MEMS基非色散式中红外传感器用于润滑油状态监测的学术研究报告
一、 研究团队与发表信息 本研究的主要作者为Kai-Vincent Mettang，其通讯地址及所属机构为德国弗劳恩霍夫微工程与微系统研究所（Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems IMM, Mainz）。合作作者包括Thomas P. Burg（达姆施塔特工业大学电气工程与信息技术系）、Stefan Schmitt和Thomas Klotzbücher（均来自弗劳恩霍夫IMM研究所）。该研究成果以题为《MEMS-based non-dispersive mid-infrared sensor for condition monitoring of lubricants》的论文形式，发表于学术期刊《microsystem technologies》2025年第31卷（页码2741-2753）。论文于2024年12月11日收到，2025年6月18日接受，并于2025年7月3日在线发表。
二、 研究学术背景 本研究隶属于微机电系统（MEMS）、光学传感与工业状态监测的交叉领域，具体聚焦于开发一种用于润滑油状态在线监测的新型中红外（mid-infrared, MIR）传感器。润滑油在发动机、变速箱、涡轮机等机械设备中至关重要，但其性能会因热降解、污染（如水、烟炱）、添加剂损耗等原因而下降。传统的预防性定期换油策略既不经济也不环保，而将油样送至实验室分析则存在延迟、劳动强度大且难以应用于偏远或难以接近的设备（如海上风力涡轮机）等问题。因此，开发能够在设备上直接进行在线、实时监测的传感器具有重大需求。
目前，已有多种在线监测技术，如基于振动或声学的粘度传感器，以及基于电容、电感原理的磨屑颗粒传感器。红外光谱法，特别是傅里叶变换红外光谱（FTIR），能够有效识别水、乙二醇、烟炱、氧化/硝化产物等多种关键污染物和降解产物，已成为油液分析的重要工具。然而，FTIR光谱仪成本高昂且对振动敏感，限制了其在线应用。非色散红外（NDIR）传感器通过结合红外光源、探测器和针对特定吸收波长的带通滤波器，提供了一种结构简单、坚固且成本较低的替代方案。已有研究将NDIR传感器用于润滑油监测，但现有设计通常将光学元件（发射器、探测器）和流道单元分立于不同的封装内（如TO-39管壳），导致传感器体积较大（最小约200毫升），成本较高。
鉴于此，本研究的目标是开发一种用于润滑油状态监测的红外传感器，旨在探测水、氧化程度和烟炱这三个关键指标。其核心创新目标是利用MEMS技术，将包括光学元件和流道在内的所有部件集成到单一的硅基器件中，从而实现比现有NDIR传感器体积小一个数量级、成本显著降低的微型化设计。
三、 详细研究流程与方法 本研究的工作流程主要包括传感器设计、MEMS微加工制造、信号采集系统搭建、性能验证实验及数据分析。
1. 传感器设计与MEMS微加工 研究团队设计并制造了一种基于硅片堆叠结构的MEMS传感器原型。整个传感器由四层硅片（Die）堆叠粘合而成，总体积仅为160立方毫米，光束路径缩短至1.225毫米，这大幅提高了发射器辐射到达探测器的比例（即视角因子）。 * 发射器芯片：包含三个相同的微热板发射器。每个微热板是在氮化硅薄膜上制作铂金加热蛇形线圈，并通过背面蚀刻释放薄膜而形成。其独特之处在于采用了内外双蛇形线圈设计，以实现更均匀的温度分布，避免热点过早退化。发射表面通过电镀沉积了铂黑涂层，以获得接近完美的发射率。制造过程包括低压化学气相沉积（LPCVD）氮化层、剥离法（Lift-off）制作铂金线圈、反应离子刻蚀（RIE）和湿法化学蚀刻释放薄膜，以及电镀铂黑等关键步骤。 * 探测器芯片：设计与发射器芯片类似，但功能相反，用于将入射的红外辐射转换为热量，并通过测量铂金蛇形线圈的电阻变化来量化。探测器表面同样覆盖铂黑作为吸收层。制造中需在加热线圈上沉积一层等离子体增强化学气相沉积（PECVD）绝缘层，以防止与吸收层短路。 * 流道芯片与盖板芯片：流道芯片通过湿法化学蚀刻形成深300微米的沟槽作为流体通道，并利用深反应离子刻蚀（DRIE）制作进样和出样口。盖板芯片用于密封流道。在流道芯片的背面（靠近探测器一侧），通过蒸发沉积了三个薄膜光学带通滤波器。 * 滤波器设计：针对船用发动机油的监测需求，三个滤波器的中心波数分别设定为：~1750 cm⁻¹（对应于羰基伸缩振动，指示氧化形成的羧酸），~2000 cm⁻¹（参考通道，无油品降解吸收带），以及~3300 cm⁻¹（对应于水的强吸收带）。这三个参数是船用发动机油状态的重要指标。
2. 信号采集与分析系统 为驱动传感器并读取信号，研究团队建立了两套等效的信号采集方案进行测试。 * 传感器操作：为避免环境温度漂移的影响，发射器采用矩形波电压驱动，使其在两个特定温度间交替（例如305°C和550°C之间振荡），从而产生振荡的探测器信号。驱动频率选为10 Hz，以在辐射信号强度和由硅基体热传导引起的串扰之间取得平衡。 * 信号读取方案一（离散傅里叶变换法）：三个探测器串联连接至电流源。模数转换器（ADC）数字化每个探测器上的电压降。信号振幅通过计算探测器电压序列在激励频率处的离散傅里叶变换（DFT）幅值的两倍来确定。应用加窗和零填充技术以提高振幅确定的准确性。 * 信号读取方案二（锁相放大法）：使用惠斯通电桥消除偏移电压，然后利用锁相放大器提取与参考信号同频同相的信号分量，从而得到振幅。 * 浓度计算：污染物浓度c根据探测器电压振幅û，依据比尔-朗伯定律（Beer-Lambert Law）计算：吸收度 A ∝ -log(û/û₀)，其中û₀为新鲜油的信号振幅。吸收度与污染物浓度成正比。
3. 性能验证实验 为了验证传感器的基本功能及其区分污染物的能力，研究使用船用发动机油（Energol OE-HT 30）进行了人工污染实验。 * 研究对象与污染模拟： * 水：直接添加，测试浓度范围0.01%-0.50%（质量分数）。 * 烟炱：直接添加，测试浓度范围0.012%-0.400%（质量分数）。 * 氧化模拟物：选用乙酸乙酯（Ethyl Acetate）代替实际氧化产生的羧酸，因为它含有可被1750 cm⁻¹滤波器检测的羰基，但不像羧酸那样含有能被3300 cm⁻¹滤波器检测的羟基，从而可以单独测试对羰基的选择性响应。测试浓度范围0.0%-5.8%（质量分数）。 * 实验流程：首先，使用FTIR光谱仪测量了被不同浓度污染物污染的油样的透射光谱，以确认吸收带的位置和强度（见图11）。随后，将相同的油样注入传感器的流道中。在10 Hz的交替电压（1-10 V）驱动下，分别激活三个发射器，并同步记录对应探测器的信号。每种污染物的每个浓度水平进行三次连续测量以计算标准偏差。
四、 主要研究结果 1. 传感器基本功能验证结果：传感器成功探测到了由污染物引起的特定红外吸收。测量结果显示，水污染物在3300 cm⁻¹滤波器处吸收度增加最为显著；乙酸乙酯在1750 cm⁻¹滤波器处吸收度增加最为显著；而烟炱由于其在全光谱范围的广谱吸收效应，在所有三个滤波器处均引起了近乎均匀的吸收度增加（见图12）。这证明了传感器设计的波长选择性和功能区分能力。
2. 定量分析与检测限：对吸收度与浓度数据进行线性回归（过原点），得到了各污染物在不同滤波器下的校准斜率（见表1）。数据表明，水和乙酸乙酯在其专属滤波器下的响应斜率平均是其他非专属滤波器的7.3倍，显示了良好的选择性。根据重复测量结果的标准偏差换算，该传感器对水、烟炱和乙酸乙酯（代表氧化）的浓度分辨率（δc）分别达到80 ppm、60 ppm和3500 ppm（质量分数）。这一精度足以对水浓度进行趋势分析，并能检测到低于通常换油阈值（如0.2%）的浓度变化。
3. 设计与性能关联分析： * 光束路径缩短的效益：计算表明，与采用反射镜的传统NDIR设计（光束路径约13毫米）相比，本研究MEMS传感器1.2毫米的极短光束路径，将视角因子提高了约12倍，从而增强了信号强度。 * 滤波器带宽影响：研究发现，乙酸乙酯的检测分辨率（δc）远高于水，这归因于其羰基吸收带（宽约11 cm⁻¹）窄于为其设计的滤波器带宽（130 cm⁻¹），导致部分未被吸收的辐射到达探测器，降低了信噪比。相比之下，用于测水的滤波器带宽（290 cm⁻¹）则能很好地覆盖水的宽吸收带（约500 cm⁻¹）。这表明在下一代原型中，用于检测氧化的滤波器需要更窄。
4. 其他性能与局限性讨论： * 温度影响：初步分析指出，温度变化会通过影响油品的光学性质和铂电阻的温度特性来影响测量。例如，水在吸收峰处的吸光度指数在25°C至55°C间变化可达15%。作者建议可通过温度校准或在必要时使用人工神经网络进行数据评估来补偿。 * 振动影响：微测辐射热计对机械振动敏感，这在实际机械附近部署时需要考量。可参考类似研究，根据安装点的振动频谱调整传感器的工作频率。 * 寿命与可靠性：传感器寿命可能受微热板在高温下的退化限制，主要机制包括电迁移、热迁移等。使用交流电驱动可缓解电迁移，延长寿命。 * 油品普适性与注意事项：传感器预计适用于大多数石油基润滑油。但需注意：蒸汽轮机油中的乳化剂添加剂会使水产生类似烟炱的广谱吸收；检测氧化的滤波器需足够窄以避免附近硝化产物吸收带（~1650-1600 cm⁻¹）的干扰；酯基润滑油本身含有羰基，且水的吸收峰位置不同，因此不适用于本传感器当前的设计。
五、 研究结论与价值 本研究成功设计、制造并测试了一种新型的、全集成MEMS基非色散式中红外传感器，用于润滑油的状态监测。该传感器首次将所有光学元件（发射器、探测器、滤波器）和流道集成在单一的硅器件堆叠中，实现了160立方毫米的超紧凑体积和1.225毫米的超短光束路径。实验证明，该传感器能够选择性地检测润滑油中水（~3300 cm⁻¹）、模拟氧化的羰基化合物（~1750 cm⁻¹）以及烟炱引起的广谱吸收，并对水、烟炱和乙酸乙酯（模拟氧化）的检测分辨率分别达到80 ppm、60 ppm和3500 ppm。
科学价值：本研究为光学传感与MEMS技术的深度融合提供了一个成功案例，展示了通过三维集成和微型化设计，在保持乃至提升传感器核心性能（如信号强度）的同时，实现器件体积和成本数量级降低的可行性。它为解决传统NDIR传感器体积大、成本高的问题提供了一条创新的技术路径。
应用价值：由于其结构简单、体积小巧且成本潜力低，这种传感器特别适合于在空间和成本受限的场景中部署在线油液监测系统。作者特别指出，汽车工业是目前尚未广泛应用在线油液状态监测（主要依赖基于里程和温度的油液寿命模型）但消耗巨量润滑油的领域，因此本传感器在该领域具有巨大的应用前景。此外，也适用于风力发电、工业制造等需要预测性维护的领域。
六、 研究亮点 1. 高度集成与微型化：首次实现了将MEMS微热板发射器、微测辐射热计探测器、薄膜光学带通滤波器以及微流道全部集成在硅片堆叠结构中，创造了体积仅160 mm³的超小型NDIR传感器，比现有设计小一个数量级。 2. 创新的双蛇形线圈微热板设计：采用内外独立加热的铂金蛇形线圈，确保了发射面的温度均匀性，提高了辐射效率并有望延长器件寿命。 3. 超短光路与高视角因子：得益于MEMS集成设计，发射器与探测器距离仅1.225毫米，计算视角因子比传统带反射镜的设计提高约12倍，有效增强了信号。 4. 系统化的性能验证与深入分析：不仅验证了传感器的基本功能，还通过人工污染实验定量评估了其检测限和选择性，并深入分析了滤波器带宽不匹配、温度影响等实际问题，为后续优化指明了方向。 5. 明确的工程应用导向：研究始终围绕实际工程需求（监测水、氧化、烟炱）展开，传感器设计针对特定油品和应用场景（船用发动机油），并讨论了其向汽车等行业拓展的潜力，体现了从基础创新到应用落地的完整思路。
七、 其他有价值内容 论文在引言部分对润滑油状态监测的各种在线传感技术（粘度、颗粒、微波、红外等）进行了精炼的综述，为本研究的技术定位提供了清晰的学术背景。在讨论部分，作者不仅分析了本传感器的局限性，还提出了具体的改进方案（如缩窄氧化检测滤波器）和未来验证步骤（如多污染物混合油样的浓度重构、不同类型润滑油的兼容性测试、振动测试等），展现了严谨的科学态度和清晰的研究延续性规划。这些内容对于相关领域的研究者和工程师都具有很高的参考价值。