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近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員李鐵團(tuán)隊在超小型二氧化碳（CO?）氣體傳感器研制方面取得進(jìn)展,。該團(tuán)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)裥浴⒎€(wěn)定性和可重復(fù)性,，在可穿戴呼吸監(jiān)測應(yīng)用中具有應(yīng)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(fù)。現(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(yīng)用,。該研究開發(fā)出集成微機(jī)電系統(tǒng)光源,、熱電堆探測器及光學(xué)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(yīng)時間和恢復(fù)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(dǎo)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)裥浴Ｍ瑫r,，研究通過提高光耦合效率來補(bǔ)償光損失,，結(jié)合幅度微調(diào)網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(jìn)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(jī)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(xué)氣室,。該研究對高密度封裝結(jié)構(gòu)中的溫度分布進(jìn)行模擬分析，并通過光學(xué)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(xué)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(luò),，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(bǔ)償因光路長度減少而導(dǎo)致的靈敏度下降。盡管超小型CO?傳感器的響應(yīng)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(jī)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(yīng)時間常數(shù),、調(diào)整光學(xué)氣室的通風(fēng)口以及改變數(shù)字濾波算法等問題,，以改善傳感器的響應(yīng)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