Les chercheurs ont développé le premier système entièrement intégré, capteur de gaz infrarouge non dispersif (NDIR) activé par des matériaux synthétiques spécialement conçus appelés métamatériaux. Le capteur n'a pas de pièces mobiles, nécessite peu d'énergie pour fonctionner et est parmi les plus petits capteurs NDIR jamais créés.

Le capteur est idéal pour les nouveaux objets connectés et les appareils domestiques intelligents conçus pour détecter et répondre aux changements de l'environnement. Il pourrait également être utilisé dans les futurs équipements de diagnostic médical et de surveillance.

Un article expliquant ces résultats sera présenté à la conférence Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), du 15 au 19 septembre à Washington, D.C., ETATS-UNIS.

"Notre conception de capteur allie simplicité, robustesse, et efficacité. En utilisant des métamatériaux, nous pouvons omettre l'un des principaux facteurs de coût des capteurs de gaz NDIR, le filtre diélectrique, et réduire simultanément la taille et la consommation d'énergie de l'appareil, " a déclaré Alexander Lochbaum de l'Institut des champs électromagnétiques de l'ETH Zurich, La Suisse, et auteur principal de l'article. « Cela rend les capteurs viables pour les gros volumes, marchés à bas prix tels que l'automobile et l'électronique grand public."

Les capteurs NDIR sont parmi les types de capteurs de gaz optiques les plus pertinents sur le plan commercial, utilisé pour évaluer les gaz d'échappement des véhicules, mesurer la qualité de l'air, détecter les fuites de gaz et prendre en charge une variété de soins médicaux, applications industrielles et de recherche. La petite taille du nouveau capteur, coût potentiellement bas, et les besoins énergétiques réduits ouvrent de nouvelles opportunités pour ces types d'applications et d'autres.

Rétrécissement de la voie optique

Les capteurs NDIR conventionnels fonctionnent en projetant une lumière infrarouge à travers l'air dans une chambre jusqu'à ce qu'elle atteigne un détecteur. Un filtre optique placé devant le détecteur élimine toute lumière à l'exception de la longueur d'onde qui est absorbée par une molécule de gaz particulière de sorte que la quantité de lumière entrant dans le détecteur indique la concentration de ce gaz dans l'air. Bien que la plupart des capteurs NDIR mesurent le dioxyde de carbone, différents filtres optiques peuvent être utilisés pour mesurer une large gamme d'autres gaz.

Dans les années récentes, les ingénieurs ont remplacé la source de lumière infrarouge et le détecteur conventionnels par la technologie des systèmes microélectromécaniques (MEMS), composants minuscules qui font le pont entre les signaux mécaniques et électriques. Dans le nouveau travail, les chercheurs intègrent des métamatériaux sur une plate-forme MEMS pour miniaturiser davantage le capteur NDIR et améliorer considérablement la longueur du chemin optique.

La clé de la conception est un type de métamatériau connu sous le nom d'absorbeur parfait de métamatériau (MPA) fabriqué à partir d'un arrangement complexe en couches de cuivre et d'oxyde d'aluminium. En raison de sa structure, L'AMP peut absorber la lumière provenant de n'importe quel angle. Pour en profiter, les chercheurs ont conçu une cellule multiréfléchissante qui « replie » la lumière infrarouge en la réfléchissant plusieurs fois. Cette conception a permis à un chemin d'absorption de la lumière d'environ 50 millimètres de long d'être pressé dans un espace mesurant seulement 5,7 × 5,7 × 4,5 millimètres.

Alors que les capteurs NDIR conventionnels nécessitent que la lumière traverse une chambre de quelques centimètres de long pour détecter le gaz à de très faibles concentrations, la nouvelle conception optimise la réflexion de la lumière pour atteindre le même niveau de sensibilité dans une cavité d'un peu plus d'un demi-centimètre de long.

Un simple, robuste, et capteur à faible coût

En utilisant des métamatériaux pour une filtration et une absorption efficaces, la nouvelle conception est à la fois plus simple et plus robuste que les conceptions de capteurs existantes. Ses parties principales sont un émetteur thermique en métamatériau, une cellule d'absorption, et un détecteur à thermopile de métamatériau. Un microcontrôleur chauffe périodiquement la plaque chauffante, provoquant la génération de lumière infrarouge par l'émetteur thermique du métamatériau. La lumière traverse la cellule d'absorption et est détectée par la thermopile. Le microcontrôleur récupère alors le signal électronique de la thermopile, et transmet les données à un ordinateur.

Le besoin en énergie primaire provient de la puissance nécessaire pour chauffer l'émetteur thermique. Grâce à la haute efficacité du métamatériau utilisé dans l'émetteur thermique, le système fonctionne à des températures beaucoup plus basses que les conceptions précédentes, donc moins d'énergie est nécessaire pour chaque mesure.

Les chercheurs ont testé la sensibilité de l'appareil en l'utilisant pour mesurer différentes concentrations de dioxyde de carbone dans une atmosphère contrôlée. Ils ont démontré qu'il peut détecter les concentrations de dioxyde de carbone avec une résolution limitée au bruit de 23,3 parties par million, un niveau comparable aux systèmes disponibles dans le commerce. Cependant, pour ce faire, le capteur n'avait besoin que de 58,6 millijoules d'énergie par mesure, environ une réduction de cinq fois par rapport aux capteurs thermiques de dioxyde de carbone NDIR de faible puissance disponibles dans le commerce.

"Pour la première fois, nous réalisons un capteur NDIR intégré qui repose exclusivement sur des métamatériaux pour le filtrage spectral. L'application de la technologie des métamatériaux pour la détection de gaz NDIR nous permet de repenser radicalement la conception optique de notre capteur, conduisant à un appareil plus compact et robuste, " dit Lochbaum.