近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所李铁研究员的科研团队在超小型二氧化碳(CO₂)气体传感器研制方面取得重要进展。研究团队制备的传感器具有尺寸小、功耗适中、性能稳定、成本低以及在中红外波段发光效率高等特点，同时具备良好的抗湿性、稳定性和可重复性，在可穿戴呼吸监测应用中具有巨大的潜力。相关研究成果以“Ultra-compact dual-channel integrated CO₂ infrared gas sensor”为题发表在学术期刊《Microsystems & Nanoengineering》上(Microsystems & Nanoengineering, 2024, (10), 10.1038/s41378-024-00782-6)。
呼出CO₂浓度可以直接反映人体的生理状况，其检测对危重患者的治疗与康复具有重要意义。然而，现有的呼吸气体分析仪由于内部CO₂气体传感器的限制，存在体积庞大和功耗高等问题，难以实现对活动人群的可穿戴追踪。为实现CO₂气体传感器的可穿戴呼吸监测应用，亟需克服内部和外部干扰以及灵敏度限制。
针对此问题，李铁团队开发出一种将微机电系统(MEMS)光源和热电堆探测器与光学气室集成的超小型CO₂气体传感器(如图1)。CO₂气体传感器最小尺寸为12 mm × 6 mm × 4 mm，工作温度范围为−20℃~ 50℃时的读数误差小于4%，其最小功耗约为33 mW，响应时间和恢复时间均为10 s(@1 Hz)，同时具备良好的抗湿性、稳定性和可重复性。同时，传感器通过热传导控制，降低了光源功耗和热敏器件的环境温度；缩短了传感器稳定所需时间。此外，双通道设计提高了该传感器的抗湿性；通过提高光耦合效率来补偿光损失，并结合幅度微调网络(Amplitude Trimming Network)等效提升了传感器的灵敏度。这些结果表明，基于该策略开发的CO₂气体传感器在可穿戴呼吸监测应用中具有巨大的潜力。
图1 超小型双通道集成CO₂红外气体传感器原理图及可穿戴呼吸检测装置
图2a展示了高发射率MEMS光源的制造工艺。图2b展示了高探测率热电堆探测器的制造工艺。图2c展示了MEMS工艺制造的光源。在热电堆红外探测器的薄膜区域表面，共有88对热电偶(如图2e)。
图2 MEMS光源、热电堆探测器及其工艺流程图和测试结果
在超小型集成CO₂红外气体传感器内，MEMS光源用于产生高温辐射中红外光。热电堆探测器通过温差输出其响应，通常对温度变化非常敏感，尺寸缩小对热管理提出了挑战。研究团队采用COMSOL软件中的瞬态模拟方法，模拟了传感器内部的温度平衡过程和热传递趋势，相关结果如图3所示。有效利用来自MEMS光源的红外光信号可以克服噪声限制，并提高传感器灵敏度。图4展示了超小型CO₂红外气体传感器的信号处理过程。
图3 超小型CO₂红外气体传感器模拟结果
图4 超小型CO₂红外气体传感器的信号处理流程图
图5a为超小型CO₂传感器的校准和测试平台。研究人员利用该平台对超小型CO₂传感器特性进行了测试。随后，研究人员测试了超小型CO₂传感器的响应速度，图6展示了该传感器的响应时间和恢复时间。此外，超小型CO₂传感器的湿度特性对于呼吸气体监测至关重要。图7a至图7d显示了超小型CO₂传感器在四种温度下的湿度特性，并提供了每种温度下的单通道拟合数据和双通道差分数据。
图5 超小型CO₂传感器的校准和测试实验
图6 超小型CO₂传感器的响应时间和恢复时间测试结果
图7 超小型CO₂传感器的湿度特性测试结果
最后，研究人员设计了一种基于面罩平台的可穿戴呼出CO₂监测系统，对超小型CO₂传感器进行了初步研究，相关实验结果如图8所示。
图8 超小型CO₂传感器应用实验
综上所述，这项研究开发了一种超小型双通道集成CO₂红外气体传感器。该传感器选用发射率高、稳定性好且成本低的MEMS光源，并选用两个高选择性、高性价比的热电堆探测器作为红外探测器；同时，采用注塑成型技术制造了低成本的光学气室。随后，该研究对高密度封装结构中的温度分布进行了模拟分析，并通过在光学气室设计双光路结构来抑制传感器的漂移问题。该传感器的光学模拟结果包括传感器的光路长度和反射次数，实现了约78%的光耦合效率，并通过在后处理电路中增加幅度微调网络，使ADC模块采集的信号变化次数成倍增加。这种电路可以补偿因光路长度减少而导致的灵敏度降低。此外，目前超小型CO₂传感器在便携式呼气监测方面仍存在局限性。尽管超小型CO₂传感器的响应时间已大幅缩短，但仍不足以描绘呼出CO₂的完整波形信息。增加MEMS光源的调制深度、减小热电堆红外探测器的响应时间常数、调整光学气室的通风口以及改变数字滤波算法，都有助于改善传感器的响应时间。研究人员将在后续研究工作中继续探讨该问题，以便实现对呼出CO₂波形的完整采样。
中国科学院上海微系统所为该论文的第一完成单位和通讯单位，冯立扬博士为该论文的第一作者，通讯作者为李铁研究员。
