專利名稱：雙模遠距離紅外氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外氣體傳感器，具體涉及一種雙模遠距離紅外氣體傳感器，可廣泛應用于環(huán)境污染氣體遠距離檢測、工礦氣體遠距離檢測等場合。
背景技術(shù)：
進入工業(yè)時代以來，伴隨著人類的生產(chǎn)和生活，大量的氣體被排放到大氣之中，導致了日益嚴重的環(huán)境和氣候問題，包括溫室效應、酸雨、臭氧層減薄等。隨之而來，人們對可以用于環(huán)境檢測的氣體傳感器的需求量將急劇增長，性能要求也逐漸提高。大氣污染物具有成分復雜、濃度低、來源廣泛、影響因素眾多等特點，給氣體傳感器提出了很高的要求。同時，對環(huán)境氣體的分析也往往需要遠距離實施。除用于環(huán)境氣體分析之外，遠距離紅外氣體傳感器也可以用于工礦業(yè)的氣體分析。大多數(shù)非對稱雙原子和多原子分子氣體在紅外波段都有紅外特征吸收峰，可以用其吸收光譜來進行定性辨識和定量分析，紅外吸收氣體分析技術(shù)已成為氣體分析的主流技術(shù)和重要發(fā)展方向。目前最成熟的紅外吸收光譜技術(shù)是傅立葉紅外光譜儀，其分析范圍覆蓋了近、中和遠紅外波段，可以同時分析多種氣體，具備良好的可靠性。但FIlR價格昂貴； 體積龐大笨重，不變攜帶；為獲取較好的靈敏度，其探測器部分需要用液氮冷卻；光譜掃描和數(shù)據(jù)計算耗時很久，速度很慢；此外也具備操作復雜，維護不變等缺點。近年來，隨著半導體材料和納米科學的發(fā)展，出現(xiàn)了一種創(chuàng)新的紅外氣體傳感技術(shù)，那就是基于半導體激光器的紅外氣體傳感器。具備以下獨特的優(yōu)點探測靈敏度高，可達到百萬分之一(ppm)至十億分之一(ppb)甚至萬億分之一(ppt)等級，能夠滿足高端需求；另外，它們可探測的區(qū)域范圍廣、氣體種類多、響應時間快。在此基礎(chǔ)上，我們發(fā)明了一種雙模紅外氣體傳感器，用以實現(xiàn)對環(huán)境和工礦氣體的遠距離探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種雙模遠距離紅外氣體傳感器，利用氣體分子對光的選擇性吸收實現(xiàn)對氣體的定性和定量分析。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種雙模遠距離紅外氣體傳感器，包括電路和人機交換模塊，用于電源管理，系統(tǒng)控制，信號的鎖相放大、采集、儲存、分析與讀取，及人機交互；第一半導體熱電制冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用于實現(xiàn)溫度控制；量子級聯(lián)激光器，固定在所述第一半導體熱電制冷器上并與所述電路和人機交換模塊連接，用于發(fā)射紅外激光；第一離軸拋物鏡，用于改變所述量子級聯(lián)激光器發(fā)射的紅外激光的傳導方向；第二半導體熱電制冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用于實現(xiàn)溫度控制；量子阱紅外探測器，固定在所述第二半導體熱電制冷器上并與所述電路和人機交換模塊連接，用于接收紅外激光；
和第二離軸拋物鏡，用于改變紅外激光的傳導方向，從而使其被所述量子阱紅外探測器探測到。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.發(fā)明的雙模遠距離紅外氣體傳感器具備主動和被動兩種工作模式，可以根據(jù)工作場合，在這兩種工作模式中進行方便的切換。2.測量范圍廣。波長覆蓋中、遠紅外波段(即3至10微米)。在此波長區(qū)域內(nèi)， 絕大多數(shù)氣體具備特征吸收峰，可以對數(shù)十種氣體(包括甲烷，氨氣，氮氧化物，氮氧化物， 烴，醚等)進行定性和定量檢測。可以同時測量多種氣體組分。3.探測靈敏度、分辨率高。視探測氣體種類不同，探測精度可達十億分之一(PPb) 至百萬分之一(ppm)量級，遠高于現(xiàn)有其他類型的氣體傳感器例如半導體類、催化燃燒類、 電化學類等，也高于非分光型紅外氣體傳感器。4.室溫下工作。通常的高性能紅外吸收型氣體傳感設備都需要利用液氮制冷，致使設備昂貴笨重，操作不便。我們的產(chǎn)品所用光源為量子級聯(lián)激光器，光強很高，而所用探測器在室溫下就具備很高的吸收系數(shù)，故而系統(tǒng)在室溫下就可以正常工作，無需液氮制冷。5.掃描時間快，為1秒鐘以下。覺得掃描速度的主要因素是量子級聯(lián)激光器的調(diào)諧速度和量子阱紅外探測器的響應速度，我們所用到的量子級聯(lián)激光器可通過電流調(diào)諧， 其速度很快，全光譜掃描所需時間僅為幾毫秒，而量子阱紅外探測器是中遠紅外波段響應速度最快的探測器，響應頻率可達數(shù)十(GHz)。綜合起來，本發(fā)明能夠在很短的時間內(nèi)完成數(shù)千次重復掃描，大大提高探測精度。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明的雙模遠距離紅外氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的主動工作模式原理示意圖；圖3是本發(fā)明的被動工作模式原理示意圖。圖中的附圖標記為1、第一半導體熱電制冷器；2、量子級聯(lián)激光器；3、第一離軸拋物鏡；4、半導體可見光激光器；5、望遠鏡；6、第二離軸拋物鏡；7、第二半導體熱電制冷器；8、量子阱紅外探測器；9、電路和人機交互模塊；10、90°立體反射鏡；11、分束片；12、本地平臺；13、所探測空間區(qū)域。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的雙模遠距離紅外氣體傳感器，包括電路和人機交換模塊9， 用于電源管理，系統(tǒng)控制，信號的鎖相放大、采集、儲存、分析與讀取，及人機交互；第一半導體熱電制冷器1，與電路和人機交換模塊9連接，用于實現(xiàn)溫度控制；量子級聯(lián)激光器2，固定在第一半導體熱電制冷器1上并與電路和人機交換模塊9連接，用于發(fā)射紅外激光；第一離軸拋物鏡3，用于改變量子級聯(lián)激光器2發(fā)射的紅外激光的傳導方向；第二半導體熱電制冷器7，與電路和人機交換模塊9連接，用于實現(xiàn)溫度控制；量子阱紅外探測器8，固定在第二半導體熱電制冷器1上并與電路和人機交換模塊9連接，用于接收紅外激光；和第二離軸拋物鏡6，用于改變紅外激光的傳導方向，從而使其被量子阱紅外探測器8探測到。
本發(fā)明的雙模遠距離紅外氣體傳感器，還可以包括一個90°立體放射鏡10，用于反射紅外激光。本發(fā)明的雙模遠距離紅外氣體傳感器，還可以包括一個分束片11，用于將量子級聯(lián)激光器2發(fā)射的紅外激光分為兩束，其中一束用于測量，另一束用于校準；或一個半導體可見激光器4，與電路和人機交換模塊連接，用于發(fā)射校準用的紅外激光?；谏鲜鰞煞N結(jié)構(gòu)本發(fā)明還需包括一個望遠鏡5，用于觀測校準用的紅外激光，調(diào)整90°立體反射鏡10 的放置角度。本發(fā)明的量子級聯(lián)激光器由砷化鎵材料制備，波長范圍在3到12微米?？梢詾榉植挤答伿搅孔蛹壜?lián)激光器或外腔式量子級聯(lián)激光器。本發(fā)明的雙模遠距離紅外氣體傳感器具有兩種工作模式主動工作模式，即所述的量子級聯(lián)激光器所發(fā)出紅外激光，穿越所需探測的氣體區(qū)域，經(jīng)待測氣體分子選擇性吸收后，由量子阱紅外探測器吸收，據(jù)此對大氣污染物進行定性探測和定量分析(后面結(jié)合圖2和實施例一詳細介紹)；和被動工作模式，即待測的紅外信號經(jīng)過本地光學系統(tǒng)收集，然后通過外差原理進行信號放大和分析(后面結(jié)合圖3和實施例二詳細介紹)。可以根據(jù)工作場合，在兩種工作模式中進行方便的切換。實施例一如圖2所示是發(fā)明的雙模遠距離紅外氣體傳感器的主動工作模式，需要利用到本地平臺12和90°立體反射鏡10這兩部分。將本地平臺12和90°立體反射鏡10置于所探測空間區(qū)域13的兩側(cè)。在本地平臺12中，由可調(diào)諧的量子級聯(lián)激光器2所發(fā)出激光，經(jīng)第一離軸拋物鏡3匯聚成平行光，穿透所探測空間區(qū)域13并且到達90°立體反射鏡10，反射光經(jīng)本地平臺上的紅外探測器所吸收。在這個過程中間，紅外激光兩次穿越所探測空間區(qū)域13，待測氣體分子會對其進行選擇性吸收，致使特定波長的光減弱。經(jīng)紅外探測器所探測到的信號隨即輸入電路和人機交換模塊9中進行信號鎖相、放大、分析和儲存，據(jù)此對大氣污染物進行定性探測和定量分析。在此實施例中，可以設置一個半導體可見激光器4，與電路和人機交換模塊連接， 用于發(fā)射校準用的紅外激光；和一個望遠鏡5，用于觀測校準用的紅外激光，調(diào)整90°立體反射鏡10的放置角度。實施例二在被動工作模式下，只需要利用到本地平臺這一部分。外來的紅外信號經(jīng)過本地光學系統(tǒng)收集，然后通過外差原理進行信號放大和分析。具體方法為，將本地部分12對準所探測空間區(qū)域13，量子阱紅外探測器8采集紅外信號。在圖3所示狀態(tài)中，量子級聯(lián)激光器2就成了一個本地振蕩器，通過分束片11，外來紅外信號將與量子級聯(lián)激光器2所發(fā)出的紅外激光進行外差耦合。耦合后所得的光信號經(jīng)紅外探測器8探測，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，隨即輸入電路和人機交換模塊9中進行信號鎖相、放大、分析和儲存。外差技術(shù)能夠?qū)⒑苋醯男盘栠M行放大。本發(fā)明的傳感器所用的激光器為量子級聯(lián)激光器。傳統(tǒng)的半導體激光器的激射波長由半導體材料的導帶和價帶之間的帶隙大小決定，而量子級聯(lián)激光器的激射波長與半導體材料帶隙無關(guān)，其工作原理與通常的半導體激光器截然不同，利用了導帶中的子帶間躍遷。它的問世是中遠紅外波段半導體激光器研制的一個突破性進展，具備輸出功率大，可室溫工作，波長調(diào)諧范圍廣，調(diào)諧精度高等優(yōu)點。 傳感器所用紅外探測器是室溫高吸收量子阱紅外探測器。目前人們所用探測器為 InSb, DTGS和HgCdTe，與它們相比，量子阱紅外探測器具備響應速度快、探測率高、探測波長可通過量子阱參數(shù)的調(diào)整加以控制等優(yōu)點。此外，量子阱紅外探測器基于成熟的砷化鎵材料，可以利用標準的半導體生長(分數(shù)束外延和金屬有機化學氣相沉積)和制程(光刻等)工藝來生長制備，材料均勻性好、成品率高、成本低廉等優(yōu)點。它工作于室溫或者準室溫狀態(tài)，在室溫或者準室溫下的探測率可達到或者接近理論極限值，正常工作下吸收系數(shù)在90%以上，響應速度高，極其適合于氣體分析。
權(quán)利要求
1.一種雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特征在于，包括電路和人機交換模塊，用于電源管理，系統(tǒng)控制，信號的鎖相放大、采集、儲存、分析與讀取，及人機交互；第一半導體熱電制冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用于實現(xiàn)溫度控制；量子級聯(lián)激光器，固定在所述第一半導體熱電制冷器上并與所述電路和人機交換模塊連接，用于發(fā)射紅外激光；第一離軸拋物鏡，用于改變所述量子級聯(lián)激光器發(fā)射的紅外激光的傳導方向；第二半導體熱電制冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用于實現(xiàn)溫度控制；量子阱紅外探測器，固定在所述第二半導體熱電制冷器上并與所述電路和人機交換模塊連接，用于接收紅外激光；和第二離軸拋物鏡，用于改變紅外激光的傳導方向，從而使其被所述量子阱紅外探測器探測到。
2.如權(quán)利要求1所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特征在于，還包括一個90°立體放射鏡，用于反射紅外激光。
3.如權(quán)利要求2所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特征在于，還包括一個分束片， 用于將所述量子級聯(lián)激光器發(fā)射的紅外激光分為兩束，其中一束用于測量，另一束用于校準。
4.如權(quán)利要求2所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特征在于，還包括一個半導體可見激光器，與所述電路和人機交換模塊連接，用于發(fā)射校準用的紅外激光。
5.如權(quán)利要求3或4所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特征在于，還包括一個望遠鏡，用于觀測校準用的紅外激光，調(diào)整所述的90°立體反射鏡的放置角度。
6.如權(quán)利要求1所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特征在于，所述的量子級聯(lián)激光器由砷化鎵材料制備，波長范圍在3到12微米。
7.如權(quán)利要求1所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特征在于，所述的量子級聯(lián)激光器為分布反饋式量子級聯(lián)激光器或外腔式量子級聯(lián)激光器。
8.如權(quán)利要求1所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特征在于，具有主動工作模式和被動工作模式；所述的主動工作模式為所述的量子級聯(lián)激光器所發(fā)出紅外激光，穿越所需探測的氣體區(qū)域，經(jīng)待測氣體分子選擇性吸收后，由量子阱紅外探測器吸收，據(jù)此對大氣污染物進行定性探測和定量分析；所述的被動工作模式為待測的紅外信號經(jīng)過本地光學系統(tǒng)收集，然后通過外差原理進行信號放大和分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙模遠距離紅外氣體傳感器，包括電路和人機交換模塊，用于電源管理，系統(tǒng)控制，信號的鎖相放大、采集、儲存、分析與讀取，及人機交互；第一和第二半導體熱電制冷器，與電路和人機交換模塊連接，用于實現(xiàn)溫度控制；量子級聯(lián)激光器，固定在第一半導體熱電制冷器上并與電路和人機交換模塊連接，用于發(fā)射紅外激光；第一和第二離軸拋物鏡，用于改變紅外激光的傳導方向；量子阱紅外探測器，固定在第二半導體熱電制冷器上并與電路和人機交換模塊連接，用于接收紅外激光。本發(fā)明利用氣體分子對光的選擇性吸收實現(xiàn)對氣體的定性和定量分析。
文檔編號G01N21/35GK102200506SQ20101013383
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者劉惠春, 楊耀 申請人:無錫沃浦光電傳感科技有限公司