ppb級(jí)高精度紅外氣體檢測(cè)技術(shù)
紅外吸收光譜技術(shù)基于捕獲物質(zhì)的紅外“指紋”來(lái)獲得物質(zhì)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(xué)系統(tǒng),主要的應(yīng)用之一是針對(duì)氣體的傳感檢測(cè),如有毒有害氣體、溫室效應(yīng)氣體以及呼吸氣體成分和濃度的檢測(cè)等。相比傳統(tǒng)的單氣體成分的檢測(cè),同時(shí)檢測(cè)多種氣體是降低檢測(cè)成本的有效途徑;相比針對(duì)未知?dú)怏w采用實(shí)驗(yàn)室傅里葉紅外光譜儀的檢測(cè),可以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的微小型化紅外光譜儀具有更實(shí)用且成本更低的優(yōu)勢(shì)。另外, 越來(lái)越多的場(chǎng)景需要探測(cè)精度達(dá)到ppb 或亞ppm 精度的高精度氣體檢測(cè),如有毒有害痕量氣體、呼吸氣體肺癌早期診斷、果蔬存儲(chǔ)中具有催熟劑作用的微量乙烯氣體釋放的檢測(cè)等。
現(xiàn)有紅外氣體傳感技術(shù)中,基于激光光源的氣體傳感器雖然易于達(dá)到ppb級(jí)的高精度檢測(cè),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(wèn)題。
為了解決上述的精度和成本痛點(diǎn)問(wèn)題,本成果掌握了高功率熱紅外光源、可級(jí)聯(lián)長(zhǎng)光程氣體吸收池、多通道紅外探測(cè)器和可調(diào)諧紅外探測(cè)器以及多通道微弱信號(hào)數(shù)字鎖相放大檢測(cè)等技術(shù),開(kāi)發(fā)一系列探測(cè)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(diào)濾波器的小型化紅外光譜儀,展示了集成多組分氣體檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)未知?dú)怏w成分的光譜儀檢測(cè)能力,具有高精度和低成本優(yōu)勢(shì),以及小體積和低功耗特點(diǎn)。
(1)高功率熱紅外光源:MEMS 熱光源芯片陣列與微光學(xué)準(zhǔn)直陣列集成,實(shí)現(xiàn)低發(fā)散角的高功率紅外源。為實(shí)現(xiàn)高精度探測(cè)所需要的長(zhǎng)光程氣體吸收池提供足夠的紅外光能量。
(2)可級(jí)聯(lián)長(zhǎng)光程氣體吸收池:高精度氣體檢測(cè)需要米級(jí)長(zhǎng)光程池。現(xiàn)有長(zhǎng)光程氣體池主要有懷特池、Herriott 型、Chernin 型以及環(huán)形吸收池,配合低發(fā)散角的激光光源。但是這些吸收池結(jié)構(gòu)復(fù)雜,裝配難度高,成本高。自主提出的可級(jí)聯(lián)氣體池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,光學(xué)效率高,且中心對(duì)稱(chēng),加工和裝配成本低。
(3)多通道紅外探測(cè)器:不同敏感波長(zhǎng)的紅外探測(cè)單元集成在同一襯底上,構(gòu)成多通道器件,可共用一個(gè)氣體池和光源,節(jié)省器件,降低了成本,同時(shí)節(jié)省了體積和功耗。
(4)可調(diào)諧濾波器:采用電調(diào)FP 腔和單探測(cè)器可以動(dòng)態(tài)選擇透射波長(zhǎng)進(jìn)行探測(cè)。具有在一定波段內(nèi)連續(xù)掃描實(shí)現(xiàn)紅外光譜儀的功能,也可以隨機(jī)定位某個(gè)特定波長(zhǎng)探測(cè),靈活性強(qiáng)。除了用于已知?dú)怏w成分的濃度檢測(cè),還可用于對(duì)含有未知?dú)怏w種類(lèi)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行氣體檢測(cè)。另外,大口徑的壓電驅(qū)動(dòng)可調(diào)濾波器可用于電力開(kāi)關(guān)柜SF6氣體泄露、天然氣管道氣體泄露以及農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)和病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合的紅外光譜成像檢測(cè)。
(5)微小型紅外光譜儀:紅外光譜儀是在一個(gè)較寬的紅外波段進(jìn)行掃描以獲取物質(zhì)的光譜信息,借此探知物質(zhì)的未知成分。傳統(tǒng)的紅外光譜儀體積大,主要在實(shí)驗(yàn)室使用。本技術(shù)采用FP 腔可調(diào)濾波器具有體積小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn),易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
圖1 四通道濾波聚焦單元、光學(xué)/探測(cè)器集成結(jié)構(gòu)以及紅外光譜探測(cè)器
圖2 長(zhǎng)光程氣體池(平均光程>1米)
圖3 可調(diào)光譜探測(cè)器-PZT壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)FP腔可調(diào)濾波器及可調(diào)光譜
圖4 紅外氣體傳感器模組
【技術(shù)優(yōu)勢(shì)】
(1)基于表面微納結(jié)構(gòu)的窄帶濾光片/微透鏡陣列技術(shù):實(shí)現(xiàn)覆蓋中波和長(zhǎng)波紅外的寬波段濾光/聚焦結(jié)構(gòu),具有低成本制造優(yōu)勢(shì)。
(2)多通道紅外探測(cè)器集成芯片技術(shù):多通道濾波/聚焦陣列結(jié)構(gòu)與紅外探測(cè)單元陣列集成,實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)光譜探測(cè)芯片,具有低成本和小體積優(yōu)勢(shì)。
(3)可級(jí)聯(lián)長(zhǎng)光程池技術(shù):適合熱光源的米級(jí)光程氣體吸收,實(shí)現(xiàn)低成本ppb 級(jí)紅外氣體探測(cè)。相比高精度的激光氣體傳感器,具有成本優(yōu)勢(shì)。
華中科技大學(xué)
2023-03-14