近日，海洋之神8590vip上海微系统与信息技术研究所研究员李铁团队在超小型二氧化碳（CO₂）气体传感器研制方面取得进展。该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，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应用前景。相关研究成果以Ultra-compact dual-channel integrated CO₂ infrared gas sensor为题，发表在《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）上。呼出CO₂浓度可以直接反映人体的生理状况，而检测CO₂浓度有助于危重患者的治疗与康复。现有的呼吸气体分析仪由于内部CO₂气体传感器限制，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。因此，亟需克服CO₂气体传感器内部和外部干扰与灵敏度限制，以实现传感器的可穿戴呼吸监测应用。该研究开发出集成微机电系统光源、热电堆探测器及光学气室的超小型CO₂气体传感器。该传感器最小尺寸为12mm×6mm×4mm，最小功耗约为33mW，响应时间和恢复时间均为10s，工作温度范围为−20℃至50℃时，读数误差小于4%。研究通过热传导控制，降低了传感器的光源功耗和热敏器件环境温度，缩短了传感器稳定所需时间，并通过双通道设计提高了传感器的抗湿性。同时，研究通过提高光耦合效率来补偿光损失，结合幅度微调网络等效提升了传感器的灵敏度。该研究采用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，并利用来自微机电系统光源的红外光信号克服噪声限制，提高了传感器的灵敏度。同时，该研究测试了超小型CO₂传感器的特性。进一步，该研究设计了基于面罩平台的可穿戴呼出CO₂监测系统。该研究选用发射率高、稳定性好且成本低的微机电系统光源以及两个高选择性、高性价比的热电堆探测器作为红外探测器，并采用注塑成型技术制造低成本的光学气室。该研究对高密度封装结构中的温度分布进行模拟分析，并通过光学气室设计双光路结构来抑制传感器的漂移问题。传感器的光学模拟结果显示，传感器实现了约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。而这种电路可以补偿因光路长度减少而导致的灵敏度下降。尽管超小型CO₂传感器的响应时间已得到缩短，但不足以描绘呼出CO₂的完整波形信息。同时，超小型CO₂传感器在便携式呼气监测方面存在局限性。科研人员将继续探讨增加微机电系统光源的调制深度、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等问题，以改善传感器的响应时间，实现对呼出CO₂波形的完整采样。论文链接超小型双通道集成CO₂红外气体传感器原理图及可穿戴呼吸检测装置