微型红外气体分析器

　　1　引　言

　　气体分析在地震预报、矿井安全、石油勘探、医疗卫生、污染源监测、化工过程控制、冶金等传统工业乃至现在所有的新技术革命带头学科如生物科学、微电子学、新型材料等领域均有着越来越广泛的应用。利用气敏材料的电化学传感器和利用光学吸收原理的光学气体传感器系统,在研发过程中碰到的问题各不相同。气敏材料选择性对电化学传感器至关重要,传感器响应的稳定性和选择性通常是最困难的问题。而红外气体分析器(属于光学气体传感器系统)仅基于物理现象,小型化和系统改进是主要问题,而不是稳定性问题。

　　随着半导体工艺和MEMS(Micro-electro-mechanicalSystem)技术的发展,红外气体分析器微型化、便携化成为可能。国外开展MEMS红外气体分析系统研究的有日本、法国、瑞士、英国等国家。本文主要介绍国外MEMS红外气体分析器的发展状况并分析了各自的特点,期望对国内研究微型气体分析仪器同行起到抛砖引玉的作用。

　　2　国外MEMS红外气体分析器的发展动态

　　2·1　硅微测辐射热仪和微调红外滤波器组成的分析器

　　日本Yokogawa电子公司Hitoshi Hara等利用硅微测辐射热仪和微调红外滤波器组成简单的红外气体分析器[1],实现了对二氧化碳浓度0~5000ppm的测量,重复性在±3.6%。该系统最有特色是微调红外滤波器的结构,采用五层变厚度镀膜技术,得到从3.5μm到8.5μm连续变化的红外线输出,覆盖了测量二氧化碳的吸收波长4.25μm和参考波长3.8μm。如图1和图2。

　　微调红外滤波器利用红外干涉滤光片原理,采用先进的制膜工艺,使得第三个硅膜特征是沿长度(1cm)方向不等厚(970nm~1100nm之间连续变化,如图1),巧妙实现红外连续辐射透过该器件之后沿长度方向从3.5μm到8.5μm连续分布。所以在长度方向上不同点安置硅微测辐射热仪来测量感兴趣波长的红外线,就得到气体分析用的参比光强和吸收光强。这种分光设计思路比较新颖,具有重要的应用前景。宏观棱镜也可以实现该功能,但是微观实现并不容易。由此看出微型分析仪器并不是宏观仪器的体积缩小,而是半导体工艺和MEMS技术结合的产物。

　　2·2　基于微机械光学可调滤波器的分析器

　　法国Montpellier的半导体研究小组H.Alause等人研制了基于微机械光学可调滤波器实现红外气体传感器,具有自动校准和长期稳定性[2]。该装置由三片被两个空气狭缝隔开的硅晶片组成,利用差压传感器形成可调光学滤光器。在不同的电压下表现出不同的2~8μm窄带通光特性(如图3,图4所示),

　　通过调压,同时实现了分光和光强调制的功能,在160℃仍然具有稳定性。这种把分光与调制功能集成在一个器件也是目前一个重要的研究热点问题。国内外也有人研究气体分析用的电子脉冲红外光源,是把光源与调制功能结合在一起。这样就省去笨重的机械斩波器,使得整体结构更容易实现微型化。