銻化銦紅外探測器件在環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

付安英，商 瑩，張金博，張雪俠

（陜西國際商貿(mào)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

20世紀(jì)60年代以來，世界范圍內(nèi)的環(huán)境污染與生態(tài)破壞日益嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)逐漸為國際社會所關(guān)注。特別是進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，作為現(xiàn)代人類重要交通工具汽車的數(shù)量也隨之迅速增加，在人們出行方便的同時(shí)，汽車尾氣對人類生存環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染。機(jī)動(dòng)車排放的一氧化碳、一氧化氮、碳?xì)浠衔铩⒐饣瘜W(xué)煙霧等污染物，嚴(yán)重影響空氣環(huán)境質(zhì)量，并直接危害市民身體健康。監(jiān)測和治理大氣污染成為保障人類健康，保障經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)首要任務(wù)?？煽康姆治龃髿庵懈鞣N有害氣體含量是監(jiān)測和治理大氣污染的先決條件。目前，汽車排氣分析主要是檢測汽車尾氣中各種氣體元素含量指標(biāo)?；旧喜捎貌环止饧t外線和電化學(xué)傳感器對汽車排氣中主要組份CO、HC、CO2、NOX和O2的測量分析[1]。文中主要針對采用不分光紅外線檢測汽車尾氣分析儀中使用的關(guān)鍵半導(dǎo)體元件銻化銦紅外探測器的工作原理，應(yīng)用方法進(jìn)行分析介紹。

1 銻化銦紅外探測器工作原理

1.1 銻化銦紅外探測器結(jié)構(gòu)

銻化銦為窄禁帶的半導(dǎo)體材料，用InSb單晶可制成的性能穩(wěn)定，能在室溫條件下工作，可接收3～5 μm波段紅外光的紅外探測器。如圖1所示。該器件主要由光敏元、超半球場鏡系統(tǒng)組成，場景凸鏡面鍍有可透射3～5 μm波段紅外光的增透膜。器件的核心是光敏元，是由一系列復(fù)雜工藝制造的厚度為5～10 μm銻化銦單晶薄片[2]。 可將2～7 μm波段的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號，并有較高的電壓響應(yīng)率。

圖1 銻化銦紅外探測器Fig.1 InSb infrared detector

1.2 銻化銦紅外探測器性能參數(shù)

用于氣體分析儀器的探測元件性能的優(yōu)劣，直接影響到的測量檢測的準(zhǔn)確度，高靈敏度、高探測率、低噪聲的紅外探測器測器是制造高性能分析儀器的關(guān)鍵元器件。室溫銻化銦紅外探測器的電壓響應(yīng)率約為600～1 000 V/W，探測率（500.800.1）為1.5～3×109cm·H1/2zW-1， 光譜響應(yīng)波長為2～7 μm，如圖2所示。由于光導(dǎo)型銻化銦紅外探測器性能優(yōu)越，可在常溫條件下工作，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡單，只要合理的設(shè)計(jì)保護(hù)外殼，引出電極和透紅外窗口，就具有相對靈敏度。良好的光電轉(zhuǎn)換性能，在軍事上廣泛用于熱成像跟蹤、探測和預(yù)警，用于紅外制導(dǎo)可全方位攻擊目標(biāo)。民用亦廣泛用于紅外線氣體分析、環(huán)境監(jiān)測、大棚蔬菜生長CO2氣肥監(jiān)測、汽車尾氣檢測及非明火探 。

圖2 銻化銦紅外探測器光譜響應(yīng)曲線Fig.2 InSb infrared detector spectral response curve

1.3 銻化銦紅外探測器工作原理

根據(jù)光量子理論，光子能量E與光頻率v之間存在E=hv關(guān)系。光波長λ=h/p=h/其中E為電子能量，h為普朗克常數(shù)，m為電子質(zhì)量[3]。當(dāng)能量大于銻化銦半導(dǎo)體材料的禁帶寬度0.17 ev的光子，照射在銻化銦半導(dǎo)體材料表面上，就會是其價(jià)帶的束縛電子在頻率為v的輻射場作用下吸收一個(gè)能量為的hv光子，并躍遷到導(dǎo)帶形成導(dǎo)電電子[4]，在持續(xù)光照作用下，在電路中就會產(chǎn)生光電流。由于半導(dǎo)體銻化銦半導(dǎo)體材料的禁帶寬度為Eg=0.17 ev因此可計(jì)算出銻化銦光譜響應(yīng)的長波限在7 μm。理論和實(shí)驗(yàn)均表明銻化銦的光譜響應(yīng)波長為2～7 μm，峰值波長在3.5～5.5之間。

由于許多化合物在紅外區(qū)域產(chǎn)生特征光譜，因此紅外光譜法廣泛應(yīng)用于這些物質(zhì)的定性和定量分析，特別是對聚合物的定性分析，用其他化學(xué)和物理方法較為困難，而紅外光譜法簡便易行，特別適用于聚合物分析。實(shí)驗(yàn)表明，CO、HC、CO2等氣體分子吸收紅外光引起的振動(dòng)能級躍遷和轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷而產(chǎn)生的吸收信號。典型的CO、HC、CO2等氣體分子吸收紅外光光譜圖如圖3所示。CO的紅外吸收峰在4.5 μm附近。CO2在4.3 μm附近，HC在3.4 μm附近， 水蒸氣在3 μm和6 μm附近。因?yàn)榭諝庵蠧O2和水蒸氣的濃度遠(yuǎn)大于CO的濃度，故干擾CO的測定。在測定前用致冷或通過干燥劑的方法可除去水蒸氣；用窄帶光學(xué)濾光片或氣體濾波室將紅外輻射限制在CO吸收的窄帶光范圍內(nèi)，可消除CO2的干擾。，在波長2.5一25 μm的紅外線光區(qū)都有特異的吸收帶，其中CO2在中段紅外區(qū)的吸收帶有4處，且以4.26 μm的吸收帶最強(qiáng)，而且不與H2O相互干擾。被吸收的紅外光能量多少與被測氣體對紅外光的吸收系數(shù)（K）、氣體的密度（C）和氣層的厚度（L）有關(guān)，并服從比爾一蘭伯特定律:E=Eoe-KCI。

圖3 CO、HC、CO2等氣體分子吸收紅外光光譜Fig.3 CO,HC,CO2gas molecules such as infrared absorption spectrum

不分光紅外線檢測汽車尾氣分析儀的就有基于CO、HC、CO2等氣體分子吸收紅外光，用一束連續(xù)改變波長的紅外光照射，通過樣品的紅外光在某些能引起分子振動(dòng)的波數(shù)范圍內(nèi)（峰位）被吸收，引起透光率下降，吸收強(qiáng)度（峰強(qiáng)度）的增加形成紅外譜帶[5]。原理如圖4所示。用銻化銦紅外探測器檢測出某波段光強(qiáng)度變化，經(jīng)電路和計(jì)算機(jī)處理，得到CO、HC、CO2氣體濃度值，從而確定汽車尾氣是否超標(biāo)。

2 紅外氣體檢測系統(tǒng)工作原理及各分部單元功能分析

2.1 紅外氣體檢測系統(tǒng)的組成及工作原理

紅外氣體檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖5所示，被測氣體經(jīng)過干燥、除塵處理后進(jìn)入氣室，單片機(jī)控制電路發(fā)送一定的頻率的調(diào)制信號去控制紅外光源。由紅外光源發(fā)出的紅外光，經(jīng)窄帶濾光片選擇性透過能被待測氣體吸收的紅外光，此波段紅外光經(jīng)過長度為L的氣室內(nèi)氣體吸收，最后到達(dá)紅外探測器。紅外探測器測得吸收后光能量的強(qiáng)度，反映了氣體吸收紅外光的強(qiáng)弱。紅外探測器將光能量的強(qiáng)度變化信號轉(zhuǎn)換為微弱電信號輸出，經(jīng)前置放大器及濾波電路處理后得到穩(wěn)定的電信號。此信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)控制處理。在送往液晶顯示模塊精心顯示，同時(shí)亦可打印、發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 紅外氣體檢測系統(tǒng)各單元設(shè)計(jì)及主要功能分析

圖4 紅外氣體分析儀吸收光譜示意圖Fig.4 infrared gas analyzer absorption spectrum diagram

圖5 紅外氣體檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Principle of infrared gas detection system structure

紅外氣體檢測系統(tǒng)是由光源、待測氣體儲存室、紅外探測器、前置放大器電路、單片機(jī)及其它裝置組成。選擇優(yōu)良的器件、設(shè)計(jì)合理的電路及系統(tǒng)裝置是系統(tǒng)能準(zhǔn)確氣體濃度的關(guān)鍵。紅外氣體檢測系統(tǒng)各單元設(shè)計(jì)及主要功能分析如下：

1）光源：光源要求發(fā)出含有2～7 μm紅外光的連續(xù)光譜，使其通過待測氣體后探測器可撲捉到其能量強(qiáng)度信號。采用一般石英燈即可。

2）氣室：氣室是存儲待測氣體，一般可采用鍍膜的玻璃或石英管制作，鍍膜是為了防止外界雜散光進(jìn)入氣室，影響測試準(zhǔn)確性。當(dāng)紅外光通過待測氣體氣室后，CO、HC、CO2等氣體分子吸收紅外光，分別使其在特定的光譜波段強(qiáng)度減弱。

3）紅外探測器：紅外氣體檢測系統(tǒng)的核心器件為紅外探測器，由于銻化銦紅外探測器可將2～7 μm波段的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號，并有較高的電壓響應(yīng)率。陜西華星電子集團(tuán)紅外器件公司生產(chǎn)的銻化銦紅外探測器是目前檢測CO、HC、CO2氣體分子的理想半導(dǎo)體器件。

4）前置放大器電路：銻化銦紅外探測器輸出的光電轉(zhuǎn)換信號較微弱，且包含一定量的雜散噪聲信號，需通過高精度前置放大器電路進(jìn)行放大、濾波電路處理后得到穩(wěn)定的電信號，供后續(xù)電路處理應(yīng)用。

5）紅外濾光片：由于CO的紅外吸收峰在4.5 μm附近。CO2在4.3 μm附近，HC在3.4 μm附近， 水蒸氣在3 μm和6 μm附近。為了防止水蒸氣和其它氣體分子對待測氣體的干擾，檢測待測氣體含量是需分別在銻化銦紅外探測器前裝濾光片，以提高測試準(zhǔn)確度。表1為3種氣體濾光片測試波長。

表1 三種氣體測試波長Tab.1 Three gas test wavelength

以 CO2測量為例，選用中心波長為4.43 μm，半帶寬度為60 nm，該波段能透射的信號能準(zhǔn)確反映CO2的濃度。

6）單片機(jī)及控制電路：紅外氣體檢測系統(tǒng)控制電路通常選用AT89C55單片機(jī)作為微處理器，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等信號處理電路完成對經(jīng)待測氣體后紅外探測器輸出的信號轉(zhuǎn)換、處理及輸出顯示、打印等功能。

3 紅外氣體檢測系統(tǒng)功能及應(yīng)用

紅外線式氣體分析儀基于非色散紅外吸收光譜（NDIR）的原理，其測量方法是基于氣體對紅外線進(jìn)行選擇性吸收的原理，當(dāng)被測氣體通過測量管道時(shí)吸收紅外光源發(fā)出的特定頻率光（與被測氣體成分有關(guān)）使光強(qiáng)衰減，測出光強(qiáng)的衰減程度即確定了被測氣體的濃度。利用這種氣體分子對紅外輻射吸收的原理而制成的紅外氣體分析儀，具有測量精度高，速度快以及能連續(xù)測定等特點(diǎn)，在鋼鐵，石油化工，化肥，機(jī)械等工業(yè)部門，紅外氣體分析儀是生產(chǎn)流程控制的重要監(jiān)測手段[6]；在環(huán)境污染成分檢測和醫(yī)學(xué)生理研究等方面也都有許多成功的應(yīng)用.目前，紅外線氣體分析儀采用了國際先進(jìn)的微量檢測技術(shù)和微機(jī)處理技術(shù)，可以對汽車的排放物進(jìn)行檢測、計(jì)算、轉(zhuǎn)換和處理。其中信號處理是由單片機(jī)及處理電路完成。具有數(shù)字化信息處理、人機(jī)對話、自動(dòng)操作提示、大屏幕LCD顯示、上下限報(bào)警、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出等功能。可連續(xù)分析各種混合氣體中的CO、CO2、、HC、SO2等氣體濃度。

應(yīng)用銻化銦半導(dǎo)體器件做紅外探測器的紅外氣體檢測儀器系統(tǒng)特點(diǎn)：靈敏度高、壽命長、可靠性高。檢測器采用前后氣室結(jié)構(gòu)，大大提升了儀器的選擇性，交叉干擾小。采用振幅調(diào)制技術(shù)，共模抑制能力強(qiáng)，儀器零點(diǎn)漂移小，穩(wěn)定性好。全密封光路，不受環(huán)境氣氛的影響。包封紅外光源，穩(wěn)定性極高。鍍金（或不銹鋼）測量氣室耐腐蝕強(qiáng)。大屏幕LCD液晶顯示，全中文操作菜單。廣泛適用于石化、空分、建材、電廠等工業(yè)生產(chǎn)流程氣體在線分析。

4 結(jié)束語

紅外氣體檢測是目前發(fā)展最快、應(yīng)用廣泛的一種氣體檢測分析儀器。目前應(yīng)用銻化銦半導(dǎo)體器件做為探測器的紅外氣體檢測儀器系統(tǒng)是唯一適應(yīng)檢測分析2 μm紅外波段的汽車尾氣CO、CO2、、HC等氣體濃度。其優(yōu)點(diǎn)是精度和靈敏度高響應(yīng)速度快，測量范圍大，選擇性好，穩(wěn)定可靠，可快速和連續(xù)。并可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域等。

[1]張虹.電子技術(shù)在紅外汽車尾氣檢測儀在的應(yīng)用.濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（2）:51-52.

[2]馬睿，薛三旺.高靈敏度室溫銻化銦紅外探測器研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（1）:182-183.

[3]胡承正，周祥，繆靈.理論物理概論[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

[4]安毓英，劉繼芳.光電子技術(shù)[M].3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[5]翁詩甫.傅里葉變換紅外光譜分析[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[6]尚薇.汽車尾氣污染與環(huán)境危害[N].中國經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)，2011.