Deteksi campuran gas CH4/CO2/CO berdasarkan filter optik variabel linier dan array detektor thermopile

Pengantar

Sensor gas memiliki permintaan yang besar di banyak aplikasi industri dan kehidupan nyata. Dalam banyak aplikasi ini, beberapa gas harus dipantau secara bersamaan dalam jangka waktu yang lama dengan perawatan minimal dan di lokasi yang berbeda [1]. Mengambil gas alam misalnya, mengandung campuran metana dalam jumlah besar (CH₄ ) dan sejumlah kecil berbagai gas hidrokarbon (mis., C_x H_y ), yang telah muncul sebagai sumber energi utama. Namun, ketika gas alam terbakar secara terbuka, penggunaan gas alam ternyata meningkatkan risiko kesehatan manusia dan lingkungan. Ini menghasilkan banyak uap air dan campuran senyawa, misalnya, nitrogen oksida (N₂ O), karbon dioksida (CO₂ ), dan bahkan karbon monoksida (CO) dan asap yang disebabkan oleh pembakaran gas alam yang tidak sempurna [2]. Beberapa bahan kimia beracun yang dikeluarkan oleh gas alam tidak hanya berbahaya bagi penduduk, tetapi gas alam yang bocor juga dapat menyebabkan ledakan. Selama beberapa dekade terakhir, persyaratan untuk pemantauan keamanan pada gas alam dan produk pembakarannya terus meningkat, menghasilkan sejumlah besar permintaan untuk detektor gas campuran mini [3]. Miniaturisasi detektor gas dapat menghasilkan proses manufaktur berskala besar dan berbiaya rendah serta konsumsi daya yang rendah. Sementara itu, hal ini juga dapat mengakibatkan penurunan kemampuan analitis atau penurunan fleksibilitas dalam pengukuran multi-parameter.

Detektor gas berdasarkan bahan penginderaan gas chemiresistive (misalnya, semikonduktor oksida logam (MOS), polimer, nanotube karbon (CNT), dan bahan penyerap kelembaban) telah banyak dikembangkan dan diterapkan karena ukurannya yang kecil dan biaya rendah, tetapi kurang memuaskan karena setiap detektor hanya mendeteksi satu jenis gas dengan informasi kualitatif mengenai konsentrasi gas [4,5,6,7]. Selain itu, suhu operasi yang tinggi dan persyaratan untuk kalibrasi dan penyesuaian kembali setelah waktu yang singkat membatasi penerapannya dan meningkatkan biaya perawatan [7]. Untuk alasan ini, beberapa teknik analisis gas telah dikembangkan untuk membuat sensor gas campuran mini. Kromatografi mikro-gas (μGC) berbasis teknologi mikro-elektro mekanik sistem (MEMS) telah membuat kemajuan yang signifikan dalam beberapa dekade terakhir [8]. Sistem GC adalah integrasi hibrida dari beberapa perangkat MEMS (misalnya, injektor, kolom pemisah, detektor gas, katup mikro, dan pompa mikro), yang dapat memberikan analisis yang akurat dari campuran gas kompleks [9, 10]. Namun, hingga saat ini, instrumen GC genggam untuk analisis di tempat masih belum tersedia secara komersial [8]. Teknik penginderaan optik adalah solusi alternatif lain untuk pengukuran gas [11, 12]. Spektrometer Fourier Transform Infrared (FTIR) adalah contoh yang baik dari instrumen yang dapat mengukur gas campuran melalui analisis respon spektral tertentu di wilayah IR. Namun, spektrometer FTIR biasanya merupakan instrumen besar, yang tidak cocok untuk pemantauan gas karena biayanya yang tinggi dan kurangnya portabilitas. Cermin pemindaian berbasis MEMS (Michelson interferometer) adalah solusi baru-baru ini yang muncul untuk spektrometer FTIR mini, yang mampu menyediakan serangkaian panjang gelombang yang terus berubah di pita Near-IR (NIR) atau Middle-IR (MIR) [13,14 ,15,16]. Namun, penggunaan laser IR dan detektor respons cepat (misalnya, PbSe yang didinginkan atau detektor fotokonduktif HgCdTe) akan meningkatkan biaya dan ukuran sistem spektrometer [15]. Metode pengukuran gas campuran lain yang efektif berdasarkan teknologi spektrum serapan IR adalah deteksi gas non-dispersive infrared (NDIR), yang dapat diwujudkan dengan menggunakan beberapa saluran filter IR atau menggunakan saluran gas tunggal dengan sistem chopper multi-filter berputar [17] . Tidak diragukan lagi, kedua teknik pasti akan menghasilkan peningkatan ukuran dan biaya detektor. Untuk alasan ini, banyak perangkat mikro-optik telah digunakan untuk membangun sensor multi-gas NDIR miniatur, misalnya, filter Fabry-Pérot (FP) berbasis MEMS [18, 19], filter kristal fotonik [20, 21], dan filter optik variabel linier (LVOF) [22, 23]

Dalam karya ini, gas campuran mini (misalnya, CH₄ /CO₂ /CO) detektor berdasarkan mekanisme deteksi gas NDIR dibuat menggunakan filter optik variabel linier MIR (LVOF) dan array detektor termopile tanpa pendingin berbasis MEMS. Desain, fabrikasi, dan karakterisasi perangkat mikro dan detektor gas terintegrasi masing-masing disajikan secara rinci. Penggunaan perangkat mikro ini membuat integrasi kompak beberapa detektor gas, yang memiliki keunggulan signifikan dalam ukuran kecil serta biaya rendah dan konsumsi daya dengan menggunakan sumber cahaya, sel gas, dan elemen proses data jika dibandingkan dengan detektor gas NDIR tradisional.

Metode Desain dan Eksperimen

Desain dan Fabrikasi LVOF

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, LVOF dirancang sebagai filter tipe F-P, terdiri dari rongga tirus, dua reflektor Bragg yang dibuat masing-masing di kedua sisi rongga tirus, dan substrat. Rongga dan reflektor atas secara terus menerus meruncing dengan ketebalan variabel linier di sepanjang LVOF, menghasilkan struktur susunan filter tipe F-P dengan filter pita sempit dalam jumlah tak terbatas yang ditempatkan berdampingan pada substrat. Karena cahaya MIR datang pada array linier filter tipe FP, cahaya transmisi difilter band-pass sesuai dengan lebar setiap rongga FP dan dengan demikian oleh posisi spasial sepanjang LVOF [18]. Ketebalan setiap rongga FP akan menentukan panjang gelombang cahaya yang ditransmisikan pada posisi filter yang sesuai. Kami fokus pada pita MIR 2,3~5,0 μm untuk merancang konfigurasi LVOF di mana sebagian besar karakteristik puncak penyerapan gas (misalnya, CO₂ , CO, N₂ O, dan C_x H_y ) terkait dengan kualitas udara dalam ruangan dan lingkungan industri secara umum terpusat. Pemilihan material sangat penting dalam desain filter optik untuk mencapai transmisivitas tinggi dalam panjang gelombang yang ditargetkan. Umumnya, film yang dipantulkan yang menggunakan lapisan logam memiliki absorptivitas yang tinggi pada pita gelombang inframerah, yang akan menghasilkan putaran 15~30% dari transmisivitas puncak dalam filter. Sebaliknya, reflektor yang menggunakan dielektrik multi-lapisan mampu menciptakan transmisivitas puncak yang lebih tinggi dalam filter, misalnya 60~70% pada pita MIR. Dalam karya ini, struktur multi-lapisan dielektrik penuh dianggap untuk membuat reflektor LVOF.

Diagram skema prinsip kerja struktur LVOF

Reflektor di dua sisi rongga tirus dirancang sebagai reflektor Bragg yang terdiri dari lapisan alternatif bahan indeks bias tinggi dan rendah. Struktur multi-lapisan dan kontras indeks bias yang tinggi dapat secara efektif meningkatkan reflektifitas reflektor Bragg. Transmisivitas LVOF (T ) dapat dihitung dengan [22]:

dengan

dan

dimana R ₁ dan R ₂ adalah reflektifitas reflektor Bragg di sisi atas dan sisi bawah rongga runcing, masing-masing. φ ₁ dan φ ₂ adalah perubahan fase cahaya yang dipantulkan masing-masing pada reflektor Bragg sisi atas dan bawah. δ adalah perubahan fase cahaya, yang disebabkan oleh ketebalan lapisan rongga d . Karena cahaya datang adalah normal (tegak lurus) ke substrat, δ memenuhi persamaan berikut:

dimana n adalah indeks bias lapisan rongga. Untuk reflektor Bragg multi-lapisan, reflektifitas dan perubahan fasa film dielektrik multi-lapisan dapat dihitung dengan:

dimana N ₀ adalah indeks bias lapisan dielektrik insiden, dan Y adalah masuknya film dielektrik multi-lapisan, yang dapat dinyatakan sebagai Y =C /B . Melalui metode matriks, matriks karakteristik film dielektrik multi-lapisan dapat dinyatakan sebagai berikut:

dimana, η _j dan δ _j adalah masuk dan perubahan fase j lapisan dielektrik, masing-masing. η _j =T _j dan δ _j =2π T _j d _j /λ . Panjang gelombang puncak (λ ₀ ) dengan transmisivitas maksimum dapat dihitung dengan:

dimana m =k + (φ ₁ + φ ₂ )/2π. Dari Persamaan. (10), dapat dilihat bahwa panjang gelombang puncak adalah ketergantungan linier pada ketebalan rongga.

Dalam penelitian ini, Si dan SiO₂ dipilih sebagai bahan indeks bias tinggi dan rendah, dan SiO₂ digunakan untuk membuat rongga meruncing. Si digunakan sebagai bahan substrat. Bahan-bahan ini transparan di pita MIR, dan mereka kompatibel dengan MEMS dalam proses fabrikasi. Indeks bias Si dan SiO₂ adalah 3,43 dan 1,42 dalam rentang panjang gelombang masing-masing 2,3~5,0 μm. Konfigurasi lapisan LVOF dirancang sebagai Si/(LH ) ⁿ (xL )(HL ) ⁿ H /Udara, di mana H dan L mewakili lapisan indeks bias tinggi dan rendah, masing-masing, n adalah jumlah LH berpasangan, dan x adalah faktor perubahan ketebalan rongga. Perlu dicatat bahwa reflektor akan mendapatkan reflektifitas maksimum ketika lapisan terluar reflektor menggunakan indeks bias bahan Si yang tinggi.

Berdasarkan Persamaan. (6, 7, 8), reflektifitas reflektor Bragg dapat dihitung menggunakan perangkat lunak MATLAB®. Ketebalan Si/SiO yang dirancang optimal₂ lapisan dapat dirujuk dari Tabel 1. Gambar 2 menunjukkan perbandingan reflektifitas simulasi reflektor Bragg dengan 2 pasang dan 4 pasang Si/SiO₂ lapisan. Dapat dilihat bahwa struktur 4 pasang memiliki reflektifitas yang sedikit lebih tinggi serta tepi pita reflektif yang lebih tajam dibandingkan dengan struktur 2 pasang, dan struktur 4 pasang juga menunjukkan lebih banyak orde transmisi out-of-band daripada struktur 2 pasang. Dari Gambar 2, reflektor Bragg menggunakan 2 pasang Si/SiO₂ lapisan memiliki pita reflektif yang lebih luas yang mampu mencapai cakupan pita MIR 2,3~5 μm.

Perbandingan spektrum reflektif simulasi reflektor Bragg dengan 2 pasang dan 4 pasang Si/SiO₂ lapisan

Untuk menghilangkan pengaruh perintah-transmisi out-of-band LVOF, filter pemblokiran out-of-band umumnya digunakan untuk menolak perintah-transmisi out-of-band LVOF lainnya. Seperti ditunjukkan dalam referensi [22], filter pemblokiran out-of-band menggunakan multi-layer Si/SiO₂ struktur ditempatkan di atas reflektor Bragg meruncing. Dalam pekerjaan ini, kami merancang struktur multi-lapisan dielektrik penuh di bagian belakang substrat Si untuk mencapai kedua fungsi antirefleksi dan penolakan out-of-band dalam satu. Mempertimbangkan persyaratan transparansi inframerah tinggi dan kekuatan mekanik yang sangat baik, struktur multi-lapisan Ge/SiO dipilih untuk membuat film antireflektif. Ge memiliki indeks bias tinggi 4,2 dan transmisivitas tinggi pada pita IR 1,7~23 μm sedangkan SiO memiliki indeks bias rendah 1,9 dan transmisivitas tinggi pada pita IR 0,4~9 μm. Gambar 3 menunjukkan simulasi spektrum transmitansi struktur multi-lapisan Ge/SiO dengan fungsi pemblokiran out-of-band dan antirefleksi. Terlihat bahwa ketebalan setiap lapisan multi-lapisan Ge/SiO juga dirujuk dari Tabel 1. Dapat ditemukan bahwa struktur multi-lapisan memiliki pita pemblokiran yang jelas pada kisaran panjang gelombang 1,6~2,5 μm, yang dapat secara efektif menekan perintah transmisi LVOF di wilayah panjang gelombang pendek. Pada saat yang sama, dengan Si sebagai media insiden, struktur multi-lapisan juga menunjukkan pita antireflektif sempurna dalam 2,5~5 μm dengan transmitansi rata-rata tidak kurang dari 0,95.

Spektrum transmisi simulasi struktur multi-lapisan Ge/SiO dengan kedua fungsi penolakan out-of-band dalam 1,6~2,5 μm dan antirefleksi dalam 2,5~5 μm

Menurut puncak penyerapan gas yang ditargetkan, ketebalan SiO₂ rongga dirancang untuk bervariasi secara linier dari 843 hingga 1908 nm, dan 12 saluran filter dirancang khusus, sesuai dengan panjang gelombang tengah dari 2,55 hingga 4,80 nm. Gambar 4 menunjukkan perbandingan spektrum transmisi simulasi LVOF tanpa dan dengan struktur multi-layer Ge/SiO. Dapat dilihat dari Gambar 4 bahwa LVOF dengan struktur multi-lapisan Ge/SiO menunjukkan lebar penuh-pada-setengah-maksimum (FWHM) yang lebih sempit di setiap puncak transmisi dibandingkan tanpa struktur multi-lapisan Ge/SiO. Terlepas dari pengurangan transmisivitas di puncak yang dirancang λ _p =2,55 μm dan λ _p =4,8 μm, transmisivitas semua puncak lainnya jelas ditingkatkan saat menggunakan struktur multi-lapisan Ge/SiO. Selanjutnya, ditemukan bahwa kedua puncak di 4.60 μm dan 4.80 μm memiliki mode umum yang sesuai di wilayah panjang gelombang pendek, misalnya, λ _4.6 =2.36 μm dan λ _4.8 =2.5 μm (lihat Gambar 4(a)), yang dapat dijelaskan dengan Persamaan (10) ketika menggunakan k yang berbeda nilai dalam ketebalan yang sama dari rongga FP. Karena desain pita pemblokiran di wilayah panjang gelombang pendek, puncak di 2.36 μm melemah secara signifikan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4(b).

Perbandingan spektrum transmisi simulasi LVOF tanpa (a ) dan dengan (b ) Struktur multi-lapisan Ge/SiO

Gambar 5 a menunjukkan alur proses fabrikasi LVOF. Parameter fabrikasi LVOF mengikuti parameter yang dirancang optimal, seperti yang disajikan pada Tabel 1. Pertama, struktur multi-lapisan Ge/SiO diendapkan di bagian belakang wafer silikon (lihat Gambar 5a-1). Selanjutnya, Si/SiO₂ struktur multi-layer diendapkan di sisi depan wafer silikon untuk membentuk reflektor Bragg 1, dan kemudian SiO₂ lapisan rongga diendapkan pada reflektor Bragg 1 (lihat Gambar 5a-2). Langkah ketiga adalah meratakan spin-coat photoresist pada lapisan rongga, dan kemudian photomask skala abu-abu khusus dengan perubahan linier dalam intensitas transmisi UV dari rendah (gelap) ke tinggi (terang) sepanjang LVOF digunakan untuk mengekspos photoresist. (lihat Gambar 5a-3). Photomask khusus semacam itu dapat membuat ketebalan cross-linked dari resist memiliki perubahan linier sepanjang LVOF. Langkah keempat adalah mengembangkan photoresist untuk membentuk struktur berbentuk baji, dan kemudian proses reflow panas digunakan untuk menghaluskan permukaan struktur berbentuk baji (lihat Gambar 5a-4). Selanjutnya, struktur photoresist yang meruncing dipindahkan ke SiO₂ underlying lapisan rongga dengan etsa kering (lihat Gambar 5a-5). Terakhir, reflektor Bragg 2 dengan Si/SiO₂ multi-lapisan diendapkan pada lapisan rongga yang meruncing (lihat Gambar 5a-6). Gambar 5 b menunjukkan foto-foto LVOF yang sebenarnya dan struktur paketnya.

a Alur proses fabrikasi berbasis MEMS. b Foto-foto LVOF aktual dan struktur paketnya

Desain dan Pembuatan Detektor Termopile IR

Detektor thermopile memiliki beberapa keunggulan untuk aplikasi pendeteksian gas IR. Pertama, tidak memerlukan catu daya, dan dengan demikian menolak tegangan kebisingan terhadap sumber daya. Kedua, karena arus yang mengalir melalui detektor thermopile sangat kecil, kebisingan frekuensi rendah (derau 1/f) yang disebabkan oleh arus penggerak juga dapat diabaikan. Akhirnya, detektor thermopile dapat digunakan tanpa chopper untuk mendeteksi radiasi DC dan AC inframerah [24]. Sebaliknya, detektor IR piroelektrik memiliki responsivitas dan rasio signal-to-noise (SNR) yang lebih tinggi daripada detektor thermopile, tetapi mereka memerlukan chopper untuk mendeteksi radiasi yang terjadi. Ini akan mengakibatkan peningkatan ukuran detektor serta biaya aplikasi. Oleh karena itu, detektor thermopile lebih cocok untuk aplikasi detektor gas mini dan murah.

Dalam karya ini, detektor thermopile dirancang untuk menghasilkan tegangan Seebeck yang diperkuat dengan menghubungkan beberapa pasang elemen termokopel secara seri untuk membentuk struktur yang kompak. Ukuran chip thermopile dirancang sebagai 1.1 mm (panjang) × 1.1 mm (lebar) dengan ukuran aktif 0.35 mm × 0.35 mm. Gambar 6 a menunjukkan alur proses fabrikasi detektor thermopile berbasis MEMS. Pertama, teknologi oksidasi termal digunakan untuk menghasilkan SiO₂ lapisan dengan ketebalan 0,6 μm pada wafer silikon (lihat Gambar 6a-1), kemudian poli-silikon (poli-Si) dengan ketebalan 0,5 μm diendapkan pada SiO₂ lapisan (lihat Gambar 6a-2). Selanjutnya, poli-Si disusun untuk membentuk balok termokopel dengan teknik litografi dan RIE (lihat Gambar 6a-3). Mengikuti langkah di atas, boron ditanamkan dengan 45 keV dan 5,5 × 10 ¹⁵ cm ⁻² untuk menyadari p -jenis poli-Si dan fosfor ditanamkan dengan 40 keV dan 7 × 10 ¹⁵ cm ⁻² untuk menyadari n -jenis poli-Si (lihat Gambar 6a-4 dan -5), dan kemudian pasca-anil (lihat Gambar 6a-6) dilakukan pada 1000 °C selama 30  menit. Pada langkah berikutnya, film aluminium (Al) diendapkan dan dipola di atas lapisan perangkat untuk menentukan sambungan listrik termokopel dan bantalan ikatan (lihat Gambar 6a-7 dan -8), dan kemudian proses anil metalisasi pada 400 °C selama 30 menit dilakukan untuk mewujudkan kontak ohmik antara poli-Si yang didoping dan Al (lihat Gambar 6a-9). Akhirnya, membran aktif dibentuk menggunakan proses etsa silikon menggunakan DIRE dari bagian belakang wafer silikon (lihat Gambar 6a-10, -11, dan -12). Gambar 6 b menunjukkan foto-foto chip thermopile berbasis MEMS yang dikemas dalam soket, dan Gambar 6 c menunjukkan tampilan chip thermopile yang diperbesar.

a Alur proses fabrikasi detektor thermopile berbasis MEMS. b Foto-foto chip thermopile berbasis MEMS yang dikemas dalam soket. c Tampilan chip thermopile yang diperbesar

Desain dan Pembuatan Detektor Gas Campuran Miniatur

Gambar 7 a menunjukkan diagram skema prinsip kerja detektor gas campuran. Detektor gas campuran terdiri dari sumber IR, kolimator, sel gas, dan spektrometer berbasis LVOF terintegrasi. Cahaya IR yang dipancarkan oleh sumber cahaya IR disejajarkan oleh kolimator dan kemudian mengenai LVOF. Akibatnya, spektrum IR kontinu ditransformasikan menjadi beberapa spektrum lintasan pita sempit yang diskrit, secara terpisah sesuai untuk setiap saluran filter dengan panjang gelombang puncak dalam variasi linier. Sebuah array linier detektor thermopile ditempatkan di bawah LVOF untuk mentransfer energi cahaya insiden dari saluran filter yang berbeda menjadi sinyal listrik. Integrasi kompak LVOF dan array detektor thermopile membuat spektrometer berbasis LVOF miniatur. Detektor gas campuran mini memiliki keuntungan signifikan dalam mengurangi ukuran keseluruhan detektor multi-gas serta mengurangi biaya fabrikasi dan konsumsi daya dengan menggunakan sumber cahaya, sel gas, dan elemen proses data jika dibandingkan dengan gas NDIR tradisional. detektor.

a Diagram skema prinsip kerja detektor gas campuran mini. b Foto-foto spektrometer miniatur berbasis LVOF. c Array chip thermopile dikemas dalam soket

Gambar 7 b dan c menunjukkan foto-foto spektrometer berbasis LVOF mini dan susunan chip thermopile yang dikemas dalam soket, masing-masing. Sebanyak 12 chip thermopile terintegrasi sebagai array linier dan dipasang berdampingan dalam soket, di atasnya terdapat jendela LVOF. Desain seperti itu akan mengoperasikan panjang gelombang IR dari 2,3 hingga 5,0 μm, dengan ketergantungan linier yang sangat baik dari ~ 156 nm/mm di atas 16 mm. Konsentrasi setiap gas dalam campuran gas dapat dideteksi secara terpisah dengan mengontrol susunan sakelar untuk membaca-sapu dan memproses data dari setiap chip thermopile.