Détecteur de gaz mélangés miniaturisé utilisant un filtre optique variable linéaire MID-IR et un réseau de thermopiles MEMS

Résumé

Cette étude détaille la conception, la fabrication et les tests d'un filtre optique variable linéaire (LVOF) infrarouge moyen (MIR) compact et d'un réseau de détecteurs thermopiles MEMS non refroidis pour la mesure simultanée de CH₄, CO₂ et CO. Le LVOF, un filtre Fabry-Pérot à cavité conique, convertit le spectre MIR à large bande en une série de canaux passe-bande étroits avec des longueurs d'onde de pic linéairement espacées. Des réflecteurs de Bragg diélectriques multicouches des deux côtés de la cavité et une couche antireflet/rejet hors bande intégrée améliorent la transmittance à 70 % avec une largeur à mi-hauteur (FWHM) moyenne de 400 nm sur 2,3–5,0 µm. Le réseau de thermopiles, fabriqué en empilant plusieurs thermocouples p-/n-poly-Si, délivre une responsivité de 146 µV/°C à température ambiante. Les expériences démontrent des réponses de tension linéaires aux concentrations de gaz allant de 50 à 3000 ppm, atteignant des sensibilités de –0,090 µV/ppm pour CH₄, –0,096 µV/ppm pour CO₂ et –0,123 µV/ppm pour CO. Le système intégré identifie et quantifie avec précision chaque composant dans des échantillons de gaz mélangés, validant son potentiel pour la surveillance environnementale et industrielle à faible coût et à haut débit.

Introduction

La surveillance en temps réel de multiples gaz est critique pour la sécurité, la protection de l'environnement et le contrôle des procédés industriels. Les capteurs chimiorésistifs conventionnels ne fournissent que des données qualitatives et nécessitent un étalonnage fréquent, tandis que les spectromètres infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) à grande échelle sont encombrants et coûteux. Les systèmes infrarouge non dispersifs (NDIR) miniaturisés basés sur des filtres optiques intégrés MEMS offrent une alternative convaincante, combinant haute sensibilité et faible consommation d'énergie. Ce travail présente un capteur NDIR entièrement intégré qui couple un LVOF MIR personnalisé avec un réseau de thermopiles MEMS, permettant la détection simultanée de CH₄, CO₂ et CO dans un seul dispositif léger.

Conception et méthodes expérimentales

Conception et fabrication du LVOF

Le LVOF est un résonateur Fabry-Pérot comportant une cavité SiO₂ conique prise en sandwich entre deux réflecteurs de Bragg Si/SiO₂. L'épaisseur de la cavité varie linéairement de 843 à 1908 nm, produisant 12 pics de transmission discrets s'étendant sur 2,55–4,80 µm. Un revêtement antireflet multicouche Ge/SiO au dos du substrat Si supprime les ordres de transmission à courte longueur d'onde et améliore la transmittance globale (moyenne 95 % entre 2,5–5,0 µm). Le filtre a été fabriqué en utilisant un processus de lithographie en niveaux de gris pour obtenir le profil conique, suivi d'étapes de gravure sèche et de dépôt diélectrique. La Figure 1 montre le LVOF fabriqué et son boîtier.

Conception et fabrication du réseau de thermopiles

Chaque puce thermopile mesure 1,1 × 1,1 mm avec une zone active de 0,35 × 0,35 mm. Plusieurs paires de thermocouples p-/n-poly-Si sont câblées en série, formant une structure compacte qui génère une tension Seebeck mesurable sans alimentation externe ni hacheur. La séquence de fabrication inclut l'oxydation thermique, le dépôt de poly-Si, l'implantation ionique pour le dopage p/n, la formation de contacts métalliques et la gravure de silicium au dos pour former la membrane suspendue. Les dispositifs résultants présentent une responsivité de 146 µV/°C à une température de corps noir de 100 °C sous conditions de température ambiante.

Détecteur de gaz mélangés miniaturisé intégré

L'assemblage du détecteur consiste en une source LED MIR, un collimateur, une cellule à gaz et le spectromètre basé sur LVOF. La LED émet une lumière large bande qui est filtrée spatialement par le LVOF en 12 canaux étroits. Un réseau linéaire de puces thermopiles positionné sous le filtre convertit la puissance optique de chaque canal en signaux électriques. L'ensemble du système fonctionne sur 2,3–5,0 µm avec une relation longueur d'onde-position linéaire de ~156 nm/mm. L'acquisition de données est effectuée en lisant séquentiellement chaque sortie de thermopile et en appliquant des courbes d'étalonnage pour récupérer les concentrations individuelles de gaz.

Résultats et discussion

Les mesures spectrales du LVOF ont confirmé la progression linéaire conçue des longueurs d'onde de pic et une FWHM moyenne de 400 nm avec une transmittance de pic proche de 70 %. Le réseau de thermopiles a montré une transmission optique faible (<1 %) sur la bande MIR, assurant une conversion thermique efficace. Les expériences d'étalonnage utilisant des gaz standards CH₄, CO₂ et CO ont produit des réponses de tension linéaires avec des valeurs R² dépassant 0,96, confirmant une haute précision de mesure. Les sensibilités étaient de –0,090 µV/ppm pour CH₄, –0,096 µV/ppm pour CO₂ et –0,123 µV/ppm pour CO, permettant la détection sur une plage de 50–3000 ppm. Les tests de gaz mélangés (CH₄ 800 ppm, CO₂ 500 ppm, CO 800 ppm) ont validé la capacité du capteur à résoudre chaque composant simultanément.

Conclusion

Le LVOF MIR développé et le réseau de thermopiles MEMS forment un capteur de gaz mélangés robuste, peu coûteux et portable capable de quantifier avec précision CH₄, CO₂ et CO. La conception offre une haute transmittance, une bande passante étroite et une forte responsivité thermique, la rendant adaptée pour la surveillance environnementale, la sécurité industrielle et les applications de contrôle de processus.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées pendant cette étude sont incluses dans l'article publié.