二氧化碳既是人体重要的代谢产物，也是衡量室内空气质量与通风效率的关键指标。在各类CO2检测技术中，非色散红外(NDIR)传感器凭借固有的光谱选择性，在长期稳定性、抗漂移能力与环境适应性方面优势明显。然而这些优势的实现通常依赖足够长的光程、发射端与探测端的精确对准以及有效的热隔离，因此传统NDIR系统多采用分立器件组装方案，体积庞大、功耗偏高。随着可穿戴呼吸监测与便携式环境检测等应用的兴起，如何在紧凑封装内同时实现高光学效率、快速响应与稳定传感，成为该领域亟待突破的核心瓶颈。

　　中国科学院上海微系统与信息技术研究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传感芯片。该工作跳出"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，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。相关成果以"On-chip integrated NDIR CO2 gas sensor"为题发表于《Microsystems & Nanoengineering》(DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-026-01388-w)。论文第一作者为王文波，通信作者为李铁研究员。

　　在光学设计上，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。在气路设计上，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 s缩短至3 s。在热管理上，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。

　　器件采用与MEMS批量制造工艺兼容的流程在4英寸硅片上完成制备，并通过在微加热器与热电堆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。最终传感芯片尺寸仅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 CO2传感器的五分之一。

　　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。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。

　　本成果受到中国科学院战略性先导科技专项(C类，XDC0250100)支持。