Detecção de CH4 / CO2 / CO de gás misto com base em filtro óptico variável linear e conjunto de detector de termopilha

Resumo

Este artigo apresenta o projeto, a fabricação e a caracterização de um filtro óptico variável linear (LVOF) de infravermelho médio (MIR) e detectores de termopilha que serão usados em um detector de gás misturado miniaturizado para CH ₄ / CO ₂ / Medição de CO. O LVOF foi projetado como um filtro óptico Fabry-Pérot de cavidade cônica, que pode transformar o espectro contínuo MIR em múltiplos espectros de passagem de banda estreitos com comprimento de onda de pico em variação linear. Estruturas dielétricas multicamadas foram utilizadas para fabricar os refletores de Bragg em ambos os lados da cavidade cônica, bem como o filme anti-reflexo combinado com a função de rejeição fora de banda. Os detectores de termopilha não resfriados foram projetados e fabricados como uma estrutura de suspensão de termopar múltiplo usando tecnologia de sistema microeletromecânico. Experimentalmente, o LVOF exibe uma largura total média na metade do máximo de 400 nm e transmitância de pico média de 70% na faixa de comprimento de onda de 2,3 ~ 5 μm. Os detectores de termopilha exibem uma responsividade de 146 μV / ° C na condição de temperatura ambiente. É demonstrado que os detectores podem alcançar a quantificação e identificação de CH ₄ / CO ₂ / CO gás misto.

Introdução

Os sensores de gás têm uma grande demanda em muitas aplicações industriais e da vida real. Em muitas dessas aplicações, vários gases devem ser monitorados simultaneamente por um longo período de tempo com manutenção mínima e em locais diferentes [1]. Tomando o gás natural, por exemplo, ele contém uma mistura de uma grande quantidade de metano (CH ₄ ) e uma pequena quantidade de vários gases de hidrocarbonetos (por exemplo, C _x H _y ), que surgiu como uma importante fonte de energia. No entanto, quando o gás natural queima abertamente, o uso de gás natural aumenta o risco para a saúde humana e para o meio ambiente. Produz uma grande quantidade de vapor de água e uma mistura de compostos, por exemplo, óxidos de nitrogênio (N ₂ O), dióxido de carbono (CO ₂ ), e até mesmo monóxido de carbono (CO) e fumos causados pela combustão incompleta do gás natural [2]. Alguns produtos químicos tóxicos emitidos pelo gás natural não são apenas prejudiciais aos residentes, mas o gás natural vazado também pode causar uma explosão. Nas últimas décadas, a necessidade de monitoramento da segurança do gás natural e seus produtos de combustão vem aumentando continuamente, resultando em uma grande demanda por detectores miniaturizados de gases mistos [3]. As miniaturizações de detectores de gás podem trazer processos de fabricação de baixo custo e larga escala, bem como baixo consumo de energia. Enquanto isso, também pode resultar em capacidades analíticas degradadas ou flexibilidade reduzida na medição multiparâmetros.

Detectores de gás baseados em materiais de detecção de gás quimiossistivos (por exemplo, semicondutores de óxido de metal (MOSs), polímeros, nanotubos de carbono (CNTs) e materiais que absorvem umidade) foram amplamente desenvolvidos e aplicados devido ao seu tamanho pequeno e baixo custo, mas não é satisfatório porque cada detector detecta apenas um tipo de gás com informações qualitativas sobre a concentração de gás [4,5,6,7]. Além disso, a alta temperatura de operação e a necessidade de calibração e reajuste após um curto período limitam sua aplicação e aumentam o custo de manutenção [7]. Por essas razões, algumas técnicas de análise de gás foram desenvolvidas para a fabricação de sensores de gases mistos miniaturizados. A cromatografia microgás (μGC) baseada na tecnologia de sistemas microeletromecânicos (MEMS) fez um progresso significativo nas últimas décadas [8]. Um sistema μGC é uma integração híbrida de vários dispositivos MEMS (por exemplo, injetor, coluna de separação, detector de gás, microválvulas e microbombas), que pode fornecer uma análise precisa de misturas de gases complexas [9, 10]. No entanto, até agora, os instrumentos μGC de mão para análise no local ainda não estão disponíveis comercialmente [8]. A técnica de sensoriamento óptico é outra solução alternativa para medição de gás [11, 12]. O espectrômetro de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) é um bom exemplo de um instrumento que pode medir gases misturados por meio da análise de resposta espectral específica na região de infravermelho. No entanto, os espectrômetros FTIR são geralmente um instrumento volumoso, que não é adequado para monitoramento de gás devido ao seu alto custo e à falta de portabilidade. O espelho de varredura baseado em MEMS (interferômetro de Michelson) é uma solução emergente recentemente para os espectrômetros FTIR miniaturizados, que são capazes de fornecer um conjunto de comprimentos de onda que mudam continuamente através da banda Near-IR (NIR) ou Middle-IR (MIR) [13,14 , 15,16]. No entanto, o uso de laser infravermelho de resposta rápida e detectores (por exemplo, o PbSe resfriado ou o detector fotocondutor HgCdTe) aumentará o custo e o tamanho do sistema do espectrômetro [15]. Outro método eficaz de medição de gás misturado com base na tecnologia de espectro de absorção IR é a detecção de gás infravermelho não dispersivo (NDIR), que pode ser realizada usando vários canais de filtro IR ou usando um único canal de gás com um sistema chopper multi-filtro giratório [17] . Sem dúvida, ambas as técnicas resultarão inevitavelmente no aumento do tamanho e do custo do detector. Por essas razões, muitos dispositivos de micro-óptica têm sido usados para construir os sensores multigás NDIR miniaturizados, por exemplo, filtros Fabry-Pérot (FP) baseados em MEMS [18, 19], filtros de cristal fotônico [20, 21] e filtro óptico variável linear (LVOF) [22, 23]

Neste trabalho, um gás misturado miniaturizado (por exemplo, CH ₄ / CO ₂ / CO) detector baseado em mecanismos de detecção de gás NDIR foi fabricado usando um filtro óptico variável linear MIR (LVOF) e matriz de detector de termopilha não resfriada com base em MEMS. Os projetos, fabricações e caracterizações de microdispositivos e detectores de gás integrados foram apresentados em detalhes, respectivamente. Os usos desses microdispositivos fazem uma integração compacta de vários detectores de gás, que apresentam vantagens significativas em tamanho pequeno, bem como baixo custo e consumo de energia, usando uma fonte de luz, uma célula de gás e um elemento de processo de dados em comparação com o detectores de gás NDIR tradicionais.

Design e métodos experimentais

Projeto e fabricação de LVOF

Conforme mostrado na Fig. 1, o LVOF é projetado como um filtro do tipo F-P, consistindo em uma cavidade cônica, dois refletores de Bragg feitos respectivamente em ambos os lados da cavidade cônica e um substrato. A cavidade e o refletor superior são afilados continuamente com uma espessura variável linear ao longo do comprimento do LVOF, resultando em uma estrutura de conjunto de filtros do tipo F-P com um número infinito de filtros de banda estreita colocados lado a lado no substrato. Como a luz MIR incide no arranjo linear de filtros do tipo F-P, a luz de transmissão é filtrada em banda passante de acordo com a largura de cada cavidade F-P e, portanto, pela posição espacial ao longo do comprimento do LVOF [18]. A espessura de cada cavidade F-P determinará o comprimento de onda da luz transmitida na posição do filtro correspondente. Nós nos concentramos na banda MIR de 2,3 ~ 5,0 μm para projetar a configuração LVOF onde a maioria dos picos de absorção de gás característicos (por exemplo, CO ₂ , CO, N ₂ O e C _x H _y ) relacionadas à qualidade do ar interno e ao ambiente industrial geral são centralizadas. A seleção de material é significativamente importante no projeto de filtro óptico para alcançar alta transmissividade no comprimento de onda desejado. Geralmente, os filmes refletidos usando a camada de metal têm alta absortividade na faixa de onda infravermelha, o que resultará em cerca de 15 ~ 30% de pico de transmissividade no filtro. Em contraste, os refletores que usam dielétricos multicamadas são capazes de criar uma transmissividade de pico mais alta no filtro, por exemplo, 60 ~ 70% na banda MIR. Neste trabalho, uma estrutura multicamada totalmente dielétrica é considerada para fabricar os refletores de LVOF.

Diagrama esquemático dos princípios de trabalho da estrutura LVOF

Os refletores nos dois lados da cavidade cônica são projetados como refletores de Bragg que são compostos de camadas alternadas de materiais de alto e baixo índice de refração. A estrutura multicamadas e o contraste de alto índice de refração podem aumentar efetivamente a refletividade dos refletores Bragg. A transmissividade de LVOF ( T ) pode ser calculado por [22]:
$$ T =\ frac {T_0} {1 + F {\ left (\ sin \ theta \ right)} ^ 2}, $$ (1)
com
$$ {T} _0 =\ frac {\ left (1- {R} _1 \ right) \ left (1- {R} _2 \ right)} {{\ left (1- \ sqrt {R_1 {R} _2 } \ right)} ^ 2}, \ kern0.5em $$ (2) $$ F =\ frac {4 \ sqrt {R_1 {R} _2}} {{\ left (1- \ sqrt {R_1 {R} _2} \ right)} ^ 2}, $$ (3)
e
$$ \ theta =\ frac {1} {2} \ left ({\ varphi} _1 + {\ varphi} _2-2 \ delta \ right) $$ (4)
onde R ₁ e R ₂ são a refletividade dos refletores de Bragg na parte superior e na parte inferior da cavidade cônica, respectivamente. φ ₁ e φ ₂ são a mudança de fase da luz refletida nos refletores Bragg do lado superior e do lado inferior, respectivamente. δ é a mudança de fase da luz, induzida pela espessura da camada da cavidade d . Como a luz incidente é normal (perpendicular) ao substrato, δ atende à seguinte equação:
$$ 2 \ delta =2 knd =2 \ frac {2 \ pi} {\ lambda} nd $$ (5)
onde n é o índice de refração da camada da cavidade. Para um refletor de Bragg multicamadas, a refletividade e a mudança de fase do filme dielétrico multicamadas podem ser calculadas por:
$$ R =\ left (\ frac {N_0-Y} {N_0 + Y} \ right) \; {\ left (\ frac {N_0-Y} {N_0 + Y} \ right)} ^ {\ ast} $ $ (6) $$ \ varphi =\ mathrm {atan} \ left [\ frac {i {N} _0 \ left (Y- {Y} ^ {\ ast} \ right)} {{N_0} ^ 2-Y {Y} ^ {\ ast}} \ right] $$ (7)
onde N ₀ é o índice de refração da camada dielétrica incidente, e Y é a admitância de filme dielétrico multicamadas, que pode ser expresso como Y = C / B . Por meio do método de matriz, a matriz característica de um filme dielétrico multicamada pode ser expressa da seguinte forma:
$$ \ left [\ begin {array} {c} \ mathrm {B} \\ {} C \ end {array} \ right] =\ prod \ limits_ {j =1} ^ k \ left [\ begin {array } {cc} \ cos {\ delta} _j &\ frac {i} {\ eta_j} \ mathit {\ sin} {\ delta} _j \\ {} i {\ eta} _j \ mathit {\ sin} {\ delta } _j &\ cos {\ delta} _j \ end {array} \ right] \ left [\ begin {array} {c} 1 \\ {} {\ eta} _ {k + 1} \ end {array} \ right ] $$ (8)
onde, η _j e δ _j são a admissão e mudança de fase de j a camada dielétrica, respectivamente. η _j = N _j e δ _j =2 π N _j d _j / λ . O comprimento de onda de pico ( λ ₀ ) com transmissividade máxima pode ser calculada por:
$$ {\ displaystyle \ begin {array} {l} {\ theta} _0 =\ frac {1} {2} \ left ({\ varphi} _1 + {\ varphi} _2-2 \ delta \ right) =\ kern0 .4em \ frac {1} {2} \ left ({\ varphi} _1 + {\ varphi} _2-2 \ frac {2 \ pi} {\ lambda} nd \ right) \\ {} \ kern0.3em =\ kern0.4em - k \ pi \ kern0.50em \ left (\ k =0,1,2, \ dots .. \ right) \ end {array}} $$ (9) $$ {\ uplambda} _0 =\ frac {2 \ mathrm {nd}} {k + \ left [\ frac {\ varphi_1 + {\ varphi} _2} {2 \ pi} \ right]} =\ frac {2 nd} {m} $$ (10)
onde m = k + ( φ ₁ + φ ₂ ) / 2π. Da Eq. (10), pode-se observar que o comprimento de onda do pico é uma dependência linear da espessura da cavidade.

Neste estudo, Si e SiO ₂ foram selecionados como materiais de alto e baixo índice de refração, e o SiO ₂ foi usado para fabricar cavidade cônica. O Si foi usado como material de substrato. Esses materiais são transparentes na banda MIR e são compatíveis com MEMS no processo de fabricação. O índice de refração de Si e SiO ₂ é 3,43 e 1,42 na faixa de comprimento de onda de 2,3 ~ 5,0 μm, respectivamente. A configuração da camada de LVOF foi projetada como Si / ( LH ) ⁿ ( xL ) ( HL ) ⁿ H / Air, onde H e L representam camada de alto e baixo índice de refração, respectivamente, n é o número de LH pares e x é o fator de mudança da espessura da cavidade. Observa-se que os refletores obterão a refletividade máxima quando a camada mais externa dos refletores usar o alto índice de refração do material de Si.

Com base nas Eqs. (6, 7, 8), a refletividade dos refletores de Bragg pode ser calculada usando o software MATLAB®. A espessura ideal projetada de Si / SiO ₂ as camadas podem ser referidas na Tabela 1. A Figura 2 mostra uma comparação da refletividade simulada de refletores Bragg com 2 pares e 4 pares de Si / SiO ₂ camadas. Pode ser visto que a estrutura de 4 pares tem refletividade ligeiramente mais alta, bem como borda de corte mais nítida da banda refletiva em comparação com a estrutura de 2 pares, e a estrutura de 4 pares também exibe mais ordens de transmissão fora da banda do que a estrutura de 2 pares. Da Fig. 2, refletor de Bragg usando 2 pares de Si / SiO ₂ camadas tem banda reflexiva mais ampla, capaz de atingir a cobertura da banda MIR de 2,3 ~ 5 μm.

Comparação de espectros reflexivos simulados de refletores Bragg com 2 pares e 4 pares de Si / SiO ₂ camadas

A fim de eliminar a influência das ordens de transmissão fora da banda do LVOF, um filtro de bloqueio fora da banda é geralmente usado para rejeitar outras ordens de transmissão fora da banda do LVOF. Conforme mostrado na referência [22], um filtro de bloqueio fora de banda usando multicamadas Si / SiO ₂ estrutura foi colocada no topo do refletor de Bragg cônico. Neste trabalho, projetamos uma estrutura multicamada dielétrica completa na parte traseira do substrato de Si para atingir as funções de antirreflexão e rejeição fora de banda em uma. Considerando os requisitos de alta transparência infravermelha e excelente resistência mecânica, a estrutura multicamadas Ge / SiO foi escolhida para fabricar o filme anti-reflexo. Ge tem um alto índice de refração de 4,2 e uma alta transmissividade na banda IR de 1,7 ~ 23 μm, enquanto o SiO tem um índice de refração baixo de 1,9 e uma alta transmissividade na banda IR de 0,4 ~ 9 μm. A Figura 3 mostra os espectros de transmitância simulados da estrutura multicamadas Ge / SiO com ambas as funções de bloqueio fora de banda e anti-reflexo. Percebe-se que a espessura de cada camada de multicamadas Ge / SiO também é referida na Tabela 1. Pode-se constatar que a estrutura multicamada possui uma banda de bloqueio clara na faixa de comprimento de onda de 1,6 ~ 2,5 μm, que pode suprimir efetivamente as ordens de transmissão do LVOF na região de comprimento de onda curto. Ao mesmo tempo, com o Si como meio incidente, a estrutura multicamadas também exibe uma banda anti-reflexa perfeita em 2,5 ~ 5 μm com transmitância média não inferior a 0,95.

Espectro de transmissão simulado da estrutura multicamadas Ge / SiO com ambas as funções de rejeição fora de banda em 1,6 ~ 2,5 μm e anti-reflexo em 2,5 ~ 5 μm

De acordo com os picos de absorção de gases direcionados, a espessura de SiO ₂ a cavidade foi projetada para variar linearmente de 843 a 1908 nm, e 12 canais de filtro foram especialmente projetados, correspondendo ao comprimento de onda central de 2,55 a 4,80 nm. A Figura 4 mostra uma comparação de espectros de transmissão simulados de LVOF sem e com estrutura multicamadas Ge / SiO. Pode ser visto na Fig. 4 que o LVOF com estrutura multicamadas Ge / SiO exibe largura total na metade do máximo (FWHM) mais estreita em cada pico de transmissão do que aquele sem estrutura multicamadas Ge / SiO. Além da redução da transmissividade nos picos projetados de λ _p =2,55 μm e λ _p =4,8 μm, a transmissividade de todos os outros picos é claramente aumentada ao usar a estrutura multicamadas Ge / SiO. Além disso, foi descoberto que ambos os picos em 4,60 μm e 4,80 μm têm eles próprios o modo comum correspondente na região de comprimento de onda curto, por exemplo, λ _4.6 =2,36 μm e λ _4,8 =2,5 μm (ver Fig. 4 (a)), o que pode ser explicado pela Eq. (10) ao usar diferentes k valores na mesma espessura da cavidade F-P. Devido ao projeto da banda de bloqueio na região de comprimento de onda curto, o pico em 2,36 μm foi significativamente enfraquecido, conforme mostrado na Fig. 4 (b).

Comparação de espectros de transmitância simulados de LVOF sem ( a ) e com ( b ) Estrutura multicamadas Ge / SiO

A Figura 5a mostra o fluxo do processo de fabricação do LVOF. Os parâmetros de fabricação do LVOF seguem os parâmetros ideais projetados, conforme apresentado na Tabela 1. Em primeiro lugar, a estrutura multicamadas Ge / SiO foi depositada na parte traseira da pastilha de silício (ver Fig. 5a-1). Em seguida, o Si / SiO ₂ estrutura multicamadas foi depositada na parte frontal do wafer de silício para formar o refletor de Bragg 1 e, em seguida, o SiO ₂ a camada de cavidade foi depositada no refletor Bragg 1 (ver Fig. 5a-2). A terceira etapa foi girar uniformemente o fotorresiste na camada da cavidade e, em seguida, uma foto-máscara especial em escala de cinza com mudança linear na intensidade de transmissão de UV de baixa (escuro) para alta (luz) ao longo do comprimento do LVOF foi usada para expor o fotorresiste (ver Fig. 5a-3). Essa fotomáscara especial pode fazer com que a espessura reticulada da máscara tenha uma mudança linear ao longo do comprimento do LVOF. A quarta etapa foi desenvolver o fotorresiste para formar uma estrutura em forma de cunha e, em seguida, um processo de refluxo a quente foi usado para alisar a superfície da estrutura em forma de cunha (ver Fig. 5a-4). Em seguida, a estrutura fotoresiste cônica foi transferida para o SiO ₂ subjacente camada de cavidade por ataque químico a seco (ver Fig. 5a-5). Finalmente, o refletor Bragg 2 com o Si / SiO ₂ camadas múltiplas foram depositadas na camada de cavidade cônica (ver Fig. 5a-6). A Figura 5 b mostra as fotografias do LVOF real e sua estrutura de pacote.

a Fluxo do processo de fabricação baseado em MEMS. b Fotografias do LVOF real e sua estrutura de pacote

Projeto e fabricação de detectores de termopilha IV

Os detectores de termopilha têm várias vantagens para a aplicação de detecção de gás infravermelho. Em primeiro lugar, ele não precisa de uma fonte de alimentação e, portanto, rejeita a tensão de ruído contra a fonte de alimentação. Em segundo lugar, como a corrente que flui através do detector de termopilha é muito pequena, um ruído de baixa frequência (ruído 1 / f) causado pela corrente de acionamento também pode ser ignorado. Finalmente, os detectores de termopilha podem ser usados sem qualquer chopper para detectar radiação infravermelha DC e AC [24]. Em contraste, os detectores de infravermelho piroelétricos têm maior responsividade e relação sinal-ruído (SNR) do que os detectores de termopilha, mas requerem um chopper para detectar a radiação incidente. Isso resultará no aumento do tamanho do detector, bem como no custo da aplicação. Portanto, os detectores de termopilhas são mais adequados para a aplicação dos detectores de gás miniaturizados e de baixo custo.

Neste trabalho, o detector de termopilha foi projetado para gerar a tensão Seebeck amplificada conectando vários pares de elementos termopares em série para formar uma estrutura compacta. O tamanho do chip termopilha é projetado como 1,1 mm (comprimento) × 1,1 mm (largura) com o tamanho ativo de 0,35 mm × 0,35 mm. A Figura 6a mostra o fluxo do processo de fabricação do detector de termopilha à base de MEMS. Em primeiro lugar, a tecnologia de oxidação térmica foi usada para gerar SiO ₂ camada com espessura de 0,6 μm na pastilha de silício (ver Fig. 6a-1), e então poli-silício (poli-Si) com espessura de 0,5 μm foi depositado em SiO ₂ camada (ver Fig. 6a-2). Em seguida, o poli-Si foi estruturado para formar os feixes do termopar pelas técnicas litográficas e RIE (ver Fig. 6a-3). Seguindo a etapa acima, o boro foi implantado com 45 keV e 5,5 × 10 ¹⁵ cm ⁻² para realizar p -tipo poli-Si e fósforo foi implantado com 40 keV e 7 × 10 ¹⁵ cm ⁻² para realizar n -tipo poli-Si (ver Fig. 6a-4 e -5), e então um pós-recozimento (ver Fig. 6a-6) foi conduzido a 1000 ° C por 30 min. Na próxima etapa, o filme de alumínio (Al) foi depositado e padronizado no topo da camada do dispositivo para definir a conexão elétrica de termopares e almofadas de ligação (ver Fig. 6a-7 e -8) e, em seguida, um processo de recozimento de metalização a 400 ° C por 30 min foi realizada para perceber os contatos ôhmicos entre o poli-Si dopado e o Al (ver Fig. 6a-9). Finalmente, a membrana ativa foi formada usando o processo de corrosão de silício usando DIRE do lado posterior da pastilha de silício (ver Fig. 6a-10, -11 e -12). A Figura 6b mostra as fotografias do chip termopilha baseado em MEMS empacotado no soquete, e a Fig. 6c exibe a vista ampliada do chip termopilha.

a Fluxo do processo de fabricação de detector de termopilha baseado em MEMS. b Fotografias de chips termopilha baseados em MEMS embalados em soquete. c A visão ampliada do chip termopilha

Projeto e fabricação de detectores de gases mistos miniaturizados

A Figura 7a mostra o diagrama esquemático do princípio de funcionamento do detector de gases mistos. O detector de gás misto consiste em uma fonte de infravermelho, um colimador, uma célula de gás e um espectrômetro integrado baseado em LVOF. A luz IV emitida pela fonte de luz IV foi alinhada pelo colimador e incidente no LVOF. Como resultado, o espectro de IV contínuo foi transformado em múltiplos espectros de passagem de banda estreitos e discretos, correspondendo separadamente a cada canal de filtro com comprimento de onda de pico em variação linear. Uma matriz linear de detectores de termopilha foi colocada sob o LVOF para transferir a energia da luz incidente de diferentes canais de filtro para o sinal elétrico. A integração compacta do LVOF e do detector de termopilhas cria um espectrômetro miniaturizado baseado em LVOF. Os detectores de gás mistos miniaturizados têm vantagens significativas na redução do tamanho geral dos detectores multigás, bem como na redução do custo de fabricação e do consumo de energia usando uma fonte de luz, uma célula de gás e um elemento de processo de dados em comparação com o gás NDIR tradicional detectores.

a Diagrama esquemático do princípio de funcionamento do detector de gás misto miniaturizado. b Fotografias do espectrômetro miniaturizado baseado em LVOF. c O conjunto de chips termopilha empacotado no soquete

As Figuras 7 bec mostram as fotografias do espectrômetro baseado em LVOF miniaturizado e o conjunto de chips termopilha empacotados no soquete, respectivamente. Um total de 12 chips de termopilha foram integrados como uma matriz linear e instalados lado a lado no soquete, acima do qual está a janela LVOF. Tal projeto operará com comprimento de onda de infravermelho de 2,3 a 5,0 μm, com uma excelente dependência linear de ~ 156 nm / mm em 16 mm. A concentração de cada gás na mistura de gás pode ser detectada separadamente controlando uma matriz de comutação para ler e processar dados de cada chip de termopilha.

Resultados e discussão

Para medir a resposta óptica do LVOF fabricado, o LVOF deve ser varrido através de sua direção de comprimento em cada ponto de posição dos canais de filtro. Um método de teste de micro-pontos foi usado para obter os espectros de transmissão de LVOF usando um espectrômetro FTIR comercial. O LVOF foi colocado em um acessório de amostra e movido passando por uma placa de fenda com uma abertura óptica de 350 μm. Os pontos de amostragem foram feitos em intervalos de 1,1 mm (largura do detector de termopilha) a partir da posição inicial a 1,25 mm ao longo do comprimento do LVOF. Um total de 12 pontos de amostragem foram medidos para cobrir a faixa de comprimento de onda MIR de 2,3 a 5,0 μm. Para cada espectro, 50 varreduras foram calculadas para aumentar o SNR. A Figura 8 mostra a resposta espectral de LVOF. Pode-se observar que o comprimento de onda dos picos de transmissão segue a mudança linear com a mudança da posição de teste. O FWHM médio de LVOF é ~ 400 nm, e a transmitância média do pico chega perto de ~ 70% com transmitância de corte de ≤ 0,5%.

Resposta espectral medida de LVOF

A resposta espectral do detector de termopilha, conforme mostrado na Fig. 9a, foi medida usando o mesmo método de medição e configuração do LVOF. Pode-se ver que a membrana ativa (veja a inserção da Fig. 9a) tem uma transmitância muito baixa (≤ 1,0%) em 2,5 ~ 15 μm. Isso significa que a energia IV nesta faixa de ondas pode ser totalmente absorvida e transferida em energia térmica pelo poli-Si dopado pesado. Os detectores de termopilha foram caracterizados por meio de uma configuração de medição que consiste em fonte de infravermelho, voltímetro, chopper e câmara de temperatura constante (veja a inserção da Fig. 9b). Um corpo negro padrão foi usado como fonte de infravermelho para calibrar o detector, e a temperatura do corpo negro pode ser controlada com precisão de acordo com os requisitos de medição. A Figura 9b mostra as características termoelétricas de detectores de termopilha sob diferentes temperaturas ambientes. É demonstrado que os detectores de termopilha têm uma alta responsividade de 146 μV / ° C ( T _Blackbody =100 ° C) na condição de temperatura ambiente.

a Resposta espectral do detector de termopilha. As inserções são micrografias ópticas do (i) lado frontal e (ii) lado traseiro do chip termopilha. b Características termoelétricas de detector de termopilha em diferentes temperaturas ambientes. Inserido é o diagrama esquemático da configuração da medição

A fim de verificar a capacidade de análise de gás de detectores de gases mistos, alguns gases padrão com picos de absorção fortes e amplos foram selecionados como os gases medidos. Os picos de absorção característicos de gases usados em nosso experimento são CH ₄ / ~ 3,3 μm, CO ₂ / ~ 4,3 μm e CO / ~ 4,6 μm, respectivamente. O único gás em diferentes concentrações e o gás misturado em diferentes proporções de mistura foram medidos, respectivamente. Os fluxos de gás que entram e saem do alojamento de gás foram controlados através do medidor de fluxo de massa e alguns detectores de gás padrão comerciais foram usados para calibrar as concentrações de gás.

A Figura 10 mostra as respostas espectrais de três tipos de gases e sua mistura em diferentes concentrações. As absorções intensificadas por IR são encontradas no canal de filtro 5 (ver Fig. 10 (a)), 11 (ver Fig. 10 (b)) e 10 (ver Fig. 10 (c)), correspondendo a picos de absorção característicos de CH ₄ , CO e CO ₂ , respectivamente. A Figura 10 (e) mostra a dependência da tensão de saída da concentração do gás. Por meio do melhor ajuste linear para os dados experimentais de CH ₄ , CO ₂ e CO, as equações de ajuste foram obtidas. O coeficiente de determinação ( R ² ), que é comumente usado como um ajuste perfeito, atinge 0,968, 0,991 e 0,969 para CH ₄ , CO ₂ e CO, respectivamente. É visto que a tensão de saída muda linearmente com a mudança das concentrações de gás. Foi medido que a sensibilidade para CH ₄ , CO ₂ , e CO é - 0,090 μV / ppm, - 0,096 μV / ppm e - 0,123 μV / ppm, respectivamente. De acordo com a estrutura atual e os parâmetros do dispositivo, a faixa de detecção de gás é de cerca de 50 ~ 3000 ppm. Em seguida, o gás misturado com base na concentração de CH ₄ / 800 ppm, CO ₂ / 500 ppm e CO / 800 ppm foi medido. Normalizando a tensão de saída para a tensão de referência do canal do filtro no comprimento de onda central de 2,55 μm, três colunas de absorção espectral óbvias correspondendo às assinaturas de CH ₄ , CO ₂ e CO são encontrados no histograma de resposta espectral (ver Fig. 5d), que verifica a viabilidade de aplicação da detecção de gases mistos. É notado que na estrutura de projeto atual da célula de gás, o comprimento do caminho de luz curto e o pixel de matriz baixa limitam a concentração mínima de detecção de gás, bem como o número de gases que podem ser medidos. Enquanto isso, alguns gases com estrutura fina nos picos de absorção também não podem ser identificados.

Resposta espectral de CH ₄ ( a ), CO ( b ), e CO ₂ ( c ) em diferentes concentrações; Histograma de resposta espectral de gases mistos com base no CH ₄ / 800 ppm, CO ₂ / 500 ppm e CO / 800 ppm ( d ); Dependência linear da tensão de saída da concentração de gás ( e )

Conclusão

Em conclusão, o projeto, fabricação e caracterização de um MIR LVOF e um detector de termopilha infravermelho baseado em MEMS foram apresentados, respectivamente. O LVOF foi projetado como uma matriz linear de ressonadores do tipo F-P para transformar o espectro contínuo de MIR em múltiplos espectros de passagem de banda estreita, correspondendo separadamente a cada canal de filtro com comprimento de onda de pico em variação linear. A Si / SiO ₂ estrutura multicamadas foi usada para fabricar os refletores Bragg em ambos os lados do SiO ₂ cavidade cônica e uma estrutura multicamadas de Ge / SiO na parte de trás do substrato de Si foi usada para atingir ambas as funções de anti-reflexo e rejeição fora de banda. O detector de termopilha baseado em MEMS foi projetado e fabricado para gerar a voltagem Seebeck amplificada conectando vários pares de p - e n -poly-Si / Al termopar elementos em série para formar uma estrutura compacta. 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.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.

Abreviações

LVOF:: Linear variable optical filter
NDIR:: Non-dispersive infrared
F-P:: Fabry-Pérot
NIR:: Near-IR
MIR:: Middle-IR
FTIR:: Transformada de Fourier Infra-vermelho
GC:: Gas chromatography
MEMS:: Micro-Electro Mechanical Systems
MOSs:: Metal-oxide semiconductors
CNTs:: Nanotubos de carbono
N ₂ O:: Nitrogen oxides
CO₂ :: Carbon dioxide
CO:: Carbon monoxide
CH₄ :: Methane
FWHM:: Full-width-at-half-maximum
SNR:: A relação sinal-ruído

Síntese de nanopartículas de Au / CdSe Janus com transferência de carga eficiente para melhorar a geração de hidrogênio fotocatalítico Desempenho aprimorado de diodos emissores de luz ultravioleta profunda com base em AlGaN com camada de desaceleração de elétrons de superrede chilrada

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias