선형 가변 광학 필터 및 열전퇴 감지기 어레이를 기반으로 한 혼합 가스 CH4/CO2/CO 감지

소개

가스 센서는 많은 산업 및 실제 응용 분야에서 수요가 많습니다. 이러한 많은 응용 분야에서 다양한 위치에서 최소한의 유지 관리로 장기간에 걸쳐 여러 가스를 동시에 모니터링해야 합니다[1]. 예를 들어 천연 가스는 다량의 메탄(CH₄ ) 및 소량의 다양한 탄화수소 가스(예:C_x 하_이 )이 주요 에너지원으로 떠올랐다. 그러나 천연 가스가 공개적으로 연소될 때 천연 가스의 사용은 인간의 건강과 환경에 대한 위험을 증가시키는 것으로 밝혀졌습니다. 그것은 다량의 수증기와 질소 산화물(N₂ O), 이산화탄소(CO₂ ), 심지어 천연 가스의 불완전 연소로 인한 일산화탄소(CO) 및 연기[2]. 천연가스에서 방출되는 일부 유독성 화학물질은 거주자에게만 유해한 것이 아니라 누출된 천연가스도 폭발을 일으킬 수 있습니다. 지난 수십 년 동안 천연 가스 및 그 연소 생성물에 대한 안전 모니터링에 대한 요구 사항이 지속적으로 증가하여 소형 혼합 가스 감지기에 대한 수요가 크게 증가했습니다[3]. 가스검지기의 소형화는 저소비전력화와 더불어 저비용·대규모 제조공정을 실현할 수 있다. 한편, 분석 기능이 저하되거나 다중 매개변수 측정의 유연성이 저하될 수도 있습니다.

화학 저항 가스 감지 재료(예:금속 산화물 반도체(MOS), 고분자, 탄소 나노튜브(CNT), 흡습 재료)를 기반으로 하는 가스 검지기는 크기가 작고 비용이 저렴하여 널리 개발 및 적용되고 있지만 각 검출기는 가스 농도에 대한 정성 정보로 한 가지 유형의 가스만 감지하기 때문에 만족스럽지 않습니다[4,5,6,7]. 게다가, 높은 작동 온도와 짧은 기간 후에 교정 및 재조정에 대한 요구 사항은 적용을 제한하고 유지 보수 비용을 증가시킵니다[7]. 이러한 이유로, 소형화된 혼합 가스 센서를 제조하기 위해 일부 가스 분석 기술이 개발되었습니다. 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 기반으로 하는 마이크로 가스 크로마토그래피(μGC)는 최근 수십 년 동안 상당한 발전을 이루었습니다[8]. μGC 시스템은 복잡한 가스 혼합물에 대한 정확한 분석을 제공할 수 있는 여러 MEMS 장치(예:인젝터, 분리 컬럼, 가스 검출기, 마이크로 밸브 및 마이크로 펌프)의 하이브리드 통합입니다[9, 10]. 그러나 현재까지 현장 분석을 위한 휴대용 μGC 기기는 아직 상업적으로 이용 가능하지 않습니다[8]. 광학 감지 기술은 가스 측정을 위한 또 다른 대안 솔루션입니다[11, 12]. 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광기는 IR 영역의 특정 스펙트럼 응답을 분석하여 혼합 가스를 측정할 수 있는 기기의 좋은 예입니다. 그러나 FTIR 분광기는 일반적으로 부피가 큰 기기로, 높은 비용과 휴대성 부족으로 인해 가스 모니터링에 적합하지 않습니다. MEMS 기반 스캐닝 미러(Michelson 간섭계)는 근적외선(NIR) 또는 중적외선(MIR) 대역에 걸쳐 연속적으로 변화하는 파장 세트를 제공할 수 있는 소형 FTIR 분광계를 위한 최근 부상한 솔루션입니다[13,14 ,15,16]. 그러나 빠른 응답 IR 레이저 및 검출기(예:냉각된 PbSe 또는 HgCdTe 광전도 검출기)를 사용하면 분광계의 비용과 시스템 크기가 증가합니다[15]. IR 흡수 스펙트럼 기술을 기반으로 하는 또 다른 효과적인 혼합 가스 측정 방법은 다중 IR 필터 채널을 사용하거나 회전하는 다중 필터 초퍼 시스템과 함께 단일 가스 채널을 사용하여 실현할 수 있는 비분산 적외선(NDIR) 가스 감지입니다[17] . 의심할 여지 없이 두 기술 모두 감지기 크기와 비용의 증가를 불가피하게 초래할 것입니다. 이러한 이유로 MEMS 기반 Fabry-Pérot(FP) 필터[18, 19], 광결정 필터[20, 21], 선형 가변 광학 필터(LVOF) [22, 23]

이 작업에서 소형화된 혼합 가스(예:CH₄ /CO₂ /CO) NDIR 가스 감지 메커니즘을 기반으로 하는 감지기는 MIR 선형 가변 광학 필터(LVOF) 및 MEMS 기반 비냉각 열전퇴 감지기 어레이를 사용하여 제작되었습니다. 마이크로 디바이스 및 통합 가스 감지기의 설계, 제작 및 특성이 각각 자세히 제시되었습니다. 이러한 마이크로 장치의 사용은 여러 개의 가스 검지기를 컴팩트하게 통합할 수 있으며, 이는 광원, 가스 셀 및 데이터 처리 요소를 사용하여 소형, 저비용 및 전력 소비에 상당한 이점이 있습니다. 전통적인 NDIR 가스 감지기.

설계 및 실험 방법

LVOF의 설계 및 제작

그림 1과 같이 LVOF는 테이퍼 캐비티, 테이퍼 캐비티의 양쪽에 각각 제작된 2개의 브래그 반사경 및 기판으로 구성된 F-P 유형 필터로 설계되었습니다. 캐비티와 상부 반사기는 LVOF의 길이를 따라 선형 가변 두께로 연속적으로 테이퍼되어 기판에 나란히 배치된 무한 수의 좁은 통과 대역 필터가 있는 F-P 유형 필터 어레이 구조가 됩니다. F-P형 필터의 선형 어레이에 MIR 빛이 입사되면 투과광은 각 F-P 캐비티의 너비와 LVOF 길이에 따른 공간적 위치에 따라 대역 통과 필터링됩니다[18]. 각 F-P 캐비티의 두께는 해당 필터 위치에서 투과된 빛의 파장을 결정합니다. 우리는 2.3~5.0 μm의 MIR 대역에 초점을 맞춰 대부분의 특징적인 가스 흡수 피크(예:CO₂ , CO, N₂ O 및 C_x 하_이 ) 실내 공기질 및 일반 산업 환경과 관련된 사항을 집중 관리합니다. 재료 선택은 목표 파장에서 높은 투과율을 달성하기 위한 광학 필터 설계에서 매우 중요합니다. 일반적으로 금속층을 이용한 반사막은 적외선 파장대역에서 높은 흡수율을 나타내므로 필터에서 최대 투과율의 15~30% 정도가 된다. 대조적으로, 다층 유전체를 사용하는 반사기는 필터에서 더 높은 피크 투과율(예:MIR 대역에서 60~70%)을 생성할 수 있습니다. 이 작업에서는 LVOF의 반사판을 제작하기 위해 전체 유전체 다층 구조를 고려합니다.

LVOF 구조의 작업 원리 개략도

테이퍼진 공동의 양면에 있는 반사기는 고굴절률 재료와 저굴절률 재료의 교대로 구성된 층으로 구성된 브래그 반사기로 설계되었습니다. 다층 구조와 높은 굴절률 대비는 브래그 반사경의 반사율을 효과적으로 증가시킬 수 있습니다. LVOF의 투과율(T )는 [22]로 계산할 수 있습니다.

와

그리고

여기서 R ₁ 및 R ₂ 는 각각 테이퍼 캐비티의 위쪽 및 아래쪽에서 Bragg 반사기의 반사율입니다. φ ₁ 및 φ ₂ 는 각각 위쪽 및 아래쪽 브래그 반사기에서 반사된 빛의 위상 변화입니다. δ 는 캐비티 층 d의 두께에 의해 유도된 빛의 위상 변화입니다. . 입사광이 기판에 수직(수직)이므로 δ 다음 방정식을 충족합니다.

여기서 n 는 캐비티층의 굴절률입니다. 다층 Bragg 반사경의 경우 다층 유전체 필름의 반사율과 위상 변화는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

여기서 N ₀ 는 입사 유전층의 굴절률, Y Y로 표현될 수 있는 다층 유전체 필름의 어드미턴스입니다. =C /나 . 매트릭스 방법에 의해 다층 유전체 필름의 특성 매트릭스는 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

여기서, η _j 및 δ _j j의 어드미턴스 및 위상 변화입니다. th 유전체 층, 각각. η _j =N _j 및 δ _j =2π N _j d _j /λ . 피크 파장(λ ₀ ) 최대 투과율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

m =k + (φ ₁ + φ ₂ )/2π. 식에서 (10), 피크 파장은 캐비티의 두께에 대한 선형 의존성임을 알 수 있습니다.

이 연구에서 Si 및 SiO₂ 고굴절률 재료와 저굴절률 재료로 선택되었으며, SiO₂ 테이퍼 캐비티를 제작하는 데 사용되었습니다. Si는 기판 재료로 사용되었습니다. 이러한 재료는 MIR 대역에서 투명하며 제조 공정에서 MEMS와 호환됩니다. Si 및 SiO₂의 굴절률 2.3~5.0 μm의 파장 범위에서 각각 3.43 및 1.42입니다. LVOF의 레이어 구성은 Si/(LH ) ⁿ (xL )(HL ) ⁿ 안 /Air, 여기서 H 그리고 L 각각 고굴절률 및 저굴절률 층을 나타냅니다. n LH의 숫자입니다. 쌍 및 x 는 캐비티 두께의 변화 요인입니다. 반사판의 가장 바깥쪽 층이 Si 재료의 고굴절률을 사용할 때 반사판은 최대 반사율을 얻습니다.

식을 기반으로 합니다. (6, 7, 8), Bragg 반사체의 반사율은 MATLAB® 소프트웨어를 사용하여 계산할 수 있습니다. Si/SiO₂의 최적 설계 두께 층은 표 1에서 참조할 수 있습니다. 그림 2는 2쌍 및 4쌍의 Si/SiO2를 사용한 Bragg 반사기의 시뮬레이션된 반사율을 비교한 것입니다. 레이어. 4 pair 구조는 2 pair 구조에 비해 반사율이 약간 더 높고 반사 대역의 컷오프 에지가 더 날카로운 것을 알 수 있으며, 4 pair 구조도 2 pair 구조보다 대역 외 전송 차수를 더 많이 나타냄을 알 수 있습니다. 그림 2에서 2쌍의 Si/SiO₂를 사용한 Bragg 반사경 층은 2.3~5 μm의 MIR 대역을 커버할 수 있는 더 넓은 반사 대역을 가지고 있습니다.

2쌍 및 4쌍의 Si/SiO₂가 있는 Bragg 반사기의 시뮬레이션된 반사 스펙트럼 비교 레이어

LVOF의 대역 외 전송 차수의 영향을 제거하기 위해 일반적으로 대역 외 차단 필터를 사용하여 LVOF의 다른 대역 외 전송 차수를 거부합니다. 참고문헌 [22]와 같이 다층 Si/SiO₂를 이용한 대역외 차단 필터 구조는 테이퍼 브래그 반사경 위에 배치되었습니다. 이 연구에서 우리는 반사 방지 기능과 대역 외 제거 기능을 하나로 달성하기 위해 Si 기판의 뒷면에 전체 유전체 다층 구조를 설계했습니다. 높은 적외선 투명도와 우수한 기계적 강도에 대한 요구 사항을 고려하여 반사 방지 필름을 제조하기 위해 Ge/SiO2 다층 구조를 선택했습니다. Ge는 4.2의 높은 굴절률과 1.7~23 μm의 IR 대역에서 높은 투과율을 갖는 반면 SiO는 1.9의 낮은 굴절률과 0.4~9 μm의 IR 대역에서 높은 투과율을 나타냅니다. 그림 3은 대역 외 차단 및 반사 방지 기능을 모두 갖춘 Ge/SiO 다층 구조의 시뮬레이션된 투과율 스펙트럼을 보여줍니다. Ge/SiO2 다층의 각 층의 두께도 표 1에서 참조됨을 알 수 있습니다. 단파장 영역에서 LVOF의 전송 차수를 효과적으로 억제합니다. 동시에, Si를 입사 매질로 사용하면 다층 구조도 2.5~5 μm에서 완벽한 반사 방지 밴드를 나타내며 평균 투과율은 0.95 이상입니다.

1.6~2.5 μm의 대역 외 제거 기능과 2.5~5 μm의 반사 방지 기능을 모두 갖춘 Ge/SiO 다층 구조의 시뮬레이션된 투과 스펙트럼

대상 가스의 흡수 피크에 따라 SiO₂의 두께 캐비티는 843에서 1908 nm까지 선형적으로 변화하도록 설계되었으며, 2.55에서 4.80 nm까지의 중심 파장에 해당하는 12개의 필터 채널이 특별히 설계되었습니다. 그림 4는 Ge/SiO 다층 구조가 있거나 없는 LVOF의 시뮬레이션된 투과 스펙트럼을 비교한 것입니다. 그림 4에서 Ge/SiO2 다층 구조의 LVOF는 Ge/SiO2 다층 구조가 없는 경우보다 각 투과 피크에서 더 좁은 FWHM(full-width-at-half-maximum)을 나타냄을 알 수 있습니다. 설계된 λ 피크의 투과율 감소와는 별도로 _p =2.55 μm 및 λ _p =4.8 μm, 다른 모든 피크의 투과율은 Ge/SiO 다층 구조를 사용할 때 분명히 향상됩니다. 또한, 4.60 μm 및 4.80 μm의 두 피크 모두 단파장 영역에서 해당하는 공통 모드(예:λ _4.6 =2.36 μm 및 λ _4.8 =2.5 μm(그림 4(a) 참조), 다른 k를 사용할 때 식(10)으로 설명 가능 동일한 두께의 F-P 캐비티에서 값. 그림 4(b)와 같이 단파장 영역의 차단 대역 설계로 인해 2.36 μm의 피크가 현저히 약해졌습니다.

(a가 없는 LVOF의 시뮬레이션된 투과 스펙트럼 비교 ) 및 (b 포함 ) Ge/SiO2 다층 구조

그림 5a는 LVOF의 제조 공정 흐름을 보여줍니다. LVOF의 제조 매개변수는 표 1에 제시된 최적 설계 매개변수를 따릅니다. 먼저 Ge/SiO 다층 구조가 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 증착되었습니다(그림 5a-1 참조). 다음으로 Si/SiO₂ 다층 구조가 실리콘 웨이퍼의 전면에 증착되어 Bragg 반사기 1을 형성한 다음 SiO₂ 캐비티 층이 Bragg 반사기 1에 증착되었습니다(그림 5a-2 참조). 세 번째 단계는 캐비티 층에 포토레지스트를 균일하게 스핀 코팅한 다음 LVOF 길이를 따라 UV 투과 강도가 낮음(어두움)에서 높음(밝음)으로 선형 변화하는 특수 그레이 스케일 포토마스크를 사용하여 포토레지스트를 노출시키는 것이었습니다. (그림 5a-3 참조). 이러한 특수 포토마스크는 LVOF의 길이를 따라 선형 변화를 갖도록 레지스트의 가교 두께를 만들 수 있습니다. 네 번째 단계는 포토레지스트를 현상하여 쐐기형 구조를 형성한 다음 핫 리플로우 공정을 사용하여 쐐기형 구조의 표면을 매끄럽게 하는 것이었습니다(그림 5a-4 참조). 다음으로, 테이퍼된 포토레지스트 구조는 밑에 있는 SiO₂로 옮겨졌습니다. 건식 에칭에 의한 캐비티 층(그림 5a-5 참조). 마지막으로, Si/SiO₂가 있는 Bragg 반사경 2 다층은 테이퍼진 공동층에 증착되었습니다(그림 5a-6 참조). 그림 5b는 실제 LVOF와 패키지 구조의 사진을 보여줍니다.

아 MEMS 기반 제조 공정 흐름. b 실제 LVOF 및 패키지 구조 사진

IR 써모파일 감지기의 설계 및 제작

열전퇴 감지기는 IR 가스 감지 적용에 몇 가지 장점이 있습니다. 첫째, 전원이 필요없어 전원에 대한 노이즈 전압을 차단한다. 둘째, 써모파일 검출기에 흐르는 전류가 매우 작기 때문에 구동전류에 의한 저주파 노이즈(1/f 노이즈)도 무시할 수 있다. 마지막으로 열전퇴 감지기는 초퍼 없이 적외선 DC 및 AC 복사를 감지하는 데 사용할 수 있습니다[24]. 대조적으로, 초전 IR 감지기는 열전퇴 감지기보다 더 높은 응답성과 신호 대 잡음비(SNR)를 갖지만 입사 방사선을 감지하기 위해 초퍼가 필요합니다. 이로 인해 감지기 크기가 증가하고 적용 비용이 증가합니다. 따라서 열전퇴 감지기는 저비용 및 소형화 가스 감지기의 적용에 더 적합합니다.

이 작업에서 열전퇴 감지기는 여러 쌍의 열전대 요소를 직렬로 연결하여 컴팩트한 구조를 형성하여 증폭된 Seebeck 전압을 생성하도록 설계되었습니다. 열전퇴 칩의 크기는 1.1 mm(길이) × 1.1 mm(너비)로 설계되었으며 활성 크기는 0.35 mm × 0.35 mm입니다. 그림 6a는 MEMS 기반 열전퇴 감지기의 제조 공정 흐름을 보여줍니다. 첫째, 열산화 기술을 사용하여 SiO₂를 생성했습니다. 실리콘 웨이퍼에 0.6 μm 두께의 층(그림 6a-1 참조)을 만든 다음 0.5 μm 두께의 폴리실리콘(poly-Si)을 SiO2 위에 증착합니다. 층(그림 6a-2 참조). 다음으로, 폴리실리콘은 리소그래피 및 RIE 기술에 의해 열전대 빔을 형성하도록 구조화되었습니다(그림 6a-3 참조). 위의 단계에 따라 붕소는 45 keV 및 5.5 × 10 ¹⁵ 로 주입되었습니다. cm ⁻² p를 깨닫다 -type poly-Si 및 인은 40 keV 및 7 × 10 ¹⁵ 로 주입되었습니다. cm ⁻² n을(를) 깨닫다 -type poly-Si(그림 6a-4 및 -5 참조), 그리고 post-annealing(그림 6a-6 참조)이 1000°C에서 30분 동안 수행되었습니다. 다음 단계에서는 열전대와 본딩 패드(그림 6a-7 및 -8 참조)의 전기적 연결을 정의하기 위해 소자층 상단에 알루미늄(Al) 필름을 증착하고 패터닝한 다음 400°C에서 금속화 어닐링 공정을 수행합니다. 도핑된 poly-Si와 Al 사이의 옴 접촉을 실현하기 위해 30분 동안 수행되었습니다(그림 6a-9 참조). 마지막으로 활성 멤브레인은 실리콘 웨이퍼 후면에서 DIRE를 사용하여 실리콘 식각 공정을 사용하여 형성되었습니다(그림 6a-10, -11 및 -12 참조). 그림 6b는 MEMS 기반 써모파일 칩을 소켓에 패키징한 사진이고, 그림 6c는 써모파일 칩을 확대한 사진이다.

아 MEMS 기반 열전퇴 감지기의 제조 공정 흐름. ㄴ 소켓에 포장된 MEMS 기반 열전퇴 칩의 사진. ㄷ 열전퇴 칩 확대도

소형 혼합 가스 감지기의 설계 및 제작

그림 7a는 혼합 가스 감지기의 작동 원리에 대한 개략도를 보여줍니다. 혼합 가스 감지기는 IR 소스, 시준기, 가스 셀 및 통합 LVOF 기반 분광기로 구성됩니다. IR 광원에서 방출된 IR 빛은 콜리메이터에 의해 정렬되어 LVOF에 입사되었습니다. 결과적으로 연속 IR 스펙트럼은 선형 변화의 피크 파장을 갖는 각 필터 채널에 개별적으로 대응하는 다중 개별 협대역 통과 스펙트럼으로 변환되었습니다. 열전퇴 감지기의 선형 어레이는 LVOF 아래에 배치되어 다른 필터 채널에서 입사광 에너지를 전기 신호로 전달합니다. LVOF와 열전퇴 검출기 어레이의 콤팩트한 통합으로 소형화된 LVOF 기반 분광기가 만들어집니다. 소형화된 혼합가스 검지기는 기존의 NDIR 가스에 비해 광원, 가스 셀, 데이터 처리 소자를 사용하여 다중 가스 검지기의 전체 크기를 줄이는 것은 물론 제조 비용 및 전력 소비를 줄이는 데 상당한 이점이 있습니다. 탐지기.

아 소형 혼합 가스 감지기의 작동 원리 개략도. ㄴ 소형화된 LVOF 기반 분광기의 사진. ㄷ 소켓에 포장된 열전퇴 칩 어레이

그림 7 b와 c는 각각 소켓에 패키징된 소형화된 LVOF 기반 분광기 및 열전퇴 칩 어레이의 사진을 보여줍니다. 총 12개의 열전퇴 칩이 선형 어레이로 통합되어 LVOF 창이 있는 소켓에 나란히 설치되었습니다. 이러한 설계는 2.3~5.0 μm의 IR 파장에서 작동하며 16 mm에 대해 ~156 nm/mm의 우수한 선형 의존성을 보입니다. 가스 혼합물의 각 가스 농도는 스위치 어레이를 제어하여 각 열전퇴 칩에서 데이터를 읽고 처리함으로써 개별적으로 감지할 수 있습니다.

결과 및 토론

제작된 LVOF의 광학적 응답을 측정하려면 필터 채널의 모든 위치 지점에서 길이 방향을 통해 LVOF를 스캔해야 합니다. 상용 FTIR 분광기를 사용하여 LVOF의 투과 스펙트럼을 얻기 위해 마이크로 스폿 테스트 방법을 사용했습니다. LVOF를 샘플 고정 장치에 놓고 광학 조리개가 350 μm인 슬릿 플레이트를 통과하여 이동했습니다. 샘플링 지점은 LVOF 길이를 따라 1.25 mm의 시작 위치에서 1.1 mm(열전퇴 감지기의 너비) 간격으로 취했습니다. 총 12개의 샘플링 지점이 측정되어 2.3~5.0 μm의 MIR 파장 범위를 포함합니다. 각 스펙트럼에 대해 50회의 스캔을 평균하여 SNR을 높였습니다. 그림 8은 LVOF의 스펙트럼 응답을 보여줍니다. 투과 피크의 파장은 테스트 위치의 변화에 ​​따른 선형 변화를 따른다는 것을 알 수 있습니다. LVOF의 평균 FWHM은 ~ 400 nm이고 피크의 평균 투과율은 ≤ 0.5%의 차단 투과율로 ~ 70%에 가깝습니다.

<그림>

LVOF의 측정된 스펙트럼 응답

열전퇴 감지기의 스펙트럼 응답은 그림 9a와 같이 LVOF와 동일한 측정 방법 및 설정을 사용하여 측정되었습니다. 활성 멤브레인(그림 9a의 삽입 참조)은 2.5~15 μm에서 매우 낮은 투과율(≤ 1.0%)을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 이는 이 파장대역의 IR 에너지가 완전히 흡수되어 다량 도핑된 폴리실리콘에 의해 열에너지로 전환될 수 있음을 의미합니다. 열전퇴 감지기는 IR 소스, 전압계, 초퍼 및 항온 챔버로 구성된 측정 설정을 통해 특성화되었습니다(그림 9b 삽입 참조). 표준 흑체를 IR 소스로 사용하여 검출기를 보정하며 흑체의 온도는 측정 요구 사항에 따라 정확하게 제어할 수 있습니다. 그림 9b는 서로 다른 주변 온도에서 열전퇴 감지기의 열-전기 특성을 보여줍니다. 열전퇴 감지기는 146 μV/°C(T _흑체 =100 °C) 실온 조건에서.

<그림>

아 열전퇴 감지기의 스펙트럼 응답. 삽입된 것은 (i) 열전퇴 칩의 전면 및 (ii) 후면의 광학 현미경 사진입니다. ㄴ 서로 다른 주변 온도에서 열전퇴 감지기의 열전 특성. 삽입은 측정 설정의 개략도입니다.

혼합가스검지기의 가스분석능력을 검증하기 위하여 측정가스로 강하고 넓은 흡수피크를 갖는 표준가스를 선정하였다. 실험에 사용된 가스의 특성 흡수 피크는 CH₄입니다. // 3.3 μm, CO₂ /~ 4.3 μm 및 CO/~ 4.6 μm, 각각. 농도가 다른 단일 가스와 혼합 비율이 다른 혼합 가스를 각각 측정했습니다. 가스 하우징으로 들어오고 나가는 가스 흐름은 질량 유량계를 통해 제어되었으며 일부 상업용 표준 가스 감지기를 사용하여 가스 농도를 보정했습니다.

그림 10은 3가지 종류의 가스와 농도가 다른 혼합물의 스펙트럼 응답을 보여줍니다. IR 강화 흡수는 5번째(그림 10(a) 참조), 11번째(그림 10(b) 참조) 및 10번째(그림 10(c) 참조) 필터 채널에서 발견되며, 이는 의 특성 흡수 피크에 해당합니다. 채널₄ , CO 및 CO₂ , 각각. 그림 10(e)는 가스 농도에 대한 출력 전압의 의존성을 보여줍니다. CH₄의 실험 데이터에 대한 최적의 선형 피팅을 통해 , CO₂ , 및 CO, 피팅 방정식을 얻었다. 결정 계수(R ² 일반적으로 적합도로 사용되는 )은 CH₄에 대해 0.968, 0.991 및 0.969에 도달합니다. , CO₂ , 및 CO, 각각. 출력전압은 가스 농도의 변화에 ​​따라 선형적으로 변화함을 알 수 있다. CH₄에 대한 감도가 측정되었습니다. , CO₂ , 및 CO는 각각 -0.090 μV/ppm, -0.096 μV/ppm 및 -0.123 μV/ppm입니다. 현재 구조 및 장치 매개 변수에 따르면 가스 감지 범위는 약 50~3000 ppm입니다. 다음으로 CH₄ 농도에 따른 혼합가스 /800 ppm, CO₂ /500 ppm, CO/800 ppm이 측정되었습니다. 출력 전압을 2.55 μm의 중심 파장에서 필터 채널의 기준 전압으로 정규화하여 CH₄의 서명에 해당하는 3개의 명백한 스펙트럼 흡수 열 , CO₂ , 및 CO는 스펙트럼 응답의 히스토그램에서 발견되며(그림 5d 참조), 이는 혼합 가스 감지의 적용 가능성을 검증합니다. 가스 셀의 현재 설계 구조에서 짧은 광 경로 길이와 낮은 어레이 픽셀은 측정할 수 있는 가스의 수뿐만 아니라 가스 감지의 최소 농도를 제한합니다. 한편, 흡수 피크에서 미세 구조를 가진 일부 가스도 식별할 수 없습니다.

<사진>

CH₄의 스펙트럼 응답 (아 ), CO(b ), CO₂ (ㄷ ) 다른 농도에서; CH₄에 기반한 혼합 가스의 스펙트럼 응답 히스토그램 /800 ppm, CO₂ /500 ppm 및 CO/800 ppm(d ); 가스 농도에 대한 출력 전압의 선형 의존성(e )

결론

결론적으로 MIR LVOF 및 MEMS 기반 적외선 열전퇴 감지기의 설계, 제작 및 특성화가 각각 제시되었습니다. LVOF는 F-P 유형 공진기의 선형 어레이로 설계되어 MIR 연속 스펙트럼을 선형 변화의 피크 파장을 가진 각 필터 채널에 개별적으로 대응하는 다중 협대역 통과 스펙트럼으로 변환합니다. A Si/SiO₂ 다층 구조는 SiO₂의 양면에 Bragg 반사기를 제작하는 데 사용되었습니다. 테이퍼 캐비티 및 Si 기판 후면의 Ge/SiO 다층 구조는 반사 방지 및 대역 외 제거 기능을 모두 달성하는 데 사용되었습니다. MEMS 기반 열전퇴 감지기는 여러 쌍의 p를 연결하여 증폭된 Seebeck 전압을 생성하도록 설계 및 제작되었습니다. - 및 n - 폴리-Si/Al 열전대 소자를 직렬로 연결하여 조밀한 구조를 형성합니다. The LVOF was installed above a linear array of MEMS-based thermopile detectors to form a miniaturized MIR spectrometer, which can be used to detect mixed gases and was experimentally verified by the quantification and identification of CH₄ /CO₂ /CO mixed gases.

데이터 및 자료의 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사에 포함됩니다.

약어

LVOF:

Linear variable optical filter

NDIR:

Non-dispersive infrared

F-P:

Fabry-Pérot

NIR:

Near-IR

MIR:

Middle-IR

FTIR:

푸리에 변환 적외선

GC:

Gas chromatography

MEMS:

Micro-Electro Mechanical Systems

MOSs:

Metal-oxide semiconductors

CNT:

탄소 나노튜브

N₂ O:

Nitrogen oxides

CO₂ :

Carbon dioxide

CO:

Carbon monoxide

CH₄ :

메탄

FWHM:

Full-width-at-half-maximum

SNR:

신호 대 잡음비

광촉매 수소 생성을 개선하기 위한 효율적인 전하 이동을 갖는 Au/CdSe Janus 나노입자 합성 처프형 초격자 전자 감속층이 있는 AlGaN 기반 심자외선 발광 다이오드의 향상된 성능