面向气体传感的多波长窄带红外探测器研究

Optical gas sensors are widely used in many military and industrial areas due to their high spectral selectivity, sensitivity and large dynamical range. Current infrared gas sensors rely on discrete optical filters to selectively detect a certain gas and are unable to simultaneously detect multiple gases in a mixture. We propose an integrated "filter+pixel" structure based on optical antenna and pyroelectric material in which each pixel has its own capability of optical filtering so that they no longer rely on discrete optical filters. Based on this device structure we propose a novel ”Broadband source / gas chamber / multi-wavelength narrowband infrared detector" system configuration for multi-gas detection.

红外气体探测器因其选择性强、灵敏度高、动态测量范围大等优点，在国民经济多个领域都有广泛的应用。现有红外探测器需依赖分立滤光片实现对单一目标气体的选择性探测，因而无法实现对多种目标气体的同时探测。本项目提出构建融合光学天线与热释电材料的“滤波探测一体化”像元架构，使每个像元摆脱对分立滤光片的依赖，具有独立的窄带光学滤波功能。并在此基础上实现“宽谱光源+气室+多波长窄带红外探测器”的新型多目标气体检测系统。

红外气体探测利用气体分子振动导致的特征吸收波长获取目标气体的信息，具有选择性强、性能稳定、灵敏度高、动态测量范围大、设备受外界干扰小、使用寿命长等优点。现有的红外气体检测系统对目标气体的选择性来自与宽谱探测器配对的分立式滤光片。这种架构的检测系统只能检测一种目标气体，而无法同时检测多种目标气体。本项目在系统研究基于光学天线阵列的电磁波吸收体对红外光的窄带吸收机制基础上，构建了光学天线与像元一体化的热释电窄带探测器结构，阐明了“窄带光吸收→电磁损耗→光能向热能转化→加热与温升→热释电流产生”的物理全过程。优化设计了基于金属光学天线阵列的窄带吸收体，峰值吸收波长在1µm-10µm范围内连续可调，峰值吸收率大于90%，光学滤波品质因数大于20。整合了光学天线的制造工艺与钽酸锂热释电探测器的制造工艺，为窄带探测器的晶圆级大规模制造奠定了基础。实际制造了与8种常见气体(H2S, CH4, CO2, CO, NO, CH2O, NO2, SO2)的特征吸收波长相匹配的窄带热释电探测器。实测结果表明光学天线可以直接调控热探测器的光谱响应，也即实现无需传统透射式滤光片的窄带热探测器。中心波长为5.52μm的窄带探测器在调制频率小于5Hz时的平均电压响应为90V/W，等效噪声功率NEP=1.90x10-8W/Hz-1/2。基于实际制造的窄带热释电探测器阵列，搭建了非分光红外(NDIR)气体测试系统，并分别进行了单一目标气体和混合气体的测试。在针对8种气体进行的NDIR实验中，能达到的气体浓度检测下限在50-100ppm的数量级。为解决在混合气体测试中各目标气体之间的串扰问题，构建了多种气体浓度与多个探测器的响应之间关系的数学模型。本项目提出的“窄带滤波+光电转换”一体化像元结构，可以继续拓展为大规模窄带红外像元阵列，构建紧凑型光谱分析仪，对目标混合气体的浓度和成分进行原位实时高精度光谱分析。而利用光谱分析物质成分的方法，不仅可以应用于气体，还可以拓展至液体、固体、火焰、等离子体等其他类型的目标，因此本项目取得的成果将在军事与民用多个领域都有颠覆性的影响。