Обнаружение смешанного газа CH4 / CO2 / CO на основе линейного регулируемого оптического фильтра и матрицы детекторов термобатареи

Введение

Датчики газа пользуются большим спросом во многих промышленных и реальных приложениях. Во многих из этих приложений необходимо контролировать несколько газов одновременно в течение длительного периода времени с минимальным обслуживанием и в разных местах [1]. Если взять, например, природный газ, он содержит смесь большого количества метана (CH ₄ ) и небольшое количество различных углеводородных газов (например, C _x H _y ), который стал основным источником энергии. Однако, когда природный газ горит открыто, использование природного газа увеличивает риск для здоровья человека и окружающей среды. Он производит большое количество водяного пара и смеси соединений, например, оксидов азота (N ₂ O), диоксид углерода (CO ₂ ), и даже оксид углерода (CO) и пары, вызванные неполным сгоранием природного газа [2]. Некоторые токсичные химические вещества, выделяемые природным газом, не только вредны для жителей, но и утечка природного газа также может вызвать взрыв. В последние десятилетия потребность в мониторинге безопасности природного газа и продуктов его сгорания постоянно возрастает, что привело к большому спросу на миниатюрные детекторы смешанного газа [3]. Миниатюризация газовых детекторов может привести к недорогим и крупномасштабным производственным процессам, а также к низкому энергопотреблению. Между тем, это также может привести к ухудшению аналитических возможностей или снижению гибкости при многопараметрических измерениях.

Детекторы газа на основе хемирезистивных газочувствительных материалов (например, металлооксидных полупроводников (МОП), полимеров, углеродных нанотрубок (УНТ) и влагопоглощающих материалов) получили широкое распространение и нашли применение благодаря своим небольшим размерам и низкой стоимости, но это неудовлетворительно, потому что каждый детектор обнаруживает только один тип газа с качественной информацией о концентрации газа [4,5,6,7]. Более того, высокая рабочая температура и необходимость калибровки и перенастройки после короткого периода ограничивают их применение и увеличивают стоимость обслуживания [7]. По этим причинам были разработаны некоторые методы газового анализа для изготовления миниатюрных сенсоров смешанного газа. Микрогазовая хроматография (мкГХ), основанная на технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС), достигла значительного прогресса в последние десятилетия [8]. Система μGC представляет собой гибридную интеграцию нескольких устройств MEMS (например, инжектора, разделительной колонки, детектора газа, микроклапанов и микронасосов), которые могут обеспечить точный анализ сложных газовых смесей [9, 10]. Однако до сих пор портативные микроконтроллеры для анализа на месте все еще не коммерчески доступны [8]. Оптическое зондирование - еще одно альтернативное решение для измерения газа [11, 12]. Инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье (FTIR) является хорошим примером прибора, который может измерять смешанный газ путем анализа специфической спектральной характеристики в ИК-области. Однако FTIR-спектрометры обычно являются громоздкими приборами, которые не подходят для мониторинга газов из-за их высокой стоимости и отсутствия портативности. Сканирующее зеркало на основе МЭМС (интерферометр Майкельсона) - это недавно появившееся решение для миниатюрных FTIR-спектрометров, которые способны обеспечивать набор непрерывно изменяющихся длин волн в ближнем (NIR) или среднем ИК (MIR) диапазоне [13,14 , 15,16]. Однако использование быстродействующего ИК-лазера и детекторов (например, охлаждаемого PbSe или фотопроводящего детектора HgCdTe) увеличит стоимость и размер системы спектрометра [15]. Еще один эффективный метод измерения смешанных газов, основанный на технологии ИК-спектра поглощения, - это недисперсионное инфракрасное (NDIR) обнаружение газа, которое может быть реализовано с использованием нескольких каналов ИК-фильтров или использования одного газового канала с вращающейся системой прерывателя с несколькими фильтрами [17] . Несомненно, оба метода неизбежно приведут к увеличению размеров и стоимости детектора. По этим причинам многие микрооптические устройства использовались для создания миниатюрных мультигазовых датчиков NDIR, например, фильтры Фабри-Перо (FP) на основе MEMS [18, 19], фильтры на фотонных кристаллах [20, 21] и оптический фильтр с линейной переменной (LVOF) [22, 23]

В этой работе миниатюрный смешанный газ (например, CH ₄ / CO ₂ / CO) детектор, основанный на механизмах обнаружения газа NDIR, был изготовлен с использованием линейного регулируемого оптического фильтра MIR (LVOF) и неохлаждаемой детекторной матрицы на основе MEMS. Были подробно представлены конструкции, изготовление и характеристики микроустройств и интегрированных детекторов газа, соответственно. Использование этих микроустройств обеспечивает компактную интеграцию нескольких газовых детекторов, которые имеют значительные преимущества в небольшом размере, а также в низкой стоимости и энергопотреблении за счет использования источника света, газовой ячейки и элемента обработки данных по сравнению с традиционные газоанализаторы NDIR.

Дизайн и экспериментальные методы

Дизайн и изготовление LVOF

Как показано на рис. 1, LVOF выполнен в виде фильтра типа F-P, состоящего из конической полости, двух брэгговских отражателей, расположенных соответственно с обеих сторон конической полости, и подложки. Полость и верхний отражатель непрерывно сужаются с линейной переменной толщиной по длине LVOF, что приводит к структуре матрицы фильтров типа F-P с бесконечным количеством фильтров с узкой полосой пропускания, размещенных бок о бок на подложке. Поскольку свет MIR падает на линейную решетку фильтров типа F-P, пропускаемый свет фильтруется полосой пропускания в соответствии с шириной каждой полости F-P и, таким образом, пространственным положением по длине LVOF [18]. Толщина каждой полости F-P будет определять длину волны проходящего света в соответствующем положении фильтра. Мы ориентируемся на полосу MIR 2,3 ~ 5,0 мкм, чтобы разработать конфигурацию LVOF, где большинство характерных пиков поглощения газа (например, CO ₂ , CO, N ₂ O и C _x H _y ), связанные с качеством воздуха в помещениях и общей производственной средой, централизованы. Выбор материала очень важен при разработке оптических фильтров для достижения высокого коэффициента пропускания на заданной длине волны. Как правило, отраженные пленки, в которых используется металлический слой, имеют высокую поглощающую способность в инфракрасном диапазоне волн, что приводит к примерно 15 ~ 30% максимальной пропускной способности в фильтре. Напротив, отражатели, использующие многослойные диэлектрики, способны создавать более высокий пиковый коэффициент пропускания в фильтре, например, 60 ~ 70% в диапазоне MIR. В этой работе рассматривается полная диэлектрическая многослойная структура для изготовления отражателей LVOF.

Принципиальная схема работы конструкции LVOF

Отражатели на двух сторонах конической полости спроектированы как отражатели Брэгга, которые состоят из чередующихся слоев материалов с высоким и низким показателем преломления. Многослойная структура и контраст с высоким показателем преломления могут эффективно увеличить отражательную способность брэгговских отражателей. Коэффициент пропускания LVOF ( T ) можно рассчитать по [22]:

с

и

где R ₁ и R ₂ - коэффициент отражения брэгговских отражателей в верхней и нижней части конической полости, соответственно. φ ₁ и φ ₂ - изменение фазы отраженного света в верхнем и нижнем брэгговских отражателях соответственно. δ - изменение фазы света, вызванное толщиной слоя полости d . Поскольку падающий свет направлен перпендикулярно (перпендикулярно) подложке, δ соответствует следующему уравнению:

где n - показатель преломления полого слоя. Для многослойного брэгговского отражателя коэффициент отражения и изменение фазы многослойной диэлектрической пленки можно рассчитать следующим образом:

где N ₀ - показатель преломления падающего диэлектрического слоя, а Y - проводимость многослойной диэлектрической пленки, которую можно выразить как Y = C / B . С помощью матричного метода характеристическая матрица многослойной диэлектрической пленки может быть выражена следующим образом:

где, η _j и δ _j являются допуском и фазовым изменением j -й диэлектрический слой соответственно. η _j = N _j и δ _j =2 π N _j г _j / λ . Пиковая длина волны ( λ ₀ ) с максимальной проницаемостью можно рассчитать по:

где м = k + ( φ ₁ + φ ₂ ) / 2π. Из уравнения. Из (10) видно, что длина волны пика является линейной зависимостью от толщины резонатора.

В этом исследовании Si и SiO ₂ были выбраны материалы с высоким и низким показателем преломления, а SiO ₂ был использован для изготовления конической полости. В качестве материала подложки использовался Si. Эти материалы прозрачны в диапазоне MIR и совместимы с МЭМС в процессе производства. Показатель преломления Si и SiO ₂ составляет 3,43 и 1,42 в диапазоне длин волн 2,3 ~ 5,0 мкм соответственно. Конфигурация слоев LVOF была разработана как Si / ( LH ) ⁿ ( xL ) ( HL ) ⁿ H / Air, где H и L представляют слой с высоким и низким показателем преломления, соответственно, n количество LH пары и x - коэффициент изменения толщины полости. Следует отметить, что отражатели будут иметь максимальную отражательную способность, когда в самом крайнем слое отражателей используется материал Si с высоким показателем преломления.

Основываясь на уравнениях. (6, 7, 8) отражательную способность брэгговских отражателей можно рассчитать с помощью программного обеспечения MATLAB®. Оптимальная расчетная толщина Si / SiO ₂ на слои можно ссылаться из Таблицы 1. На Рисунке 2 показано сравнение смоделированной отражательной способности брэгговских отражателей с 2 ​​парами и 4 парами Si / SiO ₂ слои. Можно видеть, что 4-парная структура имеет немного более высокий коэффициент отражения, а также более острый край отсечки отражающей полосы по сравнению с 2-парной структурой, а 4-парная структура также демонстрирует больше порядков внеполосной передачи, чем 2-парная структура. На рис. 2 показан брэгговский отражатель с использованием 2 пар Si / SiO ₂ . слои имеют более широкую полосу отражения, способную обеспечить охват полосы MIR 2,3 ~ 5 мкм.

Сравнение смоделированных спектров отражения брэгговских отражателей с 2 ​​парами и 4 парами Si / SiO ₂ слои

Чтобы исключить влияние порядков внеполосной передачи LVOF, обычно используется фильтр внеполосной блокировки для отклонения других порядков внеполосной передачи LVOF. Как показано в ссылке [22], внеполосный блокирующий фильтр с использованием многослойного Si / SiO ₂ Конструкция была помещена на конический брэгговский отражатель. В этой работе мы разработали полную диэлектрическую многослойную структуру на задней стороне подложки Si, чтобы обеспечить одновременно обе функции антиотражения и внеполосного подавления. Учитывая требования высокой прозрачности в инфракрасном диапазоне и превосходной механической прочности, для изготовления просветляющей пленки была выбрана многослойная структура Ge / SiO. Ge имеет высокий показатель преломления 4,2 и высокий коэффициент пропускания в ИК-диапазоне 1,7 ~ 23 мкм, в то время как SiO имеет низкий показатель преломления 1,9 и высокий коэффициент пропускания в ИК-диапазоне 0,4 ~ 9 мкм. На рис. 3 показаны смоделированные спектры пропускания многослойной структуры Ge / SiO с функциями внеполосного блокирования и антиотражения. Следует отметить, что толщина каждого слоя многослойного Ge / SiO также указана в таблице 1. Можно обнаружить, что многослойная структура имеет четкую полосу блокировки в диапазоне длин волн 1,6 ~ 2,5 мкм, что может эффективно подавляют порядки передачи LVOF в коротковолновой области. В то же время, при использовании Si в качестве падающей среды многослойная структура также демонстрирует идеальную антиотражающую полосу размером 2,5 ~ 5 мкм со средним коэффициентом пропускания не менее 0,95.

Смоделированный спектр пропускания многослойной структуры Ge / SiO с функциями внеполосного подавления в 1,6 ~ 2,5 мкм и антиотражения в 2,5 ~ 5 мкм

Согласно пикам поглощения целевых газов толщина SiO ₂ Резонатор был разработан с возможностью линейного изменения от 843 до 1908 нм, а 12 каналов фильтра были специально разработаны, что соответствует центральной длине волны от 2,55 до 4,80 нм. На рисунке 4 показано сравнение смоделированных спектров пропускания LVOF без многослойной структуры Ge / SiO и с ней. Из рис. 4 видно, что LVOF с многослойной структурой Ge / SiO демонстрирует более узкую ширину на полувысоте (FWHM) в каждом пике пропускания, чем пик без многослойной структуры Ge / SiO. Помимо снижения коэффициента пропускания в расчетных пиках λ _p =2,55 мкм и λ _p =4,8 мкм, прозрачность всех других пиков явно увеличивается при использовании многослойной структуры Ge / SiO. Кроме того, обнаружено, что оба пика в 4,60 мкм и 4,80 мкм сами по себе имеют соответствующий общий режим в коротковолновой области, например, λ _4.6 =2,36 мкм и λ _4.8 =2,5 мкм (см. Рис. 4 (а)), что можно объяснить уравнением (10) при использовании различных k значения при той же толщине полости F-P. Из-за конструкции блокирующей полосы в коротковолновой области пик в 2,36 мкм был значительно ослаблен, как показано на рис. 4 (b).

Сравнение смоделированных спектров пропускания LVOF без ( a ) и с ( b ) Многослойная структура Ge / SiO

На рис. 5а показан процесс изготовления LVOF. Параметры изготовления LVOF соответствуют оптимальным расчетным параметрам, представленным в таблице 1. Во-первых, многослойная структура Ge / SiO была нанесена на заднюю сторону кремниевой пластины (см. Рис. 5a-1). Затем Si / SiO ₂ На лицевую сторону кремниевой пластины была нанесена многослойная структура для формирования брэгговского отражателя 1, а затем SiO ₂ Слой полости наносился на брэгговский отражатель 1 (см. рис. 5а-2). Третий шаг заключался в равномерном нанесении центробежного фоторезиста на слой полости, а затем для экспонирования фоторезиста использовалась специальная фотомаска с шкалой серого с линейным изменением интенсивности УФ-пропускания от низкой (темная) до высокой (светлая) по длине LVOF. (см. рис. 5a-3). Такая специальная фотошаблона может заставить сшитую толщину резиста линейно изменяться по длине LVOF. Четвертый шаг заключался в разработке фоторезиста для формирования клиновидной структуры, а затем был использован процесс горячего оплавления для сглаживания поверхности клиновидной структуры (см. Рис. 5a-4). Затем коническая структура фоторезиста была перенесена на нижележащий SiO ₂ слой полости методом сухого травления (см. рис. 5а-5). Наконец, брэгговский отражатель 2 с Si / SiO ₂ Многослойные покрытия были нанесены на слой конической полости (см. рис. 5а-6). На рисунке 5b показаны фотографии реального LVOF и его корпусной конструкции.

а Технологический процесс изготовления на основе МЭМС. b Фотографии реального LVOF и его структуры

Разработка и изготовление ИК-детекторов на термоэлементах

Детекторы на термоэлементах имеют несколько преимуществ при использовании инфракрасного обнаружения газов. Во-первых, ему не нужен источник питания, и, следовательно, он отклоняет шумовое напряжение от источника питания. Во-вторых, поскольку ток, протекающий через детектор термобатареи, очень мал, низкочастотный шум (шум 1 / f), вызванный током возбуждения, также можно игнорировать. Наконец, детекторы на термобатареях могут использоваться без прерывателя для обнаружения инфракрасного излучения постоянного и переменного тока [24]. Напротив, пироэлектрические инфракрасные детекторы имеют более высокую чувствительность и отношение сигнал / шум (SNR), чем детекторы на термобатареях, но для них требуется прерыватель для обнаружения падающего излучения. Это приведет к увеличению размера детектора, а также к увеличению стоимости приложения. Таким образом, детекторы на термобатареях больше подходят для применения в качестве недорогих и миниатюрных детекторов газа.

В этой работе детектор термобатареи был разработан для генерации усиленного напряжения Зеебека путем последовательного соединения нескольких пар элементов термопар для формирования компактной конструкции. Размер микросхемы термобатареи составляет 1,1 мм (длина) × 1,1 мм (ширина) с активным размером 0,35 мм × 0,35 мм. На рис. 6а показана технологическая схема изготовления детектора на основе термобатареи на основе МЭМС. Во-первых, технология термического окисления была использована для получения SiO ₂ слой толщиной 0,6 мкм на кремниевой пластине (см. рис. 6а-1), а затем на SiO ₂ был нанесен поликремний (поли-Si) толщиной 0,5 мкм. слой (см. рис. 6а-2). Затем поли-Si был структурирован для формирования пучков термопар литографическими методами и методами RIE (см. Рис. 6a-3). Следуя вышеуказанному шагу, бор был имплантирован с энергией 45 кэВ и 5,5 × 10 ¹⁵ см ⁻² реализовать p поли-Si и фосфор был имплантирован с энергией 40 кэВ и 7 × 10 ¹⁵ см ⁻² реализовать н -типа поли-Si (см. рис. 6a-4 и -5), а затем был проведен пост-отжиг (см. рис. 6a-6) при 1000 ° C в течение 30 мин. На следующем этапе была нанесена алюминиевая (Al) пленка и нанесен узор на верхнюю часть слоя устройства для определения электрического соединения термопар и контактных площадок (см. Рис. 6a-7 и -8), а затем процесс отжига металлизации при 400 ° C. в течение 30 мин для реализации омических контактов между легированным поли-Si и Al (см. рис. 6a-9). Наконец, активная мембрана была сформирована с использованием процесса травления кремния с использованием DIRE с обратной стороны кремниевой пластины (см. Рис. 6a-10, -11 и -12). На рис. 6b показаны фотографии микросхемы термобатареи на основе МЭМС, помещенной в гнездо, а на рис. 6с показан увеличенный вид микросхемы термобатареи.

а Технологический процесс изготовления детектора на основе МЭМС термобатареи. б Фотографии микросхемы термобатареи на основе МЭМС в корпусе. c Увеличенный вид микросхемы термобатареи

Разработка и производство миниатюрных детекторов смешанных газов

На рис. 7а показана принципиальная схема работы детектора смешанных газов. Детектор смешанных газов состоит из источника ИК-излучения, коллиматора, газовой ячейки и встроенного спектрометра на основе LVOF. ИК-свет, излучаемый источником ИК-света, выравнивался коллиматором и затем падал на LVOF. В результате непрерывный ИК-спектр был преобразован в несколько дискретных узкополосных спектров, отдельно соответствующих каждому каналу фильтра с максимальной длиной волны в линейном изменении. Под LVOF помещалась линейная матрица детекторов на термобатареях для преобразования энергии падающего света от различных каналов фильтра в электрический сигнал. Компактная интеграция LVOF и матрицы детекторов термобатареи делает миниатюрный спектрометр на основе LVOF. Миниатюрные детекторы смешанных газов имеют значительные преимущества в уменьшении общего размера детекторов нескольких газов, а также в снижении стоимости изготовления и потребления энергии за счет использования источника света, газовой ячейки и элемента обработки данных по сравнению с традиционным газом NDIR. детекторы.

а Принципиальная схема работы миниатюрного детектора смешанных газов. б Фотографии миниатюрного спектрометра на основе LVOF. c Матрица микросхем термобатареи упакована в гнездо

На рис. 7b и c показаны фотографии миниатюрного спектрометра на основе LVOF и массива микросхем термобатареи, упакованных в гнездо, соответственно. В общей сложности 12 микросхем термобатареи были объединены в виде линейного массива и установлены бок о бок в гнезде, над которым находится окно LVOF. Такая конструкция будет работать с длиной волны инфракрасного излучения от 2,3 до 5,0 мкм с отличной линейной зависимостью ~ 156 нм / мм на протяжении 16 мм. Концентрацию каждого газа в газовой смеси можно определять отдельно, управляя переключателем для считывания и обработки данных с каждой микросхемы термобатареи.

Результаты и обсуждение

Чтобы измерить оптический отклик изготовленного LVOF, LVOF следует сканировать в направлении его длины в каждой точке положения каналов фильтра. Для получения спектров пропускания LVOF с использованием коммерческого ИК-Фурье-спектрометра был использован метод тестирования микропотряса. LVOF помещался в приспособление для образцов и перемещался, проходя через щелевую пластину с оптической апертурой 350 мкм. Пятна отбора проб отбирались с интервалом 1,1 мм (ширина детектора термобатареи) от исходного положения на 1,25 мм по длине LVOF. Всего было измерено 12 точек отбора проб в диапазоне длин волн MIR от 2,3 до 5,0 мкм. Для каждого спектра было усреднено 50 сканирований для увеличения отношения сигнал / шум. На рисунке 8 показан спектральный отклик LVOF. Можно видеть, что длина волны пиков пропускания линейно изменяется при изменении положения испытания. Среднее значение FWHM LVOF составляет ~ 400 нм, а средний коэффициент пропускания в пике приближается к ~ 70% с коэффициентом пропускания ≤ 0,5%.

Измеренный спектральный отклик LVOF

Спектральный отклик детектора термобатареи, показанный на рис. 9a, был измерен с использованием того же метода измерения и установки, что и LVOF. Видно, что активная мембрана (см. Вставку на рис. 9а) имеет очень низкий коэффициент пропускания (≤ 1,0%) в диапазоне 2,5 ~ 15 мкм. Это означает, что ИК-энергия в этом диапазоне волн может полностью поглощаться и превращаться в тепловую энергию сильно легированным поли-Si. Детекторы термобатареи характеризовались с помощью измерительной установки, состоящей из источника ИК-излучения, вольтметра, прерывателя и камеры постоянной температуры (см. Вставку на рис. 9б). Стандартное черное тело использовалось в качестве источника ИК-излучения для калибровки детектора, а температуру черного тела можно точно контролировать в соответствии с требованиями измерения. На рис. 9б показаны термоэлектрические характеристики детекторов термобатареи при различных температурах окружающей среды. Показано, что детекторы термобатареи имеют высокую чувствительность 146 мкВ / ° C ( T _{Черное тело} =100 ° C) при комнатной температуре.

а Спектральный отклик детектора термобатареи. На вставке представлены оптические микрофотографии (i) лицевой стороны и (ii) тыльной стороны микросхемы термобатареи. б Термоэлектрические характеристики детектора ТЭБ при различных температурах окружающей среды. На вставке схематическая диаграмма измерительной установки

Чтобы проверить способность детекторов смешанных газов анализировать газ, в качестве измеряемых газов были выбраны некоторые стандартные газы с сильными и широкими пиками поглощения. Характерные пики поглощения газов, используемых в нашем эксперименте:CH ₄ / ~ 3,3 мкм, CO ₂ / ~ 4.3 мкм и CO / ~ 4.6 мкм соответственно. Были измерены отдельные газы при различных концентрациях и смешанный газ при различных соотношениях смешивания, соответственно. Потоки газа, входящие и выходящие из корпуса для газа, контролировались с помощью массового расходомера, а для калибровки концентраций газа использовались некоторые стандартные газовые детекторы.

На рисунке 10 показаны спектральные характеристики трех видов газов и их смесей при различных концентрациях. ИК-усиленное поглощение обнаружено в 5-м (см. Рис. 10 (a)), 11-м (см. Рис. 10 (b)) и 10-м (см. Рис. 10 (c)) каналах фильтра, соответствующих характерным пикам поглощения Канал ₄ , CO и CO ₂ , соответственно. На рисунке 10 (е) показана зависимость выходного напряжения от концентрации газа. Посредством наилучшего линейного соответствия экспериментальным данным CH ₄ , CO ₂ , и CO были получены подгоночные уравнения. Коэффициент детерминации ( R ² ), который обычно используется в качестве критерия согласия, достигает 0,968, 0,991 и 0,969 для CH ₄ , CO ₂ , и CO соответственно. Видно, что выходное напряжение линейно изменяется с изменением концентрации газа. Было измерено, что чувствительность для CH ₄ , CO ₂ , а CO составляет -0,090 мкВ / ppm, -0,096 мкВ / ppm и -0,123 мкВ / ppm, соответственно. Согласно текущей структуре и параметрам устройства, диапазон обнаружения газа составляет около 50 ~ 3000 ppm. Далее смешанный газ на основе концентрации CH ₄ / 800 частей на миллион, CO ₂ / 500 ppm и CO / 800 ppm. Путем нормализации выходного напряжения к опорному напряжению канала фильтра на центральной длине волны 2,55 мкм три очевидных столбца спектрального поглощения, соответствующие сигнатурам CH ₄ , CO ₂ , и CO находятся на гистограмме спектрального отклика (см. рис. 5d), что подтверждает возможность применения обнаружения смешанного газа. Следует отметить, что в современной конструкции газовой ячейки короткая длина светового пути и низкий размер пикселей матрицы ограничивают минимальную концентрацию обнаружения газа, а также количество газов, которые можно измерить. Между тем, некоторые газы с тонкой структурой в пиках поглощения также не могут быть идентифицированы.

Спектральный отклик CH ₄ ( а ), CO ( b ) и CO ₂ ( c ) при разных концентрациях; Гистограмма спектрального отклика смешанных газов на основе CH ₄ / 800 частей на миллион, CO ₂ / 500 частей на миллион и CO / 800 частей на миллион ( d ); Линейная зависимость выходного напряжения от концентрации газа ( e )

Заключение

В заключение были представлены конструкция, изготовление и характеристики MIR LVOF и инфракрасного термобатарейного детектора на основе MEMS, соответственно. LVOF был разработан как линейный массив резонаторов типа F-P для преобразования непрерывного спектра MIR в несколько узкополосных спектров, отдельно соответствующих каждому каналу фильтра с пиковой длиной волны в линейном изменении. Si / SiO ₂ Многослойная структура была использована для изготовления брэгговских отражателей с обеих сторон SiO ₂ сужающийся резонатор, а многослойная структура Ge / SiO на задней стороне подложки Si использовалась для достижения обеих функций антиотражения и внеполосного подавления. Детектор на основе термобатареи на основе МЭМС был разработан и изготовлен для генерации усиленного напряжения Зеебека путем подключения нескольких пар p - и n -элементы термопары из поли-Si / Al, соединенные последовательно, чтобы сформировать компактную структуру. The LVOF was installed above a linear array of MEMS-based thermopile detectors to form a miniaturized MIR spectrometer, which can be used to detect mixed gases and was experimentally verified by the quantification and identification of CH₄ /CO₂ /CO mixed gases.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.

Сокращения

LVOF:

Linear variable optical filter

NDIR:

Non-dispersive infrared

F-P:

Fabry-Pérot

NIR:

Near-IR

MIR:

Middle-IR

FTIR:

Инфракрасное преобразование Фурье

GC:

Gas chromatography

MEMS:

Micro-Electro Mechanical Systems

MOSs:

Metal-oxide semiconductors

CNT:

Углеродные нанотрубки

N ₂ О:

Nitrogen oxides

CO₂ :

Carbon dioxide

CO:

Carbon monoxide

CH₄ :

Methane

FWHM:

Full-width-at-half-maximum

SNR:

Соотношение сигнал / шум