CN105486654B - 基于超材料的可调非色散红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超材料的可调非色散红外气体传感器，适用于气体检测领域，包括一个基于超材料的自选频红外源、一个红外探测器、一个光通道气体吸收腔、两块滤光片。两个滤光片分别位于光通道气体吸收腔两端，基于超材料的自选频红外源和红外探测器分别固定在该气体传感器的内部两端，并且两块滤光片、自选频红外源发射面和红外探测器接收面相互平行，并与光通道气体吸收腔的中心轴线垂直。本发明通过对超材料两个电极施加不同模式的驱动电压，输出不同中心波长的窄带宽准单色红外光，实现红外源的自选频功能，并对应不同气体分子的红外光谱选择吸收特性，实现对不同气体的可调探测。

Description

基于超材料的可调非色散红外气体传感器

技术领域

本发明设计气体检测领域，是一种可对不同气体进行可调检测的非色散红外气体传感器。

背景技术

人们越来越注重生活的质量，密切关注周围环境的微小变化，其中对环境中气体的成份和含量就是其中一个重要指标。因此人们需要对生活环境中的气体进行实时监控显得至关重要，比如空气中粉尘浓度监控，“温室气体”中CO₂、CH₄气体，以及有害气体等等。

在工业生产中，对于气体浓度的监控显得更为重要，很多生产的工艺过程中，都难免会受到不同类型的气体的干扰，如果不能对这些气体的浓度进行实时监控，将无法达到正常的工业生产的目的；甚至在不少生产过程中如果某种气体浓度过高，会产生爆炸等工业事故，例如矿井中的瓦斯气体浓度的监控。

在国防建设中，气体传感器主要体现在对生化武器的监测方面。现在的军事科技趋于多元化格局，其中采用毒气，细菌等方式对敌方采取的攻击的方式都成为了可能，这样对在未来战争中周围气体浓度的实时监控也非常必要，例如类神经类毒气可以在人吸入级别的含量就能导致人们丧失行动能力。

气体传感器在医疗诊断、食品制造、污染监测、火灾预报等方面都有着广泛的应用。不同领域的应用要求探测器能探测的气体体积分数从10^-9量级到10^-4级，甚至要求能进行多组分混合气体的实时监测，对探测器的要求也越来越高。并且随着半导体技术和网络通讯技术的发展，气体传感器也存在巨大的发展潜力，并趋于微型化，集成化，高精度并且低成本方向发展。

常用的气体传感器检测方法主要有红外吸收光谱法、电化学法和化学传感器法等。与后两种方法比较，红外吸收光谱法具有很多优点：精度和灵敏度高、测量范围宽、响应速度快、良好的选择性、稳定性和可靠性好、可实现多组分气体同时测量、能够连续分析和自动控制。红外吸收光谱法分为非色散红外吸收光谱法和色散红外吸收光谱法，其中色散红外吸收光谱法主要用于工作条件很好的实验室，而非色散红外吸收光谱法相比具有更高的灵敏度和稳定性，广泛用于各种工作环境，因此受到各国重视。

一般的非色散红外气体传感器是从光源发射出的连续光谱全部通过固定厚度的含有被测气体混合组分的气体层，由于被测气体的浓度不同，吸收固定红外线的能量就不同，因而损耗的能量就不同。计算红外光经过一定浓度气体后的能量，经过滤光片后，特殊结构的红外热电探测器将能量转换成为电压信号，进而测定能量参数和温度参数以完成对气体的定量分析。本发明中，采用独特的基于超材料的自选频红外源，并且通过改变超材料的电压偏置方式，来改变输出的窄带宽准单色红外光的中心波长，使其中心波长对应于所检测不同气体吸收谱的中心波长，再经过滤光片对可见光部分噪声的过滤，通过红外探测器将光信号转换成电信号，以达到可调检测的目的。

发明内容

本发明的红外源采用的是基于超材料的自选频红外源，通过改变超材料的电压偏置方式，实现红外源的自选频功能，以对应不同气体的红外吸收光谱中心波长，达到红外探测器对不同气体的可调探测的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的基于超材料的可调非色散红外气体传感器，包括一个基于超材料的自选频红外源，一个红外探测器，两片遮光片和外壳。

本发明所述的外壳为一筒体结构，由一种金属材料制成，包括两个基座和一个光通道气体吸收腔。其特征在于，本发明所述的红外气体传感器的外壳内侧采用了金属抛光工艺，降低了内侧表面的粗糙度。

本发明所述的两个基座，大小和形状一样，位于本发明所述的传感器两端，分别用来固定基于超材料的自选频红外源和红外探测器。

本发明所述的光通道气体吸收腔上下两端各有一个通气孔，分别作为气体入口和气体出口。

本发明所述的基于超材料的自选频红外源包括微热源层和自选频结构层。

进一步地，本发明所述的微热源层包括基底、4个电极、热源线圈、空腔；本发明所述的自选频结构层包括基底、两个电极和电开口谐振环阵列。热源线圈的两端分别与微热源层上的两个电极相连，自选频结构层的两个电极分别于微热源层上的另外两个电极相连。其中对热源线圈连接的两个电极加载驱动电压，热源线圈产生热量，使基于超材料的自选频红外源温度上升；对自选频结构层的两个电极分别加载不同的偏置电压，输出不同中心波长的窄带宽准单色红外光，实现基于超材料自选频红外源的自选频功能。

本发明所述的遮光片，位于光通道气体吸收腔的两端，遮光片仅允许红外波段透过。

本发明所述的遮光片和基座之间由橡胶材料的密封圈进行粘结固定。

进一步地，基于超材料的自选频红外源的发光面与红外探测器的接收面相互对立，且与光通道气体吸收腔的中心轴线垂直。

附图说明

图1为基于超材料的可调非色散红外气体传感器的剖面结构示意图

图2为基于超材料的自选频红外源的微热源层上视图

图3为基于超材料的自选频红外源的自选频结构层上视图

图4为自选频结构层的开口谐振环在无偏置电压时的示意图

图5为自选频结构层的开口谐振环在有偏置电压时的示意图

具体实施方式

本发明提供一种基于超材料的可调红外气体传感器，采用基于超材料的自选频红外源可调节发出不同中心波长的窄带宽准单色红外光，实现对不同气体的可调探测。

一种基于超材料的可调红外气体传感器，有一种金属材料制成的外壳，包括基座1、基座2、光通道气体吸收腔外壳5；遮光片6、遮光片7，分别位于气体吸收腔5的两端；密封圈4、密封圈8分别用来粘结基座1、遮光片6和基座2、遮光片8；光通道气体吸收腔外壳5上下两端分别有气体入口9和气体出口10，以保证气体吸收腔3中始终含有待测气体；基于超材料的自选频红外源11固定在基座1上，红外探测器12固定在基座2上，并且自选频红外源11的发射面和红外探测器12的接收面共有一条中心垂直线，如图1所示。

本发明所述的基于超材料的自选频红外源11，包括微热源层和自选频结构层。

本发明所述的微热源层，如图2所示，包括电极13、电极14、电极15、电极16、基底17、热源线圈18、空腔19。热源线圈18的两端分别与电极13和电极15相连。

本发明所述的自选频结构层，包括基底20、电极21、电极22和构成点电开口谐振环阵列的电开口谐振环23。本发明所述的电开口谐振环阵列，与电极21和电极22相连，如图3所示。

本发明所述的电开口谐振环23，如图4所示，包括基底20、大热膨胀系数材料层24、悬臂25和金属层26。其中金属层26与电极21或电极22相连。

进一步地，金属层26所连电极21或电极22无偏置电压时，悬臂25平铺于基底20上，如图4所示；对金属层26所连电极21或电极22加载偏置电压时，悬臂25的金属层26和大热膨胀系数层24温度升高，由于大热膨胀系数层24的热膨胀系数大于金属层，悬臂25与基底20分离，向上弯曲，如图5所示。

更进一步地，本发明所述的自选频结构层置于本发明所述的微热源层之上，并且自选频结构层的电极21与微热源层电极14相连，自选频结构层的电极22与微热源层的电极16相连。

为实现基于超材料的自选频红外源的自选频功能，具体实现方式如下：

对微热源层的电极13和电极15加载驱动电压，使自选频红外源的温度升高。

同时，对电极14和电极16加载偏置电压，当对电极14和电极16加载的偏置电压均为“0”时，基于超材料的自选频红外源发出窄带宽准单色红外光的中心波长为λ₁；当对电极14和电极16加载的偏置电压分别为“0”和“1”或“1”和“0”时，基于超材料的自选频红外源发出的窄带宽准单色红外光的中心波长为λ₂；当对电极14和电极16加载的偏置电压分别为“1”和“1”时，基于超材料的自选频红外源发出的窄带宽准单色红外光的中心波长为λ₃。从而使得基于超材料的自选频红外源实现自选频功能。

本发明所述的基于超材料的可调红外气体传感器，待测气体由气体入口9进入光通道气体吸收腔内3内，基于超材料的自选频红外源发出的窄带宽准单色红外光经过滤光片6后，滤掉可见光噪声部分。通过调节加载在电极14和电极16的偏置电压，使窄带宽准单色红外光的中心波长对应不同待测气体的红外光谱吸收波长。被吸收的红外光谱通过滤光片7再次过滤可见光噪声部分，由红外探测器12接收，并将光信号转换成电信号输出，实现对不同气体的可调探测。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于超材料的可调非色散红外气体传感器，其特征在于：包括基于超材料的自选频红外源、红外探测器、遮光片和外壳；

所述外壳包括光通道气体吸收腔外壳和两个基座，其中光通道气体吸收腔的上下两端分别有气体入口和气体出口；

所述的基于超材料的自选频红外源固定在所述的一个基座上，包括微热源层和自选频结构层；

所述自选频结构层包括基底、大热膨胀系数材料、金属层、两个电极和电开口谐振环阵列。

2.如权利要求1所述的基于超材料的可调非色散红外气体传感器，其特征在于：所述遮光片位于光通道气体吸收腔两端，用于过滤可见光噪声部分。

3.如权利要求1所述的基于超材料的可调非色散红外气体传感器，其特征在于：所述微热源层包括基底、4个电极、空腔和热源线圈，其中热源线圈两端分别与两个电极相连。