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利用微测辐射热计探测器和微加热板红外光源实现低功耗二氧化碳非色散红外传感器^[1]

Pierre Barritault lowast;, Mickael Brun, Olivier Lartigue, Jeacute;rocirc;me Willemin, Jean-Louis Ouvrier-Buffet, Steacute;phane Pocas, Sergio Nicoletti

法国原子能委员会电子与信息技术实验室，法国格勒诺布尔市，法国，38054

摘要：本文报道了基于微测辐射热计探测器和MEMS红外光源的NDIR传感器的制作和表征。研究了用于CO₂ 和碳氢化合物检测时传感器的准确性和可重复性。结果表明，所获得的性能完全符合室内空气质量要求。此外，传感器具有非常低的功耗（每次测量大约1 mJ量级），这使其非常适用于自主应用。最后，我们强调事实上这种传感器，因为它使用了微测辐射热计阵列，可以在多气体传感器中进行转换。

关键词：NDIR; 微测辐射热计探测器; CO₂传感器; 碳氢化合物传感器；微加热板

引言

非色散红外（NDIR）气体传感器用于各种应用，例如，监控办公楼的空气质量，这代表了低成本传感器的巨大市场。这种NDIR气体传感器包括基本构建块，即IR源，包含气体样本的光路，以及与气体专用光学滤波器组合的IR检测器。商业上可获得的系统通常将热电堆或热电探测器与大功率热源相关联。它们的典型性能是：在0-5000 ppm范围内，精度为plusmn;30 ppm或者读数的plusmn;5％，平均电流消耗为40 mA（5 V），尺寸为45 mmtimes;22 mmtimes;16 mm。这些值对应于Sensair^Tm公司提出的CO₂模块，它完全代表了基于该工作原理的商业产品的性能。因此，看起来这些设备的功耗远高于自主设备允许的最大能量。此外，它们通常限于检测单一气体。在学术领域，这个双重问题，低功耗和多气体检测已经解决了好几年。例如，Rubio等人提出了探测器阵列与滤波器阵列的关联^[1]，他们的检测模块由一个通过倒装芯片与滤波器阵列相关联的热电堆阵列组成。Rubio及其同事使用这个模块证明了区分三种不同气体（丙酮，乙醇和异丙醇）的可能性。最近Fonseca和Rubio ^[2]使用相同的通用模块来定量区分CO₂和CH₄的混合物，其预测误差为100ppm。这种精度可与商用CO₂传感器的精度相媲美。然而，他们的传感器使用商用IR光源，耗电量为1 W，这与自主操作不兼容。Sotnikova等人^[3]提出了另一种解决方案：LED和二极管的关联，光谱发射和灵敏度调整为CO₂检测。他们的设备功耗低，然而多气体检测的扩展意味着对每种新气体使用“optopair”（LED 光电二极管）。

值得注意的是，气体传感解决方案^Tm公司最近提出了一种基于类似“optopair”原理的商业解决方案。与传统的散热解决方案相比，该产品的功耗确实大幅降低（1.5 mA，3.3 V），同时保持了相当的测量精度（plusmn;50 ppm或读数的plusmn; 3％）。在MEMS技术领域，提出了其他解决方案：2007年离子光学^[4]推出了传感器芯片-CO₂-4P的商业化。它由热丝源组成，也可用作辐射热测量计；光源的光子晶体结构确保光谱选择。最近，赖等人^[5] 提出了类似的解决方案，他们使用MEMS技术在硅衬底上制造了一个集成的独立式红外发射器和微测辐射热计。两个元件都在真空中密封，并与气体吸收单元和镜子相关联。用该系统首次成功证明了CO₂的检测。不幸的是没有关于该原型的精度或功耗的信息。

在本文中，我们报告了一种基于MEMS技术的低功耗气体传感器，可以扩展到多气体传感器。它结合了独立的微加热板，其表现为提供大红外发射光谱的黑体，适用于CO₂检测的商用滤光器，以及用于信号检测的微测辐射热计。值得注意的是，测辐射热计是测辐射热计阵列的一个组成部分，如果它与一系列特定的过滤器结合使用，它就可以开辟多气体传感器领域。

首先，我们将描述传感器的不同元素：光源，探测器和光学系统，以及用于表征器件的气室和气体工作台。然后，我们将展示和讨论在CO₂检测灵敏度和环境条件稳定性方面获得的实验结果。

材料和方法

这里介绍的设备是NDIR气体传感器，基于接近ƛ=4.26mu;m的CO₂吸收的测量。传感器由热红外线源组成，该红外线源朝向位于距离d处的探测器辐射。在两者之间，根据朗伯比尔定律，进行吸收，其中c是CO₂的浓度，ε是CO₂的消光系数，d是发生吸收的距离，I0由光源发射的强度和I照射在辐射热检测器上的剩余强度。源和探测器安排在一个光学系统上图1：两个相同的镀金离轴抛物面镜90°，有效焦距1ʺ，直径1ʺ，来自埃德蒙光学系统）彼此面对面。光源和探测器位于两个反射镜的焦点上，在两个镜子之间，其中IR光束是准直的，放置带通滤波器（ƛc =4.26mu;m，FWHM =0.18mu;m用于CO₂或ƛc =3.46mu;m，FWHM =0.18mu;m用于碳氢化合物，两者均来自激光元件）以选择CO₂或碳氢化合物的特定吸收波长^[6]. 源和探测器之间的距离d约为8厘米。该实验的目的是证明低功耗热源一方面可以成功地与NDIR布置中的微阵列检测器一起使用，另一方面可以量化其性能。值得注意的是，这里提出的光学系统显然没有在紧凑性方面进行优化（在NDIR系统中通常可以看不到光路的折叠）。因此，该设置设计有现成的组件，具有高收集效率和准直部分，以允许使用商用光学滤波器。专用折叠光学元件的设计将成为未来工作的一部分。

图1 用于NDIR传感的实验装置

红外光源是一种150微米直径的微型加热板，采用标准MEMS技术在独立式膜上制造，以最大限度地减少热量并降低功耗。膜的实现基于两个100nm厚的Si₃N₄层，嵌入金属电阻器并支撑整个热板。金属电阻器包括TiN（10nm/Pt（30nm/TiN（10nm）金属三层叠层。然后，悬浮的热板结构从基板上释放出来各向异性Si蚀刻。加热板表现为黑体，可以在大约700°C下适当地操作，驱动电流为8.4mA。其功耗通常为45mW。一个有关微加热板的设计，工艺和特性的详细说明，请参见^[7]. 如图2所示，我们提出了SEM图像和设备的红外图像。

探测器区域是CEA-LETI处理的非晶硅未冷却微测辐射热计阵列的一部分^[8]。每个辐射热测量计包括一个通过臂和支柱机械悬挂在基板上的膜；臂是热隔离膜所必需的。该膜包括覆盖非晶硅温度计层的吸收层。后者在吸收IR通量时会升温，并会引起前一层电阻的变化。通常，测辐射热计设计为在8-12mu;m波长范围内工作，因此选择腔（膜和晶片之间）的厚度以产生四分之一波长的谐振腔并增强膜高度处的电场。因此，为了优化另一波长的吸收，可以改变腔厚度。这在技术上可用于更高波长^[9]，例如，在TeraHertz波长中）。但在目前的情况下，优化4.26mu;m的吸收将导致1mu;m厚的腔。这将显着增加将膜粘附到腔底部的风险。因此在目前研究我们决定使用针对8-12mu;m范围优化的标准腔。目前正在研究优化低波长吸收的解决方案。

图 2（a）微加热板的SEM图像，（b）发光微加热板的IR图像（用InGaAs相机拍摄）

每个单独的微测辐射热计是25mu;mtimes;25mu;m的正方形。在该阵列上，8times;8个微测辐射热计以串并联配置连接以产生有效检测区域（巨像素）。由此获得的200mu;m方形宏像素通过我们的1倍放大光学设置匹配150mu;m直径的光源。

为确保标称操作，必须在真空下使用未冷却的微测辐射热计，最低水平为mbar ^[10]. 因此，探测器芯片放置在一个小的真空室内（见图1） 用主泵永久泵送。蓝宝石衬底用作腔室的入口窗口。位于腔室外的专用电子板可确保通过气密连接驱动和读取探测器。电子板还允许以恒定电功率驱动IR源。

图 3 源脉冲宽度对探测器信号的影响

选择源和检测器驱动参数如下。对于大量功耗，使用脉冲模式操作;IR光源的驱动功率为45mW，这是亮度和使用寿命之间的良好折衷 ^[7]. 从脉冲到脉冲，源的漂移通过PID回路补偿，并且电功率保持在0.1mW以内。然后，为了选择脉冲的持续时间（源的开启时间），我们研究了探测器信号相对于源脉冲宽度的变化。考虑到微加热板的上升时间小于1毫秒^[7], 当通过阶跃函数（这里是源通量）加热时，测辐射热计温度的时间演变可以通过对应于其热惯性的一阶低通滤波器来建模。结果显示在图3以及建模曲线。可以注意到实验数据和模拟数据之间的良好一致性，表明测辐射热计的响应时间是10毫秒。最后，我们在灯丝脉冲的持续时间内选择30ms，这是功耗和信号之间的良好折中。在该情况下，每次测量的IR源消耗能量为1.35mJ。

光学系统呈现在图1将其置于圆柱形不锈钢气室（15cm长和10cm直径）中以进行CO₂检测实验。可以看出图4，连接到Julabo的冷藏/加热循环器的铜管缠绕在气室周围。由于这种设置，可以在测试期间改变温度并研究其对检测系统的影响。内部温度通过Pt100温度传感器测量。

图4封装NDIR设置的气室图

测试室连接到气体测试台，该测试台可根据测试方案输送不同的气体混合物。有关气体输送系统及其规格的详细说明，请参阅^[11]. 但值得注意的是，CO₂和碳氢化合物浓度的重复性预计低于2ppm。

对于该装置，CO₂的浓度在0至3000ppm之间变化，并且烃浓度在0至2500ppm之间变化，在测试室中输出的输出流量固定在100ml /min。

结果

第一步是在温度为25 °C时表征NDIR传感器。在整个实验过程中，测试室内的温度保持在25°C plusmn; 0.2° C，而不同浓度的空气和CO₂ 的混合物被冲入室内。首先将CO₂浓度增加至3000ppm，然后通过500ppm和50min的持续时间逐步减少至0ppm。

图5 微测辐射热计信号相对于CO₂的演变（从0ppm到3000ppm的变化，步长为500ppm）

上图5中，我们展示了整个序列中探测器信号的演变。测量频率为0.1 Hz。从这个实验曲线，我们可以提取不同的定量结果：我们可以注意到检测器信号稳定后，大约40分钟，这对应于将新浓度固定在腔室中所需的时间。因此，我们使用这些最后10分钟来计算每个步骤的检测器信号的平均值和标准偏差。如图6所示，我们绘制了这些平均值相对于CO₂浓度的演变。看来，已解释第2节的开头部分, 光吸收和气体浓度之间的关系遵循比尔-朗伯定律。从图6，我们可以确定NDIR传感器在整个[CO₂]范围[0-3000] ppm的一般行为：测量的可重复性优于1 mV并且没有滞后现象。此外，从曲线斜率我们可以确定灵敏度：检测器信号的1 mV变化对应于CO₂ 浓度（在[CO₂] = 1000 ppm处）30 ppm的变化。在评估了传感器的一般行为后，我们决定更准确地研究感兴趣的CO₂ 浓度（特别是室内空气质量应用）的测量重复性：1000ppm。因此，该第二气体序列由交替进入测试室的10个500ppm和1000ppm的步骤组成（图7）。 与前一个序列一样，对于每个步骤，我们计算平均值，标准偏差和峰谷值。在整个序列中，平均值具有高度可重复性：平均值的最大偏差为 plusmn; 0.25 mV。此外，对于每个步骤，标准偏差低于1 mV（对应于[ CO₂ ] = 30 ppm），峰谷低于5 mV（对应于[CO₂] = 150 ppm）。值得注意的是，这些结果等同于商业上可获得的CO₂传感器所宣布的准确度，其通常为80ppm（读数的50ppm 3％）。

图 6 NDIR CO₂传感器的灵敏度曲线。每个点对应于步数的平均值图5误差棒对应于相关的标准偏差。还提出了源自Beer-Lambert定律的理论拟合。

图 7 [CO₂ ] = 1000ppm和[CO₂ ] = 500ppm的测量重复性

在第二个实验中，我们研究了NDIR传感器相对于温度的变化。使用冷却/加热循环器逐步改变温度，在室中输送没有CO₂ 的纯干燥空气。根据稳定温度的要求，每个步骤的持续时间为200分钟。上图8，我们展示了整个序列中探测器信号和温度的演变。与之前的序列一样，对于每个步

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