微型可穿戴气体传感器通过全息显示预警有毒气体

韩国浦项科技大学（POSTECH）研究人员创造了一款微型气体传感器，可像贴纸一样贴在眼镜或手套上。配合全息显示，传感器立即在用户视野中显示挥发性气体检测警报。

该可穿戴技术未来可帮助预防工厂有毒气体泄漏、锅炉一氧化碳泄漏、人孔清理时有毒气体窒息等气体事故。

可穿戴气体传感器工作原理

300×300 µm 传感器由超表面和液晶（LC）单元组成，对有毒气体敏感。检测到气体时，液晶单元取向改变形成定制警告。

全息图由超表面产生，通过控制光折射率使可见物体消失。

液晶单元取向改变将入射光的圆偏振从右旋反转为左旋。

该圆偏振光与超表面相互作用，超表面设计为产生两个不同全息图——每种偏振对应一个。

“安全状态”下，液晶构型产生生成“安全”全息图的偏振光。暴露于有毒气体影响液晶取向产生相反圆偏振，生成“报警”全息信号。

“我们获得产生所需图像的相位分布，并据此在超表面排列纳米结构。”POSTECH 研究员 Trevon Badloe 说。“然后，当超表面被圆偏振光照亮时，全息图像显示出来。”

Badloe 团队将超表面贴在安全眼镜的弯曲表面上。

利用超表面，气体传感器仅在几秒内通过控制透射光偏振在空间悬浮全息图像报警。全息图可显示在样本上方或佩戴者决定的任何位置，Badloe 说。

“我们用激光照明产生全息图，但计划集成 OLED 或 MicroLED 等小型光源，未来打造完整的片上器件。”研究员说。

与其他传统商用气体传感器不同，POSTECH 设备无需外部机械或电子设备支持。

测试中使用异丙醇（引起胃痛、头痛、眩晕的有毒物质）作为目标危险气体。根据团队研究，传感器检测到约 200ppm 的微量气体。

柔性可穿戴气体传感器通过一步纳米复合印刷法快速制造。先前在硬基板上加工的超表面结构，一步纳米铸造到弯曲或柔性基板上。

下一步？

下一步，研究人员将开发高性能环境传感器，用全息报警显示周围气体或生化物质的类型和浓度水平。工程师还在研究可编码多种全息图像的光学设计技术。若成功，可减少生化或气体泄漏造成的事故。

据 Badloe 及其团队（由 POSTECH 教授 Junsuk Rho 领导）透露，传感器制造方希望将技术与苹果、三星、谷歌、Facebook 正在开发的眼镜型 AR 显示系统集成。

Badloe 是 Rho 教授团队成员、近期发表于《Science Advances》论文合著者 ，代表团队并与论文第一作者 Inki Kim 博士协调，通过邮件接受《Tech Briefs》采访，畅想全息图像的未来。

Tech Briefs： “即时视觉全息报警”长什么样？

Trevon Badloe： 视觉全息报警可显示任意选定的安全和警告状态图像，包括文本、图像或符号。将图像设计编码进全息超表面的方法成熟，故在制造前选定。

Tech Briefs： 该传感器能检测哪些气体？

Trevon Badloe： 既然气体感测功能仅依赖液晶单元，对特定有毒气体的选择性响应也可相对容易集成进设备。我们测试验证了氯仿、丙酮、甲苯、IPA、对二甲苯、甲醇、DMF 的响应时间。“安全”到“报警”信号的响应时间取决于气体剂量和类型。

Tech Briefs： 如何在超表面设计独特全息图？

Trevon Badloe： 过程相当复杂但成熟理解。

首先需数字化生成相位图，在期望位置产生所需干涉图案（即想显示的图像）。全息图设计通过计算机生成全息术（CGH）完成。此处用“仅相位”CGH。生成所需图像的相位图相当直接且成熟，最常用 Gerchberg-Saxton 算法 。然后将相位图用设计为呈现所需相位特性的纳米结构物理编码到超表面上。

Tech Briefs： 创建两个独立全息图过程有挑战吗？

Trevon Badloe： 我们利用可诱导等量相反偏振光（左/右旋圆偏振）。然后以某种方式结合两个不同相位图，利用纳米结构固有相位特性加上仅与纳米结构旋转相关的额外补偿（分别称为传播相位和几何相位）进行编码。

Tech Briefs： 能否举例说明传感器应用场景？

Trevon Badloe： 柔性液晶单元和超表面允许将气体感测视觉报警应用于任何表面，无论光滑平坦。例如我们贴在安全眼镜弯曲表面。也可贴在用户手套上，或任何易见处提供视觉报警。

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Tech Briefs： 研究下一步？

Trevon Badloe： 后续研究将生产不仅提供安全/报警信号，还能告知用户周围有毒气体浓度水平的设备。例如在气体达到危险水平前知晓其存在，可采取正确行动阻止泄漏。

Tech Briefs： 这项技术及其可能性最让你兴奋的是什么？

Trevon Badloe： 这项技术证明了超表面在现实应用中的影响力。超表面与液晶简单集成即可实现多种功能。全息视觉报警在需即时报警保障用户安全的各领域极具用处，如实验室甚至军事环境快速检测生物危害气体。

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