CN1945284A - 单片双芯或多芯半导体激光气体传感器、制作及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单片双芯或多芯半导体激光气体传感器，其特征在于它由封装于同一管壳热沉上的制作于同一单片衬底上的激光器芯组成的单片双芯或多芯激光器、用于热沉温度控制的热电控温电路、时分驱动电路、用于吸收和参比光信号探测的光电探测器、放大及时分解调电路、以及比较电路和显示输出电路组成。本发明利用目标气体对吸收激光器产生的特定波长激光的吸收特性进行气体浓度测量，也利用目标气体对参比激光器产生的相近特定波长激光的透过特性作为参比信号以抵消其他损耗和波动的影响。此传感器的核心是单片双芯或多芯半导体激光器和一只光电探测器，易于一体化、小型化和集成化；是一种普适的采用半导体激光的气体传感器，通用性强。

Description

单片双芯或多芯半导体激光气体传感器、制作及使用方法

技术领域

本发明涉及一种单片双芯或多芯半导体激光气体传感器，更确切地说，本发明提供一种基于单片双芯或多芯半导体激光器封装的气体传感解决方案，包括激光器驱动、波长控制、吸收和参比信号提取及处理等一系列特殊技术。本发明属于半导体光电子器件、信号处理及气体传感技术领域。

背景技术

自上世纪六十年代半导体激光器发明以来，其结构已由简单的同质结发展到异质结、量子阱、分布反馈、面发射以及量子级联等等，其基本结构也已由双极型扩展到单极型，激射波长由近红外、可见波段拓展到中红外、远红外以及紫外波段，很多种类的激光器已实现了商品化并应用于众多领域。随着半导体激光器理论及材料生长技术的进步，一些新型的半导体激光器在近十年中有了长足的发展。

在半导体激光器的应用方面，利用气体在红外波段具有特异性的选择吸收特性进行气体种类的鉴别及其浓度的测量是一个新兴的领域，其基本原理均基于所谓可调二极管激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)方法。TDLAS方法简单地说就是针对气体的某一具有较高吸收强度的特异性吸收波长，利用激射波长可在一定范围内调谐的半导体激光二极管通过波长扫描的方法获得气体的吸收光谱特征，从而获得相关的气体种类及浓度等信息。由此可见，TDLAS方法的关键是要求使用的激光二极管具有一定的波长连续调谐范围，此范围可覆盖一种(或多种)目标气体的强吸收和非吸收区域以获得吸收和参比信号，从而获得所需信息。各种不同的TDLAS方案对半导体激光器也有不同的具体要求。

过去的一系列TDLAS方案中一个通道都是采用一只半导体激光器，通过改变其驱动电流或热沉温度进行波长调谐(改变电流的实质也是改变激光器芯片的温度)，或是采用外腔调谐的方法。对实时的气体测量，要求波长调谐能达到一定的速度和重复性。对半导体激光器而言，在TDLAS应用中，改变其驱动电流一方面使驱动电路甚复杂，另一方面也会影响到其模式特性；而改变热沉温度一方面不易快速进行，另一方面稳定性也有问题。对于外腔调谐，一方面光路复杂，另一方面在现场应用中稳定性和可靠性也难保证。这些都限制了TDLAS方法的推广。提供一种普适的半导体激光气体传感器方案，使之具有简单稳定的特点，又可以避免前述半导体激光器在TDLAS应用中的一些缺点，以满足小型化、模块化的要求。这是本领域急待解决的问题之一。

发明内容

本发明提供一种用于气体浓度检测的单片双芯(或多芯)半导体激光气体传感器，在工作条件固定后，单片双芯半导体激光气体传感器可用于一种气体的检测，单片多芯半导体激光气体传感器可用于两种或两种以上气体的检测，两种传感器的工作原理相同。为叙述方便，以下以单片双芯半导体激光气体传感器为例说明。

所述的单片双芯半导体激光气体传感器利用一种目标气体对一个激光器产生的特定波长激光的吸收特性进行气体浓度测量，也利用目标气体对另一激光器产生的相近特定波长激光的透过特性作为参比信号以抵消其他损耗和波动的影响。传感器中包括：1.封装于同一管壳热沉上的制作于同一单片衬底上的两个激光器芯组成的单片双芯激光器，2.用于热沉温度控制的热电控温部件及控温电路，3.具有微调功能的两路激光器时分驱动电路，4.用于吸收和参比光信号探测的光电探测器，5.用于放大和解调吸收和参比电信号的放大及时分解调电路，6.对已解调的两路吸收和参比电信号进行比较并产生一路正比于目标气体浓度信号的比较电路以及显示输出电路等。进行气体浓度测量时，由单片双芯激光器分时产生的两个特定波长的单模激光信号通过气体池或其他吸收光路后由光电探测器接收，转换成对应吸收和参比信息的分时电信号，这两个信号经放大、解调及比较后产生气体浓度信号，用于显示或输出(参见图1)。单片双芯激光器的热沉温度由热电控温部件及控温电路进行控制以使波长稳定并满足测量要求，激光器由时分驱动电路驱动。此气体传感器的核心是单片双芯半导体激光器，其他电路部分的构成都较简单，易于小型化和一体化集成化。因此，本发明的传感器是一种普适的采用半导体激光的气体传感器，具有很好的通用性。以下对本发明的各个部分构成、特点和功能等进行详细说明。

一、单片双芯激光器部分：

单片双芯激光器用于产生波长相近且波长差固定的两路激光信号，其中一路的波长与目标气体的某一吸收线峰值对准，作为气体吸收信号；另一路的波长落于吸收波长附近其他不产生吸收的区域，作为参比信号。在半导体激光器的制作中都是在衬底上进行外延生长，然后在此片材料上制作成百上千激光器，再将这些激光器分割成单个的单元用于封装出单个的激光器(也有制作成阵列激光器的)。制作单片双芯激光器只需要在激光器分割时在一个单片上保留两个激光器芯即可，封装时也只需要多引出一个激光器电极，工艺上并不会增加难度。这两个孪生的激光器芯在空间上相距很近(数十至数百微米)，且有很好的平行度，因此输出光束也会有很好的一致性，不需分别调节，给光路安排带来很大方便。

由于这两个激光器芯是制作于同一单片材料上，材料参数等各方面会有很好的一致性，又封装于同一热沉上，温度十分接近，如其尺寸等参数完全相同，那么在相同的驱动条件下将发出相同或十分接近的波长的激光，这样靠微调驱动参数就可以使两个激光器芯的波长有一个固定的差别，也可以在设计激光器尺寸(如条宽)或DFB激光器的光栅周期等参数时就使相邻芯有一人为的差别，以使其激射波长产生一定差别(对DFB激光器，采用电子束写入工艺时可以设定合适的参数改变相邻激光器芯的光栅周期)。

二、热电控温部件及温度控制电路部分：

由于半导体激光器的激射波长对温度十分敏感，因此在各种TDLAS应用中对其进行精密控温都是必需的。本发明中的单片双芯激光器要求能对其热沉温度进行调节，以使激射波长能满足目标气体的要求，同时也要求所设定的温度能够稳定并有足够的精度，因此激光器热沉需安装在半导体热电控温部件上并有温度传感器将热沉温度信号送至闭环温度控制电路。作为传感器应用，在所需参数固定以后，实际使用中并不需要对温度等进行调节，因此温度控制电路可以采用通用的单片电路，也不需要温度显示电路等，但需有半固定调节元件并留有调试时所需的测量端口等。本发明在温控方面与其他TDLAS方案相比并未有特殊要求。

三、激光器时分驱动电路：

本发明中吸收和参比光信号采用同一探测器接收，因此两路激光需采用时分的方法加以区别。若采用时分方案，则两个激光器可按时序分别驱动，其时序可用同一脉冲发生器产生。为使激光器的模式稳定和简化相关电路等，在满足数据更新速率的要求下可以选取较低的时序及脉冲频率。

四、光电探测器：

由于本发明中采用了单片双芯激光器，大大简化的光路设计，因此只用一个光电探测器即可。此光电探测器只需与激光器的波长匹配并有合适的灵敏度即可，室温工作的光伏型探测器是优先选择。由于工作频率不高，响应速度方面也并无特殊要求。与其他采用两个光电探测器的方案相比，本发明的方案中采用同一光电探测器检测吸收和参比信号，这样就取消了对两个探测器一致性和同步稳定性方面的要求，且所检测的是两路信号的相对强度，这样就大大降低了对光电探测器稳定性方面的特殊要求。

五、放大及时分解调电路：

包含有吸收和参比信息的光信号经光电探测器转换成合成的电信号后采用与探测器阻抗匹配的放大器放大至合适的电平，时分解调电路用于将合成的电信号解调出吸收和参比两路信号。放大器的放大倍数要求将取决于气体吸收光路的有效长度以及气体吸收强度等，由于此放大器也同时放大参比光产生的信号，因此应有足够的动态范围。由于信号频率较低，时分解调电路用常规的集成电路即可完成。激光器的时分驱动电路和探测器的时分解调电路之间可用信号线进行触发或同步锁定。

六、比较及显示输出电路：

比较电路用于对时分解调电路输出的吸收和参比两路信号进行比较，得出扣除了光路损耗及其他波动影响的目标气体浓度信号。此发明方案中并不要求单片双芯激光器的输出幅度一致，可以根据需要有较大的差别，因此比较电路的输入端应具有半固定的调节元件并保证有较大的调节范围。比较电路输出的模拟信号根据具体要求对其幅度进行比例调整后可直接送至显示部件(如数字电压表)进行显示，也可输出或转换成数字信号用于其他目的。

综上所述，本发明所述的单片双芯或多芯半导体激光气体传感器其特征在于：

①利用目标气体对吸收激光器产生的特定波长激光的吸收特性进行气体浓度测量，也利用目标气体对参考激光器产生的相近特定波长激光的透过特性作为参比信号以抵消其他损耗和波动的影响；

②单片双芯与单片多芯传感器的工作原理相同，单片双芯适合一种气体的探测，单片多芯适合两种以上气体的探测，单片双芯的工作条件可直接应用于单片多芯；

③两个波长相近的激光信号由制作于同一单片衬底上的两个激光器产生，制作于同一单片衬底上的两个激光器封装于同一管壳中，这些激光器可为具有F-P腔的半导体激光器，也可为分布反馈(DFB)激光器等，在合适的驱动条件下具有稳定的单模输出；

④两半导体激光器的激射波长由改变同一热沉的温度进行调节，以使一个输出波长与目标气体的吸收峰相匹配，另一个波长不产生吸收，热沉温度由半导体热电元件进行精密控制；

⑤两半导体激光器的输出波长可由其驱动电流进行微调，在一定驱动电流范围内输出纵模稳定，并使各半导体激光器的输出波长差固定；

⑥两半导体激光器按时分的方法进行驱动；

⑦两个波长的时分光信号经由含目标气体的气体池或自由光路后由光电探测器接收，经放大后由时分电路形成正比于两个波长光强的两路电信号，其中一路作为参考信号；

⑧两路电信号经比较电路后形成正比于目标气体浓度的输出信号，其中已扣除了光路损耗及其他波动的影响。

本发明所提供的单片双芯或多芯半导体激光器和一只光电探测器，适合于不同的气体光路，电路部分构成较简单，易于一体化、小型化和集成化；是一种普适的采用半导体激光的气体传感器，具有很好的通用性。

附图说明

图1是本发明提供的一种单片双(多)芯半导体激光气体传感器的示意图。

具体实施方式

下面通过附图的实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但绝非限制本发明，也即本发明绝非局限于实施例。

            实施例：单片双芯中红外激光气体传感器

实施步骤：

1、中红外激光器为室温连续工作的(法布里一泊罗)腔锑化物多量子阱激光器，一个单片上包含两个相邻的激光器芯，间距为300微米。将此单片用铟烧结于TO3型激光器管壳的热沉上，两个激光器芯用热压焊方法分别用金丝引出正电极至两个独立的管脚，与管壳外壳相连的另一个管脚为两个激光器的公共负电极。激光器的激射波长约2微米，驱动电流约200mA，驱动电压约1V。

2、TO3封装的单片双芯中红外激光器装入具有半导体热电控温元件及热敏电阻测温元件的半导体激光器控温部件中，单片双芯中红外激光器的三根引线及控温元件和热敏电阻的四根引线分别用接插件引至相关电路。由于半导体激光器的激射波长与温度直接相关，因此热沉温度控制是必需的。

3、单片双芯中红外激光器采用时分驱动方案，由可调直流电源经由两个互补的开关器件进行驱动，开关器件由具互补输出的方波脉冲发生电路控制，这样吸收和参比两个激光器在方波脉冲的高电平和低电平状态时分别激射产生时分的效果，方波频率选取为～1KHz。直流电源采取软起动及防止电流浪涌的措施以避免损坏激光器。两路驱动中加入半固定调节元件以分别微调驱动电流。

4、激光器温度控制采用商品单片集成电路(如MAX1978)配上外围元件，控制精度可以满足要求。控制电压约为±4V，电流约为±3A，对于近室温工作的激光器已可满足控温功率要求。温度调节采用半固定调节元件。

5、光电探测器选用室温工作的波长扩展InGaAs光伏探测器，零偏工作，未采用温度控制及稳定部件。

6、光电探测器放大电路采用低噪声运放，放大倍数及频响用外围元件调节，吸收和参比信号时分采用运放及数字电路组成，引入激光器时分驱动电路中的方波脉冲信号进行同步控制。

7、比较电路仍采用运放，其输入端加入电平调节以平衡无吸收时两激光器输出功率的固有差别。

8、采用常规的数字电压表模块作为气体浓度模拟信号显示部件，需要数字信号输出时可直接利用数字电压表模块上的数字信号输出端。

Claims (9)

1、一种单片双芯半导体激光气体传感器，其特征在于所述的半导体激光传感器是由①封装于同一管壳热沉上的制作于同一单片衬底上的两个激光器芯组成的单片双芯激光器；②用于热沉温度控制的热电温度控制电路；③调节两个激光器的时分驱动电路；④用于吸收和参比光信号探测的光电探测器；⑤用于放大和解调吸收和参比电信号的放大及时分解调电路；⑥对已解调的两路吸收和参比电信号进行比较并产生一路正比于目标气体浓度信号的比较电路及气体浓度显示电路所组成的。

2、按权利要求1所述的单片双芯半导体激光气体传感器，其特征在于同一单片衬底上的两个激光器芯相距数十至数百微米；两个激光器产生两个波长相近，且波长差固定的激光信号。

3、按权利要求1所述的单片双芯半导体激光气体传感器，其特征在于所述的时分驱动使两个激光器按时序分别驱动，且可用同一脉冲发生器产生。

4、按权利要求1所述的单片双芯半导体激光气体传感器，其特征在于所述的采用同一个光电探测器检测吸收和参比信号。

5、按权利要求1或4所述的单片双芯半导体激光气体传感器，其特征在于所述的光电探测器为室温工作的光伏探测器。

6、制作如权利要求1-4中任意一项所述的单片双芯半导体激光气体传感器的方法，其特征在于制作步骤是：

①在一个单片上制作具有两个相邻的激光器芯，然后用铟烧结于TO3型激光器管壳的热沉上，两个激光器芯用热压焊方法分别用金丝引出正电极至两个独立的管脚，与管壳外壳相连的另一个管脚为两个激光器的公共负电极；激光器的激射波长约2微米，驱动电流约200mA，驱动电压约1V；

②TO3封装的单片双芯中红外激光器装入具有半导体热电控温元件及热敏电阻测温元件的半导体激光器控温部件中，单片双芯中红外激光器的三根引线及控温元件和热敏电阻的四根引线分别用接插件引至相关电路；

③单片双芯中红外激光器采用时分驱动方案是由可调直流电源经由两个互补的开关器件进行驱动，开关器件由具互补输出的方波脉冲发生电路控制，吸收和参比两个激光器在方波脉冲的高电平和低电平状态时分别激射产生时分的效果，方波频率选取为～1KHz。直流电源采取软起动及防止电流浪涌的措施以避免损坏激光器，两路驱动中加入半固定调节元件以分别微调驱动电流；

④激光器温度控制采用牌号为MAX1978商品单片集成电路配上外围元件，控制电压约为±4V，电流约为±3A，满足近室温工作的激光器的控温功率要求。温度调节采用半固定调节元件；

⑤光电探测器选用室温工作的波长扩展InGaAs光伏探测器，零偏工作；

⑥光电探测器放大电路采用低噪声运放，放大倍数及频响用外围元件调节，吸收和参比信号时分采用运放及数字电路组成，引入激光器时分驱动电路中的方波脉冲信号进行同步控制；

⑦比较电路采用运放，其输入端加入电平调节以平衡无吸收时两激光器输出功率的固有差别；

⑧采用常规的数字电压表模块作为气体浓度模拟信号显示部件，需要数字信号输出时可直接利用数字电压表模块上的数字信号输出端。

7、按权利要求6所述的单片双芯半导体激光气体传感器的制作方法，其特征在于所述的两个激光器芯间距为300微米。

8、使用如权利要求1所述单片双芯半导体激光气体传感器的方法，其特征在于由制作于同一单片衬底上的两个激光器产生两个波相近的激光信号，且改变同一热沉的温度进行调节，以使一个输出波长与目标气体的某一吸收峰值相对准，作为气体吸收信号；另一个波长落于吸收波长附近其他不产生吸收的区域，作为参比信号。

9、按权利要求8所述的所述单片双芯半导体激光气体传感器的使用方法，其特征在于单片双芯半导体激光气体传感器用于一种气体的检测；单片多芯半导体激光气体传感器用于两种或两种以上气体的检测。