CN111879718A - 一种集成型多组分红外气体探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成型多组分红外气体探测器，包括自上而下设置的光学芯片与红外探测器芯片，光学芯片下表面包括至少三个聚焦光学单元，每个聚焦光学单元为一个超表面透镜；红外探测器芯片包括至少三个红外探测单元，其中一个作为参考单元，且红外探测单元与聚焦光学单元一一对应；红外探测器芯片的探测波长覆盖中波红外与长波红外。本发明目的在于通过在红外探测器芯片上方设置带有聚焦光学单元的光学芯片，以解决现有技术的红外气体探测***在对多组分气体进行高灵敏探测时探测灵敏度不足、***体积大与集成度低的问题。
Description
技术领域
本发明属于气体传感技术领域，更具体地，涉及一种集成型多组分红外气体探测器。
背景技术
随着红外光谱气体检测技术在食品检测、果蔬储运、生物化工等领域内的应用越来越广泛，人们对红外气体探测器的需求也日新月异，同时对多种气体进行高灵敏的探测也具有强烈的需求。传统的多组分红外气体探测器往往是通过把封装好的单组分探测器进行简单的组合，所占体积大，光路的设计也难以紧凑。目前采用FP腔可调滤波器可以在只使用单个宽谱探测器的情况下，实现对多波段或多组分气体的探测，如文献(Shangzhi Li,et.al.,Simultaneous multi-gas detection between 3 and 4μm based on a 2.5-mmultipass cell and a tunable Fabry-Pérot fifilter detector,SpectrochimicaActa Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2019,216:154–160)所述技术。其优势是可以在一定光谱范围内连续选调所需波长，但是采用FP腔滤波器存在可调范围有限的问题，难以同时兼顾吸收波长分别在中波和长波红外波段的多组分气体探测。并且，FP腔可调滤波器的成本较高，其使用受到了很大的限制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集成型多组分红外气体探测器，其目的在于通过在红外探测器芯片上方设置带有聚焦光学单元的光学芯片，以解决现有技术的红外气体探测***在对多组分气体进行高灵敏探测时探测灵敏度低、体积大与集成度低的问题。
按照本发明的一方面，提供了一种集成型多组分红外气体探测器，包括自上而下设置的光学芯片与红外探测器芯片，所述光学芯片下表面包括至少三个聚焦光学单元，每个所述聚焦光学单元为一个超表面透镜；所述红外探测器芯片包括至少三个红外探测单元，其中一个作为参考单元，且所述红外探测单元与所述聚焦光学单元一一对应；所述红外探测器芯片的探测波长覆盖中波红外与长波红外。
优选地，每个所述超表面透镜包括多个高度相同的圆柱形单元，所述圆柱形单元高度满足h≥λmax/(ns-ni)，其中，λmax为最大的红外探测波长，ns和ni分别为所述圆柱形单元的介质折射率和环境材料折射率。
优选地，所述光学芯片上表面包括至少三个滤波光学单元，所述滤波光学单元与所述聚焦光学单元一一对应，每个所述滤波光学单元为金属孔洞阵列结构。
优选地，相邻所述聚焦光学单元之间无缝隙。
优选地，所述滤波光学单元的材料为银，所述金属孔洞阵列结构包括多个金属孔洞，所述金属孔洞的周期范围为3～12μm，金属孔洞直径与周期之比为20～35％，厚度的范围为0.6～1.5μm。
优选地，述光学芯片与所述红外探测器芯片之间设置有衬垫芯片，以提供光学芯片与红外探测器芯片之间的特定距离。
优选地，述衬垫芯片内部中空或中间设置有圆孔。
优选地，所述红外探测器芯片的探测波长包括3.5μm、9.7μm和10.6μm。
优选地，所述红外探测单元包括微测辐射热探测器、热电堆探测器、热释电探测器中的任意一种或多种。
优选地，所述红外探测单元呈扇形分布；或呈3X3矩阵分布，其中中间的红外探测单元作为参考单元。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)由于本发明提出的红外气体探测器包括光学芯片，光学芯片表面包括聚焦光学单元，且红外探测器芯片的探测波长覆盖中波红外与长波红外，因此能够实现至少两种气体的有效探测。并且，该探测器集成度高，能够有效减小气体传感***的体积和制造成本。
(2)由于本发明的提出的红外气体探测器相邻聚焦光学单元之间无缝隙，使得光学芯片拥有比红外探测器芯片更大的面积和更高的填充因子，收集红外辐射的能力更强，可以成倍地提高探测单元接收到电磁波的能量密度，进而提高探测响应率和灵敏度。
附图说明
图1是本发明一种三层结构四通道的集成型多组分红外气体探测器实施例的垂直截面图；
图2是衬垫芯片的表面结构示意图；
图3是红外探测器芯片的表面结构示意图。
图4是光学芯片的上表面结构示意图；
图5是光学芯片上由金属孔洞阵列结构组成的滤波光学单元的结构示意图；
图6是滤波光学单元的红外透射图谱；其中，图6(a)为中波红外透射图谱，图6(b)为长波红外透射图谱；
图7是光学芯片的下表面结构示意图；
图8是超表面透镜阵列中一个超表面透镜的截面示意图和组成超表面透镜的单个圆柱形单元的结构示意图；
图9是四通道超表面透镜阵列的焦点处的场强分布；
具体实施例
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
作为一种实施例，本发明提出一种集成型多组分红外气体探测器，包括自上而下设置的光学芯片与红外探测器芯片，光学芯片下表面包括至少三个聚焦光学单元，每个聚焦光学单元为一个超表面透镜，可以对滤波后的红外电磁辐射进行聚焦，这些聚焦光学单元在同一衬底上制作，共同构成超表面透镜阵列；红外探测器芯片包括至少三个红外探测单元，其中一个作为参考单元，且红外探测单元与聚焦光学单元一一对应；红外探测器芯片的探测波长覆盖中波红外与长波红外。该结构的红外气体探测器能够实现至少两种气体的有效探测。并且，该探测器集成度高，能够有效减小气体传感***的体积和制造成本。
作为另一实施例，每个超表面透镜包括多个高度相同的圆柱形单元，圆柱形单元高度满足h≥λmax/(ns-ni)，其中，λmax为最大的红外探测波长，ns和ni分别为圆柱形单元的介质折射率和环境材料折射率。通过超表面透镜阵列，可以同时收集吸收波长分别在中波和长波红外波段的多组分气体对应的红外辐射能量到各自的探测器单元。因可以采用一次光刻和一次刻蚀制作，故透镜阵列的制造成本低，所在的光学芯片轻薄。
作为另一实施例，光学芯片上表面包括至少三个滤波光学单元，可以对中波和长波红外电磁辐射进行滤波，滤波光学单元与聚焦光学单元一一对应，每个滤波光学单元为金属孔洞阵列结构。
作为另一实施例，相邻所述聚焦光学单元之间无缝隙，使得光学芯片拥有比红外探测器芯片更大的面积和更高的填充因子，收集红外辐射的能力更强，可以成倍地提高探测单元接收到电磁波的能量密度，进而提高探测响应率和灵敏度。
作为另一实施例，滤波光学单元的材料为银，滤波光学单元的材料为银，金属孔洞阵列结构包括多个金属孔洞，金属孔洞的周期范围为3～12μm，金属孔洞直径与周期之比为20～35％，厚度h的范围为0.6～1.5μm，在此参数范围下具有比较高的透过率。
作为另一实施例，光学芯片与红外探测器芯片之间设置有衬垫芯片，以提供光学芯片与红外探测器芯片之间的特定距离。
作为另一实施例，衬垫芯片内部中空或中间设置有圆孔，能够为探测器芯片上的探测单元与其他芯片之间提供必要的热隔离；当中间是圆孔时，还可以为光学芯片提供焦距与光路开窗。
作为另一实施例，多组分气体包括乙醇、氨气、乙烯，对应的红外探测器芯片的探测波长分别为3.5μm、9.7μm和10.6μm。
作为另一实施例，红外探测单元包括微测辐射热探测器、热电堆探测器、热释电探测器中的任意一种或多种，它们都具有覆盖中波至长波红外(3-12μm)的宽谱响应能力。
作为本发明提供的一种较佳实施例，如图1所示，一种三层结构四通道的集成型多组分红外气体探测器实施例的垂直截面图，包括自上而下设置的光学芯片100、衬垫芯片200、红外探测器芯片300。光学芯片100包括上表面的四个滤波光学单元101，下表面的四个聚焦光学单元102，光学芯片100的作用是将入射宽谱电磁波过滤出四通道对应波长的电磁波并进行聚焦以提高入射辐射的能量密度。四通道光学芯片对应于三组分气体的吸收波长(乙醇3.5μm、氨气9.7μm与乙烯10.6μm气体)和一种参考波长3.9μm。光学芯片100采用硅、锗和氟化钙等中长波红外透明材料。衬垫芯片200的表面结构如图2所示，在衬垫芯片200上设置有中心圆孔201，为光学芯片100提供焦距与光路开窗，且为光学芯片100和红外探测器芯片300之间提供必要的热隔离。红外探测器芯片300包括四个红外探测单元301，如图3所示，其中一个作为参考单元，且红外探测单元301与聚焦光学单元102一一对应；红外探测器芯片300的探测波长覆盖中波红外与长波红外。红外探测单元301另外还包括读出电路302与焊盘303，每个红外探测单元301能够接收对应通道的入射电磁波，并进行探测与光电转换，光电转换后的电信号经读出电路302与焊盘303被引出至相关电路测试***，进行后续信号处理。在制作时需分别制作光学芯片100、衬垫芯片200与红外探测器芯片300，而后利用键合胶400或其他结合结构将三片芯片进行键合以制作整体器件。
进一步地，本发明提供了光学芯片100的具体实施方案，光学芯片100上表面的滤波光学单元101结构如图4所示，滤波光学单元101为金属孔洞阵列结构，如图5所示，本实施例的滤波光学单元101采用金属孔洞型表面等离子体滤波原理。硅衬底的光学芯片100上表面上沉积一层金属银膜，银膜上设计有周期性排列的金属孔洞阵列结构。其工作其原理为：电磁波垂直入射至周期性金属孔洞阵列结构时，表面等离子体波会在银膜的上表面产生，而后由于孔洞的耦合作用传输至银膜下表面，以此实现对特定波段电磁波的滤波。图5中金属孔洞阵列结构中的金属孔洞有三个结构参数：r为孔洞的半径，P为孔洞的周期，h为银膜的厚度。通过调节金属孔洞的上述三个结构参数，便可有效操纵表面等离子体的共振特性，进而实现对乙醇3.5μm、氨气9.7μm、乙烯10.6μm及3.9μm四个通道波长电磁波的有效滤波。表面等离子体波的波长可以根据如下公式进行计算：
其中，i、j为电磁波模阶次，εm、εd分别为金属银膜和硅衬底的介电常数，可以看出金属孔洞结构所产生表面等离子体波的波长除了与银膜和衬底的介电常数有关以外，主要与金属孔洞的周期P有关。金属孔洞的半径r及银膜厚度h还会影响透射峰的强度和带宽。经过权衡，确定一种较优的参数，如银膜的厚度为1.1μm，2个中波和2个长波红外透射波长所对应的周期p和孔洞直径r组合分别为(3.44μm，0.1μm)、(3.84μm，1.0μm)、(9.66μm，2.2μm)、(10.56μm，2.4μm)。在这些参数下，4个探测波长上均具有比较高的透过率，其红外透射谱如图6所示。为了能够同时获得较高透过率，该金属孔洞阵列结构的结构参数范围如下：周期与探测波长接近(偏差小于0.15μm)，金属孔洞的占空比(即孔洞直径与周期之比)为：中波红外25％～35％，长波红外20％～30％；金属薄膜厚度0.6～1.5μm。
进一步地，光学芯片100下表面的聚焦光学单元102结构如图7所示，光学芯片100下表面的聚焦光学单元102与上表面的滤波光学单元101一一对应，起到将滤波的红外辐射进行聚焦的作用。聚焦光学单元102为一个超表面透镜，它包含多个高度相同的圆柱形单元。超表面微透镜的截面和单个圆柱形单元的结构示意图如图8所示，所有圆柱形单元均采用相同的高折射率介质材料和结构形式，区别在于圆柱形单元的半径和结构周期不同。
每个圆柱形单元都可视为一个品质因子较低的共振结构，可以被看成是一个截断波导。圆柱形单元的高度(即超表面透镜的高度)为h，半径为r，结构周期为P。研究发现，改变半径r能够实现对不同波长电磁波的有效操控，并且周期P可以有效调节圆柱形单元的共振特性。在合适的结构参数下，可以获得具有等表面高度的超表面透镜阵列。圆柱形单元被用来作为构建多通道超表面透镜阵列的微结构单元，其出射电磁波相位可表述为
其中
为电磁波的初始相位，h为圆柱形单元的高度，neff代表其有效折射率，k0＝2π/λ是真空条件下的电磁波波数。有效折射率neff与介质折射率ns以及环境材料折射率ni有关，因此其范围限定为ni≤neff≤ns。通过调控圆柱形单元的半径r可实现有效折射率neff的操纵，不同半径r条件下出射电磁波的相位差表示为：
其中，
和
分别为半径为r1和r2圆柱形单元的有效折射率。根据有效折射率的限定条件，出射电磁波的最大相位差为
为了实现对于电磁波的完全操纵，不同半径的圆柱形单元结构对于电磁波波前相位调控必须能达到0～2π的范围。圆柱形单元的最小高度根据所需操纵电磁波的最大波长确定，即圆柱形单元的高度应满足h≥λmax/(ns-ni)。当圆柱介质和环境介质分别为硅(ns＝3.42)和空气(ni＝1)时，对于最大波长λ＝10.6μm，圆柱形单元的高度必须满足h≥4.38μm。
本实施例中圆柱形单元的材料为硅，设定高度为5μm；超表面透镜的焦距均为500μm,透镜的外形为方形，边长500μm。通过分别对中波和长波波段圆柱形单元的相位和透过率分布的分析，发现当圆柱形单元半径r＝0.5～1μm区域内时，中波红外波段的相位的变化量能达到2π，并且透过率高于0.50；而当圆柱形单元半径分别为r＝0.5～2.3μm时，长波红外波段所对应的相位变化量能够覆盖0～2π，且透过率可达到0.50以上。
通过下述公式可以计算出实现聚焦功能所需的xz平面上的相位分布：
其中，聚焦焦长设定为f＝500μm，m为整数。对于不同波长的电磁波而言，实现相同焦距聚焦功能的相位分布是不一样的。当电磁波波长为3.5μm、3.9μm、9.7μm和10.6μm时，根据上述相位计算公式，以及对应波长相位和圆柱半径的关系，便可计算得到xz平面上圆柱阵列的半径分布，从而获得所需的相位分布。最终设计出多通道的超表面透镜阵列，由对应于4个不同波长电磁波的超表面透镜组成。所有超表面透镜的平均聚焦效率大于85％，得到的4个波长的会聚斑截面如图9所示。经研究，与未集成透镜相比，本申请提出的集成型红外气体探测器上的红外辐射能量密度可以提高几十至上百倍，大大提高探测器的响应率和灵敏度。
本发明的实施例虽然给出了四单元三组分红外气体探测器的方案，实际很容易推广到具有更多气体组分的探测器，如可以沿圆周扇形分布六单元五组分气体探测等。又如按照3×3矩阵排列的9单元器件，其中中间的探测单元可作为参考单元，***8个单元作为气体探测单元。这种紧凑的排列可以缩小探测器芯片的面积，降低探测器芯片的制造成本。通过增大光学芯片上光学单元的面积可显著提高会聚到探测单元的辐射能量密度。
相较于现有技术的情况，本发明提供了一种集成型多组分红外气体探测器，能够实现多通道多组分气体的有效探测；在红外探测器芯片前设置拥有滤波光学单元与聚焦光学单元的光学芯片，能够有效提高红外探测器接收到的电磁波能量密度，进而提高器件响应率和灵敏度；通过提高集成度，可以大大降低器件的体积和功耗，同时降低制造成本。本发明的技术除了用于红外气体传感器，还可以应用于其他红外多光谱探测如微型红外光谱仪等设备，服务于食品、化工、农业、生物医药和环境监测等领域中的多物质成分的分析和浓度检测。
以上所述实施例仅表达了本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的探测器并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，包括自上而下设置的光学芯片与红外探测器芯片，所述光学芯片下表面包括至少三个聚焦光学单元，每个所述聚焦光学单元为一个超表面透镜；
所述红外探测器芯片包括至少三个红外探测单元，其中一个作为参考单元，且所述红外探测单元与所述聚焦光学单元一一对应；
所述红外探测器芯片的探测波长覆盖中波红外与长波红外。
2.如权利要求1所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，每个所述超表面透镜包括多个高度相同的圆柱形单元，所述圆柱形单元高度满足h≥λmax/(ns-ni)，其中，λmax为最大的红外探测波长，ns和ni分别为所述圆柱形单元的介质折射率和环境材料折射率。
3.如权利要求2所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，所述光学芯片上表面包括至少三个滤波光学单元，所述滤波光学单元与所述聚焦光学单元一一对应，每个所述滤波光学单元为金属孔洞阵列结构。
4.如权利要求3所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，相邻所述聚焦光学单元之间无缝隙。
5.如权利要求3所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，所述滤波光学单元的材料为银，所述金属孔洞阵列结构包括多个金属孔洞，所述金属孔洞的周期范围为3～12μm，金属孔洞直径与周期之比为20～35％，厚度的范围为0.6～1.5μm。
6.如权利要求3所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，所述光学芯片与所述红外探测器芯片之间设置有衬垫芯片，以提供光学芯片与红外探测器芯片之间的特定距离。
7.如权利要求6所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，所述衬垫芯片内部中空或中间设置有圆孔。
8.如权利要求1所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，所述红外探测器芯片的探测波长包括3.5μm、9.7μm和10.6μm。
9.如权利要求1所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，所述红外探测单元包括微测辐射热探测器、热电堆探测器、热释电探测器中的任意一种或多种。
10.如权利要求1所述的集成型多组分红外气体探测器，其特征在于，所述红外探测单元呈扇形分布；或呈3X3矩阵分布，其中中间的红外探测单元作为参考单元。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202010806847.4A CN111879718A (zh) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | 一种集成型多组分红外气体探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202010806847.4A CN111879718A (zh) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | 一种集成型多组分红外气体探测器 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN111879718A true CN111879718A (zh) | 2020-11-03 |
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ID=73203672
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| CN202010806847.4A Pending CN111879718A (zh) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | 一种集成型多组分红外气体探测器 |
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| Country | Link |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112558293A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-03-26 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学***及其制作方法 |
| CN113465736A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-01 | 中国电子科技集团公司信息科学研究院 | 片上集成红外探测器 |
| CN113777069A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-12-10 | 华南师范大学 | 空域分光红外传感芯片及气体检测装置 |
-
2020
- 2020-08-12 CN CN202010806847.4A patent/CN111879718A/zh active Pending
Cited By (4)
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| CN113465736B (zh) * | 2021-06-30 | 2023-08-11 | 中国电子科技集团公司信息科学研究院 | 片上集成红外探测器 |
| CN113777069A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-12-10 | 华南师范大学 | 空域分光红外传感芯片及气体检测装置 |
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