基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器的制造方法

基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明设计气体检测领域，是一种可对不同气体进行可控检测的非色散红外气体传感器。
【背景技术】
[0002]非色散红外气体传感器是一种基于不同气体分子的红外光谱选择特性、利用气体浓度与吸收强度关系鉴别气体成分并确定其浓度的气体传感装置。作为一种快速、准确的气体分析技术，它与其他类别气体传感器如电化学式、催化燃烧式、半导体式相比，具有应用广泛、使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线分析等一系列优点。其广泛应用于石油化工、冶金工业、工矿开采、大气污染检测、农业、医疗卫生等领域，用于气体浓度高精度测量，如瓦斯及可燃气体检测、汽车尾气成分检测、煤气成分分析、医疗监护设备、污染物检测等。
[0003]—般的非色散红外气体传感器是从光源发射出的连续光谱全部通过固定厚度的含有被测气体混合组分的气体层，由于被测气体的浓度不同，吸收固定红外线的能量就不同，因而损耗的能量就不同。计算红外光经过一定浓度气体后的能量，经过滤光片后，特殊结构的红外热电探测器将能量转换成为电压信号，进而测定能量参数和温度参数以完成对气体的定量分析。
[0004]红外光作为电磁波的一种，也具有反射、折射、干涉、散射和吸收等性质。在介质中传输时，红外光由于介质的散射和吸收作用，其能量发生衰减。通常特征频率的光并非单色光，而是具有一定频率带宽的光组成，带宽范围内的光被吸收程度也是不一样的，计算红外光穿过气体时被吸收的能量，需要满足朗伯-比尔定理，
[0005]A = lg(P0/P) = e Ybc
[0006]式中，A为吸光度，P。为入射光能量，P为透射光能量，γ为被测气体吸收常数，b为被测物厚度，c为被测物浓度。
[0007]近年来，以形状尺寸微小或操作尺寸极小为特征的微机电系统(MicroElectro-Mechanical Systems, MEMS)，已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一项高新技术，以其制作的材料、微电子、微机械光学器件、电力电子器件、真空微电子器件在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎所有领域中都有着广阔的应用前景。利用MEMS技术制备高性能的红外探测器将器件尺寸和制备成本都大大降低。
[0008]本发明采用独特的基于光子晶体的可控红外气体探测器，通过MEMS技术改变由两层光子晶体构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长，从而控制透过法布里-珀罗干涉仪的红外光中心波长，使之与被测气体红外吸收谱中心波长相对应，达到对不同气体的可控探测。

【发明内容】

[0009]本发明采用的红外探测模块是基于光子晶体的可控红外气体探测器，通过调节由MEMS控制的两层光子晶体构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长，实现对特定中心波长的红外光的滤波作用，达到对不同气体的可控探测的目的。
[0010]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0011]本发明所述的基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，包括一个基于光子晶体的可控红外探测器，一个红外光源，两片遮光片和外壳。
[0012]本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器，包括基底，隔离层，两层光子晶体层，η型掺杂硅，Ρ型掺杂硅，电极，广谱红外吸收层组成。
[0013]进一步地，本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器的基底，为了使待测红外光通过，基底中部被挖空；本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器的两层光子晶体层，相互平行，构成法布里-珀罗干涉腔，允许通过特定波长的光；本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器的广谱红外吸收层，对红外光吸收，将光信号转换成电信号输出，得到所需要的探测数据；本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器的电极，用于红外探测器的控制和读出数据。
[0014]本发明所述的红外光源，包括基底、2个电极、热源线圈、空腔。电极和热源线圈附在基底之上，通过对两个电极加载电压，使得热源线圈温度升高，发出广谱红外光。在热源线圈下方基底层上的空腔用来对热源线圈进行散热，防止红外光源温度过高。
[0015]本发明所述的外壳为一筒体结构，由一种金属材料制成，包括一个光通道气体吸收腔和两个基座。外壳内侧采用了金属抛光工艺，降低了内侧表面的粗糙度。
[0016]本发明所述的两个基座，大小和形状一样，位于本发明所述的传感器两端，分别用来固定基于光子晶体的可控红外探测器和红外光源。
[0017]本发明所述的光通道气体吸收腔，上下两端对称地各有一个通气孔，分别作为气体入口和气体出口。
[0018]本发明所述的遮光片，位于光通道气体吸收腔前后两端，其目的是过滤可见光，仅允许红外光通过，使得光通道气体吸收腔内只有红外光传输。
[0019]本发明所述的遮光片和基座之间由橡胶材料的密封圈进行粘结固定。
[0020]本发明所述的红外光源的发光面与红外探测器的接收面相互对立，且与光通道气体吸收腔的中心轴线垂直。
【附图说明】
[0021]图1为基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器的剖面结构示意图
[0022]图2为红外光源结构示意图
[0023]图3为基于光子晶体的可控红外探测器的基底层结构示意图
[0024]图4为基于光子晶体的可控红外探测器的中间层结构示意图
[0025]图5为基于光子晶体的可控红外探测器的顶层结构示意图
【具体实施方式】
[0026]本发明提供一种基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，采用基于光子晶体的可控红外探测器，通过MEMS技术改变由两层光子晶体构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长，从而控制透过法布里-珀罗干涉仪的红外光中心波长，使之与被测气体红外吸收谱中心波长相对应，达到对不同气体的可控探测。
[0027]—种基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，有一种金属材料制成的外壳，包括基座1、基座2、光通道气体吸收腔外壳5 ;遮光片6、遮光片7，分别位于气体吸收腔5的两端；密封圈4、密封圈8分别用来粘结基座1、遮光片6和基座2、遮光片8 ;光通道气体吸收腔外壳5上下两端分别有气体入口 9和气体出口 10，以保证气体吸收腔3中始终含有待测气体；红外光源11固定在基座1上，基于光子晶体的可控红外探测器12固定在基座2上，并且红外光源11的发射面和基于光子晶体的可控红外探测器12的接收面共有一条中心垂直线，如图1所示。
[0028]本发明所述的红外光源，如图2所示，包括基底15、电极13、电极14、微热线圈16、空腔17。微热线圈16两端分别与电极13和电极14相连。对电极13和电极14加载电压，使微热线圈16温度升高，产生广谱红外光。空腔17是基底15上的凹腔，使微热线圈悬空与基底15上，避免基底15受到微 热线圈16的影响而温度升高。
[0029]本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器，由三层组成，包括基底层、中间层、顶层，分别如图3、图4、图5所示。
[0030]进一步地，本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器的基底层，如图3所示，包括基底18、隔离层19、方形孔洞20。
[0031]更进一步地，本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器的中间层，如图4所示，包括光子晶体层 21，金属电极 22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42，n型掺杂硅43。其中电极23、27、30、33通过与43相同的η型掺杂硅与光子晶体层21相连；电极22、24、26、28、29、31、32、34通过与43相同的η型掺杂硅分别与电极41、42、35、36、37、39、38、40相连；电极25作为输入电极，与电极23、27、30、33通过金属介质相连。
[0032]更进一步地，本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器的顶层，如图5所示，包括光子晶体层44，广谱红外吸收层45，电极46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、59、60、61、62，ρ型掺杂硅58。其中电极47、50、53、56通过与58相同的ρ型掺杂硅与光子晶体层44相连；与电极59相同的8个电极与广谱红外吸收层45接触，并且这8个电极通过与58相同的ρ型掺杂硅分别与电极46、48、49、51、52、54、55、57相连；电极61作为读数电极，与电极49相连；电极62作为输入电极，通过金属介质与电极57、50、53、56相连。
[0033]更进一步地，图4所示的基于光子晶体的可控红外探测器的中间层置于图3所示的基于光子晶体的可控红外探测器的基底层的隔离层19之上。
[0034]更进一步地，图5所示的基于光子晶体的可控红外探测器的顶层置于图4所示的基于光子晶体的可控红外探测器的中间层上方。其中电极35、36、37、38、39、40、41、42与本发明所述的广谱红外吸收层45接触，并与电极59相同的8个电极连接；电极26、24、22、34、
32、31分别与电极48、46、57、55、54、52通过金属介质相连；电极60作为读数电极，与29相连。
[0035]本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器，其工作方式如下所示:
[0036]对电极25加载电压，把与电极23、27、30、33相连的η型掺杂硅中作为多数载流子的自由电子输送到光子晶体层21中，使光子晶体层21布满带有负电荷的自由电子；同时，对电极62加载电压，把与电极47、50、53、56相连的ρ型掺杂硅中作为多数载流子的空穴输送到光子晶体层44中，使光子晶体层44布满带有正电荷的空穴。通过改变对电极25和电极62加载的电压大小，控制光子晶体层21的自由电子量和光子晶体层44的空穴量。由于光子晶体层21和光子晶体层44分别带有负电荷和正电荷，因此两层光子晶体层构成一个电容，改变正负电荷量，就能改变两层光子晶体层间库仑力的大小，从而改变两层光子晶体层之间的距离。两层光子晶体层构成的法布里-珀罗干涉腔，由于上述原因其腔长可以进行调节，因此可以控制透射的红外光中心波长。
[0037]进一步地，广谱红外光通过本发明所述的两层光子晶体层构成的法布里-珀罗干涉腔，得到特定中心波长的红外光，被广谱红外吸收层45所吸收，将光信号转变为电信号，通过与广谱红外吸收层45相接触的电极，将信号传送至读数电极60、61，供外部设备进行数据采集，实现对气体成分和浓度的探测。
[0038]本发明所述的基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，待测气体由气体入口9进入光通道气体吸收腔内3内，红外光源11发出的广谱红外光经过滤光片6后，滤掉可见光噪声部分。在光通道气体吸收腔3内，待测气体对光谱红外光某一特定中心波长的光进行吸收，被吸收的红外光通过滤光片7后被基于光子晶体的可控红外探测器12所接收，通过调节电极25和电极62的加载电压来控制两层光子晶体层构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长，使透过光的中心波长对应待测气体的红外吸收谱中心波长，实现对不同气体的可控探测。
[0039]尽管上面对本发明说明性的【具体实施方式】进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于【具体实施方式】的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
【主权项】
1.一种基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，其特征在于:包括红光外源、基于光子晶体的可控红外探测器、遮光片和外壳。2.如权利要求1所述的基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，其特征在于:所述外壳包括光通道气体吸收腔外壳和两个基座，其中光通道气体吸收腔的上下两端分别有气体入口和气体出口。3.如权利要求1所述的基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，其特征在于:所述遮光片位于光通道气体吸收腔两端，用于过滤可见光噪声部分。4.如权利要求1所述的基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，其特征在于:所述的基于光子晶体的可控红外探测器固定在所述的一个基座上，包括基底层、中间层和顶层。5.如权利要求1或4所述的基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，其特征在于:所述中间层的光子晶体层和顶层的光子晶体层构成法布里-珀罗干涉腔，其腔长通过两层光子晶体之间的库仑力来改变。6.如权利要求1或4所述的基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，其特征在于:所述中间层的光子晶体层和顶层的光子晶体层构成法布里-珀罗干涉腔，用于改变透过红外光的中心波长。
【专利摘要】本发明公开一种基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器，适用于气体检测领域，包括一个红外光源、一个基于光子晶体的可控红外探测器、一个光通道气体吸收腔、两块滤光片。两块滤光片分别位于光通道气体吸收腔两端，基于红外光源和基于光子晶体的可控红外探测器分别固定在该气体传感器的内部两端，并且两块滤光片、自选频红外源发射面和红外探测器接收面相互平行，并与光通道气体吸收腔的中心轴线垂直。本发明通过调节两层光子晶体连接电极的加载电压，改变两层光子晶体层构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长，使透过的红外光中心波长对应不同气体的红外光谱吸收中心波长，由广谱红外吸收层将光信号转变成电信号，实现对不同气体的可控探测。
【IPC分类】G01N21/3504
【公开号】CN105486652
【申请号】CN201510690073
【发明人】周虎川, 杨帆, 袁飞, 高 豪, 高源
【申请人】成都市亿泰科技有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年10月23日