Mischgas-CH4/CO2/CO-Detektion basierend auf einem linearen variablen optischen Filter und einem Thermopile-Detektor-Array

Einführung

Gassensoren haben in vielen industriellen und realen Anwendungen einen großen Bedarf. In vielen dieser Anwendungen müssen mehrere Gase gleichzeitig über einen langen Zeitraum mit minimalem Wartungsaufwand und an verschiedenen Orten überwacht werden [1]. Nehmen wir zum Beispiel Erdgas, es enthält eine Mischung aus einer großen Menge Methan (CH₄ ) und eine kleine Menge verschiedener Kohlenwasserstoffgase (z. B. C_x H_y ), das sich zu einer wichtigen Energiequelle entwickelt hat. Wenn Erdgas jedoch offen verbrennt, hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Erdgas das Risiko für die menschliche Gesundheit und die Umwelt erhöht. Es produziert viel Wasserdampf und ein Gemisch von Verbindungen, z. B. Stickoxide (N₂ O), Kohlendioxid (CO₂ .) ) und sogar Kohlenmonoxid (CO) und Dämpfe, die durch die unvollständige Verbrennung von Erdgas entstehen [2]. Einige giftige Chemikalien, die von Erdgas ausgestoßen werden, sind nicht nur für die Anwohner schädlich, sondern das ausgetretene Erdgas kann auch eine Explosion verursachen. In den letzten Jahrzehnten ist der Bedarf an sicherheitstechnischer Überwachung von Erdgas und seinen Verbrennungsprodukten stetig gestiegen, was zu einer großen Nachfrage nach miniaturisierten Mischgasdetektoren geführt hat [3]. Die Miniaturisierungen von Gasdetektoren können die kostengünstigen und großflächigen Herstellungsverfahren sowie einen geringen Stromverbrauch bewirken. In der Zwischenzeit könnte dies auch zu verschlechterten analytischen Fähigkeiten oder einer verringerten Flexibilität bei der Multiparameter-Messung führen.

Gasdetektoren, die auf chemiresistiven Gaserfassungsmaterialien basieren (z. B. Metalloxid-Halbleiter (MOSs), Polymere, Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) und feuchtigkeitsabsorbierende Materialien) wurden aufgrund ihrer geringen Größe und geringen Kosten weit entwickelt und angewendet, aber es ist nicht zufriedenstellend, da jeder Detektor nur eine Gasart mit qualitativen Informationen über die Gaskonzentration erkennt [4,5,6,7]. Darüber hinaus schränken die hohe Betriebstemperatur und die Notwendigkeit einer Kalibrierung und Nachjustierung nach kurzer Zeit ihre Anwendung ein und erhöhen den Wartungsaufwand [7]. Aus diesen Gründen wurden einige Gasanalysetechniken zum Herstellen der miniaturisierten Mischgassensoren entwickelt. Die Mikrogaschromatographie (μGC) auf Basis der mikroelektromechanischen Systemtechnik (MEMS) hat in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte gemacht [8]. Ein μGC-System ist eine hybride Integration mehrerer MEMS-Geräte (z. B. Injektor, Trennsäule, Gasdetektor, Mikroventile und Mikropumpen), die eine genaue Analyse komplexer Gasgemische ermöglichen [9, 10]. Allerdings sind die handgehaltenen μGC-Instrumente für die Vor-Ort-Analyse bisher noch nicht kommerziell erhältlich [8]. Die optische Sensortechnik ist eine weitere alternative Lösung für die Gasmessung [11, 12]. Das Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer (FTIR) ist ein gutes Beispiel für ein Instrument, das Mischgas durch die Analyse der spezifischen Spektralempfindlichkeit im IR-Bereich messen kann. FTIR-Spektrometer sind jedoch normalerweise ein sperriges Instrument, das aufgrund seiner hohen Kosten und der mangelnden Tragbarkeit nicht für die Gasüberwachung geeignet ist. MEMS-basierter Scanning-Spiegel (Michelson-Interferometer) ist eine kürzlich aufkommende Lösung für miniaturisierte FTIR-Spektrometer, die in der Lage sind, eine Reihe von sich kontinuierlich ändernden Wellenlängen im Nah-IR- (NIR) oder mittleren IR-(MIR)-Band bereitzustellen [13,14 ,15,16]. Die Verwendung von schnell ansprechenden IR-Lasern und -Detektoren (z. B. der gekühlte PbSe- oder der photoleitende HgCdTe-Detektor) erhöht jedoch die Kosten und die Systemgröße des Spektrometers [15]. Ein weiteres effektives Mischgas-Messverfahren auf Basis der IR-Absorptionsspektrum-Technologie ist die nichtdispersive Infrarot (NDIR)-Gasdetektion, die durch die Verwendung mehrerer IR-Filterkanäle oder die Verwendung eines einzelnen Gaskanals mit einem rotierenden Multifilter-Chopper-System realisiert werden kann [17] . Zweifellos führen beide Techniken unweigerlich zu einer Erhöhung der Detektorgröße und der Kosten. Aus diesen Gründen wurden viele mikrooptische Vorrichtungen verwendet, um die miniaturisierten NDIR-Mehrgassensoren zu konstruieren, z. B. MEMS-basierte Fabry-Pérot (FP)-Filter [18, 19], photonische Kristallfilter [20, 21] und Linear variabler optischer Filter (LVOF) [22, 23]

In dieser Arbeit wird ein miniaturisiertes Mischgas (z. B. CH₄ /CO₂ /CO)-Detektor basierend auf NDIR-Gasdetektionsmechanismen wurde unter Verwendung eines MIR linearen variablen optischen Filters (LVOF) und eines MEMS-basierten ungekühlten Thermopile-Detektorarrays hergestellt. Die Designs, Herstellung und Charakterisierung von Mikrogeräten und integrierten Gasdetektoren wurden jeweils im Detail vorgestellt. Die Verwendung dieser Mikrogeräte ermöglicht eine kompakte Integration mehrerer Gasdetektoren, die durch die Verwendung einer Lichtquelle, einer Gaszelle und eines Datenverarbeitungselements im Vergleich zu den traditionelle NDIR-Gasdetektoren.

Design und experimentelle Methoden

Design und Herstellung von LVOF

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der LVOF als Filter vom F-P-Typ ausgelegt, der aus einem sich verjüngenden Hohlraum, zwei Bragg-Reflektoren, die jeweils auf beiden Seiten des sich verjüngenden Hohlraums hergestellt sind, und einem Substrat besteht. Die Kavität und der obere Reflektor verjüngen sich kontinuierlich mit einer linear variablen Dicke entlang der Länge des LVOF, was zu einer Filterarraystruktur vom F-P-Typ mit einer unendlichen Anzahl von schmalen Passbandfiltern führt, die nebeneinander auf dem Substrat angeordnet sind. Da das MIR-Licht auf die lineare Anordnung von Filtern vom F-P-Typ einfällt, wird das Transmissionslicht entsprechend der Breite jedes F-P-Hohlraums und somit der räumlichen Position entlang der Länge des LVOF bandpassgefiltert [18]. Die Dicke jedes F-P-Hohlraums bestimmt die Wellenlänge des übertragenen Lichts an der entsprechenden Filterposition. Wir konzentrieren uns auf das MIR-Band von 2,3 bis 5,0 µm, um die LVOF-Konfiguration zu entwerfen, bei der die meisten charakteristischen Gasabsorptionspeaks (z. B. CO₂ , CO, N₂ O und C_x H_y ) in Bezug auf die Luftqualität in Innenräumen und die allgemeine industrielle Umgebung werden zentralisiert. Die Materialauswahl ist bei der Gestaltung optischer Filter wesentlich wichtig, um eine hohe Durchlässigkeit bei der Zielwellenlänge zu erreichen. Im Allgemeinen haben die reflektierten Filme, die eine Metallschicht verwenden, ein hohes Absorptionsvermögen im Infrarot-Wellenbereich, was zu einer maximalen Durchlässigkeit des Filters von etwa 15 bis 30 % führt. Im Gegensatz dazu können Reflektoren, die mehrschichtige Dielektrika verwenden, eine höhere Spitzentransmissivität im Filter erzeugen, z. B. 60~70% im MIR-Band. In dieser Arbeit wird eine volldielektrische Mehrschichtstruktur betrachtet, um die Reflektoren von LVOF herzustellen.

Schematische Darstellung der Arbeitsprinzipien der LVOF-Struktur

Die Reflektoren auf zwei Seiten des sich verjüngenden Hohlraums sind als Bragg-Reflektoren konstruiert, die aus abwechselnden Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex bestehen. Die mehrschichtige Struktur und der hohe Brechungsindexkontrast können das Reflexionsvermögen von Bragg-Reflektoren effektiv erhöhen. Die Durchlässigkeit von LVOF (T ) kann berechnet werden durch [22]:

mit

und

wo R ₁ und R ₂ sind das Reflexionsvermögen von Bragg-Reflektoren auf der Oberseite bzw. der Unterseite des sich verjüngenden Hohlraums. φ ₁ und φ ₂ sind die Phasenänderung des reflektierten Lichts in Upside- bzw. Downside-Bragg-Reflektoren. δ ist die Phasenänderung des Lichts, induzierte durch die Dicke der Kavitätsschicht d . Da das einfallende Licht senkrecht (senkrecht) zum Substrat ist, δ erfüllt die folgende Gleichung:

wo n ist der Brechungsindex der Kavitätsschicht. Für einen mehrschichtigen Bragg-Reflektor können das Reflexionsvermögen und die Phasenänderung eines mehrschichtigen dielektrischen Films wie folgt berechnet werden:

wo N ₀ der Brechungsindex der einfallenden dielektrischen Schicht ist und Y ist die Admittanz eines mehrschichtigen dielektrischen Films, die als Y . ausgedrückt werden kann =C /B . Mittels der Matrixmethode kann die charakteristische Matrix eines mehrschichtigen dielektrischen Films wie folgt ausgedrückt werden:

wo, η _j und δ _j sind die Admittanz und Phasenänderung von j Die dielektrische Schicht bzw. η _j =N _j und δ _j =2π N _j d _j /λ . Die Spitzenwellenlänge (λ ₀ ) mit maximalem Transmissionsgrad kann berechnet werden durch:

wo m =k + (φ ₁ + φ ₂ )/2π. Aus Gl. (10) ist ersichtlich, dass die Spitzenwellenlänge eine lineare Abhängigkeit von der Dicke der Kavität ist.

In dieser Studie wurden Si und SiO₂ als Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex ausgewählt wurden, und das SiO₂ wurde verwendet, um sich verjüngende Kavität herzustellen. Als Substratmaterial wurde Si verwendet. Diese Materialien sind im MIR-Band transparent und im Herstellungsprozess MEMS-kompatibel. Der Brechungsindex von Si und SiO₂ beträgt 3,43 bzw. 1,42 im Wellenlängenbereich von 2,3 bis 5,0 μm. Die Schichtkonfiguration von LVOF wurde als Si/(LH ) ⁿ (xL )(HL ) ⁿ H /Luft, wobei H und L repräsentieren eine Schicht mit hohem bzw. niedrigem Brechungsindex, n ist die Anzahl der LH Paare und x ist der Änderungsfaktor der Kavitätendicke. Es sei darauf hingewiesen, dass die Reflektoren das maximale Reflexionsvermögen erzielen, wenn die äußerste Reflektorschicht den hohen Brechungsindex von Si-Material verwendet.

Basierend auf Gl. (6, 7, 8) kann die Reflektivität von Bragg-Reflektoren mit der MATLAB®-Software berechnet werden. Die optimale Dicke von Si/SiO₂ Schichten können aus Tabelle 1 entnommen werden. Abbildung 2 zeigt einen Vergleich der simulierten Reflektivität von Bragg-Reflektoren mit 2 Paaren und 4 Paaren von Si/SiO₂ Schichten. Es ist ersichtlich, dass die 4-Paar-Struktur im Vergleich zur 2-Paar-Struktur ein etwas höheres Reflexionsvermögen sowie eine schärfere Grenzkante des Reflexionsbandes aufweist und die 4-Paar-Struktur auch mehr Außerband-Übertragungsordnungen als die 2-Paar-Struktur aufweist. Aus Abb. 2, Bragg-Reflektor mit 2 Paaren von Si/SiO₂ Schichten hat ein breiteres reflektierendes Band, das eine Abdeckung des MIR-Bandes von 2,3 bis 5 µm erreichen kann.

Vergleich simulierter Reflexionsspektren von Bragg-Reflektoren mit 2 Paaren und 4 Paaren Si/SiO₂ Schichten

Um den Einfluss von Außerband-Übertragungsordnungen des LVOF zu eliminieren, wird im Allgemeinen ein Außerband-Sperrfilter verwendet, um andere Außerband-Übertragungsordnungen des LVOF zu unterdrücken. Wie in Referenz [22] gezeigt, ein Außerband-Sperrfilter mit mehrschichtigem Si/SiO₂ Die Struktur wurde auf den sich verjüngenden Bragg-Reflektor gelegt. In dieser Arbeit haben wir eine volldielektrische Mehrschichtstruktur auf der Rückseite eines Si-Substrats entworfen, um beide Funktionen der Antireflexion und der Außerband-Unterdrückung in einem zu erreichen. Unter Berücksichtigung der Anforderungen an eine hohe Infrarottransparenz und hervorragende mechanische Festigkeit wurde die Ge/SiO-Mehrschichtstruktur zur Herstellung des Antireflexionsfilms gewählt. Ge hat einen hohen Brechungsindex von 4,2 und eine hohe Durchlässigkeit im IR-Band von 1,7 ~ 23 µm, während SiO einen niedrigen Brechungsindex von 1,9 und eine hohe Transmission im IR-Band von 0,4 ~ 9 µm hat. Abbildung 3 zeigt die simulierten Transmissionsspektren einer Ge/SiO-Mehrschichtstruktur mit beiden Funktionen der Außerbandblockierung und der Antireflexion. Es ist zu beachten, dass die Dicke jeder Schicht aus Ge/SiO-Mehrfachschichten auch aus Tabelle 1 ersichtlich ist die Übertragungsordnungen des LVOF im Kurzwellenbereich effektiv unterdrücken. Gleichzeitig weist die Mehrschichtstruktur mit Si als einfallendes Medium auch ein perfektes Antireflexband in 2,5~5 μm mit einer durchschnittlichen Transmission von nicht weniger als 0,95 auf.

Simuliertes Transmissionsspektrum einer Ge/SiO-Mehrschichtstruktur mit beiden Funktionen der Außerband-Unterdrückung in 1,6~2,5 µm und der Antireflexion in 2,5~5 µm

Entsprechend den Absorptionspeaks der Zielgase ist die Dicke von SiO₂ Resonator wurde entworfen, um linear von 843 bis 1908 nm zu variieren, und 12 Filterkanäle wurden speziell entworfen, entsprechend der Mittenwellenlänge von 2,55 bis 4,80 nm. Abbildung 4 zeigt einen Vergleich simulierter Transmissionsspektren von LVOF ohne und mit Ge/SiO-Mehrschichtstruktur. Aus 4 ist ersichtlich, dass der LVOF mit Ge/SiO-Mehrschichtstruktur eine schmalere Halbwertsbreite (FWHM) in jedem Transmissionspeak aufweist als der ohne Ge/SiO-Mehrschichtstruktur. Abgesehen von der Verringerung des Transmissionsvermögens in entworfenen Peaks von λ _p =2,55 μm und λ _p =4,8 μm, die Transmissivität aller anderen Peaks wird deutlich erhöht, wenn eine Ge/SiO-Mehrschichtstruktur verwendet wird. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass beide Peaks in 4,60 µm und 4,80 µm einen entsprechenden Gleichtakt im kurzen Wellenlängenbereich aufweisen, z. B. λ _4.6 =2,36 μm und λ _4.8 =2.5 μm (siehe Abb. 4(a)), was durch Gl.(10) erklärt werden kann, wenn verschiedene k . verwendet werden Werte bei gleicher Dicke der F-P-Kavität. Aufgrund des Designs des Sperrbandes im kurzen Wellenlängenbereich war der Peak bei 2,36 μm signifikant abgeschwächt, wie in Fig. 4(b) gezeigt.

Vergleich simulierter Transmissionsspektren von LVOF ohne (a ) und mit (b ) Ge/SiO-Mehrschichtstruktur

Abbildung 5 a zeigt den Herstellungsprozessablauf von LVOF. Die Herstellungsparameter von LVOF folgen den optimal entworfenen Parametern, wie in Tabelle 1 dargestellt. Zuerst wurde eine Ge/SiO-Mehrschichtstruktur auf der Rückseite des Siliziumwafers abgeschieden (siehe Abb. 5a-1). Als nächstes wird das Si/SiO₂ Mehrschichtstruktur wurde auf der Vorderseite des Siliziumwafers abgeschieden, um den Bragg-Reflektor 1 zu bilden, und dann das SiO₂ Kavitätenschicht wurde auf Bragg-Reflektor 1 abgeschieden (siehe Abb. 5a-2). Der dritte Schritt bestand darin, Fotolack gleichmäßig auf die Kavitätsschicht aufzuschleudern, und dann wurde eine spezielle Graustufen-Fotomaske mit einer linearen Änderung der UV-Transmissionsintensität von niedrig (dunkel) zu hoch (hell) entlang der LVOF-Länge verwendet, um den Fotolack zu belichten (siehe Abb. 5a-3). Eine solche spezielle Fotomaske könnte bewirken, dass sich die Dicke des vernetzten Resists entlang der Länge des LVOF linear ändert. Der vierte Schritt bestand darin, den Photoresist zu einer keilförmigen Struktur zu entwickeln, und dann wurde ein Heißaufschmelzprozess verwendet, um die Oberfläche der keilförmigen Struktur zu glätten (siehe Abb. 5a-4). Als nächstes wurde die sich verjüngende Photoresiststruktur auf das darunterliegende SiO₂ . übertragen Hohlraumschicht durch Trockenätzen (siehe Abb. 5a-5). Schließlich Bragg-Reflektor 2 mit dem Si/SiO₂ auf der sich verjüngenden Hohlraumschicht wurden mehrere Schichten aufgebracht (siehe Abb. 5a-6). Abbildung 5 b zeigt die Fotos des tatsächlichen LVOF und seiner Gehäusestruktur.

a MEMS-basierter Herstellungsprozessablauf. b Fotos des tatsächlichen LVOF und seiner Verpackungsstruktur

Design und Herstellung von IR-Thermopile-Detektoren

Thermopile-Detektoren haben mehrere Vorteile für die Anwendung der IR-Gasdetektion. Erstens benötigt es keine Stromversorgung und weist somit die Rauschspannung gegen die Stromquelle zurück. Da zweitens der durch den Thermopile-Detektor fließende Strom sehr klein ist, kann auch ein durch den Treiberstrom verursachtes niederfrequentes Rauschen (1/f-Rauschen) ignoriert werden. Schließlich können die Thermopile-Detektoren ohne Chopper zur Detektion infraroter DC- und AC-Strahlung eingesetzt werden [24]. Im Gegensatz dazu haben pyroelektrische IR-Detektoren eine höhere Ansprechempfindlichkeit und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) als Thermosäulen-Detektoren, benötigen jedoch einen Chopper, um die einfallende Strahlung zu detektieren. Dies führt zu einer Erhöhung der Detektorgröße sowie zu den Anwendungskosten. Daher sind die Thermopile-Detektoren besser für die Anwendung der kostengünstigen und miniaturisierten Gasdetektoren geeignet.

In dieser Arbeit wurde der Thermopile-Detektor entwickelt, um die verstärkte Seebeck-Spannung zu erzeugen, indem mehrere Paare von Thermoelementelementen in Reihe geschaltet werden, um eine kompakte Struktur zu bilden. Die Größe des Thermopile-Chips beträgt 1,1 mm (Länge) × 1,1 mm (Breite) mit der aktiven Größe von 0,35 mm × 0,35 mm. Abbildung 6 a zeigt den Herstellungsprozessablauf eines MEMS-basierten Thermopile-Detektors. Zuerst wurde die thermische Oxidationstechnologie verwendet, um SiO₂ . zu erzeugen Schicht mit einer Dicke von 0.6 μm auf dem Siliziumwafer (siehe Abb. 6a-1) und anschließend wurde Polysilizium (Poly-Si) mit einer Dicke von 0.5 μm auf SiO₂ . abgeschieden Schicht (siehe Abb. 6a-2). Als nächstes wurde das Poly-Si strukturiert, um die Thermoelementstrahlen durch die Lithographie- und RIE-Techniken zu bilden (siehe Fig. 6a-3). Im Anschluss an den obigen Schritt wurde das Bor mit 45 keV und 5,5 × 10 ¹⁵ . implantiert cm ⁻² p erkennen -Typ Poly-Si und Phosphor wurde mit 40 keV und 7 × 10 ¹⁵ . implantiert cm ⁻² n realisieren -Typ Poly-Si (siehe Fig. 6a-4 und -5), und dann wurde ein Nachglühen (siehe Fig. 6a-6) bei 1000°C für 30 Minuten durchgeführt. Im nächsten Schritt wurde ein Aluminium (Al)-Film abgeschieden und auf der Oberseite der Bauteilschicht strukturiert, um die elektrische Verbindung von Thermoelementen und Bonding-Pads zu definieren (siehe Fig. 6a-7 und -8) und dann ein Metallisierungs-Glühprozess bei 400 °C für 30 min wurde durchgeführt, um die ohmschen Kontakte zwischen dem dotierten Poly-Si und dem Al zu realisieren (siehe Abb. 6a-9). Schließlich wurde die aktive Membran unter Verwendung des Siliziumätzprozesses unter Verwendung von DIRE von der Rückseite des Siliziumwafers gebildet (siehe Fig. 6a-10, -11 und -12). Abbildung 6 b zeigt die Fotografien eines MEMS-basierten Thermopile-Chips im Sockel, und Abbildung 6 c zeigt die vergrößerte Ansicht des Thermopile-Chips.

a Herstellungsprozessablauf eines MEMS-basierten Thermopile-Detektors. b Fotos eines MEMS-basierten Thermopile-Chips, der in einem Sockel verpackt ist. c Die vergrößerte Ansicht des Thermopile-Chips

Design und Herstellung von miniaturisierten Mischgasdetektoren

Abbildung 7 a zeigt die schematische Darstellung des Funktionsprinzips des Mischgasdetektors. Der Mischgasdetektor besteht aus einer IR-Quelle, einem Kollimator, einer Gaszelle und einem integrierten LVOF-basierten Spektrometer. Das von der IR-Lichtquelle emittierte IR-Licht wurde vom Kollimator ausgerichtet und fiel dann auf das LVOF. Als Ergebnis wurde das kontinuierliche IR-Spektrum in mehrere diskrete schmale Bandpassspektren umgewandelt, die jedem Filterkanal mit Peakwellenlänge in linearer Variation separat entsprachen. Ein lineares Array von Thermopile-Detektoren wurde unter dem LVOF platziert, um die einfallende Lichtenergie von verschiedenen Filterkanälen in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die kompakte Integration des LVOF und des Thermopile-Detektor-Arrays macht ein miniaturisiertes LVOF-basiertes Spektrometer aus. Die miniaturisierten Mischgasdetektoren haben erhebliche Vorteile bei der Reduzierung der Gesamtgröße von Mehrgasdetektoren sowie bei der Reduzierung der Herstellungskosten und des Stromverbrauchs durch die Verwendung einer Lichtquelle, einer Gaszelle und eines Datenverarbeitungselements im Vergleich zum herkömmlichen NDIR-Gas Detektoren.

a Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des miniaturisierten Mischgasdetektors. b Fotos des miniaturisierten LVOF-basierten Spektrometers. c Das im Sockel verpackte Thermopile-Chip-Array

Abbildung 7 b und c zeigen die Fotografien des miniaturisierten LVOF-basierten Spektrometers bzw. des im Sockel verpackten Thermopile-Chip-Arrays. Insgesamt wurden 12 Thermopile-Chips als lineares Array integriert und nebeneinander im Sockel verbaut, darüber befindet sich das LVOF-Fenster. Ein solches Design arbeitet mit IR-Wellenlängen von 2,3 bis 5,0 µm, mit einer ausgezeichneten linearen Abhängigkeit von ~ 156 µm/mm über 16 µm. Die Konzentration jedes Gases in der Gasmischung kann separat erfasst werden, indem ein Schalterarray gesteuert wird, um Daten von jedem Thermopile-Chip abzulesen und zu verarbeiten.

Ergebnisse und Diskussion

Um die optische Reaktion von hergestelltem LVOF zu messen, sollte das LVOF an jedem Positionspunkt der Filterkanäle in seiner Längsrichtung abgetastet werden. Ein Mikropunkt-Testverfahren wurde verwendet, um die Transmissionsspektren von LVOF unter Verwendung eines kommerziellen FTIR-Spektrometers zu erhalten. Der LVOF wurde in eine Probenhalterung gelegt und an einer Schlitzplatte mit einer optischen Apertur von 350 µm vorbeibewegt. Die Probenahmepunkte wurden in Abständen von 1,1 mm (Breite des Thermosäulendetektors) von der Startposition bei 1,25 mm entlang der Länge des LVOF genommen. Insgesamt wurden 12 Abtastpunkte gemessen, um den MIR-Wellenlängenbereich von 2,3 bis 5,0 µm abzudecken. Für jedes Spektrum wurden 50 Scans gemittelt, um das SNR zu erhöhen. Abbildung 8 zeigt die spektrale Empfindlichkeit von LVOF. Es ist ersichtlich, dass die Wellenlänge der Transmissionspeaks der linearen Änderung mit der Änderung der Testposition folgt. Die mittlere FWHM von LVOF beträgt ~400 nm, und die mittlere Transmission des Peaks nähert sich ~70% mit einer Cutoff-Transmission von ≤0,5%.

Gemessene spektrale Empfindlichkeit von LVOF

Die spektrale Empfindlichkeit des Thermopile-Detektors, wie in 9a gezeigt, wurde unter Verwendung der gleichen Messmethode und des gleichen Messaufbaus wie bei LVOF gemessen. Es ist ersichtlich, dass die aktive Membran (siehe Einschub von Abb. 9a) eine sehr geringe Transmission (≤ 1,0 %) in 2,5~15 µm aufweist. Dies bedeutet, dass IR-Energie in diesem Wellenband vollständig absorbiert und durch das stark dotierte Poly-Si in thermische Energie umgewandelt werden kann. Die Thermopile-Detektoren wurden durch einen Messaufbau bestehend aus IR-Quelle, Voltmeter, Chopper und Konstanttemperaturkammer charakterisiert (siehe Einschub von Abb. 9b). Als IR-Quelle wurde ein schwarzer Standardkörper verwendet, um den Detektor zu kalibrieren, und die Temperatur des Schwarzkörpers kann entsprechend den Messanforderungen genau gesteuert werden. Abbildung 9 b zeigt die thermoelektrischen Eigenschaften von Thermopile-Detektoren bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen. Es wurde nachgewiesen, dass die Thermopile-Detektoren eine hohe Ansprechempfindlichkeit von 146 μV/°C (T _{Schwarzer Körper} =100 °C) bei Raumtemperatur.

a Spektrale Reaktion des Thermopile-Detektors. Eingefügt sind optische Mikroaufnahmen der (i) Vorderseite und (ii) Rückseite des Thermopile-Chips. b Thermoelektrische Eigenschaften des Thermopile-Detektors bei verschiedenen Umgebungstemperaturen. Einschub ist das schematische Diagramm des Messaufbaus

Um die Gasanalysekapazität von Mischgasdetektoren zu überprüfen, wurden einige Standardgase mit starken und breiten Absorptionspeaks als Messgase ausgewählt. Die charakteristischen Absorptionspeaks der in unserem Experiment verwendeten Gase sind CH₄ /~ 3.3 μm, CO₂ /~ 4,3 µm bzw. CO/~ 4,6 µm. Das Einzelgas mit unterschiedlichen Konzentrationen und das Mischgas mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen wurden jeweils gemessen. Die Gasströme, die in das Gasgehäuse ein- und austreten, wurden durch den Massendurchflussmesser kontrolliert, und einige handelsübliche Standard-Gasdetektoren wurden verwendet, um die Gaskonzentrationen zu kalibrieren.

Abbildung 10 zeigt die spektralen Reaktionen von drei Arten von Gasen und ihrer Mischung bei unterschiedlichen Konzentrationen. Die IR-verstärkten Absorptionen finden sich im 5. (siehe Abb. 10(a)), 11. (siehe Abb. 10(b)) und 10. (siehe Abb. 10(c)) Filterkanal, entsprechend den charakteristischen Absorptionspeaks von CH₄ , CO und CO₂ , bzw. Abbildung 10 (e) zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Gaskonzentration. Mittels bester linearer Anpassung für die experimentellen Daten von CH₄ , CO₂ , und CO wurden die Anpassungsgleichungen erhalten. Das Bestimmtheitsmaß (R ² ), die allgemein als Anpassungsgüte verwendet wird, erreicht 0,968, 0,991 und 0,969 für CH₄ , CO₂ , bzw. CO. Es ist ersichtlich, dass sich die Ausgangsspannung mit der Änderung der Gaskonzentrationen linear ändert. Es wurde gemessen, dass die Sensitivität für CH₄ , CO₂ , und CO beträgt − 0,090 μV/ppm, − 0,096 μV/ppm bzw. − 0,123 μV/ppm. Gemäß der aktuellen Struktur und den Geräteparametern beträgt der Bereich der Gasdetektion etwa 50~3000 ppm. Als nächstes wird das Gasgemisch basierend auf der Konzentration von CH₄ /800 ppm, CO₂ /500 ppm und CO/800 ppm gemessen. Durch Normalisieren der Ausgangsspannung auf die Referenzspannung des Filterkanals bei einer Mittenwellenlänge von 2,55 μm werden drei offensichtliche spektrale Absorptionsspalten entsprechend den Signaturen von CH₄ , CO₂ , und CO sind im Histogramm der Spektralantwort (siehe Abb. 5d) zu finden, was die Anwendbarkeit der Mischgaserkennung bestätigt. Es ist anzumerken, dass in der gegenwärtigen Konstruktionsstruktur von Gaszellen die kurze Lichtweglänge und das niedrige Array-Pixel die minimale Konzentration der Gasdetektion sowie die Anzahl der Gase, die gemessen werden könnten, begrenzen. Inzwischen sind auch einige Gase mit Feinstruktur in den Absorptionspeaks nicht identifizierbar.

Spektrale Reaktion von CH₄ (a ), CO (b ) und CO₂ (c ) in unterschiedlichen Konzentrationen; Histogramm der spektralen Reaktion von Mischgasen basierend auf CH₄ /800 ppm, CO₂ /500 ppm und CO/800 ppm (d ); Lineare Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Gaskonzentration (e )

Schlussfolgerung

Abschließend wurden das Design, die Herstellung und die Charakterisierung eines MIR-LVOF- bzw. eines MEMS-basierten Infrarot-Thermopile-Detektors vorgestellt. Der LVOF wurde als lineares Array von F-P-Resonatoren entworfen, um das kontinuierliche MIR-Spektrum in mehrere schmale Bandpassspektren umzuwandeln, die jedem Filterkanal mit Peakwellenlänge in linearer Variation separat entsprechen. A Si/SiO₂ Mehrschichtstruktur wurde verwendet, um die Bragg-Reflektoren auf beiden Seiten von SiO₂ . herzustellen tapered cavity, and a Ge/SiO multi-layer structure on the backside of Si substrate was used to achieve both functions of antireflection and out-of-band rejection. The MEMS-based thermopile detector was designed and fabricated to generate the amplified Seebeck voltage by connecting multiple pairs of p - and n -poly-Si/Al thermocouple elements in series to form a compact structure. 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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

All data generated or analyzed during this study are included in this published article.

Abkürzungen

LVOF:

Linear variable optical filter

NDIR:

Non-dispersive infrared

F-P:

Fabry-Pérot

NIR:

Near-IR

MIR:

Middle-IR

FTIR:

Fourier transform infrared

GC:

Gas chromatography

MEMS:

Micro-Electro Mechanical Systems

MOSs:

Metal-oxide semiconductors

CNTs:

Carbon nanotubes

N₂ O:

Nitrogen oxides

CO₂ :

Carbon dioxide

CO:

Carbon monoxide

CH₄ :

Methane

FWHM:

Full-width-at-half-maximum

SNR:

Signal-Rausch-Verhältnis