中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
在傳統(tǒng)的非色散紅外（NDIR）氣體傳感器中，通常需要將寬光譜紅外（IR）光源或探測器與窄帶濾光片組合使用，以消除非目標氣體的干擾。因此，多路復用NDIR氣體傳感器需要多對窄帶濾光片，這不利于小型化和集成化。盡管等離子體超構(gòu)材料（metamaterial）或多層薄膜結(jié)構(gòu)已被廣泛應用于光譜吸收濾光片，但實現(xiàn)高性能、大面積、多波段和緊湊型濾光片仍具有相當大的挑戰(zhàn)性。
近日，四川大學、中山大學的研究人員組成的團隊提出并展示了一種基于平面金屬-絕緣體-金屬（MIM）腔的窄帶超構(gòu)吸收器（meta-absorber），其頂部覆蓋金屬超薄膜。通過控制介電間隔層的厚度，該超構(gòu)吸收器可以獲得對不同波長的近乎完美的吸收。更重要的是，所提出的超構(gòu)吸收器表現(xiàn)出角度相關特性，通過改變光源的入射角可以匹配不同氣體的吸收光譜。該研究團隊還初步研究了超構(gòu)吸收器的CO?氣體傳感能力。隨后，研究團隊提出了一種集成了基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的電熱驅(qū)動器（ETA）的可調(diào)超構(gòu)吸收器。通過施加直流（DC）偏置電壓，可以控制超構(gòu)吸收器的傾斜角，并且可以從理論上推導出傾斜角與施加電壓之間的關系?；贛EMS的可調(diào)超構(gòu)吸收器的概念為高度集成、小型化和節(jié)能的NDIR多氣體傳感系統(tǒng)提供了一種新的思路。上述研究成果以“Tunable MEMS-based meta-absorbers for nondispersive infrared gas sensing applications”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
圖1a顯示了所提出的基于平面MIM腔的超構(gòu)吸收器的示意圖。頂部Au超薄膜與底部Al反射層之間由中間層SiO?介電薄膜隔開。三層的厚度從下到上依次為d?、d和d?。為了最大限度地減少透射，Al層的厚度（d?）為200 nm，使其大于紅外電磁波的穿透深度。Au超薄膜的厚度（d?）有意設置為10 nm，以確保紅外光可以穿透并形成強大的腔體約束。
任意偏振光可以表示為兩條相互正交的線偏振光的疊加。為便于解釋和分析，研究人員將平行于入射光平面的電場（E）的偏振態(tài)定義為P偏振，將垂直于入射光平面的電場的偏振態(tài)定義為S偏振，如圖1b所示，它們是正交的線偏振光。
圖1 本研究所提出的超構(gòu)吸收器的示意圖
研究人員通過時域有限差分法（FDTD）得到了所提出的超構(gòu)吸收器在不同介電層厚度下的模擬吸收光譜，以及諧振波長與厚度之間的對應關系。這些結(jié)果表明，通過簡單地改變介電層的厚度，可以線性地獲得所需的諧振波長，從而可將超構(gòu)吸收器應用于更寬的頻帶。
與許多其它等離子體超構(gòu)材料吸收器不同，基于平面MIM腔的超構(gòu)吸收器的諧振通常對照明光源的入射角敏感，這對匹配不同氣體吸收光譜的吸收諧振有很大啟發(fā)。
為了闡明基于平面MIM腔的超構(gòu)吸收器的角度調(diào)諧能力在NDIR氣體傳感應用中的發(fā)展?jié)摿?，研究人員計算了從NIST Chemistry WebBook中獲得的CO、N?O、CO?、HBr、H?CO五種氣體的吸收光譜對應的P偏振波和S偏振波的入射傾角，如圖2a和2b所示。將圖2a與圖2b的結(jié)果進行比較可以發(fā)現(xiàn)，超構(gòu)吸收器對S偏振波的吸收光譜比對P偏振波的吸收光譜具有更窄的半峰全寬（FWHM）值，以及在較大入射角下具有更好的吸收特性。在不同入射角下P偏振和S偏振樣本所展示的吸收光譜可以捕獲目標氣體的紅外特征并排除其他密集的紅外吸收光譜，這得益于所提出的超構(gòu)吸收器的出色的窄帶吸收和角度調(diào)諧性能。
圖2 不同氣體的吸收光譜對應于所提出超構(gòu)吸收器的特定光譜
然而，改變光源的入射角是集成化、小型化的氣體傳感器芯片中的一個難題，利用MEMS技術實現(xiàn)超構(gòu)吸收器的離面運動來改變傾斜角度可以達到同樣的效果。如圖3a所示，研究人員提出了一種基于MEMS的超構(gòu)吸收器設計，該設計由基于平面MIM腔的超構(gòu)吸收器與電熱驅(qū)動器平臺集成而成。
圖3 基于MEMS的超構(gòu)吸收器及計算模型
基于以上結(jié)果，研究人員提出了一種NDIR多氣體傳感系統(tǒng)，如圖4所示。該基于NDIR架構(gòu)并結(jié)合MEMS超構(gòu)吸收器的多氣體傳感系統(tǒng)可實現(xiàn)可調(diào)窄帶紅外吸收，傳感系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：配備必要準直和聚焦光學器件的寬帶中紅外（MIR）光源、氣室和集成紅外探測器的基于MEMS的超構(gòu)吸收器。
由于基于平面MIM腔的超構(gòu)吸收器的諧振波長與入射角相關，因此可以通過向電熱驅(qū)動器施加特定驅(qū)動電壓來間接控制入射角，從而將吸收的輻射濾波至不同目標氣體的光譜吸收帶，如圖2所示。這使得傳統(tǒng)NDIR氣體傳感器中的多對窄帶濾光片變得多余，從而實現(xiàn)了無濾光片的多路復用型NDIR氣體傳感架構(gòu)。
圖4 基于NDIR架構(gòu)并結(jié)合MEMS超構(gòu)吸收器（窄帶紅外吸收）的多氣體傳感系統(tǒng)示意圖
研究人員對基于平面MIM腔的超構(gòu)吸收器的氣體傳感能力進行了初步測試。圖5a顯示了測試設置的照片。圖5b顯示了超構(gòu)吸收器在CO?氣體吸收試驗中測得的吸收光譜。圖5c顯示了波長為4.29 μm和4.48 μm的吸收率。在波長4.29 μm處，CO?氣體具有強吸收，由于高濃度CO?氣體的引入，超構(gòu)吸收器的吸收率與含有高濃度CO?氣體的超構(gòu)吸收器的吸收率有顯著差異，從0.012增加到0.840。相反，在波長4.48 μm處，來自CO?氣體吸收的超構(gòu)吸收器的吸收率為0.25，即使在高濃度CO?氣體下也變化不大。這些實驗結(jié)果初步驗證了CO?氣體對超構(gòu)吸收器吸收光譜的影響。此外，經(jīng)過光譜驗證后，NDIR氣體傳感的理論可行性也得到了充分說明。本研究所提出的超構(gòu)吸收器與紅外探測器集成后在NDIR氣體傳感應用中是有效的。
圖5 測試設置及CO?氣體測量結(jié)果
綜上所述，這項研究提出并展示了一種基于平面MIM腔的超構(gòu)吸收器，具有無需光刻、大面積、高性能等優(yōu)點。當使用CO?氣體作為測試目標時，所提出的器件顯示出光學角度相關特性，并且適用于NDIR氣體傳感應用。通過集成基于MEMS的電熱驅(qū)動器，研究人員還提出了一種主動可調(diào)超構(gòu)吸收器，以消除多對窄帶濾光片的需求，并優(yōu)化現(xiàn)有的多路復用 NDIR氣體傳感器芯片。這項研究成果有望為新一代高度集成、小型化和低成本的NDIR氣體傳感器開辟一條新途徑。此外，由于基本原理的普適性，基于MEMS的可調(diào)超構(gòu)吸收器具有極大的靈活性和高通量制造便利性，適用于寬光譜，可進一步應用于角度傳感、熱發(fā)射工程和成像系統(tǒng)應用。
