本發(fā)明涉及能夠用于測量氣體的濃度或測量極低壓力的熱流傳感器，從而形成皮拉尼計。
背景技術(shù)：
：通常，術(shù)語“熱流傳感器”是指對例如采用薄膜形式的傳感器的主體與該傳感器置于其中的流體介質(zhì)之間的熱交換進行測量的任何傳感器。熱流傳感器放置在一環(huán)境中，該環(huán)境包含待分析的成分、在氣體傳感器的情況下包含載氣中的分析物(analyte)、或者在皮拉尼計的情況下僅包含特定數(shù)量的氣體分子來測量低氣壓。文獻WO2011/044547描述了TCD(“ThermalConductivityDetector，熱導檢測器”)，該TCD使用熱導率的變化來確定該TCD所在的氣態(tài)環(huán)境的組成。該檢測器位于色譜柱的出口處。該TCD傳感器包括延伸的支撐板、位于支撐板上的加熱元件。在被加熱的支撐板的終端處測量電壓變化以確定電阻的變化，該電阻的變化取決于支撐板的溫度并表示在支撐板和氣態(tài)環(huán)境之間發(fā)生的熱交換。這些熱交換取決于氣態(tài)環(huán)境的組成。文獻“Amicro-Piranivacuumgaugebasedonamicro-hotplatetechnology(基于微熱板技術(shù)的微皮拉尼真空計)”(F.T.Zhang等，《傳感器&執(zhí)行器A》，126(2006)300-305)描述了皮拉尼微型計，該皮拉尼微型計包括通過四根長橫梁和兩根短的窄橫梁懸掛的平板。在該平板上設(shè)置有加熱元件。呈現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)的氣體傳感器和皮拉尼計具有大于1ppm的檢測限度(LimitofDetection，LOD)，尤其因為該傳感器的結(jié)構(gòu)以及皮拉尼微型計的結(jié)構(gòu)都不允許實施動態(tài)測量方法，即使用調(diào)制的輸入信號。這是由于該傳感器和皮拉尼微型計的熱時間常數(shù)與調(diào)制頻率相比過大。例如，對于生物醫(yī)學的應用、對于環(huán)境或者內(nèi)部空氣質(zhì)量監(jiān)測，人們試圖實現(xiàn)小于1ppm的檢測限度。技術(shù)實現(xiàn)要素：為此，本發(fā)明旨在提供一種熱流傳感器，尤其是諸如氣體傳感器或者皮拉尼計之類的傳感器，與現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器相比，該熱流傳感器能夠呈現(xiàn)較低的檢測限度。上述目的由包括以下各項的熱流傳感器實現(xiàn)：至少一個光學諧振器、用于加熱光學諧振器的裝置和用于根據(jù)傳感器所處環(huán)境的組成的變化來測量光學諧振器的特性的變化的裝置。溫度會影響光學諧振器的有效光學指數(shù)。該指數(shù)的修改會改變光學諧振器的諧振頻率，該諧振頻率可以根據(jù)由光學諧振器透射或者反射的波來測量。這與在氣態(tài)環(huán)境(例如氣體混合物)的熱導率的變化有關(guān)，因而與該氣態(tài)環(huán)境的組成有關(guān)。換句話說，熱流傳感器使用光學諧振器作為對與周圍的氣態(tài)環(huán)境的熱交換敏感的元件。根據(jù)本發(fā)明的熱流傳感器與現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器相比呈現(xiàn)了較低的檢測限度?？梢詫崿F(xiàn)10：1的比率。所述光學諧振器通過懸掛裝置懸掛，該懸掛裝置配置為使諧振器熱隔離?？梢允褂靡环N使用連續(xù)光束的測量方法或者使用幅度調(diào)整光束的動態(tài)測量方法。根據(jù)本發(fā)明的熱流傳感器特別適用于動態(tài)測量方法，這是因為該傳感器的熱能化所需的時間較短。這被稱為低的熱常數(shù)。該傳感器因此提供了甚至更低的檢測限度。此外，該傳感器呈現(xiàn)了較大的動態(tài)測量范圍，即它能夠在更寬的范圍(例如幾十度)內(nèi)檢測溫度變化。在一個實施例中，對諧振器加熱是通過位于遠離光學諧振器的焦耳效應類型的加熱裝置來實現(xiàn)的。在另一個實施例中，對諧振器加熱是通過將具有足以加熱諧振器的功率的光束引入光學諧振器來實現(xiàn)的自加熱。因此，本發(fā)明的主題在于熱流傳感器，該熱流傳感器包括至少一個懸掛在支撐件上的光學諧振器，所述光學諧振器被懸掛在氣態(tài)環(huán)境中，所述光學諧振器包括至少一個波導、至少一個將測量光束引入所述波導的第一裝置、至少一個第二收集裝置，該收集裝置用于收集來自光學諧振器的波導的光束，以及用于加熱所述光學諧振器的裝置。在一個實施例中，加熱裝置遠離光學諧振器。分隔加熱裝置和光學諧振器的距離例如介于200nm至10μm之間。加熱裝置可以是焦耳效應的加熱裝置。在一個實施例示例中，加熱裝置可以包括至少一個懸掛在所述支撐件上的導線，該導線被連接到電壓源或電流源。在另一實施例中，加熱裝置包括至少一個電阻材料層，該電阻材料層面向所述光學諧振器放置并布置在所述支撐件上，該電阻材料層被連接到電壓源或電流源。在另一實施例中，加熱裝置包括配置為將光束引入光學諧振器的光束源，該光束源的功率可以使光學諧振器自加熱。根據(jù)附加的特征，光學諧振器通過至少一個橫梁懸掛在支撐件上。該橫梁的寬度例如介于50nm和10μm之間，厚度介于50nm和500nm之間，長度介于1μm和100μm之間。所述光學諧振器可以包括光學環(huán)、光盤和光子晶體。在包括環(huán)的光學諧振器的情況下，所述環(huán)的半徑在1μm至100μm之間。在一個實施例示例中，用于將測量光束引入光學諧振器中的第一裝置是波導，第二收集裝置由與第一裝置的波導相同的波導形成，從而用來收集反射光束。在另一實施例示例中，用于將測量光束引入光學諧振器中的第一裝置是波導，第二收集裝置由另一波導形成，從而用來收集透射光束。在另一實施例示例中，用于將測量光束引入光學諧振器中的第一裝置是波導，收集反射光束的第二收集裝置由第一裝置的波導形成，其中所述傳感器還包括另一收集透射光束的波導。在本申請中，術(shù)語“透射光束”指由不同于引入裝置(例如波導)的收集裝置(例如波導)收集的光束，術(shù)語“反射光束”指由引入裝置(例如引入波導)收集的光束。本發(fā)明的另一主題是包括至少一個根據(jù)本發(fā)明的熱流傳感器的氣體傳感器，光學諧振器被懸掛在向流體通道提供氣體混合物的輸入端與從流體通道移除所述氣體混合物的輸出端之間的流體通道中。本發(fā)明的另一主題是包括至少一個根據(jù)本發(fā)明的熱流傳感器的皮拉尼計，光學諧振器被懸掛在該光學諧振器對其壓力進行測量的氣態(tài)介質(zhì)體積中。本發(fā)明的另一主題是測量系統(tǒng)，包括至少一個根據(jù)本發(fā)明的傳感器、連接到第一裝置的測量光束發(fā)射器、至少一個連接到第二裝置的光電探測器，以及用于對光電探測器發(fā)出的信號進行處理的電子裝置。測量光束發(fā)射器可以發(fā)射幅度調(diào)制的光束。測量光束發(fā)射器例如為激光器。根據(jù)一個實施例示例，測量光束發(fā)射器還形成用于光學諧振器自加熱的光束發(fā)射器。所述測量系統(tǒng)可以包括根據(jù)本發(fā)明的另一氣體傳感器，一個傳感器的流體通道被設(shè)計為提供有氣體混合物，另一傳感器的流體通道被設(shè)計為僅提供有載氣，每個傳感器的第二收集裝置經(jīng)由光電探測器連接到處理電子裝置以允許進行差分測量。所述測量系統(tǒng)可以包括根據(jù)本發(fā)明的另一氣體傳感器，一個傳感器的流體通道被提供有氣體混合物，另一傳感器的流體通道僅被提供有載氣，每個傳感器的第二收集裝置經(jīng)由用于從兩個傳感器出射的測量光束的恢復和干涉設(shè)備連接到處理電子裝置，以允許對兩個裝置所收集的檢測光束之間的相移進行測量，從而允許進行干涉測量。附圖說明基于以下描述和附圖將更好地理解本發(fā)明，附圖中：-圖1為根據(jù)第一實施例的熱流檢測器的一個實施例示例的透視圖，-圖2為圖1的傳感器的俯視圖，-圖3A根據(jù)第一實施例的熱流檢測器的另一實施例示例的透視圖，-圖3B為圖3A的傳感器的俯視圖，-圖4為光學諧振器的傳遞函數(shù)的圖示，-圖5為根據(jù)第二實施例的熱流檢測器的一個實施例示例的透視圖，-圖6為包括圖3A的熱流傳感器的測量系統(tǒng)的示意圖，-圖7為配置為執(zhí)行差分測量的測量系統(tǒng)的示意圖，-圖8A和8B為配置為執(zhí)行基于干涉的測量的系統(tǒng)的示意圖，-圖9為由支撐件和熱諧振器形成的系統(tǒng)的等效熱電路的圖示。具體實施方式根據(jù)本發(fā)明的熱流傳感器旨在放置于氣態(tài)環(huán)境中，例如以分析氣體混合物的組成或者測量壓力水平。在接下來的示例中，熱流傳感器在其應用中被描述為氣體傳感器。因此，旨在將該熱流傳感器浸在待分析的流經(jīng)流體通道的氣體混合物中，其中該氣體混合物包括諸如氦氣之類的載氣及一個或多個待分析的分析物。該熱流傳感器可以形成皮拉尼計(Piranigauge)。皮拉尼計可以例如被布置在殼體中并用于監(jiān)測殼體中的真空度。通常，傳感器被放置在一定量的(avolumeof)氣體中。在圖1和圖2中可以看出，根據(jù)第一實施例的熱流傳感器的示例被布置在流體通道2中，其中，通道2包括通過橫向壁6連接的側(cè)壁4，橫向壁6形成通道2的底部。通道2例如通過在圖6中可見的蓋板7封閉。通道2包括用于提供氣體的端部和用于移除氣體的端部。氣體流(gasflow)由箭頭FG表示。所述傳感器包括光學諧振器8，該光學諧振器與通道壁熱絕緣以限制由朝向支撐件擴散產(chǎn)生的熱損耗，這可以降低該光學諧振器的靈敏度。優(yōu)選地，該光學諧振器還與通道壁光學隔離。光學諧振器8有利地通過懸掛件10懸掛在通道2中。在示出的示例中，光學諧振器8包括形成光學環(huán)的波導。所使用的懸掛裝置包括將環(huán)的內(nèi)邊緣連接到銷(pin)14的四個臂12，所述銷(pin)14形成該通道的底部6的一部分。臂12的橫截面被選擇為使其足夠小以限制熱損耗，例如介于1nm和1μm之間。通常所述臂由與諧振器相同的材料制成。此外，銷14的材料被有利地選擇為使其具有低的熱導率，例如由SiO2、SiN、SiC等材料制成。為了限制熱損耗從而確保良好的熱絕緣，所述銷有利地由具有低熱導率的氧化物制成，例如SiO2?？梢栽O(shè)想懸掛裝置的其它示例，例如懸掛裝置可以包括在諧振器的外邊緣和通道側(cè)壁之間延伸的橫梁。諧振器可以包括光子晶體，例如通過在波導中穿孔而形成?？商鎿Q地，光學諧振器可以包括由光盤或光學環(huán)形成的或再次由光子晶體形成的波導，每個波導通過上述懸掛件懸掛。有利地，在懸掛裝置中制成間隔幾十納米的直徑為幾十納米的孔，因而提供了諧振器相對于支撐件的熱絕緣和光學隔離。傳感器還包括至少一個波導16，波導16的至少一部分靠近光學諧振器布置以將測量光束(稱作探測光束)引入該光學諧振器并恢復透射光束或者反射光束(稱作檢測光束)。在示出的示例中，傳感器包括U形的第一波導16。U波導的一個分支16.1包括連接到光源并在U波導的底部將光引入光學諧振器8的自由端。U波導的另一分支16.2收集通過其自由端反射的光束，該自由端例如連接到光電探測器。傳感器包括第二波導18，在該示例中第二波導18也是U形的，用于收集通過諧振器透射的光。第二波導18被布置在第一波導16相對于諧振器的另一側(cè)。在這些示例中，U波導的底部伸入通道中以盡可能地靠近諧振器。傳感器還包括用于對光學諧振器進行加熱且遠離諧振器的裝置20。在示出的示例中，該裝置是連接到電流源或電壓源的電導線。該導線例如由金屬或者諸如硅之類的半導體材料制成。在這個示例中并且有利地，在通道的兩個側(cè)壁之間將該導線相對于氣流FG橫向懸掛。優(yōu)選地，裝置20放置在包含光學諧振器的平面內(nèi)。導線20所產(chǎn)生的熱量由箭頭CH象征性地表示?？商鎿Q地，加熱的導線可以平行于氣流延伸。在示出的示例中，導線被放置在諧振器的平面上。該導線可以設(shè)置在平行但不同于諧振器的平面內(nèi)，但這個實施例更加復雜。可以設(shè)想存在多個電導線。導線通過焦耳效應產(chǎn)生熱，這將會通過熱傳導和輻射來加熱光學諧振器。例如，對于寬度和高度通常在10μm和200μm之間，例如寬度為100μm且高度為100μm的通道，以及直徑在10μm和200μm之間，例如50μm的諧振器，導線和諧振器的邊緣之間的距離大約為幾微米(μm)，例如介于200nm和10μm之間。在圖3A和3B中可以看出根據(jù)第一實施例的熱流傳感器的另一實施例示例，其中，加熱裝置由電阻層20’形成，考慮到氣流，該電阻層20’布置在與光學諧振器平行的平面內(nèi)并靠近光學諧振器。在圖3A的圖示中，該電阻層位于光學諧振器之下。電阻層被沉積在通道的橫向壁上并連接到電壓源或者電流源。有利地，所述電阻層具有至少一個足以確保諧振器投影到該電阻層的平面上的投影被包括在電阻層20’之內(nèi)的表面。電阻層20’由例如錫或鎢制成。這個實施例示例的優(yōu)點在于更均勻且更快速地對諧振器進行加熱。此外，可以達到更高的溫度，這使得可以實現(xiàn)比圖1和圖2中的傳感器的檢測限度更低的檢測限度。在所描述的示例中，使用了單個光學諧振器，但是可以設(shè)想使用多個耦合的諧振器，例如通過將這些諧振器布置在相同的平面中或者不同的平面中，例如兩個平行的平面，其中，例如這些平面與通道中的流體平行。例如，兩個諧振環(huán)可被耦合。在圖6中，可以看出根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)的示意圖，該測量系統(tǒng)包括：圖3A和3B中的熱流傳感器、光學發(fā)射器22(例如激光源)、第一光電探測器24(例如光電二極管)、第二光電探測器26(例如光電二極管)，光學發(fā)射器22連接到第一波導16的分支16.1的輸入端并用于將光引入諧振器，第一光電探測器24連接到第一波導16的分支16.2的輸出端以收集反射光束，第二光電探測器26連接到第二波導18的輸出端以收集透射光束。耦合網(wǎng)絡27連接到第二波導18的輸入端。該網(wǎng)絡使得從光源出射的光能夠有效耦合到引入波導中，光源通常是激光光源。同樣的網(wǎng)絡還允許對從波導出射的光解耦合以使在光電探測器上能夠收集到這些光?？梢栽O(shè)想將光引入兩個波導16和18中，在兩個波導16和18中恢復反射光并比較所獲得的信號。通道2的入口例如連接到氣體混合物源的氣相色譜或者毛細管(gaschromatographicorcapillary)的出口。光學發(fā)射器22和光電探測器24、26例如通過光纖22.1、24和26.1分別連接到波導。值得回顧的是，單個光電探測器就足夠了，收集透射光束或反射光束就足夠了光電探測器24和26連接到處理電子裝置28，處理電子裝置28根據(jù)一個光電探測器或多個光電探測器發(fā)射的信號來確定氣體混合物的組成?，F(xiàn)將描述圖1和圖2中用作氣體傳感器的熱流傳感器的操作。圖3A和3B的傳感器的操作類似于圖1和圖2中的傳感器?？紤]的氣體混合物包括載氣(例如氦氣或氫氣)及至少一個分析物。優(yōu)選地，載氣被選擇為使其具有比分析物更大的熱反差的屬性，以使僅存在載氣的溫度與存在載氣/分析物的混合物的溫度之間的差異最大化。為了實現(xiàn)上述目的，選擇例如具有熱導率k的載氣，該熱導率k遠大于分析物的熱導率。下表列出了空氣、氦氣、兩個分析物戊烷和苯的熱導率值。GasH2HeliumAirPentaneBenzenekgaz(mW/m.K)16814324158在第一個步驟中，氣體混合物流經(jīng)諧振器周圍的通道。導線被提供有連續(xù)的電壓或電流，隨后，通過熱傳導和輻射加熱該光學諧振器。該氣體混合物具有穩(wěn)定的組成。熱平衡被建立，隨后諧振器具有溫度T?？紤]到通道中的氣體混合物的組成是穩(wěn)定的，諧振器被加熱到給定溫度，這是由在通過傳導和輻射加熱導線的熱量的流動與通過與支撐件交換的熱損失之間的熱平衡產(chǎn)生的，從而通過氣體混合物和懸掛裝置形成恒溫器。導線20通過焦耳效應所提供的功率被表達為：PJ＝R0I2其中，R0為導線20的電阻，I為流經(jīng)R0的電流值。被加熱的光學諧振器可以與借助于在圖9中示意性示出的熱電阻連接到恒溫器的熱容量Cth進行比較。光學諧振器被氣體包圍。熱電阻Rth由氣態(tài)環(huán)境Rth-gaz的熱電阻和諧振器的懸掛臂的熱電阻組成，熱電阻Rth表征該諧振器和外部之間的交換，懸掛臂的熱電阻由例如硅Rth-Si制成。在熱平衡處，光學諧振器處于穩(wěn)定的溫度T，其表達為：T＝T0+P.Rth(I)T0為通道壁的溫度，并且T0為光學諧振器在未加熱時的溫度?？紤]到氣態(tài)混合物包含載氣和分析物，該氣態(tài)混合物的熱導率表達為：κgaz＝κ1c+κ2(1-c)(W.m-1.K-1)(III)其中，k1為分析物的熱導率，C為分析物的濃度，k2為載氣的熱導率。作為信息，對于載氣中的分析物濃度的1ppm的相對變化量，熱導率的相對變化量為1ppm。將例如連續(xù)的探測光束經(jīng)由第一波導引入諧振器。如在圖4中作為光學諧振器的頻率(以Hz為單位)的函數(shù)的該光學諧振器的傳遞函數(shù)H的圖示中示意性所示的，探測光束的波長(或頻率Fs)相對于與透射最大值或反射最大值對應的波長發(fā)生偏移。幅度調(diào)制的探測光束也也能夠被引入諧振器來執(zhí)行動態(tài)測量，下面將對此進行描述。在第二個步驟期間，分析物的濃度發(fā)生變化。根據(jù)關(guān)系式(III)，氣體混合物的熱導率發(fā)生變化，光學諧振器和氣體混合物之間的熱交換被修改，這修改了熱諧振器的熱平衡和溫度。使用用于通過該混合物和固定光學諧振器的附接件中的熱擴散的方程來估算光學諧振器的溫度的變化量，該溫度變化量可以表達為：ΔT＝P/G其中，P為由于焦耳效應所耗散的功率，其中，G表示該系統(tǒng)的熱導率并在適當情況下，包含與通過氣態(tài)介質(zhì)的交換有關(guān)的項和與通過形成懸掛裝置和銷的材料的交換有關(guān)的項，并且假定其它耗散模式可以忽略不計，那么G可以表達為：G＝Ggaz+Gs，其中Gs表示形成諧振器和懸掛裝置的硅的導電率。其中，Ggaz＝(S/g)×γ通過考慮兩個面對面的平面來計算Ggaz，例如包含諸如盤、環(huán)或者光子晶體之類的諧振器面向置于其下的基底的平面。S為諧振器的等效表面積，δ為單位自由修正因子，其使得僅通過垂直流動不會實現(xiàn)擴散。這個系數(shù)進一步取決于兩個平面之間的距離g。此外，正如前面所提到的，傳感器被優(yōu)選為使得通過諧振器懸掛件或者諧振器附接件的熱導率比通過氣體的熱導率小。通過考慮薄的懸掛件和由熱絕緣材料制成的銷，比率Gs/Ggaz可以小于1％，通過附接件的傳導項因而變得可忽略不計。作為電導率、δTδκgas/初始濃度c0附近的函數(shù)的溫度變化量的傳遞函數(shù)可以表達為：為了加熱光學諧振器，溫度變化量的值取決于距離g和所引入的功率的值。例如考慮g約為1μm。這個表達式導出了作為電導率的函數(shù)的溫度的相對變化量的典型值：諧振器的溫度的這個變化量導致諧振器的有效光學指數(shù)的變化量。因此，通過加熱光學諧振器，可以修改有效光學指數(shù)，在熱平衡處的值是指“標稱值”。作為溫度的函數(shù)的光學指數(shù)的變化量取決于波長和溫度T0，T0為對應于僅提供有載氣(沒有分析物)的溫度的熱工作點。當氣體混合物的組成改變時，氣體混合物的熱導率改變。這意味著修改加熱裝置和光學諧振器之間以及光學諧振器和支撐件之間的熱交換。熱平衡被修改，諧振器的溫度升高或降低，有效光學指數(shù)在標稱值附近經(jīng)歷變化量δn，這在圖4的傳遞函數(shù)的圖示中被示意性地表示。諧振器的光學諧振頻率取決于有效光學指數(shù)。因此，有效光學指數(shù)的修改導致諧振器的光學諧振頻率的變化量。可以通過作為溫度的函數(shù)的諧振頻率的相對變化量來估算對光學諧振頻率的整體影響：應該注意的是，諧振器的諧振頻率的變化量有多個起因，特別地，這些起因為：有效折射率的變化量、由于諧振器的膨脹導致的傳播長度的變化量以及層的熱應力的變化量。例如，在硅的情況下，硅的典型膨脹系數(shù)為3ppm，硅導在1.55μm波長下的有效折射率的變化量大約為50ppm。因此，有效折射率的一階變量是主要影響。因此，在說明書的其余描述中，應當考慮的是，有效光學指數(shù)的變化量是導致諧振器的諧振頻率的變化量的主要原因。因此，傳遞函數(shù)根據(jù)光學諧振器的溫度(即對應于最大峰值變化的諧振頻率)沿著橫坐標移動。這個變化量被表達為檢測光強的振幅的調(diào)制，該檢測光強為透射信號或反射信號。該諧振頻率變化量對通過諧振器透射或者反射的光強進行調(diào)制。該調(diào)制Mo由圖4的傳遞函數(shù)示意性地表示。通過測量該調(diào)制，可以追溯到光學諧振頻率的偏移、以及透射的和反射的光強。因此可以確定氣體混合物的電導率。光學諧振器的質(zhì)量因子越大，光強的變化量就越大。通過了解氣體混合物的組成和它們的熱導率，可以追溯到氣體混合物的組成，即追溯到一個或多個分析物的濃度的變化量。通過限制通過懸掛裝置的熱損耗，人們可以確保溫度變化的主要原因是氣體混合物的組成的變化。根據(jù)本發(fā)明的熱流傳感器具有非常低的熱常數(shù)，因而非常有利地允許實施動態(tài)測量方法。然后可以通過調(diào)制所引入的光強來進行同步檢測。在這種情況下，同步檢測放大器被用于解調(diào)來自光電二極管的信號。這使噪聲的損害最小化到1/f，并使得能夠?qū)崿F(xiàn)信號和連續(xù)背景噪聲之間的更大的比率。根據(jù)本發(fā)明的傳感器的檢測限度可以被進一步減小。此外，根據(jù)本發(fā)明的傳感器具有更大的動態(tài)范圍。圖7示出了能夠進行差分測量的系統(tǒng)的實施例示例。該系統(tǒng)包括兩個根據(jù)本發(fā)明的熱流傳感器C1和C2，每個傳感器都具有自身的流體通道。該系統(tǒng)包括用于每個傳感器的光學發(fā)射器或用于兩個傳感器的光學發(fā)射器，以及一個或多個用于傳感器中的每個傳感器的光電探測器。傳感器C1的流體通道僅提供有載氣，傳感器C2的流體通道僅提供有載氣或者提供有待分析的氣體混合物(載氣和分析物)。兩個傳感器的光電探測器連接到相同的處理電子裝置。因此可以測量在由兩個傳感器的光電探測器獲得的電信號的差異，這使得能夠移除連續(xù)的背景噪聲并將熱漂移限制到一階。在圖8A和圖8B中可以看出測量系統(tǒng)的另一示例，這有利地在干涉結(jié)構(gòu)(如馬赫-曾德爾類型)中實現(xiàn)基于干涉的測量方法。正如圖7中的系統(tǒng)，測量系統(tǒng)包括兩個根據(jù)本發(fā)明的熱流傳感器C1和C2，每個熱流傳感器具有自身的流體通道。該系統(tǒng)包括用于兩個傳感器的光學發(fā)射器22和干涉后收集檢測光的光電探測器。傳感器C1的流體通道僅提供有載氣，傳感器C2的流體通道僅提供有載氣或者提供有待分析的氣體混合物(載氣和分析物)。將在兩個傳感器中收集的透射光束進行合并并通過電子裝置對所得光束進行處理。在圖8A中，傳感器是與圖3A和3B中的傳感器的類型相同的傳感器，在圖8B中，傳感器包括直波導。此外，在這個示例中，干涉結(jié)構(gòu)包括用于恢復來自兩個傳感器的測量光束的波導。這些波導被組裝為“Y”以使所述測量光束互相干涉。自然地，可以使用任何其他用于恢復并干涉來自兩個傳感器的測量光束的設(shè)備來代替“Y”配置中的波導。在該系統(tǒng)中，相對于另一馬赫-曾德爾的分支來測量馬赫-曾德爾的分支的相移，而不是信號幅值。作為一個變型，該系統(tǒng)能夠使反射光束發(fā)生干涉。由于基于干涉的系統(tǒng)是完全光學差分模式，因此可以使用較簡單的電子器件從而形成更緊湊的系統(tǒng)。圖5示出了根據(jù)第二實施例的傳感器的實施例示例。這個傳感器不同于第一實施例中不包括外部加熱裝置的傳感器。該傳感器包括連接到第一波導16’的光源30，光源30可以確保懸掛在通道2中的光學諧振器8的自加熱。第一波導16’收集透射光束，波導18’收集反射光束。在這個實施例示例中，波導16’和18’是平行的并穿過通道?？梢栽O(shè)想與波導16和18相同的波導。在示出的示例中，存在與光源22相關(guān)的附加的光源，該光源將足夠高功率的光束發(fā)送給第一波導。吸收機制將這種光能轉(zhuǎn)換成熱能，從而加熱諧振器。局部加熱的范圍可以從對于低功率(例如低于100μW)的幾度到對于高功率(例如大約十幾毫瓦(mW)或幾十瓦(W))的幾百度。附加的光源30為例如其發(fā)射波長與傳感器光源的波長不同的激光器。作為一個變型，可以使用引入傳感器光束的單個光源，該光源用于測量并加熱諧振器。在這個實施例中，當包圍諧振器的氣體混合物的熱導率變化時，由于加熱是在諧振器內(nèi)部進行的，因此只會影響在諧振器和由通道形成的支撐件之間的熱交換。根據(jù)第二實施例的傳感器的工作原理類似于根據(jù)第一實施例的傳感器的工作原理。諧振器的溫度T是溫度的增高和與氣態(tài)環(huán)境的熱交換之間的熱平衡，可以表達為：T＝T0+ΔT＝T0+Popt/(Gth_Si+Gth_gaz)其中，T0為諧振器的初始溫度，Popt為加熱光源提供的功率。Gth_Si和Gth_gaz分別為硅和氣體的熱導率。Gth_Si表征通過懸掛裝置的交換。測量光學諧振頻率的變化量。該變化量根據(jù)諧振器的溫度發(fā)生變化，其取決于和氣態(tài)環(huán)境的交換并由此取決于氣態(tài)環(huán)境的組成。我們將估算根據(jù)本發(fā)明的測量傳感器的性能?？紤]到由對應于透射或反射響應的峰值的半高寬的最小測量光譜變量給出的分辨率的較低限度，并考慮由硅制成的、其精度F＝1000、有效指數(shù)neff＝2.4且半徑R＝50μm的微型諧振器，即，自由光譜間隔約為3.2nm。因此，半高寬大約為3.2pm，這對應于105的質(zhì)量因子。諧振波長對溫度的靈敏度約為75ppm/℃(即：對于1.55μm的傳感器波長，靈敏度為～50ppm)，理論的溫度分辨率約為0.05°K(即：δΔT＝0.05°)。對于200℃的工作溫度，可以確定的是，濃度的最小的測量變量為從200ppb至1000ppm。絕對檢測限度取決于載氣-分析物的組合。在加入了苯的氦氣的情況下，檢測限度約為7ppm?，F(xiàn)有技術(shù)的TCDs可以檢測苯從10ppm至數(shù)十ppm、甚至數(shù)百ppm的濃度的變量。應該注意的是，上述計算沒有將光源(光子噪聲)和檢測器(肖特基噪聲，1/f...)的固有噪聲考慮在內(nèi)，而是僅考慮了光學諧振器的光譜精度。因此僅通過示例的方式給出尺寸標注值。對于高度介于例如100nm和500nm之間的波導，其寬度可以介于100nm和500nm之間。波導的尺寸例如為：500nmx200nm。波導和光學諧振器之間的距離例如介于50nm和500nm之間，例如等于200nm。熱元件和諧振器之間的距離約為1μm，并且可以達到數(shù)個微米，例如等于2μm。在環(huán)型光學諧振器的情況下，光學諧振器的半徑可以介于1μm和100μm之間，例如等于50μm。例如，一個或者多個光學諧振器可以由硅、摻雜硅、氮化硅、鈮酸鋰或基于III/V材料的砷化鎵制成。根據(jù)波導材料和尺寸，尤其根據(jù)它們的橫截面并根據(jù)環(huán)或者圓盤諧振器的半徑來調(diào)整形成發(fā)射器的單個激光器或多個激光器的波長。例如，在由硅或III/V材料制成的光學諧振器的情況下，波長為1.55μm，在由鍺硅合金制成的光學諧振器的情況下，波長的范圍約從3μm至7μm，在由鍺制成的光學諧振器的情況下，波長處于7μm至12μm范圍內(nèi)?？梢允褂迷谖㈦娮又欣绺鶕?jù)SOI(SilicononInsulator，絕緣硅)基底已知的方法來實現(xiàn)熱式傳感器，尤其是通過應用光刻、刻蝕、外延生長步驟來實現(xiàn)。當前第1頁1 2 3