專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于將氣體濃度轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的裝置，具體涉及一種紅外氣體傳 感器。 技術(shù)背景
氣體傳感器是采用對(duì)所檢測(cè)的氣體具有敏感特性的元件將氣體的濃度轉(zhuǎn)化 為對(duì)應(yīng)電信號(hào)的裝置。根據(jù)所采用的氣體敏感元件的不同，氣體傳感器有半導(dǎo) 體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、載體催化燃燒式 氣體傳感器、光學(xué)型氣體傳感器、高分子氣體傳感器等不同的類(lèi)型。
在這些不同類(lèi)型的傳感器中，光學(xué)型氣體傳感器中的紅外氣體傳感器是用 途最廣泛、發(fā)展最為迅速的氣體傳感器。
盡管紅外氣體傳感器具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)、校準(zhǔn)標(biāo)定周 期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但同樣具有不可忽視的弱點(diǎn)。主要表現(xiàn)為各種氣體對(duì)紅外光譜的 吸收十分微弱，濃度越低，紅外信號(hào)的變化量越小。就甲垸氣體傳感器而言， 基于載體催化工作原理的傳感器對(duì)應(yīng)于1%濃度變化時(shí)輸出的電壓達(dá)到毫伏級(jí)， 而基于紅外氣體吸收原理工作的傳感器對(duì)應(yīng)于1%濃度變化時(shí)的輸出僅能達(dá)到微 伏級(jí)，兩者相比，后者低了三個(gè)數(shù)量級(jí)，極大地提高了傳感器前端及后續(xù)放大 器的設(shè)計(jì)要求，難以實(shí)現(xiàn)低成本的高靈敏度、高精度氣體濃度檢測(cè)。
如何才能有效提高紅外氣體傳感器的靈敏度和分辨率，降低傳感器前端和 后續(xù)放大器的設(shè)計(jì)要求以及制造成本，是提高傳感器穩(wěn)定性和可靠性并使之能 以較低的成本取代載體催化傳感器所必須解決的重要問(wèn)題。 技術(shù)內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能顯著提高紅外氣體傳感器靈敏度和分辨率，200810058805.6
說(shuō)明書(shū)第2/6頁(yè)
并能在降低制造成本的同時(shí)保證傳感器穩(wěn)定、可靠工作的新型紅外氣體傳感器。 本發(fā)明采用光學(xué)讀出技術(shù)，將微弱的氣體濃度變化轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光的波長(zhǎng)變
化，并用RGB彩色數(shù)字傳感器將可見(jiàn)光的波長(zhǎng)變化以數(shù)字信號(hào)表示出來(lái)。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來(lái)構(gòu)成基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器。 一種基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器，由上蓋、下蓋、被測(cè)氣體偏轉(zhuǎn) 薄膜、參比偏轉(zhuǎn)薄膜、導(dǎo)光塊、數(shù)據(jù)處理電路板、被測(cè)氣體濾光片、參比濾光
片、隔熱塊、被測(cè)氣體白色LED光源、參比氣體白色LED光源、被測(cè)氣體RGB 彩色數(shù)字傳感器、參比RGB彩色數(shù)字傳感器、恒溫環(huán)組成，其特征在于所述 偏轉(zhuǎn)薄膜的一個(gè)表面是具有凸凹相間的反射型光柵結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光反射面，另一 個(gè)表面是由與可見(jiàn)光反射面組成材料的熱伸縮系數(shù)有較大差別的材料構(gòu)成的紅 外吸熱面，所述的偏轉(zhuǎn)薄膜懸臂固定。
白色LED光源采用公知的貼片封裝白色發(fā)光二極管，濾光片采用公知的產(chǎn) 品，如perkinelme公司的G20、 G5濾光片，RGB彩色數(shù)字傳感器采用公知的 貼片型封裝產(chǎn)品，如AVGO公司的ADJD-S371-QR999彩色數(shù)字傳感器。
由紅外光源發(fā)出的廣譜紅外光穿過(guò)含有被測(cè)氣體的氣室到達(dá)傳感器的濾光 片，經(jīng)濾光片過(guò)濾后得到特定波長(zhǎng)的紅外光；該特定波長(zhǎng)的紅外光輻射到偏轉(zhuǎn) 薄膜的吸熱面上，由于紅外光線的熱作用，使薄膜彎曲偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角的大小反 映了照射到薄膜上紅外光的強(qiáng)弱，紅外光越弱，薄膜偏轉(zhuǎn)角越小，表明被測(cè)氣 體的濃度越高，被氣體吸收的紅外光越多。以固定角度照射到薄膜光柵反射面 上的復(fù)合白色光的入射角因薄膜的偏轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，隨之在特定方向上產(chǎn)生的 衍射光的波長(zhǎng)也發(fā)生改變，由此，完成了被測(cè)氣體濃度變化轉(zhuǎn)換成在特定方向 上衍射光的不同波長(zhǎng)的變化。隨后，RGB彩色數(shù)字傳感器將特定方向上不同波 長(zhǎng)的衍射光轉(zhuǎn)換成三個(gè)AD轉(zhuǎn)換器量化數(shù)位寬度均為10 bit的高分辨數(shù)字信號(hào) 輸出。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)。
傳感器的靈敏度、分辨率、測(cè)量精度、穩(wěn)定性、可靠性都得到了提高，同 時(shí)，降低了傳感器的成本。
現(xiàn)有的熱釋電紅外甲烷氣體傳感器的紅外熱量響應(yīng)度通常低于600V/W，紅 外光源的功率低于500mW，光源全向發(fā)散后，照射到傳感器上的有效功率隨著 照射距離的增加成2次方的關(guān)系衰減，甲烷氣體1%的濃度變化所導(dǎo)致的熱釋電 傳感器上的電壓變化約為IO微伏。由于氣體濃度變化與傳感器上的電壓變化呈 正相關(guān)，相應(yīng)于0.01%氣體濃度變化條件下，傳感器上的電壓變化大約是0.1微 伏，要檢測(cè)這 -微弱的電壓變化，放大器增益至少要高達(dá)140DB以上。實(shí)際上， 現(xiàn)有的紅外甲垸傳感器所能實(shí)現(xiàn)的最高檢測(cè)精度只能達(dá)到0.1%的濃度變化，大 約與傳感器上1微伏的電壓變化相當(dāng)。由于傳感器輸出的電壓變化極小，很多 情況下信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲中，由于放大器總增益極高，任何微小的噪音或電壓 波動(dòng)、溫度變化都會(huì)將噪音放大，引起傳感器的測(cè)量精度和靠性下降。
在本發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)的基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外傳感器中，偏轉(zhuǎn)薄膜由多個(gè) 變形微單元經(jīng)不變形微單元串接而成。變形微單元由兩種熱膨脹系數(shù)相差很大
的材料組成，不變形單元由單一材料組成，薄膜的一端固定形成懸臂結(jié)構(gòu)。薄 膜懸臂自由端的變形量由整個(gè)薄膜條上每個(gè)變形微單元變形量的疊加而得。例 如，變形微單元以及不變形微單元的長(zhǎng)度之和(也是光柵節(jié)距周期)為750納 米時(shí)，2000微米長(zhǎng)的薄膜條上約有2666個(gè)變形微單元，在薄膜懸臂自由端得到 的變形量等效于將每個(gè)變形微單元的平均微變形量放大了 2666倍！相當(dāng)于在傳 感器中設(shè)置了一個(gè)高效而沒(méi)有電器噪音的前端放大器，有效提高了傳感器對(duì)氣 體濃度微弱變化的響應(yīng)靈敏度。
在提高了傳感器對(duì)氣體濃度微弱變化響應(yīng)靈敏度的同時(shí)，本發(fā)明還利用衍 射光柵的分色原理，將檢測(cè)薄膜變形量的測(cè)量尺度縮小到了不同顏色光線波長(zhǎng)
分布范圍的納米尺度。例如，本發(fā)明選用的RGB數(shù)字輸出彩色傳感器對(duì)紅色光 的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)是645納米，對(duì)綠色光的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)是542納米，對(duì)蘭色光 的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)是460納米。受氣體濃度變化影響，當(dāng)氣體濃度逐漸增強(qiáng)時(shí)， 薄膜偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致衍射光波長(zhǎng)變化的過(guò)程是由紅色(645納米)光逐漸變化到綠色光
(542納米)，再轉(zhuǎn)變?yōu)樘m色光(460納米)的過(guò)程，在整個(gè)可見(jiàn)光變化范圍， 波長(zhǎng)差為185納米，而RGB彩色數(shù)字傳感器每一基色AD轉(zhuǎn)換器的位長(zhǎng)為10bit， 由三個(gè)AD轉(zhuǎn)換器得到的色彩分辨率組合為23G= 1073741824， 185納米再被23Q 細(xì)分，可見(jiàn)，非常微弱的薄膜變化都能被測(cè)量出來(lái)，極大地提高了檢測(cè)薄膜微 變形量的分辨率。
與現(xiàn)有技術(shù)的紅外氣體傳感器是將氣體的濃度變化以微弱的電壓變化表現(xiàn) 出來(lái)不同，本發(fā)明的紅外氣體傳感器將氣體濃度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榱炼群蜕曙柡?度足夠高的衍射光的波長(zhǎng)變化，衍射光的波長(zhǎng)信號(hào)被RGB彩色數(shù)字傳感器采樣、 放大、轉(zhuǎn)換成為RGB三基色數(shù)字信號(hào)輸出，去除了微弱信號(hào)放大的信號(hào)調(diào)理電 路，避開(kāi)了易受干擾的環(huán)節(jié)，在有效提高傳感器可靠性、穩(wěn)定性以及測(cè)量精度 的同時(shí)降低了傳感器成本。


圖1是紅外氣體傳感器的主視圖、剖面圖、軸側(cè)圖。
圖2是偏轉(zhuǎn)薄膜的剖面圖。
圖3是RGB彩色數(shù)字傳感器的原理框圖。
圖4是紅外氣體探測(cè)器的工作原理圖。
具體實(shí)施方案
參見(jiàn)圖l, 一種基于光學(xué)讀出的紅外氣體傳感器，由上蓋l、下蓋2、被測(cè)
氣體偏轉(zhuǎn)薄膜3、參比偏轉(zhuǎn)薄膜4、導(dǎo)光塊5、數(shù)據(jù)處理電路6、被測(cè)氣體濾光 片7、參比濾光片8、隔熱塊9、被測(cè)氣體白色LED光源IO、參比氣體白色LED 光源11、被測(cè)氣體RGB彩色數(shù)字傳感器12、參比RGB彩色數(shù)字傳感器13、恒 溫環(huán)14組成。
穿透被測(cè)氣體濾光片7的紅外光的波長(zhǎng)為特殊設(shè)定的能被被測(cè)氣體吸收且 具有最大吸收峰值的波長(zhǎng)，對(duì)于甲烷而言，該波長(zhǎng)是3.30微米。穿透參比濾波 片8的紅外光線的波長(zhǎng)是靠近被測(cè)氣體最大吸收波長(zhǎng)，且不能被被測(cè)氣體吸收， 同時(shí)也不被其他氣體吸收的波長(zhǎng)，參比波長(zhǎng)選擇為3.95微米。
當(dāng)氣室中含有被測(cè)氣體時(shí)，穿透參比濾波片8的紅外光線沒(méi)有被吸收，輻 射到參比偏轉(zhuǎn)薄膜4上的紅外光強(qiáng)要比穿透被測(cè)氣體濾光片7照射到被測(cè)氣體 偏轉(zhuǎn)薄膜3上的光強(qiáng)要強(qiáng)。由于光強(qiáng)不同，輻射到兩片薄膜上的熱量也不同， 造成兩片薄膜的偏轉(zhuǎn)角度不同，在特定方向上衍射光的波長(zhǎng)也不同，被測(cè)氣體 RGB彩色數(shù)字傳感器12與參比RGB彩色數(shù)據(jù)傳感器13采集到的RGB光強(qiáng)的 各分量也不相同，兩個(gè)RGB彩色數(shù)字傳感器輸出的RGB各個(gè)值也不相同。經(jīng) 數(shù)字處理器電路6對(duì)兩路RGB數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，即可得到排除了環(huán)境干擾、僅 由氣體吸收所致的波長(zhǎng)變化量。根據(jù)可見(jiàn)光波長(zhǎng)變化量與被測(cè)氣體濃度的相關(guān) 關(guān)系，即可計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度。
圖2給出了偏轉(zhuǎn)薄膜3的局部剖面圖。光柵反射面(22)通過(guò)鍍膜的方式 淀積在熱吸收面(21)上，構(gòu)成雙層材料組成的變形區(qū)被單一材料組成的不變 形區(qū)串接相連的結(jié)構(gòu)。每個(gè)變形區(qū)和不變形區(qū)串接后，形成一個(gè)變形微單元。 每個(gè)變形微單元的長(zhǎng)度同時(shí)也是光柵的節(jié)距周期。每個(gè)微單元的微變形經(jīng)累積 傳遞，成為薄膜懸臂自由端的較大變形。
圖3是公知的RGB彩色數(shù)據(jù)傳感器產(chǎn)品ADJD-S371-QR999的工作原理示 意圖。由白色LED發(fā)光二極管31發(fā)出的白色復(fù)合光線在圖1所示的導(dǎo)光塊5 的光線導(dǎo)向孔的引導(dǎo)下，以固定的入射角照射到被測(cè)氣體偏轉(zhuǎn)薄膜3、參比偏轉(zhuǎn) 薄膜4上，在薄膜上產(chǎn)生的衍射光被反射到圖3所示的R紅色傳感器32、 G綠 色傳感器33、以及B蘭色傳感器34上，RGB傳感器的輸出送入采樣模塊36， 采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器37，形成三組位長(zhǎng)分別為10bit的RGB數(shù)據(jù)輸出。
圖4是利用本發(fā)明的傳感器組成一個(gè)紅外氣體探測(cè)器的工作原理示意圖。
紅外光源41、本發(fā)明公開(kāi)的基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器42置于氣 室44中，基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器42輸出的數(shù)字信號(hào)直接輸入數(shù) 字處理電路單元43,置于基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器42外殼上的半導(dǎo) 體溫度計(jì)45將基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器42的溫度送到數(shù)字處理電 路單元43，數(shù)字處理單元43根據(jù)測(cè)得的溫度，控制圖1所示的恒溫環(huán)14的工 作狀態(tài)，使之保持恒定的環(huán)境溫度。紅外光源41的工作狀態(tài)和發(fā)射光強(qiáng)由數(shù)字 處理單元43給出信兮控制和調(diào)制。
以上實(shí)施例僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，該實(shí)施例并不對(duì)本發(fā)明的基本 實(shí)質(zhì)要素產(chǎn)生限制。
權(quán)利要求
1、一種基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器，由上蓋、下蓋、被測(cè)氣體偏轉(zhuǎn)薄膜、參比偏轉(zhuǎn)薄膜、導(dǎo)光塊、數(shù)據(jù)處理電路板、被測(cè)氣體濾光片、參比濾光片、隔熱塊、被測(cè)氣體白色LED光源、參比氣體白色LED光源、被測(cè)氣體RGB彩色數(shù)字傳感器、參比RGB彩色數(shù)字傳感器、恒溫環(huán)組成，其特征在于所述的偏轉(zhuǎn)薄膜的一個(gè)表面是具有凸凹相間的反射型光柵結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光反射面，另一個(gè)表面是由與可見(jiàn)光反射面組成材料的熱伸縮系數(shù)有較大差別的材料構(gòu)成的紅外吸熱面，所述的偏轉(zhuǎn)薄膜懸臂固定。
全文摘要
一種基于光學(xué)讀出技術(shù)的紅外氣體傳感器，由上蓋、下蓋、偏轉(zhuǎn)薄膜、參比偏轉(zhuǎn)薄膜、導(dǎo)光塊、數(shù)據(jù)處理電路、濾光片、參比濾光片、隔熱塊、白色LED光源、RGB彩色數(shù)字傳感器、恒溫環(huán)組成。所述偏轉(zhuǎn)薄膜懸臂固定，薄膜的兩個(gè)表面為可見(jiàn)光反射面和紅外吸熱面，薄膜的可見(jiàn)光反射面具有凸凹相間的反射型光柵結(jié)構(gòu)，薄膜的紅外吸熱面由與可見(jiàn)光反射面組成材料的熱伸縮系數(shù)有較大差別的材料構(gòu)成。本發(fā)明采用光學(xué)讀出技術(shù)，將氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光的波長(zhǎng)變化，用RGB彩色數(shù)字傳感器將可見(jiàn)光的波長(zhǎng)變化以數(shù)字信號(hào)輸出，去除了微弱信號(hào)放大的信號(hào)調(diào)理電路，避開(kāi)了易受干擾的環(huán)節(jié)，提高了紅外氣體傳感器的可靠性、穩(wěn)定性及測(cè)量精度，降低了成本。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101349642SQ20081005880
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月11日
發(fā)明者普朝光, 捷 趙 申請(qǐng)人:趙 捷;普朝光