可穿戴式传感器通过全息图检测有毒气体

可穿戴式传感器通过全息图检测有毒气体

[导读]：

实时快速检测生物和化学物质对于公共卫生和环境监测以及军事部门尤其重要。如果从物质检测到视觉 告的过程可以在单个小型传感器中实现，则可能对实际应用产生深远的影响。在这里，研究人员提出了一个紧凑的传感器平台，该平台集成了液晶（LC）和全息超颖表面，可以自主感应挥发性气体的存在并提供即时的视觉全息警 。通过将液相色谱实现的对气体快速响应的优势与全息超表面的紧凑性相结合，开发了无需其他复杂仪器或设备即可 告气体检测视觉信息的超紧凑型气体传感器。

气体检测传感器和超表面。

浦项科学技术大学（POSTECH） 已经创建了一个微小的气体传感器，你可以在你的眼镜或手套像贴纸的地方。通过全息图显示，传感器立即将挥发性气体检测通知用户。

这项可穿戴技术有朝一日可以帮助防止与工厂中的有毒气体泄漏，锅炉的一氧化碳泄漏或沙井清洁过程中的有毒气体窒息有关的气体事故。

可穿戴式气体传感器如何工作

300 x 300 μm传感器由对有毒气体敏感的超表面和液晶（LC）电池组成。当检测到气体时，电池的方向会改变以形成定制的警告。

指示安全环境的全息图（左）和指示危险的全息图（右）。

全息图是由超表面产生的，通过控制光的折射率可使可见物体消失。液晶盒中液晶取向的改变使入射光的圆偏振从右向左反转。然后，这种圆偏振光与超颖表面相互作用，该超颖表面被设计为产生两个不同的全息图，每个全息图一个。

在"安全状态"下，LC配置为产生产生"安全"全息图的光的偏振。暴露于有毒气体会影响LC的方向，使其产生相反的圆极化，从而产生"警 "全息?图信号。

POSTECH研究人员Trevon Badloe说："我们获得了产生所需图像的相分布，并相应地在超颖表面上排列了纳米结构。" "然后，当用圆偏振光照射超表面时，将显示全息图像。"

传感器和全息显示器嵌入在安全眼镜中。

Badloe和他的团队将超颖表面连接到一副安全眼镜的曲面上。

借助超颖表面，气体传感器可以通过控制透射光的偏振，在短短几秒钟内将全息图像警 漂浮在太空中。Badloe说，可以将全息图显示在样品上方，或者佩戴者决定将其放置在样品上的任何位置。

研究人员说："我们使用激光照射产生全息图，但是我们计划将器件与诸如OLED或MicroLED的小型光源集成在一起，以在将来制造出完整的片上器件。"

作为后续研究，我们将生产一种不仅提供安全和警 信号，而且还可以向用户提供有关存在的有毒气体水平的信息的设备。— Trevon Badloe。

与其他传统的商用气体传感器不同，POSTECH设备不需要外部机械或电子设备的支持。

演示全息气体传感器和可穿戴应用

气体响应LC-MS系统演示了气体暴露的实时可视化。如图A所示，在暴露于挥发性气体的光学装置中，对LC-MS气体传感器的感测能力，全息图像的快速切换和高衍射效率进行了测试，其中RCP光照射在传感器上。

展示了LC-MS气体传感器。

通过一步式纳米复合印刷方法，可快速制造出可挠曲且可穿戴的气体传感器。预先在硬质基材上加工的超表面结构，一步就被纳米浇铸在弯曲或柔性的基材上。

延长朝向穿戴式设备所提出的传感器的适用性，柔性超颖表面是使用一步法纳米浇铸过程。与传统的纳米压印方法不同，使用的是一种功能化的紫外线（UV）可固化树脂，其中包含具有高折射率n的二氧化钛纳米颗粒（TiO 2NPs）。值得注意的是，由于NP树脂复合材料（NPC）表现出中等的折射率（n≈2.0）在整个可见光谱中的消光系数为零，因此它本身可以用作介电超表面。因此，无需任何复杂而繁琐的纳米加工工艺，例如介电层沉积，电子束光刻和随后的蚀刻工艺，就可以使用一步式纳米浇铸工艺在任意基板上制备超颖表面，它也适合于批量生产制造方法。见下图：

将柔性且保形的全息气体传感器印刷在柔性PET膜上并附接到安全镜的弯曲表面。

下一步工作

接下来，研究人员将开发一种高性能的环境传感器，通过全息警 显示周围环境中气体或生物化学物质的类型和浓度水平。工程师们还在研究可以对各种全息图像进行编码的光学设计技术。这些研究如果成功，可用于减少由生化或气体泄漏引起的事故。

即时视觉全息警 器

如该图所示，传感器由超表面和液晶（LC）单元组成。LC电池对有毒气体敏感，当它们与气体接触时，其方向会发生变化。

根据由POSTECH教授Junsuk Rho教授领导的Badloe及其团队的说法，这些传感器制造商希望将该技术与苹果，三星，谷歌和Facebook正在开发的玻璃型AR显示系统进行集成。