在传统的非色散红外（NDIR）气体传感器中，通常需要将宽光谱红外（IR）光源或探测器与窄带滤光片组合使用，以消除非目标气体的干扰。因此，多路复用NDIR气体传感器需要多对窄带滤光片，这不利于小型化和集成化。尽管等离子体超构材料（metamaterial）或多层薄膜结构已被广泛应用于光谱吸收滤光片，但实现高性能、大面积、多波段和紧凑型滤光片仍具有相当大的挑战性。
据麦姆斯咨询报道，近日，四川大学、中山大学的研究人员组成的团队提出并展示了一种基于平面金属-绝缘体-金属（MIM）腔的窄带超构吸收器（meta-absorber），其顶部覆盖金属超薄膜。通过控制介电间隔层的厚度，该超构吸收器可以获得对不同波长的近乎完美的吸收。更重要的是，所提出的超构吸收器表现出角度相关特性，通过改变光源的入射角可以匹配不同气体的吸收光谱。该研究团队还初步研究了超构吸收器的CO₂气体传感能力。随后，研究团队提出了一种集成了基于微机电系统（MEMS）的电热驱动器（ETA）的可调超构吸收器。通过施加直流（DC）偏置电压，可以控制超构吸收器的倾斜角，并且可以从理论上推导出倾斜角与施加电压之间的关系。基于MEMS的可调超构吸收器的概念为高度集成、小型化和节能的NDIR多气体传感系统提供了一种新的思路。上述研究成果以“Tunable MEMS-based meta-absorbers for nondispersive infrared gas sensing applications”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
图1a显示了所提出的基于平面MIM腔的超构吸收器的示意图。顶部Au超薄膜与底部Al反射层之间由中间层SiO₂介电薄膜隔开。三层的厚度从下到上依次为d₁、d和d₂。为了最大限度地减少透射，Al层的厚度（d₁）为200 nm，使其大于红外电磁波的穿透深度。Au超薄膜的厚度（d₂）有意设置为10 nm，以确保红外光可以穿透并形成强大的腔体约束。
任意偏振光可以表示为两条相互正交的线偏振光的叠加。为便于解释和分析，研究人员将平行于入射光平面的电场（E）的偏振态定义为P偏振，将垂直于入射光平面的电场的偏振态定义为S偏振，如图1b所示，它们是正交的线偏振光。
图1 本研究所提出的超构吸收器的示意图
研究人员通过时域有限差分法（FDTD）得到了所提出的超构吸收器在不同介电层厚度下的模拟吸收光谱，以及谐振波长与厚度之间的对应关系。这些结果表明，通过简单地改变介电层的厚度，可以线性地获得所需的谐振波长，从而可将超构吸收器应用于更宽的频带。
与许多其它等离子体超构材料吸收器不同，基于平面MIM腔的超构吸收器的谐振通常对照明光源的入射角敏感，这对匹配不同气体吸收光谱的吸收谐振有很大启发。
为了阐明基于平面MIM腔的超构吸收器的角度调谐能力在NDIR气体传感应用中的发展潜力，研究人员计算了从NIST Chemistry WebBook中获得的CO、N₂O、CO₂、HBr、H₂CO五种气体的吸收光谱对应的P偏振波和S偏振波的入射倾角，如图2a和2b所示。将图2a与图2b的结果进行比较可以发现，超构吸收器对S偏振波的吸收光谱比对P偏振波的吸收光谱具有更窄的半峰全宽（FWHM）值，以及在较大入射角下具有更好的吸收特性。在不同入射角下P偏振和S偏振样本所展示的吸收光谱可以捕获目标气体的红外特征并排除其他密集的红外吸收光谱，这得益于所提出的超构吸收器的出色的窄带吸收和角度调谐性能。
图2 不同气体的吸收光谱对应于所提出超构吸收器的特定光谱
然而，改变光源的入射角是集成化、小型化的气体传感器芯片中的一个难题，利用MEMS技术实现超构吸收器的离面运动来改变倾斜角度可以达到同样的效果。如图3a所示，研究人员提出了一种基于MEMS的超构吸收器设计，该设计由基于平面MIM腔的超构吸收器与电热驱动器平台集成而成。
图3 基于MEMS的超构吸收器及计算模型
基于以上结果，研究人员提出了一种NDIR多气体传感系统，如图4所示。该基于NDIR架构并结合MEMS超构吸收器的多气体传感系统可实现可调窄带红外吸收，传感系统由三部分构成：配备必要准直和聚焦光学器件的宽带中红外（MIR）光源、气室和集成红外探测器的基于MEMS的超构吸收器。
由于基于平面MIM腔的超构吸收器的谐振波长与入射角相关，因此可以通过向电热驱动器施加特定驱动电压来间接控制入射角，从而将吸收的辐射滤波至不同目标气体的光谱吸收带，如图2所示。这使得传统NDIR气体传感器中的多对窄带滤光片变得多余，从而实现了无滤光片的多路复用型NDIR气体传感架构。
图4 基于NDIR架构并结合MEMS超构吸收器（窄带红外吸收）的多气体传感系统示意图
研究人员对基于平面MIM腔的超构吸收器的气体传感能力进行了初步测试。图5a显示了测试设置的照片。图5b显示了超构吸收器在CO₂气体吸收试验中测得的吸收光谱。图5c显示了波长为4.29 μm和4.48 μm的吸收率。在波长4.29 μm处，CO₂气体具有强吸收，由于高浓度CO₂气体的引入，超构吸收器的吸收率与含有高浓度CO₂气体的超构吸收器的吸收率有显著差异，从0.012增加到0.840。相反，在波长4.48 μm处，来自CO₂气体吸收的超构吸收器的吸收率为0.25，即使在高浓度CO₂气体下也变化不大。这些实验结果初步验证了CO₂气体对超构吸收器吸收光谱的影响。此外，经过光谱验证后，NDIR气体传感的理论可行性也得到了充分说明。本研究所提出的超构吸收器与红外探测器集成后在NDIR气体传感应用中是有效的。
图5 测试设置及CO₂气体测量结果
综上所述，这项研究提出并展示了一种基于平面MIM腔的超构吸收器，具有无需光刻、大面积、高性能等优点。当使用CO₂气体作为测试目标时，所提出的器件显示出光学角度相关特性，并且适用于NDIR气体传感应用。通过集成基于MEMS的电热驱动器，研究人员还提出了一种主动可调超构吸收器，以消除多对窄带滤光片的需求，并优化现有的多路复用 NDIR气体传感器芯片。这项研究成果有望为新一代高度集成、小型化和低成本的NDIR气体传感器开辟一条新途径。此外，由于基本原理的普适性，基于MEMS的可调超构吸收器具有极大的灵活性和高通量制造便利性，适用于宽光谱，可进一步应用于角度传感、热发射工程和成像系统应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00851-w
