雙模遠距離紅外氣體傳感器的製作方法
2023-06-23 08:29:46 1
專利名稱：雙模遠距離紅外氣體傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型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，可廣泛應用於環境汙染氣體遠距離檢測、工礦氣體遠距離檢測等場合。
背景技術：
進入工業時代以來，伴隨著人類的生產和生活，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 以用於環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。大氣汙染物具 有成分複雜、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，對環境氣體的分析也往往需要遠距離實施。除用於環境氣體分析之外，遠距離紅外氣體 傳感器也可以用於工礦業的氣體分析。大多數非對稱雙原子和多原子分子氣體在紅外波段都有紅外特徵吸收峰，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已成為氣體分析的主流技 術和重要發展方向。目前最成熟的紅外吸收光譜技術是傅立葉紅外光譜儀，其分析範圍覆 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FTIR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 和數據計算耗時很久，速度很慢；此外也具備操作複雜，維護不變等缺點。近年來，隨著半導體材料和納米科學的發展，出現了一種創新的紅外氣體傳感技 術，那就是基於半導體雷射器的紅外氣體傳感器。具備以下獨特的優點探測靈敏度高，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，它們可探測的區域範圍廣、氣體種類多、響應時間快。在此基礎上，我們發明了一 種雙模紅外氣體傳感器，用以實現對環境和工礦氣體的遠距離探測。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術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對氣體的定性和定量分析。為了解決以上技術問題，本實用新型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，用於電源管理，系統控制，信號的鎖相放大、採集、儲存、分 析與讀取，及人機互動；第一半導體熱電製冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用於實現溫度控制；量子級聯雷射器，固定在所述第一半導體熱電製冷器上並與所述電路和人機交換 模塊連接，用於發射紅外雷射；第一離軸拋物鏡，用於改變所述量子級聯雷射器發射的紅外雷射的傳導方向；第二半導體熱電製冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用於實現溫度控制；量子阱紅外探測器，固定在所述第二半導體熱電製冷器上並與所述電路和人機交換模塊連接，用於接收紅外雷射；和第二離軸拋物鏡，用於改變紅外雷射的傳導方向，從而使其被所述量子阱紅外 探測器探測到。本實用新型具有以下優點1.本實用新型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 根據工作場合，在這兩種工作模式中進行方便的切換。2.測量範圍廣。波長覆蓋中、遠紅外波段(即3至10微米)。在此波長區域內， 絕大多數氣體具備特徵吸收峰，可以對數十種氣體(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、解析度高。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，遠高於現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，也高於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製冷，致 使設備昂貴笨重，操作不便。我們的產品所用光源為量子級聯雷射器，光強很高，而所用探 測器在室溫下就具備很高的吸收係數，故而系統在室溫下就可以正常工作，無需液氮製冷。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雷射器的調 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雷射器可通過電流調諧， 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，響應頻率可達數十(GHz)。綜合起來，本實用新型能夠在很短的時間內 完成數千次重複掃描，大大提高探測精度。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1是本實用新型的雙模遠距離紅外氣體傳感器結構示意圖；圖2是本實用新型的主動工作模式原理示意圖；圖3是本實用新型的被動工作模式原理示意圖。圖中的附圖標記為1、第一半導體熱電製冷器；2、量子級聯雷射器；3、第一離軸 拋物鏡；4、半導體可見光雷射器；5、望遠鏡；6、第二離軸拋物鏡；7、第二半導體熱電製冷 器；8、量子阱紅外探測器；9、電路和人機互動模塊；10、90°立體反射鏡；11、分束片；12、本 地平臺；13、所探測空間區域。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型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，用於電源管理，系統控制，信號的鎖相放大、採集、儲存、分析與讀取，及人機互動；第 一半導體熱電製冷器1，與電路和人機交換模塊9連接，用於實現溫度控制；量子級聯雷射 器2，固定在第一半導體熱電製冷器1上並與電路和人機交換模塊9連接，用於發射紅外激 光；第一離軸拋物鏡3，用於改變量子級聯雷射器2發射的紅外雷射的傳導方向；第二半導 體熱電製冷器7，與電路和人機交換模塊9連接，用於實現溫度控制；量子阱紅外探測器8， 固定在第二半導體熱電製冷器1上並與電路和人機交換模塊9連接，用於接收紅外雷射；
4和第二離軸拋物鏡6，用於改變紅外雷射的傳導方向，從而使其被量子阱紅外探測器8探測 到。本實用新型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，用於反射紅外雷射。本實用新型的雙模遠距離紅外氣體傳感器，還可以包括一個分束片11，用於將 量子級聯雷射器2發射的紅外雷射分為兩束，其中一束用於測量，另一束用於校準；或一個 半導體可見雷射器4，與電路和人機交換模塊連接，用於發射校準用的紅外雷射。基於上述 兩種結構本實用新型還需包括一個望遠鏡5，用於觀測校準用的紅外雷射，調整90°立體 反射鏡10的放置角度。本實用新型的量子級聯雷射器由砷化鎵材料製備，波長範圍在3到12微米。可以 為分布反饋式量子級聯雷射器或外腔式量子級聯雷射器。本實用新型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，即所述的量子級聯雷射器所發出紅外雷射，穿越所需探測的氣體 區域，經待測氣體分子選擇性吸收後，由量子阱紅外探測器吸收，據此對大氣汙染物進行定 性探測和定量分析(後面結合圖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過本地光學系統收集，然後通過外差原理 進行信號放大和分析(後面結合圖3和實施例二詳細介紹)。可以根據工作場合，在兩種工作模式中進行方便的切換。實施例一如圖2所示是本實用新型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 置於所探測空間區域13的兩側。在本地平臺12中，由可調諧的量子級聯雷射器2所發出 雷射，經第一離軸拋物鏡3匯聚成平行光，穿透所探測空間區域13並且到達90°立體反射 鏡10，反射光經本地平臺上的紅外探測器所吸收。在這個過程中間，紅外雷射兩次穿越所探 測空間區域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 此對大氣汙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雷射器4，與電路和人機交換模塊連接， 用於發射校準用的紅外雷射；和一個望遠鏡5，用於觀測校準用的紅外雷射，調整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。外來的紅外信號經過本地 光學系統收集，然後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 所探測空間區域13，量子阱紅外探測器8採集紅外信號。在圖3所示狀態中，量子級聯雷射 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雷射器2所發出的 紅外雷射進行外差耦合。耦合後所得的光信號經紅外探測器8探測，將光信號轉化為電信 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。外差技術能夠將 很弱的信號進行放大。本實用新型的傳感器所用的雷射器為量子級聯雷射器。傳統的半導體雷射器的激
5射波長由半導體材料的導帶和價帶之間的帶隙大小決定，而量子級聯雷射器的激射波長與 半導體材料帶隙無關，其工作原理與通常的半導體雷射器截然不同，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雷射器研製的一個突破性進展，具備輸出功率大， 可室溫工作，波長調諧範圍廣，調諧精度高等優點。 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的調整加以控制等優點。此外，量子阱紅外探測器基於成熟的砷化鎵 材料，可以利用標準的半導體生長(分數束外延和金屬有機化學氣相沉積)和製程(光刻 等)工藝來生長製備，材料均勻性好、成品率高、成本低廉等優點。它工作於室溫或者準室 溫狀態，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，正常工作下吸收係數 在90%以上，響應速度高，極其適合於氣體分析。
權利要求一種雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特徵在於，包括電路和人機交換模塊，用於電源管理，系統控制，信號的鎖相放大、採集、儲存、分析與讀取，及人機互動；第一半導體熱電製冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用於實現溫度控制；量子級聯雷射器，固定在所述第一半導體熱電製冷器上並與所述電路和人機交換模塊連接，用於發射紅外雷射；第一離軸拋物鏡，用於改變所述量子級聯雷射器發射的紅外雷射的傳導方向；第二半導體熱電製冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用於實現溫度控制；量子阱紅外探測器，固定在所述第二半導體熱電製冷器上並與所述電路和人機交換模塊連接，用於接收紅外雷射；和第二離軸拋物鏡，用於改變紅外雷射的傳導方向，從而使其被所述量子阱紅外探測器探測到。
2.如權利要求1所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特徵在於，還包括一個90°立 體放射鏡，用於反射紅外雷射。
3.如權利要求2所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特徵在於，還包括一個分束片， 用於將所述量子級聯雷射器發射的紅外雷射分為兩束，其中一束用於測量，另一束用於校 準。
4.如權利要求2所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特徵在於，還包括一個半導體 可見雷射器，與所述電路和人機交換模塊連接，用於發射校準用的紅外雷射。
5.如權利要求3或4所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特徵在於，還包括一個望遠 鏡，用於觀測校準用的紅外雷射，調整所述的90°立體反射鏡的放置角度。
6.如權利要求1所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特徵在於，所述的量子級聯激 光器由砷化鎵材料製備，波長範圍在3到12微米。
7.如權利要求1所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特徵在於，所述的量子級聯激 光器為分布反饋式量子級聯雷射器或外腔式量子級聯雷射器。
8.如權利要求1所述的雙模遠距離紅外氣體傳感器，其特徵在於，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雷射器所發出紅外雷射，穿越所需探測的氣 體區域，經待測氣體分子選擇性吸收後，由量子阱紅外探測器吸收，據此對大氣汙染物進行 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過本地光學系統收集，然後通過外差原理 進行信號放大和分析。
專利摘要本實用新型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，用於電源管理，系統控制，信號的鎖相放大、採集、儲存、分析與讀取，及人機互動；第一和第二半導體熱電製冷器，與電路和人機交換模塊連接，用於實現溫度控制；量子級聯雷射器，固定在第一半導體熱電製冷器上並與電路和人機交換模塊連接，用於發射紅外雷射；第一和第二離軸拋物鏡，用於改變紅外雷射的傳導方向；量子阱紅外探測器，固定在第二半導體熱電製冷器上並與電路和人機交換模塊連接，用於接收紅外雷射。本實用新型利用氣體分子對光的選擇性吸收實現對氣體的定性和定量分析。
文檔編號G01N21/35GK201666870SQ20102014251
公開日2010年12月8日 申請日期2010年3月26日 優先權日2010年3月26日
發明者劉惠春, 楊耀 申請人:無錫沃浦光電傳感科技有限公司