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：

本文演示的NDIR传感器体系结构可以通过增加窄带探测元件的数量来扩展，以分析更多的目标气体。它还可以扩展到其他热探测器平台，如热堆探测器和氧化钒微测辐射计。当与大尺寸焦平面阵列技术相结合时，该装置结构将演变为片上红外光谱仪，可作为气体、化学物质、爆炸物和其他类型物质的光谱分析工具。（作者：Bojun Chen）

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19085-1

关键词:气体传感 纳米天线 探测器 红外光谱仪

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来 源：微纳光电技术实验室

编辑：清风

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