談小超，易 飛

(華中科技大學 光學與電子信息學院· 武漢·430074)

0 引 言

任何溫度在絕對零度以上的物體都會因自身的分子運動而產(chǎn)生紅外波段的電磁輻射。紅外輻射包含了豐富的信息，而紅外探測器正是利用紅外輻射獲取目標信息的器件[1-4]。理論上，任何物體都可以通過紅外探測器獲取其信息，而這一點在可見光源缺失的場景(例如夜間)中尤其重要。作為人類的“第六感”，紅外探測器幫助人們在更寬廣的電磁頻段獲取外在世界的信息，極大地增強了人們對目標的認知能力[5-7]，如圖1所示。因此，紅外探測器構(gòu)成了諸多軍事與民用技術(shù)的基礎(chǔ)，而各國軍事科技部門也一直在競相推動對新型紅外探測器的研究。

圖1 紅外探測器及其應用Fig.1 Infrared detectors and their application

根據(jù)探測機理，絕大多數(shù)的紅外探測器可分為光子探測器(基于光電效應)和熱探測器(基于熱效應)兩大類，如表1所示[1]。光子探測器通過光電效應將入射光轉(zhuǎn)換為電信號，可達到較高的響應率和較快的工作響應速度。但是，光子探測器的熱噪聲受環(huán)境影響較大，需要制冷才能得到較高的信噪比。制冷設(shè)備增大了光子探測器的體積，也限制了它的應用場景。此外，受制于探測材料的禁帶寬度，光子探測器一般只在特定的波段內(nèi)具有較高的響應率，在該特定波段以外的響應率則逐漸趨于零。熱探測器首先通過光吸收與光熱轉(zhuǎn)換過程，將入射光的能量轉(zhuǎn)換為探測器敏感元溫度的上升，再通過探測材料的某種熱-電效應將溫度上升轉(zhuǎn)換為電信號。相比光子探測器，熱探測器的響應率較低，但其無需制冷即可工作，降低了熱探測器的體積和制造成本。此外，熱-電效應與入射光的波長無關(guān)，因此熱探測器對各個波段的電磁輻射都有響應，這使得熱探測器也有廣泛的應用場景[2]。

表1 紅外探測器的探測機理與典型材料體系Tab.1 Infrared detection mechanisms and typical materials for infrared detectors

紅外探測器經(jīng)過了四個主要的發(fā)展階段(如圖2所示)：第一代，像元線陣加光機掃描成像；第二代，像元面陣加電子掃描的凝視型成像系統(tǒng)；第三代，具有大規(guī)模面陣及雙色探測功能的凝視型成像系統(tǒng)；第四代，也是目前研究的熱點，多是從探測器的像元層次入手，通過引入原位集成微納增強結(jié)構(gòu)并構(gòu)建新的像元結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)新的探測功能[3]。

圖2 第四代紅外探測器：在像元層次引入原位集成微納增強結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)新的探測功能Fig.2 The fourth generation of infrared detectors:micro-nano structures are integrated at the pixel level to achieve new detection functionalities

在像元層次中引入原位集成的微納增強結(jié)構(gòu)，是由于探測目標發(fā)出的紅外輻射本質(zhì)是電磁波，它具有強度、波長和偏振態(tài)等多個維度的信息[8]。目前的紅外探測器通過將物體與背景的溫度差轉(zhuǎn)換為電信號，獲取其信息，實質(zhì)是對目標物體電磁輻射的強度信息進行探測。探測器在像元層次上對電磁場的波長信息和偏振態(tài)信息并無感知能力，這導致探測器對分立光學元件(如濾光片和偏振片等)存在依賴。因此，本文提出在像元層次引入原位集成的微納增強結(jié)構(gòu)，將光場聚焦、光學濾波和偏振選擇等功能單元集成于紅外像元上，實現(xiàn)了紅外探測器在像元層次上的波長感知和偏振態(tài)感知能力，從而擺脫了對分立光學元件的依賴，并極大地減小了整機的體積和復雜度。

光學天線，即光頻段的電磁天線，是用于操控光頻電磁波的人工微納結(jié)構(gòu)[9]，如圖3所示。構(gòu)成這些微納結(jié)構(gòu)的材料，可以是常見的金屬(金、銀、鋁)、半導體(硅、砷化鎵)，或電介質(zhì)(氧化硅、氮化硅)等[10-12]。光學天線可以通過薄膜生長、光刻定義圖案、金屬剝離、干濕法刻蝕等自頂向下的集成電路工藝實現(xiàn)晶圓級的大規(guī)模制造。天線層的典型厚度在幾十納米到幾百納米之間，與光學薄膜的厚度相當，因此可以靈活地與各種光電子器件實現(xiàn)原位集成。

經(jīng)過人工設(shè)計的光學天線可以靈活地調(diào)控電磁波的強度(振幅)、波長(頻率)、偏振態(tài)與相位(波前)等參量[8]。以波長調(diào)控為例，光學天線可以看作亞波長尺度的光學諧振腔[9,13]。在電磁波激勵下，光學天線內(nèi)會形成各種類型的電磁共振，如金屬光學天線中的局域表面等離激元共振，以及介質(zhì)光學天線中的磁共振。這些電磁共振只有在特定的波長范圍內(nèi)才會產(chǎn)生，也就起到了選擇波長的作用，即在功能上等同于濾光片。通過對天線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，可進一步實現(xiàn)較窄的波長范圍內(nèi)的電磁共振，即起到窄帶濾光片的作用[8,14]。研究表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的光學天線可以達到的濾光品質(zhì)因數(shù)，與市售的分立式濾光片的品質(zhì)因數(shù)是可比擬的。此外，通過調(diào)控天線的結(jié)構(gòu)與尺度，以及天線陣列的排布，可以實現(xiàn)對窄帶濾光的中心波長和帶寬的靈活調(diào)控[15]。因此，本文提出將光學天線陣列與各種探測器像元進行原位集成，構(gòu)建像元級的窄帶濾光單元[8,16]，實現(xiàn)無分立濾光片的多光譜窄帶探測功能。

(a)天線的基本功能是操控電磁波

下面以多光譜紅外氣體傳感為例，說明這條技術(shù)路線的應用。在經(jīng)濟和社會飛速發(fā)展的今天，各種氣體被越來越廣泛地應用于國民經(jīng)濟的各個部門。這些氣體中有很多是有毒有害氣體(如甲醛、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氨氣、氮氧化物等)，易燃易爆氣體(如甲烷、氫氣、乙烯等)，或是會破壞自然環(huán)境的氣體(如二氧化碳、六氟化硫、氟利昂等)[17]。這些危害性氣體的泄漏，不僅直接威脅社會穩(wěn)定和人民的生命財產(chǎn)安全，還會對自然環(huán)境造成不可逆的破壞，最終危及人類的生存。另一方面，在軍事斗爭和恐怖襲擊中，化學與生物毒氣(如芥子氣、氯氣、沙林等)經(jīng)常被用作大規(guī)模殺傷性武器[18]。而對敵方的化學品倉庫和化工廠的遠程攻擊，也會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，造成次生化學污染。因此，針對危險氣體泄漏的檢測和儀器開發(fā)，一直受到世界各國軍事科技部門的重視。如何快速檢測并準確定位氣體泄漏源、有效評估泄漏氣體在空間中的分布狀態(tài)和擴散趨勢，以便相關(guān)部門和人員迅速采取有效措施，防止重大氣體泄漏事故的發(fā)生，已成為迫切需要解決的問題，而這對于像中國這樣工業(yè)化迅速發(fā)展、國力不斷上升且外部環(huán)境日益復雜嚴峻的國家而言尤為重要[19]。

自然界中的每種氣體都會因為自身分子的振動而吸收電磁波，而氣體分子的振動頻率則對應該氣體的特征吸收波長[20]。例如，常見的溫室氣體二氧化碳，對波長為4.26μm的電磁波有較強的吸收，而另一種溫室氣體六氟化硫，則在10.5μm處有較強的吸收。硫化氫是一種有毒氣體，它在2.64μm處有較強的吸收，而另一種有毒氣體沙林的特征吸收波長為9.99μm[21]。表2列舉了典型的溫室氣體、有毒氣體、污染氣體及易燃易爆氣體的特征吸收波長。從表2可以看出，很多氣體的特征吸收波長都位于中波紅外(3μm～5μm)和長波紅外波段(8μm～14μm)這兩個大氣窗口中，因此整個中紅外波段被公認是大多數(shù)危險化合物和氣體的“指紋區(qū)”[22-24]。因此，中紅外光譜氣體探測器可以用于高靈敏度和高選擇性地識別和量化氣體的存在。非色散紅外(Non-Dispersive Infrared，NDIR)光譜儀是中紅外光譜氣體探測器的一種，可根據(jù)由分子振動引起的中紅外特征吸收波長來分析氣體[23,25-29]，其可在追蹤氣體探測[30-31]、呼吸分析[32-33]、環(huán)境監(jiān)測[34-35]等領(lǐng)域中獲得廣泛應用。

表2 典型危害性氣體及其特征吸收波長Tab.2 Typical hazardous gases and their characteristic absorption wavelengths

在傳統(tǒng)的NDIR系統(tǒng)中，光源是寬譜的，并且沒有經(jīng)過濾光。當包含很寬波長范圍的光束通過室內(nèi)的樣品氣體并與之相互作用時，只有一部分光能在其特征吸收波長處被氣體吸收[30]。為了分析目標氣體的濃度，通常需在探測器前面添加一個分立式窄帶濾光片，以去除光束中不需要的波長并且僅允許氣體的特征吸收波長到達探測器，如圖4所示。換言之，傳統(tǒng)NDIR系統(tǒng)中的光譜選擇性是通過添加濾光片而不是通過探測器直接實現(xiàn)的。

為了同時分析混合氣體中的幾種目標氣體，可以通過在NDIR系統(tǒng)[36-37]中采用多組“帶通濾波器+光學探測器”的組合來簡單地實現(xiàn)。但是，這種方案大大增加了成本、系統(tǒng)復雜度以及操作時間，尤其是當目標氣體的數(shù)量很多時[38-39]。問題的根源在于大多數(shù)市面上銷售的中紅外探測器缺乏光譜選擇性，因此需要依賴分立式濾光片進行窄帶濾光。避免使用分立式濾光片的一種方法是將基于光學天線的超構(gòu)材料吸收體集成到探測器像元上，使得中紅外探測器具有像元級的光譜選擇性，即窄帶探測功能。這里的超構(gòu)材料吸收體由金屬光學天線陣列組成，可以選擇性地吸收特定光譜的光，因此也可以將其看作吸收式濾光單元[15,40-43]。如果能將多個窄帶中紅外探測器組成的陣列集成在NDIR系統(tǒng)的探測端，并使每個窄帶探測器具有獨立的探測波長，就可以構(gòu)成“寬譜光源+氣室+多波長窄帶紅外探測器”的新型多目標氣體檢測系統(tǒng)。

沿這個思路出發(fā)，本文提出了一種新的NDIR多氣體檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用集成了超構(gòu)材料吸收體的窄帶熱釋電探測器陣列來檢測并分析多種氣體[44]。這里的超構(gòu)材料吸收體由金屬天線陣列、介質(zhì)層和金屬背板構(gòu)成。通過調(diào)整金屬光學天線的幾何形狀，每個窄帶熱釋電探測器的中心探測波長可以被獨立調(diào)控并匹配不同目標氣體的特征吸收波長。因此，該系統(tǒng)可用來分析混合氣體中的多種目標氣體，同時顯著降低了系統(tǒng)的復雜度，縮短了操作時間。利用該系統(tǒng)對8種不同氣體進行了探測，這8種氣體分別是H2S、CH4、CO2、CO、NO、CH2O、NO2及SO2，探測到的極限濃度分別為0.489‰、0.063‰、0.002‰、0.011‰、0.017‰、0.027‰、0.054‰和0.104‰，同時還驗證了可以從兩個窄帶探測器的電壓響應反推出混合氣體中兩種目標氣體的濃度。盡管目前，多氣體探測系統(tǒng)的體積仍比商用NDIR傳感器體積大，但在未來可通過減小熱釋電敏感元的厚度并提升超構(gòu)材料吸收體的品質(zhì)因數(shù)來進一步縮短氣室的長度，實現(xiàn)具有厘米尺寸的集成式多路氣體探測器。這種新型多氣體檢測系統(tǒng)的廣泛應用，對于快速檢測并準確定位氣體泄漏源、有效評估泄漏氣體在空間中的分布狀態(tài)和擴散趨勢，以便相關(guān)部門和人員迅速采取有效措施，防止重大氣體泄漏事故的發(fā)生等將有重大的價值。

1 原 理

本文提出的NDIR多氣體傳感系統(tǒng)由三部分組成：寬譜光源、氣室和配備了必要聚光元件的多波長窄帶探測器陣列，如圖5(a)所示。圖5(b)展示了被封裝在一起的多波長窄帶探測器陣列的細節(jié)。這里的吸收式濾光單元實質(zhì)上是一種基于金屬-介質(zhì)-金屬(Metal-Insulator-Metal，MIM)結(jié)構(gòu)的超構(gòu)材料吸收體，由金納米圓盤天線陣列層、SiO2介質(zhì)層和金背板組成。該吸收體被直接集成在75μm厚的鉭酸鋰(LT)單晶晶片的頂部。LT是一種熱釋電材料，其內(nèi)部自發(fā)極化的整體排列使靠近極化矢量兩端的表面附近出現(xiàn)束縛電荷。在熱平衡狀態(tài)下，這些束縛電荷在熱釋電材料表面捕獲等量反號的自由電荷，使材料整體呈現(xiàn)電中性。當溫度發(fā)生變化時，熱釋電材料內(nèi)部的極化矢量大小隨之改變，原先捕獲的自由電荷不能再完全屏蔽束縛電荷。此時，如果熱釋電材料與外部電路連接，就可在電路中觀測到變化的電流。熱釋電材料具有非常寬的紅外響應波段，足以覆蓋各種氣體的特征吸收波長，同時具有高的熱電系數(shù)[45]。為了簡單起見，在LT晶片頂部和底部均配備了預先制備好的金電極，而LT晶片的頂部金電極同時也可被用作MIM吸收體的金背板。集成了MIM吸收體的LT單晶既可被切割并封裝成具有不同探測波長的單點窄帶探測器，也可被切割并封裝成2×2、4×4或更大規(guī)模的多波長窄帶探測器陣列。顯然，窄帶探測器的數(shù)量越多，可以檢測到的氣體數(shù)量也越多。圖5(c)揭示了窄帶探測器的工作原理：金納米圓盤天線選擇性地吸收探測波長附近一個窄波段內(nèi)的中紅外光，并將吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能[46]，這將導致LT晶片的溫度上升。由此產(chǎn)生的溫升ΔT進而通過LT的熱釋電效應激發(fā)讀出電流ΔIout[47-48]，再由讀出電路將ΔIout轉(zhuǎn)換為讀出電壓ΔVout。

(a) (b)圖4 傳統(tǒng)的NDIR氣體檢測系統(tǒng)(一般采取“寬譜光源+氣室+窄帶濾光片+紅外探測器”的架構(gòu))Fig.4 The conventional NDIR gas sensing system(usually adopts the architecture of “broadband light source+gas cell+narrowband filter+infrared detector”)

圖5 利用超構(gòu)材料窄帶熱釋電探測器陣列構(gòu)建的NDIR氣體傳感系統(tǒng)Fig.5 The NDIR gas sensing system constructed using metamaterial enabled narrowband pyroelectric detectors

該系統(tǒng)(a)由三部分組成：寬譜光源、氣室和配備了必要聚光元件的多波長窄帶探測器陣列；(b)具有不同探測波長的窄帶熱釋電探測器陣列的封裝示意；(c)為窄帶熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)。(c)從頂部到底部依次為：金圓盤納米天線陣列層、二氧化硅介質(zhì)層、金背板(同時被用作熱釋電探測器的頂部電極)、鉭酸鋰(LT)單晶晶片和底部金電極。金圓盤納米天線陣列的元胞周期為P，圓盤半徑為R。每個窄帶吸收體的面積為1mm×1mm，LT單晶晶片的厚度tp為75μm。每個窄帶吸收體旁邊的二氧化硅介質(zhì)層被選擇性地刻蝕出一個窗口，目的是將埋在二氧化硅介質(zhì)層下面的金背板暴露出來，用于電學連接。

2 超構(gòu)材料吸收體設(shè)計

2.1 入射光的窄帶吸收

為了探測多種目標氣體，需要獨立調(diào)控每個窄帶吸收體的吸收光譜，用于匹配不同目標氣體的特征吸收波長。圖6(a)顯示了金納米圓盤天線陣列的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)圖像。為了揭示入射光被天線陣列局限，以及光能被耗散的物理過程，用基于有限元算法的電磁仿真軟件COMSOL對窄帶吸收體的光學特性進行了數(shù)值模擬。圖6(b)給出了當入射光波長為MIM吸收體的諧振波長λpeak(5.73μm)時，金納米圓盤天線附近產(chǎn)生的感應電流密度幅值|J|，以及電流密度矢量J的分布情況。在y方向偏振(見圖5(c)中的笛卡爾坐標系)平面波的激勵下，沿y方向振蕩的局部感應電流密度在金納米圓盤天線的中心處達到最大，且幅值朝天線邊緣方向減小[49]，這導致了天線邊緣的凈電荷濃度增大和局部電場增強。由于金材料在光頻段是非完純導體，由振蕩的感應電流引發(fā)的歐姆損耗主要分布在天線的下表面和金背板的上表面。歐姆損耗將光能轉(zhuǎn)化為熱能，引起金背板下方LT單晶晶片溫度的上升，并進一步通過熱釋電效應產(chǎn)生電信號。在中紅外波段選擇了8種目標氣體：H2S、CH4、CO2、CO、NO、CH2O、NO2、SO2，它們的吸收帶彼此相距較遠。圖6(c)顯示了這8種目標氣體在中紅外波段的特征吸收光譜，以及與這8種目標氣體相對應的MIM吸收體的吸收光譜測試結(jié)果。需要指出的是，通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)和陣列[14]的排布，或用介質(zhì)天線[50]替代金屬天線，可以獲得比目前的測試結(jié)果更窄的光譜線寬，從而提高對氣體的選擇性。

(a)金納米圓盤天線陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像

2.2 光熱轉(zhuǎn)換與探測器的溫度上升

(a)用于求解穩(wěn)態(tài)溫度分布和瞬態(tài)溫度變化的懸空LT晶片的熱學模型示意圖

3 窄帶探測器的光譜響應

為了評估窄帶探測器的光譜響應，先用傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR)測量了集成在LT晶片上的窄帶吸收體的吸收光譜曲線(圖8(a)黑色曲線)，再用波長可調(diào)的中紅外量子級聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)測量了窄帶探測器的電壓響應隨入射光波長的變化關(guān)系曲線(圖8(a)中的紅色曲線)。這里的窄帶吸收體的金納米圓盤半徑為0.94μm，陣列單元周期為3μm，探測器的窄帶吸收光譜峰值為5.52μm，半高全寬(Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM)為670nm。從兩者的比較可以看出，窄帶探測器電壓響應隨波長的變化曲線較好地復現(xiàn)了窄帶吸收體的吸收光譜曲線，這也證明了窄帶吸收體能夠有效調(diào)控熱探測器的光譜響應。實驗中使用的中紅外QCL(Block Engineering，Laser Tune)的輸出光波長可以從5.4μm連續(xù)調(diào)節(jié)至6.0μm。在QCL的輸出光束到達窄帶探測器之前，使用光學斬波器(Thorlabs，MC2000B，fmod≥4Hz)對其進行機械調(diào)制。經(jīng)過斬波器調(diào)制的光束由反射式物鏡(Thorlabs，LMM-15X-P01)聚焦到LT晶片上的天線陣列區(qū)。在實驗中，采用了直流電源(GWINSTEK，GPS-3303C)為TO封裝中的阻抗匹配電路提供+5V偏置電壓。窄帶探測器的輸出電信號由一臺受Labview程序控制的鎖相放大器(Stanford Research System，SRS-830)進行記錄。鎖相放大器與斬波器的時鐘用一臺信號發(fā)生器進行同步。

圖8(b)顯示了探測器的電壓響應與斬波器調(diào)制頻率之間的關(guān)系。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，當調(diào)制頻率為7Hz時，探測器的輸出電壓下降至調(diào)制頻率為4Hz時的輸出電壓的70.7%(3dB)。因此，斬波器的調(diào)制頻率應設(shè)置為低于7Hz。圖8(b)是由示波器(Tektronix，DPO2024B)記錄的窄帶探測器在光源調(diào)制頻率為5 Hz時的動態(tài)電壓響應。在5Hz的光源調(diào)制頻率下測得的平均電壓響應為90(V/W)。

(a)集成在LT探測器上的窄帶吸收體的吸收光譜曲線(黑色曲線)與窄帶探測器的電壓響應隨入射光波長的變化關(guān)系曲線(紅色曲線)的比較

4 氣體測試

4.1 單一目標氣體的NDIR實驗

在實驗中，實際搭建了NDIR系統(tǒng)，用于評估、檢測窄帶探測器在氣體傳感中的性能。如圖9(a)所示，NDIR系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成：光學子系統(tǒng)包含一個經(jīng)過準直的SiC寬譜紅外光源(Thorlabs，SLS203L/M)、光學斬波器、氣室(Gainway，GW-1020IR-5M)、反射物鏡(Thorlabs，LMM-15X-P01)和窄帶探測器；電學子系統(tǒng)包含一個鎖相放大器(SRS-830)和控制電腦,一個可為探測器和鎖相放大器提供+5V偏置電壓的電源(Gwinstek，GPS-3303C)；氣體供應子系統(tǒng)包含用于控制每種氣體的實時流量的流量控制器(Sevenstar，CS200C)。目標氣體與純氮氣混合并送入一個懷特型長光程氣室，其有效光學長度為5m。來自SiC寬譜光源的準直光束在進入氣室之前被光學斬波器調(diào)制，穿過氣室后的光束被反射式物鏡聚焦到封裝好的LT窄帶探測器的感應區(qū)域中。由LT敏感元產(chǎn)生的熱釋電流通過內(nèi)置的集成電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號被鎖定放大器測量并輸出至控制電腦。圖9(b)給出了八種目標氣體(H2S、CH4、CO2、CO、NO、CH2O、NO2和SO2)的單氣體傳感實驗的結(jié)果。由于探測器輸出電壓的絕對值在每次單氣體實驗中可能存在不同，因此需使用輸出電壓的相對變化ΔV/V0表示探測器的電壓響應。V0是探測器在氣室充滿純氮氣時的初始電壓輸出，V是探測器在目標氣體混入氣室時的電壓輸出，ΔV≡V-V0是由目標氣體引起的輸出電壓變化。為了擬合測得的探測器響應ΔV/V0隨目標氣體濃度變化的方程，采用如下修正的Beer-Lambert公式[51-55]

ΔV/V0=s(e-klxc-1)

(1)

采用修正的Beer-Lambert公式是出于對NDIR實驗中的各種實際因素的考慮：例如，系數(shù)s的引入是考慮到即使在目標氣體濃度很高的情況下，也并不是所有進入氣室的紅外輻射都會被氣體吸收。s的取值范圍為從0到1，具體取值取決于窄帶濾光的帶寬和氣體特征吸收光譜帶中的精細譜線分布；系數(shù)κ代表氣體的有效吸收系數(shù)；l代表氣室的等效光路長度，l=5m；x代表目標氣體的濃度；參數(shù)c作為線性化系數(shù)被引入到功率項中，它代表每次NDIR實驗中光程長度和光散射情況的變化，以便將根據(jù)公式繪制的曲線與實際吸收數(shù)據(jù)進行精確的擬合。實際上，參數(shù)s和參數(shù)c都是作為數(shù)據(jù)處理過程中的擬合參數(shù)被引入的，其作用是使擬合曲線與測量數(shù)據(jù)盡可能接近。

(a)NDIR系統(tǒng)的組成

4.2 混合目標氣體的NDIR實驗

當氣室中存在多種目標氣體時，可以使用多個窄帶探測器來測量氣室中的氣體混合物，并根據(jù)各探測器的響應來反向推算每種目標氣體的濃度。例如，假設(shè)氣室中有M種目標氣體，并使用N個窄帶探測器進行測量。那么，第i個探測器的電壓響應Di≡ΔVi/V0i理論上與每種目標氣體的濃度均有關(guān)

(2)

式(2)中，i是窄帶探測器的序號，j是目標氣體的序號。參數(shù)sij和 參數(shù)cij是擬合參數(shù)，它們代表第j種目標氣體對第i個探測器的響應Di的貢獻[44]。

下面以兩種目標氣體被兩個窄帶探測器測量、即“雙氣體-雙探測器”的情況為例進行分析。此時，兩個探測器的電壓響應與兩種目標氣體的濃度之間的關(guān)系可表示為

(3)

(4)

在混合氣體實驗中，選擇了CO(氣體1)和SO2(氣體2)作為兩種目標氣體。兩種氣體的特征吸收波長分別為λ1(4.67μm)和λ2(7.35μm)。相應地，兩個窄帶探測器的探測波長分別為4.67μm(探測器I)和7.35μm(探測器 II)。為了確定sij和cij的值，首先進行了四個單一目標氣體實驗，這四個實驗分別為：(1)由探測器I測量CO；(2)由探測器I測量SO2；(3)由探測器II測量CO；(4)由探測器II測量SO2，如圖10(a)所示。對四組單一氣體實驗中測得的探測器響應進行公式擬合，可以確定sij和cij的值，并建立“雙氣體-雙探測器”問題的數(shù)學模型。然后，進行了四組混合氣體實驗，以驗證該數(shù)學模型的有效性：(1)由探測器I測量氣體混合物。其中，SO2的濃度為固定的，而CO的濃度會發(fā)生變化；(2)由探測器I測量氣體混合物。其中，CO的濃度固定，而SO2的濃度是變化的；(3)由探測器Ⅱ測量氣體混合物。其中，SO2的濃度是固定的，而CO的濃度會發(fā)生變化；(4)由探測器Ⅱ測量氣體混合物。其中，CO的濃度是固定的，而SO2的濃度會發(fā)生變化。在每個混合氣體實驗中，固定濃度選擇為7.5 ‰。圖10(b)中的紫色正方形表示測得的探測器Ⅰ和探測器Ⅱ的響應，而紅色虛線是根據(jù)式(3)和式(4)提供的數(shù)學模型計算出的探測器響應。由圖10可以看出，由式(3)和式(4)預測的探測器響應與測量結(jié)果是吻合的。

(a)用單一探測器測量單一目標氣體的四組實驗，分別為：由探測器Ⅰ測量CO；由探測器Ⅰ測量SO2;由探測器Ⅱ測量CO;由探測器Ⅱ測量SO2

5 結(jié) 論

總而言之，本文展示了一種窄帶熱釋電探測器的設(shè)計、制造、性能測試，及其在NDIR氣體傳感中的應用。這種窄帶探測器是通過將基于金屬光學天線的超構(gòu)材料窄帶吸收體直接集成到鉭酸鋰單晶晶片上實現(xiàn)的。通過調(diào)整超構(gòu)材料吸收體的設(shè)計，可以實現(xiàn)窄帶探測器的探測波長在整個中紅外波段內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。實際制造了8個窄帶探測器，其探測波長與8種典型氣體(H2S、CH4、CO2、CO、NO、CH2O、NO2、SO2)的特征吸收波長匹配，并用自制的NDIR系統(tǒng)實現(xiàn)了對各氣體濃度的測量。本文還設(shè)計了一種簡單的混合氣體測量實驗，即用兩個窄帶探測器測量兩種目標氣體(CO和SO2)的混合物，構(gòu)建了相應的數(shù)學模型。該模型可以根據(jù)兩個探測器的測量響應反向推算氣體混合物中兩種氣體的濃度占比[44]。

熱釋電材料長期以來一直被用于構(gòu)建低成本的非制冷型中紅外探測器，并已取得了廣泛而成功的商業(yè)應用。例如，德國DIAS Infrared Systems公司基于鉭酸鋰(LT)單晶材料開發(fā)了單像元探測器、四像元探測器、線列探測器(128元/256元/510元)；英國Pyreos公司基于鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜開發(fā)了單像元探測器、多像元探測器和線列探測器。因此，本文所提出的基于光學天線調(diào)控熱探測器的光譜響應、制造窄帶熱釋電探測器的技術(shù)路線可以在很多領(lǐng)域找到直接的商業(yè)化應用。例如，利用紅外光譜特征探測火焰、人體運動，以及分析物質(zhì)成分等。此外，基于鉭酸鋰的熱釋電探測器可以通過標準的集成電路工藝進行大規(guī)模制造[48]。光學天線陣列也可以采用集成電路行業(yè)中的常規(guī)制造工藝(如電子束光刻、電子束蒸發(fā)和金屬剝離等)進行制造。在未來，計劃采用(步進式)投影光刻替代電子束光刻，實現(xiàn)光學天線陣列的晶圓級大規(guī)模制造[56]。盡管金與CMOS工藝不兼容，但可以使用與CMOS兼容的鋁[9]或TiN[10]等材料替代金制造光學天線。因此，本文采用的器件設(shè)計與集成電路行業(yè)的標準制造工藝可實現(xiàn)兼容，并滿足低成本和大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

為了進一步提高探測器的靈敏度，并增大探測器陣列的規(guī)模，以實現(xiàn)緊湊型的NDIR多氣體傳感器模組，正在進行的兩項關(guān)鍵研究內(nèi)容是：(1)將LT敏感元的厚度從75 μm減小到700nm以下(降低兩個數(shù)量級)[20]，這可以通過用硅基集成的LT薄膜替代自支撐LT晶片而實現(xiàn)；(2)進一步提高超構(gòu)材料窄帶吸收體的品質(zhì)因數(shù)。該品質(zhì)因數(shù)決定了探測器的光譜響應曲線與各氣體吸收帶之間的重疊程度，這可以通過進一步優(yōu)化超構(gòu)材料吸收體的結(jié)構(gòu)設(shè)計而實現(xiàn)。

需要指出的是，本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)對可以同時探測的氣體的種類和數(shù)量沒有限制。相比傳統(tǒng)的NDIR紅外氣體檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)架構(gòu)更能適應當今器件小型化和集成化的發(fā)展方向，可廣泛應用于國防軍事、工業(yè)、化工、油井及污染檢測等領(lǐng)域。進一步地，通過光譜分析物質(zhì)成分的方法，不僅可以將其應用于氣體，還可將其拓展至液體、固體、火焰、等離子體等其他類型的目標。因此，作為未來的應用拓展，可以將提出的技術(shù)思路進一步擴展到氣體探測以外的、其他需要分析目標光譜特征的應用領(lǐng)域。

此外，由于以凝視型紅外焦平面為代表的大規(guī)模紅外像元陣列技術(shù)已日趨成熟，本文提出的在紅外探測器像元上原位集成窄帶濾光微納結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線，還可擴展到其他熱探測器體系(如熱電堆探測器和氧化釩微輻射熱計)，并繼續(xù)拓展為大規(guī)模窄帶紅外像元陣列，構(gòu)建緊湊型光譜分析儀，對氣體、化學戰(zhàn)劑、爆炸物和其他類型物質(zhì)的濃度和成分進行現(xiàn)場、實時、高精度的光譜分析。該功能在諸如生化防護裝備等軍事與民用的多個領(lǐng)域中都有顛覆性的影響。