CN117897605A - 气体感测装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种气体感测装置。该气体感测装置包括测试室，其形成在主体中且包括一对微镜。一对微镜中的一个设置在主体的第一表面上，且一对微镜中的另一个设置在主体的第二表面上，从而形成光学腔。光入口被布置为将光耦合到光学腔中，并且光出口被布置为接收来自光学腔的光。气体入口配置为允许来自检测器外部的气体进入测试室。还提供了一种包括气体感测装置、发光系统和光检测系统的气体检测器。

Description

气体感测装置
本发明涉及一种气体感测装置、包括气体感测装置的气体检测器以及检测环境中的目标气体种类的方法。
在许多情况下，需要检测和监测环境中的一种或多种目标气体。一个例子是监测大气甲烷污染和气体泄漏。甲烷(CH4或天然气)具有高于二氧化碳(CO2)80倍的20年全球变暖潜力(GWP-20)，全球60％以上的CH4排放是人为的。最大的来源之一是废弃的油气井。全世界的泄漏井的数量估计有3000万至4000万口，其中一些井龄超过100年。总泄漏量为年天然气产量的百分比。这是一个全球性的威胁，必须加以解决以阻止全球变暖。然而，燃烧甲烷产生的CO2只有燃烧煤炭的一半。因此，天然气被认为是一种桥梁能源，但必须避免排放才能从甲烷取代煤炭中受益。监测甲烷泄漏将是实现气候目标的关键部分。然而，当前的解决方案成本高昂且灵敏度低。
气体感测很重要的另一个领域是检测流体(诸如氢气)中过量的碳氢化合物。燃料电池被认为是应对气候变化所需的能源革命的一部分。它们使用氢气，且未来可以为卡车、飞机和船只提供动力。燃料电池的效率和寿命取决于电极的耐久性。燃料中的任何污染都将会降低效率和寿命，因此这是一个主要问题。氢气站通常使用极其昂贵的传感器来监测燃料质量，这些传感器通常依靠质谱仪。
此外，由于易挥发制冷剂具有极高的全球变暖潜力，因此检测空调/冷却系统和热泵的制冷循环中的制冷剂泄漏将变得越来越必要。
微量气体检测也是通过呼吸气体分析进行人体健康监测的一项新兴技术。挥发性有机化合物的检测用于诊断严重医学状况(如乳腺癌或小肠细菌过度生长)的早期阶段。小型且实惠的个人健康监测仪将成为未来快速增长的市场和应用领域。
气体检测可以在一系列依赖于不同物理效应的设备中进行。光学方法是优越的，但在高精度应用中很难在技术上实现。光学吸收允许在不使用任何代理或催化效应的情况下直接测量和识别空气或任何其他宿主大气中的化学分子浓度。许多化学物质(例如碳氢化合物)吸收近中红外(NIR-MIR)波长域中的光。在MIR范围内发现了自然产生最强吸收信号的基本吸收带。然而，在MIR波长下操作对于光源和检测器来说成本极高。因此，由于成本和技术开销，虽然这种设备功能强大，但不适合现场使用和大规模部署。
在NIR中较高吸收倍频峰处检测气体分子是为了避免在昂贵且不切实际的MIR范围内工作。最大的优势是NIR与光学电信波长域相一致，这可以获得低成本的组件和高度复杂的制造技术、激光器和检测器。NIR传感器是紧凑的非衍射气体传感器，其用于测量已经安装在印刷电路板上的单程电池中的红外吸收。然而，商用传感器只能检测到低至百万分之(ppm)几百的甲烷浓度。
空气中甲烷的自然浓度为1.87ppm，即比现有技术的紧凑型NIR传感器的检测下限低两个数量级。这仅适用于有限数量的应用，例如爆炸危险警告系统，但不适用于监测任何需要检测小浓度的关键环境(例如气体泄漏的甲烷检测)。
当前的光学远程气体传感器大多是具有仅几十厘米的有效吸收长度l的单程设备。可检测吸收信号的强度与衰减系数α和吸收长度l成正比。吸收长度是光在到达探测器之前穿过介质的距离。衰减系数是待测量的量，其与大气中微量气体分子的浓度有关。入射光强度I和透射光强度I0之间的关系通过比尔-朗伯定律表示为：
I＝I0e-αl
具有吸收长度l和吸收系数α＝εc。此处ε是摩尔衰减系数并且c是吸收分子在大气中的浓度。对于天然丰富的(1.87ppm)甲烷，1650nm处的吸收系数为α≈1x10-6cm-1。对于10cm的吸收长度和10mW的激光强度，激光强度的变化将仅在50nW的数量级上，这意味着激光强度的相对变化仅为5ppm，并且需要大于50dB的动态范围。在存在噪声的任何实际系统中检测这样小的相对信号是不现实的。噪声的主要来源是：激光强度波动和频率不稳定性；电子读出噪声和光学系统的机械振动。因此，对于诸如甲烷检测和氢燃料监测的气体感测应用，当前的解决方案不能提供所需的高灵敏度和低成本的组合。
本发明的目的是改进气体感测和/或至少部分地解决上述现有技术的一个或多个挑战。
根据本发明的第一方面，提供了一种气体感测装置，包括：测试室，其形成在主体中，所述测试室包括一对微镜，所述一对微镜中的一个设置在所述主体的第一表面上，所述一对微镜中的另一个设置在所述主体的第二表面上，其中所述一对微镜形成光学腔；光入口，其布置为将光耦合到所述光学腔中；光出口，其布置为接收来自所述光学腔的光；以及气体入口，其配置为允许来自检测器外部的气体进入所述测试室。
如本文所用的，反射镜可以以尺寸或其他方式布置为反射具有腰部为500μm或更小、或100μm或更小的光束。微镜的最大尺寸(例如宽度或直径)可以为500μm或更小、或100μm或更小。微镜可以具有平坦的表面，但优选地具有弯曲的表面(即，是曲面镜)。
微镜允许通过微制造来形成装置。这种微制造的设备可以在小型、轻型设备中提供高灵敏度检测。光学腔增加了装置的有效吸收长度l，以增加装置的灵敏度。同时，与传统系统相比，因为物理上较小的空腔只经历最小的热膨胀，从而降低了热噪声。因此，光学腔的使用和微米级反射镜的使用相结合以实现更高的灵敏度，使得该装置能够用于诸如甲烷检测的应用中，其中高灵敏度是必不可少的。事实上，本发明人已经发现，这种气体感测装置的灵敏度极限可以比传统的紧凑型光学气体传感器高三个数量级。
因此，气体感测装置可以用作便携式(例如手持)气体检测器的一部分。气体感测装置可以特别适合于检测碳氢化合物，诸如甲烷。特别地，在检测甲烷泄漏的成本和灵敏度方面，其可优于传统技术。它也可用于检测氢气中过量的碳氢化合物。由于其相对较低的成本和较小的尺寸，气体感测装置可以被结合到氢燃料电池中，从而提供对燃料质量的车载监测。
在一些实施例中，气体感测装置可以是空调/冷却系统或热泵的一部分。该装置可用于检测来自该单元的制冷循环的制冷剂泄漏。在未来国家监管机构可能需要这种实施方式。这样的应用受益于可能在本发明中低成本、小型(form-factor)装置。
在一些实施例中，气体感测装置可以是或者可以部分是配置为检测人类呼吸的一种或多种气体的个人健康监测系统。例如，通过测量人类呼吸中的甲烷和挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOC)进行的呼吸气体分析可以用于检测疾病的早期阶段。可替换地，该分析可用于麻醉期间呼吸气体的监测和控制。
在一些实施例中，光学腔是法布里-珀罗(Fabry–Pérot)光学腔。法布里-珀罗光学腔特别适合气体感测，相对于空腔的物理长度，它提供了较大的有效吸收长度，从而提高了装置的灵敏度。
在一些实施例中，主体包括第一部件和第二部件，在第一部件和第二部件之间形成有测试室，并且其中第一表面是第一部件的表面，第二表面是第二部件的表面。第一部件可以是第一基板，第二部件可以是第二基板，并且其中主体还可以包括分隔第一基板和第二基板的间隔结构。有利地，第一部件、第二部件和/或间隔结构可以由硅片形成。硅可以采用非常高精度的制造工艺，从而形成高质量、小规模的光学腔。可替换地，可以使用任何其他半导体晶片，或者更一般地，可以使用任何合适的材料。
在一些实施例中，测试室包括多对微镜，每对微镜中的一个设置在第一表面上，每对微镜中的另一个设置在第二表面上，其中每对微镜形成各自的光学腔。光入口布置为将光耦合到一个或多个光学腔中。光出口布置为接收来自一个或多个光学腔的光。
由于光学腔是由微镜形成的，因此可以提供大量的光学腔，所有这些都在小型装置内。有利地，光学腔可以具有不同的共振频率，从而允许气体传感器检测多种目标气体种类，和/或检测来自相同目标气体的多个吸收峰值。此外，提供多个光学腔允许为预期应用选择最佳腔。不需要像在例如传统的楔形腔中那样通过物理地移动设备的部件来主动扫描装置。因此，本装置可以被认为是无源器件，从而允许装置小型化。
在一些实施例中，该装置还包括：参考室，其形成在主体中，该参考室包括：一对或多对微镜，每对微镜形成参考光学腔；光入口，其被布置为将光耦合到一个或多个参考光学腔中；以及光出口，其布置为接收来自一个或多个参考光学腔的光；其中参考室是密封的或可与外部气体密封。
参考室允许使用平衡的检测技术来进一步提高设备的灵敏度。由于光学腔的较小尺寸，参考室物理上靠近测试室。因此，任何多余的噪声(诸如机械噪声、激光噪声和电子噪声)都可能非常相似于参考室和测试室，从而更有效地消除噪声。此外，参考室允许利用外部因子(诸如温度、压力和湿度)对设备进行校准。
在一些实施例中，该装置还包括光学腔调谐系统，该光学腔调谐系统配置为改变一个或多个光学腔的共振频率。在一些这种实施例中，光学腔调谐系统配置为改变微镜和/或主体(或其部件(例如间隔结构))的温度，以便改变一个或多个光学腔的共振频率。可替换地或附加地，光学腔调谐系统可以配置为将压电控制信号施加到微镜和/或主体(或其部件(例如间隔结构))的压电材料，以便改变一个或多个光学腔的共振频率。在特定实施例中，所有光学腔都是同时调谐的。在装置包括参考室的情况下，参考光学腔也可以被调谐。
光学腔调谐系统允许光学腔的共振频率在特定范围内变化。这允许扫描一系列频率范围的吸收测量，例如在目标气体的吸收峰值周围扫描。这与检测单个频率相比可以为气体的识别提供更大的确定性。
在一些实施例中，光学腔调谐系统布置为监测一个或多个光学腔的共振频率，并且基于监测到的共振频率改变一个或多个光学腔的共振频率。这种实施例使得光学腔能够被动态地控制以考虑例如由于热波动引起的变化，进一步增强了装置的灵敏度。
在一些实施例中，一个或多个光学腔配置为在可见至近红外电磁范围内或在近红外电磁范围内具有共振(resonance)。此种范围与电信设备使用的范围匹配。电信设备中使用的激光源和检测器往往较小、极为节能、低成本。因此，通过使用这些频率范围，该装置可以由容易获得的部件构成，该部件允许该装置更小、更便宜、更便携。
根据本发明的第二方面，提供了一种气体检测器，包括：第一方面的任何实施例的气体感测装置；发光系统，其布置为将光传输到气体感测装置的光入口中；以及光检测系统，其布置为接收来自气体感测装置的光出口的光，其中光检测系统配置为生成表示接收到的光的强度的信号。
在一些实施例中，发光系统包括光源和光纤，光纤布置为将来自光源的光耦合到光入口中。在一些实施例中，光检测系统包括一个或多个光电二极管和一根或多根光纤，一根或多根光纤布置为将来自光出口的光耦合到一个或多个光电二极管。这种实施例可以用于遥感应用。公共光源和/或检测器可以通过光纤耦合到多个检测器。例如，可以在油井周围放置多个检测器来检测甲烷泄漏。这可以提供有成本效益的监测解决方案，因为只需要一个光源(例如激光器)和/或检测器。
在一些实施例中，发光系统和/或光检测系统被结合到气体感测装置中。例如，LED或激光二极管可以结合到第一部件中，并且光电二极管检测器可以结合到第二部件中。这种实施例可以提供小型且轻重量形式的完整气体检测器。
根据本发明的第三方面，提供了一种检测环境中存在目标气体种类的方法，该方法包括：将根据第一方面的任何实施例的气体感测装置定位在环境中，使得来自环境的气体进入装置的测试室；将光束输入到气体感测装置的光学腔中；检测离开光学腔的光；以及分析检测到的光以确定是否存在目标气体种类。
根据本发明的第四方面，提供了一种提供用于检测目标气体种类的存在的气体感测装置的方法，该方法包括：通过在第一部件和第二部件之间形成测试室来构建气体感测装置，该测试室包括多对微镜，每对微镜中的一个设置在第一部件上，每对微镜中的另一个设置在第二部件上，其中每对微镜形成各自的光学腔；将光耦合到每个光学腔中以确定每个光学腔的共振频率；将所确定的共振频率与目标气体种类的吸收峰值的频率进行比较；基于共振频率与吸收峰值的频率的比较来选择多个光学腔中的一个；以及配置气体感测装置以检测来自所选择的光学腔的光。
现在将仅通过示例参考附图描述实施例，其中：
图1示出了示例气体感测装置；
图2示出了气体感测装置的分解图；
图3示出了包括气体感测装置的气体感测设备；
图4示出了法布里光学腔的模式光谱；
图5示出了甲烷在1650nm处的吸收系数，并说明了由硅腔室的热膨胀引起的共振条件的变化；
图6a和6b示出了甲烷、二氧化碳和水的吸收系数；
图7示出了提供气体感测装置的方法；
图8示出了用于制造多个气体感测装置的晶片；
图9示出了由图8的晶片的管芯(die)形成的气体感测装置的每一层；
图10示出了使用气体感测装置来确定目标气体的存在的方法；
图11(a)示出了布置在井场周围的多个独立的气体感测装置的应用；
图11(b)示出了包括布置在井场周围的多个气体感测装置的气体感测设备的应用；
图12示出了在1565nm处通过示例腔的传输结果；
图13示出了显示二氧化碳在1573nm处的吸收特征的校准测量；
图14示出了相对于设备温度绘制的温度校准数据；以及
图15示出了吸收测量对比度与大气中CO2浓度的关系。
图1示出了气体感测装置1的一个示例。气体感测装置1可以被配置用于感测/检测一种或多种目标气体种类。装置1可以被配置为检测甲烷，例如用于监测甲烷泄漏。装置1可以被配置为检测碳氢化合物(或一种或多种特定碳氢化合物)。这种情况可用于监测氢燃料的纯度。由于装置1的小尺寸和低成本，装置1可以直接构建到燃料电池中。这将提供对燃料质量的车载监测，而不是当前在燃料泵处可用的有限采样。装置1可以用在用于检测一种或多种所需气体的便携式(例如手持式)气体监测器中。装置1可以用于检测二氧化碳和/或一氧化碳。通常，气体感测装置1可以用于检测在合适的波长范围(例如在可见或近红外范围)内具有吸收特征的任何期望的气体或气体的组合。
气体感测装置1包括形成在主体100中的测试室200。测试室200采取由主体100部分封闭的空腔或开放空间的形式。测试室200能够接收来自装置1外部的气体，以便测试一种或多种目标气体的存在。
主体100可以包括第一部件101和第二部件102。然后在第一部件101和第二部件102之间形成测试室200。在图示的示例中，第一部件101是第一基板，第二部件102是第二基板。主体100还包括分隔第一基板和第二基板的间隔结构103。有利地，第一部件101和第二部件102可以由诸如硅的标准半导体基板材料形成。然后可以使用可用于半导体制造的高度精确的制造工艺在基板上形成装置1的特征。硅也是具有低热膨胀系数的刚性材料，这提高了装置1提供的检测质量。第一部件101和第二部件102中的每一个通常都可以具有100μm或更大、250μm或更大、和/或1000μm或更小的厚度。
第一部件101和第二部件102之间的间隔结构103提供了第一部件101和第二部件102的相对表面之间的物理距离。该间隔设定了测试室200的高度。因此，间隔结构103在粗略的尺度上限定了测试室200中的光学腔的长度，下面将进一步讨论。间隔结构103可以由硅、石英、碳化硅或任何其他合适的材料制成。与第一部件101和第二部件102一样，间隔结构103可以由半导体晶片形成。如下面进一步讨论的，间隔结构或其部件可以是压电的，从而能够通过施加的电压来调节间隔。
第一部件101、第二部件102和间隔结构103可以通过稳健的晶片接合工艺连接，这确保了精确对准和永久稳定性。
装置1还包括气体入口206，该气体入口206配置为允许来自装置1外部的气体进入测试室200。在所示的示例中，气体入口206由第一部件101中的开口形成。该开口允许外部气体进入测试室200，从而可以测试气体是否存在一种或多种目标气体。可替换地或附加地，气体入口206可以穿过第二部件102和/或间隔结构103。
装置1的一些示例还包括形成在主体100中的参考室300。与开放的测试室200不同，参考室300对外部气体是封闭的(或可密封的)。相反，参考室300被填充或可填充一种或多种参考气体种类(或可保持在真空下)。参考室300允许进行参考测量。从参考室300进行的参考测量与从测试室200进行的测试测量的比较允许在测试测量中降低噪声，并且因此提高装置1的气体感测的准确性。特别地，使用参考室300可以允许采用平衡的检测方法。这种自参考可以用于例如热稳定设备和稳定照明光激光源。
一种或多种参考气体可以包括被选择为测试室200中的检测目标的一种或多种目标气体。可替选地或附加地，一种或多种参考气体可以包括不同于在测试室200中被选择作为检测目标的气体。在设备1的制造过程中，可以将参考气体注入到参考室200中。可替换地，装置1可以包括可密封的注射口，以允许在制造后将参考气体可密封地注入到参考室300中。可密封的注射口可以类似于气体入口206，但在装置1已经放置在预期的参考气体的环境中后关闭。参考气体可以包括主体基质(host matrix)中限定浓度的一种或多种气体(例如氮气)。参考气体可以包括具有良好隔离吸收特征(例如吸收系数的峰值)的多个种类。这将允许在多气体感测中使用一个参考室300。可替换地，可以使用多个参考室300，每个参考室300对应于各自的目标气体。
在所示的示例中，参考室300形成在第一部件101和第二部件102之间。参考室基本上类似于测试室200，但是没有气体入口206。图2示出了装置1的替代示例，其说明了参考室300的封闭性质。在该示例中，测试室200的气体入口206通过间隔结构103形成。
气体感测装置1被配置为允许待测量测试室200中的光的吸收。为此，测试室200包括一对或多对微镜201、202。每对的第一微镜201设置在主体100的第一表面上。在所示的示例中，第一表面是第一部件101的表面(即，第一部件101面向测试室200的表面)。该对的另一个微镜202设置在主体1的第二表面上。第二表面是第二部件102的表面(即，第二部件的面向测试室200的表面)。每对微镜201、202一起形成光学腔203。光学腔203可以具有1000μm或更小，或者优选地500μm或更小的(物理)长度。因此，光学腔203可以被认为是微腔。
微镜201、202包括平坦或弯曲的表面，并且足够宽或大以反射具有束腰小于预定尺寸(诸如500μm或100μm)的光束。因此，与传统的光学腔相比，微镜201、202可以较小，从而减小了装置1的总体尺寸。
微镜201、202可以通过反应离子蚀刻技术或其他高精度技术形成。这允许非常精确地控制光学腔203的长度。控制在几十纳米或更好的尺度是可以实现的。准确的知道光学腔203的长度对于设置光学腔203的共振频率和正确确定光学腔203中的光的吸收量是重要的。
在一些示例中，测试室200包括多对微镜201、202。特别地，测试室200可以包括一对或多对微镜201、202，以用于气体感测装置检测的一种或多种目标气体种类中的每一种。每对微镜201、202可以被配置为具有不同的共振频率。可以选择不同的共振频率以匹配不同目标种类的目标吸收特征(例如吸收系数的峰值)。可替选地或附加地，可以选择不同的共振频率以对应于相同目标气体的不同吸收特征。在一些示例中，测试室200(以及可选的参考室300)可以用具有不同共振频率的多个微镜201、202来制造。然后可以基于预期的一种或多种目标气体在制造后选择一对或多对微镜201、202。换言之，装置1可以初始制造为目标气体中性(gas-neutral)。
在一些示例中，测试室200可以包括2对或更多对、或5对或更多对或10对或更多对的微镜，以用于一种或多种目标气体种类中的每一种。在一些示例中，气体感测装置1可以被配置为检测2种或更多种、或5种或更多种或10种或更多种的目标气体种类。因此，在一些示例中，目标室200可以包括100个或更多个光学腔203。
在特定示例中，多对微镜201、202具有从一对到另一对仅少量变化的共振。例如，定义每对微镜201、202的参数可以变化，以提供具有最小变化共振的光学腔203的阵列。例如，该参数可以是一个或多个的：微镜201、202中的一个(或两个)的曲率半径；微镜201、202中的一个(或两个)的深度；以及一对微镜201、202之间的距离。因此，在一些示例中，测试室200包括具有不同曲率半径的多对微镜201、202。可替换地或附加地，在一些示例中，测试室200包括具有不同镜面深度(mirror depths)的多对微镜201、202。可替换地或附加地，在一些示例中，测试室200包括具有不同镜面间距(mirror separation)的多对微镜201、202。多对微镜201、202之间的变化可以使得相应光学腔203的共振频率小于目标气体的吸收特征的线宽变化。例如，共振频率的变化可以小于吸收特征的线宽的1/10th、1/100th或1/1000th。通过使用良好且稳定的半导体制造工艺，可以减少匹配期望的共振条件所需的空腔的数量。只有空腔FSR的一小部分需要被空腔覆盖以匹配感兴趣的微量气体吸收特征。所有上述考虑也适用于参考室300。
在一些示例中，微镜201、202涂覆有高反射率多层涂层。首先镜面形状(mirrorshape)通过结构化相应的基板101、102产生。然后用高反射率涂层涂覆成形的基板101、102。例如，多层电介质布拉格涂层可以通过溅射或其他合适的工艺来施加。涂层的中心波长可以从可见到近红外电磁范围自由选择。涂层通常在50-100nm的带宽上工作。在测试室200包括多个光学腔203的情况下，各自每对微镜201、202的中心波长可以不同。
为了检测目标气体，光被耦合到一个或多个光学腔203中，在光学腔203中，光被测试室200中的气体吸收。为此，装置1包括光入口204，该光入口204布置为将光耦合到一个或多个光学腔203中。与光学腔共振的光将穿过光学腔并且可以被检测到。为此，装置1包括光出口205，该光出口205布置为接收来自一个或多个光学腔203的光。通过这种方式，可以采样特定频率的光。通过将光学腔的共振频率与目标气体种类的目标吸收特征(例如吸收峰)相匹配，可以检测测试室200中在该特定波长(或该波长周围的波段)的光吸收。如果检测到的吸收与目标气体的预期吸收相匹配，则可以推断出目标气体的存在。可替换地或附加地，吸收量可用于确定气体的浓度。
在所示的实施例中，光入口204位于第一部件101中，且光出口205位于第二部件102中。可替换地，光入口204和光出口205都可以位于同一部件101、102中。实际上，光入口204和光出口205可以位于同一位置。也就是说，光可以通过与从测试室200接收光相同的部件耦合到测试室200中。光入口204和/或光出口205可以包括在第一部件101和第二部件102上。因此，例如，光可以从装置1的两侧检测。光入口204和光出口205充当通过第一部件101和第二部件102的光通道。光入口204/光出口205(以及下面讨论的类似的入口304/出口305)可以是第一部件101或第二部件102的一部分。例如，在第一部件101和/或第二部件102由硅形成，并且装置1被设计为检测NIR范围内的吸收特征的情况下，入射的NIR光能够穿过硅进入腔室202。对于VIS波长范围，第一部件101和/或第二部件102可以由诸如氮化硅、碳化硅、石英或蓝宝石的材料形成，这些材料对VIS光是透明的。可替换地，光入口/光出口可以由与第一部件101或第二部件102的其余部分不同的、适当透明的材料形成。在任何一种情况下，光入口204/光出口205都可以包括抗反射涂层，如所示示例中所示。
如上所述，在传统的片上(on-chip)光学系统中，吸收长度可以达到约10-20cm(尽管通常要小得多)，并且由于在1650nm处甲烷吸收而导致的激光强度的可实现变化仅为5ppm。这相当于所需的动态范围超过50dB，这在任何实际系统中都是不现实的。
通过增加光路长度l可以增强吸收信号。这可以通过增加光源和检测器之间的距离、多通道光谱吸收单元或诸如法布里-珀罗(Fabry-Pérot，FP)腔的腔来实现。光源到检测器的距离可以增加，但这使得不可能保持紧凑型。多通道单元可以让光束在两个反射镜之间反射几十次。例如，标准的多通道单元是赫里奥特(Heriott)单元，其通常为50厘米长，并允许长达50米的吸收长度。尺寸和稳定性问题允许它们几乎只在实验室环境中操作，并且它们不适合基于在线芯片的感测应用。
在任何系统中，增强光学深度的最佳性能设备是空腔。在腔增强吸收光谱法(cavity enhanced absorption spectrometry，CEAS)中，空腔用于延长光与测试样本之间的相互作用长度，增加光的吸收。特别是对于气体感测，开放式法布里-珀罗(F-P)腔具有有利的特性。这里，相隔距离l的两个反射镜形成共振器，在该共振器中，光束在进入空腔后可以循环。光子在离开空腔之前往返的次数与精细度(finesse)成正比,并且有效吸收长度变为/>精细度只是空腔的带宽上的自由光谱范围(free spectral range，FSR)。图4示出了F-P光学腔的模式光谱。每当腔长的两倍等于检测激光波长的整数倍时，就会发生共振。自由光谱范围(FSR)取决于空腔的长度，因为FSR＝c/2n l，其中c是光速，l是镜面间距，n是F-P腔内的大气或介质的折射率。
因此，气体感测装置1的特定示例使用F-P光学腔203。通过使用微镜来形成F-P光学腔203，装置1可以高度小型化，并且可以使用片上F-P腔203。特别地，可以将高精细度光学微腔制造为形成第一部件101和第二部件102的半导体(例如Si)晶片。这一概念允许使用半导体微制造工艺在硅片平台上构建极其紧凑、稳定和廉价的单片光学传感器。这种方法可以将紧凑型光学气体传感器的灵敏度极限提高三个数量级。气体感测装置1可以用于CEAS技术中。
光学腔203可以具有(物理)长度，该(物理)长度的范围为1μm至1000μm、或5μm至500μm、或150μm至350μm。光学腔的体积可以为约50fL至约400pL。光学腔的光学精细度可以至少为10000、或至少为50000、或至少为100000、或至少为250000、或至少为500000或更高。
在特定示例中，每对微镜中的一个或多个微镜(在测试室和/或参考室中)是弯曲的。曲面镜提供光束的腔内重新聚焦。这防止了在传统方法(诸如楔形镜腔或平面平行镜腔)中是一个问题的在反射过程中的光束扩展。扩展光束意味着必须使用更大的光学器件，从而防止空腔的小型化。在特定示例中，一对反射镜的至少一个微镜的曲率具有由高斯光束光学器件给出的曲率，其可以被称为抛物面反射镜形状。在特别有利的示例中，一对微镜之间的距离小于一个或多个微镜的曲率半径的两倍。在这种情况下，光学腔203变得光学稳定。这与传统的方法形成了对比，传统的方法使用光束走散(walk off)，光束走散在理论上充其量是边缘稳定的并且具有扩展光束。光学稳定的腔允许达到非常高的精细度值。高精细度腔意味着光束可以无限期地在共振器内循环，并且由于光束不会扩展，因此只会发生相长干涉(constructive interference)，因此不需要光束走散。这对于本气体传感器是特别有利的，因为这意味着光束通过气体的更大的有效距离，增加了传感器的灵敏度。
装置1的示例的理论散粒噪声检测极限(α),im可以由以下公式给出：
其中e为基本电荷，假设精细度腔长l＝200μm，检测器响应度η＝0.9/A，光强度P＝1mW撞击光电探测器。在1秒的积分时间内，这比甲烷的自然大气丰度小四个数量级以上：
虽然在任何实际设备中都很难达到这种高的基本灵敏度极限，但装置1的极小型和紧凑性是实现高灵敏度的关键。这里所采用的一般尺寸和半导体制造技术允许制造机械和热稳定的光学系统。
考虑到热稳定性，200μm长的全硅微腔203在1开尔文温度变化下的热膨胀仅为0.5nm。这与腔共振波长相比处于亚百分比水平。相反，对于20cm长的宏观空腔(如在传统系统中)，热膨胀将至少为500nm。这相当于约30％的共振波长。因此，本装置1的光学微腔203与传统系统相比在热稳定性方面提供了优越得多的操作。结果，吸收测量的灵敏度大大提高。此外，随温度的微小变化允许待使用热控制来微调光学腔203。例如，图5示出了长度为200μm的硅腔的热膨胀如何改变空腔的共振条件。还示出了甲烷在1650nm附近的吸收系数。从该图中可以看出，温度的微小变化可以用来精确地控制空腔203的共振条件。事实上，需要小于5°K的变化来调整甲烷吸收特征的空腔。空腔的这种微调将在下面进一步讨论。
光学腔203的小尺寸还提高了检测的机械稳定性。考虑具有1度的指向误差的激光束作为示例。在长度为20cm的传统空腔上，光束与光轴的偏移量将为4mm，其相当于在这种长腔中的束腰的数倍。对于200μm长的微腔，这将仅为0.4μm，其不到空腔中的束腰的5％。因此，装置1的空腔203在机械稳定性方面优于传统的腔增强型气体检测器。
光学腔203可以被配置为在可见(visible，VIS)到近红外(near-infrared，NIR)电磁范围(从380nm到3000nm)中具有共振。气体种类的基本吸收带往往给出最强的吸收信号，往往在中红外(mid-infrared，MIR)范围内。因此，气体传感器的自然选择将以MIR吸收带为目标。然而，MIR光源和检测器往往价格昂贵，阻碍了它们用于大规模部署。然而，本气体感测装置1的改进的灵敏度允许把VIS-NIR范围中的更高吸收倍频峰(overtones)作为目标。图6a示出了NIR范围内甲烷、二氧化碳和水的吸收系数。在1650nm处可以检测到甲烷的清晰窗口(clear window)。图6b示出了相同气体在较大波长范围内的吸收系数。
有利地，该范围与光学电信波长域一致。因此，低成本的组件和高度复杂的制造技术可用于该领域。这种组件用于消费类手持设备，因此非常节能且紧凑。使用这种组件，可以实现低成本、便携式的气体感测装置的制造。
以上关于在测试室中光学腔103的优点和布置的讨论同样适用于参考室300，例如包括参考室300。如图1所示，参考室300还包括一对或多对微镜301、302。微镜301、302与微镜201、202类似地形成。多对微镜301、302各自形成参考光学腔303。在所示的实施例中，光入口304被布置为将光耦合到一个或多个参考光学腔303中。光出口305被布置为接收来自一个或多个参考光学腔103的光。与光入口204/光出口205一样，光入口304和/或光出口305可以位于第一部件101和第二部件102中的一个或两个上。光入口304和光出口305可以被组合。以上关于光入口204/光出口205描述的特征同样适用于光入口304/光入口305。
由于通过使用微镜和微腔使得装置1的小尺寸成为可能，参考室300在物理上非常靠近测试室200。因此，由于检测和参考光路受到公共噪声源的影响，任何多余的噪声都可以在很大程度上被抵消。这种噪声可以是机械噪声、激光噪声和电子噪声。
参考室300可以包括与测试室中的每对微镜201、202对应的一对微镜301、302。例如，在使用多个光学腔203来检测单种目标气体的情况下，参考室300可以包括对应的一组参考光学腔303，以提供用于每个测试光学腔203的参考信号。在测试室200包括用于检测多种目标气体的多个光学腔203的情况下，参考室300还可以包括用于为这些目标气体提供参考信号的多个光学腔203。在这种情况下，保持在参考室300中的参考气体可以包括每种目标气体。可替换地或附加地，装置1可以包括多个参考室300，每个参考室包括形成参考光学腔303的一对或多对微镜301、302。在这种情况下，即使在使用单个测试室200来检测多种目标气体的情况下，每个参考室300也可以布置为仅为目标气体中的一个或子集提供参考信号。在这种情况下，每个参考室300可以填充有包括用于该参考室300的各自一种或多种目标气体的参考气体。
与测试室200的多对微镜201、202相对应的参考室300的多对微镜301、303可以被布置为形成光学腔303，该光学腔303的共振频率基本上等于在测试室200中对应的共振频率。基本相等可能意味着参考共振频率和测试共振频率之间的任何差异都小于它们被布置为测量的吸收特征的线宽。在实践中，对于NIR-VIS范围内的吸收特征，这可以是20GHz或更小，或者优选10GHz或更小的差异。
在一些示例中，参考光学腔303的共振频率可以不同于提供参考信号的相应测试光学腔203。例如，可以使用不同的气体种类来提供参考。可替换地，可以使用相同气体种类的不同吸收特征来提供测试和参考信号。
气体感测装置1可以与光源和光检测器组合以形成气体检测器。图3示出了这种气体检测器10的示例，其中光束11穿过有源通道。气体检测器10包括具有主体100和测试室200的气体感测装置1。尽管未示出，但是气体感测装置1可以进一步包括参考室300。
气体检测器10包括发光系统600，该发光系统600被布置为将光传输到气体感测装置1的光入口204中。在存在的情况下，发光系统还将光传输到参考入口304中。在该示例中，发光系统600包括光纤阵列601(或其他光子波导)，将来自光源(未示出)的光耦合到光入口204中。光源例如可以是激光器、LED或发射与光学腔203(以及参考光学腔303，如果存在)的共振频率匹配的光波长的任何其他光源。光源可以例如使用PDH技术(Pound-Drever-Hall)、抖动(dither)技术或侧边缘锁定技术被锁定到一个或多个腔203、303上。光源可以是多个气体检测器10所共有的。耦合到设备10的光纤601的数量与待检测的光学腔203(以及可选的参考光学腔303)的数量相匹配。这可以是所有的光学腔203，或者仅是光学腔203的一个或子集，如下面进一步讨论的。
在所示的示例中，光入口204除了通过上述第一部件101之外还包括层401、402。层401是包括多个透镜(或微透镜)的透镜阵列。每个透镜被配置为利用测试室200的相应光学腔203聚焦接收到的光。透镜阵列401的透镜可以是硅透镜。折射率匹配层(Index matchinglayer)402将光耦合在每个光纤601和层401之间。折射率匹配层402的折射率与光纤601的折射率相匹配。来自光纤601的光将在折射率匹配层402中扩展，然后由层402的透镜聚焦到相应的腔203中。折射率匹配层402可以是多层结构。对准结构403将发光系统600连接并对准到层401。对准结构403控制系统600(在该示例中包括光纤输入601的层)和层403之间的距离和横向位置。对准结构403可以为诸如硅的半导体形成。
光从一根或多根光纤601耦合到装置1中，并聚焦到相应的一个光学腔203(以及类似的303)中。然后从光学腔203逸出的光被光出口205接收。在所示的实施例中，光出口包括层501、502和503以及如上所述的穿过第二部件102的光学通道。层503是类似于对准结构403的对准结构。层502是类似于折射率匹配层502的折射率匹配层。层501是类似于透镜阵列401的透镜阵列。透镜阵列501包括用于每个光学腔203(以及可选地每个参考光学腔303)的相应透镜(或微透镜)。透镜阵列501的透镜从它们各自的光学腔201接收光，并将其引导到光检测系统700中。
光检测系统700被布置为接收来自气体感测装置1的光出口204的光。光检测系统700被配置为生成表示接收到的光的强度的信号。在所示的示例中，光检测系统700包括多根光纤701。每根光纤701对应于待进行测量的一个光学腔203。这可以是所有的光学腔203、一个光学腔203或光学腔203的子集。透镜阵列701的透镜通过折射率匹配层502将光聚焦到相应的光纤701中。折射率匹配层502的折射率与光纤701的折射率相匹配。光纤701将光传输到光学检测器(诸如光电二极管)(未示出)。光学检测器被配置为确定接收到的光的强度，并因此确定测试室200(以及可选地参考室300)中的气体吸收的光量。
在上述示例中，光源和光检测器被描述为气体检测器10的一部分，通过光纤601、701连接到气体检测器10内的气体感测装置1。在气体检测器10的一些示例中，发光系统600和/或光检测系统700可以可移除地耦合到气体感测装置1。例如，装置1可以包括端口，该端口被配置为接收一个或多个光纤601、701，并且将来自这些光纤601、701的光耦合到一个或多个光学腔203(和/或参考腔303)中。
是否使用透镜阵列501和/或透镜阵列601可以取决于微镜201、202的形状。如果一对微镜201、202都是凹形的，则透镜阵列501、502可用于将光正确地耦合到相应的腔203中。如果一对微镜201、202中的一个或两个是平面的，则可以省略透镜阵列501、601。
上述光纤601、701允许远程光源/光检测器连接到气体感测装置1。然而，在一些示例中，光源和/或光检测器可以直接结合到气体感测装置1中。例如，光源和/或光检测器可以附接到第一部件101和第二部件102中的一个。这种光源可以包括激光二极管(例如垂直腔表面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL))、差频产生(difference freqeuncy generation，DFG)激光二极管或分布式反馈(distributedfeedback，DFB)激光二极管。这种光检测器可以是光电二极管。通过将光源和/或光检测器结合到气体感测装置1中，可以制造完整的、紧凑的气体检测器10。
气体检测器10可以进一步包括气体检测系统。气体检测系统被配置为接收表示来自光检测系统的光的强度的信号，并确定在气体感测装置中吸收的来自光源的光的比例。气体检测系统然后可以基于气体感测装置中吸收的光的比例来确定测试室中是否存在一种或多种目标气体。这可以包括确定腔室中存在的一种或多种目标气体的浓度。气体检测器可以包括处理器，该处理器配置为接收来自光检测系统的信号，确定吸收的光的比例，并输出目标气体存在的确定。这种处理器可以被结合到气体感测装置1中。气体检测系统可以是气体检测器10(通过有线或无线连接)连接的计算机或嵌入式系统。
如上所述，气体感测装置1可以制造为具有多个光学腔203和/或参考腔303，该多个光学腔203和/或者参考腔303以相同的目标气体为目标。这些空腔203、303中的每一个例如由于制造公差可以具有略微不同的共振频率。因此，选择多个空腔203中与一种或多种目标气体的预期吸收特征最匹配的一个或多个空腔可能是有利的。为此，可以在使用之前校准气体感测装置1以选择光学腔203和/或参考光学腔303中的一个或多个。这可以包括测量从每个光学腔202(和/或参考光学腔303)输出的光的频率，并确定哪些光学腔202、303具有在频率上最接近目标吸收特征的共振。以下将结合图7讨论这种方法。
因此，在气体感测装置1已经被校准之后，可能不需要检测来自所有光学腔203的光。因此，在一些示例中，光入口204被布置为仅将光耦合到光学腔203的子集中(并且类似地用于参考光学腔203)。光学腔203的子集包括一个或多个光学腔，该一个或多个光学腔是基于要由气体感测装置1检测的一种或一种以上目标气体种类而选择的。换言之，光学腔203的子集是在校准过程中被选择为最佳匹配目标气体的目标吸收特征的那些。类似地，光出口205可以布置为仅接收来自光学腔的子集的光。可替换地，光仍然可以耦合到所有光学腔203中，但是光检测系统或气体检测系统可以忽略来自未选择的光学腔203的测量。
如上所述，光学腔203、303的共振频率通过第一部件101和第二部件102的形成有多对微镜201、202、301、302的表面之间的间隔而被以粗略的尺度设定。在所示的示例中，该间隔由间隔结构103的厚度设定。光学腔203、303之间的共振频率的较小变化可以通过微镜201、202、301、302的形式产生。如上所述，可以使用校准过程来选择用于目标气体的最佳光学腔203、303。然而，在校准之后，甚至在气体感测装置1的使用期间，允许光学腔203、303的共振频率的精细尺度调谐仍然是有利的。
为此，气体感测装置1(和/或气体检测器10)的一些示例包括光学腔调谐系统104。调谐系统104允许对光学腔203(和/或参考光学腔303)的共振频率进行微调。特别地，调谐系统104可以被布置为使多对微镜201、202和/或参考微镜301、302之间的间隔发生微小变化。调整间距进而调整光学腔203、303的共振频率。在一些示例中，可以调整第一部件101和第二部件102之间的间隔，同时调谐所有光学腔203(以及，参考光学腔303，在存在的情况下)。可替换地，调谐系统104可以被配置为通过改变形成各个光学腔203、303的微镜201、202、301、302的间距或形状来调谐这些光学腔203和303。
在图1所示的示例中，调谐系统104将信号施加到间隔结构103。该信号被布置为控制间隔结构103的厚度(即，在平行于第一部件101和第二部件102之间的间隔的方向上的厚度)。改变间隔结构103的厚度会改变多对微镜201、202、301、302之间的间隔，并因此调整光学腔203、303的共振频率。
在一些示例中，光学腔调谐系统104被布置为改变间隔结构103的温度(或通常主体100的温度，以引起主体100的材料的热膨胀/收缩)。调谐系统104可以是或包括附接到间隔结构103/主体100的加热器/冷却器。调谐系统104还可以包括温度控制器，该温度控制器被布置为监测间隔结构103/主体100的温度并相应地将信号施加到加热器/冷却器。可替换地，调谐系统104可以被配置为向间隔结构103/主体100施加电信号，该电信号导致间隔结构103/主体100改变温度(例如通过电阻加热)。类似地，调谐系统104可以将热量或信号直接施加到一对微镜201、202、301、302中的一个或两个，以单独地调谐它们形成的光学腔203、303。
附加地或可替换地，光学腔调谐系统104可以被配置为向间隔结构103和/或主体100施加压电控制电压信号。在这种示例中，间隔结构103/主体100或其部分包括压电活性材料。压电材料被布置为使得在施加电场时，压电材料使得第一部件101和第二部件102之间的间隔增大或减小。光学腔调谐系统104可以应用的最大间隔变化可以处于10pm到500pm、或者10pm到100pm、或者25pm到75pm的范围内。例如，可以以这种方式控制间隔结构103的厚度。调谐系统104可以包括附接到压电材料的电极，以及被配置为向电极施加电压以控制压电活性材料的电信号发生器。在一个示例中，一个或多个第一电极附接到或结合到间隔结构103的面向第一部件101的第一表面。一个或多个第二电极附接到或结合到间隔结构103的面向第二部件102的第二表面。第一表面和/或第二表面可以基本上完全被相应的第一电极和第二电极覆盖。间隔结构本身由弱压电材料形成。光学腔调谐系统104被配置为在第一电极和第二电极之间施加电压。间隔结构103形成电容器，并且随着在第一和第二电极之间建立的电场，压电晶体膨胀或收缩，导致间隔结构的厚度膨胀或收缩，并且因此改变第一部件101和第二部件102之间的距离。间隔结构103材料的示例是具有介电系数d33＝5pC/N的氮化铝(aluminium nitride，AlN)。如果在这种间隔结构103上施加10伏的电压，则其膨胀或收缩大约50pm，这足以扫描吸收特征或者甚至将空腔锁定到光输入激光器。所施加的电压信号可以是直流电，或高达数百千赫兹频率的交流电。其他合适的压电材料包括铌酸锂、氧化锌、石英或任何其他合适的材料。
类似地，可以通过向与相应的一对微镜201、202、301、302相关联的压电活性材料施加电信号来单独地调谐光学腔203、303中的一个或多个。例如，一对微镜201、202、301、302中的至少一个可以形成在压电活性材料上或由压电活性材料形成。
光学腔调谐系统104可用于在吸收测量期间调谐光学腔203和/或参考腔303中的一个或多个。以这种方式，气体感测装置可以在测量期间在一定频率范围进行扫描，而不是仅在单个频率点进行测量。这可以允许更准确地识别一种或多种目标气体的吸收特征。
可替换地或附加地，调谐系统104可用于热稳定光学腔，从而减少吸收测量中的热噪声。如上文关于图5所述，主体100的热膨胀可以使光学腔203、303失谐其预期吸收特征的频率。光学腔调谐系统104可以用于校正这种失谐。在这种示例中，光学腔调谐系统104被布置为监测一个或多个光学腔203、303的共振频率，并基于监测到的共振频率来改变一个或多个光学腔的共振频率。例如，调谐系统104可以接收表示光学腔203、303的当前共振频率的信号(例如，由检测系统测量的)，或者表示共振频率的变化的信号。调谐系统104然后可以基于接收到的信号来调谐光学腔203、303。因此，可以形成反馈回路。
光学腔调谐系统104可用于补偿如温度的缓慢漂移和/或将空腔203、303直接锁定到激光器(用作光输入系统的一部分)。为此，控制必须快速，这可以通过快速压电偏移或通过温度调谐来实现。在快速调谐的后一种情况下，空腔203、303被锁定到激光器，而不是相反。这是优选的，因为许多空腔203、303可以被锁定到一个公共激光器。用于锁定的反馈回路可以使用被馈送到光学腔调谐系统104而不是激光器中的锁定误差信号来锁定和稳定系统。可替换地，对于慢速控制，可以使用温度或压电信号来相对于激光器或参考室中的吸收特征控制腔203、303。例如，如果校准激光器，则可以使用慢调谐来将腔共振频率与激光器匹配，反之亦然。
在一些示例中，监测共振频率包括监测参考室中的一个或多个参考腔303。然后可以相对于校准的光源测量这些参考腔303的共振频率。可替换地，可以监测参考室300中一种或多种参考气体的吸收，由此可以计算一个或多个参考腔303的共振频率的变化。
因此，气体感测装置1允许微制造工艺(尤其是当由半导体晶片形成时)的精度与光学腔的高精度调谐相结合。温度调谐可以提供约pm/mK精度的共振波长的控制。压电调谐可以提供约pm/V精度。这允许在小型设备中进行非常高灵敏度的吸收测量。
图7示出了提供用于检测目标气体种类的存在的气体感测装置1的方法20。
方法20从步骤21开始，在步骤21处，气体感测装置1通过在第一部件101和第二部件102之间形成测试室200来构建。测试室包括多对微镜201、202，每对微镜201、202中的一个设置在第一部件101上，每对微镜201、202中的另一个设置在第二部件102上。每对微镜201、202形成相应的光学腔203。气体感测装置通常可以构造成具有上述装置1或设备10的任何特征(诸如参考室300)。
如上所述，气体感测装置1可以有利地使用半导体(例如Si)晶片来构造。图8和图9示出了由半导体晶片800形成多个气体感测装置1的示例工艺。在该工艺中，通过光学光刻和反应离子蚀刻在各个晶片800上形成第一部件101、第二部件102和间隔结构103中的每一个。图8示出了第一晶片800的示例，在该第一晶片800上蚀刻了多个第一部件。
微镜201、202(以及可选的参考微镜301、302)形成在用于第一部件101和第二部件102的晶片800上。这些晶片可以涂覆有高反射率涂层以形成微镜。抗反射涂层可用于形成光入口204/光出口205，以促进通过第一部件101和第二部件102的低损耗传输。气体入口206也通过光刻和蚀刻工艺形成在形成第一部件101和/或第二部件102的晶片800上。然后在受控环境下将所有三个晶片800粘合在一起。粘合过程是气密的。受控环境可用于利用参考气体填充和密封任何参考室300。例如，接合是在诸如氮气的惰性气体环境下进行的，该氮气中包含诸如CH4、CO2或CO的参考气体。在粘合晶片800之后，晶片夹层(sandwich)被切成更小的管芯。图9分别示出了形成气体感测装置1的单个管芯的三个层101、102、103。
在已经构造装置1之后，方法20进行到步骤22。在步骤22处，将光耦合到每个光学腔203中以确定每个光学腔203的共振频率。根据检测布置，光可以依次耦合到每个光学腔203中，或者同时耦合到所有空腔203中。光可以由任何光源提供，诸如上面关于发光系统600所讨论的那些光源。在吸收之后离开光学腔203的光由被配置为确定接收到的光的频率的检测系统检测。例如，检测系统可以将接收到的光与已知频率的校准后的光源进行比较。可以类似地测试任何参考腔303。
方法20然后进行到步骤23，在步骤23处，将所确定的共振频率与目标气体种类的目标吸收特征的频率(诸如吸收系数的峰值)进行比较。例如，在甲烷的情况下，目标吸收峰值可以是大约1650nm的吸收峰值。
方法20然后进行到步骤24，在步骤24处，基于共振频率与吸收峰值的频率的比较来选择多个光学腔203中的一个(或多个)。例如，可以选择具有最接近目标吸收特征的频率的共振频率的一个(或多个)空腔。
方法20然后进行到步骤25，在步骤25处，气体感测装置1被配置为检测来自所选择的光学腔的光。例如，这可以包括连接发光系统600和/或光检测系统700，使得仅对所选择的一个(或多个)空腔203进行采样。可替换地，可以从所有空腔203中进行测量，但是丢弃来自未选择的空腔203的测量。可替换地，可以阻塞用于未选择的空腔203的输入和输出通道。
方法20可以针对装置1想要检测的每种目标气体重复进行。类似地，该方法20可以对于参考光学腔303想要检测的每种参考气体重复进行。在一些示例中，可能不需要步骤22-25的选择过程，例如，在调谐系统104可以被依赖以提供对共振频率的足够控制的情况下。
方法20可以进一步包括校准作为温度的函数的共振波长。这种校准的示例结果如图12-15所示。
当不存在微量气体时微腔传输响应如图12所示。微腔选自多个微镜，对于这些微镜，基本共振接近二氧化碳(CO2)的吸收特征，诸如1573nm处的吸收特征。图12所示的数据取自所需吸收特征的一个自由光谱范围(free spectral range，FSR)。在该示例中，空腔的FSR为900GHz，其相当于160μm的镜面间距(mirror separation)。空腔精细度>120000，有效吸收长度leff>6m，这种类型的测量给出了设备的精细度的下限。
装置温度稳定并在4开尔文的范围内缓慢扫描。气体感测装置被放置在可以改变CO2浓度的受控环境中。微腔传输经由PDH锁被锁定到图12的最大峰值，同时扫描装置温度并且微腔保持共振。对于在空腔处空气中1.4％的CO2浓度将根据朗伯-比尔定律，传输将衰减，如图13所示。图13中的下降幅度与环境中的CO2浓度直接相关。应该强调的是，空腔线宽比微量气体吸收特征窄4000倍。微腔传输和设备温度如图14所示。该数据集是校准数据集，并将设备温度映射到测量波长。
片上参考单元允许设备温度稳定在微腔与微量气体吸收特征共振的点处。换句话说，可以将设备温度锁定在图13的吸收最小值。对于给定温度，测量微腔和参考微腔将具有小于微量气体吸收特征线宽的频率差。通过将设备温度锁定到参考单元，测量单元将连续地稳定到与感兴趣的微量气体吸收波长精确匹配的测量波长。这也意味着不需要主动扫描/感测。通常，可以在使用之前测量气体感测装置1的温度校准数据。然后基于待测试气体(多种气体)的目标吸收频率(或多个频率)来确定温度校准设置。在使用中，气体感测装置的温度被控制(例如加热或冷却)以匹配温度校准设置。因此，气体感测装置1被锁定到特定的目标频率(或多个频率)。多个温度校准设置可以在校准步骤中确定。当使用气体感测装置1时，基于气体感测装置1的当前条件或气体感测仪器1所经历的当前条件来选择单独的温度校准设置。例如，当现场中的气体感测装置1所经历的环境温度可能非常不同时，可以针对夏季和冬季选择单独的温度校准设置。附加地或可替换地，根据气体感测装置1的当前条件或气体感测装置1所经历的当前条件，可以使用装置1的不同空腔203和/或空腔303。例如，与夏季相比，在冬季可以使用不同的光学腔203。与仅使用一个空腔203相比，这可以减小必须加热装置1以稳定温度的温度范围，从而降低装置1的电力要求。优选地，使用中的装置1的温度保持在装置1所经历的局部露点以上。
图10示出了使用气体感测装置1(或气体感测设备10)检测环境中存在目标气体种类的方法30。
方法30开始于步骤31，在步骤31处，气体感测装置1被定位在环境中，使得来自环境的气体经由气体入口206进入装置1的测试室200。装置1可以包括上面讨论的任何特征。气体感测装置1的温度可以被设置为预定温度，该预定温度例如可以是上述的温度校准设置。可以使用内部或外部温度控制器来设置温度，该内部或外部温度控制器被配置为将气体感测装置1的一个或多个腔室加热和/或冷却到期望的温度。
在步骤32处，光束被输入到气体感测装置1的一个或多个光学腔203中。例如，发光系统600可以用于将光耦合到装置1中。
在步骤33处，检测离开光学腔的光的强度。例如，光检测系统700可以用于接收光，并确定其强度。
在步骤34处，确定在光学腔中吸收的(即，由于测试室200中的气体而在通过光学腔203期间吸收的)光量。例如，可以将测量的强度与输入到光学腔203中的光的初始强度进行比较，以推断在光学腔203内吸收的量。
在步骤35处，基于在一个光学腔203或多个光学腔203中吸收的光量来确定是否存在目标气体种类。这可以包括确定测试室200中存在的目标气体的浓度。
可以使用各种检测方案来检测和表征通过光学腔203的光。例如，在装置1包括具有与一个或多个测试光学腔203对应的一个或多个参考光学腔303的参考室的情况下，可以使用平衡检测方案。光可以耦合到一个或多个光学腔203和对应的一个或多个参考光学腔303中。两者都被检测并进行比较(例如相减或相除)，以减少噪声对所接收信号的影响。
可替换地或附加地，可以采用波长或频率调制光谱技术。在这种情况下，空腔203的共振在吸收特征上(使用调谐系统104)被快速调制。这里，快速意味着比系统中的噪声更快。然后，仅(例如，使用锁定检测技术)检测出示出相同调制的光，从而减少检测到的信号中的噪声量。
可替换地或附加地，可以采用原位外差检测方案。在这种情况下，用与目标分子吸收特征的带宽相当的频率调制激光，将其发送到一个或多个空腔203中，并在光电检测器上进行干涉。可替换地或附加地，可以采用光腔衰荡光谱。
尽管图10描述了基于吸收的光量检测目标气体，但通常可以分析检测到的光的任何合适的性质(或性质的组合)，以确定目标气体的存在。例如，可以分析检测到的光以检测以下中的至少一个：光学腔的共振频率的偏移；光学腔的衰荡时间的变化；以及光学腔的线宽的变化。然后可以基于以下中的至少一个来确定气体种类的存在：光学腔中吸收的光量；共振波长偏移的幅度；衰荡时间的变化幅度；以及线宽变化的幅度。
这种检测技术减少了检测到的信号中的激光、机械和/或热噪声，从而提高了气体感测装置1的灵敏度。
图11(a)和(b)示出了方法30的示例的实践。该些图是用于监测井场上的天然气泄漏的多个气体感测装置1的示意图。在图11(a)中，多个单独的气体检测器10监测和观察天然气羽流(plumes)。本设备的低成本和便携性意味着多个设备10可以容易地定位在单个井场周围或管道旁边。在图11(b)中，多个气体感测装置1排列在井场周围。气体感测装置1通过光纤连接到气体检测器10。气体检测器10充当用于收集装置1的基站。光纤网络允许多个装置1共享检测器10的发光系统600和/或光检测系统700。气体检测器10还可以代表所有装置1将结果(即，目标气体/目标气体浓度的检测或不检测)传输到远程服务器。这节省了所需的电子设备和激光源的数量，进一步节省了成本。
鸣谢
引导本申请的项目获得了以下资助：拨款协议号为862721和玛丽居里拨款协议号为801110的欧盟的地平线2020研究和创新计划，和奥地利联邦教育、科学和研究部(BMBWF)(埃尔温·薛定谔量子科学与技术中心的共同资助机构)，奥地利科学基金(FWF)：I 3167-N27；以及奥地利科学基金(FWF)TAI 350-N。

Claims (33)

1.一种气体感测装置，包括：
测试室，其形成在主体中，所述测试室包括一对微镜，所述一对微镜中的一个设置在所述主体的第一表面上，所述一对微镜中的另一个设置在所述主体的第二表面上，其中所述一对微镜形成光学腔；
光入口，其布置为将光耦合到所述光学腔中；
光出口，其布置为接收来自所述光学腔的光；以及
气体入口，其配置为允许来自装置外部的气体进入所述测试室。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学腔的光学精细度为至少10000、或至少50000、或至少100000、或至少250000、或至少500000。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述一对微镜中的一个或两个微镜是弯曲的。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述主体包括第一部件和第二部件，在所述第一部件和所述第二部件之间形成有所述测试室，并且其中所述第一表面是所述第一部件的表面，并且所述第二表面是所述第二部件的表面。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一部件是第一基板，所述第二部件是第二基板，并且其中所述主体还包括分隔所述第一基板和所述第二基板的间隔结构。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述测试室包括多对微镜，每对微镜中的一个设置在所述第一表面上，并且每对微镜中的另一个设置在所述第二表面上，其中每对微镜形成各自的光学腔；
其中所述光入口布置为将光耦合到一个或多个所述光学腔中；以及
其中所述光出口布置为接收来自一个或多个所述光学腔的光。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述光入口布置为将光耦合到所述光学腔的子集中，所述光学腔的所述子集包括基于待由所述气体感测装置检测的一种或多种目标气体种类而选择的一个或者多个光学腔。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述光出口布置为接收来自所述光学腔的子集的光，所述光学腔的所述子集包括基于待由所述气体感测装置检测的一种或多种目标气体种类而选择的一个或者多个光学腔。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其中所述测试室包括用于待由所述气体感测装置检测的一种或多种目标气体种类中的每一种的多对微镜。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述测试室包括用于所述一种或多种目标气体种类中的每一种的2对或更多对、或5对或更多对或10对或更多对的微镜。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的装置，其中所述气体感测装置配置为检测2种或更多种、或5种或更多种、或10种或更多种的目标气体种类。
12.根据任一前述权利要求所述的装置，还包括参考室，所述参考室形成在所述主体中的，所述参考室包括：
一对或多对微镜，每对微镜形成参考光学腔；
光入口，其布置为将光耦合到一个或多个所述参考光学腔中；以及
光出口，其布置为接收来自一个或多个所述参考光学腔的光；
其中所述参考腔是密封的或能够与外部气体密封。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述主体包括第一部件和第二部件，其中在所述第一部件和所述第二部件之间形成有所述参考室。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中所述参考室可填充有一种或多种参考气体种类。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的装置，其中所述参考室包括与所述测试室中的每对微镜对应的一对微镜。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述测试室和所述参考室中对应的多对微镜的共振频率基本相等。
17.根据任一前述权利要求所述的装置，还包括光学腔调谐系统，所述光学腔调谐系统配置为改变一个或多个所述光学腔的共振频率。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述光学腔调谐系统配置为改变所述微镜和/或所述主体的温度，以便改变一个或多个所述光学腔的所述共振频率。
19.根据权利要求17或18所述的装置，其中所述微镜和/或所述主体包括压电材料，并且其中所述光学腔调谐系统配置为将压电控制信号施加到压电材料上，以便改变一个或多个所述光学腔的所述共振频率。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的装置，其中所述光学腔调谐系统布置为监测一个或多个所述光学腔的所述共振频率，并基于所监测的共振频率来改变一个或多个所述光学腔的所述共振频率。
21.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述一个或多个光学腔配置为在可见至近红外电磁范围内具有共振。
22.一种气体检测器，包括：
根据任一前述权利要求所述的气体感测装置；
发光系统，其布置为将光传输到所述气体感测装置的光入口中；以及
光检测系统，其布置为接收来自所述气体感测装置的光出口的光，其中所述光检测系统配置为生成表示接收到的光的强度的信号。
23.根据权利要求22所述的气体检测器，其中，所述发光系统包括光源和光纤，所述光纤布置为将来自所述光源的光耦合到所述光入口中。
24.根据权利要求22或23所述的气体检测器，其中，所述光检测系统包括一个或多个光电二极管和一根或多根光纤，所述一根或多根光纤布置为将来自所述光出口的光耦合到一个或多个所述光电二极管上。
25.根据权利要求24所述的气体检测器，其中所述发光系统和/或光检测系统被结合到所述气体感测装置中。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的气体检测器，还包括气体检测系统，其中所述气体检测系统配置为接收表示来自所述光检测系统的光的强度的信号，并且确定在所述气体感测装置中吸收的来自光源的光的比例。
27.根据权利要求26所述的气体检测器，其中所述检测系统配置为基于在所述气体感测装置中吸收的光中吸收的光的所述比例来确定在所述测试室中是否存在一种或多种目标气体。
28.根据权利要求27所述的气体检测器，其中所述检测系统配置为确定腔室中存在的一种或多种所述目标气体的浓度。
29.一种检测环境中存在目标气体种类的方法，所述方法包括：
将根据权利要求1至21中任一项所述的气体感测装置定位在所述环境中，使得来自所述环境的气体进入装置的测试室；
将光束输入到所述气体感测装置的光学腔中；
检测离开所述光学腔的光；以及
分析检测到的光以确定是否存在目标气体种类。
30.根据权利要求29所述的方法，其中：
分析检测到的光包括以下步骤中的至少一个：
确定在所述光学腔中吸收的光量；
检测所述光学腔的共振频率的偏移；
检测所述光学腔的衰荡时间的变化；以及
检测所述光学腔的线宽的变化；并且
确定是否存在所述目标气体种类是基于以下步骤中的至少一个：
在所述光学腔中吸收的所述光量；
所述共振波长偏移的幅度；
所述衰荡时间变化的幅度；以及
所述线宽变化的幅度。
31.根据权利要求29或30所述的方法，其中确定是否存在所述目标气体种类包括确定所述测试室中存在的所述目标气体的浓度。
32.一种提供用于检测目标气体种类的存在的气体感测装置的方法，所述方法包括：
通过在第一部件和第二部件之间形成测试室来构建所述气体感测装置，所述测试室包括多对微镜，每对微镜中的一个设置在所述第一部件上，每对微镜中的另一个设置在所述第二部件上，其中每对微镜形成各自的光学腔；
将光耦合到每个光学腔中以确定每个光学腔的共振频率；
将所确定的共振频率与所述目标气体种类的吸收峰的频率进行比较；
基于所述共振频率与所述吸收峰的频率的比较来选择多个所述光学腔中的一个；以及
配置所述气体感测装置以检测来自所选择的光学腔的光。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括针对温度、压力和湿度中的一个或多个来校准所述装置。
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