紅外氣體感測裝置及方法

2023-10-05 09:37:34 2

專利名稱：紅外氣體感測裝置及方法
紅外氣體感測裝置及方法背景技術對應於日本專利申請JP-A-2001-228326的美國專利US 6,590,710 公開了 一種用於測量目標氣體濃度的紅外氣體感測裝置，這種目標氣 體吸收特定波長的紅外光。這種氣體感測裝置包含發射紅外光的紅外 源、選擇特定波長紅外光的波長可調濾光器(即Fabry-Perot濾光器) 和檢測經濾光的紅外光的紅外檢測器。這種氣體感測裝置根據紅外檢 測器檢測到的紅外光的量來測量目標氣體的濃度。如圖6所示，波長可調濾光器包含第一鏡3和第二鏡4。第一鏡 3通過第一氧化物膜2形成於矽襯底1上。第二鏡4形成在第二氧化 物膜5上，後者形成在第一鏡3上。第一和第二鏡3、 4面向對方。通過蝕刻孔6蝕刻第二氧化物膜5，在第一和第二鏡3、 4之間 形成間隙H。因此，通過施加外力，第二鏡4可以相對於第一鏡3發 生位移。間隙H的間隙距離等於第二氧化物膜5的厚度。第一和第二鏡3、 4由例如多晶矽製成。第一鏡3在一個表面上 具有第一電極7。同樣，第二鏡4在一個表面上具有第二電極8。通 過將高濃度的雜質摻雜物施加到所述第一和第二鏡3、 4的表面上分 別形成第一和第二電極7、 8。第一外電極9形成於第一電極7上並且電連接到第一電極7。同 樣，第二外電極10形成於第二電極8上並且電連接到第二電極8。波長可調濾光器具有中心波長入，這個中心波長入由間隙H的 間隙距離(即第二氧化物膜5的厚度)確定。例如，中心波長入為 3100納米(nm)。由於第一鏡3充當波長可調濾光器的下部鏡，因此 其光學厚度需要等於中心波長入的四分之一。例如，第二氧化物膜5 的厚度為592nm，折射率為1.309。第一和第二鏡3、 4中每一個的厚 度都為248nm，折射率都為3.125。
通過第一和外電極9、 10在第一和第二電極7、 8之間施加電壓 時，在第一和第二電極7、 8之間產生靜電吸引力。第二電極8由於 靜電吸引力相對於第一電極7位移。結果是間隙H的間隙距離發生 改變。通過調節施加在第一和第二電極7、 8之間的電壓來調節間隙 距離。因此，波長可調濾光器可以根據目標氣體來選擇特定波長的紅 外光。在圖6所示的波長可調濾光器中，間隙H的間隙距離可以在三 個級別調節，使得波長可調濾光器能夠從紅外光的三個不同波長中選 擇特定波長。因而，這種紅外氣體感測裝置能夠用一個濾光器檢測目 標氣體中兩種成分的濃度。因此，這種紅外氣體感測裝置體積小，制 造成本低。但是，如果外來物質進入到間隙H且夾在第一和第二電極7、 8 之間，就不能調節間隙H的間隙距離。其結果是，由于波長可調濾 光器不能選擇目標氣體吸收的紅外光的特定波長，因此紅外氣體感測 裝置無法正確地檢測目標氣體的濃度。發明內容考慮到上述問題，本發明的一個目的是提供一種紅外氣體感測裝 置和方法，用於通過檢査波長可調濾光器是否選擇了正確的波長來精 確地測量目標氣體的濃度。用於感測氣體的氣體感測裝置包含紅外源、波長可調濾光器、紅 外檢測器、外殼和控制電路。氣體吸收第一波長的紅外光。紅外源發 射紅外光。波長可調濾光器選擇性地允許特定波長的紅外光通過。控 制電路包含測量電路和檢查電路。測量電路控制波長可調濾光器，使 得波長可調濾光器允許第一波長的紅外光通過，並輸出經濾光的第一 紅外光。檢査電路控制波長可調濾光器，使得波長可調濾光器允許第 二波長的紅外光通過，並輸出經濾光的第二紅外光。紅外檢測器檢測 經濾光的第一紅外光的第一量和經濾光的第二光的第二量。紅外光 源、波長可調濾光器和紅外檢測器在上述外殼中。這個外殼具有用於 向其中導入氣體的入口。測量電路根據經濾光的第一紅外光的第一量來計算氣體的濃度。 檢査電路通過將經濾光的第二紅外光的第二量與參考值相比較來檢 査波長可調濾光器是否工作正常。第二波長位於大氣氣體不吸收上述 紅外光的波長範圍內。由於檢查電路，氣體感測裝置能夠準確地檢測 氣體。檢查電路根據透過大氣氣體的紅外光的透射率來檢查波長可調 濾光器。換句話說，檢查電路通過使用空氣而不是特定氣體來檢查波 長可調濾光器。在這樣的方案中，可以簡化氣體感測裝置的結構。此 外，由於結構簡單，氣體感測裝置體積小，製造成本低。使用波長可調濾光器感測氣體的方法包含以下步驟發射紅外 光；設置波長可調濾光器，使得波長可調濾光器允許第一波長的紅外 光通過並輸出經濾光的第一紅外光；檢測經濾光的第一紅外光的第一 量；並且通過將第一量與參考值進行比較來檢查波長可調濾光器是否 工作正常。第一波長位於大氣氣體不吸收上述紅外光的波長範圍內。


從隨後的詳細描述和附圖將更加清楚本發明的上述和其它目的、 特徵和優點。在這些附圖中圖1是本發明一個實施例中的紅外氣體傳感器的剖視圖；圖2是圖1所示紅外氣體傳感器的方框圖；圖3是圖1所示紅外氣體傳感器中波長可調濾光器的剖視圖；圖4是圖1所示紅外氣體傳感器的流程圖；圖5A 51說明透過大氣氣體的紅外光的透射率；圖6是常規紅外氣體傳感器中波長可調濾光器的剖視圖。
具體實施方式
如圖l-2所示，本發明一個實施例中的紅外氣體傳感器100包含 紅外(IR)源20、波長可調濾光器30、紅外(IR)檢測器40、外殼 50和控制電路60。紅外源20、波長可調濾光器30、紅外檢測器40 和控制電路60都容納在外殼50中。紅外源20可以是(例如)白熾燈。如圖1中的箭頭所指示，紅 外源20在從2微米("m)到10Pm的連續的波長範圍內發射紅外 光。波長可調濾光器30為Fabry-Perot幹涉濾光器。波長可調濾光器 30選擇將從紅外源20發送到紅外檢測器40的特定波長的紅外光。 如圖3所詳細描述的一樣，波長可調濾光器30包含襯底31，形成在 襯底31上的抗反射膜32，通過抗反射膜32形成於襯底31上的第一 鏡33和通過犧牲層形成於第一鏡33上的第二鏡34。第一和第二鏡 33、 34面向對方。通過蝕刻孔38蝕刻犧牲層，在第一和第二鏡33、 34之間形成間 隙37。當外力施加於第二鏡34上時，第二鏡34能夠相對於第一鏡 33發生位移。第一鏡33在一個表面上具有第一電極35。第二鏡34 在一個表面上具有第二電極36。可以通過(例如)將高濃度的雜質 摻雜物施加到所述第一和第二鏡33、 34的表面上而分別形成第一和 第二電極35、 36。第一和第二電極35、 36面向對方。襯底31可以由(例如)矽、石英等等製成。第一和第二鏡33、 34以及第一和第二電極35、 36為薄層，且可以由(例如)鉬、矽、 鍺、氮化矽、氧化矽等等製成。因此，波長可調濾光器30體積小並能很容易地利用微型電動機 械繫統(MEMS)技術製造。在波長可調濾光器30中，等於間隙37的間隙距離D —半或四 分之一的特定波長的紅外光在第一和第二鏡33、 34之間多重反射， 發生幹涉。結果，僅在特定波長的紅外光通過波長可調濾光器30。在第一和第二電極35、 36之間施加電壓時，在第一和第二電極 35、 36之間產生靜電吸引力。第二鏡34由於靜電吸引力而相對於第 一鏡33發生位移。通過調節施加在第一和第二電極35、 36之間的電 壓，以無級方式調節間隙37的間隙距離D。因此，通過調節間隙距 離D，波長可調濾光器30可以選擇發送到紅外檢測器40的特定波長 的紅外光。
紅外檢測器40檢測經濾光的紅外光，輸出電信號，這個電信號 指示檢測到的紅外光的量。紅外檢測器40可以是(例如)熱電堆、 焦熱電傳感器等等。再次參考圖1，波長可調濾光器30和紅外檢測器40由容器密封， 這個容器由杆51和帶有透明窗53的盒52組成。由紅外源20發射的 紅外光通過透明窗53進入波長可調濾光器30。外殼50具有用於被檢測目標氣體的入口和出口。目標氣體被引 入紅外源20和波長可調濾光器30之間的一條光路中。目標氣體至少 部分地吸收目標氣體的特定波長。波長可調濾光器30僅允許特定波 長的紅外光通過。經濾光的紅外光到達紅外檢測器40並被轉換為電信號。電信號 被傳輸到控制電路60中的處理器，處理器根據這個電信號計算目標 氣體的濃度。如上所述，紅外氣體傳感器100包含發射紅外光的紅外源20， 選擇特定波長紅外光的波長可調濾光器30和檢測經濾光的紅外光並 將經檢測的紅外光轉換為電信號的紅外檢測器40。由波長可調濾光 器30選擇的特定波長可以通過改變第一和第二鏡33、 34之間的間隙 37的間隙距離D，以無級方式改變。因此，紅外氣體傳感器100能檢測各種氣體的濃度。圖5A~5I說明透過大氣氣體的紅外光的透射率。這些圖是在 Haruyoshi Hisano於1994年出版的日文書"sekigaisen kougaku" (ISBN-13: 978-4885521225)中得到的。從圖5A 5I可知，紅外光的 透射率在1.55微米(um)禾卩1.75um之間、2.05 W m和2.33 U m之 間、3.5um禾Q 4.16um之間，和9.4 u m和12.4 u m之間的波長範圍 中接近100%。控制電路60可以有濾光器檢查電路，用於根據透過大 氣氣體的紅外光的透射率檢查波長可調濾光器30是否工作正常。紅 外光的透射率接近100%的波長範圍在下文中稱為"無吸收波長範 圍"。在無吸收波長範圍之外的波長範圍在下文中稱為"吸收波長範 圍"。紅外氣體傳感器100按照圖4所示的流程圖工作。在步驟Sl中，
加電開啟紅外氣體傳感器100。接著，在步驟S2中，紅外源20通過 控制電路60中的驅動器加電開啟，發射紅外光。接著，在步驟S3中，調節波長可調濾光器30的間隙距離D，使 得波長可調濾光器30在無吸收波長範圍中選擇第一檢查波長AF1。 例如，第一檢査波長A Fl為2.1 y m。接著，在步驟S4中，紅外檢測 器40檢測經濾光的紅外光並將檢測到的紅外光轉換為指示檢測到的 紅外光的量的一第一檢查信號VF1。接著，在步驟S5中，第一檢查 信號VF1存儲在控制電路60中的存儲器(未畫出)中。步驟S3 S5重複一次以上。在第二次執行步驟S3的時候，調節 波長可調濾光器30的間隙距離D，使得波長可調濾光器30在無吸收 波長範圍中選擇第二檢査波長入F2。第二檢査波長入F2不同於第一 檢査波長入F1。例如，第二檢査波長入F2為2.3um。在這種情況下， 第二檢查波長AF2在與第一檢查波長AF1相同的無吸收波長範圍 中。第二檢查波長入F2也可以在與第一檢査波長入F1不同的無吸收 波長範圍中。例如，第二檢查波長入F2可以在9.4U m和12.4um之 間的波長範圍中。接著，在第二次執行步驟S4的時候，紅外檢測器 40檢測經濾光的紅外光並將經檢測的紅外光轉換成指示檢測到的紅 外光的量的第二檢査信號VF2。接著，在第二次執行步驟S5的時候， 將第二檢査信號VF2存儲在控制電路60中的存儲器中。接著，在步驟S6中，控制電路60計算第一檢査信號VF1和第 二檢査信號VF2之間的信號比率W1/VF2。接著，在步驟S7中，控 制電路60確認信號比率VF1/VF2是否接近1。由於第一檢查波長入 Fl和第二檢査波長AF2大致相同並在無吸收波長中，第一檢查信號 VF1和第二檢查信號VF2大致相同。因此，信號比率VF1/VF2接近 1，除非波長可調濾光器30發生故障。在步驟S7中，如果信號比率VF1/VF2不接近1，控制電路60 就確定波長可調濾光器30出現了故障，選擇了不正確的波長，艮口， 第一檢査波長入Fl和第二檢查波長入F2之外的波長。因此，在步驟 S8中，指示波長可調濾光器30發生故障的第一錯誤信息出現在圖2 所示的屏幕上，這一過程停止。
相反，在步驟S7，如果信號比率VF1/VF2接近1，控制電路60 就確定波長可調濾光器30工作正常。因此，這一過程繼續下去。接著，在步驟S9中，調節波長可調濾光器30的間隙距離D，使 得波長可調濾光器30選擇第三檢查波長入L。接著，在步驟S10中， 紅外檢測器40檢測經濾光的紅外光並將檢測到的紅外光轉換為第三 檢查信號VL。接著，在步驟Sll中，控制電路60確定第三檢查信號 VL是否超過閾值VT。在步驟S11中，如果第三檢查信號VL小於閾值VT，控制電路 60就確定由紅外源20發射的紅外光的量由於(例如)紅外源老化失 效而減少。因此，在步驟S12中，指示紅外源20故障的第二錯誤信 息出現在屏幕上，並且這一過程停止。相反，在步驟S11中，如果第三檢查信號VL超過閾值VT，控 制電路60就確定紅外源20工作正常。因此，這一過程繼續下去。接著，在步驟S13中，調節波長可調濾光器30的間隙距離D， 使得波長可調濾光器30選擇目標波長入S，在這個目標波長入S上， 將被感測的目標氣體吸收紅外光。接著，在步驟S14中，紅外檢測器 40檢測經濾光的紅外光並將檢測到的紅外光轉換為一指示檢測到的 紅外光的檢測信號VS。接著，在步驟S15中，檢測信號VS存儲在 控制電路60中的存儲器中。接著，在步驟S16中，控制電路60根據 檢測信號VS計算目標氣體的濃度。接著，在步驟S17中，計算出來 的濃度顯示在屏幕上。如果需要檢測目標氣體多個成分的濃度，重複 步驟S13 S17。接著，在步驟S18中，關閉紅外源20。接著，在步驟S19中， 關閉紅外氣體傳感器100。在圖4的流程圖中，步驟S3 S8對應於檢 查波長可調濾光器30是否正常工作的濾光器檢査過程，步驟S9-S12 對應於檢查紅外源20是否正常工作的紅外源檢查過程，且步驟 S13 S17對應於測量目標氣體濃度的測量過程。如上所述，依照紅外氣體傳感器100，在測量過程之前是濾光器 檢查過程。在濾光器檢查過程中，檢測在無吸收波長範圍內的第一和 第二檢査波長入F1、入F2的經濾光的紅外光的量，並將所述紅外光分別轉換為第一和第二檢查信號VF1、 VF2。根據信號比率VF1/VF2 檢查波長可調濾光器30的故障。在這樣的方案中，即使由於紅外源 失效導致由紅外源20發射的紅外光的量減少，也可以檢測波長可調 濾光器30的故障。根據透過大氣氣體的紅外光的透射率來檢查波長可調濾光器30 的故障。換句話說，使用空氣而不是特定氣體來檢查波長可調濾光器 30的故障。因此，可以簡化紅外氣體傳感器100的結構，使得可以 在短時間內輕易地檢查波長可調濾光器30。此外，由於結構簡單， 紅外氣體傳感器100體積小，製造成本低。第一和第二檢查波長AF1、 AF2接近無吸收波長範圍的邊界比 較好。無吸收範圍由第一和第二檢查波長入F1、入F2來限界更好。 在這樣的方案中，即使波長可調濾光器30略有故障，波長可調濾光 器30也允許無吸收波長範圍外(即吸收波長範圍內)的波長的紅外 光通過。結果，雖然波長可調濾光器30略有故障，但信號比率 VF1/VF2會明顯地偏離1。因此，肯定能夠檢測到波長可調濾光器30 的故障，從而能夠準確地測量目標氣體的濃度。可選擇地，與無吸收波長範圍內的參考波長AFO對應的參考信 號VO可以預先存儲在控制電路60中的存儲器中。在這樣的情況下， 按照如下方式檢查波長可調濾光器30。在濾光器檢査過程中，調節 波長可調濾光器30的間隙距離D，使得波長可調濾光器30選擇參考 波長人FO。接著，紅外檢測器40檢測經濾光的紅外光並將檢測到的 紅外光轉換成指示檢測到的紅外光的量的參考信號VFO。根據信號比 率VF0/V0來檢査波長可調濾光器30。在這樣的方案中，可以簡化濾光器檢查過程。除了濾光器檢査過程以外，還在測量過程之前執行紅外光源檢查 過程。在這樣的方案中，能夠檢測到紅外源20的故障，從而能夠更 加準確地測量目標氣體的濃度。如上所述，上述實施例中的紅外氣體傳感器IOO體積小，製造成 本低。此外，通過使用波長可調濾光器30，紅外氣體傳感器100能 夠測量目標氣體的多個成分的濃度。還檢測紅外源20和波長可調濾 光器30的故障，從而能夠準確地地測量濃度。因此，即使在惡劣條 件下也能夠使用紅外氣體傳感器100。例如，紅外氣體傳感器100可以安裝在車輛上以測量車輛的廢 氣。廢氣主要包含COx、 NOx和SOx。這些廢氣的主要成分吸收波 長在3um 8um之間的紅外光。因此，用紅外氣體傳感器100測量 車輛廢氣時，用2.05 um禾卩2.33 um之間、9.4 u m和12.4 u m之間 的波長範圍來檢査波長可調濾光器30較好，上述兩個波長範圍中的 每一個都是無吸收波長範圍，並且與廢氣吸收紅外光的3um 8um 之間的波長範圍相鄰。通過這種方式，紅外氣體傳感器100能夠準確 地測量廢氣成分的濃度。可以用各種方式修改上述實施例。例如，步驟S3 S5可以重複兩 次或兩次以上，從而能夠更加確定地檢測波長可調濾光器30的故障。在上述實施例中，每次加電開啟紅外氣體傳感器IOO (即加電開 啟波長可調濾光器30)都執行濾光器檢查過程。也可以在每次完成 步驟S17 (即測量完目標氣體的一種成分)以後，執行濾光器檢查過 程。在這樣的方案中，紅外氣體傳感器100能夠更加準確地測量目標 氣體的濃度。這樣的改變和修改應理解為在所附的權利要求書所限定的本發 明的保護範圍內。
權利要求
1.一種用於對吸收第一波長紅外光的氣體進行感測的氣體感測裝置，所述氣體感測裝置包括發射所述紅外光的紅外源(20)；選擇性地允許特定波長的所述紅外光通過的波長可調濾光器(30)；包含測量電路和檢查電路的控制電路(60)，所述測量電路控制所述波長可調濾光器(30)，使得所述波長可調濾光器(30)允許所述第一波長的紅外光通過並輸出經濾光的第一紅外光，所述檢查電路控制所述波長可調濾光器(30)，使得所述波長可調濾光器(30)允許第二波長的所述紅外光通過並輸出經濾光的第二紅外光；紅外檢測器(40)，用於檢測經濾光的所述第一紅外光的第一量和經濾光的所述第二紅外光的第二量；以及外殼(50)，用於容納所述紅外光源、所述波長可調濾光器(30)和所述紅外檢測器(40)，所述外殼(50)具有用於向其中引導所述氣體的入口，其中所述測量電路根據經濾光的所述第一紅外光的所述第一量計算所述氣體的濃度，所述檢查電路通過將經濾光的所述第二紅外光的所述第二量與參考值相比較來檢查所述波長可調濾光器(30)是否正常工作，且所述第二波長位於大氣氣體不吸收所述紅外光的波長範圍內。
2. 如權利要求2所述的氣體感測裝置，其中 所述檢查電路控制所述波長可調濾光器(30)，使得所述波長可調濾光器(30)允許在第三波長的所述紅外光通過且輸出經濾光的第 三紅外光，所述第三波長位於所述波長範圍內，所述紅外檢測器(40)檢測經濾光的所述第三紅外光的第三量作 為所述參考值，且所述檢査電路計算所述第二量和所述第三量之間的比率，並根據所述比率與1的偏離檢査所述波長可調濾光器(30)是否正常工作。
3. 如權利要求2所述的氣體感測裝置，其中 所述波長範圍由所述第二波長和所述第三波長來限界。
4. 如權利要求1所述的氣體感測裝置，其中 所述波長範圍位於1.55微米和1.75微米之間，2.05微米和2.33微米之間，3.5微米和4.16微米之間，或者9.4微米和12.4微米之間。
5. 如權利要求1~4中任意一項權利要求所述的氣體感測裝置，其中所述波長可調濾光器(30)為Fabry-Perot濾光器且包含襯底(31)， 形成於所述襯底(31)上的第一鏡(33)，面向所述第一鏡(33)且 與所述第一鏡(33)間隔一預定距離的第二鏡(34)，所述第一鏡(33)具有第一電極(35)，所述第二鏡(34)具有面向所述第一電極(35)的第二電極(36)， 通過在所述第一電極(35)和所述第二電極(36)之間施加電壓，所 述第二鏡(34)能夠相對於所述第一鏡(33)發生位移，且所述控制電路(60)通過調節施加在所述第一電極(35)和所述 第二電極(36)之間的所述電壓控制所述波長可調濾光器(30)，使 得所述波長可調濾光器(30)選擇性地允許所述特定波長的紅外光通 過。
6. 如權利要求1所述的氣體感測裝置，其中 所述氣體為車輛廢氣。
7. —種使用波長可調濾光器(30)感測氣體的方法，所述方法 包括發射紅外光；設置所述波長可調濾光器(30)使得所述波長可調濾光器(30) 允許第一波長的所述紅外光通過且輸出經濾光的第一紅外光； 檢測經濾光的所述第一紅外光的第一量；以及 通過將所述第一量與參考值比較來檢查所述波長可調濾光器 (30)是否正常工作，其中所述第一波長位於大氣氣體不吸收所述紅外光的波長範圍內。
8. 如權利要求7所述的方法，進一步包括 設置所述波長可調濾光器(30)使得所述波長可調濾光器(30)允許第二波長的所述紅外光通過並輸出經濾光的第二紅外光；檢測經濾光的所述第二紅外光的第二量作為所述參考值；以及 計算所述第一量和所述第二量之間的比率，以及所述比率與1的偏離，其中所述檢查步驟根據所述偏離檢查所述波長可調濾光器(30)是否 正常工作。
9. 如權利要求8所述的方法，其中 所述波長範圍由所述第一波長和所述第二波長限界。
10. 如權利要求7 9中任一權利要求所述的方法，其中 所述氣體為車輛廢氣，且所述波長範圍位於2.05微米和2.33微米之間，以及9.4微米和 12.4微米之間。
11. 如權利要求7所述的方法，其中在每次加電啟動所述波長可調濾光器(30 )時執行所述檢查步驟。
全文摘要
用於感測氣體的一種紅外氣體感測裝置，它包含用於發射紅外光的紅外源(20)，選擇性地允許特定波長的所述紅外光通過的波長可調濾光器(30)，用於檢測經濾光的紅外光的量的紅外檢測器(40)，以及用於控制波長可調濾光器(30)的控制電路(60)。控制電路(60)具有檢查波長可調濾光器(30)是否選擇收集波長的檢查電路。檢查電路控制波長可調濾光器(30)使得波長可調濾光器(30)允許在一波長範圍內的波長的紅外光通過，在所述波長範圍內，大氣氣體不吸收紅外光。檢查電路通過將經濾光的紅外光的量與參考值比較來檢查波長可調濾光器(30)是否正常工作。
文檔編號G01N21/31GK101149341SQ20071015479
公開日2008年3月26日 申請日期2007年9月19日 優先權日2006年9月20日
發明者吉田貴彥 申請人:株式會社電裝