CN104655587A - 一种基于mems的超高灵敏气体吸收光谱测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，包括泵浦激光器、光束调制装置、光程池、反射聚焦装置、MEMS微悬臂梁、探测激光器、位置敏感探测器、锁相放大器和中央处理器，所述光程池用于容纳被测气体样品，所述MEMS微悬臂梁由基座以及固定在基座上的双层结构组成，所述双层结构包括黑硅材料层以及形成于黑硅材料层上的金属材料层。本发明还提供一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统的测量方法。本发明采用MEMS技术极大提高了测量灵敏度，扩展了光谱测量范围，同时对环境噪声和振动不敏感，并极大减小了测量系统的体积和重量，使测量系统便携或者手持成为可能。

Description

一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统及方法

技术领域

本发明涉及气体吸收光谱测量技术领域，具体是一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统及方法。

背景技术

随着经济发展，一方面交通、工业产生的大量烟气进入大气中，使大气污染日益严重，另一方面瓦斯、甲醛等有害气体充斥着人们生活的各个方面，时刻危害着人们的生命和健康，因此对有害气体的分析测量尤其重要。

目前，分析测量气体的主要技术有：热导法、电化学法、气相色谱法和红外线吸收法。

热导法根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。热导法应用范围较广，可用于分析氢气、氨气、二氧化碳、二氧化硫和低浓度可燃性气体等。但是热导法对气体的压力波动、流量波动十分敏感，介质中水汽、颗粒等杂质对测量结果影响较大，所以必须安装复杂的采样预处理系统。

电化学法根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分，具有体积小、检测速度快、便携、可现场检测和连续检测等优点。但是电化学法使用成本较大，在实际检测中还会存在取样流量、气体交叉干扰以及预处理等问题。

气相色谱法是将一定量的气体分析物注入到色谱柱中，分析物中的各种不同组分由于分子类型不同就会在不同的时间到达柱的末端，从而得到分离。检测器通过检测色谱柱的流出流从而确定每一个组分的含量。气相色谱法分离效率高、灵敏度高、应用范围广，但是在对组分直接进行定性分析时，必须用已知物或已知数据与相应的色谱峰进行对比，或与其它方法（如质谱、光谱）联用，才能获得直接肯定的结果，在定量分析时，常要用已知物的纯样品对检测后输出的信号进行校正。

红外线吸收法是根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而进行分析测量。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可确定被测气体的浓度。红外线吸收法的使用范围宽，不仅可分析气体成分，也可分析溶液成分，且灵敏度较高，反应迅速，能在线连续指示，也可组成调节系统，因此该方法一直以来都是气体分析检测技术最重要的发展方向之一。

依据这一原理，人们已建立了以光声光谱为代表的高灵敏度吸收测量技术。光声光谱检测是用一束强度周期性调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质产生周期性加热，导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，这就是光声效应。通过改变入射光波长则可测到随波长而变的光声光谱。但是光声光谱技术受到周围环境噪声和振动的影响而受限于各种复杂环境的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统及方法，可广泛应用于室内室外的气体污染等环境监测领域，具有高灵敏度、宽光谱、抗噪声、体积小、重量轻等优点。

本发明的技术方案为：

一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，该系统包括泵浦激光器、光束调制装置、光程池、反射聚焦装置、MEMS微悬臂梁、探测激光器、位置敏感探测器、锁相放大器和中央处理器，所述光程池用于容纳被测气体样品，所述MEMS微悬臂梁由基座以及固定在基座上的双层结构组成，所述双层结构包括黑硅材料层以及形成于黑硅材料层上的金属材料层；所述泵浦激光器的输出端通过光束调制装置与光程池的入光口光路连接，所述光程池的出光口通过反射聚焦装置与MEMS微悬臂梁的黑硅材料层光路连接，所述探测激光器的输出端与MEMS微悬臂梁的金属材料层光路连接，所述位置敏感探测器设置在金属材料层的反射光路上，所述光束调制装置和位置敏感探测器的输出端与锁相放大器的输入端连接，所述锁相放大器的输出端与中央处理器的输入端连接。

所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，该系统还包括光束整形装置，所述光束整形装置设置在泵浦激光器与光束调制装置之间的光路上。

所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，该系统还包括前置信号预处理装置，其输入端与位置敏感探测器的输出端连接，其输出端与锁相放大器的输入端连接；所述前置信号预处理装置包括前置放大器和滤波器。

所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，该系统还包括泵浦激光器控制装置，所述泵浦激光器控制装置的输出端与泵浦激光器的输入端连接。

所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，所述泵浦激光器选用可调谐激光器或超连续激光器。

所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，所述光程池内设有第一反射镜和第二反射镜。

所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，所述反射聚焦装置由第一凹面镜和第二凹面镜组成。

所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，所述黑硅材料层由若干个微锥体结构排列构成。

所述的一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统的测量方法，该方法包括以下步骤：

（1）泵浦激光器发出的泵浦激光束经由光束调制装置调制后进入光程池，在光程池中进行多次反射；

（2）经光程池中的被测气体样品吸收后，从光程池出射的剩余的泵浦激光束通过反射聚焦装置反射聚焦到MEMS微悬臂梁的黑硅材料层上，MEMS微悬臂梁吸收泵浦激光束能量后产生谐振；

（3）探测激光器发出的探测激光束入射到MEMS微悬臂梁的金属材料层上，位置敏感探测器对从金属材料层反射的探测激光束进行检测，产生交流光电流信号；

（4）交流光电流信号经过预处理后进入锁相放大器，同时光束调制装置的频率信号也输入到锁相放大器中，锁相放大器将交流光电流信号解调为光热信号；

（5）中央处理器将光热信号转换为被测气体样品的吸收信号；

（6）调节泵浦激光器的波长，重复上述步骤，得到被测气体样品在一定波长范围内的吸收光谱。

本发明采用MEMS技术极大提高了测量灵敏度，扩展了光谱测量范围，同时对环境噪声和振动不敏感，并极大减小了测量系统的体积和重量，使测量系统便携或者手持成为可能：

（1）本发明采用可调谐激光器或者超连续激光器作为泵浦激光器，能够在一定宽谱范围内测量连续的吸收光谱。

（2）本发明采用光程池作为被测气体样品池，在保证系统体积小型化的情况下，极大地增加了气体吸收的有效光程，提高了系统的测量灵敏度。

（3）本发明采用基于MEMS工艺制备的MEMS微悬臂梁结构作为光吸收的光热转换核心器件，一方面避免了在改变泵浦激光器波长时需要更换相应光谱响应的光电探测器的问题，另一方面缩小了系统体积，使得仪器便携或者手持成为可能。

（4）本发明采用黑硅材料作为MEMS微悬臂梁的光热转换材料，一方面实现了对宽光谱的无选择吸收，满足了宽谱测量的一致性需求，另一方面黑硅材料极低的反射率，提高了光热转换系数，在相等的泵浦光能量下悬臂梁结构的振动幅值显著增大，提高了系统的探测灵敏度。

（5）本发明采用锁相放大原理进行信号检测，对MEMS微悬臂梁结构产生的谐振具有窄带滤波的功能，对周围环境的振动和光噪声不敏感，使得仪器在室内或者室外使用时具有很强的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图；

图2是本发明的系统结构示意图；

图3是本发明的光程池的结构示意图；

图4是本发明的MEMS微悬臂梁的结构示意图；

图5是本发明的MEMS微悬臂梁的测量原理图；

图6是本发明的交流光电流信号测量原理图；

图7是本发明的光热信号和吸收信号测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，包括泵浦激光器1、光束整形装置2、光束调制装置3、光程池4、第一凹面镜5、第二凹面镜6、MEMS微悬臂梁7、探测激光器8、位置敏感探测器9、前置信号预处理装置10、锁相放大器11、中央处理器12和泵浦激光器控制装置13。光程池4用于容纳被测气体样品，其上设有入光口43、出光口44、进气孔45和出气孔46，如图3所示。MEMS微悬臂梁7由基座73和固定在基座73上的双层结构组成，该双层结构包括黑硅材料层71以及形成于黑硅材料层71上的金属材料层72，如图4所示。

泵浦激光器控制装置13的输出端与泵浦激光器1的输入端连接，泵浦激光器1的输出端依次通过光束整形装置2和光束调制装置3与光程池4的入光口43光路连接。光程池4的出光口44通过第一凹面镜5和第二凹面镜6与MEMS微悬臂梁7的黑硅材料层71光路连接。探测激光器8的输出端与MEMS微悬臂梁7的金属材料层72光路连接。位置敏感探测器9设置在金属材料层72的反射光路上，其输出端与前置信号预处理装置10的输入端连接。前置信号预处理装置10的输出端与锁相放大器11的输入端连接，光束调制装置3的输出端与锁相放大器11的输入端连接，锁相放大器11的输出端与中央处理器12的输入端连接。

如图2所示，在实际应用中，前置信号预处理装置10、锁相放大器11和中央处理器12可以集成在主控芯片17上，光束整形装置2、光束调制装置3、光程池4、第一凹面镜5、第二凹面镜6、MEMS微悬臂梁7、探测激光器8、位置敏感探测器9和主控芯片17构成便携式测量仪0。泵浦激光器1发出的泵浦激光束耦合到光纤14中，通过光纤转接头15输入到便携式测量仪0中，然后通过光纤输出头16依次进入光束整形装置2和光束调制装置3，经由光束调制装置3调制后的泵浦激光束通过入光口43进入光程池4。

从光程池4反射出来的泵浦激光束经过第一凹面镜5和第二凹面镜6后，聚焦到MEMS微悬臂梁7的黑硅材料层71上，MEMS微悬臂梁7吸收泵浦激光束能量后产生谐振。探测激光器8发出的探测激光束入射到MEMS微悬臂梁7的金属材料层72上，反射后入射到位置敏感探测器9上。位置敏感探测器9产生的光电流信号经过前置信号预处理装置10的放大、滤波后输入到锁相放大器11中，同时光束调制装置3的调制频率信号也输入到锁相放大器11中，锁相放大器11将光电流信号解调为光热信号。中央处理器12通过一定的算法将光热信号转换为实际的吸收信号。

泵浦激光器1为可调谐激光器或者超连续激光器等，其波长在一定光谱范围内连续可调。泵浦激光器1的波长、功率等参数通过泵浦激光器控制装置13进行控制，从而可以得到被测气体样品在一定波长范围内的吸收光谱。

如图3所示，光程池4是由第一反射镜41和第二反射镜42组成的多次反射式结构。被测气体样品从进气孔45进入光程池4，从出气孔46离开光程池4。泵浦激光束从入光口43进入光程池4，通过第一反射镜41和第二反射镜42的多次反射后从出光口44输出，达到在较小的空间内有效增加光程的目的，一方面减小了系统的体积和重量，另一方面提高了检测灵敏度。

如图4所示，MEMS微悬臂梁7采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）工艺制成，分为双层结构，上层为黑硅材料层71，下层为与黑硅材料热膨胀系数相差较大的金属材料层72，通过基座73固定于一端，形成MEMS微悬臂梁结构。黑硅材料层71主要通过飞秒激光扫描法、化学腐蚀法、等离子体处理法进行制备，在表面形成多个微锥体结构。根据工艺水平不同，锥体高度从几微米到几十微米不等，锥体直径从几百纳米到几微米不等。这种结构的黑硅材料层71具有极低的反射率，提高了光热转换系数，在相等的泵浦光能量下MEMS微悬臂梁结构的振动幅值显著增大，提高了系统的探测灵敏度。另外，黑硅材料层71在近紫外至红外波段具有几乎一致的吸收率，对泵浦激光器1的波长具有无选择吸收特性，能够满足宽谱测量一致性的要求。在黑硅材料层71背面镀上一层厚度很薄、表面光滑的金属材料层72，即得到超薄可弯曲的MEMS微悬臂梁7。

MEMS微悬臂梁7的测量原理如下：

经光程池4中被测气体样品吸收后的泵浦激光束聚焦到MEMS微悬臂梁7的黑硅材料层71上后发生弹性热膨胀，由于黑硅材料层71和金属材料层72的热膨胀系数明显不同而产生谐振。振动幅度与经光程池4中被测气体样品吸收后的光强成单调关系。光程池4中被测气体样品的吸收越大，入射到MEMS微悬臂梁7上的光强越小，MEMS微悬臂梁7的振动幅度越小；反之，光程池4中被测气体样品的吸收越小，入射到MEMS微悬臂梁7上的光强越大，MEMS微悬臂梁7的振动幅度越大。

如图5所示，在MEMS微悬臂梁7的金属材料层72一侧，探测激光器8发出的探测激光束入射到金属材料层72上，由于MEMS微悬臂梁7的谐振，反射光有不同的反射角，通过位置敏感探测器9会产生不同的光电流，从而产生交流变化的光电流信号。

对于光程池4中同一被测气体样品，在不同的波长会有不同的吸收，从而位置敏感探测器9会产生不同振幅的交流光电流信号。如图6所示，被测气体样品在波长λ1处吸收较小，所以入射到MEMS微悬臂梁7上的泵浦激光强度较大，MEMS微悬臂梁7产生的谐振幅度较大，从而交流光电流信号幅值较大。反之，被测气体样品在波长λ2处吸收较大，则产生的交流光电流信号幅值较小。

交流光电流信号经过主控芯片17的前置放大、滤波和锁相放大后，将交流光电流信号解调为光热信号。光热信号为直流信号，与交流光电流信号的幅值成正比关系。如图7所示，被测气体样品在波长λ1处吸收较小，从而交流光电流信号幅值较大，即光热信号较大。反之，被测气体样品在波长λ2处吸收较大，从而产生的交流光电流信号幅值较小，即光热信号较小。最后，主控芯片17中的中央处理器12通过一定的算法将光热信号反演为实际的吸收信号。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，其特征在于：该系统包括泵浦激光器、光束调制装置、光程池、反射聚焦装置、MEMS微悬臂梁、探测激光器、位置敏感探测器、锁相放大器和中央处理器，所述光程池用于容纳被测气体样品，所述MEMS微悬臂梁由基座以及固定在基座上的双层结构组成，所述双层结构包括黑硅材料层以及形成于黑硅材料层上的金属材料层；

所述泵浦激光器的输出端通过光束调制装置与光程池的入光口光路连接，所述光程池的出光口通过反射聚焦装置与MEMS微悬臂梁的黑硅材料层光路连接，所述探测激光器的输出端与MEMS微悬臂梁的金属材料层光路连接，所述位置敏感探测器设置在金属材料层的反射光路上，所述光束调制装置和位置敏感探测器的输出端与锁相放大器的输入端连接，所述锁相放大器的输出端与中央处理器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，其特征在于：该系统还包括光束整形装置，所述光束整形装置设置在泵浦激光器与光束调制装置之间的光路上。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，其特征在于：该系统还包括前置信号预处理装置，其输入端与位置敏感探测器的输出端连接，其输出端与锁相放大器的输入端连接；所述前置信号预处理装置包括前置放大器和滤波器。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，其特征在于：该系统还包括泵浦激光器控制装置，所述泵浦激光器控制装置的输出端与泵浦激光器的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，其特征在于：所述泵浦激光器选用可调谐激光器或超连续激光器。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，其特征在于：所述光程池内设有第一反射镜和第二反射镜。

7.根据权利要求1所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，其特征在于：所述反射聚焦装置由第一凹面镜和第二凹面镜组成。

8.根据权利要求1所述的基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统，其特征在于：所述黑硅材料层由若干个微锥体结构排列构成。

9.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的超高灵敏气体吸收光谱测量系统的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）泵浦激光器发出的泵浦激光束经由光束调制装置调制后进入光程池，在光程池中进行多次反射；

（2）经光程池中的被测气体样品吸收后，从光程池出射的剩余的泵浦激光束通过反射聚焦装置反射聚焦到MEMS微悬臂梁的黑硅材料层上，MEMS微悬臂梁吸收泵浦激光束能量后产生谐振；

（3）探测激光器发出的探测激光束入射到MEMS微悬臂梁的金属材料层上，位置敏感探测器对从金属材料层反射的探测激光束进行检测，产生交流光电流信号；

（4）交流光电流信号经过预处理后进入锁相放大器，同时光束调制装置的频率信号也输入到锁相放大器中，锁相放大器将交流光电流信号解调为光热信号；

（5）中央处理器将光热信号转换为被测气体样品的吸收信号；

（6）调节泵浦激光器的波长，重复上述步骤，得到被测气体样品在一定波长范围内的吸收光谱。