一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置及检测方法

本发明涉及红外非色散多气体检测，具体涉及一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置及检测方法。

背景技术：

1、气体检测在工业、农业、环境、航天等领域具有重要的作用。光学气体传感器与电化学传感器、半导体传感器等接触式传感器相比，具有更好的选择性、寿命长、不易中毒、实用性强等优点，适用于检测分子结构不对称的气体。常见的光学气体传感技术有非色散红外(ndir)、可调谐激光吸收光谱技术(tdlas)、光声光谱(pas)技术等。ndir气体传感技术因其具有制作简单、性价比高等优点被广泛应用。ndir气体传感系统主要由红外光源、光学气室和探测器组成。目前，ndir技术研究的一个热点是在减小尺寸和成本的情况下，提高检测的灵敏度。同时，对多种温室气体(如甲烷、二氧化碳)进行片上传感在工业、农业和气象学中都是非常重要的，但由于气体间存在相互干扰，这一传感应用仍然具有挑战性。

2、表面增强红外吸收(seira)技术利用金属纳米天线在中红外“分子指纹”范围内放大近场强度而受到广泛关注。金属纳米天线的局域表面等离子激元能够产生极大的局域电磁场增强。当气体分子红外振动与局域表面等离子激元发生耦合共振时,气体分子的振动信号会被极大增强,可实现气体分子的痕量检测。因此，将seira技术与ndir技术联用，可解决ndir传感器目前面临的小型化、高性能的要求。然而，现有的报道中，seira技术普遍使用红外显微镜作为分析仪器，体积大、价格昂贵，不能实时显示气体分析结果，限制了该技术的现场应用。此外，目前现有的基于表面增强红外吸收的多气体检测研究非常少，尚未有系统级方案实施。

技术实现思路

1、针对现有seira-ndir技术中，因无多气体检测的实施方案，对设备要求高及分析仪器较大，不能现场应用的问题，本发明提出一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置及检测方法，结合组合圆形天线阵列，利用增强的电场提高气体的吸收，该方法可以显著提高传感器的灵敏度；同时采用合理的超材料结构设计，同时增强甲烷和二氧化碳气体的红外吸收，结合一种反射型气室结构，选择小型光源和探测器，使seira-ndir多气体传感器小型化，满足现场应用的需要。

2、本发明采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供了一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置，包括主控制器、红外led温控驱动器、红外led光源、第一平凹反射镜、合束镜、离轴抛物面镜、反射型气室、第二平凹反射镜、聚焦透镜、红外探测器单元、探测器温控驱动器、双通道前置放大器、双通道数字锁相放大器；

4、所述主控制器、红外led温控驱动器、红外led光源、第一平凹反射镜、合束镜、离轴抛物面镜、反射型气室、第二平凹反射镜、聚焦透镜、红外探测器单元、双通道前置放大器、双通道数字锁相放大器首尾依次相连形成回路；其中，所述主控器与数字锁相放大器相连。

5、在上述技术方案中，进一步地，所述反射型气室包括硅衬底、金层、氧化铝层、组合金属阵列天线和pdms气室外壳，所述金层设置在硅衬底上，所述氧化铝设置在金层上，所述组合金属阵列天线设置在氧化铝层上，所述pdms气室外壳罩在组合金属阵列天线上且其底部固定在硅衬底边缘，所述pdms气室外壳罩的顶部设置有caf2窗口，其两侧分别设置有进气孔和排气孔。

6、在上述技术方案中，更进一步地，所述组合金属阵列天线是由俯视为圆形的大圆面和小圆面依次间隔排列形成的阵列天线结构，所述大圆面的直径为1010nm，所述小圆面的直径为762nm，其周期为3.6μm，金属阵列天线高度为80nm。

7、在上述技术方案中，更进一步地，所述反射型气室通过进气孔与气体预处理单元连接，并通过排气孔与废气处理单元连接。

8、在上述技术方案中，更进一步地，反射型气室的制备流程如下：

9、步骤1：利用磁控溅射法在硅衬底上制备金层，利用热蒸镀法在金层上制备氧化铝层；

10、步骤2：在步骤一的基础上制备组合圆形光刻胶掩模结构，显影之后，得到目标图形；

11、步骤3：在显影之后的衬底上采用磁控溅射法制备金天线阵列；

12、步骤4：利用丙酮除去多余光刻胶，最终形成组合金属天线阵列；

13、步骤5：将粘有caf2窗口的pdms气室外壳与硅衬底粘合，得到基于表面增强红外吸收光谱的反射型气室。

14、在上述技术方案中，进一步地，所述红外led光源包括红外甲烷led光源和红外二氧化碳led光源，通过红外led温控驱动器控制红外甲烷led光源和红外二氧化碳led光源恒温恒流模式工作，红外甲烷led光源的驱动信号频率为2khz，红外二氧化碳led光源的驱动信号频率为5khz。

15、在上述技术方案中，更进一步地，所述红外探测器单元内部设置有分束镜、红外甲烷探测器和红外二氧化碳探测器，汇聚到红外探测单元的光线经分束镜将出射光线分束到红外甲烷探测器和红外二氧化碳探测器表面。

16、第二方面，本发明提供了一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置检测气体待测物的方法，包括以下步骤：

17、步骤s1：通过气体配气系统，将不同浓度的待测气体送入气体预处理单元，处理之后，通入反射型气室，待气体充满整个气室；

18、步骤s2：通过主控制器驱动红外led温控驱动器控制红外甲烷led光源和红外二氧化碳led光源的温度在25℃；并控制其电流为200ma，占空比为50％，且红外甲烷led光源的驱动信号频率为2khz，红外二氧化碳led光源的驱动信号频率为5khz；

19、步骤s3：红外甲烷led光源和红外二氧化碳led光源发出的光线经合束器合束后，通过离轴抛物面镜进入反射型气室；

20、步骤s4：通过调节第一平凹反射镜、合束镜、离轴抛物面镜、第二平凹反射镜、聚焦透镜以及反射型气室，使红外探测器单元输出信号信噪比最大；进入反射型气室内的光线被气体吸收，少部分反射光经过第二平凹反射镜和聚焦透镜进入红外探测器；

21、步骤s5：利用红外探测器单元将反射型气室的输出光信号转变为电信号，经过双通道前置放大器和数字锁相放大器，得到待测物的吸收信号；

22、步骤s6：主控制器根据测得的吸收信号，表征待测气体对光的吸收，分析金属天线对待测多气体吸收的增强效果，进行拟合，得到吸收信号与气体浓度的关系。

23、本发明的有益效果：

24、1.本发明设计了圆形的组合金属天线阵列，组合金属天线阵列附近增强的电场充分与待测气体相互作用，通过优化天线阵列半径和周期，实现甲烷和二氧化碳吸收信号的同时增强，提高检测灵敏度，实现ndir多气体传感。

25、2.本发明将组合金属天线阵列生长在硅片上，设计制作小型化反射型表面增强型pdms气室，结合小型的红外led光源和探测器，采用频分复用方式结合数字锁相放大器技术，提高检测的灵敏度，实现了ndir多气体传感器的小型化。

技术特征：

1.一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置,其特征在于，包括主控制器、红外led温控驱动器、红外led光源、第一平凹反射镜、合束镜、离轴抛物面镜、反射型气室、第二平凹反射镜、聚焦透镜、红外探测器单元、探测器温控驱动器、双通道前置放大器、双通道数字锁相放大器；

2.根据权利要求1所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置,其特征在于，所述反射型气室包括硅衬底、金层、氧化铝层、组合金属阵列天线和pdms气室外壳，所述金层设置在硅衬底上，所述氧化铝设置在金层上，所述组合金属阵列天线设置在氧化铝层上，所述pdms气室外壳罩在组合金属阵列天线上且其底部固定在硅衬底边缘，所述pdms气室外壳罩的顶部设置有caf2窗口，其两侧分别设置有进气孔和排气孔。

3.根据权利要求2所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置,其特征在于，所述组合金属阵列天线是由俯视为圆形的大圆面和小圆面依次间隔排列形成的阵列天线结构，所述大圆面的直径为1010nm，所述小圆面的直径为762nm，其周期为3.6μm。

4.根据权利要求2所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置,其特征在于，所述反射型气室通过进气孔与气体预处理单元连接，并通过排气孔与废气处理单元连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置,其特征在于，反射型气室的制备流程如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置,其特征在于，所述红外led光源包括红外甲烷led光源和红外二氧化碳led光源，通过红外led温控驱动器控制红外甲烷led光源和红外二氧化碳led光源恒温恒流模式工作，红外甲烷led光源的驱动信号频率为2khz，红外二氧化碳led光源的驱动信号频率为5khz。

7.根据权利要求6所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置,其特征在于，所述红外探测器单元内部设置有分束镜、红外甲烷探测器和红外二氧化碳探测器，汇聚到红外探测单元的光线经分束镜将出射光线分束到红外甲烷探测器和红外二氧化碳探测器表面。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体检测装置检测气体待测物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供一种基于表面增强红外吸收光谱的非色散多气体红外气体检测装置及检测方法，涉及红外气体检测领域。装置包括红外LED光源、合束镜、平凹反射镜、离轴抛物面镜、基于表面增强红外吸收光谱的反射型气室、CaF<subgt;2</subgt;聚焦透镜、红外探测器、LED温控驱动器、前置放大器、数字锁相放大器、探测器温控驱动器和主控制器单元。其中反射型气室是由硅衬底、金层、氧化铝(Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;)层、组合金属阵列天线、CaF<subgt;2</subgt;窗口组成的聚二甲基硅氧烷(PDMS)气室。本发明采用组合金属阵列，调整特征吸收位置，使多气体分析物充分利用增强表面区域的电场，从而有效增强分析物对红外光的吸收，提高了传感性能。

技术研发人员：宋芳,郑传涛,朱恒亮,皮明权,赵焕,王一丁
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15