CN219957333U - 用于多气体测量的微型红外光源及光声气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种用于多气体测量的微型红外光源及光声气体传感器，所述微型红外光源包括FP滤波芯片、光源壳体、光源芯片和带引脚的底座，所述光源壳体开设有出光通道，所述FP滤波芯片设置在所述出光通道的一端，所述光源芯片位于所述光源壳体中且设置在所述出光通道的另一端，所述带引脚的底座设置在所述光源芯片下方。所述光声气体传感器无需配置多个带有不同透过波段的滤光片的探测器，即可对不同的气体进行测量，从而缩小光声气体传感器的体积。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体传感器技术领域，具体的说，涉及了一种用于多气体测量的微型红外光源及光声气体传感器。
背景技术
光声传感器利用光声传感技术，通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测，实现样品成分、浓度分析检测；一般包括四个部分：红外光源、滤光器、光声腔和探测器，红外光源发出一束单色光照射到光声腔中的待测气体上，待测气体吸收光能，部分的能级被激发，这部分被激发的能级以释放热能的方式退激，释放的热能使待测气体和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的麦克风或石英音叉检测，并通过放大得到。
相比于其他多组分气体检测方式，光声光谱多组分气体检测法具有精确性高、可靠性高、灵敏度高等优势，因此，基于光声光谱的多组分气体检测技术具有广泛的应用前景。
公开号为CN112903595A的中国专利公开了一种在线式多组分气体分析光声光谱仪，其包括依次线性排列的光源、滤波斩波器、进气道及光声池组件，采用线性排列的光源和多个串联连接的光声池的方式，进行多组分同时探测，但这种方式大大增加了多组分气体分析光声光谱仪的复杂性、体积以及成本。
由此可见，在采用多光源进行多组分同时探测时，通常采用单个光源对应单个光声池，以及配置多个带有不同透过波段的滤光片的探测器的方式，各个光源用于分别提供气体测试所需要的不同波段的红外光，这使得用于多气体测量的红外光源部分体积大，不利于光声气体传感器小型化发展。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种用于多气体测量的微型红外光源及光声气体传感器，通过滤波芯片对微型红外光源发出红外光线的波长进行调节，从而在进行不同气体测量时，利用单一光源发出不同波长的红外光线，进而有益于光声气体传感器小型化发展。
为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
本实用新型第一方面提供一种用于多气体测量的微型红外光源，其包括FP滤波芯片、光源壳体、光源芯片和带引脚的底座，所述光源壳体开设有出光通道，所述FP滤波芯片设置在所述出光通道的一端，所述光源芯片位于所述光源壳体中且设置在所述出光通道的另一端，所述带引脚的底座设置在所述光源芯片下方。
本实用新型第二方面提供一种光声气体传感器，其包括上述用于多气体测量的微型红外光源。
本实用新型的有益效果为：
1）本实用新型给出了一种用于多气体测量的微型红外光源，利用FP滤波芯片形成新型红外光源结构，使得单一光源发出不同波段的红外光线，缩小红外光源部分的体积；
2）本实用新型还给出了一种用于多气体测量的光声气体传感器，采用上述微型红外光源，无需配置多个带有不同透过波段的滤光片的探测器，即可对不同的气体进行测量，从而缩小光声气体传感器的体积，有利于实现光声气体传感器小型化发展。
附图说明
图1是本实用新型的微型红外光源的爆炸结构示意图；
图2是本实用新型的光源芯片的结构示意图；
图3是本实用新型的第一金属加热丝层的结构示意图；
图4是本实用新型的微型红外光源的立体结构示意图；
图5是本实用新型的微型红外光源的俯视结构示意图；
图6是本实用新型的微型红外光源的剖视结构示意图；
图7是本实用新型的光声气体传感器剖视结构示意图；
图中：1.光源芯片；101.衬底；102.SiO2支撑层；103.焊盘；104.第一SiN层；105.第一金属加热丝层；106.第二SiN层；107.第二金属加热丝层；108.SiN保护层；109.硅金属微纳结构辐射层；
2.光源壳体；3. FP滤波芯片；4.垫片；5.带引脚的底座；
6.麦克风探测器；7.光声腔。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
附图1、附图4至附图6示出了一种用于多气体测量的微型红外光源的结构示意图，所述微型红外光源包括FP滤波芯片3、光源壳体2、光源芯片1和带引脚的底座5；
参见《MEMS法布里-珀罗滤波芯片及其光谱探测应用研究进展》，FP滤波芯片3为法布里-珀罗滤波芯片，其结构通常由两个带有半透半反镜的平板镜体组成，其中一个镜体固定，另一个镜体可动，从而实现FP腔长的可控变化；驱动镜体移动改变FP腔长时，通常采用静电驱动、压电驱动、热驱动或者电磁驱动等方式，实现2至14μm范围内不同波长的调制；具体的驱动方式，属于现有技术，在此不再赘述；
因此，通过FP滤波芯片3对光源芯片1发出的红外光线进行滤波，使得所述微型红外光源发出不同波长的红外光线，适合更宽范围内化学键及气体的识别和检测。
如附图6所示，所述光源壳体2开设有出光通道，所述FP滤波芯片3设置在所述出光通道的一端，所述光源芯片1位于所述光源壳体2中且设置在所述出光通道的另一端；
所述光源芯片1发出的红外光线，经所述出光通道以及所述FP滤波芯片3的光谱滤波后，提供不同气体测量所需要的不同波长的红外光线。
进一步的，所述出光通道的内表面为二次曲面，由于二次曲面的聚光功能，使得照射在所述出光通道的内表面的红外光线更加汇聚，辐射功率更强，并将汇聚后的红外光线经所述FP滤波芯片3滤波发出。
具体的，所述二次曲面可以为抛物面，也可以为具备聚光功能的曲面，在此不再详述。
如附图3和附图4所示，所述带引脚的底座5设置在所述光源芯片1下方，所述光源芯片1上的焊盘103与底座上的引脚连接，用于实现所述光源芯片1的电源信号传输功能等。
进一步的，所述用于多气体测量的微型红外光源还包括垫片4，所述垫片4包括矩形导热基片以及设置在所述矩形导热基片四角的金属导热部，所述矩形导热基片设置在所述光源芯片1下方，所述金属导热部与所述矩形导热基片连接并延伸至所述光源壳体2外设置；
可以理解，所述矩形导热基片和所述金属导热部均采用金属材质制成，所述矩形导热基片设在所述光源芯片1下方，其四角设置的金属导热部分别延伸至光源壳体2外，从而将所述光源芯片1上的热量传导至外界，对所述光源芯片1进行散热，避免所述光源芯片1在使用过程中过热。
如附图3所示，所述光源芯片1包括衬底101，所述衬底101刻蚀出背腔，所述背腔上方悬空设置有SiO2支撑层102、第一SiN层104、第一金属加热丝层105、第二SiN层106、第二金属加热丝层107、SiN保护层108和辐射层。
需要说明的是，所述光源芯片1采用所述第一金属加热丝层105和所述第二金属加热丝层107，形成双层加热型光源芯片；一方面，两个加热层的优势在于：当其中一个加热层出现异常时，另外一个加热层可以互相补充，增强光源芯片的稳定性；另一方面，为了达到温度及实现辐射，两个加热层温度分布更加均匀，避免在一个加热层上布线过于密集。
可以理解，所述辐射层和加热层之间使用SiN保护层108进行隔离，起到有效传热和绝缘作用，同时提升钨加热丝的寿命，为提升热传导和辐射效率同时将SiN保护层进行表面粗糙化处理，更加有利于辐射层的附着。
在一种具体实施方式中，所述辐射层为硅金属微纳结构辐射层109，所述硅金属微纳结构辐射层109为纳米铂黑辐射层，由于纳米铂黑通常具有高辐射率，因此基于纳米铂黑的光源芯片1，不但可以用于常规的CO2和CH4气体检测，还可以用于SO2、H2S、SF6、NH3等多种工业气体检测。
如附图2所示，所述第一金属加热丝层105为螺旋状金属钨加热丝，所述第二金属加热丝层107为螺旋状金属钨加热丝；可以理解，以金属钨为发热源，选用金属钨加热丝可以有效提升加热温度，通过螺旋式结构，可以保证中间区域温度的均匀性，同时减少冷热交替过程中的应力释放，提高光源芯片的可靠性。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例给出了一种光声气体传感器的具体实施方式。
如附图7所示，所述光声气体传感器包括光声腔7以及设置在所述光声腔7内的红外光源和麦克风探测器6，所述红外光源为实施例1中的用于多气体测量的微型红外光源。
可以理解，所述光声气体传感器包括上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体连接后形成所述光声腔7，如附图7所示；所述上壳体上开设有进气口，待测气体从所述进气口扩散至所述光声腔7中；所述微型红外光源发出的不同波长的红外光线照射向所述光声腔7内的待测气体。
在一种具体实施方式中，所述待测气体为CO2，通过FP滤波芯片3对光源芯片1发出的红外光线进行滤波，使得所述微型红外光源发出波长为3.3μm的红外光线；待测气体CO2吸收所述微型红外光源发出的红外光线，部分的能级被激发，在退激时导致介质产生可以由麦克风探测器6检测到的压力或者声波。
在另一种具体实施方式中，所述待测气体为CH4，通过FP滤波芯片3对光源芯片1发出的红外光线进行滤波，使得所述微型红外光源发出波长为2.7μm的红外光线；待测气体CH4吸收所述微型红外光源发出的红外光线，部分的能级被激发，在退激时导致介质产生可以由麦克风探测器6检测到的压力或者声波。
需要说明的是，本实施例仅需一个麦克风探测器，一个红外光源，即可实现多种气体测量，有效避免多元探测器之间的干扰问题；麦克风探测器通过接收不同波长的红外光线，可以有效地识别相应待测气体的峰值信号，从而为待测气体的浓度测量提供数据支持。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种用于多气体测量的微型红外光源，其特征在于：包括FP滤波芯片、光源壳体、光源芯片和带引脚的底座，所述光源壳体开设有出光通道，所述FP滤波芯片设置在所述出光通道的一端，所述光源芯片位于所述光源壳体中且设置在所述出光通道的另一端，所述带引脚的底座设置在所述光源芯片下方。
2.根据权利要求1所述的用于多气体测量的微型红外光源，其特征在于：还包括垫片，所述垫片包括矩形导热基片以及设置在所述矩形导热基片四角的金属导热部，所述矩形导热基片设置在所述光源芯片下方，所述金属导热部与所述矩形导热基片连接并延伸至所述光源壳体外设置。
3.根据权利要求1或2所述的用于多气体测量的微型红外光源，其特征在于：所述光源芯片包括衬底，所述衬底刻蚀出背腔，所述背腔上方悬空设置有SiO2支撑层、第一SiN层、第一金属加热丝层、第二SiN层、第二金属加热丝层、SiN保护层和辐射层。
4.根据权利要求3所述的用于多气体测量的微型红外光源，其特征在于：所述辐射层为硅金属微纳结构辐射层。
5.根据权利要求4所述的用于多气体测量的微型红外光源，其特征在于：所述硅金属微纳结构辐射层为纳米铂黑辐射层。
6.根据权利要求3所述的用于多气体测量的微型红外光源，其特征在于：所述第一金属加热丝层为螺旋状金属钨加热丝。
7.根据权利要求3所述的用于多气体测量的微型红外光源，其特征在于：所述第二金属加热丝层为螺旋状金属钨加热丝。
8.根据权利要求1所述的用于多气体测量的微型红外光源，其特征在于：所述出光通道的内表面为二次曲面。
9.一种光声气体传感器，其特征在于：包括权利要求1至8任一项所述用于多气体测量的微型红外光源。
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