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非色散紅外多氣體傳感納米天線集成窄帶探測器


  來源: 微納光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 時間:2020-10-27 編輯:清風(fēng)
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研究背景:

為了同時分析混合氣體中的幾個目標(biāo)氣體,可以簡單地在NDIR氣體傳感器中實(shí)現(xiàn)多對“帶通濾波器+光學(xué)探測器”。然而,該方案大大增加了成本、系統(tǒng)復(fù)雜度和運(yùn)行時間。這種挑戰(zhàn)的根本原因是大多數(shù)商用中紅外探測器缺乏光譜選擇性。避免使用分離濾光片的一種方法是通過將等離子體超材料吸收劑(PMAs)集成到探測器像素上,為中紅外探測器引入像素級光譜選擇性。PMA由金屬等離子體諧振器陣列組成,這些諧振器可以選擇性地吸收一定光譜波段的光,因此可以看作是納米級的吸收濾波器。


根據(jù)這個想法,文章提出了一個新的NDIR架構(gòu),其中窄帶PMA集成熱電元件陣列用于光譜解決吸收多種氣體在同一時間。通過調(diào)整金屬等離子體諧振器的幾何結(jié)構(gòu),可以獨(dú)立調(diào)整每個元素的中心探測波長,以匹配不同目標(biāo)氣體的特征吸收波段。因此,多路傳感平臺可用于分析混合氣體中的多個目標(biāo)氣體,大大減少了設(shè)備的足跡和運(yùn)行時間。


研究內(nèi)容:

文中所提出的NDIR多路復(fù)用氣體傳感平臺由三部分組成:寬帶光源、氣體電池和帶有必要聚焦光學(xué)的多路復(fù)用傳感器,如圖1所示。其中圖1b給出了用于光譜傳感的封裝多路復(fù)用熱釋電傳感器的示例。這種吸收濾波器本質(zhì)上是一種基于金屬絕緣體金屬(MIM)的超材料吸收器,它由一層金納米盤天線、一個SiO2間隔物和一個金背板組成。該吸收器直接制造在商業(yè)上可獲得的薄鉭酸鋰(LT)基板上,其頂部和底部表面有預(yù)先沉積的金電極。為了簡單起見,LT基板的頂部金電極也用作MIM吸收器的金背板。LT作為傳感材料提供了非常寬頻的紅外響應(yīng),足以覆蓋典型氣體的特征吸收帶,并具有很高的熱釋電系數(shù)。為了簡單起見,這里文章將LT襯底與集成的MIM吸收器切割成具有不同光譜響應(yīng)的獨(dú)立元件。顯然,可以增加包中元素的數(shù)量,以監(jiān)測更多具有不同光譜響應(yīng)的氣體。圖1c說明了一個窄帶檢測元件的工作原理。金納米盤天線以窄帶方式共振吸收中紅外輻射,并將吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能,從而提高LT基板的溫度。由此產(chǎn)生的溫度升高ΔT反過來使LT層生成熱電讀出當(dāng)前ΔIout,然后轉(zhuǎn)換成讀出電壓ΔVout讀出電壓輸出的電子產(chǎn)品。


圖1.氣體傳感系統(tǒng)的原理圖


研究結(jié)果:

圖2為制備的8個MIM吸波器的實(shí)測吸收光譜及其目標(biāo)氣體的特征紅外吸收光譜,吸波帶距離較遠(yuǎn)。應(yīng)該指出的是,通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)和陣列圖案,或者用介質(zhì)天線取代金屬天線,可以進(jìn)一步降低窄帶探測器的線寬,從而提高傳感器的選擇性。


圖2.制備的8種MIM吸收劑的吸收光譜與8種目標(biāo)氣體的紅外吸收波段的比較


為了評估窄帶探測器的光譜響應(yīng),我們使用頻率可調(diào)量子級聯(lián)激光器(QCL)測量了紅外吸收光譜(圖3黑色曲線)和依賴于波長的電壓響應(yīng)(圖3紅色曲線)。當(dāng)Au納米盤半徑為0.94um,周期為3um時,探測器的窄波段吸收譜峰值為5.52um,全寬最大寬度為670nm。重要的是,探測器的波長依賴性電壓響應(yīng)很好地再現(xiàn)了PMAs的紅外吸收光譜。


圖3.測量的電壓響應(yīng)的一個窄帶探測器作為一個函數(shù)的波長的輸入束,比較吸收光譜的集成PMAs。輸入光束來自可調(diào)諧的量子級聯(lián)激光器,并由光斬波器以5赫茲的頻率調(diào)制。

圖4顯示了探測器電壓響應(yīng)作為調(diào)制頻率的函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)調(diào)制頻率為7hz時,在4hz頻率下,檢測器的輸出電壓相對于輸出電壓下降到70.7% (3 dB)。


圖4.峰值波長為5.52um的窄帶探測器的時域電壓響應(yīng)。


研究創(chuàng)新:

文中提出用一個多路復(fù)用的NDIR氣體傳感平臺組成的窄帶紅外探測器陣列作為讀出,可以同時分析混合氣體中的幾種目標(biāo)氣體,在一個傳感器中實(shí)現(xiàn)多個帶通濾波器和探測器的功能,并且不需要使用濾光片。從文章上看,平臺檢測的局限性還很大,比如:LT元件較厚,需要將厚度從75um降低到700nm,這可以通過硅上的薄膜LT代替自支撐LT板來實(shí)現(xiàn);還需要提高M(jìn)IM吸收器的質(zhì)量因子,它決定了探測器的光譜響應(yīng)與氣體吸收線之間的重疊,這需要在MIM吸收器中的納米天線的設(shè)計(jì)來改善。


總結(jié):

關(guān)鍵詞:氣體傳感 納米天線 探測器 紅外光譜儀    瀏覽量:30998

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