【所屬領(lǐng)域】
光電子信息 能源環(huán)保
【痛點(diǎn)問題】
紅外吸收光譜技術(shù)基于捕獲物質(zhì)的紅外“指紋”來獲得物質(zhì)成分和含量信息，其核心是紅外光譜器件和高效緊湊紅外光學(xué)系統(tǒng),主要的應(yīng)用之一是針對(duì)氣體的傳感檢測,如有毒有害氣體、溫室效應(yīng)氣體以及呼吸氣體成分和濃度的檢測等。相比傳統(tǒng)的單氣體成分的檢測,同時(shí)檢測多種氣體是降低檢測成本的有效途徑;相比針對(duì)未知?dú)怏w采用實(shí)驗(yàn)室傅里葉紅外光譜儀的檢測，可以現(xiàn)場檢測的微小型化紅外光譜儀具有更實(shí)用且成本更低的優(yōu)勢。另外, 越來越多的場景需要探測精度達(dá)到ppb 或亞ppm 精度的高精度氣體檢測,如有毒有害痕量氣體、呼吸氣體肺癌早期診斷、果蔬存儲(chǔ)中具有催熟劑作用的微量乙烯氣體釋放的檢測等。
現(xiàn)有紅外氣體傳感技術(shù)中，基于激光光源的氣體傳感器雖然易于達(dá)到ppb級(jí)的高精度檢測，但是激光傳感器成本昂貴，而低成本的基于熱光源的紅外氣體傳感器雖然成本較低，但是卻存在精度低的問題。
【成果介紹】
為了解決上述的精度和成本痛點(diǎn)問題，本成果掌握了高功率熱紅外光源、可級(jí)聯(lián)長光程氣體吸收池、多通道紅外探測器和可調(diào)諧紅外探測器以及多通道微弱信號(hào)數(shù)字鎖相放大檢測等技術(shù)，開發(fā)一系列探測精度到100ppb 以下的多通道紅外氣體傳感器和演示模組，以及基于可調(diào)濾波器的小型化紅外光譜儀，展示了集成多組分氣體檢測和現(xiàn)場未知?dú)怏w成分的光譜儀檢測能力，具有高精度和低成本優(yōu)勢，以及小體積和低功耗特點(diǎn)。
（１）高功率熱紅外光源：MEMS 熱光源芯片陣列與微光學(xué)準(zhǔn)直陣列集成，實(shí)現(xiàn)低發(fā)散角的高功率紅外源。為實(shí)現(xiàn)高精度探測所需要的長光程氣體吸收池提供足夠的紅外光能量。
（２）可級(jí)聯(lián)長光程氣體吸收池：高精度氣體檢測需要米級(jí)長光程池。現(xiàn)有長光程氣體池主要有懷特池、Herriott 型、Chernin 型以及環(huán)形吸收池，配合低發(fā)散角的激光光源。但是這些吸收池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度高，成本高。自主提出的可級(jí)聯(lián)氣體池結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)效率高，且中心對(duì)稱，加工和裝配成本低。
（３）多通道紅外探測器：不同敏感波長的紅外探測單元集成在同一襯底上，構(gòu)成多通道器件，可共用一個(gè)氣體池和光源，節(jié)省器件，降低了成本，同時(shí)節(jié)省了體積和功耗。
（４）可調(diào)諧濾波器：采用電調(diào)FP 腔和單探測器可以動(dòng)態(tài)選擇透射波長進(jìn)行探測。具有在一定波段內(nèi)連續(xù)掃描實(shí)現(xiàn)紅外光譜儀的功能，也可以隨機(jī)定位某個(gè)特定波長探測，靈活性強(qiáng)。除了用于已知?dú)怏w成分的濃度檢測，還可用于對(duì)含有未知?dú)怏w種類的應(yīng)用場景進(jìn)行氣體檢測。另外，大口徑的壓電驅(qū)動(dòng)可調(diào)濾波器可用于電力開關(guān)柜SF6氣體泄露、天然氣管道氣體泄露以及農(nóng)作物長勢和病蟲害監(jiān)測等場合的紅外光譜成像檢測。
（５）微小型紅外光譜儀：紅外光譜儀是在一個(gè)較寬的紅外波段進(jìn)行掃描以獲取物質(zhì)的光譜信息，借此探知物質(zhì)的未知成分。傳統(tǒng)的紅外光譜儀體積大，主要在實(shí)驗(yàn)室使用。本技術(shù)采用FP 腔可調(diào)濾波器具有體積小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測。
圖1 四通道濾波聚焦單元、光學(xué)/探測器集成結(jié)構(gòu)以及紅外光譜探測器
圖2 長光程氣體池（平均光程>1米）
圖3 可調(diào)光譜探測器-PZT壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)FP腔可調(diào)濾波器及可調(diào)光譜
圖4 紅外氣體傳感器模組
【技術(shù)優(yōu)勢】
（1）基于表面微納結(jié)構(gòu)的窄帶濾光片/微透鏡陣列技術(shù)：實(shí)現(xiàn)覆蓋中波和長波紅外的寬波段濾光/聚焦結(jié)構(gòu)，具有低成本制造優(yōu)勢。
（2）多通道紅外探測器集成芯片技術(shù)：多通道濾波/聚焦陣列結(jié)構(gòu)與紅外探測單元陣列集成，實(shí)現(xiàn)多波長光譜探測芯片，具有低成本和小體積優(yōu)勢。
（3）可級(jí)聯(lián)長光程池技術(shù)：適合熱光源的米級(jí)光程氣體吸收，實(shí)現(xiàn)低成本ppb 級(jí)紅外氣體探測。相比高精度的激光氣體傳感器，具有成本優(yōu)勢。
【技術(shù)指標(biāo)】
產(chǎn)品可達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比：
|
Silarex |
SmartGas |
本項(xiàng)目 |
氣種種類 |
CO2,CO,SO2 |
CO，SO2,CO2 |
C2H4,C2H6O,NH3 |
光源 |
MEMS電調(diào)制光源 |
MEMS電調(diào)制光源 |
MEMS電調(diào)制光源 |
光程 |
- |
約30cm |
150cm |
單元數(shù) |
3 |
4 |
4 |
集成方式 |
多單元組裝 |
多單元組裝 |
芯片集成 |
性能指標(biāo) |
范圍：0-1000ppm; 探測下限1%FS,分辨率1ppm |
檢測范圍：0-1000ppm 探測下限：1ppm |
檢測范圍：0-100ppm 探測下限：0.1ppm |
價(jià)格(元） |
10000 |
12000 |
3000 |
特點(diǎn) |
裝調(diào)難，成本高，擴(kuò)展單元數(shù)受限 |
可擴(kuò)展單元數(shù)，光程短，成本較高 |
成本低，可擴(kuò)展單元數(shù)，可擴(kuò)展光程 |
【技術(shù)成熟度】
已有樣品/樣機(jī)。
【應(yīng)用場景】
紅外氣體傳感器及儀器適用于監(jiān)測各種易燃易爆氣體、二氧化碳?xì)怏w以及有毒有害氣體，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得基于紅外吸收原理的氣體檢測儀器占領(lǐng)著廣泛的行業(yè)高端市場，并在未來微小型化將逐步成為市場主流。以1-2 個(gè)高精度應(yīng)用場景（如水果保鮮和農(nóng)產(chǎn)品存儲(chǔ)等智慧農(nóng)業(yè)）為突破口，逐步推廣到其他應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過3-5 年的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推廣，實(shí)現(xiàn)在智能終端（便攜式設(shè)備和智能手機(jī)等）上的普及應(yīng)用。
【市場前景】
以三種新興領(lǐng)域的應(yīng)用為例:
1.果蔬保鮮市場容量: 2018 年全國果蔬總產(chǎn)量2.57億噸，冷鏈物流需求規(guī)模達(dá)到9914 萬噸，占比38%。若按照50 噸一只乙烯傳感器，每只2 千元，則產(chǎn)值接近40 億。
2.2021 年智慧家庭聯(lián)網(wǎng)數(shù)量4.6 億個(gè),如果一個(gè)聯(lián)網(wǎng)單元配有一臺(tái)氣體傳感器,價(jià)格500 元, 按照10%的滲透率,市場規(guī)模為230 億;
3.考慮智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用,如果糧食作物每畝配1 套傳感器,價(jià)格500 元,全國2021 年糧食播種面積17.52 億畝,按照10%的滲透率,市場規(guī)模達(dá)到876 億。
【知識(shí)產(chǎn)權(quán)】
序號(hào) |
專利號(hào) |
名稱 |
專利類型 |
1 |
ZL201910292594.0 |
一種紅外發(fā)射和探測集成芯片 |
發(fā)明專利 |
2 |
ZL201911351980.9 |
基于超表面結(jié)構(gòu)的多功能光學(xué)元件及多功能實(shí)現(xiàn)方法 |
發(fā)明專利 |
3 |
ZL201911334591.5 |
一種FP 腔可調(diào)濾波器 |
發(fā)明專利 |
4 |
ZL202110767094.5 |
基于Qt 的光機(jī)電模塊化控制軟件的設(shè)計(jì)方法及設(shè)備 |
發(fā)明專利 |
5 |
ZL202120970297.x |
一種對(duì)稱式結(jié)構(gòu)的長光程紅外氣體檢測光學(xué)腔 |
實(shí)用新型 |
6 |
ZL202023052421.9 |
一種高功率快響應(yīng)熱發(fā)射紅外準(zhǔn)直光源結(jié)構(gòu) |
實(shí)用新型 |
7 |
ZL202021669757.7 |
一種集成型多組分紅外氣體探測器 |
實(shí)用新型 |
【合作方式】
技術(shù)許可、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、作價(jià)入股、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、面談等
【專家介紹】
賴建軍，男，1968 年生，博士學(xué)位，武漢光電國家研究中心研究員。1991年本科畢業(yè)于山東師范大學(xué)應(yīng)用物理系,1996 年碩士畢業(yè)于華中理工大學(xué)凝聚態(tài)物理專業(yè)，2001 年博士畢業(yè)于華中科技大學(xué)物理電子學(xué)與光電子學(xué)專業(yè)；2004年在華中科技大學(xué)在自動(dòng)控制科學(xué)與技術(shù)博士后工作站完成博士后研究工作，出站后留校任教，2005 年進(jìn)入武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室從事紅外光電材料和器件、微納光學(xué)技術(shù)的研究。
作為負(fù)責(zé)人先后主持2 項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、3 項(xiàng)國家863 計(jì)劃項(xiàng)目、1 項(xiàng)國家863 計(jì)劃MEMS 重大專項(xiàng)以及2 項(xiàng)總裝預(yù)研基金項(xiàng)目，同時(shí)主持了多項(xiàng)與中國兵器集團(tuán)工業(yè)公司和中國電子科集團(tuán)公司的合作項(xiàng)目。在微納光學(xué)技術(shù)和紅外探測技術(shù)方面取得了一些創(chuàng)新性成果，提出并實(shí)現(xiàn)了納結(jié)構(gòu)全光譜探測器以及寬光譜消像差超材料透鏡技術(shù)。發(fā)表論文50 多篇，申請(qǐng)專利30 多項(xiàng)，其中已授權(quán)12 項(xiàng)。獲得2005 年獲得教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和2007 年湖北省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。曾擔(dān)任中國光學(xué)學(xué)會(huì)紅外器件專業(yè)委員會(huì)委員和中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)第一屆常務(wù)委員。
【聯(lián)系方式】
GC23004
