基于中红外线性可变光学滤波器与MEMS热电堆阵列的微型混合气体检测器

摘要

本研究详述了一款紧凑型中红外（MIR）线性可变光学滤波器（LVOF）及基于MEMS的非制冷热电堆探测器阵列的设计、制备与测试，用于同步测量CH₄、CO₂、CO。LVOF为锥形腔法布里-珀罗滤波器，将宽带MIR光谱转化为峰值波长线性间隔的窄带通通道。腔两侧多层介质布拉格反射镜及集成抗反射/带外抑制层使透射率达70%，2.3-5.0 µm范围内平均半高全宽（FWHM）400 nm。热电堆阵列通过堆叠多对p/n型多晶硅热电偶制备，室温响应率146 µV/°C。实验显示对50-3000 ppm气体浓度线性电压响应，CH₄、CO₂、CO灵敏度分别为-0.090、-0.096、-0.123 µV/ppm。集成系统准确识别并定量混合气体各组分，验证其在低成本、高通量环境与工业监测中的潜力。

引言

多气体实时监测对安全、环保、工业过程控制至关重要。传统化学电阻传感器仅提供定性数据且需频繁标定，而大型傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪笨重昂贵。基于MEMS集成光学滤波器的微型非分散红外（NDIR）系统提供极具吸引力的替代方案，兼具高灵敏度与低功耗。本文呈现全集成NDIR传感器，耦合定制MIR LVOF与MEMS热电堆阵列，单一轻量设备实现CH₄、CO₂、CO同步检测。

设计与实验方法

LVOF设计与制备

LVOF为法布里-珀罗谐振器，具锥形SiO₂腔，夹于两个Si/SiO₂布拉格反射镜间。腔厚线性变化843-1908 nm，产生12个离散透射峰覆盖2.55-4.80 µm。Si衬底背面Ge/SiO多层抗反射涂层抑制短波透射级次，提升整体透射率（2.5-5.0 µm平均95%）。滤波器采用灰度光刻实现锥形轮廓，后经干法刻蚀与介质沉积步骤制备。图1展示制备LVOF及其封装。

热电堆阵列设计与制备

每个热电堆芯片1.1×1.1 mm，有源区0.35×0.35 mm。多对p/n型多晶硅热电偶串联，形成紧凑结构，无需外部电源或光斩即产生可测塞贝克电压。制备流程含热氧化、多晶硅沉积、离子注入p/n掺杂、金属接触形成、背面硅刻蚀形成悬空膜。器件在室温下100 °C黑体温度下响应率达146 µV/°C。

集成微型混合气体检测器

检测器组件含MIR LED光源、准直器、气室、基于LVOF的光谱仪。LED发宽带光经LVOF空间滤波为12窄通道。热电堆芯片线性阵列置于滤波器下方，将各通道光功率转为电信号。系统工作波段2.3-5.0 µm，波长-位置线性关系~156 nm/mm。数据采集通过顺序读取各热电堆输出并应用标定曲线恢复各气体浓度。

结果与讨论

LVOF光谱测量确认设计的峰值波长线性递进及平均FWHM 400 nm、峰值透射率近70%。热电堆阵列在MIR波段光透射率低（<1%），确保高效热转换。标准CH₄、CO₂、CO气体标定实验产生线性电压响应，R²>0.96，确证高测量精度。灵敏度分别为CH₄ -0.090、CO₂ -0.096、CO -0.123 µV/ppm，支持50-3000 ppm检测范围。混合气体测试（CH₄ 800 ppm、CO₂ 500 ppm、CO 800 ppm）验证传感器同步分辨各组分能力。

结论

开发的MIR LVOF与MEMS热电堆阵列构成稳健、低成本、便携混合气体传感器，能准确定量CH₄、CO₂、CO。设计具高透射率、窄带宽、强热响应率，适用于环境监测、工业安全、过程控制应用。

数据与材料可用性

本研究生成的所有数据均包含在已发表文章中。