二氧化碳（CO₂）既是人体呼吸代谢的重要产物，也是衡量室内空气质量、通风效率及人员活动密度的重要指标，因此在医疗健康、智能建筑、工业安全及环境监测等领域具有广泛应用价值。在众多CO₂检测技术中，非色散红外（Non-Dispersive Infrared，NDIR）气体传感器基于CO₂分子对特定红外波段的选择性吸收特性，具有良好的光谱选择性，并在长期稳定性、抗漂移能力、测量精度及环境适应性等方面表现出显著优势，因此已成为CO₂浓度检测的主流技术路线之一。

然而，NDIR气体传感器优异性能的实现通常依赖于较长的有效光程、红外光源与探测器之间的高精度光路对准，以及良好的热管理与热隔离设计，以保证足够的光信号强度和稳定的测量环境。因此，传统的NDIR气体传感器大多采用分立式光源、气室和探测器的组装方案，不仅结构复杂，而且存在体积较大、功耗较高、制造成本高及系统集成度低等问题，难以满足新兴应用对小型化和低功耗的需求。

近年来，随着可穿戴呼吸监测、便携式环境检测、智能家居及物联网终端等应用的快速发展，CO₂气体传感器正朝着微型化、低功耗、高集成度和快速响应的方向演进。如何在有限的封装空间内实现高效光路设计、提升光能利用效率，同时兼顾快速响应、高测量精度、长期稳定性及低功耗运行，已成为新一代微型NDIR CO₂气体传感器发展的关键技术挑战，也是当前国内外研究的热点方向。

近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（简称：上海微系统所）传感技术全国重点实验室李铁研究员团队，提出并实现了一种片上集成（OCI）非色散红外CO₂气体传感器芯片。该研究工作跳出“在板级框架内优化单个元器件”的传统思路，将MEMS红外光源与热电堆探测器单片共集成于同一硅衬底上，并从辐射传输与热耦合协同优化的角度重构光路与气路，在架构层面同时优化光学耦合效率、气体交换效率与器件一致性。这种片上集成方案在不牺牲传感性能的前提下显著减小了器件尺寸，为便携式CO₂气体监测提供了一条极具前景的技术途径。相关研究成果以"On-chip integrated NDIR CO₂ gas sensor"为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。论文第一作者为王文波，通信作者为李铁研究员。本成果受到中国科学院战略性先导科技专项（C类，XDC0250100）支持。

片上集成NDIR二氧化碳（CO₂）气体传感器设计及性能

在光学设计方面，研究团队针对MEMS红外发射器±45°的发散角，气室反射面采用复合抛物面聚光器构型，在紧凑布局内实现11 mm有效光程，仿真光学耦合效率达91.8%，约为传统的分立式方案的9至18倍，实测加工气室耦合效率约87%，与仿真高度吻合。

在气路设计方面，研究团队提出光路与气路正交的构型，以"局部流速低于腔内最大流速三分之一"定义死区，将死区占比由顶部开孔构型的58.58%降至17.24%，对应的90%响应时间由19秒缩短至3秒。

在热管理方面，研究团队针对片上集成引入的衬底连续热传导通路，芯片内引入隔热槽并在PCB上构建纵向散热阵列，使光源中心温度达820 K时热量被高度局域化约束在悬浮膜区域，探测器周边温度维持在环境水平，悬浮膜最大von Mises应力远低于氮化硅断裂强度。

片上集成NDIR二氧化碳（CO₂）气体传感器示意图及分解图

片上集成NDIR气体传感器采用与MEMS批量制造工艺兼容的流程在4英寸硅晶圆上完成制备，并通过在微加热器与热电堆探测器功能面同步电镀铂黑，在不增加功耗的前提下同时增强光源端的辐射发射与探测端的吸收效率。最终的气体传感器尺寸仅12 mm × 3 mm × 0.4 mm，集成信号放大、温度补偿、ADC采样与MCU实时处理电路后，整机模组体积小于21 mm × 10 mm × 5 mm，约为同类商用NDIR气体传感器的五分之一。

片上集成NDIR二氧化碳（CO₂）气体传感器制造工艺与器件表征

系统级测试表明，在2.5 V驱动电压、5 Hz调制频率、10%占空比条件下，传感器在0至10%量程内测量精度优于±(50 ppm + 3% rdg)，功耗31 mW，响应时间约3 s，检出限146 ppm。该NDIR气体传感器采用同步峰峰值解调策略，在无需专用硬件参考通道的前提下有效抑制共模背景干扰，基线噪声仅0.70 mV。纯氮环境下连续运行7天输出相对标准偏差仅0.061%，对应超过3×10⁶次调制循环无明显衰减；取自晶圆不同区域的三只芯片器件间最大相对标准偏差仅0.69%，体现出单片集成工艺优异的批次一致性。

该研究工作通过单片共集成与“光-热-力-电”协同设计，在超紧凑尺寸下同时实现了高光学耦合效率、快速气体交换与优异器件一致性，为便携式气体监测、智能家居、工业过程控制及可穿戴应用提供了新的技术路径。