紅外吸收光譜技術基于捕獲物質的紅外“指紋”來獲得物質成分和含量信息，其核心是紅外光譜器件和高效緊湊紅外光學系統,主要的應用之一是針對氣體的傳感檢測,如有毒有害氣體、溫室效應氣體以及呼吸氣體成分和濃度的檢測等。相比傳統的單氣體成分的檢測,同時檢測多種氣體是降低檢測成本的有效途徑;相比針對未知氣體采用實驗室傅里葉紅外光譜儀的檢測，可以現場檢測的微小型化紅外光譜儀具有更實用且成本更低的優勢。另外, 越來越多的場景需要探測精度達到ppb 或亞ppm 精度的高精度氣體檢測,如有毒有害痕量氣體、呼吸氣體肺癌早期診斷、果蔬存儲中具有催熟劑作用的微量乙烯氣體釋放的檢測等。

現有紅外氣體傳感技術中，基于激光光源的氣體傳感器雖然易于達到ppb級的高精度檢測，但是激光傳感器成本昂貴，而低成本的基于熱光源的紅外氣體傳感器雖然成本較低，但是卻存在精度低的問題。

為了解決上述的精度和成本痛點問題，本成果掌握了高功率熱紅外光源、可級聯長光程氣體吸收池、多通道紅外探測器和可調諧紅外探測器以及多通道微弱信號數字鎖相放大檢測等技術，開發一系列探測精度到100ppb 以下的多通道紅外氣體傳感器和演示模組，以及基于可調濾波器的小型化紅外光譜儀，展示了集成多組分氣體檢測和現場未知氣體成分的光譜儀檢測能力，具有高精度和低成本優勢，以及小體積和低功耗特點。

（１）高功率熱紅外光源：MEMS 熱光源芯片陣列與微光學準直陣列集成，實現低發散角的高功率紅外源。為實現高精度探測所需要的長光程氣體吸收池提供足夠的紅外光能量。

（２）可級聯長光程氣體吸收池：高精度氣體檢測需要米級長光程池。現有長光程氣體池主要有懷特池、Herriott 型、Chernin 型以及環形吸收池，配合低發散角的激光光源。但是這些吸收池結構復雜，裝配難度高，成本高。自主提出的可級聯氣體池結構簡單，光學效率高，且中心對稱，加工和裝配成本低。

（３）多通道紅外探測器：不同敏感波長的紅外探測單元集成在同一襯底上，構成多通道器件，可共用一個氣體池和光源，節省器件，降低了成本，同時節省了體積和功耗。

（４）可調諧濾波器：采用電調FP 腔和單探測器可以動態選擇透射波長進行探測。具有在一定波段內連續掃描實現紅外光譜儀的功能，也可以隨機定位某個特定波長探測，靈活性強。除了用于已知氣體成分的濃度檢測，還可用于對含有未知氣體種類的應用場景進行氣體檢測。另外，大口徑的壓電驅動可調濾波器可用于電力開關柜SF6氣體泄露、天然氣管道氣體泄露以及農作物長勢和病蟲害監測等場合的紅外光譜成像檢測。

（５）微小型紅外光譜儀：紅外光譜儀是在一個較寬的紅外波段進行掃描以獲取物質的光譜信息，借此探知物質的未知成分。傳統的紅外光譜儀體積大，主要在實驗室使用。本技術采用FP 腔可調濾波器具有體積小結構穩定的特點，易于實現現場檢測。

圖1 四通道濾波聚焦單元、光學/探測器集成結構以及紅外光譜探測器

圖2  長光程氣體池（平均光程>1米）

圖3 可調光譜探測器-PZT壓電陶瓷驅動FP腔可調濾波器及可調光譜

圖4 紅外氣體傳感器模組

【技術優勢】

（1）基于表面微納結構的窄帶濾光片/微透鏡陣列技術：實現覆蓋中波和長波紅外的寬波段濾光/聚焦結構，具有低成本制造優勢。

（2）多通道紅外探測器集成芯片技術：多通道濾波/聚焦陣列結構與紅外探測單元陣列集成，實現多波長光譜探測芯片，具有低成本和小體積優勢。

（3）可級聯長光程池技術：適合熱光源的米級光程氣體吸收，實現低成本ppb 級紅外氣體探測。相比高精度的激光氣體傳感器，具有成本優勢。