复合型气体传感器的制造方法
复合型气体传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型专利涉及气体传感器领域，特别涉及可同时检测多组分气体的传感器领域，具体是指一种能够同时检测多组分气体的复合型气体传感器。
【背景技术】
[0002]气体传感器主要用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。常规的气体传感器有电化学传感器、催化燃烧传感器、金属氧化物半导体(MOS)传感器、非色散红外(NDIR)传感器。
[0003]电化学传感器通过与目标气体发生电化学反应，并产生与气体浓度成正比的电流信号来工作的。典型的电化学传感器由传感电极、反电极、电解质组成，扩散进来的气体与传感电极发生反应，传感电极可采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对目标气体而设计的电极材料进行催化。因此，特定的电化学传感器只能有针对性地检测特定气体。另外，电解质是发生电化学反应的载体，如果电解质蒸发过于迅速，传感器信号会减弱。故电化学传感器的使用寿命一般为1-2年，且其零点和灵敏度漂移较大，需要定期校正，否则会严重影响测量精度。
[0004]催化燃烧传感器是基于威斯登电桥测量目标气体浓度。当传感器处于清洁空气或零气环境下，威斯登电桥处于平衡状态，输出电压为零。当目标气体进入传感器内，并在催化剂的作用下发生催化燃烧反应，威斯登电桥失衡，输出与目标气体浓度成正比的电压信号。多数易燃易爆气体在催化剂的作用下均能发生催化燃烧反应，因此，催化燃烧传感器输出的电压信号是这些易燃易爆气体反应的综合表现，但不能辨别出气体组分及其对应的浓度。
[0005]MOS传感器在不同温度范围内显示出不同的反应特性，因此传感器采用加热元件来调节温度。有气体出现时，MOS传感器中的金属氧化物把气体分解成带电离子或导致电子转移的复合物，使传感器的电阻发生变化。内置的加热器会将金属氧化物材料加热到最适合目标气体反应的工作温度范围，该加热器由专门电路进行调节和控制。常规的MOS传感器只有单层，也就只能调制一个工作温度，这就限制了传感器的测量气体种类。
[0006]NDIR传感器是基于朗伯-比尔吸收定律测量目标气体浓度，由红外光源、光室和红外接收器组成。若目标气体分子是非极性分子，则会吸收特定波长的红外光，且吸收强度满足朗伯-比尔吸收定律，使该波长的红外光强变弱，通过窄带滤光片筛选出该波长的红外光，再由红外接收器把光信号转换成电信号输出。因此，NDIR传感器测量气体的种类是由窄带滤光片决定的。常规的NDIR传感器集成了双通道窄带滤光片，一个通道作为参考通道，另一通道作为目标气体测量通道，故其只能测量一种气体。
[0007]由于常规的电化学传感器、催化燃烧传感器、MOS传感器和NDIR传感器不能同时检测多组分气体，且传感器规格各异。若要实现多组分气体同时检测，则需要配置多个或多种常规气体传感器，不仅影响仪表的小型化，还会增加仪表的开发成本和开发难度。
[0008]另外，作业场所或生活环境工况复杂，环境中大多存在多种气体，单气体检测仪表已经不能满足复杂环境的检测需求。复合型气体传感器可同时检测多组分气体，且输出标准化的数字信号，解决了仪表的小型化、开发成本和开发难度的问题，是气体传感器的发展趋势。
【发明内容】
[0009]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种综合并改进了非色散红外检测技术和金属氧化物半导体检测技术，可同时检测多组分气体，且体积小、功耗低的复合型气体传感器。
[0010]为了实现上述目的，本实用新型的复合型气体传感器包括:M0S检测模块，用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。所述的MOS检测模块由一层或多层检测层组成，所述的检测层包括敏感层、绝缘层、加热器、基片，由所述的加热器加热至特定温度范围，检测特定的气体。NDIR检测模块，用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。所述的NDIR检测模块由红外光源、光室、红外接收器组成。控制单元，由信号处理子单元和微处理器子单元组成。在该复合型气体传感器中，所述的加热器是所述MOS检测模块和NDIR检测模块的共有部件，不仅作为所述MOS检测模块的加热元件，还作为所述NDIR检测模块的红外光源，并由所述的控制单元进行调制。
[0011]在该复合型气体传感器中，所述的敏感层采用金属氧化物材质，真空沉积到基片表面。所述的加热器可以是铂丝、铂合金丝、电阻金属氧化物、或沉积铂薄层等。所述的光室内表面覆有镀金层或镀铂金层。
[0012]在该复合型气体传感器所述的红外接收器为热释电红外探测器。所述的热释电红外探测器为多通道热释电红外探测器。所述多通道热释电红外探测器的窗口上设置有滤光片，所述的滤光片为多层镀膜的窄带滤光片。
[0013]在该复合型气体传感器中，所述的信号处理子单元包括传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路。所述的MOS检测模块和NDIR检测模块依序通过所述的传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路连接至所述的微处理器子单元。
[0014]在该复合型气体传感器中，所述的微处理器子单元包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器。所述的微处理器通过所述的模数转换电路采集信号处理子单元输出的模拟信号，经过处理后，输出标准化数字信号。所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差。所述的数据存储子单元为电可擦除可编程只读存储器。
[0015]在该复合型气体传感器中，包括壳体，壳体上底部为金属网，下底部为灌胶件，壳体内部设置MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元，所述的控制单元通过其电路板上的插针固定在灌胶件上，所述的MOS检测模块和NDIR检测模块通过引脚固定在控制单元的电路板上；所述的光室为中空柱状结构，其一端与红外接收器固定，另一端与MOS检测模块固定，且MOS检测模块的工作面面向光室内部。
[0016]与现有技术相比，复合型气体传感器可同时检测多组分气体，且输出标准化的数字信号，解决了仪表的小型化、开发成本和开发难度的问题，是气体传感器的发展趋势。本实用新型具有的有益效果为:
[0017]1.由于本实用新型综合并改进了非色散红外检测技术和金属氧化物半导体检测技术，可同时检测多组分气体。
[0018]2.由于本实用新型中的加热器不仅作为MOS检测模块中的加热元件，还作为NDIR检测模块中的红外光源，缩小了传感器的空间结构，降低了开发成本。
[0019]3.由于本实用新型是基于非色散红外检测技术和金属氧化物半导体检测技术，因此，传感器的使用寿命和标定周期长，降低了更换成本和维护成本。
[0020]4.由于本实用新型输出的是标准化数字信号，可直接连接至仪表上，而无需二次处理，故而降低了仪表的开发难度。
【附图说明】
[0021]图1是本实用新型复合型气体传感器的基本模块结构示意图。
[0022]图2是本实用新型复合型气体传感器实施例1使用双层检测层、双通道红外接收器的模块结构示意图。
[0023]图3是本实用新型复合型气体传感器实施例1结构示意图。
[0024]图4是本实用新型复合型气体传感器实施例1检测层结构示意图。
[0025]图5是本实用新型复合型气体传感器实施例2使用三层检测层、三通道红外接收器的模块结构示意图。
[0026]图中:1:壳体2:M0S检测模块 21:检测层22:引脚3:NDIR检测模块31:红外光源32:光室33:红外接收器34:滤光片35:引脚4:控制单元41:插针5:灌胶件6:金属网21:检测层211:敏感层212:绝缘层213:加热器214:基片215:敏感层引脚216:加热器引脚。
【具体实施方式】
[0027]下面通过实施例结合附图，对本实用新型做进一步说明。
[0028]实施例1。
[0029]如图1所示，本实施 例描述的复合型气体传感器包括MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元。
[0030]所述的MOS检测模块用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体，由多层检测层组成。所述的每一层检测层均包括敏感层、绝缘层、加热器、基片。所述的加热器是所述MOS检测模块和NDIR检测模块的共有部件，不仅作为MOS检测模块的加热元件，还作为NDIR检测模块的红外光源，由所述的控制单元进行调制；所述的敏感层采用金属氧化物材质，真空沉积到基片表面。
[0031]所述的NDIR检测模块用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体，由红外光源、光室、多通道红外接收器组成。所述的红外光源为所述MOS检测模块中的加热器；所述的光室采用特殊的镀膜工艺，内表面覆有镀金层或镀铂金层；所述的多通道红外接收器为多通道热释电红外探测器，所述的多通道热释电红外探测器包括参考通道和测量通道，所述参考通道和测量通道的窗口上设置多层镀膜的窄带滤光片。
[0032]所述的控制单元由信号处理子单元和微处理器子单元组成。
[0033]如图2所述的MOS检测模块由检测层I和检测层2组成。所述的检测层I为一氧化碳(CO)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合CO反应的特定温度；所述的检测层2为甲醛(CH2O)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合CH2O反应的特定温度。
[0034]所述的NDIR检测模块由红外光源、光室和双通道红外接收器组成。所述的红外光源为所述MOS检测模块中的加热器；所述光室的内表面采用特殊的镀膜工艺，覆有镀金膜；所述的双通道红外接收器为双通道热释电红外探测器。所述的双通道热释电红外探测器包括参考通道和甲烷(CH4)测量通道。所述参考通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述窄带滤光片的中心波长为4.0 μπι。所述014测量通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述滤光片的中心波长为3.4 μ m。
[0035]所述的控制单元由信号处理子单元和微处理器子单元组成。所述的信号处理子单元包括传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路。MOS检测模块和NDIR检测模块依序通过所述的传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路连接至所述的微处理器子单元；所述的微处理器子单元包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器。所述的微处理器通过模数转换电路采集信号处理子单元输出的模拟信号，经过处理后，输出标准化数字信号。所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差。所述的数据存储子单元为电可擦除可编程只读存储器。
[0036]如图3-4所示，复合型气体传感器包括:壳体1、灌胶件5、金属网6、设置于所述壳体内的MOS检测模块2、NDIR检测模块3、控制单元4。MOS检测模块2包括:检测层21和引脚22，所述的检测层可以是I层或多层，内部结构见图2。检测层由敏感层211、绝缘层212、加热器213和基片214组成，所述的敏感层211还包括引脚215 ;加热器不仅作为MOS检测模块的加热元件，还作为NDIR检测模块的红外光源31，所述的加热器还包括引脚216。所述的引脚215和引脚216，与所述的引脚22匹配。NDIR检测模块3包括:红外光源31、光室32、红外接收器33，所述红外接收器的窗口上设置有滤光片34，红外接收器还包括引脚35。MOS检测模块2和红外接收器33通过光室封装在一起。控制模块4包括:信号处理子模块和微处理器子模块，控制模块4通过插针41供电及输出标准化数字信号，所述的插针41包括2个电源插针和2个数据传输插针。金属网6固定在壳体I的正上方。灌胶件5固定在壳体I底部，并与壳体I形成封闭空间。MOS检测模块2、NDIR检测模块3、控制单元4封装在封闭空间内。所述灌胶件5上有通孔，通孔的位置、大小和数量与插针41匹配。
[0037]利用本实施例的复合型气体传感器进行气体浓度检测过程如下所述(以多组分气体 CO、CH20、CH4为例):
[0038]一、MOS检测模块测量多组分气体中的CO和CH2O浓度
[0039]多组分气体(C0、CH20、CH4)扩散进入复合型气体传感器的光室，进而与MOS检测模块中的检测层接触。
[0040]检测层I中的敏感层已经被加热至适合CO反应的特定温度，多组分气体中的CO与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与CO浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中CO浓度。
[0041]检测层2中的敏感层已经被加热至适合CH2O反应的特定温度，多组分气体中的CH2O与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与CH2O浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中CH2O浓度。
[0042]二、NDIR检测模块测量多组分气体中014浓度
[0043]多组分气体(CO、CH2O, CH4)扩散进入复合型气体传感器的光室，红外光穿过光室时，CH4气体将会吸收波长为3.4 μ m的红外光，且吸收强度与CH 4气体浓度有关，满足朗伯-比尔吸收定律。
[0044]红外光被吸收后进入双通道热释电红外探测器。CH4测量通道的窗口上有一块中心波长为3.4 μπι的窄带滤光片，该滤光片的中心波长与014气体的吸收波长一致，只有该波长的红外光才能透过，其他波长的红外光不能透过。波长为3.4 μ m的红外光透过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号；参考通道的窗口上有一块中心波长为4.0 μπι的窄带滤光片，该波长的红外光几乎不被任何气体吸收。波长为4.0 μπι的红外光通过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号。
[0045]获取测量通道和参考通道上的电信号，基于朗伯-比尔吸收公式即可计算出多组分气体中的CH4气体浓度。
[0046]三、温度补偿、线性补偿及浓度信号输出
[0047]控制单元采集原始电信号，并对其进行复杂的温度补偿和线性补偿处理，最终获得准确的气体浓度值，并对外输出标准化数字信号。
[0048]实施例2。
[0049]如图3所示，本实施例描述的复合型气体传感器包括MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元。
[0050]所述的MOS检测模块由检测层1、检测层2和检测层3组成。所述的检测层I为一氧化碳(CO)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合CO反应的特定温度；所述的检测层2为甲醛(CH2O)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合CH2O反应的特定温度；所述的检测层3为二氧化氮(NO2)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合N O2反应的特定温度。
[0051]所述的NDIR检测模块由红外光源、光室和三通道红外接收器组成。所述的红外光源为所述MOS检测模块中的加热器；所述的光室内表面采用特殊的镀膜工艺，覆有镀金膜；所述的三通道红外接收器为三通道热释电红外探测器。所述的三通道热释电红外探测器包括参考通道、甲烷(CH4)测量通道和二氧化碳(CO2)测量通道。所述参考通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述窄带滤光片的中心波长为4.0 μπι。所述014测量通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述滤光片的中心波长为3.4 μπι。所述CO2测量通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述滤光片的中心波长为4.26 μ mo
[0052]所述的控制单元由信号处理子单元和微处理器子单元组成。所述的信号处理子单元包括传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路。MOS检测模块和NDIR检测模块依序通过所述的传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路连接至所述的微处理器子单元；所述的微处理器子单元包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器。所述的微处理器通过模数转换电路采集信号处理子单元输出的模拟信号，经过处理后，输出标准化数字信号。所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差。所述的数据存储子单元为电可擦除可编程只读存储器。
[0053]利用本实施例的复合型气体传感器进行气体浓度检测过程如下所述(以多组分气体 CO、CH20、N02、CH4、CO2为例):
[0054]一、MOS检测模块测量多组分气体中的CO、CH2O, NO2浓度
[0055]多组分气体(CO、CH2O, NO2, CH4, CO2)扩散进入复合型气体传感器的光室，进而与MOS检测模块中的检测层接触。
[0056]检测层I中的敏感层已经被加热至适合CO反应的特定温度，多组分气体中的CO与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与CO浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中CO浓度。
[0057]检测层2中的敏感层已经被加热至适合CH2O反应的特定温度，多组分气体中的CH2O与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与CH2O浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中CH2O浓度。
[0058]检测层3中的敏感层已经被加热至适合NO2反应的特定温度，多组分气体中的NO 2与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与NO2浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中N02&度。
[0059]二、NDIR检测模块测量多组分气体中的CH4、CO2浓度
[0060]多组分气体(C0、CH20、N02、CH4、C02)扩散进入复合型气体传感器的光室，红外光穿过光室时，CH4气体将会吸收波长为3.4 μ m的红外光，CO 2气体将会吸收波长为4.26 μ m的红外光，且吸收强度与气体浓度有关，满足朗伯-比尔吸收定律。
[0061]红外光被吸收后进入三通道热释电红外探测器。CH4测量通道的窗口上设有一块中心波长为3.4 μπι的窄带滤光片，该滤光片的中心波长与014气体的吸收波长一致，只有该波长的红外光才能透过，其他波长的红外光不能透过。波长为3.4 μπι的红外光透过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号；CO2测量通道的窗口上设有一块中心波长为4.26 μπι的窄带滤光片，该滤光片的中心波长与0)2气体的吸收波长一致，只有该波长的红外光才能透过，其他波长的红外光不能透过。波长为4.26 μ m的红外光透过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号；参考通道的窗口上设有一块中心波长为4.0 μπι的窄带滤光片，该波长的红外光几乎不被任何气体吸收。波长为4.0 μπι的红外光通过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号。
[0062]获取测量通道和参考通道上的电信号，基于朗伯-比尔吸收公式即可计算出多组分气体中的014和CO 2气体浓度。
[0063]三、温度补偿、线性补偿及浓度信号输出
[0064]控制单元采集原始电信号，并对其进行复杂的温度补偿和线性补偿处理，最终获得准确的气体浓度值，并对外输出标准化数字信号。
【主权项】
1.一种复合型气体传感器，包括MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元，其特征是:所述的MOS检测模块由一层或多层检测层组成，所述的检测层包括敏感层、绝缘层、加热器、基片，由所述的加热器加热至检测温度范围，检测对应的气体；所述的NDIR检测模块由红外光源、光室、红外接收器组成；所述的控制单元由信号处理子单元和微处理器子单元组成；所述的加热器是所述MOS检测模块和NDIR检测模块的共有部件，不仅作为所述MOS检测模块的加热元件，还作为所述NDIR检测模块的红外光源，并由所述的控制单元进行调制。2.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:所述的敏感层采用金属氧化物材质，真空沉积到基片表面；所述的加热器是铂丝或铂合金丝或电阻金属氧化物或沉积铂薄层。3.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:所述的光室内表面覆有镀金层或镀铂金层，所述的红外接收器为热释电红外探测器，所述的热释电红外探测器为多通道热释电红外探测器，其窗口上设置有滤光片，所述的滤光片为多层镀膜的窄带滤光片。4.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:所述的信号处理子单元包括传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路，所述的MOS检测模块和NDIR检测模块依序通过所述的传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路连接至所述的微处理器子单元。5.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:所述的微处理器子单元包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器，所述的微处理器通过所述的模数转换电路采集信号处理子单元输出的模拟信号，经过处理后，输出标准化数字信号，所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差，所述的数据存储子单元为电可擦除可编程只读存储器。6.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:包括壳体，壳体上底部为金属网，下底部为灌胶件，壳体内部设置MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元，所述的控制单元通过其电路板上的插针固定在灌胶件上，所述的MOS检测模块和NDIR检测模块通过引脚固定在控制单元的电路板上；所述的光室为中空柱状结构，其一端与红外接收器固定，另一端与MOS检测模块固定，且MOS检测模块的工作面面向光室内部。
【专利摘要】本实用新型的复合型气体传感器包括：MOS检测模块，用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。所述的MOS检测模块由一层或多层检测层组成，所述的检测层包括敏感层、绝缘层、加热器、基片，由所述的加热器加热至特定温度范围，检测特定的气体。NDIR检测模块，用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。所述的NDIR检测模块由红外光源、光室、红外接收器组成。控制单元，由信号处理子单元和微处理器子单元组成。在该复合型气体传感器中，所述的加热器是所述MOS检测模块和NDIR检测模块的共有部件，不仅作为所述MOS检测模块的加热元件，还作为所述NDIR检测模块的红外光源，并由所述的控制单元进行调制。
【IPC分类】G01N27/04, G01N21/3504
【公开号】CN204705609
【申请号】CN201520114554
【发明人】王德锋, 李毅, 郭功剑
【申请人】杭州麦德乐传感科技有限公司
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年2月17日
【技术领域】
[0001]本实用新型专利涉及气体传感器领域，特别涉及可同时检测多组分气体的传感器领域，具体是指一种能够同时检测多组分气体的复合型气体传感器。
【背景技术】
[0002]气体传感器主要用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。常规的气体传感器有电化学传感器、催化燃烧传感器、金属氧化物半导体(MOS)传感器、非色散红外(NDIR)传感器。
[0003]电化学传感器通过与目标气体发生电化学反应，并产生与气体浓度成正比的电流信号来工作的。典型的电化学传感器由传感电极、反电极、电解质组成，扩散进来的气体与传感电极发生反应，传感电极可采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对目标气体而设计的电极材料进行催化。因此，特定的电化学传感器只能有针对性地检测特定气体。另外，电解质是发生电化学反应的载体，如果电解质蒸发过于迅速，传感器信号会减弱。故电化学传感器的使用寿命一般为1-2年，且其零点和灵敏度漂移较大，需要定期校正，否则会严重影响测量精度。
[0004]催化燃烧传感器是基于威斯登电桥测量目标气体浓度。当传感器处于清洁空气或零气环境下，威斯登电桥处于平衡状态，输出电压为零。当目标气体进入传感器内，并在催化剂的作用下发生催化燃烧反应，威斯登电桥失衡，输出与目标气体浓度成正比的电压信号。多数易燃易爆气体在催化剂的作用下均能发生催化燃烧反应，因此，催化燃烧传感器输出的电压信号是这些易燃易爆气体反应的综合表现，但不能辨别出气体组分及其对应的浓度。
[0005]MOS传感器在不同温度范围内显示出不同的反应特性，因此传感器采用加热元件来调节温度。有气体出现时，MOS传感器中的金属氧化物把气体分解成带电离子或导致电子转移的复合物，使传感器的电阻发生变化。内置的加热器会将金属氧化物材料加热到最适合目标气体反应的工作温度范围，该加热器由专门电路进行调节和控制。常规的MOS传感器只有单层，也就只能调制一个工作温度，这就限制了传感器的测量气体种类。
[0006]NDIR传感器是基于朗伯-比尔吸收定律测量目标气体浓度，由红外光源、光室和红外接收器组成。若目标气体分子是非极性分子，则会吸收特定波长的红外光，且吸收强度满足朗伯-比尔吸收定律，使该波长的红外光强变弱，通过窄带滤光片筛选出该波长的红外光，再由红外接收器把光信号转换成电信号输出。因此，NDIR传感器测量气体的种类是由窄带滤光片决定的。常规的NDIR传感器集成了双通道窄带滤光片，一个通道作为参考通道，另一通道作为目标气体测量通道，故其只能测量一种气体。
[0007]由于常规的电化学传感器、催化燃烧传感器、MOS传感器和NDIR传感器不能同时检测多组分气体，且传感器规格各异。若要实现多组分气体同时检测，则需要配置多个或多种常规气体传感器，不仅影响仪表的小型化，还会增加仪表的开发成本和开发难度。
[0008]另外，作业场所或生活环境工况复杂，环境中大多存在多种气体，单气体检测仪表已经不能满足复杂环境的检测需求。复合型气体传感器可同时检测多组分气体，且输出标准化的数字信号，解决了仪表的小型化、开发成本和开发难度的问题，是气体传感器的发展趋势。
【发明内容】
[0009]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种综合并改进了非色散红外检测技术和金属氧化物半导体检测技术，可同时检测多组分气体，且体积小、功耗低的复合型气体传感器。
[0010]为了实现上述目的，本实用新型的复合型气体传感器包括:M0S检测模块，用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。所述的MOS检测模块由一层或多层检测层组成，所述的检测层包括敏感层、绝缘层、加热器、基片，由所述的加热器加热至特定温度范围，检测特定的气体。NDIR检测模块，用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。所述的NDIR检测模块由红外光源、光室、红外接收器组成。控制单元，由信号处理子单元和微处理器子单元组成。在该复合型气体传感器中，所述的加热器是所述MOS检测模块和NDIR检测模块的共有部件，不仅作为所述MOS检测模块的加热元件，还作为所述NDIR检测模块的红外光源，并由所述的控制单元进行调制。
[0011]在该复合型气体传感器中，所述的敏感层采用金属氧化物材质，真空沉积到基片表面。所述的加热器可以是铂丝、铂合金丝、电阻金属氧化物、或沉积铂薄层等。所述的光室内表面覆有镀金层或镀铂金层。
[0012]在该复合型气体传感器所述的红外接收器为热释电红外探测器。所述的热释电红外探测器为多通道热释电红外探测器。所述多通道热释电红外探测器的窗口上设置有滤光片，所述的滤光片为多层镀膜的窄带滤光片。
[0013]在该复合型气体传感器中，所述的信号处理子单元包括传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路。所述的MOS检测模块和NDIR检测模块依序通过所述的传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路连接至所述的微处理器子单元。
[0014]在该复合型气体传感器中，所述的微处理器子单元包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器。所述的微处理器通过所述的模数转换电路采集信号处理子单元输出的模拟信号，经过处理后，输出标准化数字信号。所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差。所述的数据存储子单元为电可擦除可编程只读存储器。
[0015]在该复合型气体传感器中，包括壳体，壳体上底部为金属网，下底部为灌胶件，壳体内部设置MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元，所述的控制单元通过其电路板上的插针固定在灌胶件上，所述的MOS检测模块和NDIR检测模块通过引脚固定在控制单元的电路板上；所述的光室为中空柱状结构，其一端与红外接收器固定，另一端与MOS检测模块固定，且MOS检测模块的工作面面向光室内部。
[0016]与现有技术相比，复合型气体传感器可同时检测多组分气体，且输出标准化的数字信号，解决了仪表的小型化、开发成本和开发难度的问题，是气体传感器的发展趋势。本实用新型具有的有益效果为:
[0017]1.由于本实用新型综合并改进了非色散红外检测技术和金属氧化物半导体检测技术，可同时检测多组分气体。
[0018]2.由于本实用新型中的加热器不仅作为MOS检测模块中的加热元件，还作为NDIR检测模块中的红外光源，缩小了传感器的空间结构，降低了开发成本。
[0019]3.由于本实用新型是基于非色散红外检测技术和金属氧化物半导体检测技术，因此，传感器的使用寿命和标定周期长，降低了更换成本和维护成本。
[0020]4.由于本实用新型输出的是标准化数字信号，可直接连接至仪表上，而无需二次处理，故而降低了仪表的开发难度。
【附图说明】
[0021]图1是本实用新型复合型气体传感器的基本模块结构示意图。
[0022]图2是本实用新型复合型气体传感器实施例1使用双层检测层、双通道红外接收器的模块结构示意图。
[0023]图3是本实用新型复合型气体传感器实施例1结构示意图。
[0024]图4是本实用新型复合型气体传感器实施例1检测层结构示意图。
[0025]图5是本实用新型复合型气体传感器实施例2使用三层检测层、三通道红外接收器的模块结构示意图。
[0026]图中:1:壳体2:M0S检测模块 21:检测层22:引脚3:NDIR检测模块31:红外光源32:光室33:红外接收器34:滤光片35:引脚4:控制单元41:插针5:灌胶件6:金属网21:检测层211:敏感层212:绝缘层213:加热器214:基片215:敏感层引脚216:加热器引脚。
【具体实施方式】
[0027]下面通过实施例结合附图，对本实用新型做进一步说明。
[0028]实施例1。
[0029]如图1所示，本实施 例描述的复合型气体传感器包括MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元。
[0030]所述的MOS检测模块用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体，由多层检测层组成。所述的每一层检测层均包括敏感层、绝缘层、加热器、基片。所述的加热器是所述MOS检测模块和NDIR检测模块的共有部件，不仅作为MOS检测模块的加热元件，还作为NDIR检测模块的红外光源，由所述的控制单元进行调制；所述的敏感层采用金属氧化物材质，真空沉积到基片表面。
[0031]所述的NDIR检测模块用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体，由红外光源、光室、多通道红外接收器组成。所述的红外光源为所述MOS检测模块中的加热器；所述的光室采用特殊的镀膜工艺，内表面覆有镀金层或镀铂金层；所述的多通道红外接收器为多通道热释电红外探测器，所述的多通道热释电红外探测器包括参考通道和测量通道，所述参考通道和测量通道的窗口上设置多层镀膜的窄带滤光片。
[0032]所述的控制单元由信号处理子单元和微处理器子单元组成。
[0033]如图2所述的MOS检测模块由检测层I和检测层2组成。所述的检测层I为一氧化碳(CO)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合CO反应的特定温度；所述的检测层2为甲醛(CH2O)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合CH2O反应的特定温度。
[0034]所述的NDIR检测模块由红外光源、光室和双通道红外接收器组成。所述的红外光源为所述MOS检测模块中的加热器；所述光室的内表面采用特殊的镀膜工艺，覆有镀金膜；所述的双通道红外接收器为双通道热释电红外探测器。所述的双通道热释电红外探测器包括参考通道和甲烷(CH4)测量通道。所述参考通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述窄带滤光片的中心波长为4.0 μπι。所述014测量通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述滤光片的中心波长为3.4 μ m。
[0035]所述的控制单元由信号处理子单元和微处理器子单元组成。所述的信号处理子单元包括传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路。MOS检测模块和NDIR检测模块依序通过所述的传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路连接至所述的微处理器子单元；所述的微处理器子单元包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器。所述的微处理器通过模数转换电路采集信号处理子单元输出的模拟信号，经过处理后，输出标准化数字信号。所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差。所述的数据存储子单元为电可擦除可编程只读存储器。
[0036]如图3-4所示，复合型气体传感器包括:壳体1、灌胶件5、金属网6、设置于所述壳体内的MOS检测模块2、NDIR检测模块3、控制单元4。MOS检测模块2包括:检测层21和引脚22，所述的检测层可以是I层或多层，内部结构见图2。检测层由敏感层211、绝缘层212、加热器213和基片214组成，所述的敏感层211还包括引脚215 ;加热器不仅作为MOS检测模块的加热元件，还作为NDIR检测模块的红外光源31，所述的加热器还包括引脚216。所述的引脚215和引脚216，与所述的引脚22匹配。NDIR检测模块3包括:红外光源31、光室32、红外接收器33，所述红外接收器的窗口上设置有滤光片34，红外接收器还包括引脚35。MOS检测模块2和红外接收器33通过光室封装在一起。控制模块4包括:信号处理子模块和微处理器子模块，控制模块4通过插针41供电及输出标准化数字信号，所述的插针41包括2个电源插针和2个数据传输插针。金属网6固定在壳体I的正上方。灌胶件5固定在壳体I底部，并与壳体I形成封闭空间。MOS检测模块2、NDIR检测模块3、控制单元4封装在封闭空间内。所述灌胶件5上有通孔，通孔的位置、大小和数量与插针41匹配。
[0037]利用本实施例的复合型气体传感器进行气体浓度检测过程如下所述(以多组分气体 CO、CH20、CH4为例):
[0038]一、MOS检测模块测量多组分气体中的CO和CH2O浓度
[0039]多组分气体(C0、CH20、CH4)扩散进入复合型气体传感器的光室，进而与MOS检测模块中的检测层接触。
[0040]检测层I中的敏感层已经被加热至适合CO反应的特定温度，多组分气体中的CO与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与CO浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中CO浓度。
[0041]检测层2中的敏感层已经被加热至适合CH2O反应的特定温度，多组分气体中的CH2O与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与CH2O浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中CH2O浓度。
[0042]二、NDIR检测模块测量多组分气体中014浓度
[0043]多组分气体(CO、CH2O, CH4)扩散进入复合型气体传感器的光室，红外光穿过光室时，CH4气体将会吸收波长为3.4 μ m的红外光，且吸收强度与CH 4气体浓度有关，满足朗伯-比尔吸收定律。
[0044]红外光被吸收后进入双通道热释电红外探测器。CH4测量通道的窗口上有一块中心波长为3.4 μπι的窄带滤光片，该滤光片的中心波长与014气体的吸收波长一致，只有该波长的红外光才能透过，其他波长的红外光不能透过。波长为3.4 μ m的红外光透过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号；参考通道的窗口上有一块中心波长为4.0 μπι的窄带滤光片，该波长的红外光几乎不被任何气体吸收。波长为4.0 μπι的红外光通过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号。
[0045]获取测量通道和参考通道上的电信号，基于朗伯-比尔吸收公式即可计算出多组分气体中的CH4气体浓度。
[0046]三、温度补偿、线性补偿及浓度信号输出
[0047]控制单元采集原始电信号，并对其进行复杂的温度补偿和线性补偿处理，最终获得准确的气体浓度值，并对外输出标准化数字信号。
[0048]实施例2。
[0049]如图3所示，本实施例描述的复合型气体传感器包括MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元。
[0050]所述的MOS检测模块由检测层1、检测层2和检测层3组成。所述的检测层I为一氧化碳(CO)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合CO反应的特定温度；所述的检测层2为甲醛(CH2O)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合CH2O反应的特定温度；所述的检测层3为二氧化氮(NO2)检测层，包括敏感层、绝缘层、加热器和基片，所述的敏感层采用氧化锡(SnO2)材料，所述的加热器是铂(Pt)薄层，所述的基片采用氧化铝(Al2O3)材质，所述的加热器、绝缘层、敏感层依序真空沉积在所述基片表面。所述的加热器把所述的敏感层加热至适合N O2反应的特定温度。
[0051]所述的NDIR检测模块由红外光源、光室和三通道红外接收器组成。所述的红外光源为所述MOS检测模块中的加热器；所述的光室内表面采用特殊的镀膜工艺，覆有镀金膜；所述的三通道红外接收器为三通道热释电红外探测器。所述的三通道热释电红外探测器包括参考通道、甲烷(CH4)测量通道和二氧化碳(CO2)测量通道。所述参考通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述窄带滤光片的中心波长为4.0 μπι。所述014测量通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述滤光片的中心波长为3.4 μπι。所述CO2测量通道的窗口上设有多层镀膜的窄带滤光片，所述滤光片的中心波长为4.26 μ mo
[0052]所述的控制单元由信号处理子单元和微处理器子单元组成。所述的信号处理子单元包括传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路。MOS检测模块和NDIR检测模块依序通过所述的传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路连接至所述的微处理器子单元；所述的微处理器子单元包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器。所述的微处理器通过模数转换电路采集信号处理子单元输出的模拟信号，经过处理后，输出标准化数字信号。所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差。所述的数据存储子单元为电可擦除可编程只读存储器。
[0053]利用本实施例的复合型气体传感器进行气体浓度检测过程如下所述(以多组分气体 CO、CH20、N02、CH4、CO2为例):
[0054]一、MOS检测模块测量多组分气体中的CO、CH2O, NO2浓度
[0055]多组分气体(CO、CH2O, NO2, CH4, CO2)扩散进入复合型气体传感器的光室，进而与MOS检测模块中的检测层接触。
[0056]检测层I中的敏感层已经被加热至适合CO反应的特定温度，多组分气体中的CO与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与CO浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中CO浓度。
[0057]检测层2中的敏感层已经被加热至适合CH2O反应的特定温度，多组分气体中的CH2O与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与CH2O浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中CH2O浓度。
[0058]检测层3中的敏感层已经被加热至适合NO2反应的特定温度，多组分气体中的NO 2与敏感层接触后发生反应，导致敏感层的电阻发生变化，且电阻值变化与NO2浓度有关。通过基本测试回路计算敏感层在多组分气体环境中的电阻值，进而获得多组分气体中N02&度。
[0059]二、NDIR检测模块测量多组分气体中的CH4、CO2浓度
[0060]多组分气体(C0、CH20、N02、CH4、C02)扩散进入复合型气体传感器的光室，红外光穿过光室时，CH4气体将会吸收波长为3.4 μ m的红外光，CO 2气体将会吸收波长为4.26 μ m的红外光，且吸收强度与气体浓度有关，满足朗伯-比尔吸收定律。
[0061]红外光被吸收后进入三通道热释电红外探测器。CH4测量通道的窗口上设有一块中心波长为3.4 μπι的窄带滤光片，该滤光片的中心波长与014气体的吸收波长一致，只有该波长的红外光才能透过，其他波长的红外光不能透过。波长为3.4 μπι的红外光透过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号；CO2测量通道的窗口上设有一块中心波长为4.26 μπι的窄带滤光片，该滤光片的中心波长与0)2气体的吸收波长一致，只有该波长的红外光才能透过，其他波长的红外光不能透过。波长为4.26 μ m的红外光透过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号；参考通道的窗口上设有一块中心波长为4.0 μπι的窄带滤光片，该波长的红外光几乎不被任何气体吸收。波长为4.0 μπι的红外光通过滤光片后被热释电探测器接收，转化为电信号。
[0062]获取测量通道和参考通道上的电信号，基于朗伯-比尔吸收公式即可计算出多组分气体中的014和CO 2气体浓度。
[0063]三、温度补偿、线性补偿及浓度信号输出
[0064]控制单元采集原始电信号，并对其进行复杂的温度补偿和线性补偿处理，最终获得准确的气体浓度值，并对外输出标准化数字信号。
【主权项】
1.一种复合型气体传感器，包括MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元，其特征是:所述的MOS检测模块由一层或多层检测层组成，所述的检测层包括敏感层、绝缘层、加热器、基片，由所述的加热器加热至检测温度范围，检测对应的气体；所述的NDIR检测模块由红外光源、光室、红外接收器组成；所述的控制单元由信号处理子单元和微处理器子单元组成；所述的加热器是所述MOS检测模块和NDIR检测模块的共有部件，不仅作为所述MOS检测模块的加热元件，还作为所述NDIR检测模块的红外光源，并由所述的控制单元进行调制。2.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:所述的敏感层采用金属氧化物材质，真空沉积到基片表面；所述的加热器是铂丝或铂合金丝或电阻金属氧化物或沉积铂薄层。3.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:所述的光室内表面覆有镀金层或镀铂金层，所述的红外接收器为热释电红外探测器，所述的热释电红外探测器为多通道热释电红外探测器，其窗口上设置有滤光片，所述的滤光片为多层镀膜的窄带滤光片。4.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:所述的信号处理子单元包括传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路，所述的MOS检测模块和NDIR检测模块依序通过所述的传感器匹配电路、信号放大电路和信号放大输出电路连接至所述的微处理器子单元。5.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:所述的微处理器子单元包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器，所述的微处理器通过所述的模数转换电路采集信号处理子单元输出的模拟信号，经过处理后，输出标准化数字信号，所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差，所述的数据存储子单元为电可擦除可编程只读存储器。6.根据权利要求1所述的复合型气体传感器，其特征是:包括壳体，壳体上底部为金属网，下底部为灌胶件，壳体内部设置MOS检测模块、NDIR检测模块和控制单元，所述的控制单元通过其电路板上的插针固定在灌胶件上，所述的MOS检测模块和NDIR检测模块通过引脚固定在控制单元的电路板上；所述的光室为中空柱状结构，其一端与红外接收器固定，另一端与MOS检测模块固定，且MOS检测模块的工作面面向光室内部。
【专利摘要】本实用新型的复合型气体传感器包括：MOS检测模块，用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。所述的MOS检测模块由一层或多层检测层组成，所述的检测层包括敏感层、绝缘层、加热器、基片，由所述的加热器加热至特定温度范围，检测特定的气体。NDIR检测模块，用于检测有毒有害气体和易燃易爆气体。所述的NDIR检测模块由红外光源、光室、红外接收器组成。控制单元，由信号处理子单元和微处理器子单元组成。在该复合型气体传感器中，所述的加热器是所述MOS检测模块和NDIR检测模块的共有部件，不仅作为所述MOS检测模块的加热元件，还作为所述NDIR检测模块的红外光源，并由所述的控制单元进行调制。
【IPC分类】G01N27/04, G01N21/3504
【公开号】CN204705609
【申请号】CN201520114554
【发明人】王德锋, 李毅, 郭功剑
【申请人】杭州麦德乐传感科技有限公司
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年2月17日
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