CN107328730B - 全集成式红外气体传感器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全集成式红外气体传感器，包括：压电微泵层、气孔层、光腔层、电路层、红外光源、滤光片及红外敏感元，所述电路层用于输出周期性电压时序控制信号至压电微泵层以控制所述压电微泵层进行上抬或下压动作，当所述压电微泵层下压且完全遮蔽气孔层上的气孔时，所述电路层还用于输出控制信号至红外光源以使得所述红外光源发出红外光，所述滤光片用于滤除非被测气体红外特征吸收波段的红外光，所述红外敏感元用于将经过滤光片滤除及经过被测气体吸收之后的红外光转换为电信号，所述电路层还用于对转换后的电信号进行计算处理以获得被测气体的浓度值。本发明还提供了一种全集成式红外气体传感器的工作方法。
Description
技术领域
本发明属于一种气体传感器，具体涉及一种基于可调激光二极管光源的全集成式红外气体传感器。
背景技术
气体传感器在生产现场监测、燃气管网监测、环境监测等领域大量使用，随着物联网、消费电子等新兴产业的飞速发展，人们对空气环境质量的日益关注，气体传感器的应用需求飞速增长。气体传感器是一种可将气体的成分、浓度等信息转换为电信号的器件。气体传感器主要包括半导体型、催化燃烧型和电化学型等种类，该类型气体传感器在使用过程中存在气体选择性差，不同气体之间存在交叉干扰的问题。而红外气体传感器是利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的目标气体进行探测，具有灵敏度高、可靠性好、精确度高以及抗干扰能力强等优点。气体分子在红外波段存在特征吸收，红外气体传感器是利用这种气体分子对红外波段的特征吸收作用来检测特定气体的种类和浓度。在红外气体传感器中，光源发出红外光谱，不同种类的特定气体吸收的的红外光波段不同，因此红外气体传感器用于检测气体分子种类。
当前，红外气体传感器存在集成度低、测量响应时间长、测量精度低等问题。如，中国专利“一种红外气体传感器及检测方法”(201410094249.3)和中国专利“双参考波长红外气体传感器及方法”(201511008910.5)提供的红外气体传感器集成度较低，不能实现消费电子和物联网等对传感器小型化要求高的应用领域。因此，中国专利“一种全集成红外气体传感器”(201510528726.7)提出了一种由硅衬底、红外光源、红外探测器、信号处理电路和微型气室构成的全集成红外气体传感器。现有的全集成红外气体传感器。但该全集成红外气体传感器中气室的进气和出气都使用的是自然扩散方式，由于气孔数量有限，所以该传感器测量响应时间较长。同时，气孔的存在会对使光在传输中产生泄露，降低传感器的精度。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种气体测量种类更加丰富、测量精度更高的红外气体传感器。
本发明所提供的一种全集成式红外气体传感器，包括：压电微泵层、气孔层、光腔层、电路层、红外光源、滤光片及红外敏感元，所述气孔层上设置有若干气孔，所述光腔层上设置有若干微型光槽；所述红外光源及红外敏感元均设置于电路层上，所述气孔层与光腔层相连以形成集成气室，所述压电微泵层设置于气孔层上背离光腔层的一面，且所述压电微泵层的两侧支角连接于气孔层上背离光腔层的一面，所述电路层位于光腔层上背离气孔层的一面，所述电路层还与压电微泵层电连接，所述电路层用于输出周期性电压时序控制信号至压电微泵层以控制所述压电微泵层进行上抬或下压动作，当所述压电微泵层下压且完全遮蔽气孔层上的气孔时，所述电路层还用于输出控制信号至红外光源以使得所述红外光源发出红外光，所述滤光片用于滤除非被测气体红外特征吸收波段的红外光，所述红外敏感元用于将经过滤光片滤除及经过被测气体吸收之后的红外光转换为电信号，所述电路层还用于对转换后的电信号进行计算处理以获得被测气体的浓度值。
其中，所述压电微泵层呈“П”字型。
其中，所述压电微泵层包括第一压电材料、第二压电材料、第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、第一基板及第二基板，所述第一压电材料叠加于第二压电材料的上方，所述第一金属电极位于第一压电材料的顶面且居中位置，所述第二金属电极位于第一压电材料与第二压电材料之间，所述第三金属电极位于第二压电材料的底面且居中位置，所述第一金属电极、第二金属电极及第三金属电极的中点位于同一竖线上，所述第一基板位于第二压电材料的底面左侧，所述第二基板位于第二压电材料的底面右侧。
其中，所述电路层上还设置有光源驱动电路、中央处理器、数字信号处理模块、信号放大模块、压电微泵层电压控制模块及电源管理模块；所述电源管理模块用于为整个全集成式红外气体传感器提供电源管理，所述光源驱动电路用于在接收到中央处理器的控制指令后，驱动红外光源发出红外光，所述压电微泵层电压控制模块用于接收中央处理器的控制指令，并按照对应的时序输出电压至压电微泵层，所述红外光源所发出的红外光进入集成气室被待测气体吸收，之后被滤光片过滤，所述红外敏感元用于将经过被测气体吸收并被滤光片过滤后的红外光的光信号转换为电信号，并将其传输至中央处理器，所述中央处理器通过对电信号的处理和分析，判断出被测气体的浓度。
其中，所述光腔层上开设有光源入射窗口及探测器接收窗口，所述红外光源对准光腔层的光源入射窗口，所述红外敏感元对准光腔层的探测器接收窗口。
其中，所述红外敏感元为热释电探测元件或光伏探测元件。
其中，所述红外敏感元为高灵敏度的热释电敏感单元、高精度的光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管。
其中，所述电路层输出至压电微泵层的每一个周期性电压时序控制信号包括：不输出电压信号至压电微泵层并持续时间t1及输出电压信号至压电微泵层并持续时间t2。
其中，当电路层不输出电压至压电微泵层时，所述压电微泵层不动作；当电路层输出电压至压电微泵层时，所述压电微泵层下压并遮蔽气孔层上所有的气孔。
本发明还提供了一种全集成式红外气体传感器的工作方法，包括：
不输出电压至压电微泵层并持续时间t1；
输出电压至压电微泵层并持续时间t2，以使得压电微泵层被下压且遮蔽气孔层上的所有气孔；
控制红外光源发出红外光；
红外光经进入集成气室；
被测气体吸收红外光；
被吸收后的红外光由滤光片进行过滤；
通过红外敏感元将过滤后的红外光转换为电信号；以及
对转换后的电信号进行计算处理以获得被测气体的浓度值。
本发明所述的全集成式红外气体传感器，其电路层以驱动电路的时序控制压电微泵层的上抬和下压动作，通过压电微泵层的上下振动，提高待测气体进入气孔层和光腔层的效率，缩短全集成红外气体传感器的测量响应时间。综上所述，本发明基于压电微泵的全集成红外气体传感器同自然扩散的红外气体传感器相比，测量响应速度更快，精度更高。
附图说明
图1是本发明所述的一种全集成式红外气体传感器的较佳实施方式的结构示意图。
图2是图1中电路层的具体结构方框图。
图3是图1中压电微泵层的结构示意图。
图4A及图4B是图1中全集成式红外气体传感器的工作状态示意图。
图5是图1中电路层传输至压电微泵层的电压控制时序图。
图6是本发明所述的一种全集成式红外气体传感器的工作方法的较佳实施方式的流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1所示，其为本发明所述的一种基于可调激光二极管光源的全集成式红外气体传感器，所述全集成式红外气体传感器的较佳实施方式包括压电微泵层8、气孔层1、光腔层2、电路层3、红外光源6、滤光片5及红外敏感元35。
所述压电微泵层8由压电材料、电极等结构构成，所述气孔层1为刻蚀有用于气体进出的气孔的硅片，所述光腔层2为刻蚀有微型光槽的硅片，其上还开设有光源入射窗口和探测器接收窗口。所述气孔层1与光腔层2通过键合、粘接等方式形成集成气室。所述电路层3通过SoC形式或SiP形式集成了红外光源6、滤光片5、红外敏感元35及处理电路的硅基片或陶瓷基片，所述红外光源6对准光腔层2的光源入射窗口，所述红外敏感元35对准光腔层2的探测器接收窗口。本实施方式中，所述压电微泵层8采用压电材料，通过电压驱动可上下振动，以将环境中的被测气体主动吸入或排出传感器气室。
所述压电微泵层8呈“П”字型，设置于气孔层1上背离光腔层2的一面，且所述压电微泵层8的两个支脚连接于气孔层1的顶面。
所述电路层3位于光腔层2上背离气孔层1的一面。所述电路层3还与压电微泵层8电连接，所述压电微泵层8接收电路层3输出的周期性电压时序控制信号。当所述压电微泵层8接收到被施加的周期性电压控制信号时，由于压电效应，压电微泵层8中的压电双晶片将发生小挠度弯曲形变，从而进行振动工作。通过压电微泵层8中的压电材料的上下振动，可将环境中的被测气体主动吸入或排出传感器集成气室，且可达到密封的效果。本实施方式中，通过电路层3发出的驱动信号的时序控制可使得压电双晶片的吸气和排气频率与位于电路层3上的红外敏感元的检测时间匹配，当压电双晶片下压、气室吸气且气孔完全遮蔽时，所述红外光源6工作并输出信号；当压电双晶片上抬、气室排气且气孔暴露时，所述红外光源6停止输出信号。
请继续参考图2所示，所述压电微泵层8包括第一压电材料P1、第二压电材料P2、第一金属电极P3、第二金属电极P4、第三金属电极P5、第一基板P6及第二基板P7，所述第一压电材料P1叠加于第二压电材料P2的上方，所述第一金属电极P3位于第一压电材料P1的顶面且居中位置，所述第二金属电极P4位于第一压电材料P1与第二压电材料P2之间，所述第三金属电极P5位于第二压电材料P2的底面且居中位置，所述第一金属电极P3、第二金属电极P4及第三金属电极P5的中点位于同一竖线上。所述第一基板P6位于第二压电材料P2的底面左侧，所述第二基板P7位于第二压电材料P2的底面右侧。
请继续参考图3所示，所述电路层3上通过SoC形式或SiP形式集成了红外光源6、滤光片5、压电微泵层电压控制模块37、光源驱动电路31、中央处理器32、数字信号处理模块33、红外敏感元35、信号放大模块36和电源管理模块38。所述电路层3用于控制输出至压电微泵层8的周期性电压控制信号以控制电压微泵层8的动作，并对应控制红外光源6发出红外光，所述红外敏感元35用于将经过被测气体吸收及经过滤光片5滤除之后的红外光转换为电信号，所述电路层3还用于对转换后的电信号进行计算处理以获得被测气体的浓度值。
具体的，所述电源管理模块38为整个全集成式红外气体传感器提供电源管理。所述中央处理器32和数字信号处理模块33共同协调整个全集成式红外气体传感器的信号控制功能，包括：驱动压电微泵层8的上抬和下压动作、驱动红外光源6和红外敏感元35的信号处理功能等。所述光源驱动电路31用于在接收到中央处理器32的控制指令后，驱动红外光源6发出红外光。所述压电微泵层电压控制模块37用于接收中央处理器32的控制指令，并按照对应的时序输出电压至压电微泵层8。所述红外光源6所发出的红外光进入集成气室经过被测气体吸收后，再经过滤光片5滤除之后(即被滤光片5滤除非被测气体红外特征吸收波段的红外光后)，所述红外敏感元35将过滤后的红外光的光信号转换为电信号，并将其传输至中央处理器32，所述中央处理器32通过对电信号的处理和分析，判断出被测气体的浓度。所述红外敏感元35可采用高灵敏度的热释电敏感单元、高精度的光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管等光伏探测器元件。
请继续参考图4A、图4B及图5所示，其中图4A及图4B为压电微泵层8的工作状态示意图，图5为压电微泵层电压控制模块37所输出的电压时序图。本发明所述的全集成式红外气体传感器在一次测量周期内，电压控制时序包括A、B两个阶段，其中A阶段对应压电微泵层8的上抬动作、B阶段对应压电微泵层8的下压动作。
当电压控制处于A阶段时，即所述压电微泵层电压控制模块37不输出电压至压电微泵层8，此时所述压电微泵层8的状态如图4A所示。当电压控制处于B阶段时，即所述压电微泵层电压控制模块37输出电压至压电微泵层8，此时所述压电微泵层8的状态如图4B所示，即所述压电微泵层8的压电材料接收到来自电路层3的驱动电压Us，其将发生小挠度弯曲，表现为压电微泵层8下压，如此使得气孔层1上的气孔被完全封闭，位于气孔层1与压电微泵层8之间的被测气体被全部挤压到集成气室内。此时，所述中央处理器32向光源驱动电路31发出控制指令以驱动红外光源6发出红外光。该红外光经通过光源入射窗口进入集成气室，被测气体吸收红外光中对应波长的红外光之后，再由滤光片5滤除之后，经由光腔层2上的探测器接收窗口传送至红外敏感元35，所述红外敏感元35将收集红外光的能量，并将能量信号转换为电信号，输入信号放大模块36进行信号放大处理，所述数字信号处理模块33对于放大处理后的电信号进行相应的滤波等处理操作后，将信号送入所述中央处理器32。所述中央处理器32对于处理后的信号进行计算，利用计算公式，最终获得被测气体的浓度值。如此经过多次周期性测量，即可得到被测气体的最终浓度值，并传输给外部系统。
请继续参考图6所示，其为本发明所述的全集成式红外气体传感器的工作方法，包括以下步骤：
步骤S1：控制电路层3不输出电压至压电微泵层8并持续时间t1。
步骤S2：控制电路层3输出电压至压电微泵层8并持续时间t2(其中，所述持续时间t1与t2可相等亦可不等)。此时，所述压电微泵层8被下压且使得气孔层1上的气孔被密封且被测气体被挤入集成气室。
步骤S3：控制红外光源6发出红外光。
步骤S4：红外光经通过光源入射窗口进入集成气室。
步骤S5：被测气体吸收红外光。
步骤S6：被测气体吸收后的红外光由滤光片5滤除。
步骤S7：通过红外敏感元35将过滤后的红外光转换为电信号。
步骤S8：对转换后的电信号进行计算处理以获得被测气体的浓度值。
如此经过多次周期性测量，即可得到被测气体的最终浓度值，并传输给外部系统。
本发明中，所述电路层以驱动电路的时序控制压电微泵层的上抬和下压动作，通过压电微泵层的上下振动，提高待测气体进入气孔层和光腔层的效率，缩短全集成红外气体传感器的测量响应时间。综上所述，本发明基于压电微泵的全集成红外气体传感器同自然扩散的红外气体传感器相比，测量响应速度更快，精度更高。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全集成式红外气体传感器，包括：压电微泵层、气孔层、光腔层、电路层、红外光源、滤光片及红外敏感元，所述气孔层上设置有若干气孔，所述光腔层上设置有若干微型光槽；所述红外光源及红外敏感元均设置于电路层上，所述气孔层与光腔层相连以形成集成气室，所述压电微泵层设置于气孔层上背离光腔层的一面，且所述压电微泵层的两侧支角连接于气孔层上背离光腔层的一面，所述电路层位于光腔层上背离气孔层的一面，所述电路层还与压电微泵层电连接，所述电路层用于输出周期性电压时序控制信号至压电微泵层以控制所述压电微泵层进行上抬或下压动作，当所述压电微泵层下压且完全遮蔽气孔层上的气孔时，所述电路层还用于输出控制信号至红外光源以使得所述红外光源发出红外光，所述滤光片用于滤除非被测气体红外特征吸收波段的红外光，所述红外敏感元用于将经过滤光片滤除及经过被测气体吸收之后的红外光转换为电信号，所述电路层还用于对转换后的电信号进行计算处理以获得被测气体的浓度值。
2.如权利要求1所述的全集成式红外气体传感器，其特征在于：所述压电微泵层呈“П”字型。
3.如权利要求1所述的全集成式红外气体传感器，其特征在于：所述压电微泵层包括第一压电材料、第二压电材料、第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、第一基板及第二基板，所述第一压电材料叠加于第二压电材料的上方，所述第一金属电极位于第一压电材料的顶面且居中位置，所述第二金属电极位于第一压电材料与第二压电材料之间，所述第三金属电极位于第二压电材料的底面且居中位置，所述第一金属电极、第二金属电极及第三金属电极的中点位于同一竖线上，所述第一基板位于第二压电材料的底面左侧，所述第二基板位于第二压电材料的底面右侧。
4.如权利要求1所述的全集成式红外气体传感器，其特征在于：所述电路层上还设置有光源驱动电路、中央处理器、数字信号处理模块、信号放大模块、压电微泵层电压控制模块及电源管理模块；所述电源管理模块用于为整个全集成式红外气体传感器提供电源管理，所述光源驱动电路用于在接收到中央处理器的控制指令后，驱动红外光源发出红外光，所述压电微泵层电压控制模块用于接收中央处理器的控制指令，并按照对应的时序输出电压至压电微泵层，所述红外光源所发出的红外光进入集成气室被待测气体吸收，之后被滤光片过滤，所述红外敏感元用于将经过被测气体吸收并被滤光片过滤后的红外光的光信号转换为电信号，并将其传输至中央处理器，所述中央处理器通过对电信号的处理和分析，判断出被测气体的浓度。
5.如权利要求1所述的全集成式红外气体传感器，其特征在于：所述光腔层上开设有光源入射窗口及探测器接收窗口，所述红外光源对准光腔层的光源入射窗口，所述红外敏感元对准光腔层的探测器接收窗口。
6.如权利要求1所述的全集成式红外气体传感器，其特征在于：所述红外敏感元为热释电探测元件或光伏探测元件。
7.如权利要求6所述的全集成式红外气体传感器，其特征在于：所述红外敏感元为高灵敏度的热释电敏感单元、高精度的光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管。
8.如权利要求1所述的全集成式红外气体传感器，其特征在于：所述电路层输出至压电微泵层的每一个周期性电压时序控制信号包括：不输出电压信号至压电微泵层并持续时间t1及输出电压信号至压电微泵层并持续时间t2。
9.如权利要求8所述的全集成式红外气体传感器，其特征在于：当电路层不输出电压至压电微泵层时，所述压电微泵层不动作；当电路层输出电压至压电微泵层时，所述压电微泵层下压并遮蔽气孔层上所有的气孔。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的全集成式红外气体传感器的工作方法，包括：
不输出电压至压电微泵层并持续时间t1；
输出电压至压电微泵层并持续时间t2，以使得压电微泵层被下压且遮蔽气孔层上的所有气孔；
控制红外光源发出红外光；
红外光经进入集成气室；
被测气体吸收红外光；
被吸收后的红外光由滤光片进行过滤；
通过红外敏感元将过滤后的红外光转换为电信号；以及
对转换后的电信号进行计算处理以获得被测气体的浓度值。
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