一種CO₂氣體檢測用紅外濾光片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CO2氣體檢測用紅外濾光片及其制備方法，紅外濾光片基底材料選用單晶Si，高折射率材料選用Ge，低折射率材料選用SiO。在基板兩個表面上分別沉積主膜系面薄膜和干涉截止膜系面薄膜，其鍍膜工藝條件為：其中Ge選用電子束蒸鍍，沉積速率為SiO選用多孔鉬舟電熱蒸鍍，沉積速率為開始蒸鍍真空度為1.0×10?3Pa，沉積溫度為200℃。得到的4260nm帶通紅外濾光片，峰值透過率可達90％以上，極大的提高信噪比，很好的抑制其他氣體的干擾，提高儀器探測精度和效能。
【專利說明】
_種C〇2氣)體檢測用紅外濾光片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及紅外濾光片制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種CO2氣體檢測用紅外濾光片 及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在冶金、航空航天、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保等方面都需要對CO2的濃度進行定量檢測與控 制，且許多情況下應用環(huán)境十分惡劣，如易燃易爆、高溫、高壓、有磁場等場合。因此，開發(fā)出 穩(wěn)定性好、選擇性好、靈敏度高、小型化便攜式的CO 2氣體傳感器，具有很高的實用價值。
[0003] 紅外分析儀是利用氣體紅外特征吸收峰測定氣體含量的儀器，選擇特定波長的紅 外氣體分析濾光片是紅外氣體分析儀的關(guān)鍵部件。光源發(fā)出的光經(jīng)過濾光片后，得到一定 帶寬的準單色光（帶寬越窄單色度越好），該光通過氣體樣品池被氣體吸收后，由檢測器檢 測出射光強。由于CO 2氣體在4260nm波長處具有較強特征吸收光譜，通過探測氣體對4260nm 波長紅外光譜的衰減可推算其CO2含量。
[0004] 根據(jù)資料檢索，如文獻"林喆.TPS2534新型紅外氣體濃度傳感器的研究與應用.電 大理工，2011，246( 1): 10-12TPS2534新型紅外氣體濃度傳感器越來越多應用于紅外氣體 濃度檢測儀器的生產(chǎn)與設(shè)計中。針對⑶2氣體濃度檢測，主要選用TPS2534G2型號濾光片安 裝在TPS2534傳感器的傳感窗口，中心波長為4.26μπι，中心波長偏差± 1 %，半高寬為180 土 20nm，半高寬/中心波長為4.2 %，峰值透射率大于73 %。中國專利ZL95244862.9 "4.26微米 窄帶濾光片"以白寶石為基板，ZnSe和ZnTi為高低折射率材料，設(shè)計出中心波長λ〇 = 4.26 土 0 · Ο?μπι，半高寬λ〇 · 50 = 0 · 14±0 · 02μπι，波形系數(shù)η= Δ λ〇 · 10/ Δ λ〇 · 〇〇 < 1 · 4,峰值透射率 Tmax2 70%的4260nm窄帶濾光片。
[0005] 但上述兩種濾光片通帶較寬，截止波段不夠?qū)挘逯低干渎瘦^低，所以測量準確 性、穩(wěn)定性以及抗干擾的能力還有待提升。
[0006] 文獻"朱華新，王彤彤，高勁松等.超寬截止邊帶濾光片研究.人工晶體學報，2013， 43(12) :2701-2706"通過疊加不同中心波長的多層周期膜，然后在各不同周期膜層之間添 加過渡層，直接展寬截止帶寬度，實現(xiàn)了0.5-0.85μπι截止區(qū)的截止深度達5 X HT3以下，0.9-1.3μπι通帶內(nèi)的平均透過率也達到83.14%的超寬截止邊帶濾光片研究。但其為消除透射次 峰添加較多過渡層，使單面鍍膜層數(shù)達57層，且截止帶寬度僅為0.35μπι，截止深度也不理 想。文獻"李冬梅，劉爽，付秀華等.紅外線治療儀中寬波段帶通濾光片的研究.光子學報， 2015,44(3):0301001"采用"拆分技術(shù)要求"的設(shè)計思想，將濾光片的整體技術(shù)要求進行細 化拆分，按拆分后的要求設(shè)計新的膜系，并在Κ9玻璃基底上進行雙面鍍制，通過雙面疊加的 方式最終實現(xiàn)，600-1200nm波段平均透過率大于95%，300~550腹、1270~200011111波段平均 透過率低于1%，紅外線治療儀中寬波段帶通濾光片。但其拆分后都是采用一種基礎(chǔ)膜系進 行設(shè)計與優(yōu)化，導致兩面膜層數(shù)達173層，制備過程難度較大而改采用截止型玻璃作為基底 的方法。文獻"李冬梅，王曉娟，付秀華等.近紅外寬截止窄帶濾光片的研制.光子學報， 2014,43(1):0131002"通過正面采用常規(guī)多腔窄帶濾光片膜系，反面采用干涉截止濾光片 膜系，最終實現(xiàn)1530~1600nm波段平均透過率高于92%，800~1530腦、1600~180011111波段 平均透過率低于0.3%的近紅外寬截止窄帶濾光片的研制。但正面膜材料采用Ti02和Si02， 反面采用Si和Si02,雖然有效的減少了反面膜層，但是也增加制備難度且截止波段也較窄， 同時正面常規(guī)多腔窄帶濾光片膜系多達33層，還有待于進一步的優(yōu)化。
[0007] 但是，就目前用于測量二氧化碳的4260nm帶通紅外濾光片，其通帶較寬，截止波段 不夠?qū)?，峰值透射率較低，所以測量準確性、穩(wěn)定性以及抗干擾的能力還有待提升，靈敏度 差，不能滿足市場發(fā)展的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種峰值透過率高，能極大 的提高信噪比，有效檢測CO2氣體的4260nm帶通紅外濾光片及其制作方法。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的一種CO2氣體檢測用紅外濾光片，其特征是：
[0010] (1)采用單晶Si作基板;硅雙面拋光，厚度300 ± ΙΟμπι，晶向〈100>。
[0011] (2)鍍膜材料選擇一氧化硅SiO和單晶鍺Ge，在基板兩個表面上分別沉積主膜系面 薄膜和干涉截止膜系面薄膜。
[0012] (3)主膜系面薄膜結(jié)構(gòu)采用Air/1.16L1.232HL 6HLHLHL 4HLHLHL 6HLH/Sub。
[0013] ⑷干涉截止膜系面薄膜采用：Sub/0.42(HL)9 0.65(HL)8 1.53(HL)6/Air。
[0014] 膜系中符號含義分別為:Sub為基板，Air為空氣，H和L分別代表膜層Ge(高折射率 材料層)和膜層SiO(低折射率材料層）的一個1/4波長光學厚度，中心波長λ = 4260ηπι，IH = (4nH d)/A;lL=(4ru cO/λ，結(jié)構(gòu)式中數(shù)字為膜層的厚度系數(shù)、結(jié)構(gòu)式中的指數(shù)是膜堆鍍膜 的周期數(shù)。
[0015] 上述的一種⑶2氣體檢測用紅外濾光片的制備方法，以晶硅S i為基板，一氧化硅 SiO和鍺Ge為鍍膜材料，采用真空熱蒸發(fā)薄膜沉積的方法制備鍍膜層，Ge選用電子束蒸鍍， 沉積速率為8 A/sec;SiO選用多孔鉬舟電熱蒸鍍，沉積速率為40 A/sec，開始蒸鍍真空度為 1.0 X 10-3Pa，沉積溫度為200 °C。
[0016] 上述的一種CO2氣體檢測用紅外濾光片的制備方法，采用光學監(jiān)控法控制膜層厚 度，并輔以石英晶控控制沉積速率。
[0017] 上述的制備得到的4260nm帶通紅外濾光片，主膜系采用多腔窄帶膜系結(jié)構(gòu)，配合 高截止深度的干涉截止膜系，中心波長為4260nm，4240nm~4280nm波段平均透過率為 91.83%，半高寬為IOOnm;除中心波長4260nm帶寬IOOnm的通帶外，從1500~1000 Onm范圍內(nèi) 的其余光譜全部截止，1500nm~4180nm平均透射率為0.038%，435011111~800011111平均透射率 為0.044%，能極大的提高信噪比，可以很好的抑制其他氣體的干擾，產(chǎn)品光學性能和物理 強度能很好的滿足實際使用要求，廣泛應用于CO 2氣體紅外探測儀器，提高儀器探測精度和 效能，可以做到更快速、更精確的確認泄漏點。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0019] 1、濾光片與傳統(tǒng)技術(shù)方法相比，具有中心波長為4260nm的窄帶透過光譜，透射帶 的上升沿和下降沿陡峭，波形矩形度好，峰值透過率>90%、截止區(qū)域內(nèi)截止深度〈0.1%，因 此4260nm的有效工作波段可以盡可能大的透過，而其余無效波段的背景干擾信號則極大的 減小，因而可取得優(yōu)異的信噪比，提高儀器的測試靈敏度和精度。
[0020] 2、本發(fā)明制備的濾光片工藝簡單，已能形成批量生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，滿足高精度C02 氣體紅外探測儀器的性能要求。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明所述CO2氣體檢測用紅外濾光片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 其中：基底1為單晶Si，膜層材料2為Ge，膜層材料3為SiO。
[0023] 圖2是濾光片最終性能實測曲線圖。
【具體實施方式】 [0024] 實施例1
[0025]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0026] 實施例1:
[0027]如圖1所示，本實施例提供的一種C02氣體檢測用紅外濾光片及其制備方法是： [0028] (1)采用尺寸為Φ50.8的單晶Si作基板;硅雙面拋光，厚度300±10μπι，晶向〈100>。
[0029] (2)鍍膜材料選擇SiO和單晶Ge，在基板兩個表面上分別沉積主膜系面薄膜A和干 涉截止膜系面薄膜B。
[0030] (3)主膜系面薄膜結(jié)構(gòu)采用Air/1.16L1.232HL 6HLHLHL 4HLHLHL 6HLH/Sub。
[0031] (4)干涉截止膜系面薄膜采用：Sub/0.42(HL)9 0.65(HL)8 1.53(HL)6/Air。
[0032] 膜系中符號含義分別為:Sub為基板，Air為空氣，H和L分別代表膜層2(Ge)(高折射 率材料層)和膜層3(Si0)(低折射率材料層)的一個1/4波長光學厚度，中心波長λ = 4260ηπι， 1H=(4m d)/A;lL=(4nL cO/λ，結(jié)構(gòu)式中數(shù)字為膜層的厚度系數(shù)、結(jié)構(gòu)式中的指數(shù)是膜堆 鍍膜的周期數(shù)。
[0033] 本實施例提供的一種C02氣體檢測用紅外濾光片的制備方法，以單晶硅Si為基板， 一氧化硅SiO和鍺Ge為鍍膜材料，采用真空熱蒸發(fā)薄膜沉積的方法制備鍍膜層，Ge選用電子 束蒸鍍，沉積速率為8 A/sec。SiO選用多孔鉬舟電熱蒸鍍，沉積速率為40 Α/sec，開始蒸鍍 真空度為I. 〇 X HT3Pa，沉積溫度為200 °C。
[0034] 由于具體如何蒸發(fā)采用電子槍蒸發(fā)和采用阻蒸熱蒸發(fā)鍍膜是本領(lǐng)域技術(shù)人員所 掌握的常規(guī)技術(shù)，在此不作詳細描述。
[0035] 本實施例提供的一種濾光片采用一面鍍多腔窄帶膜系，提高有效工作波段的透過 率和波形矩形度，一次改善有效信號強度;另一面鍍高截止深度的干涉截止膜系，到達1500 ~8000nm的范圍內(nèi)除通帶外的所有無效次峰。
[0036] 本實施例提供的⑶2氣體檢測用紅外濾光片，其中心波長定位精度在0.4%以內(nèi)， 對膜系采用光學監(jiān)控法控制膜層厚度，并輔以石英晶控控制沉積速率。
[0037]采用德國Bruker公司VERTEX 70型傅里葉紅外光譜儀對所制備的濾光片進行測 試。本濾光片最終性能結(jié)構(gòu)如圖2的濾光片最終性能實測曲線圖：
[0038] 1 ·中心波長λ = 4260ηηι;
[0039] 2.帶寬 Δλ=1〇〇ηπι;
[0040] 3 ·波形系數(shù) Δ λ1〇 % / Δ λ50 % = 1 · 47;
[0041 ] 4.峰值透過率 Τρ = 91·83%;
[0042] 除通帶外 1500~8000nm Tavg<0.05%。
[0043] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明 技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變換，均仍屬于本發(fā)明技 術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種C〇2氣體檢測用紅外濾光片，其特征在于： (1) 采用單晶Si作基板;娃雙面拋光，厚度300± ΙΟμπι，晶向<100〉； (2) 鍛膜材料選擇一氧化娃SiO和單晶錯Ge，在基板兩個表面上分別沉積主膜系面薄膜 和干設(shè)截止膜系面薄膜； (3) 主膜系面薄膜結(jié)構(gòu)采用Air/1.16L1.232HL細LHLHL 4HLHLHL細LH/如b; (4) 干設(shè)截止膜系面薄膜采用：如b/0.42化L)9 0.65化L)8 1.53化L)s/Air; 膜系中符號含義分別為：Sub為基板，Air為空氣，Η和L分別代表膜層Ge(高折射率材料 層）和膜層SiO(低折射率材料層）的一個1/4波長光學厚度，中屯、波長λ = 4260ηπι，1Η=(4ηΗ d)/A;lL=(4nL (1)/λ，結(jié)構(gòu)式中數(shù)字為膜層的厚度系數(shù)、結(jié)構(gòu)式中的指數(shù)是膜堆鍛膜的周 期數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種C〇2氣體檢測用紅外濾光片，其特征在于:采用真空熱蒸發(fā)薄 膜沉積的方法制備鍛膜層，Ge選用電子束蒸鍛，沉積速率為8 A/sec;Si0選用多孔鋼舟電熱 蒸鍛，沉積速率為40 A/sec，開始蒸鍛真空度為1.0 X l(T3Pa，沉積溫度為200°C。3. 如權(quán)利要求2所述的一種C〇2氣體檢測用紅外濾光片，其特征在于:采用光學監(jiān)控法控 制膜層厚度，并輔W石英晶控控制沉積速率。4. 如權(quán)利要求1所述的一種C0巧體檢測用紅外濾光片，其特征在于:所述紅外濾光片， 主膜系采用多腔窄帶膜系結(jié)構(gòu)，配合高截止深度的干設(shè)截止膜系，中屯、波長為4260nm， 4240皿~4280皿波段平均透過率為91.83%，半高寬為100皿;除中屯、波長4260皿帶寬100皿 的通帶外，從1500~lOOOOnm范圍內(nèi)的其余光譜全部截止，1500nm~4180nm平均透射率為 0.038 %，4350nm~SOOOnm平均透射率為0.044 %。
【文檔編號】G02B5/28GK105842770SQ201610325524
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】喬冠軍, 侯海港, 黃清偉, 邵海成, 劉桂武
【申請人】江蘇大學