一种CO₂气体检测用红外滤光片及其制备方法

一种CO₂气体检测用红外滤光片及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种CO2气体检测用红外滤光片及其制备方法，红外滤光片基底材料选用单晶Si，高折射率材料选用Ge，低折射率材料选用SiO。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，其镀膜工艺条件为：其中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℃。得到的4260nm带通红外滤光片，峰值透过率可达90％以上，极大的提高信噪比，很好的抑制其他气体的干扰，提高仪器探测精度和效能。
【专利说明】
_种C〇2气)体检测用红外滤光片及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及红外滤光片制备技术领域，具体涉及一种CO2气体检测用红外滤光片 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在冶金、航空航天、农业、医疗、环保等方面都需要对CO2的浓度进行定量检测与控 制，且许多情况下应用环境十分恶劣，如易燃易爆、高温、高压、有磁场等场合。因此，开发出 稳定性好、选择性好、灵敏度高、小型化便携式的CO 2气体传感器，具有很高的实用价值。
[0003] 红外分析仪是利用气体红外特征吸收峰测定气体含量的仪器，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。由于CO 2气体在4260nm波长处具有较强特征吸收光谱，通过探测气体对4260nm 波长红外光谱的衰减可推算其CO2含量。
[0004] 根据资料检索，如文献"林喆.TPS2534新型红外气体浓度传感器的研究与应用.电 大理工，2011，246( 1): 10-12TPS2534新型红外气体浓度传感器越来越多应用于红外气体 浓度检测仪器的生产与设计中。针对⑶2气体浓度检测，主要选用TPS2534G2型号滤光片安 装在TPS2534传感器的传感窗口，中心波长为4.26μπι，中心波长偏差± 1 %，半高宽为180 土 20nm，半高宽/中心波长为4.2 %，峰值透射率大于73 %。中国专利ZL95244862.9 "4.26微米 窄带滤光片"以白宝石为基板，ZnSe和ZnTi为高低折射率材料，设计出中心波长λ〇 = 4.26 土 0 · Ο?μπι，半高宽λ〇 · 50 = 0 · 14±0 · 02μπι，波形系数η= Δ λ〇 · 10/ Δ λ〇 · 〇〇 < 1 · 4,峰值透射率 Tmax2 70%的4260nm窄带滤光片。
[0005] 但上述两种滤光片通带较宽，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。
[0006] 文献"朱华新，王彤彤，高劲松等.超宽截止边带滤光片研究.人工晶体学报，2013， 43(12) :2701-2706"通过叠加不同中心波长的多层周期膜，然后在各不同周期膜层之间添 加过渡层，直接展宽截止带宽度，实现了0.5-0.85μπι截止区的截止深度达5 X HT3以下，0.9-1.3μπι通带内的平均透过率也达到83.14%的超宽截止边带滤光片研究。但其为消除透射次 峰添加较多过渡层，使单面镀膜层数达57层，且截止带宽度仅为0.35μπι，截止深度也不理 想。文献"李冬梅，刘爽，付秀华等.红外线治疗仪中宽波段带通滤光片的研究.光子学报， 2015,44(3):0301001"采用"拆分技术要求"的设计思想，将滤光片的整体技术要求进行细 化拆分，按拆分后的要求设计新的膜系，并在Κ9玻璃基底上进行双面镀制，通过双面叠加的 方式最终实现，600-1200nm波段平均透过率大于95%，300~550腹、1270~200011111波段平均 透过率低于1%，红外线治疗仪中宽波段带通滤光片。但其拆分后都是采用一种基础膜系进 行设计与优化，导致两面膜层数达173层，制备过程难度较大而改采用截止型玻璃作为基底 的方法。文献"李冬梅，王晓娟，付秀华等.近红外宽截止窄带滤光片的研制.光子学报， 2014,43(1):0131002"通过正面采用常规多腔窄带滤光片膜系，反面采用干涉截止滤光片 膜系，最终实现1530~1600nm波段平均透过率高于92%，800~1530腦、1600~180011111波段 平均透过率低于0.3%的近红外宽截止窄带滤光片的研制。但正面膜材料采用Ti02和Si02， 反面采用Si和Si02,虽然有效的减少了反面膜层，但是也增加制备难度且截止波段也较窄， 同时正面常规多腔窄带滤光片膜系多达33层，还有待于进一步的优化。
[0007] 但是，就目前用于测量二氧化碳的4260nm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。

【发明内容】

[0008] 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CO2气体的4260nm带通红外滤光片及其制作方法。
[0009] 为了实现上述目的，本发明所设计的一种CO2气体检测用红外滤光片，其特征是：
[0010] (1)采用单晶Si作基板;硅双面抛光，厚度300 ± ΙΟμπι，晶向〈100>。
[0011] (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。
[0012] (3)主膜系面薄膜结构采用Air/1.16L1.232HL 6HLHLHL 4HLHLHL 6HLH/Sub。
[0013] ⑷干涉截止膜系面薄膜采用：Sub/0.42(HL)9 0.65(HL)8 1.53(HL)6/Air。
[0014] 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 = 4260ηπι，IH = (4nH d)/A;lL=(4ru cO/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。
[0015] 上述的一种⑶2气体检测用红外滤光片的制备方法，以晶硅S i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8 A/sec;SiO选用多孔钼舟电热蒸镀，沉积速率为40 A/sec，开始蒸镀真空度为 1.0 X 10-3Pa，沉积温度为200 °C。
[0016] 上述的一种CO2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。
[0017] 上述的制备得到的4260nm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4260nm，4240nm~4280nm波段平均透过率为 91.83%，半高宽为IOOnm;除中心波长4260nm带宽IOOnm的通带外，从1500~1000 Onm范围内 的其余光谱全部截止，1500nm~4180nm平均透射率为0.038%，435011111~800011111平均透射率 为0.044%，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CO 2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。
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0019] 1、滤光片与传统技术方法相比，具有中心波长为4260nm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〈0.1%，因 此4260nm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。
[0020] 2、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C02 气体红外探测仪器的性能要求。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明所述CO2气体检测用红外滤光片的结构示意图；
[0022] 其中：基底1为单晶Si，膜层材料2为Ge，膜层材料3为SiO。
[0023] 图2是滤光片最终性能实测曲线图。
【具体实施方式】 [0024] 实施例1
[0025]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0026] 实施例1:
[0027]如图1所示，本实施例提供的一种C02气体检测用红外滤光片及其制备方法是： [0028] (1)采用尺寸为Φ50.8的单晶Si作基板;硅双面抛光，厚度300±10μπι，晶向〈100>。
[0029] (2)镀膜材料选择SiO和单晶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。
[0030] (3)主膜系面薄膜结构采用Air/1.16L1.232HL 6HLHLHL 4HLHLHL 6HLH/Sub。
[0031] (4)干涉截止膜系面薄膜采用：Sub/0.42(HL)9 0.65(HL)8 1.53(HL)6/Air。
[0032] 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(Si0)(低折射率材料层)的一个1/4波长光学厚度，中心波长λ = 4260ηπι， 1H=(4m d)/A;lL=(4nL cO/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。
[0033] 本实施例提供的一种C02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8 A/sec。SiO选用多孔钼舟电热蒸镀，沉积速率为40 Α/sec，开始蒸镀 真空度为I. 〇 X HT3Pa，沉积温度为200 °C。
[0034] 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。
[0035] 本实施例提供的一种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1500 ~8000nm的范围内除通带外的所有无效次峰。
[0036] 本实施例提供的⑶2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。
[0037]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：
[0038] 1 ·中心波长λ = 4260ηηι;
[0039] 2.带宽 Δλ=1〇〇ηπι;
[0040] 3 ·波形系数 Δ λ1〇 % / Δ λ50 % = 1 · 47;
[0041 ] 4.峰值透过率 Τρ = 91·83%;
[0042] 除通带外 1500~8000nm Tavg<0.05%。
[0043] 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。
【主权项】
1. 一种C〇2气体检测用红外滤光片，其特征在于： (1) 采用单晶Si作基板;娃双面抛光，厚度300± ΙΟμπι，晶向<100〉； (2) 锻膜材料选择一氧化娃SiO和单晶错Ge，在基板两个表面上分别沉积主膜系面薄膜 和干设截止膜系面薄膜； (3) 主膜系面薄膜结构采用Air/1.16L1.232HL細LHLHL 4HLHLHL細LH/如b; (4) 干设截止膜系面薄膜采用：如b/0.42化L)9 0.65化L)8 1.53化L)s/Air; 膜系中符号含义分别为：Sub为基板，Air为空气，Η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，中屯、波长λ = 4260ηπι，1Η=(4ηΗ d)/A;lL=(4nL (1)/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锻膜的周 期数。2. 如权利要求1所述的一种C〇2气体检测用红外滤光片，其特征在于:采用真空热蒸发薄 膜沉积的方法制备锻膜层，Ge选用电子束蒸锻，沉积速率为8 A/sec;Si0选用多孔钢舟电热 蒸锻，沉积速率为40 A/sec，开始蒸锻真空度为1.0 X l(T3Pa，沉积溫度为200°C。3. 如权利要求2所述的一种C〇2气体检测用红外滤光片，其特征在于:采用光学监控法控 制膜层厚度，并辅W石英晶控控制沉积速率。4. 如权利要求1所述的一种C0巧体检测用红外滤光片，其特征在于:所述红外滤光片， 主膜系采用多腔窄带膜系结构，配合高截止深度的干设截止膜系，中屯、波长为4260nm， 4240皿~4280皿波段平均透过率为91.83%，半高宽为100皿;除中屯、波长4260皿带宽100皿 的通带外，从1500~lOOOOnm范围内的其余光谱全部截止，1500nm~4180nm平均透射率为 0.038 %，4350nm~SOOOnm平均透射率为0.044 %。
【文档编号】G02B5/28GK105842770SQ201610325524
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】乔冠军, 侯海港, 黄清伟, 邵海成, 刘桂武
【申请人】江苏大学