100ppm 【解密】100ppm的低成本“检测神器” 让甲烷泄露无所遁形！

据Mems Consulting介绍，IBM研究人员开发了一个吸收光谱平台，可以扩展到红外光谱的“指纹区”。IBM托马斯·J·沃森研究中心的一个团队展示了一种基于硅光子技术的芯片级光谱仪，它可以以100ppm的灵敏度检测甲烷。

该平台采用光纤连接1650 nm半导体激光器和InGaAs近红外探测器检测甲烷浓度，采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)。

该方法为气体泄漏检测和废气走私监控等未来应用提供了一种低成本、高灵敏度的甲烷检测器解决方案。IBM研究人员表明，光谱范围可以从中红外扩展到8um波长区域，这是可以检测分子振动的“指纹区域”，因此潜在的应用范围变得更广。

在刚刚发表的Optica论文中，该团队表示，“研究结果表明，我们有潜力提供大规模生产、低成本的集成光子芯片传感器，满足大气中气体成分和污染物测量的灵敏度和分子特性要求。”

可扩展性问题

最先进的TDLAS系统已经证明了其检测ppm气体的能力。手持设备易于使用，但制造的可扩展性相对缺乏，因此目前很难在大型网络中更广泛地部署。

IBM团队首席研究员威廉·格林说:“这种方法使用为光通信应用开发的组件，大大降低了甲烷传感光谱仪的成本，成本高达数万美元。此外，由于没有运动部件，对精确的温度控制也没有基本要求，因此该传感器可以运行多年，几乎不需要维护。”

典型的用户可能包括石油和天然气公司，他们可以立即发现和测量泄漏，而不是依靠常规的专业检查。

格林补充说:“在天然气开采和输送过程中，当油井设备出现故障、阀门卡住或管道破裂时，甲烷会泄漏到空气体中。”。“我们正在开发一种使用这种芯片级频谱创建传感器网络的方法，例如，它可以分布在井场网络中。这些传感器的数据由IBM的物理分析软件处理，该软件可以自动识别泄漏位置并量化泄漏量。”

虽然甲烷只是地球大气中气体混合物的一小部分，但它的温室效应远远强于我们熟悉的二氧化碳。根据联合国世界气象组织(WMO)的数据，后者的集中度已经上升到80万年来的最高水平。

世界气象组织在10月30日发布的温室气体公报中也提到，甲烷浓度已经上升到1853 ppb，高于1984年1650 ppb的水平，比工业革命前的水平翻了一番。

消逝场

IBM团队设计的光谱仪利用从长度为10厘米但非常窄的硅波导中逸出的倏逝光来探测甲烷周围的空气体。过去，倏逝波法用于监测火山气体，其中混合物的浓度可以预测火山爆发的可能性，也可以用于发现人类呼出气体中细菌感染的迹象。

IBM团队的Eric Zhang解释说:“虽然硅光子学系统，特别是折射率变化的传感方法已经得到了深入的研究。我们工作的创新之处在于利用该系统检测低浓度甲烷的微弱吸收信号，以及对噪声的综合分析和我们传感器芯片的最低检测限。”

目前，IBM的设备是通过光纤连接的，但芯片中没有集成激光器或检测器。该团队正在努力消除光纤，开发一种完全集成的设备。

格林在一份声明中说:“我们的工作表明，硅光子制造和封装中的所有知识和组件设计都可以用于光学传感器。其原理是利用这些技术来制造适合新应用的大规模生产的低成本传感器。”

从他们期刊论文的结论可以知道，IBM团队认为光谱仪可以扩展到近红外以外的波长区域。他们写道:“事实上，新的波导结构可以避免掩埋氧化物的吸收，硅的透明度达到8 μ m。这样，光谱仪适用于中红外范围的分子，芯片级硅光子集成传感器成为宽带和多组分检测的使能平台。”