CN101029865A - 光学气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量待测的气体的浓度的光学气体检测装置(100)包括：用于照射紫外线的光源(110)；用于检测所照射的紫外线的检测元件(120)；和光路，所照射的紫外线通过该光路从光源(110)传送到检测元件(120)。待测气体被引入所述光路，并吸收在一吸收带内的被照射的紫外线部分。所述检测元件(120)检测气体的吸收率，以测量气体的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学气体检测装置。
背景技术
US2005/0161605A1(对应于JP-A-2005-208009)公开了一种作为光学气体检测装置的非色散型红外(NDIR)气体检测装置。该NDIR气体检测装置包括用于照射红外线的红外光源，和用于检测所照射红外线的红外线传感器。
该NDIR气体检测装置可以检测多原子分子，例如CO2、NH3。由于多原子分子所含的原子在红外波带内以它的固有频率振荡，所以多原子分子吸收预定波带的红外线。就是说，多原子分子的吸收带在红外波带内。
相反，由于单原子分子的吸收带在紫外波带内，所以NDIR气体检测装置不能检测单原子分子，例如O2、H2。
发明内容
考虑到前述和其它问题，本发明的一个目的是提供一种光学气体检测装置，以检测吸收带在紫外波带内的气体。本发明的另一个目的是提供一种能检测单原子分子气体的光学气体检测装置。
根据本发明的一个示例，一种用于测量待测的气体的浓度的光学气体检测装置，该装置包括：用于照射紫外线的光源；用于检测所照射的紫外线的检测元件；和光路，所照射的紫外线通过该光路从光源传送到检测元件。待测气体被引入所述光路，并吸收在一吸收带内的被照射的紫外线部分。所述检测元件检测气体的吸收率，以测量气体的浓度。
相应地，光学气体检测装置能检测吸收带在紫外波带内的气体。比如，该气体是单原子分子，如氧或氢。因此，光学气体检测装置能够检测单原子分子。
附图说明
本发明的以上和其它目的、方面和优点通过以下参照附图的详细说明变得更加明显。图中：
图1是示例图，其示出了根据本发明的实施例的光学气体检测装置的示例；
图2是侧视示意图，其示出了波长选择滤波件和检测元件的布置；
图3A是剖视图，其示出了含有反射层的壳体的示例，和图3B是剖视图，其示出了包含反射层和保护层的壳体的另一个示例；
图4是模式示例图，其示出了实施例的光学气体检测装置的另一个示例；和
图5是模式示例图，其示出了光学气体检测装置的再一个示例。
具体实施方式
光学气体检测装置100检测吸收带在紫外波带内的气体，其中气体吸收预定波长的紫外线。如图1所示，该装置100包括用于照射紫外线的光源110、用于检测照射的紫外线的检测元件120、波长选择滤波件130和壳体140。滤波件130置于从光源110照射到检测元件120的紫外线光路中。壳体140容纳光源110、检测元件120和滤波件130。
从光源110照射的紫外线的波带包括气体吸收带。为了与气体吸收带相对应，波带具有宽范围，例如200-400nm，其对应于紫外线和近紫外线。特别地，将受激准分子灯或汞灯用作光源110。
将光电导元件或光生伏打元件用作检测元件120。特别地，将由比如GaAs的复合半导体制成的光电二极管用作检测元件120。该光电二极管输出与通过滤波件130的紫外线的强度相应的电信号。
当光源110照射宽波带的紫外线，比如，滤波件130选择性地透射预定波带(其与气体吸收带相应)的紫外线。然后，检测元件120接收透射的紫外线。特别地，将法布里-珀罗(fabry-perot)滤波件用作滤波件130。通过使用法布里-珀罗滤波件，可以自由控制预定波带。在法布里-珀罗滤波件中，由Mo、Si或Ge制成的两个透射滤波件通过气室彼此面对放置，并且，气室的大小可以自由改变。因此，法布里-珀罗滤波件是一个可变滤波件，其中在气室之间产生了多路反射。比如，如JP-A-2005-215323所示，通过使用微电子机械系统(MEMS)技术形成法布里-珀罗滤波件。除了法布里-珀罗滤波件之外，可使用衍射光栅来用作可变滤波件。
如图2所示，滤波件130布置在具有小空间的检测元件120之上，并通过粘合剂150固定到支承部分151上。因而，该装置100的尺寸能做得更小。支承部分151置于检测元件120下方的基片111上，以构成基片111和滤波件130之间的小空间。滤波件130可以不需要支承部分151而直接布置在检测元件120的采光面上，并通过粘合剂150固定到检测元件120上。在这种情况下，装置100的尺寸可以做得更小。
如果粘合剂150由有机材料制成，例如聚合材料，因为紫外线劣化有机材料，所以很难保证长时间连结的可靠性。相反地，该实施例的粘合剂150由无机材料制成，例如硅，其具有比有机材料更好的耐久性能。因此，能够保证长时间连结的可靠性。
壳体140被构造为具有容置部件140a，其由合成树脂或金属制成，例如铝，并容纳光源110、检测元件120和滤波件130。壳体140限制了从光源110照射到检测元件120的紫外线光路。即，光路包含于壳体140的内空间内。壳体140形成为管状部分。光源110被放置成覆盖管状部分的一个开口端，检测元件120被放置成覆盖管状部分的另一开口端。因此，从光源110照射的紫外线通过滤波件130被检测元件120直接接收，或者从光源110照射的紫外线经壳体140反射后通过滤波件130被检测元件120接收。因为能够提高光接收率，所以能够提高检测元件120的灵敏度。另外，如图1所示，壳体140包括窗部141，壳体140的内空间内的气体与壳体140外部的空气通过该窗部进行连通。
如图3A所示，为了更加提高灵敏度，将用于反射紫外线的反射层142布置到壳体140内的容置部件140a的内表面上。因此，由于提高了壳体140的内表面的反射率，灵敏度也可以提高。而且，紫外线对壳体140的劣化降低，并且当壳体140由合成树脂制成时降低尤为有效。
反射层142比如由白色材料形成，这是因为白色材料的紫外线反射率优于其它有色材料。特别是当白色材料由无机材料制成时，与白色材料由有机材料制成的情况相比，可以降低反射层142的劣化。比如，白色颜料可以用作白色无机材料，例如ZnO、TiO2、或锌钡白。
另一种选择，反射层142比如可以由不同于白色材料的金属材料制成，这是因为金属表面的紫外线反射率优于其它树脂或陶瓷表面。比如，Ag、Al、Au、Cr、Cu、Ni、Ti或Pt可以用作具有反射紫外线的高性能的金属材料。由金属材料制成的薄膜通过喷镀、化学气相沉积(CVD)或电镀形成于容置部件140a的内表面用作反射层142。
如果形成反射层142的材料具有对紫外线的耐久性能，反射层142可暴露于气体中。另一种选择，如图3B所示，保护层143可形成于壳体140内的反射层142上。保护层143由无机材料制成，具有比反射层142更高的紫外线透射性能。因此，能够降低紫外线对反射层142的劣化，并且可限制反射层142从壳体140上分离。就是说，由于反射层142可以保持在壳体140的内表面上，所以可以维持反射层142的反射率。而且，由于保护层143具有高的透射紫外线性能，能够减少由于保护层143引起的反射率降低。比如，具有高的透射紫外线性能的MgF2、SiO2、SiN或SiON可用于形成保护层143。特别地，含氟的石英玻璃可用于形成保护层143。
如果用于反射紫外线的表面具有较大的表面糙度，就会减少紫外线反射率。特别地，当表面糙度超过三倍检测波长时，紫外线反射率会快速地降低。检测波长表示将要被检测的紫外线波长，并对应于气体吸收带中的波长。因此，将包括反射层142的壳体140的内表面的表面糙度控制到等于或小于三倍检测波长，例如1.2μm。因此，能够加强紫外线反射率。也就是说，能够减少紫外线对壳体140的劣化，并且能够提高检测元件120的灵敏度。除此之外，当壳体140的内表面的表面糙度控制到等于或小于检测波长(0.2μm)时，紫外线反射率能够得到更大的提高。
如上所述，光学气体检测装置100包括作为滤波件130的可变法布里-珀罗滤波件。由于可以调节从法布里-珀罗滤波件透射的紫外线的波长，如图1所示，因此多种具有不同吸收带气体能够仅用一套滤波件130和检测元件120检测。而且，该装置100具有参考功能，其用于检测具有不同于气体吸收带的波带的紫外线。气体的温度影响了气体吸收的紫外线量(强度)，并且光源110的劣化也影响了紫外线的量(强度)。可是，参考功能可以减少这些影响。而且，由于装置100具有参考功能而不带有附加部件，因此装置100的尺寸可以做得更小。
依据光学气体检测装置100，可以检测吸收带在紫外波带的气体。比如由于单原子分子的固有振荡频率在紫外波带内，因此可以检测单原子分子，例如氧或氢等共核双原子分子。固有振荡频率表示单原子分子的吸收带，其中单原子分子振荡并吸收紫外线。在该实施例中，装置100检测氧气。由于氧具有200-240nm的吸收带，大约300nm的波长可用作参考波长。通过比较当检测具有与氧对应的波长的紫外线时的电信号输出和当检测具有参考波长的紫外线时的电信号输出，来计算氧浓度。也就是说，检测元件120检测气体的吸收率，以测量气体的浓度。另外，可同时检测氧和氢。
在该实施例中，滤波件130布置在检测元件120上方。可是，滤波件130的位置不局限于此。另一种选择，滤波件130可以置于光路中的任何位置。比如，滤波件130可布置在光源110上。
在该实施例中，将可变的法布里-珀罗滤波件用作滤波件130。另一种选择，多层滤波件可用作滤波件130。该多层滤波件由具有不同折射率的交替层叠金属薄膜形成。因此，具有预定波长的紫外线能够选择性地透过滤波件130。因此，如图4所示，为了检测多种具有不同吸收带的气体，比如可以将波长选择滤波件131、132和检测元件121、122包含于装置100中。每个滤波件131、132和每个检测元件121、122对应于多种气体中的每一种。而且，在需要参考的情况下，参考滤波件133和参考检测元件123可以包含于装置100中，比如如图4所示。
在该实施例中，为了对应于气体的吸收带，例如受激准分子灯或汞灯的光源110照射具有例如200-400nm的宽波带的紫外线。可是，光源110不局限于该示例。另一种选择，由III族氮化物半导体制成的发光二极管(LED)或例如ArF激光器、F2激光器或激光器二极管(LD)的激光器，可用作光源110。由于LED和激光器具有窄波带和高方向性，可以提高检测元件120的灵敏度。而且，如图5所示，可以去掉滤波件130。因此，装置100的尺寸能变小。而且，由于LED和LD是小的发光元件，装置100的尺寸能更小。而且，为了检测具有不同吸收带的多种气体，光源110可用于照射具有相应吸收带的紫外线，而且检测元件120可用于检测紫外线。而且，当需要参考的情况下，参考光源和参考检测元件可包含于装置100中。该参考滤波件透射具有不同于要检测气体的吸收带的波带的紫外线，而且参考检测元件检测透过参考滤波件的紫外线。
在该实施例中，光源110被放置成覆盖管状部分的一个开口端，检测元件120被放置成覆盖管状部分的另一开口端。另一种选择，光源110和检测元件120可以置于管状部分的同一端。在这种情况下，从光源110照射的紫外线被镜子反射，并且该反射的紫外线透射到检测元件120处。
在该实施例中，光源110、检测元件120和滤波件130置于壳体140中。可是，当检测元件120检测来自光源110的照射紫外线时，和当检测元件120通过检测被引入从光源110到检测元件120的光路中的气体的吸收率来测量气体浓度时，壳体140可以不包含于装置100中。
这些变化和改变将被认为包括由所附的权利要求来限定的本发明的范围内。
Claims (20)
1.一种用于测量待测的气体的浓度的光学气体检测装置(100)，该光学气体检测装置(100)包括：
用于照射紫外线的光源(110)；
用于检测所照射的紫外线的检测元件(120)；和
光路，所照射的紫外线通过该光路从光源(110)传送到检测元件(120)，其中
待测气体被引入所述光路，并吸收了在一吸收带内的被照射的紫外线部分，并且
所述检测元件(120)检测气体的吸收率，以测量气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于：该气体为单原子分子气体。
3.根据权利要求1或2所述的装置(100)，其特征在于：该气体至少是氧气和氢气之一。
4.根据权利要求1或2所述的装置(100)，还包括：
波长选择滤波件(130)，其置于光路中，用于选择性地透射预定波带的紫外线，其中
所照射的紫外线具有预定波带。
5.根据权利要求4所述的装置(100)，其特征在于：所述滤波件(130)布置在检测元件(120)上，并通过粘合剂(150)固定在检测元件(120)上。
6.根据权利要求5所述的装置(100)，其特征在于：所述粘合剂(150)由无机材料制成。
7.根据权利要求4所述的装置(100)，其特征在于：滤波件(130)由多层薄膜制成，其中在多层薄膜中层设有多个金属薄膜。
8.根据权利要求7所述的装置(100)，其特征在于：该气体为具有不同吸收带的多种气体之一；和
一套滤波件(130)和检测元件(120)为多套滤波件(131、132)和检测元件(121、122)之一，其中每套滤波件和检测元件对应于每种气体。
9.根据权利要求7所述的装置(100)，还包括：
用于透射紫外线的参考滤波件(133)，所述紫外线的波带不同于将要检测的气体的吸收带；和
用于检测透过参考滤波件(133)的紫外线的参考检测元件(123)。
10.根据权利要求4所述的装置(100)，其特征在于：所述滤波件(130)是可变滤波件，其中所透射的预定波带是可控的。
11.根据权利要求1或2所述的装置(100)，还包括：
壳体(140)，其具有位于其中的光路，其中
该气体被引入壳体(140)中。
12.根据权利要求11所述的装置(100)，还包括：
位于壳体(140)的内表面上的反射层(142)，其中反射层(142)反射所照射的紫外线。
13.根据权利要求12所述的装置(100)，其特征在于：
所述反射层(142)由白色材料制成。
14.根据权利要求12所述的装置(100)，其特征在于：
所述反射层(142)由金属材料制成。
15.根据权利要求12所述的装置(100)，还包括：
位于所述反射层(142)上的保护层(143)，其中
所述保护层(143)由无机材料制成，其具有比反射层(142)更高的透射所照射紫外线的性能。
16.根据权利要求11所述的装置(100)，其特征在于：
该壳体(140)具有带有一定表面糙度的内表面，该表面糙度可控制为等于或小于由检测元件(120)所检测的紫外线检测波长的三倍。
17.根据权利要求16所述的装置(100)，其特征在于：
壳体(140)的内表面的表面糙度等于或小于检测波长。
18.根据权利要求4所述的装置(100)，还包括：
用于支承滤波件(130)的支承部分(151)，其中
所述滤波件(130)布置在检测元件(120)上方，并通过粘合剂(150)固定于支承部分(151)上。
19.根据权利要求18所述的装置(100)，其特征在于：
所述粘合剂(150)由无机材料制成。
20.根据权利要求11所述的装置(100)，其特征在于：
所述壳体(140)具有窗部(141)，其中壳体(140)中的气体通过该窗部与壳体(140)外部的气体进行连通。
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