p Os pesquisadores desenvolveram o primeiro totalmente integrado, sensor de gás infravermelho não dispersivo (NDIR) habilitado por materiais sintéticos especialmente projetados, conhecidos como metamateriais. O sensor não tem peças móveis, requer pouca energia para operar e está entre os menores sensores NDIR já criados. p O sensor é ideal para a nova Internet das Coisas e dispositivos domésticos inteligentes projetados para detectar e responder às mudanças no ambiente. Ele também pode ser usado em diagnósticos médicos futuros e equipamentos de monitoramento.

p Um artigo explicando esses resultados será apresentado na conferência Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), realizada de 15 a 19 de setembro em Washington, D.C., EUA.

p "Nosso projeto de sensor une simplicidade, robustez, e eficiência. Usando metamateriais, podemos omitir um dos principais direcionadores de custo em sensores de gás NDIR, o filtro dielétrico, e simultaneamente reduzir o tamanho e o consumo de energia do dispositivo, "disse Alexander Lochbaum do Instituto de Campos Eletromagnéticos de ETH Zurique, Suíça, e autor principal do artigo. "Isso torna os sensores viáveis ​​para alto volume, mercados de baixo custo, como automotivo e eletrônicos de consumo. "

p Os sensores NDIR estão entre os tipos comercialmente mais relevantes de sensores ópticos de gás, usado para avaliar o escapamento do veículo, medir a qualidade do ar, detectar vazamentos de gás e oferecer suporte a uma variedade de médicos, aplicações industriais e de pesquisa. O tamanho pequeno do novo sensor, custo potencialmente baixo, e os requisitos de energia reduzidos abrem novas oportunidades para esses e outros tipos de aplicações.

p Reduzindo o caminho óptico

p Os sensores NDIR convencionais funcionam emitindo luz infravermelha através do ar em uma câmara até chegar a um detector. Um filtro óptico posicionado na frente do detector elimina toda a luz, exceto o comprimento de onda que é absorvido por uma molécula de gás específica, de modo que a quantidade de luz que entra no detector indica a concentração desse gás no ar. Embora a maioria dos sensores NDIR meça dióxido de carbono, diferentes filtros ópticos podem ser usados ​​para medir uma ampla gama de outros gases.

p Nos últimos anos, engenheiros substituíram a fonte de luz infravermelha convencional e o detector pela tecnologia de sistemas microeletromecânicos (MEMS), componentes minúsculos que fazem a ponte entre os sinais mecânicos e elétricos. No novo trabalho, pesquisadores integram metamateriais em uma plataforma MEMS para miniaturizar ainda mais o sensor NDIR e aumentar drasticamente o comprimento do caminho óptico.

p A chave para o projeto é um tipo de metamaterial conhecido como absorvedor perfeito de metamaterial (MPA) feito de um complexo arranjo em camadas de cobre e óxido de alumínio. Por causa de sua estrutura, O MPA pode absorver a luz vinda de qualquer ângulo. Para tirar vantagem disso, os pesquisadores projetaram uma célula multirreflexiva que "dobra" a luz infravermelha refletindo-a muitas vezes. Este projeto permitiu que um caminho de absorção de luz com cerca de 50 milímetros de comprimento fosse espremido em um espaço medindo apenas 5,7 × 5,7 × 4,5 milímetros.

p Considerando que os sensores NDIR convencionais exigem que a luz passe através de uma câmara de alguns centímetros de comprimento para detectar gás em concentrações muito baixas, o novo design otimiza a reflexão da luz para atingir o mesmo nível de sensibilidade em uma cavidade com pouco mais de meio centímetro de comprimento.

p Um simples, robusto, e sensor de baixo custo

p Usando metamateriais para filtragem e absorção eficientes, o novo design é mais simples e mais robusto do que os designs de sensores existentes. Suas partes principais são um emissor térmico de metamaterial, uma célula de absorção, e um detector de termopilha de metamaterial. Um microcontrolador aquece periodicamente a placa de aquecimento, fazendo com que o emissor térmico de metamaterial gere luz infravermelha. A luz viaja através da célula de absorção e é detectada pela termopilha. O microcontrolador então coleta o sinal eletrônico da termopilha, e transmite os dados para um computador.

p O requisito de energia primária vem da potência necessária para aquecer o emissor térmico. Graças à alta eficiência do metamaterial usado no emissor térmico, o sistema funciona em temperaturas muito mais baixas do que os projetos anteriores, portanto, menos energia é necessária para cada medição.

p Os pesquisadores testaram a sensibilidade do dispositivo usando-o para medir concentrações variáveis ​​de dióxido de carbono em uma atmosfera controlada. Eles demonstraram que pode detectar concentrações de dióxido de carbono com uma resolução de ruído limitado de 23,3 partes por milhão, um nível equivalente aos sistemas disponíveis no mercado. Contudo, para fazer isso, o sensor exigia apenas 58,6 milijoules de energia por medição, cerca de uma redução de cinco vezes em comparação com os sensores térmicos de dióxido de carbono NDIR de baixa potência comercialmente disponíveis.

p "Pela primeira vez, realizamos um sensor NDIR integrado que depende exclusivamente de metamateriais para filtragem espectral. A aplicação da tecnologia de metamaterial para detecção de gás NDIR nos permite repensar o design óptico de nosso sensor radicalmente, levando a um dispositivo mais compacto e robusto, "disse Lochbaum.