為了解決上述的精度和成本痛點(diǎn)問題，本成果掌握了高功率熱紅外光源、可級(jí)聯(lián)長光程氣體吸收池、多通道紅外探測(cè)器和可調(diào)諧紅外探測(cè)器以及多通道微弱信號(hào)數(shù)字鎖相放大檢測(cè)等技術(shù)，開發(fā)一系列探測(cè)精度到100ppb 以下的多通道紅外氣體傳感器和演示模組，以及基于可調(diào)濾波器的小型化紅外光譜儀，展示了集成多組分氣體檢測(cè)和現(xiàn)場未知?dú)怏w成分的光譜儀檢測(cè)能力，具有高精度和低成本優(yōu)勢(shì)，以及小體積和低功耗特點(diǎn)。

（１）高功率熱紅外光源：MEMS 熱光源芯片陣列與微光學(xué)準(zhǔn)直陣列集成，實(shí)現(xiàn)低發(fā)散角的高功率紅外源。為實(shí)現(xiàn)高精度探測(cè)所需要的長光程氣體吸收池提供足夠的紅外光能量。

（２）可級(jí)聯(lián)長光程氣體吸收池：高精度氣體檢測(cè)需要米級(jí)長光程池?，F(xiàn)有長光程氣體池主要有懷特池、Herriott 型、Chernin 型以及環(huán)形吸收池，配合低發(fā)散角的激光光源。但是這些吸收池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度高，成本高。自主提出的可級(jí)聯(lián)氣體池結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)效率高，且中心對(duì)稱，加工和裝配成本低。

（３）多通道紅外探測(cè)器：不同敏感波長的紅外探測(cè)單元集成在同一襯底上，構(gòu)成多通道器件，可共用一個(gè)氣體池和光源，節(jié)省器件，降低了成本，同時(shí)節(jié)省了體積和功耗。

（４）可調(diào)諧濾波器：采用電調(diào)FP 腔和單探測(cè)器可以動(dòng)態(tài)選擇透射波長進(jìn)行探測(cè)。具有在一定波段內(nèi)連續(xù)掃描實(shí)現(xiàn)紅外光譜儀的功能，也可以隨機(jī)定位某個(gè)特定波長探測(cè)，靈活性強(qiáng)。除了用于已知?dú)怏w成分的濃度檢測(cè)，還可用于對(duì)含有未知?dú)怏w種類的應(yīng)用場景進(jìn)行氣體檢測(cè)。另外，大口徑的壓電驅(qū)動(dòng)可調(diào)濾波器可用于電力開關(guān)柜SF6氣體泄露、天然氣管道氣體泄露以及農(nóng)作物長勢(shì)和病蟲害監(jiān)測(cè)等場合的紅外光譜成像檢測(cè)。

（５）微小型紅外光譜儀：紅外光譜儀是在一個(gè)較寬的紅外波段進(jìn)行掃描以獲取物質(zhì)的光譜信息，借此探知物質(zhì)的未知成分。傳統(tǒng)的紅外光譜儀體積大，主要在實(shí)驗(yàn)室使用。本技術(shù)采用FP 腔可調(diào)濾波器具有體積小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測(cè)。

圖1 四通道濾波聚焦單元、光學(xué)/探測(cè)器集成結(jié)構(gòu)以及紅外光譜探測(cè)器

圖2  長光程氣體池（平均光程>1米）

圖3 可調(diào)光譜探測(cè)器-PZT壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)FP腔可調(diào)濾波器及可調(diào)光譜

圖4 紅外氣體傳感器模組

（1）基于表面微納結(jié)構(gòu)的窄帶濾光片/微透鏡陣列技術(shù)：實(shí)現(xiàn)覆蓋中波和長波紅外的寬波段濾光/聚焦結(jié)構(gòu)，具有低成本制造優(yōu)勢(shì)。

（2）多通道紅外探測(cè)器集成芯片技術(shù)：多通道濾波/聚焦陣列結(jié)構(gòu)與紅外探測(cè)單元陣列集成，實(shí)現(xiàn)多波長光譜探測(cè)芯片，具有低成本和小體積優(yōu)勢(shì)。

（3）可級(jí)聯(lián)長光程池技術(shù)：適合熱光源的米級(jí)光程氣體吸收，實(shí)現(xiàn)低成本ppb 級(jí)紅外氣體探測(cè)。相比高精度的激光氣體傳感器，具有成本優(yōu)勢(shì)。

產(chǎn)品可達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比：

紅外氣體傳感器及儀器適用于監(jiān)測(cè)各種易燃易爆氣體、二氧化碳?xì)怏w以及有毒有害氣體，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得基于紅外吸收原理的氣體檢測(cè)儀器占領(lǐng)著廣泛的行業(yè)高端市場，并在未來微小型化將逐步成為市場主流。以1-2 個(gè)高精度應(yīng)用場景（如水果保鮮和農(nóng)產(chǎn)品存儲(chǔ)等智慧農(nóng)業(yè)）為突破口，逐步推廣到其他應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過3-5 年的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推廣，實(shí)現(xiàn)在智能終端（便攜式設(shè)備和智能手機(jī)等）上的普及應(yīng)用。

以三種新興領(lǐng)域的應(yīng)用為例: 

①果蔬保鮮市場容量: 2018 年全國果蔬總產(chǎn)量2.57億噸，冷鏈物流需求規(guī)模達(dá)到9914 萬噸，占比38%。若按照50 噸一只乙烯傳感器，每只2 千元，則產(chǎn)值接近40 億。

②2021 年智慧家庭聯(lián)網(wǎng)數(shù)量4.6 億個(gè),如果一個(gè)聯(lián)網(wǎng)單元配有一臺(tái)氣體傳感器,價(jià)格500 元, 按照10%的滲透率,市場規(guī)模為230 億;

③考慮智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用,如果糧食作物每畝配1 套傳感器,價(jià)格500 元,全國2021 年糧食播種面積17.52 億畝,按照10%的滲透率,市場規(guī)模達(dá)到876 億。

該成果目前已授權(quán)多項(xiàng)中國發(fā)明專利，下表是部分展示：