CN101923052B - 基于滤波结构分光的红外光谱式mems气敏传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滤波结构分光的红外光谱式MEMES气敏传感器，通过分析气体的红外吸收谱，确定气体的成分和浓度，该气敏传感器由集成在硅衬底上的红外光源(1)、分析气室(2)、光子晶体滤波器(3)和红外光强检测阵列(4)构成。该传感器利用气体的红外透射信息进行气体检测，通过特征峰的位置判断气体种类，并通过特征波长的吸光度确定气体含量，有效解决现有气敏传感器灵敏度低、检测气体种类有限、抗干扰能力低的问题。且本传感器的制作与CMOS工艺兼容，便于集成、可降低成本并推广使用。

Description

基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器
技术领域
本发明涉及一种气敏传感器，尤其涉及一种基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器。
背景技术
气敏传感器是制药、化工、食品、海关、煤矿、医学检测、环境监控等多领域里不可缺少的工具，而传统的气敏传感器体积大功耗高，灵敏度低且性能一致性较差，使用不便，难于推广；基于MEMS的气敏传感器，体积小功耗低、性能一致性好且使用方便。但是基于敏感膜类的MEMS气敏传感器大多利用敏感膜与目标气体发生选择性吸附后引起敏感膜电阻电容等电参量或者振动频率等机械参量的变化来实现气体检测的。这类传感器所能检测的气体种类，受敏感膜材料性能的影响很大。
光谱分析作为化学分析的终极手段，是有效解决目前气敏传感器研发领域诸多问题的一个选择，尤其是其在抗水汽干扰、选择性等方面的的长处更是敏感膜类气敏传感器无法比拟的。但是已有的光谱式气敏传感器体积大成本高，不便于广泛使用。在获得光谱时，它们大多利用光栅扫描分光，或谐振选频分光，可动结构加工困难，难以实现微型化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有气敏传感器灵敏度低、抗干扰能力弱、加工困难、难以小型化等问题，本发明提供了一种基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，以满足人们对于高精度气体分析的要求。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，通过分析气体的红外吸收谱，确定气体的成分和浓度，该气敏传感器由集成在硅衬底上的红外光源1、分析气室2、光子晶体滤波器3和红外光强检测阵列4构成，其中：
所述红外光源1为热辐射光源，为该气敏传感器提供宽谱辐射能量；
所述分析气室2为硅衬底上刻蚀出的盒状结构，该结构与待测环境相通，其内气体为传感器的分析对象；
所述光子晶体滤波器3为硅衬底上刻蚀出的二维孔洞结构；
所述红外光强检测阵列4为InGaAs光电二极管线型阵列，各二极管均工作在反偏状态，并将入射其上的光强转化为电信号输出。
上述方案中，所述光子晶体滤波器3由不同参数的光子晶体带阻滤波器并行排布组成，各带阻滤波器的有效滤波波段相邻而不重复。
上述方案中，所述光子晶体滤波器3不同通道的输出端对应红外光强检测阵列4上不同的二极管。
上述方案中，所述红外光源1发出的红外光穿过分析气室2后，经光子晶体滤波器3不同的通道出射；
光子晶体滤波器3各通道出射的红外光在相应的二极管上成像，且其光强由二极管转化为电信号输出至信号处理电路；
二极管上得到的电信号代表滤除相应波长的红外光后的强度，而不同二极管输出信号之差体现了透过气室后的红外光中不同波长的强度之差；
红外光强检测阵列4得到的信号为分析气室内气体透射谱的反相信息；
将红外光强检测阵列4上采样到的信号与预存的校正模型进行对比，计算出待测气体的红外透射谱，透射谱的吸收峰位置体现了气体种类，透射谱的吸收强度则体现了气体浓度。
(三)有益效果
从以上技术方案可以看出，本发明有以下有益效果
(1)本发明提供的基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，通过分析气体的红外投射光谱信息，确定气体的成分和含量，克服了敏感膜类MEMS气敏传感器抗干扰能力低、选择性差、检测气体种类有限等困难，具有灵敏度高、重复性好、寿命长等特点。
(2)本发明提供的基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，采用多组光子晶体带阻滤波器检测气体透射谱的反相信息，结合化学计量方法，利用校正模型，计算出光谱分析的结果，利用特征峰的位置判别气体种类，利用吸光度的变化确定气体浓度。
(3)本发明提供的基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，可对较宽的波段进行分析，谱线分辨率即为滤波器的带宽，可通过光子晶体的参数灵活调整，有效改善现有微型光谱仪分辨率低的问题，且本传感器无可动结构，性能稳定，相对于已有的微型光谱仪类MEMS器件，更易批量制作。
(4)本发明提供的基于滤波结构分光的红外光谱是MEMS气敏传感器，与CMOS技术兼容，借助成熟的微电子工艺，可实现敏感单元和数据处理模块的片上集成，具备小型化、智能化的特点。
附图说明
图1为本发明提供的基于滤波结构分光的红外光谱是MEMS气敏传感器平面结构示意图；
图2为本发明提供的基于滤波结构分光的红外光谱是MEMS气敏传感器光子晶体滤波器平面结构示意图；
图3为本发明提供的基于滤波结构分光的红外光谱是MEMS气敏传感器光子晶体滤波器其中的一组针对某特定波段设计的滤波单元示意图；
图4为本发明提供的基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器气室内红外检测阵列中某像元的工作原理示意图。
图中，红外光源1、分析气室2、光子晶体滤波器3、红外光强检测阵列4、光子晶体带阻滤波器301。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合分析环境气体中三氯甲烷(氯仿)蒸汽为具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的基于滤波结构分光的的红外光谱式MEMS气敏传感器平面结构示意图。该传感器利用气体的红外透射信息进行气体检测，通过特征峰的位置判断气体种类，并通过特征波长的吸光度确定气体含量，有效解决现有气敏传感器灵敏度低、检测气体种类有限、抗干扰能力低的问题。且本传感器的制作与CMOS工艺兼容，便于集成、可降低成本并推广使用。
该传感器主要由红外光源1、分析气室2、光子晶体滤波器3和红外光强检测阵列4构成。红外光源1为集成在硅片上的热辐射光源，该光源由空槽上方的工字形浮空单晶硅电阻条构成。该电阻通以电流后温度升高，并向外辐射红外能量。控制电阻的功率，可得到稳定宽谱的红外辐射。
如图2所示，光子晶体滤波器3，由并行排布的一系列光子晶体带阻滤波器构成，且各路波导均为窄带滤波器。
如图3所示，窄带滤波器采用在硅衬底上刻蚀二维周期孔洞阵列的方法制作，利用光子晶体的光子带隙特性实现滤波功能，气孔的直径和气孔的间距均与工作波段有比例关系。
光源发出的红外光进入分析气室2后，与其内的待测气体相互作用，穿过分析气室2后，进入光子晶体滤波器3不同通道的入射端，出射光在测量气室红外检测阵列4的各成像单元上成像。
各成像单元如图4所示，为反偏的InGaAs光电二极管，照射在空间电荷区的红外光引将起光生载流子的增加：入射光强越大，产生的载流子越多，回路的反偏饱和电流越大。为使光电二极管有更好的相应特性，需要对其进行制冷至-20℃。
不同成像单元上的信号强度之差代表了透过气室的红外光中不同波段的红外光光强之差，经计算可得透射光的光谱信息。将测量现场得到的结果与预存校正模型进行对比，可发现与三氯甲烷的特征峰相对应的波长为2374.7nm、1861.9nm、1695.8nm、1412.4nm、1152.9nm的红外光光强发生了明显的衰减，且三氯甲烷浓度越高，上述特征波长红外光衰减量越大。检测衰减的强度，便知测量气室内三氯甲烷的浓度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，通过分析气体的红外吸收谱，确定气体的成分和浓度，其特征在于，该气敏传感器由集成在硅衬底上的红外光源(1)、分析气室(2)、光子晶体滤波器(3)和红外光强检测阵列(4)构成，其中：
所述红外光源(1)为热辐射光源，为该气敏传感器提供宽谱辐射能量；
所述分析气室(2)为硅衬底上刻蚀出的盒状结构，该结构与待测环境相通，其内气体为传感器的分析对象；
所述光子晶体滤波器(3)为硅衬底上刻蚀出的二维孔洞结构；
所述红外光强检测阵列(4)为InGaAs光电二极管线型阵列，各二极管均工作在反偏状态，并将入射其上的光强转化为电信号输出。
2.根据权利要求1所述的基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，所述光子晶体滤波器(3)由不同参数的光子晶体带阻滤波器并行排布组成，各带阻滤波器的有效滤波波段相邻而不重复。
3.根据权利要求1所述的基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，所述光子晶体滤波器(3)不同通道的输出端对应红外光强检测阵列(4)上不同的二极管。
4.根据权利要求1所述的基于滤波结构分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，
所述红外光源(1)发出的红外光穿过分析气室(2)后，经光子晶体滤波器(3)不同的通道出射；
光子晶体滤波器(3)各通道出射的红外光在相应的二极管上成像，且其光强由二极管转化为电信号输出至信号处理电路；
二极管上得到的电信号代表滤除相应波长的红外光后的强度，而不同二极管输出信号之差体现了透过气室后的红外光中不同波长的强度之差；
红外光强检测阵列(4)得到的信号为分析气室内气体透射谱的反相信息；
将红外光强检测阵列(4)上采样到的信号与预存的校正模型进行对比，计算出待测气体的红外透射谱，透射谱的吸收峰位置体现了气体种类，透射谱的吸收强度则体现了气体浓度。
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Denomination of invention: Infrared Spectroscopic MEMS Gas Sensor Based on Filter Structure Spectroscopy

Effective date of registration: 20230925

Granted publication date: 20111207

Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Urumqi Branch

Pledgor: Xinjiang Zhongke Silk Road Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980058617

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