復性，在可穿戴呼吸監測應用中具有巨大的潛力。相關研究成果以“Ultra-compact dual-channel integrated CO??infrared gas sensor”為題發表在學術期刊《Microsystems & Nanoengineering》上(Microsystems & Nanoengineering, 2024, (10), 10.1038/s41378-024-00782-6)。
呼出CO?濃度可以直接反映人體的生理狀況，其檢測對危重患者的治療與康復具有重要意義。然而，現有的呼吸氣體分析儀由于內部CO?氣體傳感器的限制，存在體積龐大和功耗高等問題，難以實現對活動人群的可穿戴追蹤。為實現CO?氣體傳感器的可穿戴呼吸監測應用，亟需克服內部和外部干擾以及靈敏度限制。
針對此問題，李鐵團隊開發出一種將微機電系統(MEMS)光源和熱電堆探測器與光學氣室集成的超小型CO?氣體傳感器(如圖1)。CO?氣體傳感器最小尺寸為12 mm × 6 mm × 4 mm，工作溫度范圍為?20℃~ 50℃時的讀數誤差小于4%，其最小功耗約為33 mW，響應時間和恢復時間均為10 s(@1 Hz)，同時具備良好的抗濕性、穩定性和可重復性。同時，傳感器通過熱傳導控制，降低了光源功耗和熱敏器件的環境溫度；縮短了傳感器穩定所需時間。此外，雙通道設計提高了該傳感器的抗濕性；通過提高光耦合效率來補償光損失，并結合幅度微調網絡(Amplitude Trimming Network)等效提升了傳感器的靈敏度。這些結果表明，基于該策略開發的CO?氣體傳感器在可穿戴呼吸監測應用中具有巨大的潛力。
圖1 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
圖2a展示了高發射率MEMS光源的制造工藝。圖2b展示了高探測率熱電堆探測器的制造工藝。圖2c展示了MEMS工藝制造的光源。在熱電堆紅外探測器的薄膜區域表面，共有88對熱電偶(如圖2e)。
圖2 MEMS光源、熱電堆探測器及其工藝流程圖和測試結果
在超小型集成CO?紅外氣體傳感器內，MEMS光源用于產生高溫輻射中紅外光。熱電堆探測器通過溫差輸出其響應，通常對溫度變化非常敏感，尺寸縮小對熱管理提出了挑戰。研究團隊采用COMSOL軟件中的瞬態模擬方法，模擬了傳感器內部的溫度平衡過程和熱傳遞趨勢，相關結果如圖3所示。有效利用來自MEMS光源的紅外光信號可以克服噪聲限制，并提高傳感器靈敏度。圖4展示了超小型CO?紅外氣體傳感器的信號處理過程。
圖3 超小型CO?紅外氣體傳感器模擬結果
圖4 超小型CO?紅外氣體傳感器的信號處理流程圖
圖5a為超小型CO?傳感器的校準和測試平臺。研究人員利用該平臺對超小型CO?傳感器特性進行了測試。隨后，研究人員測試了超小型CO?傳感器的響應速度，圖6展示了該傳感器的響應時間和恢復時間。此外，超小型CO?傳感器的濕度特性對于呼吸氣體監測至關重要。圖7a至圖7d顯示了超小型CO?傳感器在四種溫度下的濕度特性，并提供了每種溫度下的單通道擬合數據和雙通道差分數據。
圖5 超小型CO?傳感器的校準和測試實驗
圖6 超小型CO?傳感器的響應時間和恢復時間測試結果
圖7 超小型CO?傳感器的濕度特性測試結果
最后，研究人員設計了一種基于面罩平臺的可穿戴呼出CO?監測系統，對超小型CO?傳感器進行了初步研究，相關實驗結果如圖8所示。
圖8 超小型CO?傳感器應用實驗
綜上所述，這項研究開發了一種超小型雙通道集成CO?紅外氣體傳感器。該傳感器選用發射率高、穩定性好且成本低的MEMS光源，并選用兩個高選擇性、高性價比的熱電堆探測器作為紅外探測器；同時，采用注塑成型技術制造了低成本的光學氣室。隨后，該研究對高密度封裝結構中的溫度分布進行了模擬分析，并通過在光學氣室設計雙光路結構來抑制傳感器的漂移問題。該傳感器的光學模擬結果包括傳感器的光路長度和反射次數，實現了約78%的光耦合效率，并通過在后處理電路中增加幅度微調網絡，使ADC模塊采集的信號變化次數成倍增加。這種電路可以補償因光路長度減少而導致的靈敏度降低。此外，目前超小型CO?傳感器在便攜式呼氣監測方面仍存在局限性。盡管超小型CO?傳感器的響應時間已大幅縮短，但仍不足以描繪呼出CO?的完整波形信息。增加MEMS光源的調制深度、減小熱電堆紅外探測器的響應時間常數、調整光學氣室的通風口以及改變數字濾波算法，都有助于改善傳感器的響應時間。研究人員將在后續研究工作中繼續探討該問題，以便實現對呼出CO?波形的完整采樣。
中國科學院上海微系統所為該論文的第一完成單位和通訊單位，馮立揚博士為該論文的第一作者，通訊作者為李鐵研究員。
