一種薄膜氣體傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體探測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光熱光譜法的薄膜氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著當(dāng)今社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，空氣污染的問題日漸突出，溫室效應(yīng)、酸雨、臭氧層的破壞等問題已經(jīng)迫在眉睫，而解決這些問題的關(guān)鍵是迅速準(zhǔn)確地檢測(cè)到這些有毒的、有污染的氣體物質(zhì)，另外，在家居安全、礦井作業(yè)、火災(zāi)報(bào)警等方面氣體檢測(cè)也非常重要，為氣敏傳感器發(fā)展提供了的客觀條件。
[0003]基于薄膜的氣體傳感器由于成本低、檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單而是被重點(diǎn)發(fā)展的一類氣體傳感器。它將薄膜所吸附的氣體種類和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得相關(guān)待測(cè)氣體的信息，從而可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、監(jiān)控和報(bào)警。目前廣普型薄膜氣體傳感器存在選擇性差的問題，當(dāng)薄膜同時(shí)吸收幾種氣體時(shí)，由于檢測(cè)的是電信號(hào)，所以無法區(qū)分幾種氣體各自的濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種薄膜氣體傳感器。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]—種薄膜氣體傳感器，包括泵浦光源、分束鏡、光強(qiáng)探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換模塊和主機(jī)，分束鏡置于泵浦光源出射泵浦光的光路上，所述分束鏡反射光路前放置光強(qiáng)探測(cè)器，光強(qiáng)探測(cè)器通過A/D轉(zhuǎn)換模塊連接主機(jī)；還包括斬波器、聚焦透鏡、選擇性吸收薄膜、基底、檢測(cè)光源、檢測(cè)光探測(cè)器及放大器模塊；所述選擇性吸收薄膜置于基底上，基底用于支撐；所述分束鏡透射光路依次放置斬波器、聚焦透鏡和選擇性吸收薄膜；檢測(cè)光源出射的檢測(cè)光通過選擇性吸收薄膜及其附近區(qū)域后到達(dá)檢測(cè)光探測(cè)器；檢測(cè)光探測(cè)器通過放大器模塊連接主機(jī)。
[0007]優(yōu)選的，所述檢測(cè)光探測(cè)器為光位置探測(cè)器或針孔光強(qiáng)探測(cè)器。
[0008]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述檢測(cè)光探測(cè)器為光位置探測(cè)器，所述檢測(cè)光光路設(shè)置為掠過選擇性吸收薄膜表面，位置探測(cè)器可以是二象限探測(cè)器，也可以是四象限探測(cè)器。
[0009]另一優(yōu)選的，所述檢測(cè)光光路設(shè)置為以一定角度斜向入射選擇性吸收薄膜。這種情況下，當(dāng)使用針孔光強(qiáng)探測(cè)器作為檢測(cè)光探測(cè)器時(shí)，在檢測(cè)光源前設(shè)置聚焦透鏡，使檢測(cè)光會(huì)聚后入射選擇性吸收薄膜。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述檢測(cè)光探測(cè)器置于所述檢測(cè)光自選擇性吸收薄膜的反射光路上。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述檢測(cè)光探測(cè)器置于所述檢測(cè)光自選擇性吸收薄膜的透射光路上。
[0012]優(yōu)選的，所述放大器模塊包括前置放大器和鎖相放大器，所述檢測(cè)光探測(cè)器通過前置放大器連接鎖相放大器被測(cè)信號(hào)端，鎖相放大器參考信號(hào)端連接斬波器，鎖相放大器輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換模塊連接主機(jī)。
[0013]優(yōu)選的，所述選擇性吸收薄膜材質(zhì)為聚合物，所述聚合物可以選用SXFA、PHFA、SXPYR、PE1、0V202、PIB或SXPH等常用的吸收膜材質(zhì)。
[0014]本發(fā)明技術(shù)方案中，一定腔體內(nèi)的被檢測(cè)物質(zhì)對(duì)泵浦激光的吸收越強(qiáng)或者泵浦激光的光強(qiáng)越強(qiáng)，所產(chǎn)生的待檢測(cè)信號(hào)就越強(qiáng)，檢測(cè)靈敏度就越高。本技術(shù)方案對(duì)所述泵浦光源的激光器沒有特定限制，可以是固體激光器，氣體激光器或者半導(dǎo)體激光器，可以是連續(xù)激光器或者脈沖激光器，可以是可調(diào)諧激光器或者單一波長(zhǎng)的激光器，只要腔體內(nèi)的被檢測(cè)物質(zhì)能對(duì)泵浦激光產(chǎn)生吸收即可。
[0015]檢測(cè)光源發(fā)射檢測(cè)激光，要求檢測(cè)光不被腔體內(nèi)的被檢測(cè)物質(zhì)吸收，對(duì)激光器的類型沒有特定限制，可以是固體激光器，氣體激光器或者半導(dǎo)體激光器，可以是連續(xù)激光器或者脈沖激光器，可以是可調(diào)諧激光器或者單一波長(zhǎng)的激光器。
[0016]本發(fā)明技術(shù)方案利用了光熱光譜技術(shù)，該技術(shù)是通過對(duì)光束偏轉(zhuǎn)大小或者散焦程度的測(cè)定，來確定被測(cè)物質(zhì)的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等物理參數(shù)。其原理是被測(cè)樣品某一區(qū)域吸收泵浦激光的光能后，吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能，并在被測(cè)物質(zhì)的內(nèi)部及鄰近的媒質(zhì)中產(chǎn)生加熱效應(yīng)，由于物質(zhì)的折射率是溫度的函數(shù)，所以在被測(cè)樣品的被加熱區(qū)及鄰近的媒質(zhì)內(nèi)造成折射率變化，形成折射率梯度；熱效應(yīng)也可同時(shí)使被測(cè)樣品直接發(fā)生形變；同時(shí)此時(shí)如果讓另一束檢測(cè)光入射被測(cè)樣品或者其表面鄰近具有折射率梯度的區(qū)域，則檢測(cè)光將發(fā)生偏轉(zhuǎn)或者散焦。
[0017]在本發(fā)明技術(shù)方案中，使用一種可以吸收空氣中特定種類的氣體分子選擇性吸收薄膜，將一束可調(diào)諧波長(zhǎng)泵浦光照射到該膜上，泵浦光的波長(zhǎng)調(diào)到特定氣體分子的吸收波長(zhǎng)上，氣體分子會(huì)因?yàn)槲毡闷止舛a(chǎn)生熱量從而在選擇性吸收薄膜以及鄰近的媒介中產(chǎn)生溫度梯度，再讓一束檢測(cè)光通過溫度梯度，檢測(cè)光會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或者散焦，根據(jù)光探測(cè)器探測(cè)到的偏轉(zhuǎn)或者散焦量的大小來推斷氣體的含量。
[0018]本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果在于，采用了光譜檢測(cè)的方式，可以選擇幾種氣體分子分別合適的譜線，使得這幾種譜線相互錯(cuò)開，且只有當(dāng)激光的波長(zhǎng)調(diào)諧到相應(yīng)的譜線波長(zhǎng)時(shí)才產(chǎn)生吸收，不會(huì)存在幾種氣體無法區(qū)分的問題，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)電信號(hào)的傳感器選擇性差的問題。
【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例1裝置結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；
[0020]圖2為實(shí)施例2裝置結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；
[0021]圖3a為實(shí)施例2裝置薄膜未吸收氣體時(shí)檢測(cè)光反射示意圖；
[0022]圖3b為實(shí)施例2裝置薄膜吸收氣體時(shí)檢測(cè)光反射示意圖。
[0023]圖4a為實(shí)施例3裝置薄膜未吸收氣體時(shí)檢測(cè)光透射示意圖；
[0024]圖4b為實(shí)施例3裝置薄膜吸收氣體時(shí)檢測(cè)光透射示意圖；
[0025]圖5為實(shí)施例4裝置結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；
[0026]圖6a為實(shí)施例4裝置薄膜未吸收氣體時(shí)檢測(cè)光反射不意圖；
[0027]圖6b為實(shí)施例4裝置薄膜吸收氣體時(shí)檢測(cè)光反射不意圖。
[0028]圖7a為實(shí)施例5裝置薄膜未吸收氣體時(shí)檢測(cè)光透射示意圖；
[0029]圖7b為實(shí)施例5裝置薄膜吸收氣體時(shí)檢測(cè)光透射示意圖。
[0030]其中:
[0031]1:泵浦光源；1-1:泵浦光；1-2:分束光；2:分束鏡；3:光強(qiáng)探測(cè)器；4:主機(jī)；4_1:A/D轉(zhuǎn)換模塊；5:斬波器；6:聚焦透鏡；7:選擇性吸收薄膜；7-1:凸起；7-2:基底；8:檢測(cè)光源；8-1:檢測(cè)光；8-2:反射光；8-3:散焦反射光；8-4:偏轉(zhuǎn)反射光；8_5:透射光；8_6:散焦透射光；8-7:偏轉(zhuǎn)透射光；9-1:光位置探測(cè)器；9-2:針孔光強(qiáng)探測(cè)器；10_1:前置放大器；10_2:鎖相放大器。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，以便更好地理解本發(fā)明。
[0033]實(shí)施例1
[0034]圖1所示是本實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。
[0035]本實(shí)施例采用光熱偏轉(zhuǎn)的原理。泵浦光源I發(fā)射泵浦激光，泵浦光1-1首先入射到分束鏡2上，有小部分光入射到光強(qiáng)探測(cè)器3中作為歸一化信號(hào)，以消除由于泵浦光1-1功率波動(dòng)而引起的測(cè)量誤差；光強(qiáng)探測(cè)器3將接收到的信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊4-1中，再輸入到主機(jī)4中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；大部分光透過分束鏡2，然后由一個(gè)斬波器5斬波進(jìn)行振幅調(diào)制，斬波器5的作用是給泵浦光1-1 一個(gè)周期性調(diào)制信號(hào)；斬波器5的信號(hào)被接入到鎖相放大器10-2中，以抑制光學(xué)噪聲；最后泵浦光1-1被聚焦透鏡6聚焦到選擇性吸收薄膜7上，選擇性吸收薄膜7會(huì)選擇性吸收幾種氣體分子。
[0036]由于選擇性吸收薄膜7吸收了幾種氣體分子，且泵浦光1-1的波長(zhǎng)處于氣體分子的吸收波長(zhǎng)處，