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近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員李鐵團隊在超小型二氧化碳（CO?）氣體傳感器研制方面取得進展。該團隊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，具備良好的抗?jié)裥?、穩(wěn)定性和可重復性，在可穿戴呼吸監(jiān)測應用中具有應用前景。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?，F(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，難以實現(xiàn)對活動人群的可穿戴追蹤。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，以實現(xiàn)傳感器的可穿戴呼吸監(jiān)測應用。該研究開發(fā)出集成微機電系統(tǒng)光源、熱電堆探測器及光學氣室的超小型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，響應時間和恢復時間均為10s，工作溫度范圍為?20℃至50℃時，讀數(shù)誤差小于4%。研究通過熱傳導控制，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)定所需時間，并通過雙通道設(shè)計提高了傳感器的抗?jié)裥?。同時，研究通過提高光耦合效率來補償光損失，結(jié)合幅度微調(diào)網(wǎng)絡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，該研究測試了超小型CO?傳感器的特性。進一步，該研究設(shè)計了基于面罩平臺的可穿戴呼出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電系統(tǒng)光源以及兩個高選擇性、高性價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)制造低成本的光學氣室。該研究對高密度封裝結(jié)構(gòu)中的溫度分布進行模擬分析，并通過光學氣室設(shè)計雙光路結(jié)構(gòu)來抑制傳感器的漂移問題。傳感器的光學模擬結(jié)果顯示，傳感器實現(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，使ADC模塊采集的信號變化次數(shù)成倍增加。而這種電路可以補償因光路長度減少而導致的靈敏度下降。盡管超小型CO?傳感器的響應時間已得到縮短，但不足以描繪呼出CO?的完整波形信息。同時，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時間常數(shù)、調(diào)整光學氣室的通風口以及改變數(shù)字濾波算法等問題，以改善傳感器的響應時間，實現(xiàn)對呼出CO?波形的完整采樣。論文鏈接超小型雙通道集成CO?紅外氣體傳感器原理圖及可穿戴呼吸檢測裝置