本申請屬于紅外輻射,尤其涉及一種超材料紅外輻射源和氣體傳感器。
背景技術:
1、在工業生產、大氣檢測、醫療監護等領域,氣體傳感器在檢測氣體種類或濃度方面發揮了重要作用,其原理是利用特定氣體在紅外波段的獨特吸收特性。
2、現有的小型氣體傳感器,例如非色散紅外(nondispersive?infrared,ndir)傳感器,針對特定場景下的混合氣體成分,很難實現多組分氣體檢測功能。這主要時因為其所使用的紅外輻射源,普遍存在輻射源波長單一,或者調節范圍較窄,欠缺動態調節輻射波段的能力;另外由于在紅外輻射源中需要使用濾光片結構對波長進行選擇,導致器件集成度低,也在一定程度上限制了設備在受限環境中的應用。
技術實現思路
1、本申請提供一種超材料紅外輻射源和氣體傳感器,旨在動態調節輻射波段,增加輻射源波長范圍,從而實現多種氣體的檢測功能,同時提高器件集成度,便于設備在受限環境中的應用。
2、第一方面,本申請提供了一種超材料紅外輻射源,包括:
3、超材料輻射天線,該超材料輻射天線包括超表面層和反射層,超表面層和反射層構成f-p光學諧振腔;
4、位移執行器,該位移執行器包括相對設置的第一執行結構和第二執行結構,其中第一執行結構包括導電位移區,超表面層設置于該導電位移區上;
5、反射層和第二執行結構設置于一絕緣基板上,第一執行結構的導電位移區和第二執行結構之間的相對距離可調節;
6、微熱源,設置于超材料輻射天線的反射層周邊。
7、在本申請實施例中,超表面層和反射層構成f-p光學諧振腔,超表面層本身具有帶通特性,能夠對某個特定的頻率范圍內的輻射波進行選擇,光學諧振腔諧振波長處可產生窄帶輻射峰,同時,通過調節第一執行結構和第二執行結構之間的距離改變超表面層與反射層之間的距離,即改變f-p光學諧振腔腔長,因諧振波長與諧振腔腔長有關,從而實現輻射峰波長連續可調,以滿足多組分氣體檢測需求;本實施例中的超材料紅外輻射源可以代替傳統傳感器中輻射光源和濾光片的作用,提高了集成度。
8、在一些實施例中,上述超表面層上周期性重復陣列有微米級開孔結構,開孔結構的重復周期、形狀、尺寸參數會影響超材料紅外輻射源的光譜特性,每種參數的超表面層使得超材料紅外輻射源適用于某一特定波長范圍。
9、在一些實施例中,導電位移區形成有暴露孔,暴露出超表面層上的微米級開孔結構,以實現更強的輻射光譜選擇性,減少輻射雜峰。
10、在一些實施例中,第一執行結構與絕緣基板鍵合連接,且第一執行結構與第二執行結構具有設定的初始相對距離,在鍵合連接工藝中,控制光刻膠涂膠參數調整光刻膠厚度,從而使得第一執行結構和第二執行結構之間具有不同的初始相對距離,進一步的,使得超材料紅外輻射源適用于特定的調節范圍。
11、在一些實施例中,第一執行結構還包括導電基板,該導電基板上形成有懸臂梁,以及與懸臂梁支撐的導電位移區,導電基板上形成有第一電極;第二執行結構為導電材質,絕緣基板上還設置有第二電極,第二執行結構與所述第二電極電連接,通過在第一電極和第二電極之間施加電壓,第二執行結構提供靜電吸附力從而使得導電位移區及位于導電位移區上的超表面層一起向第二執行結構及反射層方向移動,從而改變f-p光學諧振腔腔長,取消電壓后,形變的懸臂梁提供彈性恢復力從而使得導電位移區及位于導電位移區上的超表面層恢復至初始狀態。
12、在一些實施例中,懸臂梁在導電基板上對稱分布,第二執行結構為環型對稱結構,使得導電位移區受力均勻;超表面層位于導電位移區中心位置,反射層位于第二執行結構中心位置,使得導電位移區受力狀態下,超表面層不受其邊緣微小形變影響,始終和反射層保持平行狀態。
13、在一些實施例中,微熱源設置于絕緣基板上,微熱源上形成有絕緣層,反射層及第二執行結構位于絕緣層上方,使得結構更為緊湊的同時,保留更多熱量在超材料輻射天線處,提高集成性的同時還提高了熱-光轉換的能量利用率。
14、在一些實施例中,超材料輻射天線的數目為至少兩個,每個超材料輻射天線都設置有對應的位移執行器,該至少兩個超材料輻射天線的反射層以及對應的位移執行器的第二執行結構設置于同一絕緣基板上,每個超材料輻射天線的輻射峰波長范圍不同,與之對應的,每個位移執行器的第一執行結構和第二執行結構之間的相對距離可調節范圍也不同,即每個超材料輻射天線與相應的位移執行器配合以實現不同波長范圍內輻射波長的調節,最終實現更寬波長范圍內的輻射波長連續可調。
15、在一些實施例中,超材料輻射天線和位移執行器的數目均為四個,四個超材料輻射天線的反射層和對應的位移執行器的第二執行結構設置在同一絕緣基板上,四個超材料輻射天線的輻射峰波長范圍分別為2μm~3μm、3μm~6μm、6μm~8.4μm、8μm~12μm,四者結合之后使得超材料紅外輻射源能夠在2μm~12μm寬譜范圍內輻射波長連續可調。
16、另一方面,本申請提供了一種氣體傳感器,包括上述第一方面任一所述的超材料紅外輻射源,該超材料紅外輻射源發射特定波長的紅外光,進入光學腔體,一部分光被光學腔體內氣體分子吸收,另一部分透過氣體到達紅外探測器,紅外探測器測量其強度并轉化成電信號,通過信號處理電路最終轉化成相關數值并予以顯示。
1.一種超材料紅外輻射源,其特征在于,包括:
2.根據權利要求1所述的超材料紅外輻射源,其特征在于,所述超材料輻射天線的超表面層上周期性重復陣列有微米級開孔結構。
3.根據權利要求2所述的超材料紅外輻射源,其特征在于,所述導電位移區形成有暴露孔,所述暴露孔暴露出所述超表面層上的微米級開孔結構。
4.根據權利要求2所述的超材料紅外輻射源,其特征在于,所述第一執行結構與所述絕緣基板鍵合連接,且所述第一執行結構與所述第二執行結構具有設定的初始相對距離。
5.根據權利要求4所述的超材料紅外輻射源,其特征在于,所述第一執行結構還包括導電基板,所述導電基板上形成有懸臂梁,以及與所述懸臂梁支撐的所述導電位移區,所述導電基板上形成有第一電極;所述第二執行結構為導電材質,所述絕緣基板上還設置有第二電極,所述第二執行結構與所述第二電極電連接。
6.根據權利要求5所述的超材料紅外輻射源,其特征在于,所述懸臂梁在所述導電基板上對稱分布,所述第二執行結構為環型對稱結構;所述超表面層位于所述導電位移區中心位置,所述反射層位于所述第二執行結構中心位置。
7.根據權利要求1所述的超材料紅外輻射源,其特征在于,所述微熱源設置于所述絕緣基板上,所述微熱源上形成有絕緣層,所述反射層及所述第二執行結構位于所述絕緣層上方。
8.根據權利要求1-7任一所述的超材料紅外輻射源,其特征在于,所述超材料輻射天線的數目為至少兩個,每個超材料輻射天線都設置有對應的位移執行器,所述至少兩個超材料輻射天線的反射層以及對應的所述位移執行器的第二執行結構設置于同一絕緣基板上,每個超材料輻射天線的輻射峰波長范圍不同。
9.根據權利要求8所述的超材料紅外輻射源,其特征在于,所述超材料輻射天線和位移執行器的數目均為四個,所述四個超材料輻射天線的反射層和對應的位移執行器的第二執行結構設置在同一絕緣基板上,所述四個超材料輻射天線的輻射峰波長范圍分別為2μm~3μm、3μm~6μm、6μm~8.4μm、8μm~12μm。
10.一種氣體傳感器,其特征在于,包括權利要求1~9中任一項所述的超材料紅外輻射源。