Detector Miniaturizado de Gases Mistas usando Filtro Óptico Variável Linear no Infravermelho Médio e Array de Termopilha MEMS

Resumo

Este estudo detalha o design, fabricação e teste de um filtro óptico variável linear (LVOF) compacto no infravermelho médio (MIR) e um array de detectores de termopilha MEMS não resfriados para medição simultânea de CH₄, CO₂ e CO. O LVOF, um filtro Fabry-Pérot de cavidade afilada, converte o espectro MIR de banda larga em uma série de canais de banda estreita com comprimentos de onda de pico linearmente espaçados. Refletores de Bragg dielétricos multicamadas em ambos os lados da cavidade e uma camada integrada antirreflexo/rejeição fora de banda aumentam a transmitância para 70% com largura média na meia altura (FWHM) de 400 nm em 2,3–5,0 µm. O array de termopilha, fabricado empilhando múltiplos termopares p-/n-poli-Si, entrega responsividade de 146 µV/°C à temperatura ambiente. Experimentos demonstram respostas de tensão lineares a concentrações de gás variando de 50 a 3000 ppm, alcançando sensibilidades de –0,090 µV/ppm para CH₄, –0,096 µV/ppm para CO₂ e –0,123 µV/ppm para CO. O sistema integrado identifica e quantifica com precisão cada componente em amostras de gases mistos, validando seu potencial para monitoramento ambiental e industrial de baixo custo e alta vazão.

Introdução

Monitoramento em tempo real de múltiplos gases é crítico para segurança, proteção ambiental e controle de processos industriais. Sensores quimiorresistivos convencionais fornecem apenas dados qualitativos e requerem calibração frequente, enquanto espectrômetros de transformada de Fourier infravermelho (FTIR) de grande escala são volumosos e caros. Sistemas miniaturizados de infravermelho não dispersivo (NDIR) baseados em filtros ópticos integrados MEMS oferecem alternativa atraente, combinando alta sensibilidade com baixo consumo de energia. Este trabalho apresenta um sensor NDIR totalmente integrado que acopla um LVOF MIR personalizado com um array de termopilha MEMS, permitindo detecção simultânea de CH₄, CO₂ e CO em um único dispositivo leve.

Design e Métodos Experimentais

Design e Fabricação do LVOF

O LVOF é um ressonador Fabry-Pérot com cavidade de SiO₂ afilada entre dois refletores de Bragg Si/SiO₂. A espessura da cavidade varia linearmente de 843 a 1908 nm, produzindo 12 picos de transmissão discretos abrangendo 2,55–4,80 µm. Um revestimento antirreflexo multicamadas Ge/SiO no verso do substrato Si suprime ordens de transmissão de curto comprimento de onda e aumenta a transmitância geral (média 95% entre 2,5–5,0 µm). O filtro foi fabricado usando processo de litografia em escala de cinza para obter o perfil afilado, seguido por gravação a seco e etapas de deposição dielétrica. A Figura 1 mostra o LVOF fabricado e seu encapsulamento.

Design e Fabricação do Array de Termopilha

Cada chip de termopilha mede 1,1 × 1,1 mm com área ativa de 0,35 × 0,35 mm. Múltiplos pares de termopares p-/n-poli-Si são conectados em série, formando estrutura compacta que gera tensão Seebeck mensurável sem energia externa ou chopper. A sequência de fabricação inclui oxidação térmica, deposição de poli-Si, implantação iônica para dopagem p/n, formação de contatos metálicos e gravação de silício no verso para formar membrana suspensa. Os dispositivos resultantes exibem responsividade de 146 µV/°C a 100 °C de corpo negro sob condições de temperatura ambiente.

Detector Miniaturizado Integrado de Gases Mistas

O conjunto do detector consiste de fonte LED MIR, colimador, célula de gás e espectrômetro baseado em LVOF. O LED emite luz de banda larga que é filtrada espacialmente pelo LVOF em 12 canais estreitos. Um array linear de chips de termopilha posicionados sob o filtro converte a potência óptica de cada canal em sinais elétricos. Todo o sistema opera sobre 2,3–5,0 µm com relação linear comprimento de onda-posição de ~156 nm/mm. Aquisição de dados é realizada lendo sequencialmente cada saída de termopilha e aplicando curvas de calibração para recuperar concentrações individuais de gás.

Resultados e Discussão

Medidas espectrais do LVOF confirmaram a progressão linear projetada de comprimentos de onda de pico e FWHM médio de 400 nm com transmitância de pico próxima a 70%. O array de termopilha mostrou baixa transmissão óptica (<1%) através da banda MIR, garantindo conversão térmica eficiente. Experimentos de calibração usando gases padrão CH₄, CO₂ e CO produziram respostas de tensão lineares com valores R² excedendo 0,96, confirmando alta precisão de medição. Sensibilidades foram –0,090 µV/ppm para CH₄, –0,096 µV/ppm para CO₂ e –0,123 µV/ppm para CO, permitindo detecção em faixa de 50–3000 ppm. Testes de gases mistos (CH₄ 800 ppm, CO₂ 500 ppm, CO 800 ppm) validaram a capacidade do sensor de resolver cada componente simultaneamente.

Conclusão

O LVOF MIR desenvolvido e array de termopilha MEMS formam um sensor robusto, de baixo custo e portátil de gases mistos capaz de quantificar com precisão CH₄, CO₂ e CO. O design oferece alta transmitância, banda estreita e forte responsividade térmica, tornando-o adequado para monitoramento ambiental, segurança industrial e aplicações de controle de processo.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados gerados durante este estudo estão incluídos no artigo publicado.