CN116297219A - 一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器，包括顶部封装管壳，顶部封装管壳连接底部封装管壳构成密闭的光声池，光声池内部位于顶部封装管壳的一侧分别设置有集成电路芯片、红外光源和压力传感器，底部封装管壳上开有透气孔，透气孔上位于光声池的一侧设置有多孔电学致动薄膜，集成电路芯片分别连接红外光源、压力传感器和多孔电学致动薄膜，通过逆压电效应驱动多孔电学致动薄膜振动实现除尘，光声池内的待测气体分子通过吸收红外光源发出的周期性光波产生周期性压力信号，压力传感器根据压力信号确定当前的待测气体浓度。能够提升微型光声光谱气体传感器在电力、能源等工业场景的鲁棒性与长期稳定性。

Description

一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器。

背景技术

光声光谱法是一种高灵敏度痕量气体检测方法，其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。因此，在光声光谱式气体传感器设计时，需要构建封闭的光声池结构以形成光声信号，同时还需要保证光声池内外可以实现气体一定速度的自由扩散。

为解决这一看似矛盾的问题，现有的气体阀结构通过两层具有纳米微孔结构的“定薄膜”和“动薄膜”设计，实现对快速气流的断路和慢速气流的通路；另一种具有气体微孔的薄膜结构，同样可以在保证气体扩散的情况下产生一定频率的光声信号。然而，上述设计由于均采用了具有微孔的薄膜结构，在工业环境应用时会不可避免地被烟道气体、粉尘、土壤扬尘等微小颗粒堵塞，使系统的长期稳定性与鲁棒性受到影响。

传统气体传感器的方案大多采用网状防尘罩结构，配合鼓风机、吹尘电风扇等清灰设备，但均无法避免气体微孔被微尘堵塞，且不适用于光声光谱式气体传感器的特有需求。

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，提供一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器，用于解决微纳透气孔无法防止灰尘的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器，包括顶部封装管壳，顶部封装管壳连接底部封装管壳构成密闭的光声池，光声池内部位于顶部封装管壳的一侧分别设置有集成电路芯片、红外光源和压力传感器，底部封装管壳上开有透气孔，透气孔上位于光声池的一侧设置有多孔电学致动薄膜，集成电路芯片分别连接红外光源、压力传感器和多孔电学致动薄膜，通过逆压电效应驱动多孔电学致动薄膜振动实现除尘，光声池内的待测气体分子通过吸收红外光源发出的周期性光波产生周期性压力信号，压力传感器根据压力信号确定当前的待测气体浓度。

具体的，多孔电学致动薄膜的面积大于透气孔的面积，多孔电学致动薄膜的透气量为100～10000ml/cm²/min@7kPa。

具体的，多孔电学致动薄膜上设置有电极板，电极板至少包括两个，每个电极板通过底部封装管壳上对应设置的引线电极板与集成电路芯片电连接。

进一步的，电极板的形状为方形、条形、蛇形或环形，采用轴对称、中心对称或互嵌套方式设置。

进一步的，多孔电学致动薄膜上设置有微纳通孔，微纳通孔的孔径为30nm～1μm。

更进一步的，微纳通孔包括多个，多个微纳通孔位于透气孔的投影面积内。

具体的，多孔电学致动薄膜的上表面布置有第一金属电极层，多孔电学致动薄膜的下表面布置有第二金属电极层，第一金属电极层和第二金属电极层分别与对应的引线电极板连接。

进一步的，第一金属电极层和第二金属电极层的形状相同，多孔电学致动薄膜的孔隙宽度为30nm～1μm。

具体的，其特征在于，透气孔包括多个，每个透气孔上位于光声池的一侧均设置有多孔电学致动薄膜。

具体的，红外光源包括宽谱光源，宽谱光源设置在顶部封装管壳上，宽谱光源的下方设置有红外滤波片。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器，采用顶部封装管壳和底部封装管壳相连接的方式形成光声池，光声池内部布置有红外光源、压力传感器、集成电路芯片，在底部封装管壳上开有透气孔，透气孔上位于光声池的一侧设置有多孔电学致动薄膜；其工作原理为气体的光声效应，红外光源产生红外光波，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气体传感系统，本发明具有集成度更高、便携性更好的优势，传统光声光谱系统一般需要桌面级光路系统，并依赖高功率激光光源、外部电源和锁相环等仪器支持，而本发明采用微型红外光源、微型压力传感器和集成电路芯片，可以设计成更小巧的高集成度传感器。与市面现有的小型光声光谱气体传感器相比，本发明具有更优的稳定性和鲁棒性，更加适用于恶劣工况。本发明采用了多孔电学致动薄膜封装，相比于现有的气体阀及微孔膜结构，其可以通过集成电路芯片的控制实现周期性振动，避免在工业环境应用时被烟道气体、粉尘、土壤扬尘等微小颗粒堵塞，长期保证光声池的“透气性”与“封闭性”，使传感器具有更好的稳定性与鲁棒性。

进一步的，多孔电学致动薄膜与透气孔紧密贴合，且其面积大于透气孔的面积，多孔电学致动薄膜的透气量为100～10000ml/cm²/min@7kPa，该透气量在实际验证中被证明可以实现光声池内外空气的快速交换，保证传感器的响应时间小于40秒。

进一步的，多孔电学致动薄膜上的电极板至少包括两个，用于为多孔电学致动薄膜提供电压差，从而致使其周期性振动。每个电极板通过底部封装管壳上对应设置的引线电极板与集成电路芯片电连接，方便的实现电压差的控制。

进一步的，电极板的形状为方形、条形、蛇形或环形，采用轴对称、中心对称或互嵌套方式设置，便于引线与封装。

进一步的，多孔电学致动薄膜上设置有孔径为30nm～1μm的微纳通孔，根据努森扩散现象，该孔径可以让气体分子低速通过，而阻挡其高速通过，从而保证光声信号的产生和光声池内外的气体交换。

进一步的，微纳通孔包括多个，从而加快气体分子扩散速度，多个微纳通孔位于透气孔的投影面积内，保证每个微纳通孔路径不被封装壳体阻挡。

进一步的，多孔电学致动薄膜上表面布置有第一金属电极层，多孔电学致动薄膜的下表面布置有第二金属电极层，三者形成“三明治”结构，当第一金属电极层和第二金属电极层之间形成压差时，可通过压电效应致使多孔电学致动薄膜振动，避免微小颗粒堵塞微纳通孔。

进一步的，第一金属电极层和第二金属电极层的布置形状相同，在两层电极之间形成稳定的电压差，使多孔电学致动薄膜的振动稳定可控。

进一步的，透气孔可以包括多个，每个透气孔上位于光声池的一侧均设置有多孔电学致动薄膜，可以使光声池内外气体的交换速度更快。

进一步的，本发明所使用的红外光源包括宽谱光源和其下方设置的红外滤光片，宽谱光源发出的宽谱红外光波经过红外滤光片的筛选后，变为具有特定中心波长的窄带宽红外光波，根据气体的光谱吸收原理，该窄带宽红外光波仅可被特定气体分子吸收并产生光声信号，从而保证了传感器的气体选择性。

综上所述，本发明具有体积小、气体选择性好、可靠性高的优势，能够满足工业场景多粉尘颗粒环境下的长期气体监测需求，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为本发明结构示意图；

图2为多孔电学致动薄膜典型设计的侧视图；

图3为多孔电学致动薄膜典型设计的俯视图；

图4为多孔电学致动薄膜另一种典型设计的侧视图；

图5为多孔电学致动薄膜另一种典型设计的俯视图。

其中：1.顶部封装管壳；2.集成电路芯片；3-1.宽谱光源；3-2.红外滤波片；4.压力传感器；5.底部封装管壳；6.透气孔；7.光声池；8.待测气体分子；9.多孔电学致动薄膜；9-1.微纳通孔；9-2.电极板；9-3.引线电极板；9-4.第一金属电极层；9-5.第二金属电极。

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。

本发明提供了一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器，包含的多孔电学致动薄膜不仅可以满足光声池对封闭性与透气型的双重需求，还可以实现薄膜的自动除尘功能，大大增强了光声光谱式气体传感器的长期性能稳定性。

请参阅图1，本发明一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器，包括顶部封装管壳1、集成电路芯片2、红外光源、压力传感器4、底部封装管壳5、透气孔6、光声池7、待测气体分子8和多孔电学致动薄膜9。

集成电路芯片2、红外光源3和压力传感器4通过粘接方式被倒装固定于顶部封装管壳1的内部，并通过引线实现各器件之间的电气连接。

底部封装管壳5具有至少一个透气孔6，在每个透气孔6的内侧布置有相对应的多孔电学致动薄膜9，并通过引线与外部系统实现电气连接。

顶部封装管壳1和底部封装管壳5连接构成密闭的光声池7，集成电路芯片2分别连接红外光源、压力传感器4和多孔电学致动薄膜9，集成电路芯片2用于控制红外光源发出周期性光波，光波被光声池7内的待测气体分子8吸收后，产生周期性压力信号被压力传感器4检测，进而反演得到当前的待测气体浓度。

顶部封装管壳1的材质采用金属、陶瓷或塑料材料。

红外光源包括宽谱光源3-1和红外滤波片3-2，宽谱光源3-1倒装固定于顶部封装管壳1的内部，并通过引线与集成电路芯片2连接，红外滤波片3-2设置在宽谱光源3-1的下方。

底部封装管壳5通过粘接、键合、焊接等方式与顶部封装管壳1连接，底部封装管壳5的材质与顶部封装管壳1的材质可以相同或不相同，底部封装管壳5的内部空腔体积大于、小于或等于顶部封装管壳1的内部空腔体积。

集成电路芯片2能够控制红外光源3发出周期性光波，光波被待测气体分子8吸收后产生周期性压力信号被压力传感器4检测，进而反演当前待测气体浓度；透气孔6和多孔电学致动薄膜9实现腔体内外的缓慢气体扩散，使光声池7内外的气体浓度平衡速度小于等于200秒；集成电路芯片2定期控制多孔电学致动薄膜9发生振动，从而避免透气孔6和多孔电学致动薄膜9由于工作环境的粉尘、灰质发生堵塞。

请参阅图2，多孔电学致动薄膜9上布置至少有两个电极板9-2，在底部封装管壳5上布置有至少2个引线电极板9-3，引线电极板9-3分别连接对应的电极板9-2，用于将集成电路芯片2的控制信号传输至多孔电学致动薄膜9，通过电极板9-2和引线电极板9-3为多孔电学致动薄膜9提供一正一负的电压，从而使多孔电学致动薄膜9振动除尘。

根据多孔电学致动薄膜9的激振模态，电极板9-2的形状包括方形、条形、蛇形、环形，并采用轴对称、中心对称或互嵌套方式完成布置。

请参阅图3，多孔电学致动薄膜9的面积大于透气孔6的面积，在多孔电学致动薄膜9上形成多个直径30nm～1μm的微纳通孔9-1，微纳通孔9-1至少部分落在透气孔6的投影面积之内。

多孔电学致动薄膜9采用硬质压电材料加工制成，压电材料为石英或聚偏二氟乙烯，加工方式包括微纳加工方式，多孔电学致动薄膜9的透气量为100～10000ml/cm²/min@7kPa。

请参阅图4，多孔电学致动薄膜9的上表面布置有第一金属电极层9-4，多孔电学致动薄膜9的下表面布置有第二金属电极层9-5，布置工艺包括电镀工艺，第一金属电极层9-4和第二金属电极层9-5的材质为银、铝、铜、镍及其合金材料。

第一金属电极层9-4与引线电极板9-3电气连接，第二金属电极层9-5与引线电极板9-3采用焊接或粘接方式连接，通过第一金属电极层9-4和第二金属电极层9-5为多孔电学致动薄膜9提供一正一负的电压，从而使多孔电学致动薄膜9振动除尘。

多孔电学致动薄膜9采用柔性压电材料加工制成，柔性压电材料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)，加工方式包括静电纺丝方式，多孔电学致动薄膜9的孔隙宽度为30nm～1μm，多孔电学致动薄膜9的透气量为100～10000ml/cm²/min@7kPa。

请参阅图5，第一金属电极层9-4在多孔电学致动薄膜9的布置方式为蛇形、梳齿形、环形或其他形状，第二金属电极层9-5与第一金属电极层9-4的布置形状相同；在多孔电学致动薄膜9的一个典型工作周期内，第二金属电极层9-5与第一金属电极层9-4被施加等大且反相的交变电压，通过逆压电效应实现多孔电学致动薄膜9的振动，实现清灰功能。

本发明一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器的工作过程如下：

当传感器外界环境中存在待测气体时，气体分子通过透气孔和多孔电学致动薄膜自由扩散进入光声池，集成电路芯片控制红外光源周期性发出中心波长为λ、调制频率为f的红外光波；

红外光被腔体内待测气体分子吸收产生周期性压力信号，压力信号被压力传感器感知，并转换为电信号传输至集成电路芯片，通过集成电路芯片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；

同时，集成电路芯片控制多孔电学致动薄膜的间歇式、周期性振动，当外界环境的烟道气体、粉尘或土壤扬尘粘附在多孔电学致动薄膜时，通过周期性振动去除烟道气体、粉尘或土壤扬尘，避免微纳通孔被堵塞，从而保证气体传感器的长期可靠工作。

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。

本发明可自动除尘的光声光谱式气体传感器作为一款新型气体传感器，在实际应用中已经得到了验证，并获得了一定的优势和好处。实验数据表明，本发明传感器的长期稳定性得到了明显的提高。在一个高尘、高湿的工业环境中进行了10天测试，传感器的响应速度变化非常小，而传统气体传感器在同样的环境下的响应速度则显著下降。

综上所述，本发明一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器，基于压电效应、逆压电效应设计了多孔电学致动薄膜，在满足光声池对封闭性与透气型双重需求的同时，解决了微纳透气孔无法防止灰尘的问题，使微型光声光谱气体传感器在电力、能源等工业场景的鲁棒性与长期稳定性得到提升。

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)

1.一种可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，包括顶部封装管壳(1)，顶部封装管壳(1)连接底部封装管壳(5)构成密闭的光声池(7)，光声池(7)内部位于顶部封装管壳(1)的一侧分别设置有集成电路芯片(2)、红外光源和压力传感器(4)，底部封装管壳(5)上开有透气孔(6)，透气孔(6)上位于光声池(7)的一侧设置有多孔电学致动薄膜(9)，集成电路芯片(2)分别连接红外光源、压力传感器(4)和多孔电学致动薄膜(9)，通过逆压电效应驱动多孔电学致动薄膜(9)振动实现除尘，光声池(7)内的待测气体分子(8)通过吸收红外光源发出的周期性光波产生周期性压力信号，压力传感器(4)根据压力信号确定当前的待测气体浓度。

2.根据权利要求1所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，多孔电学致动薄膜(9)的面积大于透气孔(6)的面积，多孔电学致动薄膜(9)的透气量为100～10000ml/cm²/min@7kPa。

3.根据权利要求1所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，多孔电学致动薄膜(9)上设置有电极板(9-2)，电极板(9-2)至少包括两个，每个电极板(9-2)通过底部封装管壳(5)上对应设置的引线电极板(9-3)与集成电路芯片(2)电连接。

4.根据权利要求3所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，电极板(9-2)的形状为方形、条形、蛇形或环形，采用轴对称、中心对称或互嵌套方式设置。

5.根据权利要求3所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，多孔电学致动薄膜(9)上设置有微纳通孔(9-1)，微纳通孔(9-1)的孔径为30nm～1μm。

6.根据权利要求5所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，微纳通孔(9-1)包括多个，多个微纳通孔(9-1)位于透气孔(6)的投影面积内。

7.根据权利要求1所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，多孔电学致动薄膜(9)的上表面布置有第一金属电极层(9-4)，多孔电学致动薄膜(9)的下表面布置有第二金属电极层(9-5)，第一金属电极层(9-4)和第二金属电极层(9-5)分别与对应的引线电极板(9-3)连接。

8.根据权利要求7所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，第一金属电极层(9-4)和第二金属电极层(9-5)的形状相同，多孔电学致动薄膜(9)的孔隙宽度为30nm～1μm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，透气孔(6)包括多个，每个透气孔(6)上位于光声池(7)的一侧均设置有多孔电学致动薄膜(9)。

10.根据权利要求1所述的可自动除尘的光声光谱式气体传感器，其特征在于，红外光源包括宽谱光源(3-1)，宽谱光源(3-1)设置在顶部封装管壳(1)上，宽谱光源(3-1)的下方设置有红外滤波片(3-2)。

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