Detektor Gas Campuran Miniaturisasi Menggunakan Filter Optik Variabel Linier Mid-IR dan Array Termopil MEMS
Abstrak
Studi ini merinci desain, pembuatan, dan pengujian filter optik variabel linier (LVOF) mid-infrared (MIR) yang kompak dan array detektor termopil MEMS yang tidak diudara untuk pengukuran simultan CH₄, CO₂, dan CO. LVOF, filter Fabry-Pérot berongkat tapered, mengonversi spektrum MIR broadband menjadi serangkaian saluran band-pass sempit dengan panjang gelombang puncak yang terdistribusi linier. Reflektor Bragg multi-lapisan dielktris di kedua sisi ongkat dan lapisan penolak anti-refleksi/luar-band yang terintegrasi meningkatkan transmisi hingga 70 % dengan lebar paruh maksimum (FWHM) rata-rata 400 nm di seluruh 2,3–5,0 µm. Array termopil, yang dibuat dengan menumpuk banyak termokopi p-/n-poly-Si, memberikan responsivitas 146 µV/°C pada suhu kamar. Eksperimen menunjukkan respons tegangan linier terhadap konsentrasi gas yang berkisar dari 50 hingga 3000 ppm, mencapai sensitivitas –0,090 µV/ppm untuk CH₄, –0,096 µV/ppm untuk CO₂, dan –0,123 µV/ppm untuk CO. Sistem terintegrasi secara akurat mengidentifikasi dan mengkuantifikasi setiap komponen dalam sampel gas campuran, memvalidasi potensinya untuk pemantasan lingkungan dan industri yang berbiaya rendah dan melalui tinggi.
Pendahuluan
Pemantasan banyak gas secara real-time sangat penting untuk keamanan, perlindungan lingkungan, dan kontrol proses industri. Sensor kimiawi konvensional hanya memberikan data kualitatif dan memerlukan kalibrasi yang sering, sementara spektrometer Fourier-transform infrared (FTIR) skala besar besar dan mahal. Sistem NDIR miniaturisasi berbasis MEMS dengan filter optik terintegrasi menawarkan alternatif yang menjanjikan, menggabungkan sensitivitas tinggi dengan konsumsi daya rendah. Karya ini menyajikan sensor NDIR terintegrasi sepenuhnya yang menggabungkan LVOF MIR kustom dengan array termopil MEMS, memungkinkan deteksi simultan CH₄, CO₂, dan CO dalam satu perangkat ringan.
Desain dan Metode Eksperimen
Desain dan Pembuatan LVOF
LVOF adalah resonan Fabry-Pérot yang terdiri dari ongkat SiO₂ yang bergantung di antara dua reflektor Bragg Si/SiO₂. Ketebalan ongkat bervariasi secara linier dari 843 hingga 1908 nm, menghasilkan 12 puncak transmisi yang diskrit yang mencakup 2,55–4,80 µm. Lapisan penolak anti-refleksi Ge/SiO multi-lapisan di sisi belakang substrat Si menekan urutan transmisi panjang gelombang pendek dan meningkatkan transmisi keseluruhan (rata-rata 95 % antara 2,5–5,0 µm). Filter dibuat menggunakan proses litografi skala abu-abu untuk mencapai profil bergantung, diikuti oleh langkah penggerusan kering dan depoersi dielektrik. Gambar 1 menunjukkan LVOF yang dibuat dan kemasannya.
Desain dan Pembuatan Array Termopil
Setiap chip termopil berukuran 1,1 × 1,1 mm dengan area aktif 0,35 × 0,35 mm. Banyak pasangan termokopi p-/n-poly-Si dihubungkan secara seri, membentuk struktur kompak yang menghasilkan tegangan Seebeck yang dapat diukur tanpa daya eksternal atau chopper. Urutan pembuatan termasuk oksidasi termal, depoersi poly-Si, inplantasi ion untuk doping p/n, pembentukan kontak logam, dan penggerusan silikon sisi belakang untuk membentuk membran yang digantung. Perangkat yang dihasilkan menunjukkan responsivitas 146 µV/°C pada suhu blackbody 100 °C di bawah kondisi suhu kamar.
Detektor Gas Campuran Miniaturisasi Terintegrasi
Rangkaian detektor terdiri dari sumber LED MIR, kolimator, sel gas, dan spektrometer berbasis LVOF. LED memancarkan cahaya broadband yang difilter spasial oleh LVOF menjadi 12 saluran sempit. Array linear chip termopil yang ditempatkan di bawah filter mengubah daya optik dari setiap saluran menjadi sinyal listrik. Seluruh sistem beroperasi di seluruh 2,3–5,0 µm dengan hubungan linier panjang gelombang-posisi ~156 nm/mm. Pengakuisisi data dilakukan dengan membaca output setiap termopil secara berurutan dan menerapkan kurva kalibrasi untuk memulihkan konsentrasi gas individual.
Hasil dan Pembahasan
Pengukuran spektral LVOF mengonfirmasi progresi linier panjang gelombang puncak yang dirancang dan FWHM rata-rata 400 nm dengan transmisi puncak mendekati 70 %. Array termopil menunjukkan transmisi optik rendah (<1 %) di seluruh band MIR, memastikan konversi termal yang efisien. Eksperimen kalibrasi dengan gas CH₄, CO₂, dan CO standar menghasilkan respons tegangan linier dengan nilai R² melebihi 0,96, mengonfirmasi akurasi pengukuran yang tinggi. Sensitivitas adalah –0,090 µV/ppm untuk CH₄, –0,096 µV/ppm untuk CO₂, dan –0,123 µV/ppm untuk CO, memungkinkan deteksi dalam rentang 50–3000 ppm. Uji gas campuran (CH₄ 800 ppm, CO₂ 500 ppm, CO 800 ppm) memvalidasi kemampuan sensor untuk menyelesaikan setiap komponen secara simultan.
Kesimpulan
LVOF MIR dan array termopil MEMS yang dikembangkan membentuk sensor gas campuran yang tangguh, berbiaya rendah, dan portabel yang mampu secara akurat mengukur CH₄, CO₂, dan CO. Desain ini menawarkan transmisi tinggi, bandwidth sempit, dan responsivitas termal yang kuat, menjadikannya cocok untuk aplikasi pemantasan lingkungan, keselamatan industri, dan kontrol proses.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data yang dihasilkan selama studi ini termasuk dalam artikel yang dipublikasikan.
