CN109768469A - 封装方法、激光器和气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光检测的技术领域，公开了封装方法、激光器和气体检测装置，其中激光器包括半导体激光芯片、用于折转光路的直角微棱镜以及同轴封装的晶体管外壳、球面凸透镜管帽，所述球面凸透镜管帽和所述直角微棱镜配合使所述半导体激光芯片的出射光为平行光。藉由晶体管外壳特殊的特点，激光器无需光学耦合，批量生产难度低，并且激光器出射光为平行光，应用于气体检测装置中能够摒弃参考光束的系统，容易以低成本并实现激光气体传感器的大批量生产。

Description

封装方法、激光器和气体检测装置

技术领域

本发明涉及激光检测的技术领域，尤其涉及高速率半导体激光器封装和气体传感。

背景技术

目前，利用激光气体传感器检测气体浓度是现有常见的检测技术，其原理是利用目标气体对特定波长的激光具有吸收作用，发射器发射激光，并接受反射镜反射的激光，在固定的光程内，通过接收器接受功率，监测目标气体浓度。目标气体可以是甲烷、乙烷、丙烷等气体。

目前的传感行业发射器，主要使用为蝶形激光器和TOSA。其中，蝶形激光器的结构主要是蝶形外壳底部装载TEC，TEC上搭载对应的BASE组件，BASE上搭载了COS、PD、透镜等组件，通过光纤进行输出光。其特点为：输出功率稳定，较大的TEC承载能良好的控制芯片工作环境，输出功率高。其缺点为：由于采用此结构，首先成本很高，其次需光学耦合，生产效率低下，生产周期长，不便于快速量产。TOSA的结构主要是TOSA外壳内部装载TEC，TEC上面搭载着COS和透镜，TOSA外壳镜窗处装有隔离器。其特点为：一定程度上降低了成本，具有较好的输出稳定性。其缺点：成本依然较高，仍需光学耦合，生产效率低，不适合量产。

发明内容

本发明的目的在于提供封装方法、激光器和气体检测装置，旨在解决现有技术中激光传感器生产生本高、生产效率低的问题。

本发明是这样实现的，提供封装方法，用于封装生产激光器，将热敏电阻和半导体激光芯片集成，监控所述半导体激光芯片的温度，通过制冷器控制所述半导体激光芯片的波长；

在所述半导体激光芯片上设置用于折转光路的直角微棱镜，通过晶体管外壳和球面凸透镜管帽将其封装成为激光器，并实现出射光为平行光。

优选的，所述晶体管外壳与所述球面凸透镜管帽采用同轴封装。

本发明还提供了激光器，包括半导体激光芯片、用于折转光路的直角微棱镜以及同轴封装的晶体管外壳、球面凸透镜管帽，所述球面凸透镜管帽和所述直角微棱镜配合使所述半导体激光芯片的出射光为平行光。

与现有技术相比，本发明中的采用晶体管外壳12封装，并且从结构上保证出射光为平行光，具有性能优良、成本低、更适合大批量生产和二次集成等优点。

本发明还提供了气体检测装置，包括激光传感器和权利要求3所述的激光器；所述激光传感器包括气室芯和检测电路，所述气室芯包括用于导入并检测气体的气室，所述气室一端由隔板分隔为入射通道和反射通道，另一端设有用于将入射的激光反射的两反射面，两所述反射面夹角为90度；所述激光器安装于所述入射通道一端，所述反射通道一端安装有激光接收器，所述激光接收器电连接于所述检测电路。

进一步地，所述检测电路包括依次连接的第一刚性电路板、柔性电路板和第二刚性电路板，其中所述第二刚性电路板与所述气室芯平行安装，所述柔性电路板弯折使所述第一刚性电路板安装于所述反射通道的一端。

进一步地，所述气室内安装有压力传感器。

进一步地，所述气室内安装有湿度传感器。

进一步地，所述气室芯包括用于向所述气室导入气体的导气孔。

进一步地，所述激光器、所述激光接收器均采用镀金。

进一步地，所述检测电路灌封阻燃密封胶。

本发明中的气体检测装置，光学系统摒弃的传统的参考光束的系统，采用直接反射接收的系统，无需光学耦合，独特的光学结构以及检测方法使得传感器的可生产性大大提高，容易以低成本并实现激光气体传感器的大批量生产。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光器的爆炸结构示意图；

图2和图3为本发明实施例提供的气室芯的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的检测电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体附图对本实施例的实现进行详细的描述。

实施例一

如图1所示，本实施中提供了封装方法，用于封装生产激光器1，具体包括：将热敏电阻和半导体激光芯片集成在具有热沉结构14的电路基板13上(chip on submount)，热敏电阻实时监控半导体激光芯片(LD芯片)的温度，通过制冷器调整半导体激光芯片的温度，精准控制其波长；

在半导体激光芯片上设置用于折转光路的直角微棱镜131，通过晶体管外壳12(TO管)和球面凸透镜管帽11将其封装成为激光器1，并实现出射光为平行光。

由于在封装的过程中，通过热敏电阻和制冷器的配合，严格控制了温度，实现精准控制半导体光芯片的波长。直角微棱镜131和球面凸透镜管帽11使最终的出射光为平行光，有助于提高检测精度。采用晶体管外壳12封装，相较于蝶形外壳封装技术，具有更低的成本，因此，基于本实施例中封装方法的激光器1，性能优良、成本低、更适合大批量生产和二次集成。

优选的，晶体管外壳12、管座15与球面凸透镜管帽11采用同轴封装，无需耦合工序，在封装工艺上实现简化的同时保证性能不会降低，紧凑的结构使得激光器1本身体积小。

本实施例还提供了激光器1，包括半导体激光芯片、用于折转光路的直角微棱镜131以及同轴封装的晶体管外壳12、球面凸透镜管帽11，球面凸透镜管帽11和直角微棱镜131配合使半导体激光芯片的出射光为平行光。

本实施例中的激光器1，采用晶体管外壳12封装，并且从结构上保证出射光为平行光，具有性能优良、成本低、更适合大批量生产和二次集成等优点。

实施例二

本实施例中提供气体检测装置，包括激光传感器和实施例一中的激光器1，

如图1至图4所示，激光传感器包括气室芯2和检测电路3，其中，气室芯2包括用于导入并检测气体的气室21，气室21一端由隔板213分隔为入射通道211和反射通道212，另一端设有用于将入射激光反射的两反射面25，两反射面25夹角为90度；

激光器1安装于入射通道211一端，反射通道212一端安装有激光接收器，激光接收器电连接于检测电路3。

由于本实施例中的激光器1的出射光为平行光，激光从入射通道211射入后，经过两反射面25的两次反射，从反射通道212射出，出射光方向和入射光方向夹角为180度，最终被激光接收器所接受。激光在气室21内穿过所检测的气体，通过TDLAS检测技术测空气浓度。

TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy的简称，该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量，该技术具体运作机制是成熟现有技术，此处不做赘述。

有上述检测过程可以看出，借助本实施例中的激光传感器和激光器1，能够在复杂环境中，低成本的实现检测气体浓度，例如城市地下管廊、城市地下窨井等易燃易爆、有毒有害气体集中区域。由于激光传感器的整体结构简单，光学系统摒弃的传统的参考光束的系统，采用直接反射接收的系统，无需光学耦合，独特的光学结构以及检测方法使得传感器的可生产性大大提高，实现了激光气体传感器的大批量生产，同时也大大的降低了传感器的价格。

激光传感器的核心器件为基于TO封装的激光器1，使用寿命长。产品测量精度稳定大于1年，实际使用中无需标校。

如图3和图4所示，本实施例中的检测电路3包括依次连接的第一刚性电路板31、柔性电路板32和第二刚性电路板33，其中第二刚性电路板33与气室芯2平行安装，柔性电路板32弯折使第一刚性电路板31安装于反射通道212一端。由于采用了刚性电路板和柔性电路板32组合的方案，使得检测电路3既有刚性电路板的机械强度和贴片性能，又有柔性电路板32的可弯曲性能，使得整块电路的可以按照设计的方向弯曲，适应气室芯2的特殊结构。

上述的检测电路3采用对称结构，结构简单，易于生产加工。

如图3所示，优选的，本实施例中的气室芯2包括用于向气室21导入气体的导气孔22，便于气体进入气室21。

在气室21内还安装有压力传感器24和湿度传感器23。其中，湿度传感器23可以检测模块周围的湿度，监测范围为0-99％RH，可以监测激光传感器是否被水浸泡。压力传感器24检测空气压力，作为空气浓度测量数据的环境数据，并且还能够判断激光传感器所处压力环境是否满足检测需求。

更具体地，本实施例中的激光传感器为所检测的气体为甲烷，检测范围为0-100％甲烷浓度，检测精度0-1％部分为±0.06，1-100％部分为真值的6％。使用温度范围为-10-50℃。使用压强范围为80-120kpa。

本实施例中的反射面25为镀金平面反射镜，机械结构稳定。气室21采用航空铝材，表面做电泳处理，激光器1和激光接收器均采用镀金工艺，检测电路3板灌封阻燃密封胶，传感器与气体接触的部分为纯光学系统。上述表面处理工艺使激光传感器具有优良的防腐蚀性能，能够保证在城市地下管廊、城市窨井等复杂、恶劣的气体环境下依然具有优秀的检测性能和使用寿命。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.封装方法，用于封装生产激光器，其特征在于，将热敏电阻和半导体激光芯片集成，监控所述半导体激光芯片的温度，通过制冷器控制所述半导体激光芯片的波长；

在所述半导体激光芯片上设置用于折转光路的直角微棱镜，通过晶体管外壳和球面凸透镜管帽将其封装成为激光器，并实现出射光为平行光。

2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述晶体管外壳与所述球面凸透镜管帽采用同轴封装。

3.激光器，其特征在于，包括半导体激光芯片、用于折转光路的直角微棱镜以及同轴封装的晶体管外壳、球面凸透镜管帽，所述球面凸透镜管帽和所述直角微棱镜配合使所述半导体激光芯片的出射光为平行光。

4.气体检测装置，其特征在于，包括激光传感器和权利要求3所述的激光器；

所述激光传感器包括气室芯和检测电路，所述气室芯包括用于导入并检测气体的气室，所述气室一端由隔板分隔为入射通道和反射通道，另一端设有用于将入射的激光反射的两反射面，两所述反射面夹角为90度；

所述激光器安装于所述入射通道一端，所述反射通道一端安装有激光接收器，所述激光接收器电连接于所述检测电路。

5.如权利要求4所述的气体检测装置，其特征在于，所述检测电路包括依次连接的第一刚性电路板、柔性电路板和第二刚性电路板，其中所述第二刚性电路板与所述气室芯平行安装，所述柔性电路板弯折使所述第一刚性电路板安装于所述反射通道的一端。

6.如权利要求4或5所述的气体检测装置，其特征在于，所述气室内安装有压力传感器。

7.如权利要求4或5所述的气体检测装置，其特征在于，所述气室内安装有湿度传感器。

8.如权利要求4或5所述的气体检测装置，其特征在于，所述气室芯包括用于向所述气室导入气体的导气孔。

9.如权利要求4或5所述的气体检测装置，其特征在于，所述激光器、所述激光接收器均采用镀金。

10.如权利要求4或5所述的气体检测装置，其特征在于，所述检测电路灌封阻燃密封胶。