CN101907567A - 一种基于真空隧道电流检测的红外气体检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真空隧道电流检测的红外气体检测方法及检测装置，该红外气体传感器包括：红外光源、红外滤光片、被测气体的开放气室、被测气体的密闭气室、真空室、左隧道电极和右隧道电极、左偏转电极和右偏转电极；四周的气室侧壁内表面设置光线反射面；密闭气室内密封纯净的被测气体，它的一个端面为弹性膜，其中的被测气体吸收红外后温度升高、压力增大，致使弹性膜变形，导致左隧道电极和右隧道电极之间的间距变化，最终使得真空隧道电流发生变化，由于气室和密闭气室内被测气体对红外光的差分吸收，因此依据真空隧道电流的大小可判断气室内被测气体的浓度。采用这一技术方案使得红外气体传感器结构简单、检测精度高、对红外光源的单色性要求低。

Description

一种基于真空隧道电流检测的红外气体检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及气体检测领域，特别涉及一种红外气体检测方法及检测装置。

背景技术

目前的气体传感器种类繁多，检测原理及其结构各种各样，但它们都或多或少地存在着某些问题，如选择性差、稳定性不高、寿命短、环境适应性差、性价比不高等。在众多的气体检测方法中，基于气体的红外特征吸收谱法的红外分析法是较理想的方法之一，因为它是基于被测气体的物理本质特性，不需要敏感功能材料或催化剂等特定材料，没有它们所带来的选择性差和稳定性差的问题。传统的红外光谱法基于光的量子效应探测红外光被被测气体吸收前后光强的变化以确定被测气体的浓度，为消除其它气体对检测的干扰并提高检测精度，它需要单色光源。但是，目前还没有可直接应用的针对特定气体检测的单色红外光源，何况不同的气体检测需要用不同的单色红外光源。虽然激光器是一个不错的选择，但激光器不仅价格昂贵、体积大，而且其波长往往与气体的红外特征吸收峰波长不相符。因此传统的红外气体传感器的光源需要其它光学器件(如滤波器、倍频器等)的配合，不利于检测系统的集成化、微小型化以及提高检测系统的性价比。另外，传统的红外检测方法是比较红外光通过被测气体前后的光强变化，检测该光强的微弱变化需要较理想的红外光敏感器件和较复杂的信号处理电路，或者需要较长的光吸收通道长度才能保证较高的检测灵敏度和分辨率。

比如：

申请号：200710062967.2、公开日：2007.07.25的“红外气体传感器”包括一个容纳气体的腔室，腔室的内壁由顶平面、底平面以及弧形侧壁围成，内壁上涂覆有反光材料，顶平面上开有小孔以与外界交换气体；腔室内光源与光电元件的放置位置与所述侧壁的弧度及顶平面至底平面的距离相配合，使光源发出的光经过所述腔室内壁的反射而汇聚至光电器件上；采用这种技术方案后，气室的体积能明显缩小，从而使传感器的应用更为灵活；另外，气体交换也随着气室体积的缩小而简单，使得气室中的气体样品与外界环境中的气体基本相同，从而提高测量的准确度。这一技术方案侧重于解决光的聚焦问题，使得发散的红外光聚集于光电探测器，但是这种红外气体传感器的红外光的光通道长度有限，待测气体对红外光的吸收不够充分，导致红外气体传感器的探测信噪比低和测量精确度不高。

申请号：200910105832.9、公开日：2009.08.12的“一种红外气体传感器及红外气体探测装置”公开的红外气体传感器包括外壳、外壳内部设置的传感器外壳、传感器外壳腔体内部设置的上盖体和下盖体、上盖体底部设置的凹槽、凹槽的侧壁上包括至少第一斜面和第二斜面、下盖体顶部设置的与凹槽上第一斜面和第二斜面对应的第一开孔和第二开孔以及第一开孔和第二开孔里分别设置的红外光源和红外探测器，红外光源发射的红外光经多次反射后才被红外探测器吸收。这一技术方案增长了红外光的光通道长度，使得待测气体对红外光的吸收比较充分，提高了红外气体传感器的探测信噪比和测量精确度；但其气室的结构比较复杂，还带来了光源、滤光镜和光电探测器件的非对称引起的误差。

申请号：200720307032.1、公开日：2009.02.11的“红外智能气体传感器”包括有红外气体探测器、红外光源、外壳、置于外壳内部的光学腔体、光学腔体电路板、主电路板和电源电路板；光学腔体内设置有带有通气孔的光学通道，红外气体探测器和红外光源则设置在光学通道内，红外气体探测器采集模拟信息送主板电路处理后输出数字智能信息。这一技术方案增强了红外气体传感器抗湿气干扰能力，适应潮湿环境下工作，还具有数字输出和温度补偿功能，但并没有检测原理上的突破。

实际上，已有的红外气体传感器均采用基于量子效应的光电探测器作为检测红外信号的唯一手段，这使得红外气体传感器的性能很大程度上受到光电探测器性能的制约，而在常温下红外光电探测器的信噪比比较低，而且光电探测器的感光面有限，不得不采用一些技术手段将分散的红外光聚焦于一点且正好到达光电探测器的感光面上，为了降低检测气体浓度下限和提高检测精度，需要尽可能采用单色光源，且采用延长光吸收通道的各种方法，这些技术手段和方法使得红外气体传感器的结构比较复杂。

发明内容

本发明是针对已有技术的不足，提供一种基于真空隧道电流检测的红外气体检测方法及检测装置，以提高探测信噪比和测量精度，并简化红外气体传感器结构。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于真空隧道电流检测的红外气体检测方法的其特点是：采用红外光源，以红外光源首先通过被测气体的开放气室，再进入被测气体的密闭气室，使密闭气室内被测气体温度升高、压力增大，密闭气室以其外侧端的弹性膜板在压力增大下的变形使真空室内两隧道电极之间的距离发生变化，从而使得真空隧道电流发生变化；依据真空隧道电流的变化判断开放气室内被测气体的浓度。

本发明基于真空隧道电流检测的红外气体传感器的结构特点是：设置红外光源，在所述红外光源的光轴线上分别设置有被测气体的开放气室、被测气体的密封气室和真空隧道电流的真空室；来自红外光源的红外光线透过红外滤光片经开放气室后，再通过透光玻璃板投向密闭气室，密闭气室以其外端侧的弹性膜板作为可改变真空室内两隧道电极之间的距离的真空室的一侧端面。

本发明红外气体传感器的结构特点也在于：

设置所述被测气体的开放气室的左端板为红外滤光片，右端板为透光玻璃板，四周的开放气室侧壁内表面为光线反射面，开放气室侧壁上设置有进气孔和排气孔。

所述的被测气体的密闭气室是以透光玻璃板为一侧端板、与四周的密闭气室侧壁和另一端的弹性膜共同围成；所述四周的密闭气室侧壁和弹性膜为一体化结构；在所述密闭气室内按设定的压力封闭有纯净的被测气体，在所述弹性膜的外表面中心设置左隧道电极，在所述左隧道电极外围设置左偏转电极。

所述的真空隧道电流的真空室是以所述弹性膜所在一侧的密闭气室的端面为端板、与四周的真空室侧壁与右侧端板共同围成；在所述右侧端板的中心、朝向左隧道电极的方向有一尖锥；所述真空室侧壁、右侧端板以及尖椎为一体化结构；对应于所述左隧道电极所在位置，在所述尖锥的锥体表面及右侧端板内侧中心设置右隧道电极，对应于所述左偏转电极所在位置，在所述右隧道电极外围设置右偏转电极。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明在被测气体的密闭气室内密封有纯净的被测气体，密闭气室内纯净的被测气体与被测气体的开放气室内的被测气体具有完全相同的红外吸收特征，由于开放气室内的被测气体对红外光的吸收，使得到达密闭气室的红外光强度取决于开放气室内的被测气体浓度，并随着开放气室内的被测气体浓度的变化而变化，即开放气室内的被测气体浓度高，对红外光的吸收多，则到达密闭气室的红外光强度低，反之，开放气室内的被测气体浓度低，对红外光的吸收少，则到达密闭气室的红外光强度高；密闭气室内密封的纯净的被测气体吸收红外光后产生热量，温度升高，进而导致压力增大，致使弹性膜发生变形，该弹性膜的变形量取决于到达被测气体的密闭气室内的红外光强度的高低，弹性膜的变形又使得左隧道电极与右隧道电极之间的间距发生变化，该间距变化导致左隧道电极与右隧道电极之间的隧道电流发生变化，该隧道电流的变化反映了开放气室内的被测气体浓度的变化；由于密闭气室内密封的纯净的被测气体与开放气室内的被测气体具有完全相同的红外吸收特征，且这两个室构成红外差分吸收，因而降低了对红外滤光片的严格要求。

2、本发明在开放气室侧壁内表面设置了光线反射面，使得通过红外滤光片的红外光线经过多次反射后都能通过透光玻璃板进入被测气体的密闭气室，进入密闭气室的红外光线都能为红外热效应有所贡献，因此这种技术方案使得传感器结构简单，特别是对光源、光通道以及探测器的位置不需要精确对准。

3、由于红外光具有较强的热效应，而量子效应则相对较弱，且真空隧道电流对真空隧道电极之间的间距十分敏感，所以，本发明利用被测气体吸收红外及其所产生的热效应与真空隧道电流检测的方法实现气体的检测，具有检测气体浓度下限低，检测精度高的特点。

4、由于真空隧道电流的产生需要两隧道电极之间达到较小的一定的距离，本发明在弹性膜板的外表面上设置了左偏转电极，在真空室的腔体内的右侧端板上设置了右偏转电极，在左偏转电极和右偏转电极上施加偏转电压，以使左隧道电极与右隧道电极之间的间距达到一个适当的距离，即可产生适当的隧道电流；当固定施加的偏转电压时，真空隧道电流的大小会随着开放气室内的被测气体浓度的变化而变化，当改变施加的偏转电压，使真空隧道电流的大小固定时，施加的偏转电压会随着开放气室内的被测气体浓度的变化而变化，通过测试真空隧道电流或施加的偏转电压即可检测出气室内的被测气体浓度，采用这种方法大大提高了红外气体传感器的可靠性，延长了其使用寿命，同时降低了其制造成本。

附图说明

图1为红外气体传感器的剖面结构及其检测原理示意图。

图2为图1中的电极结构示意图，其中图2(a)为左偏转电极和左隧道电极的结构示意图，图2(b)为右偏转电极和右隧道电极的结构示意图。

图中标号：1红外光源、2红外滤光片、3开放气室侧壁、4光线反射面、5进气孔、6开放气室、7排气孔、8透光玻璃板、9密闭气室侧壁、10密闭气室、11弹性膜、12真空室、13左偏转电极、14左隧道电极、15右偏转电极、16右隧道电极、17尖锥、18右侧端板、19真空室侧壁。

具体实施方式

参见图1，本实施例中红外气体传感器包括红外光源1、红外滤光片2、被测气体的开放气室6、被测气体的密闭气室10、真空室12、左偏转电极13和右偏转电极15、左隧道电极14和右隧道电极16，红外光源1和红外滤光片2根据被测气体的种类不同而选择不同类型的红外光源和滤光片，选择红外光源1的原则是需要它在被测气体红外吸收最强峰值处的红外辐射强度最强，选择红外滤光片2的原则是需要它在被测气体红外吸收最强峰值及其附近的红外光能完全透过，而其余的红外光不能透过；

被测气体的开放气室6为长方体或圆柱体结构，四周的开放气室侧壁3内表面镀有金属反光膜构成光线反射面4，其目的是使发散的红外光线经多次反射后达到透光玻璃板8，不仅可以充分利用红外光源1所辐射的红外光，而且可以延长被测气体红外吸收通道的长度，在开放气室侧壁3上开有被测气体的进气孔5和排气孔7，以便被测气体进出或与检测环境通联，开放气室6的左端面为红外滤光片2，右端面为透光玻璃板8；

密闭气室10的腔体由四周的密闭气室测壁9和弹性膜11围成，密闭气室侧壁9和弹性膜11是由一块硅片经过微机械加工制成的一体化结构，该一体化结构与透光玻璃板8密封封装，在密封封装的过程中将纯净的被测气体密封在其中以形成纯净的被测气体的密闭气室10，弹性膜11的外表面上镀金属膜并刻蚀出左偏转电极13和左隧道电极14；

真空室12的腔体由右侧端板18和四周的真空室侧壁19围成，右侧端板18的中心处有尖锥17，尖锥17上镀有右隧道电极16，右侧端板18和其中心处的尖锥17以及四周的真空室侧壁19是由一块硅片经过微机械加工制成的一体化结构，该一体化结构与密闭气室10的弹性膜11所在的端面在真空环境下密封封装以形成真空室12，在真空室的腔体内的右侧端板18上还镀有右偏转电极15。

图2为图1中的电极结构示意图，其中图2(a)为左偏转电极13和左隧道电极14的结构示意图，图2(b)为右偏转电极15和右隧道电极16的结构示意图，左偏转电极13和右偏转电极15上施加一定的偏转电压时，由于静电作用力，致使弹性膜11发生弹性变形，该弹性变形使得左隧道电极14和右隧道电极16之间的距离达到合适的间距，以产生真空隧道电流。

红外光源1所辐射的红外光经过红外滤光片2滤光后仅剩下能被被测气体强烈吸收的部分，它通过被测气体的开放气室6时被其中的被测气体部分吸收，剩余部分通过透光玻璃板8后进入密闭气室10中被其中密封的纯净的被测气体所吸收，致使密闭气室10中的纯净的被测气体温度升高，压力增加，从而使弹性膜11发生弹性变形，该弹性变形使得左隧道电极14和右隧道电极16之间的距离减小，真空隧道电流增加，由于开放气室6内的被测气体对红外光部分吸收后，使得到达密闭气室10的红外光强度降低，并随着开放气室6内的被测气体浓度的变化而变化，即开放气室6内的被测气体浓度高，对红外光的吸收多，则到达密闭气室10的红外光强度低，反之，开放气室6内的被测气体浓度低，对红外光的吸收少，则到达密闭气室10的红外光强度高，由此可见，真空隧道电流的大小取决于弹性膜11的变形量，弹性膜11的变形量又取决于到达密闭气室10的红外光的强度，到达密闭气室10的红外光强度最终取决于开放气室6内的被测气体浓度，因此，真空隧道电流的大小反映了被测气体的开放气室6内的被测气体浓度；检测气体浓度时，在左偏转电极13和右偏转电极15上施加偏转电压，以使左隧道电极14与右隧道电极16之间的间距达到一个适当的距离，产生适当的隧道电流，当固定施加的偏转电压时，真空隧道电流的大小会随着开放气室6内的被测气体浓度的变化而变化，当改变施加的偏转电压，以使真空隧道电流的大小不变时，施加的偏转电压会随着开放气室6内的被测气体浓度的变化而变化，通过测试真空隧道电流的变化或施加的偏转电压的变化即可检测出被测气体的开放气室6内的被测气体浓度变化。

测量原理：

弹性膜11(以正方形为例)的最大变形量(正方形中心处)y由以下公式确定

$\frac{P\·a^4}{E\·h^4}=\frac{66.225}{1-{\mathrm{\γ}}^2}\·\frac{y}{h}+31.1\frac{y^3}{h^3}---\left(1\right)$

其中E为弹性膜11材料的杨氏模量，γ为材料的泊松比，a为膜的边长，h为膜的厚度。当y/h＜＜1时，(1)式可简化为

可得

$y=\frac{(1-{\mathrm{\γ}}^2)a^4}{66.225E\·h^3}P=\frac{(1-{\mathrm{\γ}}^2)a^2}{66.225E\·h^3}{F}_P=\frac{(1-{\mathrm{\γ}}^2)S}{66.225E\·h^3}{F}_P---\left(2\right)$

其中F_P＝a²P为弹性膜11所受压力，S为弹性膜11的面积，由(2)式可得弹性膜11的机械灵敏度

$\frac{\∂y}{\∂P}=\frac{a^4(1-{\mathrm{\γ}}^2)}{66.225E\·h^3}---\left(3\right)$

对硅材料，取E＝8×10⁶N/cm²，γ＝0.4，假设a＝5mm，h＝100μm，由(3)式可得dy/dp≈0.05nm/Pa；产生真空隧道电流的左隧道电极14与右隧道电极16之间的间距应到达1nm以内，即弹性膜11的最大变形量为1nm，相应的最大压力变化为20Pa。

其次，由理想气体状态方程PV＝nRT可得

在标准状态下，可得

$\frac{\∂P}{\∂T}=371(\mathrm{Pa}/K)---\left(4\right)$

由(4)式可得对应于最大压力变化20Pa的最大温度变化为0.054K。

根据被测气体对红外的吸收特性以及被测气体的密闭气室10的热力学特征等确定与最大温度变化0.054K相对应的最大红外光强度变化；

再根据Lamber-Beer定律I(v)＝I₀(v)exp[-σ(v)C_gL]和检测被测气体的浓度范围等确定最大红外光强度变化所需要的被测气体的开放气室6的几何尺寸。

具体实施中，需要根据对气体检测的具体技术指标要求，在兼顾弹性膜11的机械灵敏度和机械强度的前提下，选择合适的被测气体的开放气室6的几何尺寸以达到所需要的红外光通道长度；红外光通道长度越长，则气体检测分辨率和精度越高。

Claims (5)

1.一种基于真空隧道电流检测的红外气体检测方法，其特征在于：采用红外光源，以红外光源首先通过被测气体的开放气室，再进入被测气体的密闭气室，使密闭气室内被测气体温度升高、压力增大，密闭气室以其外侧端的弹性膜板在压力增大下的变形使真空室内两隧道电极之间的距离发生变化，从而使得真空隧道电流发生变化；依据真空隧道电流的变化判断开放气室内被测气体的浓度。

2.一种基于真空隧道电流检测的红外气体传感器，其特征在于：设置红外光源(1)，在所述红外光源(1)的光轴线上分别设置有被测气体的开放气室(6)、被测气体的密封气室(10)和真空隧道电流的真空室(12)；来自红外光源(1)的红外光线透过红外滤光片(2)经开放气室(6)后，再通过透光玻璃板(8)投向密闭气室(10)，密闭气室(10)以其外端侧的弹性膜板(11)作为可改变真空室(12)内两隧道电极之间的距离的真空室(12)的一侧端面。

3.根据权利要求2所述的红外气体传感器，其特征在于：设置所述被测气体的开放气室(6)的左端板为红外滤光片(2)，右端板为透光玻璃板(8)，四周的开放气室侧壁(3)内表面为光线反射面(4)，开放气室侧壁(3)上设置有进气孔(5)和排气孔(7)。

4.根据权利要求2所述的红外气体传感器，其特征在于：所述的被测气体的密闭气室(10)是以透光玻璃板(8)为一侧端板、与四周的密闭气室侧壁(9)和另一端的弹性膜(11)共同围成；所述四周的密闭气室侧壁(9)和弹性膜(11)为一体化结构；在所述密闭气室(10)内按设定的压力封闭有纯净的被测气体，在所述弹性膜(11)的外表面中心设置左隧道电极(14)，在所述左隧道电极(14)外围设置左偏转电极(13)。

5.根据权利要求2所述的红外气体传感器，其特征在于：所述的真空隧道电流的真空室(12)是以所述弹性膜(11)所在一侧的密闭气室(10)的端面为端板、与四周的真空室侧壁(19)与右侧端板(18)共同围成；在所述右侧端板(18)的中心、朝向左隧道电极(13)的方向有一尖锥(17)；所述真空室侧壁(19)、右侧端板(18)以及尖椎(17)为一体化结构；对应于所述左隧道电极(14)所在位置，在所述尖锥(17)的锥体表面及右侧端板(18)内侧中心设置右隧道电极(16)，对应于所述左偏转电极(13)所在位置，在所述右隧道电极(16)外围设置右偏转电极(15)。

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