利用中红外氮化硅波导传感器检测VOC气体

据麦姆斯咨询 道，近日，美国德克萨斯农工大学（Texas A&M University）的一支研究团队在 Scientific Reports 期刊上发表了利用中红外氮化硅（SiN）波导传感器检测挥发性有机化合物（VOC）的论 ，该团队开发的新型波导传感器能够为健康、农业和环境等应用监测多种气体分析物。

图1（a）带有聚二甲基硅氧烷（PDMS）室的SiN波导传感器；（b）SiN波导的SEM顶部图像；（c）来自单个SiN波导的模式图。

VOC检测对于从健康诊断到环境和工业监测的各种应用至关重要。VOC分析通常使用两种通用方法：一种基于气相色谱质谱联用（GC-MS）等分析技术；另一种涉及固态传感器，基于金属氧化物半导体（MOS）、电化学（EC）或光离子化检测（PID）。

GC-MS可以提供准确的气体分析，但系统体积庞大，因此不适合即时使用（POU）和实时应用。反过来，固态化学传感器具有很高的灵敏度和便携性，但在区分VOC方面的选择性较低。作为传统固态传感器的替代品，中红外（mid-IR）传感可以通过测量VOC的特征吸收和指纹振动特征来提供高选择性。

然而，中红外吸收光谱需要台式光学设备，如傅里叶变换红外光谱（FTIR），这对于POU应用是不现实的。为了解决这个问题，研究人员开发了由光波导和其他芯片级光子元件组成的微型光子电路。然而，先前的方法使用了高折射率的波导材料，如Si和Ge，这会导致微弱的倏逝波，因此它们的灵敏度较低。研究人员还使用了硫族化合物材料，它们能够提供更强的倏逝场，但它们在潮湿环境下容易降解，因此需要在干燥的氮气或高真空条件下储存。

为了解决这个问题，本论 对使用SiN作为波导材料进行了研究。相比于Si（n Si?=?3.4），SiN具有较低的折射率（n SiN?=?1.94），可产生强倏逝波，因此具有更高的灵敏度，还具有优异的化学稳定性，可在环境湿度条件下重复使用。此外，SiN具有宽阔的红外透明窗口、低光学损耗以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的高兼容性。

图2 SiN波导的制造过程及其与PDMS室的组装

图3 VOC检测测量的实验设置

图4（a）SiN和（b）Si波导在厚度T = 1和2 μm时的灵敏度与波长（λ）的关系

图5 使用宽度为?10 μm和厚度为1 μm的SiN波导对脉冲VOC的实时中红外监测：（a）λ?=?3.375 μm处的丙酮，（b）λ?=?3.375 μm处的乙醇，和（c）λ?=?3.400 μm处的异戊二烯。

图6 丙酮、乙醇和异戊二烯的中红外吸收光谱；（a–c）SiN波导测量结果；（d–f）NIST WebBook数据库中的光谱。