王平貴，付秀華，張靜，劉冬梅

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

乙烷（C2H6）屬于易燃易爆氣體，是天然氣中除了甲烷以外最主要的成分。在室溫下，當空氣中乙烷濃度達到3%到12.4%，遇到明火將會發(fā)生爆炸。在化工領(lǐng)域中，因為天然氣中存在一定濃度的乙烷，而在沼氣等發(fā)酵氣體中不存在乙烷，因此乙烷可以作為探測油田很好的標志。此外，在醫(yī)療領(lǐng)域，相關(guān)研究表明，人體呼出氣體中包含的揮發(fā)性有機化合物和人體的身體健康狀況有著密切的聯(lián)系。如在肺炎患者呼出氣檢測中，發(fā)現(xiàn)乙烷含量明顯增加［1-4］。因此，實現(xiàn)乙烷氣體含量的實時監(jiān)控具有重大意義。

非分光紅外（Non-Dispersive InfraRed，NDIR）光學(xué)吸收型氣體傳感器是基于氣體分子的選擇吸收特性來工作的，具有操作維護簡單、使用壽命長、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點［5］。2007年，Gerard等［6］成功研制出檢測大氣環(huán)境中甲醛與乙烷的氣體檢測裝置，而國內(nèi)基于光譜吸收法對乙烷濃度進行實時監(jiān)測的研究較少，仍處于研發(fā)階段。濾波器是氣體傳感器的核心器件之一，能夠?qū)θ肷涔庑盘栠M行濾波，大大減小其余干擾氣體的影響，提高氣體探測系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。

1 濾光膜技術(shù)參數(shù)的確定

圖1顯示了NDIR光學(xué)吸收型氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)，主要由紅外光源、光學(xué)濾波器和探測器組成。紅外光源發(fā)射出紅外光信號，經(jīng)目標氣體吸收及濾波器濾光后照射到探測器上，通過測量紅外光的入射光強度I0和透射光強度I，根據(jù)比爾朗伯定律就可以計算出目標氣體的濃度［7］。由于紅外光源與探測器的光譜范圍較寬，因此濾光膜的技術(shù)參數(shù)直接影響著探測系統(tǒng)的性能。

圖1 NDIR氣體傳感器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

圖2 甲烷與乙烷氣體紅外吸收光譜

圖2顯示了NIST數(shù)據(jù)庫［8］甲烷與乙烷氣體的紅外吸收光譜，可以看到，乙烷的紅外吸收峰主要有兩個：3.3μm和6.7μm，且3.3μm附近的吸收最強，但此時甲烷與乙烷的吸收峰重疊，因此本課題選取6.7μm作為乙烷濾光片的中心波長λ0。當光能量為S(λ)的光源通過濃度為c，長度為l的氣室和光學(xué)濾波器之后探測器接收到的能量E為：

式中，Tg(λ)為氣體吸收之后的透過率，可由比爾朗博定律計算得到，Tf(λ)為帶通濾光片的透過率，2Δλ為帶通濾光片的半峰值帶寬（FWHM）。當光通過不同濃度c1，c2氣室后的能量變化EC1，EC2可以計算出不同F(xiàn)WHM濾光片的靈敏度。假設(shè)c1＜c2，那么Tgc1＞Tgc2，靈敏度r可表示為：

由式（1）、（2）可知，當FWHM越大時，探測器接收到的光能量越強，但此時濾光片的靈敏度急劇下降，因此需要選擇合適的FWHM。根據(jù)分析并結(jié)合膜系設(shè)計與薄膜制備條件確定了帶通濾光片的技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 6.7μm窄帶濾光片技術(shù)參數(shù)

2 膜系設(shè)計

2.1 材料選擇

直流磁控濺射中常用的中長波高折射率材料有PbTe，Ge，低折射率材料有Nb2O5，C。其中PbTe薄膜的折射率在目前能使用的紅外薄膜材料中是最高的，但其消光系數(shù)大，存在較大的吸收，這對厚度較厚的紅外光學(xué)濾光片來說極大的降低了中心波長的透過率。碳膜主要為多晶金剛石和非晶型碳的混合物，沉積在基底表面既有增透作用，又具有保護作用，但其沉積速率極低（0.02nm/s），極大的限制了沉積效率，并且對設(shè)備的穩(wěn)定性要求更高。因此本實驗中選用吸收較小且具有張應(yīng)力的Ge膜與具有壓應(yīng)力的Nb2O5薄膜交替沉積來減小薄膜的內(nèi)應(yīng)力提高膜層的附著力，提高沉積效率。通過實驗?zāi)M得到的兩種材料的光學(xué)常數(shù)如圖3所示。

圖3 薄膜材料的光學(xué)常數(shù)

2.2 膜系設(shè)計方案

基于光學(xué)薄膜設(shè)計理論，窄帶濾光膜的設(shè)計可以采用法珀結(jié)構(gòu)或多半波結(jié)構(gòu)［9-11］。根據(jù)技術(shù)參數(shù)要求使用常規(guī)膜系難以滿足如此寬的截止帶，因此需要考慮截止帶的展寬問題。截止帶的展寬可以通過在主膜系兩邊添加匹配層對部分膜層進行優(yōu)化以及根據(jù)拆分技術(shù)原理通過雙面鍍膜來實現(xiàn)。在本實驗中，由于中心波長較長，截止帶較寬，使用第一種方法設(shè)計的膜系其層數(shù)較多，膜厚較厚，對設(shè)備的控制精度以及穩(wěn)定性要求高，且薄膜樣品的內(nèi)應(yīng)力大附著力差。因此本實驗使用第二種方法對濾光片進行拆分，前表面采用基礎(chǔ)膜系，減小窄帶濾光片F(xiàn)WHM的制備難度，實現(xiàn)6.7μm高透射，5.4～6.3μm和7.1～9.3μm波段截止。后表面在保證6.3～7.1μm高透射的同時，實現(xiàn)2.5～5.4μm和9.3～10μm波段截止。

2.2.1 前表面膜系設(shè)計

根據(jù)光譜參數(shù)要求以及現(xiàn)有實驗條件采用三半波基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，同時在設(shè)計中采用間隔層為低折射率材料Nb2O5來減小Ge膜過厚導(dǎo)致薄膜吸收增大的問題。通過調(diào)整反射膜系的反射率（即反射膜堆的周期數(shù)）和干涉級次（即間隔層的厚度），使得窄帶濾光片的FWHM為300nm，此時基礎(chǔ)膜系為Sub|LH2LHLHLH2LHLHLH2LH|Air，其中 Sub 為GaAs基底，H為高折射率材料Ge，L為低折射率材料Nb2O5，Air為空氣。在不考慮基底背面反射的情況下，其理論設(shè)計光譜透過率曲線如圖4所示。6.7μm處的峰值透過率為91.4%，濾光片的FWHM為301nm，5.4～6.3μm和7.1～9.3μm波段的平均透過率為0.04%和0.02%。

圖4 前表面理論透射光譜曲線

2.2.2 后表面膜系設(shè)計

圖5 后表面理論透射光譜曲線

2.2.3 雙面設(shè)計

將以上設(shè)計的前后表面膜層數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Tfcalc軟件中，得到雙面設(shè)計的窄帶濾光片的理論透過率曲線如圖6所示。中心波長6.7μm處的透過率為82.5%，截止波段2.5～6.3μm和7.1～10μm的平均透過率為0.27%和0.03%，滿足技術(shù)參數(shù)要求。

圖6 雙面理論透射光譜曲線

3 薄膜制備

使用美國DSI公司的直流脈沖磁控濺射設(shè)備Microdyn-4000對薄膜樣品進行制備。該設(shè)備配備有高功率的微波等離子體輔助沉積系統(tǒng)，IC/5石英晶體膜厚監(jiān)控儀和Polycold3600冷阱系統(tǒng)。

表2 薄膜制備工藝參數(shù)

在薄膜制備前，使用超聲波清洗機對基板進行清洗，將清洗好的基片放入真空室工件盤中，調(diào)節(jié)工件盤轉(zhuǎn)速為60r/min并開始抽真空。當真空度達到1×10-2Pa時，打開冷阱系統(tǒng)減少真空室中水蒸氣的含量，減小水蒸氣對紅外薄膜性能的影響。當真空度達到5×10-4Pa時打開離子源轟擊基片10分鐘，離子源功率為3kW。薄膜制備工藝參數(shù)如表2所示，蒸鍍完成后，在真空室中自然冷卻到室溫取出樣品。

4 測試結(jié)果與分析

使用美國賽默飛世爾科技公司的Nicolet iS-50傅里葉紅外光譜儀對實驗樣品進行光譜測試，單面鍍膜透過率曲線如圖7所示。在前表面的基礎(chǔ)上進行雙面鍍制，雙面鍍膜后的透過率曲線如圖8所示，中心波長6.7μm處的透過率為72.09%，F(xiàn)WHM 為 301nm，截止波段 2.5～6.3μm 和 7.1～10μm的平均透過率為0.13%和0.01%，可以發(fā)現(xiàn)中心波長的透過率比理論值低10%，通過研究分析，這主要是由于膜層過厚導(dǎo)致材料的吸收變大，使得實際值與設(shè)計值有所差異，但該濾光片仍然滿足系統(tǒng)使用要求。

圖7 單面鍍膜透射光譜測試曲線

圖8 雙面鍍膜透射光譜測試曲線

同時對樣品進行了附著力測試，用2cm寬剝離強度不小于2.74N/cm的膠帶粘在膜層表面，膠帶與膜層之間無氣泡存在，以垂直于膜層表面的力沿膠帶一端迅速拉起，重復(fù)20次，膜層無脫落現(xiàn)象，再次測試，光譜曲線未發(fā)生變化，樣品質(zhì)量良好。

5 結(jié)論

結(jié)合甲烷與乙烷氣體分子的紅外吸收光譜，根據(jù)紅外探測器接收到的光能量以及系統(tǒng)的靈敏度確定了窄帶濾光片的技術(shù)參數(shù)。選擇Ge作為高折射率材料，Nb2O5作為低折射率材料，利用拆分技術(shù)原理，多半波結(jié)構(gòu)并借助Tfcalc軟件完成了濾光膜的雙面設(shè)計。采用直流磁控濺射對薄膜樣品進行制備，研制的窄帶濾光膜在中心波長6.7μm處的透過率為72.09%，F(xiàn)WHM為301nm，2.5～6.3μm和7.1～10μm的平均透過率為0.13%和0.01%，附著力良好，滿足乙烷探測系統(tǒng)的使用要求。但實驗結(jié)果與理論設(shè)計仍存在一定的差距，如何進一步減小薄膜吸收，優(yōu)化膜系設(shè)計方法以及制備工藝來提高濾光片的通帶透過率和截止深度，是未來的研究方向。