锑化铟红外探测器件在环境监测分析系统中的应用研究

付安英，商 莹，张金博，张雪侠

（陕西国际商贸学院 陕西 咸阳 712000）

20世纪60年代以来，世界范围内的环境污染与生态破坏日益严重，环境保护逐渐为国际社会所关注。特别是进入21世纪，随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，作为现代人类重要交通工具汽车的数量也随之迅速增加，在人们出行方便的同时，汽车尾气对人类生存环境也造成了严重污染。机动车排放的一氧化碳、一氧化氮、碳氢化合物、光化学烟雾等污染物，严重影响空气环境质量，并直接危害市民身体健康。监测和治理大气污染成为保障人类健康，保障经济社会可持续首要任务。可靠的分析大气中各种有害气体含量是监测和治理大气污染的先决条件。目前，汽车排气分析主要是检测汽车尾气中各种气体元素含量指标。基本上采用不分光红外线和电化学传感器对汽车排气中主要组份CO、HC、CO2、NOX和O2的测量分析[1]。文中主要针对采用不分光红外线检测汽车尾气分析仪中使用的关键半导体元件锑化铟红外探测器的工作原理，应用方法进行分析介绍。

1 锑化铟红外探测器工作原理

1.1 锑化铟红外探测器结构

锑化铟为窄禁带的半导体材料，用InSb单晶可制成的性能稳定，能在室温条件下工作，可接收3～5 μm波段红外光的红外探测器。如图1所示。该器件主要由光敏元、超半球场镜系统组成，场景凸镜面镀有可透射3～5 μm波段红外光的增透膜。器件的核心是光敏元，是由一系列复杂工艺制造的厚度为5～10 μm锑化铟单晶薄片[2]。 可将2～7 μm波段的红外光转换为电信号，并有较高的电压响应率。

图1 锑化铟红外探测器Fig.1 InSb infrared detector

1.2 锑化铟红外探测器性能参数

用于气体分析仪器的探测元件性能的优劣，直接影响到的测量检测的准确度，高灵敏度、高探测率、低噪声的红外探测器测器是制造高性能分析仪器的关键元器件。室温锑化铟红外探测器的电压响应率约为600～1 000 V/W，探测率（500.800.1）为1.5～3×109cm·H1/2zW-1， 光谱响应波长为2～7 μm，如图2所示。由于光导型锑化铟红外探测器性能优越，可在常温条件下工作，结构设计比较简单，只要合理的设计保护外壳，引出电极和透红外窗口，就具有相对灵敏度。良好的光电转换性能，在军事上广泛用于热成像跟踪、探测和预警，用于红外制导可全方位攻击目标。民用亦广泛用于红外线气体分析、环境监测、大棚蔬菜生长CO2气肥监测、汽车尾气检测及非明火探 。

图2 锑化铟红外探测器光谱响应曲线Fig.2 InSb infrared detector spectral response curve

1.3 锑化铟红外探测器工作原理

根据光量子理论，光子能量E与光频率v之间存在E=hv关系。光波长λ=h/p=h/其中E为电子能量，h为普朗克常数，m为电子质量[3]。当能量大于锑化铟半导体材料的禁带宽度0.17 ev的光子，照射在锑化铟半导体材料表面上，就会是其价带的束缚电子在频率为v的辐射场作用下吸收一个能量为的hv光子，并跃迁到导带形成导电电子[4]，在持续光照作用下，在电路中就会产生光电流。由于半导体锑化铟半导体材料的禁带宽度为Eg=0.17 ev因此可计算出锑化铟光谱响应的长波限在7 μm。理论和实验均表明锑化铟的光谱响应波长为2～7 μm，峰值波长在3.5～5.5之间。

由于许多化合物在红外区域产生特征光谱，因此红外光谱法广泛应用于这些物质的定性和定量分析，特别是对聚合物的定性分析，用其他化学和物理方法较为困难，而红外光谱法简便易行，特别适用于聚合物分析。实验表明，CO、HC、CO2等气体分子吸收红外光引起的振动能级跃迁和转动能级跃迁而产生的吸收信号。典型的CO、HC、CO2等气体分子吸收红外光光谱图如图3所示。CO的红外吸收峰在4.5 μm附近。CO2在4.3 μm附近，HC在3.4 μm附近， 水蒸气在3 μm和6 μm附近。因为空气中CO2和水蒸气的浓度远大于CO的浓度，故干扰CO的测定。在测定前用致冷或通过干燥剂的方法可除去水蒸气；用窄带光学滤光片或气体滤波室将红外辐射限制在CO吸收的窄带光范围内，可消除CO2的干扰。，在波长2.5一25 μm的红外线光区都有特异的吸收带，其中CO2在中段红外区的吸收带有4处，且以4.26 μm的吸收带最强，而且不与H2O相互干扰。被吸收的红外光能量多少与被测气体对红外光的吸收系数（K）、气体的密度（C）和气层的厚度（L）有关，并服从比尔一兰伯特定律:E=Eoe-KCI。

图3 CO、HC、CO2等气体分子吸收红外光光谱Fig.3 CO,HC,CO2gas molecules such as infrared absorption spectrum

不分光红外线检测汽车尾气分析仪的就有基于CO、HC、CO2等气体分子吸收红外光，用一束连续改变波长的红外光照射，通过样品的红外光在某些能引起分子振动的波数范围内（峰位）被吸收，引起透光率下降，吸收强度（峰强度）的增加形成红外谱带[5]。原理如图4所示。用锑化铟红外探测器检测出某波段光强度变化，经电路和计算机处理，得到CO、HC、CO2气体浓度值，从而确定汽车尾气是否超标。

2 红外气体检测系统工作原理及各分部单元功能分析

2.1 红外气体检测系统的组成及工作原理

红外气体检测系统原理结构如图5所示，被测气体经过干燥、除尘处理后进入气室，单片机控制电路发送一定的频率的调制信号去控制红外光源。由红外光源发出的红外光，经窄带滤光片选择性透过能被待测气体吸收的红外光，此波段红外光经过长度为L的气室内气体吸收，最后到达红外探测器。红外探测器测得吸收后光能量的强度，反映了气体吸收红外光的强弱。红外探测器将光能量的强度变化信号转换为微弱电信号输出，经前置放大器及滤波电路处理后得到稳定的电信号。此信号经A/D转换，送入单片机控制处理。在送往液晶显示模块精心显示，同时亦可打印、发送数据。

2.2 红外气体检测系统各单元设计及主要功能分析

图4 红外气体分析仪吸收光谱示意图Fig.4 infrared gas analyzer absorption spectrum diagram

图5 红外气体检测系统原理结构图Fig.5 Principle of infrared gas detection system structure

红外气体检测系统是由光源、待测气体储存室、红外探测器、前置放大器电路、单片机及其它装置组成。选择优良的器件、设计合理的电路及系统装置是系统能准确气体浓度的关键。红外气体检测系统各单元设计及主要功能分析如下：

1）光源：光源要求发出含有2～7 μm红外光的连续光谱，使其通过待测气体后探测器可扑捉到其能量强度信号。采用一般石英灯即可。

2）气室：气室是存储待测气体，一般可采用镀膜的玻璃或石英管制作，镀膜是为了防止外界杂散光进入气室，影响测试准确性。当红外光通过待测气体气室后，CO、HC、CO2等气体分子吸收红外光，分别使其在特定的光谱波段强度减弱。

3）红外探测器：红外气体检测系统的核心器件为红外探测器，由于锑化铟红外探测器可将2～7 μm波段的红外光转换为电信号，并有较高的电压响应率。陕西华星电子集团红外器件公司生产的锑化铟红外探测器是目前检测CO、HC、CO2气体分子的理想半导体器件。

4）前置放大器电路：锑化铟红外探测器输出的光电转换信号较微弱，且包含一定量的杂散噪声信号，需通过高精度前置放大器电路进行放大、滤波电路处理后得到稳定的电信号，供后续电路处理应用。

5）红外滤光片：由于CO的红外吸收峰在4.5 μm附近。CO2在4.3 μm附近，HC在3.4 μm附近， 水蒸气在3 μm和6 μm附近。为了防止水蒸气和其它气体分子对待测气体的干扰，检测待测气体含量是需分别在锑化铟红外探测器前装滤光片，以提高测试准确度。表1为3种气体滤光片测试波长。

表1 三种气体测试波长Tab.1 Three gas test wavelength

以 CO2测量为例，选用中心波长为4.43 μm，半带宽度为60 nm，该波段能透射的信号能准确反映CO2的浓度。

6）单片机及控制电路：红外气体检测系统控制电路通常选用AT89C55单片机作为微处理器，A/D模数转换电路等信号处理电路完成对经待测气体后红外探测器输出的信号转换、处理及输出显示、打印等功能。

3 红外气体检测系统功能及应用

红外线式气体分析仪基于非色散红外吸收光谱（NDIR）的原理，其测量方法是基于气体对红外线进行选择性吸收的原理，当被测气体通过测量管道时吸收红外光源发出的特定频率光（与被测气体成分有关）使光强衰减，测出光强的衰减程度即确定了被测气体的浓度。利用这种气体分子对红外辐射吸收的原理而制成的红外气体分析仪，具有测量精度高，速度快以及能连续测定等特点，在钢铁，石油化工，化肥，机械等工业部门，红外气体分析仪是生产流程控制的重要监测手段[6]；在环境污染成分检测和医学生理研究等方面也都有许多成功的应用.目前，红外线气体分析仪采用了国际先进的微量检测技术和微机处理技术，可以对汽车的排放物进行检测、计算、转换和处理。其中信号处理是由单片机及处理电路完成。具有数字化信息处理、人机对话、自动操作提示、大屏幕LCD显示、上下限报警、标准信号输出等功能。可连续分析各种混合气体中的CO、CO2、、HC、SO2等气体浓度。

应用锑化铟半导体器件做红外探测器的红外气体检测仪器系统特点：灵敏度高、寿命长、可靠性高。检测器采用前后气室结构，大大提升了仪器的选择性，交叉干扰小。采用振幅调制技术，共模抑制能力强，仪器零点漂移小，稳定性好。全密封光路，不受环境气氛的影响。包封红外光源，稳定性极高。镀金（或不锈钢）测量气室耐腐蚀强。大屏幕LCD液晶显示，全中文操作菜单。广泛适用于石化、空分、建材、电厂等工业生产流程气体在线分析。

4 结束语

红外气体检测是目前发展最快、应用广泛的一种气体检测分析仪器。目前应用锑化铟半导体器件做为探测器的红外气体检测仪器系统是唯一适应检测分析2 μm红外波段的汽车尾气CO、CO2、、HC等气体浓度。其优点是精度和灵敏度高响应速度快，测量范围大，选择性好，稳定可靠，可快速和连续。并可广泛应用于工业、农业、环保、医疗、科研等领域等。

[1]张虹.电子技术在红外汽车尾气检测仪在的应用.潍坊学院学报，2008（2）:51-52.

[2]马睿，薛三旺.高灵敏度室温锑化铟红外探测器研制[J].现代电子技术，2007（1）:182-183.

[3]胡承正，周祥，缪灵.理论物理概论[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[4]安毓英，刘继芳.光电子技术[M].3版.西安：西安电子科技大学出版社，2013.

[5]翁诗甫.傅里叶变换红外光谱分析[M].2版.北京：化学工业出版社，2010.

[6]尚薇.汽车尾气污染与环境危害[N].中国经济新闻网，2011.