Optimal Mid-Infrared Photon Detectors for Use with Voltage-Tunable Filters in Gas Sensing Applications

Abstract

Measurements of CO2 and CH4 in industrial applications and processes have a wide variety of needs where the Vaisala CARBOCAP technology can be used. CARBOCAP is a nondispersive infrared gas measurement technology, where the excellent long-term stability of the measurement is based on the long lifetime of the microglow thermal emitter and the use of the Fabry-Perot interferometer to measure both the absorption and reference wavelength bands with single source and detector components. This thesis reviewed both theoretically and experimentally the use of modern photon detectors in place of the current thermopile detectors in the CARBOCAP context. The theory and recent development of photon detectors narrowed the choices down to InAs and InAsSb based detectors. Due to the increasing global sales, the new offering of the mid-infrared III-V semiconductor detectors offer a more affordable and ecological alternative to the HgCdTe detectors. Compared to the thermopiles, a signal-to-noise ratio improvement by a factor of approximately 2 was obtained with the best photon detector samples, and a rather low reading uncertainty was achieved in the demonstration measurement of ambient room air CO2 concentration. However, there is evidence that the system performance was limited by the noise of the microglow, which must be overcome by further optimizing the microglow source control electronics and software to achieve the full potential of photon detectors. The experiments also showed that photon detectors are highly temperature-dependent and the low shunt resistance can be critical, which highlights the importance of electronics optimization. In terms of shunt resistance and dark current, a small physical detector size is optimal, whereas a large optical area is wanted to allow collecting as much as possible of the optical signal. Concentrating immersion lenses were noticed to be an efficient way to face this tradeoff, but also further development of smaller emitter-area microglows is suggested.

Teollisissa sovelluksissa ja prosesseissa on monia tarpeita hiilidioksidi- ja metaanikaasujen mittauksille, joissa voidaan hyödyntää Vaisalan CARBOCAP-teknologiaa. CARBOCAP on ei-dispersiivinen infrapuna-anturiteknologia, jonka erinomainen pitkän ajan stabiilisuus perustuu termisen mikrohehku-lähteen pitkään elinikään sekä Fabry-Perot interferometrin mahdollistamaan absorptio- ja referenssikaistojen mittaukseen samalla infrapunalähde-ilmaisinparilla. Tässä työssä tutkittiin teoreettisesti ja kokeellisesti nykyisten termopatsaiden korvaamista moderneilla fotodetektoreilla. Teorian ja viimeaikaisen ilmaisimien kehityksen valossa optimaalisten fotodetektorien valinta kaventui InAs- ja InAsSb-pohjaisiin ilmaisimiin. Kasvaneiden myyntimäärien myötä nämä uudet keski-infrapuna-alueen fotodetektorit tarjoavat nykyään edullisen ja ekologisen vaihtoehdon HgCdTe-pohjaisille ilmaisimille. Verrattuna termopatsaisiin, parhaiden fotodetektorinäytteiden havaittiin antavan noin kaksinkertaisen parannuksen käytetyn mittausjärjestelmän signaali-kohinasuhteeseen, ja huoneilman CO2-mittauksen demonstroinnissa saavutettiin pieni epävarmuus. On kuitenkin ilmeistä, että järjestelmän suorituskykyä rajoitti mikrohehkun kohina. Ennen kuin fotodetektorien täysi potentiaali voidaan saavuttaa, mikrohehkun ohjauselektroniikka ja ohjelmisto tulee optimoida. Kokeet osoittivat myös, että fotodetektorit ovat erittäin lämpötilaherkkiä ja niiden matala rinnakkaisresistanssi voi olla kriittinen, mikä korostaa elektroniikan optimoinnin merkitystä. Rinnakkaisresistanssin sekä pimeävirran kannalta pieni aktiivialue on optimaalinen, kun taas suuri pinta-ala mahdollistaa optisen signaalin tehokkaan keräämisen. Keskittävien immersiolinssien havaittiin olevan tehokas ratkaisu, mutta myös pienempien mikrohehkujen emitterien jatkokehitystä suositellaan.