研究背景：

為了同時分析混合氣體中的幾個目標氣體，可以簡單地在NDIR氣體傳感器中實現多對“帶通濾波器+光學探測器”。然而，該方案大大增加了成本、系統復雜度和運行時間。這種挑戰的根本原因是大多數商用中紅外探測器缺乏光譜選擇性。避免使用分離濾光片的一種方法是通過將等離子體超材料吸收劑(PMAs)集成到探測器像素上，為中紅外探測器引入像素級光譜選擇性。PMA由金屬等離子體諧振器陣列組成，這些諧振器可以選擇性地吸收一定光譜波段的光，因此可以看作是納米級的吸收濾波器。

根據這個想法，文章提出了一個新的NDIR架構，其中窄帶PMA集成熱電元件陣列用于光譜解決吸收多種氣體在同一時間。通過調整金屬等離子體諧振器的幾何結構，可以獨立調整每個元素的中心探測波長，以匹配不同目標氣體的特征吸收波段。因此，多路傳感平臺可用于分析混合氣體中的多個目標氣體，大大減少了設備的足跡和運行時間。

研究內容：

文中所提出的NDIR多路復用氣體傳感平臺由三部分組成:寬帶光源、氣體電池和帶有必要聚焦光學的多路復用傳感器,如圖1所示。其中圖1b給出了用于光譜傳感的封裝多路復用熱釋電傳感器的示例。這種吸收濾波器本質上是一種基于金屬絕緣體金屬(MIM)的超材料吸收器，它由一層金納米盤天線、一個SiO2間隔物和一個金背板組成。該吸收器直接制造在商業上可獲得的薄鉭酸鋰(LT)基板上，其頂部和底部表面有預先沉積的金電極。為了簡單起見，LT基板的頂部金電極也用作MIM吸收器的金背板。LT作為傳感材料提供了非常寬頻的紅外響應，足以覆蓋典型氣體的特征吸收帶，并具有很高的熱釋電系數。為了簡單起見，這里文章將LT襯底與集成的MIM吸收器切割成具有不同光譜響應的獨立元件。顯然，可以增加包中元素的數量，以監測更多具有不同光譜響應的氣體。圖1c說明了一個窄帶檢測元件的工作原理。金納米盤天線以窄帶方式共振吸收中紅外輻射，并將吸收的光能轉換為熱能，從而提高LT基板的溫度。由此產生的溫度升高ΔT反過來使LT層生成熱電讀出當前ΔIout,然后轉換成讀出電壓ΔVout讀出電壓輸出的電子產品。

圖1.氣體傳感系統的原理圖

研究結果：

圖2為制備的8個MIM吸波器的實測吸收光譜及其目標氣體的特征紅外吸收光譜，吸波帶距離較遠。應該指出的是，通過優化天線結構和陣列圖案，或者用介質天線取代金屬天線，可以進一步降低窄帶探測器的線寬，從而提高傳感器的選擇性。

圖2.制備的8種MIM吸收劑的吸收光譜與8種目標氣體的紅外吸收波段的比較

為了評估窄帶探測器的光譜響應，我們使用頻率可調量子級聯激光器（QCL)測量了紅外吸收光譜(圖3黑色曲線)和依賴于波長的電壓響應(圖3紅色曲線)。當Au納米盤半徑為0.94um，周期為3um時，探測器的窄波段吸收譜峰值為5.52um，全寬最大寬度為670nm。重要的是，探測器的波長依賴性電壓響應很好地再現了PMAs的紅外吸收光譜。

圖3.測量的電壓響應的一個窄帶探測器作為一個函數的波長的輸入束，比較吸收光譜的集成PMAs。輸入光束來自可調諧的量子級聯激光器，并由光斬波器以5赫茲的頻率調制。

圖4顯示了探測器電壓響應作為調制頻率的函數。研究發現，當調制頻率為7hz時，在4hz頻率下，檢測器的輸出電壓相對于輸出電壓下降到70.7% (3 dB)。

圖4.峰值波長為5.52um的窄帶探測器的時域電壓響應。

研究創新：

文中提出用一個多路復用的NDIR氣體傳感平臺組成的窄帶紅外探測器陣列作為讀出，可以同時分析混合氣體中的幾種目標氣體，在一個傳感器中實現多個帶通濾波器和探測器的功能，并且不需要使用濾光片。從文章上看，平臺檢測的局限性還很大，比如：LT元件較厚，需要將厚度從75um降低到700nm，這可以通過硅上的薄膜LT代替自支撐LT板來實現；還需要提高MIM吸收器的質量因子，它決定了探測器的光譜響應與氣體吸收線之間的重疊，這需要在MIM吸收器中的納米天線的設計來改善。

總結：

本文演示的NDIR傳感器體系結構可以通過增加窄帶探測元件的數量來擴展，以分析更多的目標氣體。它還可以擴展到其他熱探測器平臺，如熱堆探測器和氧化釩微測輻射計。當與大尺寸焦平面陣列技術相結合時，該裝置結構將演變為片上紅外光譜儀，可作為氣體、化學物質、爆炸物和其他類型物質的光譜分析工具。（作者：Bojun Chen）

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19085-1