研究背景：
為了同時(shí)分析混合氣體中的幾個(gè)目標(biāo)氣體，可以簡單地在NDIR氣體傳感器中實(shí)現(xiàn)多對(duì)“帶通濾波器+光學(xué)探測器”。然而，該方案大大增加了成本、系統(tǒng)復(fù)雜度和運(yùn)行時(shí)間。這種挑戰(zhàn)的根本原因是大多數(shù)商用中紅外探測器缺乏光譜選擇性。避免使用分離濾光片的一種方法是通過將等離子體超材料吸收劑(PMAs)集成到探測器像素上，為中紅外探測器引入像素級(jí)光譜選擇性。PMA由金屬等離子體諧振器陣列組成，這些諧振器可以選擇性地吸收一定光譜波段的光，因此可以看作是納米級(jí)的吸收濾波器。
根據(jù)這個(gè)想法，文章提出了一個(gè)新的NDIR架構(gòu)，其中窄帶PMA集成熱電元件陣列用于光譜解決吸收多種氣體在同一時(shí)間。通過調(diào)整金屬等離子體諧振器的幾何結(jié)構(gòu)，可以獨(dú)立調(diào)整每個(gè)元素的中心探測波長，以匹配不同目標(biāo)氣體的特征吸收波段。因此，多路傳感平臺(tái)可用于分析混合氣體中的多個(gè)目標(biāo)氣體，大大減少了設(shè)備的足跡和運(yùn)行時(shí)間。
研究內(nèi)容：
文中所提出的NDIR多路復(fù)用氣體傳感平臺(tái)由三部分組成:寬帶光源、氣體電池和帶有必要聚焦光學(xué)的多路復(fù)用傳感器,如圖1所示。其中圖1b給出了用于光譜傳感的封裝多路復(fù)用熱釋電傳感器的示例。這種吸收濾波器本質(zhì)上是一種基于金屬絕緣體金屬(MIM)的超材料吸收器，它由一層金納米盤天線、一個(gè)SiO2間隔物和一個(gè)金背板組成。該吸收器直接制造在商業(yè)上可獲得的薄鉭酸鋰(LT)基板上，其頂部和底部表面有預(yù)先沉積的金電極。為了簡單起見，LT基板的頂部金電極也用作MIM吸收器的金背板。LT作為傳感材料提供了非常寬頻的紅外響應(yīng)，足以覆蓋典型氣體的特征吸收帶，并具有很高的熱釋電系數(shù)。為了簡單起見，這里文章將LT襯底與集成的MIM吸收器切割成具有不同光譜響應(yīng)的獨(dú)立元件。顯然，可以增加包中元素的數(shù)量，以監(jiān)測更多具有不同光譜響應(yīng)的氣體。圖1c說明了一個(gè)窄帶檢測元件的工作原理。金納米盤天線以窄帶方式共振吸收中紅外輻射，并將吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而提高LT基板的溫度。由此產(chǎn)生的溫度升高ΔT反過來使LT層生成熱電讀出當(dāng)前ΔIout,然后轉(zhuǎn)換成讀出電壓ΔVout讀出電壓輸出的電子產(chǎn)品。
圖1.氣體傳感系統(tǒng)的原理圖
研究結(jié)果：
圖2為制備的8個(gè)MIM吸波器的實(shí)測吸收光譜及其目標(biāo)氣體的特征紅外吸收光譜，吸波帶距離較遠(yuǎn)。應(yīng)該指出的是，通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)和陣列圖案，或者用介質(zhì)天線取代金屬天線，可以進(jìn)一步降低窄帶探測器的線寬，從而提高傳感器的選擇性。
圖2.制備的8種MIM吸收劑的吸收光譜與8種目標(biāo)氣體的紅外吸收波段的比較
為了評(píng)估窄帶探測器的光譜響應(yīng)，我們使用頻率可調(diào)量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL)測量了紅外吸收光譜(圖3黑色曲線)和依賴于波長的電壓響應(yīng)(圖3紅色曲線)。當(dāng)Au納米盤半徑為0.94um，周期為3um時(shí)，探測器的窄波段吸收譜峰值為5.52um，全寬最大寬度為670nm。重要的是，探測器的波長依賴性電壓響應(yīng)很好地再現(xiàn)了PMAs的紅外吸收光譜。
圖3.測量的電壓響應(yīng)的一個(gè)窄帶探測器作為一個(gè)函數(shù)的波長的輸入束，比較吸收光譜的集成PMAs。輸入光束來自可調(diào)諧的量子級(jí)聯(lián)激光器，并由光斬波器以5赫茲的頻率調(diào)制。
圖4顯示了探測器電壓響應(yīng)作為調(diào)制頻率的函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)制頻率為7hz時(shí)，在4hz頻率下，檢測器的輸出電壓相對(duì)于輸出電壓下降到70.7% (3 dB)。
圖4.峰值波長為5.52um的窄帶探測器的時(shí)域電壓響應(yīng)。
研究創(chuàng)新：
文中提出用一個(gè)多路復(fù)用的NDIR氣體傳感平臺(tái)組成的窄帶紅外探測器陣列作為讀出，可以同時(shí)分析混合氣體中的幾種目標(biāo)氣體，在一個(gè)傳感器中實(shí)現(xiàn)多個(gè)帶通濾波器和探測器的功能，并且不需要使用濾光片。從文章上看，平臺(tái)檢測的局限性還很大，比如：LT元件較厚，需要將厚度從75um降低到700nm，這可以通過硅上的薄膜LT代替自支撐LT板來實(shí)現(xiàn)；還需要提高M(jìn)IM吸收器的質(zhì)量因子，它決定了探測器的光譜響應(yīng)與氣體吸收線之間的重疊，這需要在MIM吸收器中的納米天線的設(shè)計(jì)來改善。
總結(jié)：
本文演示的NDIR傳感器體系結(jié)構(gòu)可以通過增加窄帶探測元件的數(shù)量來擴(kuò)展，以分析更多的目標(biāo)氣體。它還可以擴(kuò)展到其他熱探測器平臺(tái)，如熱堆探測器和氧化釩微測輻射計(jì)。當(dāng)與大尺寸焦平面陣列技術(shù)相結(jié)合時(shí)，該裝置結(jié)構(gòu)將演變?yōu)槠霞t外光譜儀，可作為氣體、化學(xué)物質(zhì)、爆炸物和其他類型物質(zhì)的光譜分析工具。（作者：Bojun Chen）
文獻(xiàn)鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19085-1
