CN116165146A - 一种光声光谱式多气体mems微型气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，包括封装管壳，封装管壳的空腔内分别设置有集成电路芯片、MEMS红外光源和MEMS压力传感器，集成电路芯片、MEMS红外光源和MEMS压力传感器之间电连接，集成电路芯片用于控制MEMS红外光源的工作状态，并读取MEMS压力传感器的输出信号，MEMS红外光源用于将电学信号转换为光学信号，MEMS压力传感器用于将声学信号转换为电学信号。本发明具有体积小、成本低、精度高、可靠性好等优势，可以实现多种气体的实时监测，具有较好的应用前景。

Description

一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器。
背景技术
光声光谱法是一种高灵敏度痕量气体检测方法，通过测量气体因吸收特定波长光波产生的声学信号来测算气体的浓度，因而具有背景噪声低、响应速度快、气体选择性好优势，在工业气体排放监测、大气环境监测、室内空气质量监测等领域具有广阔的应用前景。
当前光声光谱式气体传感系统大多采用昂贵的高性能激光源、精密的光路设计和大体积光声池，如采用了多个分布式反馈激光器和超高频锁相放大器、采用了高功率可调谐二极管激光器、采用了凹面镜双光程光路设计、采用了双腔体光声池设计，以上方案均导致气体传感系统成本高昂、体积庞大、结构复杂，严重制约了其大规模应用。在集成化与小型化方面，现有提出了激光器、光学镜片、光电探测器、声光转换电路等元件的集成化设计方案，但系统体积依然在几十厘米级别。还有基于光纤和硅悬臂梁结合的光声光谱式气体传感器，上述方案虽然将敏感头的体积缩减至厘米级别，但仍无法避免的使用了复杂光路和成本较高的激光器。国外提出了一类新型MEMS小型化光声光谱气体传感器，尽管解决了体积与成本的问题，其无法同时实现多气体组分同时敏感，且受限于封装结构，无法适用于工业场景下的恶劣工况。
在多气体组分气体传感方面，常见做法是将麦克风封装于充满待测气体成分的密闭腔内，MEMS红外光源置于腔体外部，当吸收路径上存在待测气体时，将降低密闭腔内产生的光声信号，然而，该方案不仅削弱了光声光谱敏感方法背景噪声低的优势，还增加了密封封装产生的工艺成本，且气室漏气会导致传感器的长期性能漂移。调整光源波长以实现多气体组分敏感是另一种思路，引入了多波长可调谐激光器阵列或堆叠式滤光器以实现光源波长切换，但现有方法依赖复杂的控制系统和精密的光路、结构设计，依然不适用于大规模应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，用于解决传统方案无法兼顾精度、集成度、成本、可靠性的技术问题，实现多组分气体的同时监测。
本发明采用以下技术方案：
一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，包括封装管壳，封装管壳的空腔内分别设置有集成电路芯片、MEMS红外光源和MEMS压力传感器，封装管壳的空腔上方设置有封装盖板，集成电路芯片、MEMS红外光源和MEMS压力传感器之间电连接，集成电路芯片用于控制MEMS红外光源的工作状态，并读取MEMS压力传感器的输出信号，MEMS红外光源用于将电学信号转换为光学信号，MEMS压力传感器用于将声学信号转换为电学信号。
具体的，MEMS红外光源内部集成有窄带宽滤光片，窄带宽滤光片的波长λ与待测气体的红外吸收峰波长一致。
具体的，空腔的腔体深度小于2cm，腔体底面积小于4cm2。
具体的，封装管壳的封装类型为表面贴片型或插装型。
具体的，封装盖板采用金属、陶瓷或石英制备而成。
具体的，封装盖板采用键合、粘接或焊接方式与封装管壳密封连接。
进一步的，封装盖板上设置有透气孔，透气孔上覆盖有透气膜。
更进一步的，透气膜的孔径为30nm～1μm，透气量为100～10000ml/cm2/min@7kPa。
进一步的，封装盖板上设置有微贯通孔结构。
具体的，集成电路芯片至少包括两个，一个集成电路芯片用于控制多个MEMS红外光源的分时工作，另一个集成电路芯片用于控制MEMS压力传感器的信号检测。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，采用MEMS红外光源替代传统光声光谱传感系统中的激光器，采用MEMS压力传感器替代传统的电容麦克风，采用微型集成电路芯片替代传统的锁相环和示波器，大大降低了传感系统的体积和成本，传感器各模块之间采用超声金丝焊线技术进行电气连接，MEMS光源产生红外光波，致使气体分子发出光声信号，进而通过光声信号的强度判断气体浓度。相比于传统光声光谱系统，本发明具有集成度更高、精度更好、可靠性更优的优势。在集成度方面，本发明采用MEMS技术制造的器件，具有体积更小、重量更轻的天然优势，相比于传统桌面级光路系统具有更广阔的应用场景；在精度方面，由于光声信号与光声池的体积呈反比，本发明的微型光声池使传感器不仅拥有更高的信号幅值，还拥有更快的响应速度；在可靠性方面，由于采用了工业级一体化封装，本发明降低了可能引入的电学噪声，且不会受到振动、电磁等环境噪声的影响，具有更高的可靠性和稳定性。
进一步的，MEMS红外光源内部集成了窄带宽滤光片，能够将原本产生的2～20μm宽谱红外光变为具有特定波长的窄带宽红外光，从而实现特定气体的检测，具体为：集成电路芯片产生一个频率为f的周期性电压信号，并通过金丝焊线传输给MEMS红外光源，控制MEMS红外光源产生红外光，该红外光的光强同样以频率f周期性变化，并被中心波长为λ的窄带宽滤光片进一步过滤。由于气体分子在受到红外辐射照射时，将吸收各自特征波长的红外光，并通过无辐射跃迁产生热能。因此，当红外光光强以频率f周期性变化时，将使封装管壳内的气体产生周期性的膨胀，进而产生频率为f的压力波动，当λ等于待测气体的特征波长时，产生的红外光将仅被待测气体分子吸收，该压力波动的幅值将于待测气体浓度正相关。
进一步的，腔体越小，产生的压力波动信号越大；此外，由于本发明所采用的集成电路芯片、MEMS红外光源及MEMS压力传感器均具有较小的尺寸，为保证传感器整体的集成度与灵敏度，本发明空腔腔体的深度优选的小于2cm，腔体底面面积优选的小于4cm2。
进一步的，本发明所采用的封装管壳由金属或陶瓷制成，提升其在恶劣工况下的可靠性；封装类型为表面贴片型或插装型，便于其嵌入式使用。
进一步的，封装盖板采用金属、陶瓷或石英制备而成，可以实现更好的电磁屏蔽和噪声屏蔽，保证传感器在恶劣工况下的可靠性。
进一步的，封装盖板采用键合、粘接或焊接方式与封装管壳密封连接，实现更好的电磁屏蔽和噪声屏蔽，保证传感器在恶劣工况下的可靠性。
进一步的，封装盖板上布置有透气孔，用于实现腔体内外的气体交换，保证传感器对外界气体环境的及时响应。此外，在透气孔上还布置了具有微孔结构的透气膜，根据努森扩散原理，该透气膜的既可以保证腔体内外的气体交换，又能防止腔内周期性膨胀的气体快速溢出，导致压力信号无法产生。
进一步的，本发明包括多个MEMS红外光源和两个集成电路芯片。多个MEMS红外光源具有相互不同的中心波长，分别对应不同待测气体的吸收波长，从而实现不同气体的浓度监测；其中一个集成电路芯片与MEMS压力传感器电气连接，专用于实现MEMS压力传感器的供电、信号读取和信号放大，并将测得数据传输给另一个集成电路芯片；另一个集成电路芯片可控制多个MEMS红外光源的时分复用工作，保证在同一时间仅有一个MEMS红外光源处于工作状态，此时测得的压力信号幅值可用于反演相对应的气体浓度。每个MEMS红外光源工作时间为1～15秒，从而保证多种气体的连续监测。
综上所述，本发明具有体积小、成本低、精度高、可靠性高的优势，能够实现多种气体的实时监测，具有广阔的应用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构立体示意图；
图2为本发明封装盖板与透气结构示意图；
图3为本发明在单气体组分检测时的典型结构俯视示意图；
图4为本发明在多气体组分检测时的典型结构俯视示意图；
图5为本发明多组分气体检测时的时分复用信号示意图。
其中：1.封装管壳；2.集成电路芯片；2-1.第一集成电路芯片；2-2.第二集成电路芯片；3.MEMS红外光源；3-1.第一MEMS红外光源；3-2.第二MEMS红外光源；3-3.第三MEMS红外光源；3-4.第四MEMS红外光源；4.MEMS压力传感器；5.封装盖板；6.透气孔；7.透气膜；8.微贯通孔结构。
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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1，本发明一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，包括封装管壳1、集成电路芯片2、MEMS红外光源3和MEMS压力传感器4，集成电路芯片2、MEMS红外光源3和MEMS压力传感器4采用粘接方式固定于封装管壳1的内部，集成电路芯片2与MEMS红外光源3、MEMS压力传感器4分别用超声金丝焊线技术电气连接；集成电路芯片2一方面能够实现MEMS压力传感器4的供电、信号读取和信号放大，另一方面为MEMS红外光源3提供周期性电压信号，控制MEMS红外光源3发射周期性红外光波。
封装管壳1具有能够容纳集成电路芯片2、MEMS红外光源3和MEMS压力传感器4的空腔，空腔的腔体深度大于等于集成电路芯片2、MEMS红外光源3和MEMS压力传感器4的高度。
优选的，腔体的底面积大于等于集成电路芯片2、MEMS红外光源3和MEMS压力传感器4的面积总和。
优选的，腔体的深度小于2cm，腔体的底面积小于4cm2。
封装管壳1采用金属、陶瓷和塑料制备而成，封装类型为表面贴片型或插装型，优选的，引脚数量少于44个。
集成电路芯片2用于控制MEMS红外光源3的工作状态，并且读取MEMS压力传感器4的输出信号。
MEMS红外光源3用于将电学信号转换为光学信号。在某些实施案例中，MEMS红外光源3为经过表面处理的MEMS硅热板，在工作时被施加频率为f的周期性电压信号，使其温度发生频率为f的周期性变化，进而辐射出强度被周期性调制的红外光波。
优选的，MEMS红外光源3内部集成有窄带宽滤光片，从而实现具有特定波长λ的红外光波输出，该波长λ应与待测气体的红外吸收峰波长一致。
MEMS压力传感器4用于将声学信号转换为电学信号，尤其对频率为f的声学信号具有较高的灵敏度。在某些实施案例中，MEMS压力传感器4采用MEMS麦克风、压电片或MEMS压阻悬臂梁结构。
请参阅图2，本发明一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器还包括封装盖板5，封装盖板5的投影面积落在封装管壳1的投影之内，且在封装管壳1的内部空腔之外，封装盖板5采用金属、陶瓷、石英或其他硬质材料制备而成，采用键合、粘接、焊接等方式与封装管壳1密封连接。
在某些实施案例中，封装盖板5上还设置有透气孔6，以实现腔体内外的气体交换，透气孔6上覆盖有透气膜7，透气膜7采用多孔聚合物材料或者经过微加工的硬质材料制备而成，透气膜7通过粘接、键合、焊接等方式与封装盖板5连接。
优选的，透气膜7的孔径为30nm～1μm，透气量为100～10000ml/cm2/min@7kPa。
在另一些实施案例中，封装盖板5上能够被加工出微贯通孔结构8，微贯通孔结构8的孔径为30nm～1μm，透气量为100～10000ml/cm2/min@7kPa，以替代透气孔6和透气膜7的功能，。
本发明一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器的工作原理如下：
当MEMS红外光源3发出中心波长λ且强度以f为周期变化的红外光波时，若环境内存在待测气体，待测气体分子将吸收光能、产生热能进而导致体积膨胀，在封装管壳1的腔体内产生频率为f的光声信号，该光声信号可以被MEMS压力传感器4转换为电学信号，由集成电路芯片2读取并记录，通过检测光声信号的幅值，即可反演当前环境下待测气体的浓度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，在针对单组分气体开展检测时，集成电路芯片2、MEMS红外光源3和MEMS压力传感器4在封装管壳1腔体内的摆放如图2所示，集成电路芯片2、MEMS红外光源3和MEMS压力传感器4的排列方式对器件整体性能无影响，集成电路芯片2与MEMS红外光源3、MEMS压力传感器4分别用超声金丝焊线技术电气连接。当传感器外界环境存在待测气体时，气体分子可以通过透气孔6和透气膜7自由扩散进入腔体；由于集成电路芯片2控制MEMS红外光源3发出波长λ、调制频率为f的周期性红外光，该红外光会被腔体内待测气体分子吸收产生周期性压力信号，该压力信号被MEMS压力传感器4感知，并将其转换为电信号传输至集成电路芯片2，通过集成电路芯片2中预标定好的压力幅值-气体浓度曲线，实现待测分子浓度的计算。
请参阅图4，在针对多组分气体开展检测时，本发明光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器包括多个集成电路芯片和多个波长不同的MEMS红外光源。例如：在某针对四种气体同时检测的实施方式中，光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器包括第一集成电路芯片2-1、第二集成电路芯片2-2、第一MEMS红外光源3-1、第二MEMS红外光源3-2、第三MEMS红外光源3-3和第四MEMS红外光源3-4；多个MEMS红外光源具有相互不同的中心波长，分别对应不同待测气体的吸收波长，从而实现不同气体的浓度监测；其中一个集成电路芯片与MEMS压力传感器电气连接，专用于实现压力传感器的供电、信号读取和信号放大，并将测得数据传输给另一个集成电路芯片；另一个集成电路芯片能够控制多个MEMS红外光源的时分复用工作，保证在同一时间仅有一个MEMS红外光源处于工作状态，此时测得的压力信号幅值可用于反演相对应的气体浓度，每个MEMS红外光源工作时间为1～15秒，从而保证多种气体的连续监测。
请参阅图5，在一个典型的工作周期中，第一MEMS红外光源3-1首先接收到频率为f、持续时间为t1的功率信号，发射出波长为λa、强度调制频率为f的光学信号，当腔体内存在待测气体a时，有部分光能被待测气体吸收，在腔体内产生频率为f的声学信号；
经过时间t2后，第二MEMS红外光源3-2以同样方式激发产生波长为λb的光信号，该光信号被待测气体b所吸收，进而产生频率为f的声学信号；
第三MEMS红外光源3-3和第四MEMS红外光源3-4以此类推；
最终MEMS压力传感器4的输出信号9-5包括了四个持续时间为t1、间隔时间为t2、周期为f、幅值各不相同的正弦波形，通过各正弦波形的幅值即可反演对应待测气体的浓度。
综上所述，本发明一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，与传统光声光谱传感系统相比，本发明采用了体积、成本均有优势的MEMS红外光源、MEMS压力传感器方案，在达到ppm、亚ppm级别气体检测下限的同时，将总成本控制在百元级别；与现有单一气体光声光谱气体传感器相比，本技术采用了多MEMS红外光源时分复用技术方案，实现多气体组分的同时敏感。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，包括封装管壳(1)，封装管壳(1)的空腔内分别设置有集成电路芯片(2)、MEMS红外光源(3)和MEMS压力传感器(4)，封装管壳(1)的空腔上方设置有封装盖板(5)，集成电路芯片(2)、MEMS红外光源(3)和MEMS压力传感器(4)之间电连接，集成电路芯片(2)用于控制MEMS红外光源(3)的工作状态，并读取MEMS压力传感器(4)的输出信号，MEMS红外光源(3)用于将电学信号转换为光学信号，MEMS压力传感器(4)用于将声学信号转换为电学信号。
2.根据权利要求1所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，MEMS红外光源(3)内部集成有窄带宽滤光片，窄带宽滤光片的波长λ与待测气体的红外吸收峰波长一致。
3.根据权利要求1所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，空腔的腔体深度小于2cm，腔体底面积小于4cm2。
4.根据权利要求1所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，封装管壳(1)的封装类型为表面贴片型或插装型。
5.根据权利要求1所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，封装盖板(5)采用金属、陶瓷或石英制备而成。
6.根据权利要求1所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，封装盖板(5)采用键合、粘接或焊接方式与封装管壳(1)密封连接。
7.根据权利要求6所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，封装盖板(5)上设置有透气孔(6)，透气孔(6)上覆盖有透气膜(7)。
8.根据权利要求7所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，透气膜(7)的孔径为30nm～1μm，透气量为100～10000ml/cm2/min@7kPa。
9.根据权利要求6所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，封装盖板(5)上设置有微贯通孔结构(8)。
10.根据权利要求1所述的光声光谱式多气体MEMS微型气体传感器，其特征在于，集成电路芯片(2)至少包括两个，一个集成电路芯片(2)用于控制多个MEMS红外光源(3)的分时工作，另一个集成电路芯片(2)用于控制MEMS压力传感器(4)的信号检测。
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