[实用新型]一种集成型多组分红外气体探测器

说明书

本实用新型公开了一种集成型多组分红外气体探测器，包括自上而下设置的光学芯片与红外探测器芯片，光学芯片下表面包括至少三个聚焦光学单元，每个聚焦光学单元为一个超表面透镜；红外探测器芯片包括至少三个红外探测单元，其中一个作为参考单元，且红外探测单元与聚焦光学单元一一对应；红外探测器芯片的探测波长覆盖中波红外与长波红外。本实用新型目的在于通过在红外探测器芯片上方设置带有聚焦光学单元的光学芯片，以解决现有技术的红外气体探测系统在对多组分气体进行高灵敏探测时探测灵敏度不足、系统体积大与集成度低的问题。

技术领域

本实用新型属于气体传感技术领域，更具体地，涉及一种集成型多组分红外气体探测器。

背景技术

随着红外光谱气体检测技术在食品检测、果蔬储运、生物化工等领域内的应用越来越广泛，人们对红外气体探测器的需求也日新月异，同时对多种气体进行高灵敏的探测也具有强烈的需求。传统的多组分红外气体探测器往往是通过把封装好的单组分探测器进行简单的组合，所占体积大，光路的设计也难以紧凑。目前采用FP腔可调滤波器可以在只使用单个宽谱探测器的情况下，实现对多波段或多组分气体的探测，如文献(Shangzhi Li,et.al.,Simultaneous multi-gas detection between 3and 4μm based on a 2.5-mmultipass cell and a tunable Fabry-Pérot fifilter detector,SpectrochimicaActa Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2019,216:154–160)所述技术。其优势是可以在一定光谱范围内连续选调所需波长，但是采用FP腔滤波器存在可调范围有限的问题，难以同时兼顾吸收波长分别在中波和长波红外波段的多组分气体探测。并且，FP腔可调滤波器的成本较高，其使用受到了很大的限制。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种集成型多组分红外气体探测器，其目的在于通过在红外探测器芯片上方设置带有聚焦光学单元的光学芯片，以解决现有技术的红外气体探测系统在对多组分气体进行高灵敏探测时探测灵敏度低、体积大与集成度低的问题。

按照本实用新型的一方面，提供了一种集成型多组分红外气体探测器，包括自上而下设置的光学芯片与红外探测器芯片，所述光学芯片下表面包括至少三个聚焦光学单元，每个所述聚焦光学单元为一个超表面透镜；所述红外探测器芯片包括至少三个红外探测单元，其中一个作为参考单元，且所述红外探测单元与所述聚焦光学单元一一对应；所述红外探测器芯片的探测波长覆盖中波红外与长波红外。

优选地，每个所述超表面透镜包括多个高度相同的圆柱形单元，所述圆柱形单元高度满足h≥λ_max/(n_s-n_i)，其中，λ_max为最大的红外探测波长，n_s和n_i分别为所述圆柱形单元的介质折射率和环境材料折射率。

优选地，所述光学芯片上表面包括至少三个滤波光学单元，所述滤波光学单元与所述聚焦光学单元一一对应，每个所述滤波光学单元为金属孔洞阵列结构。

优选地，相邻所述聚焦光学单元之间无缝隙。

优选地，所述滤波光学单元的材料为银，所述金属孔洞阵列结构包括多个金属孔洞，所述金属孔洞的周期范围为3～12μm，金属孔洞直径与周期之比为20～35％，厚度的范围为0.6～1.5μm。

优选地，述光学芯片与所述红外探测器芯片之间设置有衬垫芯片，以提供光学芯片与红外探测器芯片之间的特定距离。

优选地，述衬垫芯片内部中空或中间设置有圆孔。

优选地，所述红外探测器芯片的探测波长包括3.5μm、9.7μm和 10.6μm。