CN101149341B - 红外气体感测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
用于感测气体的一种红外气体感测装置，它包含用于发射红外光的红外源(20)，选择性地允许特定波长的所述红外光通过的波长可调滤光器(30)，用于检测经滤光的红外光的量的红外检测器(40)，以及用于控制波长可调滤光器(30)的控制电路(60)。控制电路(60)具有检查波长可调滤光器(30)是否选择收集波长的检查电路。检查电路控制波长可调滤光器(30)使得波长可调滤光器(30)允许在一波长范围内的波长的红外光通过，在所述波长范围内，大气气体不吸收红外光。检查电路通过将经滤光的红外光的量与参考值比较来检查波长可调滤光器(30)是否正常工作。
Description
背景技术
对应于日本专利申请JP-A-2001-228326的美国专利US 6,590,710公开了一种用于测量目标气体浓度的红外气体感测装置，这种目标气体吸收特定波长的红外光。这种气体感测装置包含发射红外光的红外源、选择特定波长红外光的波长可调滤光器(即Fabry-Perot滤光器)和检测经滤光的红外光的红外检测器。这种气体感测装置根据红外检测器检测到的红外光的量来测量目标气体的浓度。
如图6所示，波长可调滤光器包含第一镜3和第二镜4。第一镜3通过第一氧化物膜2形成于硅衬底1上。第二镜4形成在第二氧化物膜5上，后者形成在第一镜3上。第一和第二镜3、4面向对方。
通过蚀刻孔6蚀刻第二氧化物膜5，在第一和第二镜3、4之间形成间隙H。因此，通过施加外力，第二镜4可以相对于第一镜3发生位移。间隙H的间隙距离等于第二氧化物膜5的厚度。
第一和第二镜3、4由例如多晶硅制成。第一镜3在一个表面上具有第一电极7。同样，第二镜4在一个表面上具有第二电极8。通过将高浓度的杂质掺杂物施加到所述第一和第二镜3、4的表面上分别形成第一和第二电极7、8。
第一外电极9形成于第一电极7上并且电连接到第一电极7。同样，第二外电极10形成于第二电极8上并且电连接到第二电极8。
波长可调滤光器具有中心波长λ，这个中心波长λ由间隙H的间隙距离(即第二氧化物膜5的厚度)确定。例如，中心波长λ为3100纳米(nm)。由于第一镜3充当波长可调滤光器的下部镜，因此其光学厚度需要等于中心波长λ的四分之一。例如，第二氧化物膜5的厚度为592nm，折射率为1.309。第一和第二镜3、4中每一个的厚度都为248nm，折射率都为3.125。
通过第一和外电极9、10在第一和第二电极7、8之间施加电压时，在第一和第二电极7、8之间产生静电吸引力。第二电极8由于静电吸引力相对于第一电极7位移。结果是间隙H的间隙距离发生改变。通过调节施加在第一和第二电极7、8之间的电压来调节间隙距离。因此，波长可调滤光器可以根据目标气体来选择特定波长的红外光。
在图6所示的波长可调滤光器中，间隙H的间隙距离可以在三个级别调节，使得波长可调滤光器能够从红外光的三个不同波长中选择特定波长。因而，这种红外气体感测装置能够用一个滤光器检测目标气体中两种成分的浓度。因此，这种红外气体感测装置体积小，制造成本低。
但是，如果外来物质进入到间隙H且夹在第一和第二电极7、8之间，就不能调节间隙H的间隙距离。其结果是，由于波长可调滤光器不能选择目标气体吸收的红外光的特定波长，因此红外气体感测装置无法正确地检测目标气体的浓度。
考虑到上述问题，本发明的一个目的是提供一种红外气体感测装置和方法，用于通过检查波长可调滤光器是否选择了正确的波长来精确地测量目标气体的浓度。
用于感测目标气体的气体感测装置包含红外源、波长可调滤光器、红外检测器、外壳和控制电路。目标气体吸收第一波长的红外光。红外源发射红外光。波长可调滤光器选择性地允许特定波长的红外光通过。控制电路包含测量电路和检查电路。测量电路控制波长可调滤光器，使得波长可调滤光器允许第一波长的红外光通过，并输出经滤光的第一红外光。检查电路控制波长可调滤光器，使得波长可调滤光器允许第二波长的红外光通过，并输出经滤光的第二红外光。红外检测器检测经滤光的第一红外光的第一量和经滤光的第二光的第二量。红外源、波长可调滤光器和红外检测器在上述外壳中。这个外壳具有用于向其中导入气体的入口。
测量电路根据经滤光的第一红外光的第一量来计算目标气体的浓度。检查电路通过将经滤光的第二红外光的第二量与参考值相比较来检查波长可调滤光器是否工作正常。第二波长位于大气气体不吸收红外光的波长范围内。由于检查电路，气体感测装置能够准确地检测目标气体。检查电路根据透过大气气体的红外光的透射率来检查波长可调滤光器。换句话说，检查电路通过使用空气而不是特定气体来检查波长可调滤光器。在这样的方案中，可以简化气体感测装置的结构。此外，由于结构简单，气体感测装置体积小，制造成本低。
使用波长可调滤光器感测气体的方法包含以下步骤：发射红外光；设置波长可调滤光器，使得波长可调滤光器允许第一波长的红外光通过并输出经滤光的第一红外光，使得波长可调滤光器允许第二波长的红外光通过并输出经滤光的第二红外光；检测经滤光的第一红外光的第一量和经滤光的第二红外光的第二量；根据经滤光的第一红外光的第一量来计算目标气体的浓度；并且通过将第二量与参考值进行比较来检查波长可调滤光器是否工作正常。目标气体吸收第一波长的红外光。第二波长位于大气气体不吸收红外光的波长范围内。
附图说明
从随后的详细描述和附图将更加清楚本发明的上述和其它目的、特征和优点。在这些附图中：
图1是本发明一个实施例中的红外气体传感器的剖视图；
图2是图1所示红外气体传感器的方框图；
图3是图1所示红外气体传感器中波长可调滤光器的剖视图；
图4是图1所示红外气体传感器的流程图；
图5A～5I说明透过大气气体的红外光的透射率；
图6是常规红外气体传感器中波长可调滤光器的剖视图。
具体实施方式
如图1～2所示，本发明一个实施例中的红外气体传感器100包含红外(IR)源20、波长可调滤光器30、红外(IR)检测器40、外壳50和控制电路60。红外源20、波长可调滤光器30、红外检测器40 和控制电路60都容纳在外壳50中。
红外源20可以是(例如)白炽灯。如图1中的箭头所指示，红外源20在从2微米(μm)到10μm的连续的波长范围内发射红外光。
波长可调滤光器30为Fabry-Perot干涉滤光器。波长可调滤光器30选择将从红外源20发送到红外检测器40的特定波长的红外光。如图3所详细描述的一样，波长可调滤光器30包含衬底31，形成在衬底31上的抗反射膜32，通过抗反射膜32形成于衬底31上的第一镜33和通过牺牲层形成于第一镜33上的第二镜34。第一和第二镜33、34面向对方。
通过蚀刻孔38蚀刻牺牲层，在第一和第二镜33、34之间形成间隙37。当外力施加于第二镜34上时，第二镜34能够相对于第一镜33发生位移。第一镜33在一个表面上具有第一电极35。第二镜34在一个表面上具有第二电极36。可以通过(例如)将高浓度的杂质掺杂物施加到所述第一和第二镜33、34的表面上而分别形成第一和第二电极35、36。第一和第二电极35、36面向对方。
衬底31可以由(例如)硅、石英等等制成。第一和第二镜33、34以及第一和第二电极35、36为薄层，且可以由(例如)钼、硅、锗、氮化硅、氧化硅等等制成。
因此，波长可调滤光器30体积小并能很容易地利用微型电动机械系统(MEMS)技术制造。
在波长可调滤光器30中，等于间隙37的间隙距离D一半或四分之一的特定波长的红外光在第一和第二镜33、34之间多重反射，发生干涉。结果，仅在特定波长的红外光通过波长可调滤光器30。
在第一和第二电极35、36之间施加电压时，在第一和第二电极35、36之间产生静电吸引力。第二镜34由于静电吸引力而相对于第一镜33发生位移。通过调节施加在第一和第二电极35、36之间的电压，以无级方式调节间隙37的间隙距离D。因此，通过调节间隙距离D，波长可调滤光器30可以选择发送到红外检测器40的特定波长的红外光。
红外检测器40检测经滤光的红外光，输出电信号，这个电信号指示检测到的红外光的量。红外检测器40可以是(例如)热电堆、焦热电传感器等等。
再次参考图1，波长可调滤光器30和红外检测器40由容器密封，这个容器由杆51和带有透明窗53的盒52组成。由红外源20发射的红外光通过透明窗53进入波长可调滤光器30。
外壳50具有用于被检测目标气体的入口和出口。目标气体被引入红外源20和波长可调滤光器30之间的一条光路中。目标气体至少部分地吸收目标气体的特定波长。波长可调滤光器30仅允许特定波长的红外光通过。
经滤光的红外光到达红外检测器40并被转换为电信号。电信号被传输到控制电路60中的处理器，处理器根据这个电信号计算目标气体的浓度。
如上所述，红外气体传感器100包含发射红外光的红外源20，选择特定波长红外光的波长可调滤光器30和检测经滤光的红外光并将经检测的红外光转换为电信号的红外检测器40。由波长可调滤光器30选择的特定波长可以通过改变第一和第二镜33、34之间的间隙37的间隙距离D，以无级方式改变。因此，红外气体传感器100能检测各种气体的浓度。
图5A～5I说明透过大气气体的红外光的透射率。这些图是在Haruyoshi Hisano于1994年出版的日文书“sekigaisen kougaku”(ISBN-13：978-4885521225)中得到的。从图5A～5I可知，红外光的透射率在1.55微米(μm)和1.75μm之间、2.05μm和2.33μm之间、3.5μm和4.16μm之间，和9.4μm和12.4μm之间的波长范围中接近100％。控制电路60可以有滤光器检查电路，用于根据透过大气气体的红外光的透射率检查波长可调滤光器30是否工作正常。红外光的透射率接近100％的波长范围在下文中称为“无吸收波长范围”。在无吸收波长范围之外的波长范围在下文中称为“吸收波长范围”。
红外气体传感器100按照图4所示的流程图工作。在步骤S1中， 加电开启红外气体传感器100。接着，在步骤S2中，红外源20通过控制电路60中的驱动器加电开启，发射红外光。
接着，在步骤S3中，调节波长可调滤光器30的间隙距离D，使得波长可调滤光器30在无吸收波长范围中选择第一检查波长λF1。例如，第一检查波长λF1为2.1μm。接着，在步骤S4中，红外检测器40检测经滤光的红外光并将检测到的红外光转换为指示检测到的红外光的量的一第一检查信号VF1。接着，在步骤S5中，第一检查信号VF1存储在控制电路60中的存储器(未画出)中。
步骤S3～S5重复一次以上。在第二次执行步骤S3的时候，调节波长可调滤光器30的间隙距离D，使得波长可调滤光器30在无吸收波长范围中选择第二检查波长λF2。第二检查波长λF2不同于第一检查波长λF1。例如，第二检查波长λF2为2.3μm。在这种情况下，第二检查波长λF2在与第一检查波长λF1相同的无吸收波长范围中。第二检查波长λF2也可以在与第一检查波长λF1不同的无吸收波长范围中。例如，第二检查波长λF2可以在9.4μm和12.4μm之间的波长范围中。接着，在第二次执行步骤S4的时候，红外检测器40检测经滤光的红外光并将经检测的红外光转换成指示检测到的红外光的量的第二检查信号VF2。接着，在第二次执行步骤S5的时候，将第二检查信号VF2存储在控制电路60中的存储器中。
接着，在步骤S6中，控制电路60计算第一检查信号VF1和第二检查信号VF2之间的信号比率VF1/VF2。接着，在步骤S7中，控制电路60确认信号比率VF1/VF2是否接近1。由于第一检查波长λF1和第二检查波长λF2大致相同并在无吸收波长中，第一检查信号VF1和第二检查信号VF2大致相同。因此，信号比率VF1/VF2接近1，除非波长可调滤光器30发生故障。
在步骤S7中，如果信号比率VF1/VF2不接近1，控制电路60就确定波长可调滤光器30出现了故障，选择了不正确的波长，即，第一检查波长λF1和第二检查波长λF2之外的波长。因此，在步骤S8中，指示波长可调滤光器30发生故障的第一错误信息出现在图2所示的屏幕上，这一过程停止。
相反，在步骤S7，如果信号比率VF1/VF2接近1，控制电路60就确定波长可调滤光器30工作正常。因此，这一过程继续下去。
接着，在步骤S9中，调节波长可调滤光器30的间隙距离D，使得波长可调滤光器30选择第三检查波长λL。接着，在步骤S10中，红外检测器40检测经滤光的红外光并将检测到的红外光转换为第三检查信号VL。接着，在步骤S11中，控制电路60确定第三检查信号VL是否超过阈值VT。
在步骤S11中，如果第三检查信号VL小于阈值VT，控制电路60就确定由红外源20发射的红外光的量由于(例如)红外源老化失效而减少。因此，在步骤S12中，指示红外源20故障的第二错误信息出现在屏幕上，并且这一过程停止。
相反，在步骤S11中，如果第三检查信号VL超过阈值VT，控制电路60就确定红外源20工作正常。因此，这一过程继续下去。
接着，在步骤S13中，调节波长可调滤光器30的间隙距离D，使得波长可调滤光器30选择目标波长λS，在这个目标波长λS上，将被感测的目标气体吸收红外光。接着，在步骤S14中，红外检测器40检测经滤光的红外光并将检测到的红外光转换为一指示检测到的红外光的检测信号VS。接着，在步骤S15中，检测信号VS存储在控制电路60中的存储器中。接着，在步骤S16中，控制电路60根据检测信号VS计算目标气体的浓度。接着，在步骤S17中，计算出来的浓度显示在屏幕上。如果需要检测目标气体多个成分的浓度，重复步骤S13～S17。
接着，在步骤S18中，关闭红外源20。接着，在步骤S19中，关闭红外气体传感器100。在图4的流程图中，步骤S3～S8对应于检查波长可调滤光器30是否正常工作的滤光器检查过程，步骤S9～S12对应于检查红外源20是否正常工作的红外源检查过程，且步骤S13～S17对应于测量目标气体浓度的测量过程。
如上所述，依照红外气体传感器100，在测量过程之前是滤光器检查过程。在滤光器检查过程中，检测在无吸收波长范围内的第一和第二检查波长λF1、λF2的经滤光的红外光的量，并将所述红外光 分别转换为第一和第二检查信号VF1、VF2。根据信号比率VF1/VF2检查波长可调滤光器30的故障。在这样的方案中，即使由于红外源失效导致由红外源20发射的红外光的量减少，也可以检测波长可调滤光器30的故障。
根据透过大气气体的红外光的透射率来检查波长可调滤光器30的故障。换句话说，使用空气而不是特定气体来检查波长可调滤光器30的故障。因此，可以简化红外气体传感器100的结构，使得可以在短时间内轻易地检查波长可调滤光器30。此外，由于结构简单，红外气体传感器100体积小，制造成本低。
第一和第二检查波长λF1、λF2接近无吸收波长范围的边界比较好。无吸收范围由第一和第二检查波长λF1、λF2来限界更好。在这样的方案中，即使波长可调滤光器30略有故障，波长可调滤光器30也允许无吸收波长范围外(即吸收波长范围内)的波长的红外光通过。结果，虽然波长可调滤光器30略有故障，但信号比率VF1/VF2会明显地偏离1。因此，肯定能够检测到波长可调滤光器30的故障，从而能够准确地测量目标气体的浓度。
可选择地，与无吸收波长范围内的参考波长λF0对应的参考信号V0可以预先存储在控制电路60中的存储器中。在这样的情况下，按照如下方式检查波长可调滤光器30。在滤光器检查过程中，调节波长可调滤光器30的间隙距离D，使得波长可调滤光器30选择参考波长λF0。接着，红外检测器40检测经滤光的红外光并将检测到的红外光转换成指示检测到的红外光的量的参考信号VF0。根据信号比率VF0/V0来检查波长可调滤光器30。在这样的方案中，可以简化滤光器检查过程。
除了滤光器检查过程以外，还在测量过程之前执行红外光源检查过程。在这样的方案中，能够检测到红外源20的故障，从而能够更加准确地测量目标气体的浓度。
如上所述，上述实施例中的红外气体传感器100体积小，制造成本低。此外，通过使用波长可调滤光器30，红外气体传感器100能够测量目标气体的多个成分的浓度。还检测红外源20和波长可调滤 光器30的故障，从而能够准确地地测量浓度。因此，即使在恶劣条件下也能够使用红外气体传感器100。
例如，红外气体传感器100可以安装在车辆上以测量车辆的废气。废气主要包含COx、NOx和SOx。这些废气的主要成分吸收波长在3μm～8μm之间的红外光。因此，用红外气体传感器1 00测量车辆废气时，用2.05μm和2.33μm之间、9.4μm和12.4μm之间的波长范围来检查波长可调滤光器30较好，上述两个波长范围中的每一个都是无吸收波长范围，并且与废气吸收红外光的3μm～8μm之间的波长范围相邻。通过这种方式，红外气体传感器100能够准确地测量废气成分的浓度。
可以用各种方式修改上述实施例。例如，步骤S3～S5可以重复两次或两次以上，从而能够更加确定地检测波长可调滤光器30的故障。
在上述实施例中，每次加电开启红外气体传感器100(即加电开启波长可调滤光器30)都执行滤光器检查过程。也可以在每次完成步骤S17(即测量完目标气体的一种成分)以后，执行滤光器检查过程。在这样的方案中，红外气体传感器100能够更加准确地测量目标气体的浓度。
这样的改变和修改应理解为在所附的权利要求书所限定的本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种用于对吸收红外光的目标气体进行感测的气体感测装置，所述目标气体吸收第一波长的红外光，所述气体感测装置包括：
发射红外光的红外源(20)；
选择性地允许特定波长的红外光通过的波长可调滤光器(30)；
包含测量电路和检查电路的控制电路(60)，所述测量电路控制所述波长可调滤光器(30)，使得所述波长可调滤光器(30)允许所述第一波长的红外光通过并输出经滤光的第一红外光，所述检查电路控制所述波长可调滤光器(30)，使得所述波长可调滤光器(30)允许第二波长的红外光通过并输出经滤光的第二红外光；
红外检测器(40)，用于检测经滤光的所述第一红外光的第一量和经滤光的所述第二红外光的第二量；以及
外壳(50)，用于容纳所述红外源、所述波长可调滤光器(30)和所述红外检测器(40)，所述外壳(50)具有用于向其中引导所述目标气体的入口，其中
所述测量电路根据经滤光的所述第一红外光的所述第一量计算所述目标气体的浓度，
所述检查电路通过将经滤光的所述第二红外光的所述第二量与参考值相比较来检查所述波长可调滤光器(30)是否正常工作，且
所述第二波长位于大气气体不吸收红外光的波长范围内。
2.如权利要求1所述的气体感测装置，其中
所述检查电路控制所述波长可调滤光器(30)，使得所述波长可调滤光器(30)允许在第三波长的红外光通过且输出经滤光的第三红外光，所述第三波长位于所述波长范围内，
所述红外检测器(40)检测经滤光的所述第三红外光的第三量作为所述参考值，且
所述检查电路计算所述第二量和所述第三量之间的比率，并根据所述比率与1的偏离检查所述波长可调滤光器(30)是否正常工作。
3.如权利要求2所述的气体感测装置，其中
所述波长范围由所述第二波长和所述第三波长来限界。
4.如权利要求1所述的气体感测装置，其中
所述波长范围位于1.55微米和1.75微米之间，2.05微米和2.33微米之间，3.5微米和4.16微米之间，或者9.4微米和12.4微米之间。
5.如权利要求1～4中任意一项权利要求所述的气体感测装置，其中
所述波长可调滤光器(30)为Fabry-Perot滤光器且包含衬底(31)，形成于所述衬底(31)上的第一镜(33)，面向所述第一镜(33)且与所述第一镜(33)间隔一预定距离的第二镜(34)，
所述第一镜(33)具有第一电极(35)，
所述第二镜(34)具有面向所述第一电极(35)的第二电极(36)，通过在所述第一电极(35)和所述第二电极(36)之间施加电压，所述第二镜(34)能够相对于所述第一镜(33)发生位移，且
所述控制电路(60)通过调节施加在所述第一电极(35)和所述第二电极(36)之间的所述电压控制所述波长可调滤光器(30)，使得所述波长可调滤光器(30)选择性地允许所述特定波长的红外光通过。
6.如权利要求1所述的气体感测装置，其中
所述目标气体为车辆废气。
7.一种使用波长可调滤光器(30)对吸收红外光的目标气体进行感测的方法，所述目标气体吸收第一波长的红外光，所述方法包括：
发射红外光；
设置所述波长可调滤光器(30)使得所述波长可调滤光器(30)允许所述第一波长的红外光通过且输出经滤光的第一红外光，使得所述波长可调滤光器(30)允许第二波长的红外光通过并输出经滤光的第二红外光；
检测经滤光的所述第一红外光的第一量和经滤光的所述第二红外光的第二量；
根据经滤光的所述第一红外光的所述第一量来计算所述目标气体的浓度；以及
通过将所述第二量与参考值比较来检查所述波长可调滤光器(30)是否正常工作，其中
所述第二波长位于大气气体不吸收红外光的波长范围内。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：
设置所述波长可调滤光器(30)使得所述波长可调滤光器(30)允许第三波长的红外光通过并输出经滤光的第三红外光，所述第三波长位于所述波长范围内；
检测经滤光的所述第三红外光的第三量作为所述参考值；以及
计算所述第二量和所述第三量之间的比率，以及所述比率与1的偏离，并且根据所述偏离检查所述波长可调滤光器(30)是否正常工作。
9.如权利要求8所述的方法，其中
所述波长范围由所述第二波长和所述第三波长限界。
10.如权利要求7～9中任一权利要求所述的方法，其中
所述目标气体为车辆废气，且
所述波长范围位于2.05微米和2.33微米之间，以及9.4微米和12.4微米之间。
11.如权利要求7所述的方法，其中
在每次加电启动所述波长可调滤光器(30)时，检查所述波长可调滤光器(30)是否正常工作。
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