一种基于红外吸收光谱技术的免校准气体传感芯片

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的光子芯片实验室研发了一种基于红外吸收光谱技术的免校准气体传感芯片，成果获得中国发明专利（ZL202411675536.3）授权。

在工业生产、环境监测、医疗健康等领域，高灵敏度、高稳定性的气体传感器具有重要意义。近年来，基于红外吸收光谱技术的光学气体传感器因其灵敏度高、选择性好、响应速度快等优势，受到了广泛关注。然而，现有红外吸收光谱气体传感技术往往易受激光器老化、环境光强波动等因素影响，导致测量结果不稳定，难以实现免校准、高精度的气体浓度检测。

针对上述问题，本项研究提出了一种基于红外吸收光谱技术的免校准气体传感芯片。该芯片由片上激光光源1、传输波导2、片上光开关3、气体传感波导阵列4和片上光探测器5组成。通过集成结构参数不同的波导阵列，并结合片上光开关实现光路的智能选通，可在单一激光器激励下完成多通道气体吸收光谱的采集与处理。

图1.基于红外吸收光谱技术的免校准气体传感芯片的结构示意图

图1展示了本芯片的整体结构示意图。片上激光光源发出的光经传输波导传播至片上光开关，通过光开关选通不同结构参数的气体传感波导。光在波导中传播时与气体分子发生红外吸收作用，片上光探测器接收信号并传输至处理模块，最终完成气体浓度反演。在测量过程中，光信号通过倏逝场与环境气体发生作用，气体对特定波段光的吸收强度与其浓度成正比。片上光探测器采集不同长度波导的输出光功率，并由单片机对所有通道的数据进行解码、滤波、线性拟合，最终反演出气体浓度。由于测量结果基于输出光功率随波导长度变化的斜率，而非绝对光强，有效避免了输入光强波动或激光器老化带来的测量误差，实现了免校准气体传感。

本专利的学生第一发明人为天津大学精密仪器与光电子工程学院硕士研究生刘星宇同学，专利授权证书如图2所示。该工作得到了天津市杰出青年科学基金项目（23JCJQJC00250）的支持。