CN114965338A - 一种红外气体传感器结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外气体传感器结构及其应用，属于传感器技术领域。结构包括PCB基板、气室、MEMS光源和MEMS红外探测器，其中，气室内设置有S型气体吸收腔，气室上设置有透气孔，气室固定于PCB基板，S型气体吸收腔两端对应位置的PCB基板上分别设置有MEMS光源和MEMS红外探测器。本发明通过提高红外光耦合效率和光程提高了红外气体传感器的灵敏度和分辨率，实现红外气体传感器的高集成化。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外气体传感器结构及其应用，属于传感器技术领域。
背景技术
红外气体传感器基本结构由光源、探测器、滤光片和气室组成，相比于电化学式气体传感器、催化式燃烧传感器等传统气体传感器，其具有精度高，可靠性强、寿命长，不易中毒老化等优点，被广泛应用于工业生产，公共场所气体监控等领域。
随着人们对生活环境质量追求的提高，对传感器的精度、灵敏度、分辨率等指标提出了更高的要求。红外气体传感器正逐步朝微型化、高集成度方向发展，追求红外气体传感器的高集成度和微型化使气体传感器的体积受限，目前的红外气体传感器没有充分利用体积空间来设计光学吸收气室，未能取得最大光程，且结构相对简单，未能达到探测器处的最大光耦合效率，从而限制了红外气体传感器的灵敏度和分别率的提升。
红外气体传感器基本理论公式是朗伯-比尔吸收定律，其灵敏度表达式为：S＝dI/dC＝-αLηI0exp(-αCL)。其中α是气体对红外光的吸收系数，C是气体浓度，L是吸收路径长度，I0是初始入射光强，η是系统的光耦合效率。因此，为了提高传感器灵敏度和分辨率，需要从从结构设计出发，以提高红外光耦合效率和光程为手段，设计一种新型红外传感器结构，实现红外气体传感器的高集成化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种红外气体传感器结构，通过提高红外光耦合效率和光程提高了红外气体传感器的灵敏度和分辨率，实现红外气体传感器的高集成化。
本发明还提供上述红外气体传感器结构的应用。
本发明的技术方案如下：
一种红外气体传感器结构，包括PCB基板、气室、MEMS光源和MEMS红外探测器，其中，气室内设置有S型气体吸收腔，气室上设置有透气孔，气室固定于PCB基板，S型气体吸收腔两端对应位置的PCB基板上分别设置有MEMS光源和MEMS红外探测器。
优选的，气室包括上壳和下壳，上壳和下壳上分别设置对应的S型槽，上壳上设置有透气孔，下壳S型槽的两端分别设置有光源窗口和探测器窗口，分别用于安置MEMS光源和MEMS红外探测器。
进一步优选的，探测器窗口内设置有滤光片，传统的传感器在封装探测器时要将滤光片封装在其上面再封装到传感器中，增加了整体探测器的厚度，传感器需要为其需留出足够的空间而导致整体厚度增加。本发明在探测器窗口内部集成滤光片，使得探测器不需要封装滤光片，从而降低了探测器的整体厚度。还可以采用在MEMS红外探测器上镀一层超材料起到滤光片同等效果，采用这种方式使探测器的整体厚度保持不变(超材料厚度≤100μm，超材料为相对介质常数相对较小的介电材料)。
优选的，MEMS光源上方的S型气体吸收腔内和MEMS红外探测器上方的S型气体吸收腔内分别设置有抛物面反射镜。MEMS光源的发散角度为90°，为此，在MEMS光源上方的S型气体吸收腔内设置抛物面反射镜，光源发出光经过抛物面的反射使焦点位于圆柱管道中心，将光源发散光进行汇聚，并向中间的S型气体吸收腔进行传播反射，从光源端反射过来的光在S型气体吸收腔中进行多次反射后，到达MEMS红外探测器上方的抛物面反射镜，抛物面反射镜将来自S型气体吸收腔的光进行二次汇聚后反射到MEMS红外探测器的光学接收面处，通过抛物面反射镜的设计，使得光耦合效率得到提高从而使传感器的灵敏度得到提高。
优选的，S型气体吸收腔表面全部进行镜面抛光，镀层处理，镀层表面涂有保护膜，既减少红外光的损耗，并增强气室的防腐蚀能力。
进一步优选的，镀层材料为金、铝或银等反射率高的金属，保护膜材料为二氧化硅SiO2。
上述红外气体传感器结构的应用，步骤如下：
(1)将MEMS光源和MEMS红外探测器采用贴片形式集成在PCB基板上，通过金线绑定；
(2)将滤光片内嵌在下壳的探测器窗口位置，上壳内的S型槽内设置抛物面反射镜，然后将上壳和下壳通过螺栓对应固定组装为气室，然后将气室固定于PCB基板；
(3)检测时，将红外气体传感器置于检测环境，气体通过透气孔进入气室内的S型气体吸收腔，MEMS红外探测器根据收集的S型气体吸收腔反射光鉴别气体浓度，通过更换不同带宽的滤光片进行不同气体组分的浓度检测。
一种红外气体传感器结构，包括PCB基板、气室、MEMS光源和MEMS红外探测器，其中，气室内设置有贯穿的S型气体吸收腔，气室上设置有透气孔，气室两端分别竖向固定有PCB基板，S型气体吸收腔两端的PCB基板上分别设置有MEMS光源和MEMS红外探测器。
优选的，气室包括上壳和下壳，上壳和下壳上分别设置对应的S型槽，上壳下壳组合在一起形成内部的S型气体吸收腔，腔内壁抛光处理，并镀有高反射率镀层材料(金、银或铝)，提高光在管道内的反射效率，上壳上设置有透气孔，S型气体吸收腔两端分别设置有光源窗口和探测器窗口，分别用于安置MEMS光源和MEMS红外探测器，探测器窗口内设置有滤光片。
优选的，MEMS红外探测器位置处的S型气体吸收腔内设置有复合抛物面聚光器(简称：CPC结构反射镜)，复合抛物面聚光器内抛光处理，并镀有高反射率镀层材料(金、银或铝)，MEMS光源位置处S型气体吸收腔内设置有直径为2mm的圆柱管型反射镜，减少光源处的耦合损耗。S型气体吸收腔一端设置有复合抛物面聚光器，另一端设置圆柱管型反射镜，整体形成闭合的气体流道，大幅提高光耦合效率。
上述红外气体传感器结构的应用，步骤如下：
(1)将上壳和下壳通过螺栓对应固定组装为气室，将目标波长的滤光片内嵌在探测器窗口位置；
(2)将MEMS光源和MEMS红外探测器采用裸芯片贴片形式集成在各自的PCB基板上，通过金线绑定；
(3)将PCB基板贴合气室，通过螺丝锁紧，将PCB基板固定在气室两侧；
(4)检测时，将红外气体传感器置于检测环境，气体通过透气孔进入气室内的S型气体吸收腔，MEMS红外探测器根据收集的S型气体吸收腔反射光鉴别气体浓度。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过提高红外光耦合效率和光程提高了红外气体传感器的灵敏度和分辨率，实现红外气体传感器的高集成化。
2、本发明的MEMS光源和MEMS红外探测器集成设置于PCB基板，没有进行单独的额外封装，为气室提供了更多的设计空间。
3、本发明中，MEMS光源和MEMS红外探测器均采用未封装裸芯片集成于PCB基板，为气室提供了更多的设计空间同时也使得成本得到进一步降低。
4、本发明通过设置抛物面反射镜，使得光耦合效率提高至40％-52％，从而使传感器的灵敏度得到提高。
5、本发明集成度更高、体积更小，使其不但可以适用于当前的市场，更可以适用于对体积和重量要求更高的环境，如航空航天等。
附图说明
图1为本发明的结构拆分示意图；
图2为本发明的剖面示意图；
图3为本发明的下壳结构示意图；
图4为本发明的上壳结构示意图；
图5为本发明的抛物面反射镜侧视和俯视示意图；
图6为本发明的耦合仿真结果示意图；
图7为本发明的实施例2结构拆分示意图；
图8为本发明的实施例2剖面示意图；
图9为本发明的实施例2的耦合仿真示意图
图10为本发明的实施例2的复合抛物面聚光器侧视和俯视示意图
其中：1、PCB基板；2、气室；3、MEMS光源；4、MEMS红外探测器；5、上壳；6、下壳；7、滤光片；8、抛物面反射镜；9、透气孔。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-6所示，本实施例提供一种红外气体传感器结构，包括PCB基板1、气室2、MEMS光源3和MEMS红外探测器4，其中，气室2内设置有S型气体吸收腔，气室2上设置有透气孔9，气室2固定于PCB基板1，S型气体吸收腔两端对应位置的PCB基板1上分别设置有MEMS光源3和MEMS红外探测器4。
气室2包括上壳5和下壳6，上壳5和下壳6上分别设置有对应的S型槽，上壳5上设置有透气孔9，下壳6S型槽的两端分别设置有光源窗口和探测器窗口，分别用于安置MEMS光源和MEMS红外探测器。
探测器窗口内设置有滤光片7，传统的传感器在封装探测器时要将滤光片封装在其上面再封装到传感器中，增加了整体探测器的厚度，传感器需要为其需留出足够的空间而导致整体厚度增加。本发明在探测器窗口内部集成滤光片，使得探测器不需要封装滤光片，从而降低了探测器的整体厚度。还可以采用在MEMS红外探测器上镀一层超材料起到滤光片同等效果，采用这种方式使探测器的整体厚度保持不变(超材料厚度≤100μm，超材料为相对介质常数相对较小的介电材料)。
MEMS光源3上方的S型气体吸收腔内和MEMS红外探测器上方的S型气体吸收腔内分别设置有抛物面反射镜8。MEMS光源的发散角度为90°，为此，在MEMS光源上方的S型气体吸收腔内设置抛物面反射镜，光源发出光经过抛物面的反射使焦点位于圆柱管道中心，将光源发散光进行汇聚，并向中间的S型气体吸收腔进行传播反射，从光源端反射过来的光在S型气体吸收腔中进行多次反射后，到达MEMS红外探测器上方的抛物面反射镜，抛物面反射镜将来自S型气体吸收腔的光进行二次汇聚后反射到MEMS红外探测器的光学接收面处，通过抛物面反射镜的设计，使得光耦合效率得到提高从而使传感器的灵敏度得到提高。
S型气体吸收腔表面全部进行镜面抛光，镀层处理，镀层表面涂有保护膜，既减少红外光的损耗，并增强气室的防腐蚀能力。
镀层材料为金、铝或银等反射率高的金属，保护膜材料为一氧化硅SiO。
上述红外气体传感器结构的应用，步骤如下：
(1)将MEMS光源和MEMS红外探测器采用贴片形式集成在PCB基板上，通过金线绑定；
(2)将滤光片内嵌在下壳的探测器窗口位置，上壳内的S型槽内设置抛物面反射镜，然后将上壳和下壳通过螺栓对应固定组装为气室，然后将气室固定于PCB基板；
(3)检测时，将红外气体传感器置于检测环境，气体通过透气孔进入气室内的S型气体吸收腔，MEMS红外探测器根据收集的S型气体吸收腔反射光鉴别气体浓度，通过更换不同带宽的滤光片进行不同气体组分的浓度检测。
本实施例的耦合仿真结果如图6所示，其光耦合效率达40％。
实施例2：
如图7-10所示，本实施例提供一种红外气体传感器结构，包括PCB基板1、气室2、MEMS光源3和MEMS红外探测器4，其中，气室2内设置有贯穿的S型气体吸收腔，气室2上设置有透气孔9，气室2两端分别竖向固定有PCB基板1，S型气体吸收腔两端的PCB基板上分别设置有MEMS光源3和MEMS红外探测器4。
气室2包括上壳5和下壳6，上壳5和下壳6上分别设置对应的S型槽，上壳下壳组合在一起形成内部的S型气体吸收腔，腔内壁抛光处理，并镀有高反射率镀层材料(金、银或铝)，提高光在管道内的反射效率，上壳5上设置有透气孔9，S型气体吸收腔两端分别设置有光源窗口和探测器窗口，分别用于安置MEMS光源3和MEMS红外探测器4，探测器窗口内设置有滤光片。
MEMS红外探测器4位置处的S型气体吸收腔内设置有复合抛物面聚光器(简称：CPC结构反射镜)，结构如图10所示，复合抛物面聚光器内抛光处理，并镀有高反射率镀层材料(金、银或铝)，MEMS光源3位置处S型气体吸收腔内设置有直径为2mm的圆柱管型反射镜，减少光源处的耦合损耗。S型气体吸收腔一端设置有复合抛物面聚光器，另一端设置圆柱管型反射镜，整体形成闭合的气体流道，大幅提高光耦合效率。
上述红外气体传感器结构的应用，步骤如下：
(1)将上壳和下壳通过螺栓对应固定组装为气室，将目标波长的滤光片内嵌在探测器窗口位置；
(2)将MEMS光源和MEMS红外探测器采用裸芯片贴片形式集成在各自的PCB基板上，通过金线绑定；
(3)将PCB基板贴合气室，通过螺丝锁紧，将PCB基板固定在气室两侧；
(4)检测时，将红外气体传感器置于检测环境，气体通过透气孔进入气室内的S型气体吸收腔，MEMS红外探测器根据收集的S型气体吸收腔反射光鉴别气体浓度。
本实施例的耦合仿真结果如图9所示，其光耦合效率达到52％。
Claims (10)
1.一种红外气体传感器结构，其特征在于，包括PCB基板、气室、MEMS光源和MEMS红外探测器，其中，气室内设置有S型气体吸收腔，气室上设置有透气孔，气室固定于PCB基板，S型气体吸收腔两端对应位置的PCB基板上分别设置有MEMS光源和MEMS红外探测器。
2.如权利要求1所述的红外气体传感器结构，其特征在于，气室包括上壳和下壳，上壳和下壳上分别设置对应的S型槽，上壳上设置有透气孔，下壳S型槽的两端分别设置有光源窗口和探测器窗口，分别用于安置MEMS光源和MEMS红外探测器。
3.如权利要求2所述的红外气体传感器结构，其特征在于，探测器窗口内设置有滤光片。
4.如权利要求3所述的红外气体传感器结构，其特征在于，MEMS光源上方的S型气体吸收腔内和MEMS红外探测器上方的S型气体吸收腔内分别设置有抛物面反射镜。
5.如权利要求1所述的红外气体传感器结构，其特征在于，S型气体吸收腔表面全部进行镜面抛光，镀层处理，镀层表面涂有保护膜；
优选的，镀层材料为金、铝或银，保护膜材料为一氧化硅。
6.如权利要求4所述的红外气体传感器结构的应用，其特征在于，步骤如下：
(1)将MEMS光源和MEMS红外探测器采用贴片形式集成在PCB基板上，通过金线绑定；
(2)将滤光片内嵌在下壳的探测器窗口位置，上壳内的S型槽内设置抛物面反射镜，然后将上壳和下壳通过螺栓对应固定组装为气室，然后将气室固定于PCB基板；
(3)检测时，将红外气体传感器置于检测环境，气体通过透气孔进入气室内的S型气体吸收腔，MEMS红外探测器根据收集的S型气体吸收腔反射光鉴别气体浓度，通过更换不同带宽的滤光片进行不同气体组分的浓度检测。
7.一种红外气体传感器结构，其特征在于，包括PCB基板、气室、MEMS光源和MEMS红外探测器，其中，气室内设置有贯穿的S型气体吸收腔，气室上设置有透气孔，气室两端分别竖向固定有PCB基板，S型气体吸收腔两端的PCB基板上分别设置有MEMS光源和MEMS红外探测器。
8.如权利要求7所述的红外气体传感器结构，其特征在于，气室包括上壳和下壳，上壳和下壳上分别设置对应的S型槽，上壳上设置有透气孔，S型气体吸收腔两端分别设置有光源窗口和探测器窗口，分别用于安置MEMS光源和MEMS红外探测器，探测器窗口内设置有滤光片。
9.如权利要求8所述的红外气体传感器结构，其特征在于，MEMS红外探测器位置处的S型气体吸收腔内设置有复合抛物面聚光器，MEMS光源位置处S型气体吸收腔内设置有圆柱管型反射镜。
10.一种如权利要求9所述的红外气体传感器结构的应用，其特征在于，步骤如下：
(1)将上壳和下壳通过螺栓对应固定组装为气室，将目标波长的滤光片内嵌在探测器窗口位置；
(2)将MEMS光源和MEMS红外探测器采用贴片形式集成在各自的PCB基板上，通过金线绑定；
(3)将PCB基板贴合气室，通过螺丝锁紧，将PCB基板固定在气室两侧；
(4)检测时，将红外气体传感器置于检测环境，气体通过透气孔进入气室内的S型气体吸收腔，MEMS红外探测器根据收集的S型气体吸收腔反射光鉴别气体浓度。
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