[發(fā)明專利]一種量子點近紅外氣體傳感器以及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110604520.3
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113358595B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉歡;易飛;李華曜;嚴(yán)棋;梅穎穎;高亮;張建兵;唐江
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01N21/359;G01N21/27;H01L27/144
• 代理公司: 武漢華之喻知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;曹葆青

本發(fā)明公開一種量子點近紅外氣體傳感器以及制備方法，屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，將集成光學(xué)天線的量子點光電探測器、氣室、光源、信號處理電路進(jìn)行片上集成，該氣體傳感器可將檢測到的氣體量轉(zhuǎn)換成可用輸出電信號，最后讀出氣體濃度信息。本發(fā)明中，紅外氣體傳感器的核心部件為量子點光電探測器，與光學(xué)天線直接集成實現(xiàn)窄帶濾光并且提高其靈敏度，取代分立濾光片元件，減小紅外氣體傳感器體積，并提出適用于光子型探測器的后端信號檢測與放大電路，結(jié)合氣室、光源制備成NDIR氣體傳感器，針對CHsubgt;4/subgt;和NHsubgt;3/subgt;氣體實現(xiàn)小體積、高靈敏、低成本的快速檢測。本發(fā)明還提供了其制備方法，其制備方法簡便可行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種量子點近紅外氣體傳感器以及制備方法。

背景技術(shù)

氣體傳感器在環(huán)境保護(hù)、安防報警、流程工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。基于非色散紅外（NDIR）吸收原理的NDIR近紅外氣體傳感器基于不同氣體分子的紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關(guān)系（朗伯-比爾定律）鑒別氣體組分并確定其濃度。NDIR近紅外氣體傳感器通常由寬譜光源、氣室、窄帶濾光片以及紅外探測器等核心部件構(gòu)成。紅外探測器的性能對NDIR近紅外氣體傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度有重要影響。

目前，NDIR氣體傳感器常采用非制冷的熱探測器，申請?zhí)枮?01911256486.4發(fā)明申請公開了“一種NDIR近紅外氣體傳感器”，將紅外光源、熱電堆芯片、濾光片、氣室、光腔以鍵合方式連接制備成近紅外氣體傳感器，具有體積小的優(yōu)勢，但熱電堆紅外探測器的工作原理是基于塞貝克效應(yīng)的紅外輻射探測，其吸收層材料對紅外的吸收率較低，導(dǎo)致溫差小，靈敏度不足。申請?zhí)枮?01710579047.1發(fā)明申請公開了一種鉭酸鋰窄帶探測器及其制備方法，將光學(xué)天線與鉭酸鋰熱探測器集成，實現(xiàn)了在一定波長范圍內(nèi)對特定波長紅外線的檢測，但響應(yīng)時間相對較長且靈敏度不足。

受NDIR原理限制，傳感器體積的縮小帶來光程的縮短，從而對傳感器靈敏度、響應(yīng)時間和氣體檢測限以及量程范圍等指標(biāo)提出了更高的要求，且NDIR氣體傳感器的寬譜紅外光源、氣室、濾光片、紅外探測器和信號處理電路等核心元器件長期處于分立設(shè)計和制造的狀態(tài)，不同元器件在材料、結(jié)構(gòu)和集成工藝上缺乏兼容性，導(dǎo)致NDIR氣體傳感器的集成度不足，從而制約了高性能NDIR氣體傳感器的微型化。

因此，需要開發(fā)集成度更高的高性能NDIR氣體傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于通過對近紅外氣體傳感器的核心組成、相應(yīng)制備方法的整體工藝及各個步驟的參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用集成光學(xué)天線的量子點光電探測器，使得傳感器的集成度大幅度提高，針對CH4和NH3氣體實現(xiàn)小體積、高靈敏、低成本的快速檢測。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種量子點近紅外氣體傳感器，其包括光源、氣室、集成光學(xué)天線的量子點光電探測器以及信號處理電路，氣室設(shè)置在光源出射光方向上，集成光學(xué)天線的量子點光電探測器用于接收從氣室出射的光束，信號處理電路連通集成光學(xué)天線的量子點光電探測器，其中，集成光學(xué)天線的量子點光電探測器中，光學(xué)天線和量子點薄膜集成為一體，且光學(xué)天線和量子點薄膜之間具有絕緣層。

進(jìn)一步的，集成光學(xué)天線的量子點光電探測器包括襯底、量子點薄膜、絕緣層、光學(xué)天線和電極，一層量子點薄膜層疊在襯底上，一層絕緣層層疊在一層量子點薄膜上，電極設(shè)置在絕緣層內(nèi)且貼近在量子點薄膜，光學(xué)天線呈陣列狀設(shè)置在絕緣層上。

進(jìn)一步的，集成光學(xué)天線的量子點光電探測器包括襯底、量子點薄膜、絕緣層、光學(xué)天線、電極、金屬層和介質(zhì)層，其中，一層金屬層層疊于襯底上，一層介質(zhì)層層疊于金屬層上，光學(xué)天線設(shè)置在介質(zhì)層上，絕緣層覆蓋在光學(xué)天線上且與介質(zhì)層相貼合，一層量子點薄膜層疊于絕緣層上，一對電極設(shè)置在量子點薄膜上。