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非色散红外多气体传感纳米天线集成窄带探测器


  来源: 微纳光电技术实验室 时间:2020-10-27 编辑:清风
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研究背景:

为了同时分析混合气体中的几个目标气体,可以简单地在NDIR气体传感器中实现多对“带通滤波器+光学探测器”。然而,该方案大大增加了成本、系统复杂度和运行时间。这种挑战的根本原因是大多数商用中红外探测器缺乏光谱选择性。避免使用分离滤光片的一种方法是通过将等离子体超材料吸收剂(PMAs)集成到探测器像素上,为中红外探测器引入像素级光谱选择性。PMA由金属等离子体谐振器阵列组成,这些谐振器可以选择性地吸收一定光谱波段的光,因此可以看作是纳米级的吸收滤波器。


根据这个想法,文章提出了一个新的NDIR架构,其中窄带PMA集成热电元件阵列用于光谱解决吸收多种气体在同一时间。通过调整金属等离子体谐振器的几何结构,可以独立调整每个元素的中心探测波长,以匹配不同目标气体的特征吸收波段。因此,多路传感平台可用于分析混合气体中的多个目标气体,大大减少了设备的足迹和运行时间。


研究内容:

文中所提出的NDIR多路复用气体传感平台由三部分组成:宽带光源、气体电池和带有必要聚焦光学的多路复用传感器,如图1所示。其中图1b给出了用于光谱传感的封装多路复用热释电传感器的示例。这种吸收滤波器本质上是一种基于金属绝缘体金属(MIM)的超材料吸收器,它由一层金纳米盘天线、一个SiO2间隔物和一个金背板组成。该吸收器直接制造在商业上可获得的薄钽酸锂(LT)基板上,其顶部和底部表面有预先沉积的金电极。为了简单起见,LT基板的顶部金电极也用作MIM吸收器的金背板。LT作为传感材料提供了非常宽频的红外响应,足以覆盖典型气体的特征吸收带,并具有很高的热释电系数。为了简单起见,这里文章将LT衬底与集成的MIM吸收器切割成具有不同光谱响应的独立元件。显然,可以增加包中元素的数量,以监测更多具有不同光谱响应的气体。图1c说明了一个窄带检测元件的工作原理。金纳米盘天线以窄带方式共振吸收中红外辐射,并将吸收的光能转换为热能,从而提高LT基板的温度。由此产生的温度升高ΔT反过来使LT层生成热电读出当前ΔIout,然后转换成读出电压ΔVout读出电压输出的电子产品。


图1.气体传感系统的原理图


研究结果:

图2为制备的8个MIM吸波器的实测吸收光谱及其目标气体的特征红外吸收光谱,吸波带距离较远。应该指出的是,通过优化天线结构和阵列图案,或者用介质天线取代金属天线,可以进一步降低窄带探测器的线宽,从而提高传感器的选择性。


图2.制备的8种MIM吸收剂的吸收光谱与8种目标气体的红外吸收波段的比较


为了评估窄带探测器的光谱响应,我们使用频率可调量子级联激光器(QCL)测量了红外吸收光谱(图3黑色曲线)和依赖于波长的电压响应(图3红色曲线)。当Au纳米盘半径为0.94um,周期为3um时,探测器的窄波段吸收谱峰值为5.52um,全宽最大宽度为670nm。重要的是,探测器的波长依赖性电压响应很好地再现了PMAs的红外吸收光谱。


图3.测量的电压响应的一个窄带探测器作为一个函数的波长的输入束,比较吸收光谱的集成PMAs。输入光束来自可调谐的量子级联激光器,并由光斩波器以5赫兹的频率调制。

图4显示了探测器电压响应作为调制频率的函数。研究发现,当调制频率为7hz时,在4hz频率下,检测器的输出电压相对于输出电压下降到70.7% (3 dB)。


图4.峰值波长为5.52um的窄带探测器的时域电压响应。


研究创新:

文中提出用一个多路复用的NDIR气体传感平台组成的窄带红外探测器阵列作为读出,可以同时分析混合气体中的几种目标气体,在一个传感器中实现多个带通滤波器和探测器的功能,并且不需要使用滤光片。从文章上看,平台检测的局限性还很大,比如:LT元件较厚,需要将厚度从75um降低到700nm,这可以通过硅上的薄膜LT代替自支撑LT板来实现;还需要提高MIM吸收器的质量因子,它决定了探测器的光谱响应与气体吸收线之间的重叠,这需要在MIM吸收器中的纳米天线的设计来改善。


总结:

关键词:气体传感 纳米天线 探测器 红外光谱仪    浏览量:6521

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