Detector miniaturizado de gases mixtos usando filtro óptico variable lineal de IR medio y array de termopilas MEMS

Resumen

Este estudio detalla el diseño, fabricación y prueba de un filtro óptico variable lineal (LVOF) de infrarrojo medio (MIR) compacto y un array de detectores termopilas MEMS no enfriados para medición simultánea de CH₄, CO₂ y CO. El LVOF, un filtro Fabry-Pérot de cavidad cónica, convierte el espectro MIR de banda ancha en una serie de canales de banda estrecha con longitudes de onda pico linealmente espaciadas. Reflectores de Bragg dieléctricos multicapa en ambos lados de la cavidad y una capa integrada antirreflejo/rechazo fuera de banda mejoran la transmitancia al 70 % con un ancho medio a media altura (FWHM) de 400 nm a lo largo de 2.3–5.0 µm. El array de termopilas, fabricado apilando múltiples termopares p-/n-poli-Si, entrega una responsividad de 146 µV/°C a temperatura ambiente. Experimentos demuestran respuestas de voltaje lineales a concentraciones de gas de 50 a 3000 ppm, logrando sensibilidades de –0.090 µV/ppm para CH₄, –0.096 µV/ppm para CO₂ y –0.123 µV/ppm para CO. El sistema integrado identifica y cuantifica con precisión cada componente en muestras de gases mixtos, validando su potencial para monitorización ambiental e industrial de bajo costo y alto rendimiento.

Introducción

La monitorización en tiempo real de múltiples gases es crítica para seguridad, protección ambiental y control de procesos industriales. Los sensores quimiorresistivos convencionales proporcionan solo datos cualitativos y requieren calibración frecuente, mientras que los espectrómetros infrarrojos de transformada de Fourier (FTIR) a gran escala son voluminosos y costosos. Los sistemas miniaturizados de infrarrojo no dispersivo (NDIR) basados en filtros ópticos integrados MEMS ofrecen una alternativa convincente, combinando alta sensibilidad con bajo consumo de energía. Este trabajo presenta un sensor NDIR totalmente integrado que acopla un LVOF MIR personalizado con un array de termopilas MEMS, permitiendo detección simultánea de CH₄, CO₂ y CO en un solo dispositivo ligero.

Diseño y Métodos Experimentales

Diseño y Fabricación del LVOF

El LVOF es un resonador Fabry-Pérot que presenta una cavidad de SiO₂ cónica entre dos reflectores de Bragg Si/SiO₂. El espesor de la cavidad varía linealmente de 843 a 1908 nm, produciendo 12 picos de transmisión discretos que abarcan 2.55–4.80 µm. Un recubrimiento antirreflejo multicapa Ge/SiO en el reverso del sustrato Si suprime órdenes de transmisión de longitud de onda corta y mejora la transmitancia general (promedio 95 % entre 2.5–5.0 µm). El filtro se fabricó usando un proceso de litografía de escala de grises para lograr el perfil cónico, seguido de pasos de grabado en seco y deposición dieléctrica. La Figura 1 muestra el LVOF fabricado y su empaque.

Diseño y Fabricación del Array de Termopilas

Cada chip de termopila mide 1.1 × 1.1 mm con área activa de 0.35 × 0.35 mm. Múltiples pares de termopares p-/n-poli-Si se cablean en serie, formando una estructura compacta que genera un voltaje Seebeck medible sin energía externa ni chopper. La secuencia de fabricación incluye oxidación térmica, deposición de poli-Si, implantación iónica para dopaje p/n, formación de contactos metálicos y grabado de silicio por la parte trasera para formar la membrana suspendida. Los dispositivos resultantes exhiben una responsividad de 146 µV/°C a 100 °C de temperatura de cuerpo negro bajo condiciones de temperatura ambiente.

Detector Miniaturizado Integrado de Gases Mixtos

El conjunto del detector consiste en una fuente LED MIR, un colimador, una celda de gas y el espectrómetro basado en LVOF. El LED emite luz de banda ancha que es filtrada espacialmente por el LVOF en 12 canales estrechos. Un array lineal de chips de termopilas posicionado debajo del filtro convierte la potencia óptica de cada canal en señales eléctricas. El sistema completo opera sobre 2.3–5.0 µm con una relación longitud de onda-posición lineal de ~156 nm/mm. La adquisición de datos se realiza leyendo secuencialmente cada salida de termopila y aplicando curvas de calibración para recuperar concentraciones individuales de gas.

Resultados y Discusión

Mediciones espectrales del LVOF confirmaron la progresión lineal diseñada de longitudes de onda pico y un FWHM medio de 400 nm con transmitancia pico cercana al 70 %. El array de termopilas mostró transmisión óptica baja (<1 %) a lo largo de la banda MIR, asegurando conversión térmica eficiente. Experimentos de calibración usando gases estándar CH₄, CO₂ y CO produjeron respuestas de voltaje lineales con valores R² superando 0.96, confirmando alta precisión de medición. Las sensibilidades fueron –0.090 µV/ppm para CH₄, –0.096 µV/ppm para CO₂ y –0.123 µV/ppm para CO, permitiendo detección en rango 50–3000 ppm. Pruebas de gases mixtos (CH₄ 800 ppm, CO₂ 500 ppm, CO 800 ppm) validaron la capacidad del sensor para resolver cada componente simultáneamente.

Conclusión

El LVOF MIR desarrollado y el array de termopilas MEMS forman un sensor robusto, de bajo costo y portátil de gases mixtos capaz de cuantificar con precisión CH₄, CO₂ y CO. El diseño ofrece alta transmitancia, banda estrecha y fuerte responsividad térmica, haciéndolo adecuado para monitorización ambiental, seguridad industrial y aplicaciones de control de procesos.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos generados durante este estudio están incluidos en el artículo publicado.