一種基于mems的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)及方法
【專利說明】一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)及方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及氣體吸收光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)及方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]隨著經(jīng)濟發(fā)展，一方面交通、工業(yè)產(chǎn)生的大量煙氣進入大氣中，使大氣污染日益嚴重，另一方面瓦斯、甲醛等有害氣體充斥著人們生活的各個方面，時刻危害著人們的生命和健康，因此對有害氣體的分析測量尤其重要。
[0005]目前，分析測量氣體的主要技術(shù)有:熱導(dǎo)法、電化學(xué)法、氣相色譜法和紅外線吸收法。
[0006]熱導(dǎo)法根據(jù)不同氣體具有不同熱傳導(dǎo)能力的原理，通過測定混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)來推算其中某些組分的含量。熱導(dǎo)法應(yīng)用范圍較廣，可用于分析氫氣、氨氣、二氧化碳、二氧化硫和低濃度可燃性氣體等。但是熱導(dǎo)法對氣體的壓力波動、流量波動十分敏感，介質(zhì)中水汽、顆粒等雜質(zhì)對測量結(jié)果影響較大，所以必須安裝復(fù)雜的采樣預(yù)處理系統(tǒng)。
[0007]電化學(xué)法根據(jù)化學(xué)反應(yīng)所引起的離子量的變化或電流變化來測量氣體成分，具有體積小、檢測速度快、便攜、可現(xiàn)場檢測和連續(xù)檢測等優(yōu)點。但是電化學(xué)法使用成本較大，在實際檢測中還會存在取樣流量、氣體交叉干擾以及預(yù)處理等問題。
[0008]氣相色譜法是將一定量的氣體分析物注入到色譜柱中，分析物中的各種不同組分由于分子類型不同就會在不同的時間到達柱的末端，從而得到分離。檢測器通過檢測色譜柱的流出流從而確定每一個組分的含量。氣相色譜法分離效率高、靈敏度高、應(yīng)用范圍廣，但是在對組分直接進行定性分析時，必須用已知物或已知數(shù)據(jù)與相應(yīng)的色譜峰進行對比，或與其它方法(如質(zhì)譜、光譜)聯(lián)用，才能獲得直接肯定的結(jié)果，在定量分析時，常要用已知物的純樣品對檢測后輸出的信號進行校正。
[0009]紅外線吸收法是根據(jù)不同組分氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性而進行分析測量。測量這種吸收光譜可判別出氣體的種類；測量吸收強度可確定被測氣體的濃度。紅外線吸收法的使用范圍寬，不僅可分析氣體成分，也可分析溶液成分，且靈敏度較高，反應(yīng)迅速，能在線連續(xù)指示，也可組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此該方法一直以來都是氣體分析檢測技術(shù)最重要的發(fā)展方向之一。
[0010]依據(jù)這一原理，人們已建立了以光聲光譜為代表的高靈敏度吸收測量技術(shù)。光聲光譜檢測是用一束強度周期性調(diào)制的單色光照射到密封于光聲池中的樣品上，樣品吸收光能，并以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使樣品和周圍介質(zhì)產(chǎn)生周期性加熱，導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生周期性壓力波動，這種壓力波動可用靈敏的微音器或壓電陶瓷傳聲器檢測，這就是光聲效應(yīng)。通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL則可測到隨波長而變的光聲光譜。但是光聲光譜技術(shù)受到周圍環(huán)境噪聲和振動的影響而受限于各種復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。
[0011]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)及方法，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)室外的氣體污染等環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，具有高靈敏度、寬光譜、抗噪聲、體積小、重量輕等優(yōu)點。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括泵浦激光器、光束調(diào)制裝置、光程池、反射聚焦裝置、MEMS微懸臂梁、探測激光器、位置敏感探測器、鎖相放大器和中央處理器，所述光程池用于容納被測氣體樣品，所述MEMS微懸臂梁由基座以及固定在基座上的雙層結(jié)構(gòu)組成，所述雙層結(jié)構(gòu)包括黑硅材料層以及形成于黑硅材料層上的金屬材料層；所述泵浦激光器的輸出端通過光束調(diào)制裝置與光程池的入光口光路連接，所述光程池的出光口通過反射聚焦裝置與MEMS微懸臂梁的黑硅材料層光路連接，所述探測激光器的輸出端與MEMS微懸臂梁的金屬材料層光路連接，所述位置敏感探測器設(shè)置在金屬材料層的反射光路上，所述光束調(diào)制裝置和位置敏感探測器的輸出端與鎖相放大器的輸入端連接，所述鎖相放大器的輸出端與中央處理器的輸入端連接。
[0014]所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括光束整形裝置，所述光束整形裝置設(shè)置在泵浦激光器與光束調(diào)制裝置之間的光路上。
[0015]所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括前置信號預(yù)處理裝置，其輸入端與位置敏感探測器的輸出端連接，其輸出端與鎖相放大器的輸入端連接；所述前置信號預(yù)處理裝置包括前置放大器和濾波器。
[0016]所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括泵浦激光器控制裝置，所述泵浦激光器控制裝置的輸出端與泵浦激光器的輸入端連接。
[0017]所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，所述泵浦激光器選用可調(diào)諧激光器或超連續(xù)激光器。
[0018]所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，所述光程池內(nèi)設(shè)有第一反射鏡和第二反射鏡。
[0019]所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，所述反射聚焦裝置由第一凹面鏡和第二凹面鏡組成。
[0020]所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，所述黑硅材料層由若干個微錐體結(jié)構(gòu)排列構(gòu)成。
[0021]所述的一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)的測量方法，該方法包括以下步驟:
(1)泵浦激光器發(fā)出的泵浦激光束經(jīng)由光束調(diào)制裝置調(diào)制后進入光程池，在光程池中進行多次反射；
(2)經(jīng)光程池中的被測氣體樣品吸收后，從光程池出射的剩余的泵浦激光束通過反射聚焦裝置反射聚焦到MEMS微懸臂梁的黑硅材料層上，MEMS微懸臂梁吸收泵浦激光束能量后產(chǎn)生諧振； (3)探測激光器發(fā)出的探測激光束入射到MEMS微懸臂梁的金屬材料層上，位置敏感探測器對從金屬材料層反射的探測激光束進行檢測，產(chǎn)生交流光電流信號；
(4)交流光電流信號經(jīng)過預(yù)處理后進入鎖相放大器，同時光束調(diào)制裝置的頻率信號也輸入到鎖相放大器中，鎖相放大器將交流光電流信號解調(diào)為光熱信號；
(5)中央處理器將光熱信號轉(zhuǎn)換為被測氣體樣品的吸收信號；
(6)調(diào)節(jié)泵浦激光器的波長，重復(fù)上述步驟，得到被測氣體樣品在一定波長范圍內(nèi)的吸收光譜。
[0022]本發(fā)明采用MEMS技術(shù)極大提高了測量靈敏度，擴展了光譜測量范圍，同時對環(huán)境噪聲和振動不敏感，并極大減小了測量系統(tǒng)的體積和重量，使測量系統(tǒng)便攜或者手持成為可能:
(I)本發(fā)明采用可調(diào)諧激光器或者超連續(xù)激光器作為泵浦激光器，能夠在一定寬譜范圍內(nèi)測量連續(xù)的吸收光譜。
[0023](2)本發(fā)明采用光程池作為被測氣體樣品池，在保證系統(tǒng)體積小型化的情況下，極大地增加了氣體吸收的有效光程，提高了系統(tǒng)的測量靈敏度。
[0024](3)本發(fā)明采用基于MEMS工藝制備的MEMS微懸臂梁結(jié)構(gòu)作為光吸收的光熱轉(zhuǎn)換核心器件，一方面避免了在改變泵浦激光器波長時需要更換相應(yīng)光譜響應(yīng)的光電探測器的問題，另一方面縮小了系統(tǒng)體積，使得儀器便攜或者手持成為可能。
[0025](4)本發(fā)明采用黑硅材料作為MEMS微懸臂梁的光熱轉(zhuǎn)換材料，一方面實現(xiàn)了對寬光譜的無選擇吸收，滿足了寬譜測量的一致性需求，另一方面黑硅材料極低的反射率，提高了光熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，在相等的泵浦光能量下懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動幅值顯著增大，提高了系統(tǒng)的探測靈敏度。
[0026](5)本發(fā)明采用鎖相放大原理進行信號檢測，對MEMS微懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的諧振具有窄帶濾波的功能，對周圍環(huán)境的振動和光噪聲不敏感，使得儀器在室內(nèi)或者室外使用時具有很強的抗干擾能力。
[0027]
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖；
圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的光程池的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的MEMS微懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明的MEMS微懸臂梁的測量原理圖；
圖6是本發(fā)明的交流光電流信號測量原理圖；
圖7是本發(fā)明的光熱信號和吸收信號測量原理圖。
[0029]
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明。
[0031]如圖1所示，一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統(tǒng)，包括泵浦激光器1、光束整形裝置2、光束調(diào)制裝置3、光程池4、第一凹面鏡5、第二凹面鏡6、MEMS微懸臂梁7、探測激光器8、位置敏感探測器9、前置信號預(yù)處理裝置10、鎖相放大器11、中央處理器12和泵浦激光器控制裝置13。光程池4用于容納被測氣體樣品，其上設(shè)有入光口 43、出光口44、進氣孔45和出氣孔46，如圖3所示。MEMS微懸臂梁7由基座73和固定在基座73上的雙層結(jié)構(gòu)組成，該雙層結(jié)構(gòu)包括黑硅材料層71以及形成于黑硅材料層71上的金屬材料層72，如圖4所示。
[0032]泵浦激光器控制裝置13的輸出端與泵浦激光器I的輸入端連接，泵浦激光器I的輸出端依次通過光束整形裝置2和光束調(diào)制裝置3與光程池4的入光口 43光路連接。光程池4的出光口 44通過第一凹面鏡5和第二凹面鏡6與MEMS微懸臂梁7的黑硅材料層71光路連接。探測激光器8的輸出端與MEMS微懸臂梁7的金屬材料層72光路連接。位置敏感探測器9設(shè)置在金屬材料層72的反射光路上，其輸出端與前置信號預(yù)處理裝置10的輸入端連接。前置信號預(yù)處理裝置10的輸出端與鎖