CN111707619A

CN111707619A - 一种基于mems麦克风阵列的光声池及光声光谱传感器

Info

Publication number: CN111707619A
Application number: CN202010460208.7A
Authority: CN
Inventors: 陶继方; 刘俊彦; 许峥
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-09-25

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS麦克风阵列的光声池及光声光谱传感器，光声池包括光声池外壳和位于光声池外壳顶部的窗口片，所述光声池外壳内底部设置底座，所述底座上设置MEMS麦克风阵列，所述底座与窗口片之间填充有标准气体，所述底座底部设有伸出光声池外壳的电极；声光谱传感器包括MEMS红外光源、检测气室和光声池，所述检测气室位于MEMS红外光源和光声池之间。本发明所公开的光声池及光声光谱传感器采用MEMS麦克风阵列作为压力传感器件，可以降低噪声的影响，放大有效信号，实现高精度、高信噪比气体浓度检测效果。

Description

一种基于MEMS麦克风阵列的光声池及光声光谱传感器

技术领域

本发明涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种基于MEMS麦克风阵列的光声池及光声光谱传感器。

背景技术

光声光谱技术可以实现对痕量气体的检测。很多科学研究都集中于对温室效应、酸雨、臭氧层破坏等环境问题的研究，光声光谱可以用来衡量生物发酵、汽车尾气排放造成的污染，以及用于对土壤氮化物，植物生理学、生物系统的氮检测、微生物学和医学上的无损呼吸分析等。

光声光谱技术还可以应用在载人航天、工业安全和工业环境领域，用来分辨和检测爆炸物的存在和杀伤力武器、化学武器等泄漏的微量气体。可应用于密封舱内，例如载人空间站、潜艇、战车、战舰密封舱中环境有害物质的检测。低功耗便携式气体预警器可作为手持蓄电池式仪器由相关人员携带进入一些特殊环境舱室，进行舱内气体定期检测。在变电站变电过程中产生的有害气体和损害器件的气体检测中，也可实时快速的得到结果。

光声光谱(PAS)是一种基于光声效应的吸收光谱技术。通过对单色光源进行调制(强度调制或者波长调制)产生具有声学调制特征的激发光并耦合至光声池中。光声池内特定的气体分子吸收光能后受激发跃迁到振动能级的高能态，进而通过无辐射跃迁将能量转化为平动能，在光声池内形成压力波。利用MEMS麦克风检测压力波的强度，并根据光声信号幅度与入射光强度、气体吸收系数和含量的正比关系，确定光声池内收光激发的气体分子的含量。光声光谱气体传感过程可以简单描述为气体吸收光能产生周期性热膨胀，从而引起微弱的声压波，采用麦克风来探测声压波的涨落来判断气体的浓度。

光声光谱气体检测有灵敏度高、信噪比高、长期稳定性、低检测极限、大动态范围、低数量虚值、能同时检测多种气体、快速响应和时间分辨率等优点。

目前的光声光谱气体传感器技术，主要需要提高信噪比，减少噪声误差和一个仪器可检测多种气体。如要提高测量信号的强度，即系统灵敏度，就要提高激光输出功率、吸收系数以及吸收探测单元的品质因数等。这也就是意味着目前小型化与集成光声光谱气体传感器的声光探测技术的核心是光源选择、吸收单元设计和声光探测器设计。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于MEMS麦克风阵列的光声池及光声光谱传感器，以达到最大化地提高传感器的信噪比，进而提高检测灵敏度的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于MEMS麦克风阵列的光声池，包括光声池外壳和位于光声池外壳顶部的窗口片，所述光声池外壳内底部设置底座，所述底座上设置MEMS麦克风阵列，所述底座与窗口片之间填充有标准气体，所述底座底部设有伸出光声池外壳的电极。

上述方案中，所述标准气体为六氟化硫、一氧化碳、甲烷、二氧化碳中的一种。

上述方案中，所述光声池外壳为不透光、不漏气的坚硬材质。

上述方案中，所述光声池外壳横截面为圆形或者方形。

上述方案中，所述窗口片为透红外晶体材料或透红外玻璃材料。

一种基于MEMS麦克风阵列的光声光谱传感器，包括MEMS红外光源、检测气室和光声池，所述检测气室位于MEMS红外光源和光声池之间，所述光声池为上述的基于MEMS麦克风阵列的光声池。

上述方案中，所述检测气室包括气室外壳，所述气室外壳上设置进气口和出气口，所述检测气室内部充满待测气体。

上述方案中，所述气室外壳侧壁为不透光材质，两端为透光的光学窗口。

上述方案中，所述光声池内的标准气体与检测气室内的待测气体种类相同。

通过上述技术方案，本发明提供的基于MEMS麦克风阵列的光声池及光声光谱传感器采用MEMS麦克风阵列作为压力传感器件，可以降低噪声的影响，放大有效信号，实现高精度、高信噪比气体浓度检测效果。采用MEMS红外光源周期性打光，也起到调制作用。红外光源和麦克风使用的是MEMS器件，有微型化、功能齐全，容易批量生产等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种基于MEMS麦克风阵列的光声池示意图；

图2为本发明实施例所公开的基于MEMS麦克风阵列的光声光谱传感器结构示意图；

图3为本发明实施例的MEMS麦克风阵列图；

图4为多MEMS麦克风阵列图。

图中，1、光声池外壳；2、窗口片；3、底座；4、MEMS麦克风阵列；5、标准气体；6、电极；7、MEMS红外光源；8、检测气室；9、光声池；10、气室外壳；11、进气口；12、出气口；13、待测气体；14、光学窗口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种基于MEMS麦克风阵列的光声池，如图1所示，包括光声池外壳1和位于光声池外壳1顶部的窗口片2，光声池外壳1内底部设置底座3，底座3上设置MEMS麦克风阵列4，底座3与窗口片2之间填充有标准气体5，底座3底部设有伸出光声池外壳1的电极6。

本实施例中，标准气体5为六氟化硫、一氧化碳、甲烷、二氧化碳中的一种。

光声池外壳1为不透光、不漏气的坚硬材质，用于承装标准气体，材质可为钢质、铝合金、内涂层碳钢三种。

光声池外壳1横截面为圆形或者方形。

窗口片2为透红外晶体材料或透红外玻璃材料，前者主要包括氟化镁(MgF₂)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、蓝宝石(Al₂O₃)、硅、紫外光玻璃等。透红外晶体材料普遍具有机械强度高、耐高温性能好的特点，其中透射光谱最宽的硒化锌材料其透射光谱范围为0.5-20um；而后者主要包括氟化物玻璃、氧化物玻璃和氧氟化物玻璃等，透红外玻璃材料普遍具有优异的光学性能和优良的加工性能。

如图3所示，本实施例中，MEMS麦克风阵列4包括4个矩阵排列的MEMS麦克风。也可以为图4所示的多MEMS麦克风阵列。

电极6用于输出嵌入在光声池内部的精度较高的MEMS麦克风阵列4的信号给下一级作信号处理，也起到给其供电的作用。

本发明还提供了一种基于MEMS麦克风阵列的光声光谱传感器，如图2所示，包括MEMS红外光源7、检测气室8和光声池9，检测气室8位于MEMS红外光源7和光声池9之间，光声池9为上述的基于MEMS麦克风阵列的光声池。光声池9的窗口片2正对MEMS红外光源7。

检测气室8包括气室外壳10，气室外壳10上设置进气口11和出气口12，用于引入和引出待测气体13，检测气室8内部充满待测气体13。检测气室8有两个作用：1.用作光学准具，使MEMS红外光源7和光声池9对准，增加耦合效率；2.待测气体13与MEMS红外光源7相互作用的载体。

本实施例中，气室外壳10侧壁为不透光材质，如钢质、铝合金、内涂层碳钢等；气室外壳两端为透光的光学窗口14。

光声池9内的标准气体5与检测气室8内的待测气体13种类相同。

MEMS红外光源7为由实际被测物而定的特殊光源，并在出射时受到来自电路控制的随时间变化的高低电平，以进行电调制。

采用本发明的一种光声信号探测装置可以用于气体检测，此处以检测变电站气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中六氟化硫气体浓度为例进行说明：

当检测六氟化硫气体时，光声池内的标准气体也选择为六氟化硫。

由于六氟化硫(SF₆)气体优良的绝缘、防击穿效应以及灭弧能力，目前变电站内气体绝缘金属封闭开关设备广泛采用六氟化硫气体。现有的基于光声光谱技术的六氟化硫在线监测系统，主要通过光谱红外光源加滤光片配合共振光声池来检测六氟化硫分解后的某种或某几种气体产物，通过检测光声信号的具体量值进而跟踪气体绝缘金属封闭开关设备中的六氟化硫气体浓度来决定是否对仪器进行维护。

在此实例中，待测气体即为从气体绝缘金属封闭开关设备中引出的气体，其中包含六氟化硫及其分解产物，如SO₂，F₂，CO，CO₂等。对于六氟化硫而言，其在6.410um、7.936um、10.526um、11.628um、16.393um处有强吸收峰。将待测气体由进气口引入检测气室。当待测气体中的六氟化硫吸收对应波长的红外光后，入射至光声池中的光强将减弱，由于光声池为密闭装置，因此标准气体选择吸收的上述波长的红外光将减少，微观上表现为待测气体分子产生的光声效应减弱，宏观上表现为光声池内压强变化减小，即MEMS麦克风阵列产生的电压减小。根据电极输出信号幅值的大小即可实现高信噪比目标气体浓度实时监测。

被检测的气体可以随时且不大量的通入检测气室8进行实时快速测量，运用了光声光谱效应，气体吸收光能达到激发态后，释放热量产生膨胀，分子与腔壁接触产生声音，被灵敏的MEMS麦克风接收，最后经数字电路转化为电压形式来展示杂质气体含量。

采用MEMS麦克风作为压力传感器的光声池的检测能力受麦克风噪声的限制。MEMS麦克风内部噪声来源于MEMS结构和ASIC电路，是麦克风与环境声学隔离良好时的主要噪声源。上述原理中，光声池内微观上表现为待测气体分子产生的光声效应减弱，宏观上表现为光声池内压强变化减小，即MEMS麦克风阵列产生的电压减小，因此，我们可以通过声压大小变化来检测待测气体含量。根据麦克风数量与噪声大小的理论分析得出：当M个麦克风连接到一个普通的气体电池时，测到压力信号D*增加了M倍，而内部噪声仅增加

倍。因此，麦克风阵列可以有效提高信噪比(灵敏度/噪声)因此，利用麦克风阵列制作光声池用于气体检测，可以实现高精度、高信噪比气体浓度检测效果。

根据理论分析，多麦克风阵列能测得的最大声压D*，有公式表示如下：

其中，D*为探测最大声压，r是气体比热率，m是每个单元体积麦克风的个数，α是标准气体的吸收系数，C是输入工作周期，P_m是等效压力，以间接表示噪声频谱密度，f是重复频率。

当选用以下参数，P_m＝2 x 10^-4Pa/Hz1/2，α＝1.5em^-1，r＝1.3，f＝5Hz，C＝0.5时，D*有最大值D*＝2.6×10⁹cm·Hz^1/2/W。

由此我们可以简单推算得到每平方厘米的麦克风个数(即麦克风阵列密度)与噪声以及造价的关系，如表1所示。

表1

Microphones/cm<sup>2</sup>	D＊cm·Hz<sup>1/2</sup>/W	$/cm<sup>2</sup>
			1	2.56E+08	$1
10	8.10E+08	$10
			20	1.15E+09	$20
40	1.62E+09	$40
			60	1.98E+09	$60

当麦克风变多时，各种原因的噪声也会变大，但是当麦克风阵列密度从1变到60后，噪声只变大了7.7倍左右，相当于提高了信噪比。当每平方厘米60个麦克风，造价60$/cm²的情况下，其性能可与造价1000$/cm²的未冷却的PbSe或PbS固相检测器相媲美。

因此，此装置用MEMS麦克风，非常微型化、功能齐全并且容易批量生产，也使得整个仪器体积不大容易携带，非常具有实际应用意义。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于MEMS麦克风阵列的光声池，包括光声池外壳和位于光声池外壳顶部的窗口片，其特征在于，所述光声池外壳内底部设置底座，所述底座上设置MEMS麦克风阵列，所述底座与窗口片之间填充有标准气体，所述底座底部设有伸出光声池外壳的电极。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS麦克风阵列的光声池，其特征在于，所述标准气体为六氟化硫、一氧化碳、甲烷、二氧化碳中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS麦克风阵列的光声池，其特征在于，所述光声池外壳为不透光、不漏气的坚硬材质。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS麦克风阵列的光声池，其特征在于，所述光声池外壳横截面为圆形或者方形。

5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS麦克风阵列的光声池，其特征在于，所述窗口片为透红外晶体材料或透红外玻璃材料。

6.一种基于MEMS麦克风阵列的光声光谱传感器，其特征在于，包括MEMS红外光源、检测气室和光声池，所述检测气室位于MEMS红外光源和光声池之间，所述光声池为权利要求1-5任一所述的基于MEMS麦克风阵列的光声池。

7.根据权利要求6所述的一种基于MEMS麦克风阵列的光声光谱传感器，其特征在于，所述检测气室包括气室外壳，所述气室外壳上设置进气口和出气口，所述检测气室内部充满待测气体。

8.根据权利要求6所述的一种基于MEMS麦克风阵列的光声光谱传感器，其特征在于，所述气室外壳侧壁为不透光材质，两端为透光的光学窗口。

9.根据权利要求6所述的一种基于MEMS麦克风阵列的光声光谱传感器，其特征在于，所述光声池内的标准气体与检测气室内的待测气体种类相同。