NDIR乙烷气体传感器中滤光膜的研制
NDIR红外气体传感器的基本概述
一、NDIR红外气体传感器的基本概述1.简介NDIR红外气体传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。
其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。
其主要由红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器，主要用于测化合物，例如：CH4、CO2、N2O、CO、SO2、NH3、乙醇、苯等，并包含绝大多数有机物。
2.原理由于各种物质分子内部结构的不同，就决定了它们对不同波长光线的选择吸收，即物质只能吸收一定波长的光。
物质对一定波长光的吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert2Beer)吸收定律。
下图为NDIR红外气体分析原理图：以CO2分析为例，红外光源发射出1～20μm的红外光，通过一定长度的气室吸后，经过一个μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过μm 波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度。
3.分类1）根据红外探测器的通道数，可以划分为单通道NDIR气体传感器和双通道NDIR气体传感器。
单通道就是在红外探测器内部集成了一个敏感元件以及窄带滤波镜片；双通道就是在单通道的基础上，集成了一个参考通道。
我公司红外传感器产品皆为双通道类型，长期稳定性更好，受环境温度影响小。
2）根据探测气体种类，可以划分为单一气体和复合气体传感器。
目前市场上绝大部分NDIR 气体传感器都是针对单一气体组分进行测量的，技术比较成熟，应用也比较广泛。
4.应用红外线气体分析器主要应用领域：1)石油、化工、发电厂、冶金焦碳等工业过程控制；2)大气及污染源排放监测等环保领域；3)饭店、大型会议中心等公共场所的空气监测；4)农业、医疗卫生和科研等领域；例如：（1）合成氨流程的醇化塔进（出）口，用红外气体分析器分析CO和CO2；（2）甲醇生产流程的脱碳工段，用红外气体分析器分析CO和CO2；（3）环保排放监测，用红外气体分析器分析SO2和NOx。
一种基于NDIR技术的红外气体传感器[实用新型专利]
![一种基于NDIR技术的红外气体传感器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c0d0042cb6360b4c2e3f5727a5e9856a56122608.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202021956944.3(22)申请日 2020.09.09(73)专利权人 成都凯能光电科技有限公司地址 610000 四川省成都市龙泉驿区龙泉街道北京路138号1栋1单元24层2401号(72)发明人 肖龙伟 张文勇 陈永刚 牟晓晖 (74)专利代理机构 深圳市新虹光知识产权代理事务所(普通合伙) 44499代理人 刘菊美(51)Int.Cl.G01N 21/3504(2014.01)G01N 21/01(2006.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称一种基于NDIR技术的红外气体传感器(57)摘要本实用新型涉及传感器技术领域，公开了一种基于NDIR技术的红外气体传感器，包括用于产生红外光的光源模块、用于接收红外光的检测模块、以及用于将光源模块所发出的红外光传导至检测模块上的环形光路传导组件；环形光路传导组件包括外壳，外壳内部形成有用于容纳待检测气体的气体腔室，光源模块与检测模块均设置在气体腔室内部，光源模块发出的红外光在气体腔室内经过多次反射后，照射在检测模块上，检测模块根据所接收到的红外光的强度检测出气体腔室内目标气体的气体浓度。
本申请提供的一种基于NDIR技术的红外气体传感器，光线在气体腔室内经过多次反射，使得传感器的光程更长，检测结果更加精准，同时传感器的体积也更小。
权利要求书1页 说明书5页 附图3页CN 212568464 U 2021.02.19C N 212568464U1.一种基于NDIR技术的红外气体传感器，其特征在于，包括用于产生红外光的光源模块、用于接收红外光的检测模块、以及用于将所述光源模块所发出的红外光传导至所述检测模块上的环形光路传导组件；所述环形光路传导组件包括外壳，所述外壳内部形成有用于容纳待检测气体的气体腔室，所述光源模块与所述检测模块均设置在所述气体腔室内部，所述光源模块发出的红外光在所述气体腔室内经过多次反射后，照射在所述检测模块上，所述检测模块根据所接收到的红外光的强度检测出所述气体腔室内目标气体的气体浓度。
ndir检测器原理
ndir检测器原理
由于可燃气体的危险性，在工业、科学研究、安全领域，对可燃气体的检测及监测显得尤为重要。
NDIR（非预充气体气体检测器/无汞红外热检测器）是一种用于检测可燃气体含量的有效检测方法，它可以准确地检测出少量可燃气体的泄漏，也可以监测大量的可燃气体的变化。
NDIR检测器的工作原理是：NDIR检测器采用热敏元件（催化剂和催化气体），在被检测气体经过催化剂时发生化学反应，释放出可见光，同时热电偶能够探测到热量，最后得到气体浓度的测量值。
NDIR检测器由传感器头和控制器两部分组成，传感头由催化剂和催化气体，热检测器，热电偶，滤波器，镜片，红外滤光片等组成，控制器通过检测传感头的信号，与预先设定的参数比对，根据检测结果将气体浓度测量值转换为屏幕显示的值。
传感头会根据被检测气体的特性，优化检测数，提高检测敏感度和准确性。
NDIR检测器有几种不同的传感头，他们可以检测到多种可燃气体，包括丙烷、乙烷、一氧化碳、甲烷、氨等气体。
每种传感头都有不同的参数优化，通常会考虑催化剂的性质，以及被检测气体的吸收率和分解率，从而确定检测的精度，以确保准确的浓度数据的输出。
NDIR检测器的优点在于安全使用，准确度高，操作简单，输出反应灵敏，而且无需添加汞成分，对环境污染较小。
它的缺点在于工作环境温度较高时容易受到影响，而且在检测多种气体时容易出现干扰，需要进行多次测量才能得出准确结果。
综上，NDIR检测器是一种高精度、灵敏、安全的检测设备，可
以准确检测出可燃气体的含量，是工业，科学研究，安全领域常用的可燃气体检测技术之一。
ndir气体传感原理
ndir气体传感原理气体传感器是一种用于检测环境中气体浓度的设备。
它可以应用于工业、环保、安全等领域，广泛用于检测有害气体浓度，保护人们的生命和财产安全。
其中，非分散式红外气体传感器（Non-dispersive Infrared Gas Sensor，简称ndir）是一种常用的气体传感器类型。
ndir气体传感器的工作原理是基于红外吸收光谱技术。
气体分子在特定波长的红外光照射下会吸收光能，吸收光的量与气体浓度成正比。
ndir传感器通过发射特定波长的红外光，并测量通过气体样品后光的强度变化，从而间接地得到气体浓度信息。
具体来说，ndir气体传感器由光源、样品室、红外滤波器、光敏探测器和信号处理电路等组成。
光源发射特定波长的红外光，经过样品室中的气体样本后，红外光会被样品中的气体分子吸收。
未被吸收的光通过红外滤波器进入光敏探测器，光敏探测器将光信号转换为电信号，并经过信号处理电路进行放大和滤波。
最终，传感器输出的电信号与气体浓度成正比。
由于不同气体在不同波长的红外光下吸收特性不同，因此，ndir气体传感器需要根据待检测气体的吸收特性选择合适的红外光波长。
常见的待检测气体包括二氧化碳、一氧化碳、甲烷等。
对于二氧化碳传感器，通常采用4.26μm波长的红外光进行检测，而一氧化碳传感器则常采用4.6μm波长的红外光。
ndir气体传感器具有许多优点。
首先，它具有高灵敏度和高选择性，能够准确测量低浓度的气体。
其次，由于采用了非分散式红外光吸收技术，ndir传感器对湿度和温度的影响较小，能够在较广的工作环境下稳定工作。
此外，ndir传感器响应速度快，可以实时检测气体浓度变化。
最重要的是，ndir传感器具有较长的使用寿命和较低的功耗，节约能源，降低维护成本。
然而，ndir气体传感器也存在一些局限性。
首先，由于采用了红外光源和红外滤波器，ndir传感器的制造成本较高。
其次，ndir传感器对于不同气体需要选择不同波长的红外光，因此在多气体检测时需要采用多个传感器或者切换滤光片，增加了系统复杂性和成本。
相关资料非色散式(NDIR)红外传感器检测CO2
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该检测器工作原理基于Beer-Lambert 定律，如图1: - b c, T = log (P / P) = e 0
式中: T –透光率 P P 0
P –入射光能量; 0
P –透射光能量
, –被测物吸收常数;
b –被测物厚度; b
c –被测物浓度
图1
[7] 图2 所示为一个红外光吸收式检测器，它可以同时检测CO,CO和烷烃类可
燃性气体。
该检2
测器包括一个非分光式红外发生器，红外光线被导入一个封闭的金属腔内，腔
内充有被测气体，特定波长的红外光将被气体吸收后，专门测定该特定波长的红外检测管将吸收后的能量测出，用以表示被测气体浓度。
,1 ,2 图2 ,3
光的吸收特性(波长)与被测气体的分子结构密切相关，即每种气体都有它自己的特征吸收峰。
大多数的光吸收式检测器采用红外光或激光光源，以减少杂散光的干扰。
该检测器分辨率和测量精度较高，理论上使用寿命比电化学传感器要长得多，价格比较贵。
基于NDIR原理的红外光吸收式检测器的便携式二氧化碳测试仪已被国家标准列入推荐方法之一。
类似产品: GXH–3010/3011AE 现场红外线CO/CO检测仪 2。
气体滤光相关法与非分散红外吸收法的区别
气体滤光相关法与非分散红外吸收法的区别
气体的滤光相关法与非分散红外吸收法是两种常用的气体分析方法，它们都是基于光
学原理实现的。
这两种方法在原理、应用领域、优缺点等方面都有不同之处。
1. 原理
气体滤光相关法通过对比不同波长的光线通过同一混合气体时，其透过度的变化，来
确定气体成分的浓度。
这种方法基于气体对特定波长的光线的吸收谱线特性，通过控制光源、滤光器和光电池等设备调节不同波长的光线，进行光谱分析。
非分散红外吸收法（NDIR）则是通过检测气体吸收红外辐射来确定气体浓度的方法。
NDIR将光源产生的光线通过一个特定波长的滤光器，转化为光谱范围内的红外光，再经过气体试样吸收，被光电池接受并产生电信号。
2. 应用领域
气体滤光相关法通常用于对少量气体成分进行浓度分析，如CO、NO、SO2等。
在电力、钢铁、化工等行业的废气处理、污染控制领域中应用较为广泛，常常用于尾气监测、环境
监测、气质分析等方面。
NDIR法广泛应用于二氧化碳检测以及其他光谱范围内的气体测量，如甲烷、氮氧化物、乙烷等。
在生产、石化、农业、医疗等领域应用也逐渐增加。
3. 优缺点
气体滤光相关法优点是测量结果稳定可靠，校准方便；缺点是需要在狭窄的波长区域
内调节光源和滤光器，同时易受干扰。
NDIR法则优点是测量结果准确、响应速度快，可达到ppm级的灵敏度；缺点是需要高精度的光学器件和计算机算法支持，同时又受到温度、湿度等环境因素影响。
总之，气体滤光相关法和非分散红外吸收法对于不同的气体分析领域具有各自的优劣
和适用性，需要根据不同的应用场景做出选择。
ndir原理
ndir原理ndir是一种用于检测环境中的气体浓度的传感器。
它是一种非分散式红外气体传感器，具有高精度和高灵敏度的特点。
ndir传感器的工作原理是通过测量被测气体吸收或发射的红外辐射来确定气体浓度。
ndir传感器主要由光源、样品室、滤光片、红外探测器和信号处理电路等组成。
在工作过程中，光源会发出一束红外光通过样品室，样品室内的气体会吸收或发射特定波长的红外光，然后经过滤光片的作用，只有特定波长的红外光能够到达红外探测器。
红外探测器接收到红外光后会产生电信号，并经过信号处理电路进行放大和处理，最终输出气体浓度的电信号。
ndir传感器的工作原理基于兰伯-比尔定律，该定律指出气体浓度与吸收的光强成正比。
传感器中的滤光片会选择特定波长的红外光，使得只有被测气体能够吸收或发射的光能到达红外探测器，从而提高了测量的准确性。
红外探测器会将接收到的红外光转化为电信号，信号处理电路会对电信号进行放大和处理，最终得到与气体浓度相关的电信号输出。
ndir传感器具有很高的测量精度和稳定性。
它可以在各种环境条件下进行准确和可靠的气体浓度测量。
与其他气体传感器相比，ndir 传感器对温度、湿度和气压等环境因素的影响较小，能够提供更加可靠的测量结果。
此外，由于ndir传感器只测量特定波长的红外光，可以避免其他气体的干扰，提高了测量的准确性。
ndir传感器广泛应用于环境监测、工业安全、室内空气质量监测等领域。
在环境监测中，ndir传感器可以用于测量二氧化碳、一氧化碳等气体的浓度，帮助监测空气质量和污染程度。
在工业安全中，ndir传感器可以用于检测可燃气体的浓度，及时发现潜在的安全风险。
在室内空气质量监测中，ndir传感器可以用于测量室内二氧化碳浓度，提供合理的通风建议，改善室内空气质量。
ndir传感器通过测量被测气体吸收或发射的红外辐射来确定气体浓度，具有高精度和高灵敏度的特点。
它的工作原理基于兰伯-比尔定律，通过滤光片和红外探测器的配合，可以提供准确可靠的气体浓度测量结果。
ndir气体传感器原理
ndir气体传感器原理NDIR（非散射红外）气体传感器是一种广泛应用于气体检测和监测领域的传感器。
它基于非散射红外原理，通过测量气体分子对特定波长的红外光的吸收程度来确定气体的浓度。
NDIR气体传感器凭借其高精度、快速响应和良好的稳定性，在环境监测、工业安全和室内空气质量监测等领域得到了广泛应用。
NDIR气体传感器的工作原理主要包括红外光源、红外滤光片、红外探测器和气体室等关键部分。
首先，红外光源产生特定波长的红外光，然后通过红外滤光片选择性地过滤掉其他波长的光，只保留特定波长的红外光。
经过滤光片后的红外光进入气体室，与待测气体发生相互作用。
待测气体中特定分子对特定波长的红外光具有吸收能力，因此，通过测量红外光的吸收程度就可以确定气体的浓度。
在气体室中，红外探测器接收经过吸收后的红外光，并将其转化为电信号。
通过测量电信号的强度，可以确定气体浓度的大小。
NDIR 气体传感器通常使用双光束设计，即将红外光源分为两个光束，一个用于参考，一个用于测量。
通过比较参考光和测量光的强度差异，可以消除光源的漂移和光学元件的变化对测量结果的影响，提高传感器的准确性和稳定性。
NDIR气体传感器的选择性是其核心优势之一。
不同气体分子对红外光的吸收特性不同，因此通过选择合适的红外波长和滤光片，可以实现对特定气体的高度选择性检测。
这使得NDIR气体传感器在多气体混合环境下具有较好的分辨能力，能够准确地测量目标气体的浓度。
NDIR气体传感器还具有快速响应和高灵敏度的特点。
传感器的响应速度取决于红外光源的强度和气体分子对红外光的吸收能力。
红外光的强度越大，传感器的响应速度就越快。
而气体分子对红外光的吸收能力越强，传感器的灵敏度就越高。
因此，通过优化光源和选择合适的红外波长，可以提高传感器的响应速度和灵敏度。
然而，NDIR气体传感器也存在一些局限性。
首先，由于红外光在空气中的传播受到水蒸气和二氧化碳等气体的影响，传感器在高湿度和高浓度二氧化碳环境下可能出现测量偏差。
基于NDIR原理单光源单光路实现多组分测量的技术开发
基于NDIR原理单光源单光路实现多组分测量的技术开发陈淼;黄政伟;王一
【期刊名称】《分析仪器》
【年(卷),期】2017(000)003
【摘要】为满足以较经济的成本进行多种组分测量分析,对基于NDIR原理工作的测量仪器本研究通过设置不同谱带的滤光技术,解决了单光源单光路条件下多种不同气体对红外吸收谱带问题.此创新设计中的关键内容是红外光源发生装置的改进设计以及光源调制马达的定位,以解决其润滑挥发组分引起的对红外吸收的扰动;此外,将原固定的单个滤光片重新设计为可轮转的滤光器结构,实现在对红外光线进行调制的同时,展宽了具有针对性的红外吸收谱带,给出了样气中不同组分的红外吸收频段;找到了滤光器精密启动定位运行的新算法和控制技术,相应地也进行了硬件支撑平台的重新设计.
【总页数】6页(P20-25)
【作者】陈淼;黄政伟;王一
【作者单位】北京北分麦哈克分析仪器有限公司,北京 100095;北京北分麦哈克分析仪器有限公司,北京 100095;北京北分麦哈克分析仪器有限公司,北京 100095【正文语种】中文
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基于NDIR原理的多组分气体在线监测系统的设计与实现
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由于此类危险源处于人口密集城市地区，一旦出现事故极易造成群死群伤，其社会影响极为恶劣，同时还会造成巨大的经济损失。
例如：1985年6月27日，重庆市渝中区大溪沟罗家院地区下水道突然发生大爆炸。
强烈的爆炸力炸毁下水道及化粪池271米，81户居民住房和几家商店倾刻间化为乌有，26人死亡、91人受伤，局部地区断电、断气，损失严重。
2002年9月10日，重庆市南岸区农贸市场化粪池爆炸，造成3人死亡、21人受伤。
2012年2月9日，广西南宁市华东路下水道爆炸，3个井盖炸飞，造成2人受伤。
NDIR乙烷气体传感器中滤光膜的研制
NDIR乙烷气体传感器中滤光膜的研制王平贵;付秀华;张静;刘冬梅【摘要】为满足NDIR乙烷气体传感器的使用要求,对气体探测系统中的滤光膜进行研制.根据甲烷与乙烷气体分子的红外吸收光谱,红外探测器的响应度以及系统的灵敏度确定了滤光膜的技术参数.选用Ge和Nb2O5分别作为高低折射率薄膜材料,根据拆分技术原理并借助膜系设计软件完成了滤光膜的双面设计,解决了滤光膜截止区域宽,且单面设计膜层应力过大的问题.采用直流脉冲磁控溅射真空镀膜的方法,制备的滤光膜在中心波长6.7μm处的透过率为72.09％,半峰值带宽为301nm,2.5～6.3μm和7.1～10μm的平均透过率为0.13％和0.01％,减小了其余干扰气体的影响,提高了探测系统的信噪比.薄膜样品经过了附着力测试,满足系统使用要求.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(042)004【总页数】4页(P42-45)【关键词】NDIR;光学薄膜;滤光膜;乙烷;气体传感器【作者】王平贵;付秀华;张静;刘冬梅【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】O484乙烷（C2H6）属于易燃易爆气体，是天然气中除了甲烷以外最主要的成分。
在室温下，当空气中乙烷浓度达到3%到12.4%，遇到明火将会发生爆炸。
在化工领域中，因为天然气中存在一定浓度的乙烷，而在沼气等发酵气体中不存在乙烷，因此乙烷可以作为探测油田很好的标志。
此外，在医疗领域，相关研究表明，人体呼出气体中包含的挥发性有机化合物和人体的身体健康状况有着密切的联系。
如在肺炎患者呼出气检测中，发现乙烷含量明显增加［1-4］。
因此，实现乙烷气体含量的实时监控具有重大意义。
非分光红外（Non-Dispersive InfraRed，NDIR）光学吸收型气体传感器是基于气体分子的选择吸收特性来工作的，具有操作维护简单、使用寿命长、响应速度快、抗干扰能力强、测量精度高、稳定性好等优点［5］。
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长春理工大学学报（自然科学版）Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）Vol.42No.4 Aug.2019第42卷第4期2019年8月NDIR乙烷气体传感器中滤光膜的研制王平贵，付秀华，张静，刘冬梅（长春理工大学光电工程学院，长春130022）摘要：为满足NDIR乙烷气体传感器的使用要求，对气体探测系统中的滤光膜进行研制。
根据甲烷与乙烷气体分子的红外吸收光谱，红外探测器的响应度以及系统的灵敏度确定了滤光膜的技术参数。
选用Ge和Nb2O5分别作为高低折射率薄膜材料，根据拆分技术原理并借助膜系设计软件完成了滤光膜的双面设计，解决了滤光膜截止区域宽，且单面设计膜层应力过大的问题。
采用直流脉冲磁控溅射真空镀膜的方法，制备的滤光膜在中心波长6.7μm处的透过率为72.09%，半峰值带宽为301nm，2.5~6.3μm和7.1~10μm的平均透过率为0.13%和0.01%，减小了其余干扰气体的影响，提高了探测系统的信噪比。
薄膜样品经过了附着力测试，满足系统使用要求。
关键词：NDIR；光学薄膜；滤光膜；乙烷；气体传感器中图分类号：O484文献标识码：A文章编号：1672-9870（2019）04-0042-04 Study and Fabrication of Filter in NDIR Ethane Gas SensorWANG Pinggui，FU Xiuhua，ZHANG Jing，LIU Dongmei（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun130022）Abstract：The optical filter in the gas detection system was studied and prepared to meet the requirements for NDIR ethane gas sensor.According to the infrared absorption spectrum of methane and ethane，the responsiveness of the IR detector and the sensitivity of the system，the technical parameter of the filter was obtained.Ge and Nb2O5were cho-sen as the high and low refractive index materials respectively.Based on the principle of splitting technology，the dou-ble-sided filter design was completed by using membrane design software which solves the problem that the cut-off re-gion was wide；and the stress of the single-sided filter design was too large.The filter which was prepared by DC pulsed magnetron sputtering system showed that the transmittance was72.09%at6.7μm，the FWHM was301nm and the average transmittance of2.5~6.3μm and7.1~10μm was0.13%and0.01%，which reduced the impact of the re-maining interference gases and improved the SNR of the detection system.The deposited coating was tested for adhe-sion to met the system requirements.Key words：NDIR；optical thin film；filter；ethane；gas sensor乙烷（C2H6）属于易燃易爆气体，是天然气中除了甲烷以外最主要的成分。
在室温下，当空气中乙烷浓度达到3%到12.4%，遇到明火将会发生爆炸。
在化工领域中，因为天然气中存在一定浓度的乙烷，而在沼气等发酵气体中不存在乙烷，因此乙烷可以作为探测油田很好的标志。
此外，在医疗领域，相关研究表明，人体呼出气体中包含的挥发性有机化合物和人体的身体健康状况有着密切的联系。
如在肺炎患者呼出气检测中，发现乙烷含量明显增加［1-4］。
因此，实现乙烷气体含量的实时监控具有重大意义。
非分光红外（Non-Dispersive InfraRed，NDIR）光学吸收型气体传感器是基于气体分子的选择吸收特性来工作的，具有操作维护简单、使用寿命长、响应速度快、抗干扰能力强、测量精度高、稳定性好等优点［5］。
2007年，Gerard等［6］成功研制出检测大气环境中甲醛与乙烷的气体检测装置，而国内基于光谱吸收法对乙烷浓度进行实时监测的研究较少，仍处于研发阶段。
滤波器是气体传感器的核心器件之一，收稿日期：2018-11-22基金项目：吉林省重大科技攻关专项（20140203002GX）作者简介：王平贵（1993-），男，硕士研究生，E-mail：Pinggui.Wang@ 通讯作者：付秀华（1963-），女，博士，教授，E-mail：goptics@能够对入射光信号进行滤波，大大减小其余干扰气体的影响，提高气体探测系统的测量精度和灵敏度。
1滤光膜技术参数的确定图1显示了NDIR 光学吸收型气体传感器的基本结构，主要由红外光源、光学滤波器和探测器组成。
红外光源发射出红外光信号，经目标气体吸收及滤波器滤光后照射到探测器上，通过测量红外光的入射光强度I 0和透射光强度I ，根据比尔朗伯定律就可以计算出目标气体的浓度［7］。
由于红外光源与探测器的光谱范围较宽，因此滤光膜的技术参数直接影响着探测系统的性能。
图1NDIR气体传感器的基础结构图2甲烷与乙烷气体红外吸收光谱图2显示了NIST 数据库［8］甲烷与乙烷气体的红外吸收光谱，可以看到，乙烷的红外吸收峰主要有两个：3.3μm 和6.7μm ，且3.3μm 附近的吸收最强，但此时甲烷与乙烷的吸收峰重叠，因此本课题选取6.7μm 作为乙烷滤光片的中心波长λ0。
当光能量为S ()λ的光源通过浓度为c ，长度为l 的气室和光学滤波器之后探测器接收到的能量E 为：E ()2Δλ=∫λ-Δλλ0+ΔλT g ()λ×T f ()λ×S ()λd ()λ（1）式中，T g ()λ为气体吸收之后的透过率，可由比尔朗博定律计算得到，T f ()λ为带通滤光片的透过率，2Δλ为带通滤光片的半峰值带宽（FWHM ）。
当光通过不同浓度c 1，c 2气室后的能量变化E C 1，E C 2可以计算出不同FWHM 滤光片的灵敏度。
假设c 1<c 2，那么T gc 1>T gc 2，灵敏度r 可表示为：r ()2Δλ=E C 1-E C 2E C 1（2）由式（1）、（2）可知，当FWHM 越大时，探测器接收到的光能量越强，但此时滤光片的灵敏度急剧下降，因此需要选择合适的FWHM 。
根据分析并结合膜系设计与薄膜制备条件确定了带通滤光片的技术参数，如表1所示。
表1 6.7μm 窄带滤光片技术参数参数基底中心波长/μm 中心波长透过率/%半峰值带宽(FWHM)/nm截止区域/μm 截止区域透过率/%要求砷化镓(GaAs)6.7≥70300±52.5-6.3&7.1-10≤12膜系设计2.1材料选择直流磁控溅射中常用的中长波高折射率材料有PbTe ，Ge ，低折射率材料有Nb 2O 5，C 。
其中PbTe 薄膜的折射率在目前能使用的红外薄膜材料中是最高的，但其消光系数大，存在较大的吸收，这对厚度较厚的红外光学滤光片来说极大的降低了中心波长的透过率。
碳膜主要为多晶金刚石和非晶型碳的混合物，沉积在基底表面既有增透作用，又具有保护作用，但其沉积速率极低（0.02nm/s ），极大的限制了沉积效率，并且对设备的稳定性要求更高。
因此本实验中选用吸收较小且具有张应力的Ge 膜与具有压应力的Nb 2O 5薄膜交替沉积来减小薄膜的内应力提高膜层的附着力，提高沉积效率。
通过实验模拟得到的两种材料的光学常数如图3所示。
（a ）Ge 膜的光学常数（b ）Nb 2O 5薄膜的光学常数图3薄膜材料的光学常数2.2膜系设计方案基于光学薄膜设计理论，窄带滤光膜的设计可以采用法珀结构或多半波结构［9-11］。
根据技术参数要求使用常规膜系难以满足如此宽的截止带，因此需要考虑截止带的展宽问题。
截止带的展宽可以通过在主膜系两边添加匹配层对部分膜层进行优化以及根据拆分技术原理通过双面镀膜来实现。
在本实验中，由于中心波长较长，截止带较宽，使用第一种王平贵，等：NDIR 乙烷气体传感器中滤光膜的研制第4期43长春理工大学学报（自然科学版）2019年方法设计的膜系其层数较多，膜厚较厚，对设备的控制精度以及稳定性要求高，且薄膜样品的内应力大附着力差。
因此本实验使用第二种方法对滤光片进行拆分，前表面采用基础膜系，减小窄带滤光片FWHM 的制备难度，实现6.7μm 高透射，5.4~6.3μm 和7.1~9.3μm 波段截止。
后表面在保证6.3~7.1μm 高透射的同时，实现2.5~5.4μm 和9.3~10μm 波段截止。
2.2.1前表面膜系设计根据光谱参数要求以及现有实验条件采用三半波基础结构进行设计，同时在设计中采用间隔层为低折射率材料Nb 2O 5来减小Ge 膜过厚导致薄膜吸收增大的问题。
通过调整反射膜系的反射率（即反射膜堆的周期数）和干涉级次（即间隔层的厚度），使得窄带滤光片的FWHM 为300nm ，此时基础膜系为Sub|LH2LHLHLH2LHLHLH2LH|Air ，其中Sub 为GaAs 基底，H 为高折射率材料Ge ，L 为低折射率材料Nb 2O 5，Air 为空气。
在不考虑基底背面反射的情况下，其理论设计光谱透过率曲线如图4所示。
6.7μm 处的峰值透过率为91.4%，滤光片的FWHM 为301nm ，5.4~6.3μm 和7.1~9.3μm 波段的平均透过率为0.04%和0.02%。