CN102235969B - 多通道滤波阵列mems光谱式气敏传感器 - Google Patents

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本发明公开了一种多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，通过分析待测气体的红外透射谱，确定所测气体的种类和浓度，该传感器由制作在硅衬底上的光源(1)、气室(2)、一维光子晶体滤波阵列(3)、红外光强检测阵列(4)构成，其中，光源(1)发出的红外光进入气室(2)，与待测气体相互作用后，通过一维光子晶体滤波阵列(3)不同的滤波通道出射；各滤波通道出射的光强信号在红外光强检测阵列(4)对应的不同检测单元上分别转化为电信号输出，不同位置的检测单元输出的信号强度体现了待测气体对不同波长的红外光的吸收情况，通过测量待测气体的透射谱，并与预存图谱特征比较，借助化学计量学算法，可判断气体成分并确定其浓度。

Description

多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器
技术领域
本发明涉及气敏传感器技术领域，尤其涉及一种多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，该传感器通过检测待测气体的红外透射谱，结合化学计量学方法，确定待测气体的种类和浓度。有效解决现有气敏传感器选择性低、抗干扰性差的问题，并且其制作与标准CMOS工艺兼容，便于实现片上集成。
背景技术
随着社会不断进步，气敏传感器在制药、医学检测、食品行业、石化、海关、煤矿等领域的应用越来越重要。传统的气敏传感器体积大功耗高，灵敏度低且使用不便，难于推广；敏感膜类MEMS气敏传感器体积小功耗低，但此类传感器往往存在灵敏度与寿命难以折中的困难，且所能检测的气体种类受敏感膜材料性能的影响。对于新发现的一些物质，很难找到特异性强的功能材料。
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大发展方向，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、选择性差、加工复杂、成本高等问题，本发明提供了一种多通道滤波阵列MEMS气敏传感器，以满足人们对于气体环境方便、快速、准确检测的要求。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，通过分析待测气体的红外透射谱，确定所测气体的种类和浓度，该传感器由制作在硅衬底上的光源1、气室2、一维光子晶体滤波阵列3、红外光强检测阵列4构成，其中，光源1发出的红外光进入气室2，与待测气体相互作用后，通过一维光子晶体滤波阵列3不同的滤波通道出射；各滤波通道出射的光强信号在红外光强检测阵列4对应的不同检测单元上分别转化为电信号输出，不同位置的检测单元输出的信号强度体现了待测气体对不同波长的红外光的吸收情况，通过测量待测气体的透射谱，并与预存图谱特征比较，借助化学计量学算法，可判断气体成分并确定其浓度。
上述方案中，所述光源1为热辐射光源，由多晶硅电阻桥及互联线和相关引线等构成，将电功转化为热辐射，为传感器提供宽谱红外能量。
上述方案中，所述气室2为硅片上刻蚀出的气体通道，与测量环境相通。
上述方案中，所述一维光子晶体滤波阵列3为硅片上刻蚀出的一系列深槽。
上述方案中，所述一维光子晶体滤波阵列3由针对不同波长的窄带带通滤波器并行排列而成。
上述方案中，所述一维光子晶体滤波阵列3所包括的窄带带通滤波器，由两个或两个以上按照不同周期排列的硅槽形成一维光子晶体级联构成。
上述方案中，所述不同周期的硅槽序列之间通过在硅片上刻蚀出的硅波导级联。
上述方案中，所述窄带带通滤波器输入输出信号通过光波导耦合。
上述方案中，所述红外光强检测阵列4为光电二极管线形阵列，可将入射其上的红外信号强度化为电信号输出。
上述方案中，所述一维光子晶体滤波阵列3的不同滤波通道的输出端与所述红外光强检测阵列4上不同的检测单元一一对应。
(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)本发明提供的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，将光谱分析的检测手段应用于MEMS气敏传感器，克服了敏感膜类MEMS气敏传感器选择性差、易中毒、依赖敏感材料等缺点，具有灵敏度高、寿命长、使用范围广等优势。
(2)本发明提供的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，通过多条并行窄带带通滤波通道，将穿透待测气体的红外光在空间上展开，并由对应的红外光强检测阵列将红外信号序列转换为电信号序列输出，利用气体的红外透射谱确定气体的种类及其浓度。
(3)本发明提供的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，参数调整灵活，无可动结构，工艺简单，有效改善现有微型光谱分析器件分辨率低，分析范围狭窄、制作工艺复杂、稳定性差等问题，易于批量制作。
(4)本发明提供的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，与标准CMOS工艺兼容，可与信号处理、数据存储、数据计算等功能模块单片集成，实现低成本智能化微型传感系统片上集成。
附图说明
图1为本发明提供的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器平面结构示意图；
图2为本发明提供的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器一维光子晶体滤波阵列结构示意图；
图3为本发明提供的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器滤波通道结构示意图。
图中，光源1、气室2、一维光子晶体滤波阵列3、红外光强检测阵列4、光子晶体滤波通道301、耦合光纤302、耦合波导303、光子晶体周期序列304。
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为本发明提供的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器平面结构示意图，该传感器由制作在硅衬底上的光源1、气室2、一维光子晶体滤波阵列3、红外光强检测阵列4构成，其中，光源1发出的红外光进入气室2，与待测气体相互作用后，通过一维光子晶体滤波阵列3不同的滤波通道出射；各滤波通道出射的光强信号在红外光强检测阵列4对应的不同检测单元上分别转化为电信号输出，不同位置的检测单元输出的信号强度体现了待测气体对不同波长的红外光的吸收情况，通过测量待测气体的透射谱，并与预存图谱特征比较，借助化学计量学算法，可判断气体成分并确定其浓度。
光源1为热辐射光源，由制作在硅衬底上的多晶硅电阻桥构成，该结构周围镂空，固支端与衬底互联并与引线形成欧姆接触。所述电阻桥通电后，将电功率转化为焦耳热，并按照普朗克黑体辐射定律为传感器提供红外能量。气室2为硅片上刻蚀出的气体通道，与测量环境相通。
如图2所示，一维光子晶体滤波阵列3由一系列并行排布的光子晶体窄带带通滤波器构成。各滤波通道允许通过的红外光波段相邻而不重复，使宽谱入射光通过该滤波阵列后，按照不同的波长在空间展开。
如图3所示，滤波通道301由两个或两个以上一维光子晶体滤波器级联而成。所述一维光子晶体滤波器，由制作在硅衬底上的周期性硅槽序列304构成，不同滤波器的周期依照其所处理的红外光波长变化。滤波通道通过耦合光纤302在光路内与其他元件互联，而逐级滤波的滤波器则通过硅波导303级联。
一维光子晶体滤波阵列3为硅片上刻蚀出的一系列深槽，由针对不同波长的窄带带通滤波器并行排列而成。一维光子晶体滤波阵列3所包括的窄带带通滤波器，由两个或两个以上按照不同周期排列的硅槽形成一维光子晶体级联构成，不同周期的硅槽序列之间通过在硅片上刻蚀出的硅波导级联，窄带带通滤波器输入输出信号通过光波导耦合。红外光强检测阵列4为光电二极管线形阵列，可将入射其上的红外信号强度化为电信号输出。一维光子晶体滤波阵列3的不同滤波通道的输出端与红外光强检测阵列4上不同的检测单元一一对应。
光源发出的红外光进入气室2后，与其内的待测气体相互作用，穿过气室2后，进入一维光子晶体滤波阵列3不同通道的入射端，出射光在红外检测阵列4的各检测单元上成像，且其强度转化为电信号输出。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)

1.一种多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，通过分析待测气体的红外透射谱，确定所测气体的种类和浓度，其特征在于，该传感器由制作在硅衬底上的光源(1)、气室(2)、一维光子晶体滤波阵列(3)、红外光强检测阵列(4)构成，其中，光源(1)发出的红外光进入气室(2)，与待测气体相互作用后，通过一维光子晶体滤波阵列(3)不同的滤波通道出射；各滤波通道出射的光强信号在红外光强检测阵列(4)对应的不同检测单元上分别转化为电信号输出，不同位置的检测单元输出的信号强度体现了待测气体对不同波长的红外光的吸收情况，通过测量待测气体的透射谱，并与预存图谱特征比较，借助化学计量学算法，可判断气体成分并确定其浓度；
其中，所述光源(1)为热辐射光源，由多晶硅电阻桥及互联线和相关引线构成，将电功转化为热辐射，为传感器提供宽谱红外能量；
所述一维光子晶体滤波阵列(3)为硅片上刻蚀出的一系列深槽，由针对不同波长的窄带带通滤波器并行排列而成，该窄带带通滤波器由两个或两个以上按照不同周期排列的硅槽形成一维光子晶体级联构成，其中所述不同周期的硅槽序列之间通过在硅片上刻蚀出的硅波导级联，且该窄带带通滤波器输入输出信号通过光波导耦合。
2.根据权利要求1所述的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，其特征在于，所述气室(2)为硅片上刻蚀出的气体通道，与测量环境相通。
3.根据权利要求1所述的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，其特征在于，所述红外光强检测阵列(4)为光电二极管线形阵列，可将入射其上的红外信号强度化为电信号输出。
4.根据权利要求1所述的多通道滤波阵列MEMS光谱式气敏传感器，其特征在于，所述一维光子晶体滤波阵列(3)的不同滤波通道的输出端与所述红外光强检测阵列(4)上不同的检测单元一一对应。
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