CN110687064A - 一种红外探测器及红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外探测领域，特别涉及一种红外探测器及红外气体传感器。红外探测器包括：所述红外探测器包括：n个检测单元和m个补偿单元，其中n≥1，m≥1；每个所述检测单元包括1个探测芯片和1种第一类超材料滤波结构；每个补偿单元包括1个探测芯片和1种第二类超材料结构。本申请实施例所述的红外探测器，把多个超材料滤波结构集成设置在一个红外探测器上，超材料滤波结构替代传统滤光片的功能，一种超材料滤波结构通过一种待测气体对应的红外光，多种气体对应多种超材料滤波结构与多个探测芯片，实现了红外探测器芯片级的集成，提高了传感器的集成度。

Description

一种红外探测器及红外气体传感器

技术领域

本发明涉及红外探测领域，特别涉及一种红外探测器及红外气体传感器。

背景技术

随着经济的发展和人们环保意识的提高，气体传感器的应用越来越广泛。红外气体传感器以其高精度、高稳定性等特点受到了人们的广泛关注。红外气体传感器是一种基于不同气体分子的红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔Lambert-Beer定律)来鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。

传统的红外气体传感器往往都是对单一气体进行检测，如若需要检测多种气体则需要有多套检测装置，这样不仅成本高而且对于空间占用也有一定需求，尤其应用于航天航空领域会受到极大限制。此外，传统红外气体传感器对于待测气体的检测精度不高且浓度检测达不到更高要求，如CN106018314A公开了一种多波长多气体检测装置及方法，该专利采用双光源双探测器设计，第一光源发出的第一测量光的波长覆盖待测气体中至少一种气体的吸收谱线，第二光源发出的第二测量光的波长同时覆盖待测气体中至少二种气体的吸收谱线，第一探测器直接接收第一光源经气室反射后的光线，第二探测器之前安装分光器件，分光器件对第二光源经气室反射后的光线分光后送到第二检测器，从而实现多气体检测。

上述专利设计精巧，但是依然未解决对待测气体检测精度不高的问题，而且结构比较复杂，体积略大，同时加工、装配精度要求比较高，不利于大批量生产和仪器仪表的集成。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有红外气体传感器体积大，不便于集成的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种红外探测器，所述红外探测器包括：n个检测单元和m个补偿单元，其中n≥1，m≥1；

每个所述检测单元包括1个探测芯片和1种第一类超材料滤波结构；每个补偿单元包括1个探测芯片和1种第二类超材料结构。

进一步的，1种所述第一类超材料滤波结构允许1种待测气体特征吸收峰所对应的至少一个波长的红外光通过。

进一步的，所述第二类超材料滤波结构允许无气体红外吸收的至少一个波长的红外光通过。

进一步的，所述超材料滤波结构包括第一金属层、介质层和第二金属层，所述介质层设置在所述第一金属层和第二金属层之间。

进一步的，每个所述第一类滤波结构的所述第二金属层的结构互不相同。

进一步的，每个所述第二类滤波结构的所述第二金属层的结构互不相同。

进一步的，所述探测芯片为热电堆芯片、热释电芯片、光电芯片中的任一种。

第二方面，本申请实施例公开了一种红外气体传感器，包括：红外光源、光学气室和红外探测器，所述光学气室的一端设有红外光源，所述光学气室的另一端设有红外探测器；

其中，所述红外探测器为如上所述的红外探测器；

红外探测器包括第一类滤波结构和第二类滤波结构；

所述第一类滤波结构中的滤波结构允许至少一个第一预设波长的红外波通过，所述第一预设波长为待测气体的红外吸收特征波长；

所述第二类滤波结构中的滤波结构允许至少一个第二预设波长的红外波通过，所述第二预设波长为无红外吸收的红外波长。

进一步的，所述红外气体传感器还包括配套电路，所述配套电路分别与所述红外光源和所述红外探测器连接，所述配套电路用于调制光源、采集并处理电信号。

进一步的，所述配套电路包括光源调制模块、信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块和通讯显示模块。

采用上述技术方案，本申请实施例所述的红外探测器及红外气体传感器具有如下有益效果：

本申请实施例所述的红外探测器，把多个超材料滤波结构集成设置在一个红外探测器上，超材料滤波结构替代传统滤光片的功能，一种超材料滤波结构通过一种待测气体特征吸收峰对应的红外光，多种气体对应多种超材料滤波结构与多个探测芯片，而且设置多个超材料滤波结构与多个探测芯片作为参考，以排除环境因素造成的红外光衰减干扰测量结果，使测量结果更精确。此外，实现了红外探测器芯片级的集成，提高了传感器的集成度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例的超材料滤波结构示意图；

图2为本申请一个实施例的红外探测器结构示意图；

图3为本申请一个实施例的红外气体传感器的结构示意图；

以下对附图作补充说明：

2-红外光源；3-光学气室；4-配套电路；10-探测芯片；11-衬底层；12-支撑层；13-热电堆层；14-绝缘层；20-超材料滤波结构；21-第一金属层；22-介质层；23-第二金属层；231-第一类滤波结构；232-第二类滤波结构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

现有的红外气体传感器对待测气体检测精度不高，而且结构比较复杂，体积略大，同时加工、装配精度要求比较高，不利于大批量生产和仪器仪表的集成。

如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种红外探测器，红外探测器包括：n个检测单元和m个补偿单元，其中n≥1，m≥1；每个检测单元包括1个探测芯片10和1种第一类超材料滤波结构20；每个补偿单元包括1个探测芯片10和1种第二类超材料结构。

本申请实施例中，红外探测器包括多个探测芯片10和多个超材料滤波结构20，每个探测芯片10上设置一个超材料滤波结构20。第一类滤波结构231作为测量通道，用于使具有待测物质的红外特征吸收波长的红外光透过，第二类滤波结构232作为参考通道，用于使无红外吸收波长的红外光透过。通过控制超材料的结构和参数，使经过第一类滤波结构231和第二种类滤波通过的中心波长不同。可选的，红外探测器可以设计为包括n个检测单元和m个补偿单元，其中n≥1，m≥1；每个检测单元的探测芯片10上设置一个第一类滤波结构231；每个补偿单元的探测芯片10上设置一个第二类滤波结构232。在一些实施例中，红外探测器还可以设计为，一个检测单元和一个补偿单元，这样设置使红外探测器测量结果更准确，提高测量精度。

探测芯片10用于将待测物质的多个红外特征吸收峰所对应波长的光信号转化为电信号，能够增强信号的强度，提高红外探测器的探测精度。本申请实施例所述的红外探测器具有较高的探测精度，能够适用于多种红外探测设备，广泛应用在多种场合的物质检测。

1种第一类超材料滤波结构20允许1种待测气体特征吸收峰所对应的至少一个波长的红外光通过。

本申请实施例中，第一类滤波结构231作为测量通道，具有待测物质的红外特征吸收波长的红外光经过超材料结构滤波后，波长对应待测物质的一个至多个红外特征吸收峰，通过红外特征吸收峰鉴别出待测物质种类。

第二类超材料滤波结构20允许无气体红外吸收波长的红外光通过。

本申请实施例中，第二类滤波结构232作为参考通道，用于使无红外吸收波长的红外光透过。红外光从光源发出，由于受环境等因素的影响，存在自然衰减的过程，通过设置一个至多个参考通道，由于通过参考通道的红外光波长未被吸收，从而可以测量出红外光的自然衰减程度，排除红外光自然衰减和环境因素对测量结果的影响，提高测量精度。

本申请实施例中，通过控制超材料的结构和参数，使透过每个超材料的红外波长均不相同，第一类滤波结构231能够透过的波长为待测物质的红外特征吸收峰，第二类滤波结构232能够透过的波长为无红外吸收的波长。可选的，第二类滤波结构232可以设置一个至多个，多个第二类滤波结构232排除偶然因素的影响，使参考通道输出的参考值更精准。

超材料滤波结构20包括第一金属层21、介质层22和第二金属层23，介质层22设置在第一金属层21和第二金属层23之间。

本申请实施例中，超材料滤波结构20为金属-介质层22-金属(M-I-M，Metal-Insulator-Metal)结构，第一金属层21作为反射层，可选的，反射层可以选用Au、Ag、Al等金属；中间层作为介质层22，可选的，介质层22可以选用Si₃N₄、SiO₂、Si₃N₄/SiO₂；第二金属层23作为阵列结构层，可选的，阵列结构层可以选用Au、Ag、Al等金属。

每个第一类滤波结构231的第二金属层23的结构互不相同。

每个第二类滤波结构232的第二金属层23的结构互不相同。

本申请实施例中，按照实际波长透过需求来设计每个滤波结构的厚度、形状、大小以及阵列周期等参数，来实现透过每个超材料滤波结构20的红外波长不同。

探测为芯片热电堆芯片、热释电芯片、光电芯片中的任一种。

本申请实施例中，探测芯片10可以选用热电堆、热释电、光电芯片等任意的能够应用在红外探测领域的芯片。

另一方面，本申请实施例提供了一种红外气体传感器，包括：红外光源2、光学气室3和红外探测器，光学气室3的一端设有红外光源2，光学气室3的另一端设有红外探测器；其中，红外探测器为如上所述的红外探测器；红外探测器包括第一类滤波结构231和第二类滤波结构232；第一类滤波结构231中的滤波结构允许至少一个第一预设波长的红外波通过，第一预设波长为待测气体的红外吸收特征波长；第二类滤波结构232中的滤波结构允许至少一个第二预设波长的红外波通过，第二预设波长为无红外吸收的红外波长。

本申请实施例中，红外气体传感器包括红外探测器，关于红外探测器的具体实施情况，请参见上文描述红外探测器的所有方式。本申请实施例提供了一种红外气体传感器，红外探测器包括多个探测芯片10和多种超材料滤波结构20，每个探测芯片10对应一种超材料滤波结构20，通过设计每个超材料滤波结构20，实现多种待测气体特征吸收波长的红外光透过，以及多种无红外吸收波长的红外光透过。采用超材料滤波结构20替代传统滤光片后，使红外探测器的体积大大缩小，提高了多气体传感器的可集成性。本申请实施例所述的红外气体传感器可广泛应用于环境检测、化工、冶金等多个行业。

本申请实施例中，由于超材料的制造工艺与集成电路芯片的制造工艺是一致的，因此探测芯片和超材料滤波结构20在制作时，可以一体成型。具体为，在衬底层11上沉积一层复合支撑膜作为支撑层12；完成支撑层12沉积后，在支撑层12上沉积热电堆层13；然后在热电堆层13上沉积一层绝缘层14，绝缘层14覆盖在热电堆层13上，探测芯片制作完成。探测芯片制作完成后制作超材料滤波结构20。在绝缘层14上面溅射一层反射层，在上述反射层的上面沉积一层介质层22，在上述介质层22上面溅射一层阵列结构层，该层按照实际波长透过需求来设计沉积金属层的厚度、形状、大小以及阵列周期等参数。

本申请实施例中，红外气体传感器可用于探测多种气体以及测量出各个组分的浓度。第一类滤波结构231能够透过的波长为待测气体的红外特征吸收峰，第二类滤波结构232能够透过的波长为无红外吸收的波长。第一类滤波结构231作为测量通道，可以设置一个，也可以设置多个，每个测量通道测量一种气体，第二类滤波结构232作为参考通道，可以设置一个，也可以设置多个。

本申请实施例以探测CH₄、NO、SO₂三种气体为例，来说明红外气体传感器的设计。如图1所示，红外探测器包括四个探测单元，其中三个为检测通道，三个相应探测芯片10上设置第一类滤波结构231；一个为参考通道，其探测芯片10上设置第二类滤波结构232。三个第一类滤波结构231设计透过波长的中心波长分别为，3.31μm、5.25μm、7.3μm，以上三个中心波长分别对应CH₄、NO、SO₂的红外特征吸收峰的中心波长。参考通道的第二类滤波结构232设计透过波长的中心波长为3.95μm，此波长对应无红外吸收波长中心波长。以上滤波结构，按照实际波长透过需求，设计超材料的阵列结构层的厚度、形状、大小以及阵列周期等参数，实现通过滤波结构的中心波长不同。

本申请实施例中，光学气室3的内部采用直射结构或多次反射结构，光学气室3的材料可选为黄铜、铝、不锈钢、硅和玻璃等。在一些实施例中，为提高信号强度和光学气室3的抗腐蚀性，光学气室3内部还可以进行镀金处理。

红外气体传感器还包括配套电路4，配套电路4分别与红外光源2和红外探测器连接，配套电路4用于调制光源、采集并处理电信号。

本申请实施例中，红外光源2采用宽谱红外光源2，可选的，红外光源2选用白炽灯、MEMS光源等。

配套电路4包括光源调制模块、信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块和通讯显示模块。

本申请实施例中，红外光源2经信号处理模块调制后发出脉冲式的宽谱红外光，经光学气室3传播后到达红外探测器表面，光学气室3内的气体对红外光具有吸收作用，经过气体吸收的红外光到达超材料滤波结构20，经滤波结构过滤后，3.31μm红外光被探测单元转化为电信号，输出到CH₄气体检测通道；5.25μm红外光被探测单元转化为电信号，输出到NO气体检测通道；7.3μm红外光被探测单元转化为电信号，输出到SO₂气体检测通道；3.95μm红外光被探测单元10转化为电信号，输出到参考通道。CH₄气体检测通道、NO气体检测通道、SO₂气体检测通道和参考通道信号经信号放大模块放大后进入模数转换模块，最后到达信号处理模块，经信号处理模块计算得到待测气体中CH₄、NO、SO₂气体的浓度，并通过通讯显示模块显示出来。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外探测器，其特征在于，所述红外探测器包括：n个检测单元和m个补偿单元，其中n≥1，m≥1；

每个所述检测单元包括1个探测芯片(10)和1种第一类超材料滤波结构(20)；每个补偿单元包括1个探测芯片(10)和1种第二类超材料结构。

2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，1种所述第一类超材料滤波结构(20)允许1种待测气体特征吸收峰所对应的至少一个波长的红外光通过。

3.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述第二类超材料滤波结构(20)允许无气体红外吸收的至少一个波长的红外光通过。

4.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述超材料滤波结构(20)包括第一金属层(21)、介质层(22)和第二金属层(23)，所述介质层(22)设置在所述第一金属层(21)和第二金属层(23)之间。

5.根据权利要求4所述的红外探测器，其特征在于，每个所述第一类滤波结构(231)的所述第二金属层(23)的结构互不相同。

6.根据权利要求5所述的红外探测器，其特征在于，每个所述第二类滤波结构(232)的所述第二金属层(23)的结构互不相同。

7.根据权利要求3或6所述的红外探测器，其特征在于，所述探测芯片(10)为热电堆芯片、热释电芯片、光电芯片中的任一种。

8.一种红外气体传感器，其特征在于，包括：红外光源(2)、光学气室(3)和红外探测器，所述光学气室(3)的一端设有红外光源(2)，所述光学气室(3)的另一端设有红外探测器；

其中，所述红外探测器为权利要求1-7任一项所述的红外探测器；

红外探测器包括第一类滤波结构(231)和第二类滤波结构(232)；

所述第一类滤波结构(231)中的滤波结构允许至少一个第一预设波长的红外波通过，所述第一预设波长为待测气体的红外吸收特征波长；

所述第二类滤波结构(232)中的滤波结构允许至少一个第二预设波长的红外波通过，所述第二预设波长为无红外吸收的红外波长。

9.根据权利要求8所述的红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器还包括配套电路(4)，所述配套电路(4)分别与所述红外光源(2)和所述红外探测器连接，所述配套电路(4)用于调制光源、采集并处理电信号。

10.根据权利要求9所述的红外气体传感器，其特征在于，所述配套电路(4)包括光源调制模块、信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块和通讯显示模块。

Images