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ppb級高精度紅外氣體檢測技術(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)用之一是針對氣體的傳感檢測,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等。相比傳統(tǒng)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(xiàn)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(yōu)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(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(lián)長光程氣體吸收池、多通道紅外探測器和可調(diào)諧紅外探測器以及多通道微弱信號數(shù)字鎖相放大檢測等技術(shù)，開發(fā)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(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和現(xiàn)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(yōu)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(xué)準(zhǔn)直陣列集成，實現(xiàn)低發(fā)散角的高功率紅外源。為實現(xiàn)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(lián)長光程氣體吸收池：高精度氣體檢測需要米級長光程池?，F(xiàn)有長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。自主提出的可級聯(lián)氣體池結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)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(gòu)成多通道器件，可共用一個氣體池和光源，節(jié)省器件，降低了成本，同時節(jié)省了體積和功耗。（４）可調(diào)諧濾波器：采用電調(diào)FP 腔和單探測器可以動態(tài)選擇透射波長進行探測。具有在一定波段內(nèi)連續(xù)掃描實現(xiàn)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(yīng)用場景進行氣體檢測。另外，大口徑的壓電驅(qū)動可調(diào)濾波器可用于電力開關(guān)柜SF6氣體泄露、天然氣管道氣體泄露以及農(nóng)作物長勢和病蟲害監(jiān)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(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，主要在實驗室使用。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，易于實現(xiàn)現(xiàn)場檢測。圖1 四通道濾波聚焦單元、光學(xué)/探測器集成結(jié)構(gòu)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(diào)光譜探測器-PZT壓電陶瓷驅(qū)動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】（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)：實現(xiàn)覆蓋中波和長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。（2）多通道紅外探測器集成芯片技術(shù)：多通道濾波/聚焦陣列結(jié)構(gòu)與紅外探測單元陣列集成，實現(xiàn)多波長光譜探測芯片，具有低成本和小體積優(yōu)勢。（3）可級聯(lián)長光程池技術(shù)：適合熱光源的米級光程氣體吸收，實現(xiàn)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(yōu)勢。

華中科技大學(xué) 2023-03-14

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