【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二氧化碳既是人體重要的代謝產(chǎn)物，也是衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量與通風(fēng)效率的關(guān)鍵指標(biāo)。在各類CO2檢測(cè)技術(shù)中，非色散紅外(NDIR)傳感器憑借固有的光譜選擇性，在長(zhǎng)期穩(wěn)定性、抗漂移能力與環(huán)境適應(yīng)性方面優(yōu)勢(shì)明顯。然而這些優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)通常依賴足夠長(zhǎng)的光程、發(fā)射端與探測(cè)端的精確對(duì)準(zhǔn)以及有效的熱隔離，因此傳統(tǒng)NDIR系統(tǒng)多采用分立器件組裝方案，體積龐大、功耗偏高。隨著可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)與便攜式環(huán)境檢測(cè)等應(yīng)用的興起，如何在緊湊封裝內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光學(xué)效率、快速響應(yīng)與穩(wěn)定傳感，成為該領(lǐng)域亟待突破的核心瓶頸。
 

　　中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李鐵研究員團(tuán)隊(duì)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種片上集成(OCI)非色散紅外CO2傳感芯片。該工作跳出"在板級(jí)框架內(nèi)優(yōu)化單個(gè)元器件"的傳統(tǒng)思路，將MEMS紅外光源與熱電堆探測(cè)器單片共集成于同一硅襯底，并從輻射傳輸與熱耦合協(xié)同優(yōu)化的角度重構(gòu)光路與氣路，在架構(gòu)層面同時(shí)優(yōu)化光學(xué)耦合效率、氣體交換效率與器件一致性。相關(guān)成果以"On-chip integrated NDIR CO2 gas sensor"為題發(fā)表于《Microsystems & Nanoengineering》(DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-026-01388-w)。論文第一作者為王文波，通信作者為李鐵研究員。
 

　　在光學(xué)設(shè)計(jì)上，針對(duì)MEMS紅外發(fā)射器±45°的發(fā)散角，氣室反射面采用復(fù)合拋物面聚光器構(gòu)型，在緊湊布局內(nèi)實(shí)現(xiàn)11 mm有效光程，仿真光學(xué)耦合效率達(dá)91.8%，約為傳統(tǒng)分立式方案的9至18倍，實(shí)測(cè)加工氣室耦合效率約87%，與仿真高度吻合。在氣路設(shè)計(jì)上，團(tuán)隊(duì)提出光路與氣路正交的構(gòu)型，以"局部流速低于腔內(nèi)最大流速三分之一"定義死區(qū)，將死區(qū)占比由頂部開孔構(gòu)型的58.58%降至17.24%，對(duì)應(yīng)的90%響應(yīng)時(shí)間由19 s縮短至3 s。在熱管理上，針對(duì)片上集成引入的襯底連續(xù)熱傳導(dǎo)通路，芯片內(nèi)引入隔熱槽并在PCB上構(gòu)建縱向散熱陣列，使光源中心溫度達(dá)820 K時(shí)熱量被高度局域化約束在懸浮膜區(qū)域，探測(cè)器周邊溫度維持在環(huán)境水平，懸浮膜最大von Mises應(yīng)力遠(yuǎn)低于氮化硅斷裂強(qiáng)度。
 

　　器件采用與MEMS批量制造工藝兼容的流程在4英寸硅片上完成制備，并通過在微加熱器與熱電堆功能面同步電鍍鉑黑，在不增加功耗的前提下同時(shí)增強(qiáng)光源端的輻射發(fā)射與探測(cè)端的吸收效率。最終傳感芯片尺寸僅12 mm×3 mm×0.4 mm，集成信號(hào)放大、溫度補(bǔ)償、ADC采樣與MCU實(shí)時(shí)處理電路后，整機(jī)模組體積小于21 mm×10 mm×5 mm，約為同類商用NDIR CO2傳感器的五分之一。
 

　　系統(tǒng)級(jí)測(cè)試表明，在2.5 V驅(qū)動(dòng)電壓、5 Hz調(diào)制頻率、10%占空比條件下，傳感器在0至10%量程內(nèi)測(cè)量精度優(yōu)于±(50 ppm + 3% rdg)，功耗31 mW，響應(yīng)時(shí)間約3 s，檢出限146 ppm。傳感器采用同步峰峰值解調(diào)策略，在無需專用硬件參考通道的前提下有效抑制共模背景干擾，基線噪聲僅0.70 mV。純氮環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行7天輸出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅0.061%，對(duì)應(yīng)超過3×106次調(diào)制循環(huán)無明顯衰減；取自晶圓不同區(qū)域的三只芯片器件間最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅0.69%，體現(xiàn)出單片集成工藝優(yōu)異的批次一致性。
 

　　該工作通過單片共集成與光—熱—力—電協(xié)同設(shè)計(jì)，在超緊湊尺寸下同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高光學(xué)耦合效率、快速氣體交換與優(yōu)異器件一致性，為便攜式氣體監(jiān)測(cè)、智能家居、工業(yè)過程控制及可穿戴應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑。
 

　　本成果受到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(C類，XDC0250100)支持。
 

　　引用：上海微系統(tǒng)所在片上集成非色散紅外CO2傳感芯片方面取得進(jìn)展 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 【引用時(shí)間：2026年7月27日】