ppb级高精度红外气体检测技术

红外吸收光谱技术基于捕获物质的红外“指纹”来获得物质成分和含量信息，其核心是红外光谱器件和高效紧凑红外光学系统,主要的应用之一是针对气体的传感检测,如有毒有害气体、温室效应气体以及呼吸气体成分和浓度的检测等。相比传统的单气体成分的检测,同时检测多种气体是降低检测成本的有效途径;相比针对未知气体采用实验室傅里叶红外光谱仪的检测，可以现场检测的微小型化红外光谱仪具有更实用且成本更低的优势。另外, 越来越多的场景需要探测精度达到ppb 或亚ppm 精度的高精度气体检测,如有毒有害痕量气体、呼吸气体肺癌早期诊断、果蔬存储中具有催熟剂作用的微量乙烯气体释放的检测等。

现有红外气体传感技术中，基于激光光源的气体传感器虽然易于达到ppb级的高精度检测，但是激光传感器成本昂贵，而低成本的基于热光源的红外气体传感器虽然成本较低，但是却存在精度低的问题。

为了解决上述的精度和成本痛点问题，本成果掌握了高功率热红外光源、可级联长光程气体吸收池、多通道红外探测器和可调谐红外探测器以及多通道微弱信号数字锁相放大检测等技术，开发一系列探测精度到100ppb 以下的多通道红外气体传感器和演示模组，以及基于可调滤波器的小型化红外光谱仪，展示了集成多组分气体检测和现场未知气体成分的光谱仪检测能力，具有高精度和低成本优势，以及小体积和低功耗特点。

（１）高功率热红外光源：MEMS 热光源芯片阵列与微光学准直阵列集成，实现低发散角的高功率红外源。为实现高精度探测所需要的长光程气体吸收池提供足够的红外光能量。

（２）可级联长光程气体吸收池：高精度气体检测需要米级长光程池。现有长光程气体池主要有怀特池、Herriott 型、Chernin 型以及环形吸收池，配合低发散角的激光光源。但是这些吸收池结构复杂，装配难度高，成本高。自主提出的可级联气体池结构简单，光学效率高，且中心对称，加工和装配成本低。

（３）多通道红外探测器：不同敏感波长的红外探测单元集成在同一衬底上，构成多通道器件，可共用一个气体池和光源，节省器件，降低了成本，同时节省了体积和功耗。

（４）可调谐滤波器：采用电调FP 腔和单探测器可以动态选择透射波长进行探测。具有在一定波段内连续扫描实现红外光谱仪的功能，也可以随机定位某个特定波长探测，灵活性强。除了用于已知气体成分的浓度检测，还可用于对含有未知气体种类的应用场景进行气体检测。另外，大口径的压电驱动可调滤波器可用于电力开关柜SF6气体泄露、天然气管道气体泄露以及农作物长势和病虫害监测等场合的红外光谱成像检测。

（５）微小型红外光谱仪：红外光谱仪是在一个较宽的红外波段进行扫描以获取物质的光谱信息，借此探知物质的未知成分。传统的红外光谱仪体积大，主要在实验室使用。本技术采用FP 腔可调滤波器具有体积小结构稳定的特点，易于实现现场检测。

图1 四通道滤波聚焦单元、光学/探测器集成结构以及红外光谱探测器

图2  长光程气体池（平均光程>1米）

图3 可调光谱探测器-PZT压电陶瓷驱动FP腔可调滤波器及可调光谱

图4 红外气体传感器模组

【技术优势】

（1）基于表面微纳结构的窄带滤光片/微透镜阵列技术：实现覆盖中波和长波红外的宽波段滤光/聚焦结构，具有低成本制造优势。

（2）多通道红外探测器集成芯片技术：多通道滤波/聚焦阵列结构与红外探测单元阵列集成，实现多波长光谱探测芯片，具有低成本和小体积优势。

（3）可级联长光程池技术：适合热光源的米级光程气体吸收，实现低成本ppb 级红外气体探测。相比高精度的激光气体传感器，具有成本优势。