一种甲烷气体检测用红外滤光片及其制备方法与流程

本发明涉及一种红外滤光片生产技术，具体涉及一种甲烷气体检测用红外滤光片及其制备方法。

背景技术：

红外气体浓度探测原理是根据气体红外特征吸收峰测定气体浓度，因此选择特定波长的红外气体分析滤光片是红外气体分析仪的关键部件。光源发出的光经过滤光片后，得到一定带宽的准单色光(带宽越窄单色度越好)，该光通过气体样品池被气体吸收后，由检测器检测出射光强，从而推算出气体的浓度。

随着的世界发展，能源的需求不断地增加，高瓦斯煤矿矿井越来越多，瓦斯爆炸引起的矿井事故也随之增加；同时，城市燃气和石油气中甲烷是重要组成部分，因此这些气体的泄漏随时会引起爆炸、火灾，对人们的生活存在的极大的安全隐患。所以甲烷成分的检测对于煤炭、石油、天然气的开采、冶炼、储藏和运输都可以起到很好的安全防护作用，对于城镇居民的安全也有重要意义。

目前检测甲烷气体的方法主要分为以下几种:热催化燃烧型甲烷浓度检测仪(难熔金属铂丝加热后的电阻会随可燃气体的浓度进行变化)，半导体型甲烷浓度检测仪(半导体的表面电阻会随可燃气体浓度进行变化)。这两种检测方法的缺点是测量的精度较低、当甲烷浓度较高时会引起探测器中毒而无法继续检测等。还有根据光声光谱和光的干涉原理制成的气体检测仪，其推广和应用范围很小，主要是因为结构过于复杂、检测所需的时间较长而且受环境因素的影响很大，其它气体容易影响检测结果。目前较好的方法是根据红外光谱吸收的原理制成的甲烷气体检测仪，这种检测方法克服了以往方法中的探测器中毒、容易受其它气体干扰等缺点，而且灵敏度较高、反应所需时间短、对气体具有较好的选择性。

但是，就目前用于测量甲烷气体的带通红外滤光片，其通带较宽，截止波段不够宽，峰值透射率较低，所以测量准确性、稳定性以及抗干扰的能力还有待提升，灵敏度差，不能满足市场发展的需要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种峰值透过率高，能极大的提高信噪比，有效检测甲烷气体的3310nm带通红外滤光片及其制作方法。。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种甲烷气体检测用红外滤光片，其特征是：

(1)采用单晶Si作基板；硅双面抛光，厚度300±10μm，晶向<100>。

(2)镀膜材料选择一氧化硅SiO和单晶锗Ge，在基板两个表面上分别沉积主膜系面薄膜和干涉截止膜系面薄膜。

(3)主膜系面薄膜结构采用Sub/(HL)6H(LH)L(HL)4H(LH)L(HL)6H(LH)L/Air。

(4)干涉截止膜系面薄膜采用：Sub/0.66(HL)⁸(HL)⁴ 2.6(HL)⁴/Air。

膜系中符号含义分别为：Sub为基板，Air为空气，H和L分别代表膜层Ge(高折射率材料层)和膜层SiO(低折射率材料层)的一个1/4波长光学厚度，中心波长λ＝3310nm，1H＝(4n_H d)/λ；1L＝(4n_L d)/λ，结构式中数字为膜层的厚度系数、结构式中的指数是膜堆镀膜的周期数。

上述的一种甲烷气体检测用红外滤光片的制备方法，以单晶硅Si为基板，一氧化硅SiO和锗Ge为镀膜材料，采用真空热蒸发薄膜沉积的方法制备镀膜层，Ge选用电子束蒸镀，沉积速率为SiO选用多孔钼舟电热蒸镀，沉积速率为开始蒸镀真空度为1.0×10^-3，沉积温度为200℃。

上述的一种甲烷(CH4)气体检测用红外滤光片的制备方法，采用光学监控法控制膜层厚度，并辅以石英晶控控制沉积速率。

上述制备得到的3310nm带通红外滤光片，主膜系采用多腔窄带膜系结构，配合高截止深度的干涉截止膜系，中心波长为3310nm，3280nm～3340nm波段平均透过率为91.06％，半高宽75nm；除中心波长3310nm带宽75nm的通带外，从1000～7000nm范围内的其余光谱全部截止，能极大的提高信噪比，可以很好的抑制其他气体的干扰，产品光学性能和物理强度能很好的满足实际使用要求，广泛应用于甲烷气体红外探测仪器，提高仪器探测精度和效能，可以做到更快速、更精确的确认泄漏点。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、滤光片与传统技术方法相比，具有中心波长为3310nm的窄带透过光谱，透射带的上升沿和下降沿陡峭，波形矩形度好，峰值透过率>90％、截止区域内截止深度<0.5％，因此3310nm的有效工作波段可以尽可能大的透过，而其余无效波段的背景干扰信号则极大的减小，因而可取得优异的信噪比，提高仪器的测试灵敏度和精度。

b、本发明制备的滤光片工艺简单，已能形成批量生产，性能稳定，满足高精度甲烷气体红外探测仪器的性能要求。

附图说明

图1是本发明所述甲烷气体检测用红外滤光片的结构示意图。

其中：基底1为单晶Si，膜层材料2为Ge，膜层材料3为SiO。

图2是滤光片最终性能实测曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的一种甲烷(CH4)气体检测用红外滤光片是：

(1)采用尺寸为Φ50.8×0.3mm的单晶Si作基板；硅双面抛光，厚度300±10μm，晶向<100>。

(2)镀膜材料选择一氧化硅SiO和单晶锗Ge，在基板两个表面上分别沉积主膜系面薄膜A和干涉截止膜系面薄膜B。

(3)主膜A系面薄膜采用：Sub/(HL)6H(LH)L(HL)4H(LH)L(HL)6H(LH)L/Air；

(4)干射膜系B面薄膜采用：Sub/0.66(HL)⁸(HL)⁴ 2.6(HL)⁴/Air。

膜系中符号含义分别为：Sub为基板，Air为空气，H和L分别代表膜层2(Ge)(高折射率材料层)和膜层3(SiO)(低折射率材料层)的一个1/4波长光学厚度，中心波长λ＝3310nm，1H＝(4n_H d)/λ；1L＝(4n_L d)/λ，结构式中数字为膜层的厚度系数、结构式中的指数是膜堆镀膜的周期数。

本实施例提供的一种甲烷气体检测用红外滤光片的制备方法，以单晶硅Si为基板，一氧化硅SiO和锗Ge为镀膜材料，采用真空热蒸发薄膜沉积的方法制备镀膜层，Ge选用电子束蒸镀，沉积速率为SiO选用多孔钼舟电热蒸镀，沉积速率为开始蒸镀真空度为1.0×10^-3Pa，沉积温度为200℃。

由于具体如何蒸发采用电子枪蒸发和采用阻蒸热蒸发镀膜是本领域技术人员所掌握的常规技术，在此不作详细描述。

本实施例提供的一种本专利滤光片采用一面镀多腔窄带膜系，提高有效工作波段的透过率和波形矩形度，一次改善有效信号强度；另一面镀高截止深度的干涉截止膜系，到达1000～7000nm的范围内除通带外的所有无效次峰。

本实施例提供的甲烷(CH4)气体检测用红外滤光片，其中心波长定位精度在0.4％以内，对膜系采用光学监控法控制膜层厚度，并辅以石英晶控控制沉积速率。

采用德国Bruker公司VERTEX 70型傅里叶红外光谱仪对所制备的滤光片进行测试，本滤光片最终性能结构如图2的滤光片最终性能实测曲线图：

1.中心波长λ＝3310nm；

2.带宽Δλ＝75nm；

3.波形系数Δλ10％/Δλ50％＝1.46；

4.峰值透过率Tp＝90.06％；

除通带外1000～7000nm T_avg≤0.5％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。