（微电子学与固体电子学专业论文）微型红外光声气体传感器的研究.pdf

摘要 红外光声气敏传感器利用气体的特征光谱进行测量，具有测量范围宽、灵敏 度和精度高、寿命长、响应快等优点，更重要的是它还具有极好的选择性，可以 实现连续分析和自动控制等独特性能常规的红外光声气敏传感器体积较大，难 以实现微型化、智能化和网络化，以满足环境监测、反恐、防恐和应对突发事件 等对气敏传感器提出的更高要求本文围绕m e m s 化的光声气敏传感器系统，开 展了以下几方面的研究； 1 光声信号的模拟以及光声腔的一维近似 利用有限元法模拟了光声腔内光声信号的分布； 提出了一种光声腔可近似为一维光声腔的原则，并结合有限元模拟得到 光声腔一维近似的条件： 改进了原有的一维谐振式光声传感器l c 电路模型，该模型能够简单快速 地计算光声腔的结构参数、品质因子和共振频率等特性，并能直观的模拟 光声信号随气体浓度、温度，光声腔结构参数的变化趋势。 2 一维谐振式m e m s 光声腔的设计制作 结合数学理论和模拟结果，设计了一种m e m s 一维谐振式光声腔； 利用微机械加工技术，制作了m e m s 一维谐振式光声腔。 3 非谐振式光声传感器的研究制作 结合理论分别讨论了谐振式光声腔和非谐振式光声腔的优缺点，设计了一 种全m e m s 化的非谐振式光声传感器系统； 作为全m e m s 系统的前期研究，设计制作了小型的非谐振式光声传感器 系统，光声传感器总长度为5 2 厘米，截面直径为1 8 厘米； 利用该系统测定了光源强度和调制频率对光声信号的影响，在光源调制深 度和麦克风频率响应之间存在个最优点，也就是在光源某个调制频率处 得到最大的光声信号； 利用光声传感器对二氧化碳气体进行了测量，5 0 0 0 p p m 的c 0 2 气体得到 的响应信号为0 0 7 v ，并指出了非谐振式光声传感器最大的弊端要求 腔体有一定密封性。 4 小型红外吸收光声气体传感器 基于非谐振式光声传感器不能开放式测量的缺陷，结合红外吸收传感器可 开放澳4 量的优点，设计制作了一种高性能的红外吸收光声气体探测系 统，传感器总长为9 5 厘米，直径为1 8 厘米； 利用该系统对c 0 2 、s 0 2 气体进行了检测，对c 0 2 气体的探测灵敏度为 o 0 1 4 6 m v p p m ，探测到的最小浓度为l o o p _ a m 。对s 0 2 气体，该系统的检 测灵敏度较高，达到2 5 m v p p m ，并能探测到浓度为o 3 8 p p m 的s o z 气 体； 与热释电探测器制作的非色散红外吸收气体传感器进行了比较，证明了光 声传感器性能较高。 以上工作为进一步开展全m e m s 光声传感器的研究打下了较好的基础。 关键词：微机械，红外光声传感器，光声腔，非谐振 i i a b s t r a c t t h ei n f r a r e d p h o t o a c o u s t i cg a s s e n s o rd e t e c t st h eg a s u s i n gt h eg a s s c h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u m ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fb r e a dd e t e c t i n gr a n g e ，h i g h s e n s i t i v i t ya n dp r e c i s i o n ，l o n gl i f e ，f a s tr e s p o n d i n ge t c t h em o r ei m p o r t a n ti st h a ti t c a l lr e a l i z ec o n t i n u o u sa n a l y s i sa n da u t o - c o n t r o ld u et oi t sh j i g hs e l e c t i v i t y t h e c o n v e n t i o n a lp ag a ss e n s o i sc a nn o tf i l lw i t ht h eh i 曲r e q u e s t si ne n v i r o n m e n t i n s p e c t i n g ，c o u n t e r i n gt e r r o r i s ma n dc o p y i n gw i t ho m e r g e n c e sb e c a u s et h e yc a l ln o t r e a l i z em i c r o m a t i o na n di n t e l l i g e n t i z i n gd u et ot h e i rb i gv o l u m e t h i sw o r kw i l l p r e s e n tt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e ss u r r o u n d i n gt h em e m s p a g a ss e n s o rs y s t e m 1 t h e t h e o r ys i m u l a t i n g o ft h ep as i g n a l sd i s t r i b u t i o na n do n e d i m e n s i o n a p p r o x i m a t i n go ft h ep a c e l l t h ep a s i g n a l s d i s t r i b u t i o ni ss i m u l a t e du s i n gt h ef i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) m e t h o d - am e t h o dt od e t e r m i n et h eo n e d i m e n s i o na p p r o x i m a t i n go ft h ep ac e l li s p r e s e n t e d - 一t h ef o r m e rl cc i r c u i tm o d e lo ft h eo n e - d i m e n s i o np ac e l li si m p r o v e do n t h e m o d e lc a nf a s tc a l c u l a t et h ec h a r a c t e ro ft h ep ac e l l ，s u c ha ss t r u c t u r a l p a r a m e t e r s ，q u a l i t yf a c t o ra n dr e s o n a n c ef r e q u e n c ye ta l ，a n di t c a l lv i s i b l y m o d u l a t et h er e l a t i o no ft h ep as i g n a lw i t ht h eg a sc o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r e a n dt h ev a r i a t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s 2 t h ed e s i g n i n ga n df a b r i c a t i n go ft h eo n e - d i m e n s i o np ac e l l a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，am e m s o n e - d i m e n s i o np ac e l lh a sb e e n d e s i g n e d - - t h ep ac e l li sf a b r i c a t e dw i t hm e m s t e c h n i q u e s 3 t h ed e s i g n i n ga n df a b r i c a t i n go ft h en o n r e s o n a t ep as e n s o r - - - b a s e do nt h et h e o r yo ft h ep as e n s o r ，a ni n f r a r e dp ag a ss e n s o rs y s t e mw i t h m e m sc o m p o n e n t sh a sb e e nd e s i g n e d am i n i a t u r ep ag a ss e n s o rw i t l lt h es a m ea r c h i t e c t u r eh a sb e e nf a b r i c a t e d t h e s i z eo ft h ep as e n s o ri s5 2 c ml e n g t ha n d1 8 e ms e c t i o nd i a m e t e r - t h er e l a t i o n s h i po ft h ep as i g n a l sv sl i g h ts o u r c ei n t e n s i t ya n dm o d u l a t i n g f r e q u e n c yi sd e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t su s i n gt h em i n i a t u r ep as y s t e m a n dt h e o p t i m i z a t i o nh a sb e e nd o n et og e t t h eb i g g e s ts i g n a lt h o u g hc h o o s i n gt h e i m o d u l a t i n gf r e q u e n c y t h ec 0 2g a sh a sb e e nd e t e c t i n gu s i n gt h ep as y s t e m a n dt h ep as i g n a li s0 0 7 v w i t h5 0 0 p p mc o n c e n t r a t i o n a n dm o r e ，t h eb i g g e s td i s a d v a n t a g eo ft h ep a s y s t e mh a sb e e np r o v e d 4 m i n i a t u r ei n f r a r e da b s o r p t i o n - p ag a ss e n s o r - 一c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ei n f r a r e da b s o r p t i o na n dp as e n s o r s ，a ni n f r a r e d a b s o r p t i o n p ag a ss e n s o rh a sb e e nf a b r i c a t e d t h ea b s o r p t i o n - p ag a ss e n s o ri s 9 5 c ml e n g t ha n d1 8 c ms e c t i o nd i a m e t e r - 一t h ec 0 2a n ds 0 2g a s e sh a v eb e e nm e a s u r e db yt h ei n f r a r c da b s o r p t i o n p ag a s s e n s o rs y s t e m f o rt h ec 0 2g a s ，t h es e n s i t i v i t yi so 0 1 4 6 m v p p ma n dt h e d e t e c t i n gl i m i ti sl o o p p m f o rs 0 2g a s ，t h es e n s i t i v i t yi s2 5 m v p p ma n dt h e d e t e c t i n gl i m i ti s0 3 8 p p m - 一c o m p a r i n gw i t ht h ei n f r a r e da b s o r p t i o ng a ss e n s o r ，t h i ss y s t e mh a st h eh i i g h e r p e r f o r m a n c e t h ea b o v ew o r kj sag o o db a s ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fm e m sp as e n s o l k e yw o r d s ：m e m s ，p h o t o a c o u s t i cs e n s o lp ac e l l ，n o n - r e s o n a t e i v 微型红外光声气体传感器的研究 复旦大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 国际标准化组织o s o ) 认为：“大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引 起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时问，并因此而危害 了人体的舒适、健康和福利或危害了环境”1 1 j 。 随着国民经济的发展和人们生活的提高，人类对净化生态环境，特别是提高 空气质量提出了更高的要求。另外从反恐、防恐、应对突发事件以及防化战争等 需求出发，均需要对易燃、易爆、有毒和有害气体进行及时、准确的探测。因此 研究开发具有灵敏度高，选择性好，响应迅速，制备工艺简单，价格低廉等特点 的智能化、微型化的气敏传感系统具有重要意义。 实现对气体的定性及定量分析，目前已经发展起多种成熟的技术1 2 。常用的 气体分析方法主要有：催化燃烧法、电化学法、半导体法、比色法、光电离法和 红外法等，它们都具有各自独有的优势。目前研究较为成熟的是电化学类传感器， 但是该类传感器选择性、稳定性较差，且响应时间长，容易产生误报，造成重大 损失。基于物理原理的红外光谱传感器具有高性能的特点，但是传统的红外传感 器体积庞大，价格昂贵，应用范围狭窄。到目前为止，可以说还没有在技术上十 分完美的气体传感器，与光、热、磁和力等传感器相比，其成熟程度相差甚远， 因此必须深入研究高性能的气体传感器，其中尤以采用光学方法探测化学量的光 声传感技术有非常好的前景。 红外气体传感器能够同时测量多种气体，并且具有测量范围宽、灵敏度和精 度高、寿命长、响应快等优点，更重要的是它还具有极好的选择性，可以实现连 续分析和自动控制等独特性能吼红外光声气敏传感器利用气体的特征光谱进行 测量，具有较高的性能，且已经得到应用。然而常规的红外光声气敏传感器体积 较大，难以实现微型化、智能化和网络化，以满足环境监测、反恐、防恐和应对 突发事件等对气敏传感器提出的更高要求。 由于微电子技术、微机械加工技术、纳米技术的迅速发展，红外光声气体传 感器的主要技术也在现有的基础上有了很大的延伸和提高，国际上高精度、低功 耗、体积小的部分采用微电子机械系统( m e m s ) 技术研制的红外光声气体传感器 开始出现，而且正吸引着越来越多的目光阳】。结合m e m s 技术，研制m e m s 化的、 低成本、高性能的红外气体传感器已经开始受到人们的广泛重视，成为当前研究 的热点之一i 矾8 1 。例如美国陆军研究实验室【9 1 成功研制了小型化的红外光声气体 微型红外光声气体传寤嚣的研究复旦大学硕士论文 传感系统，并利用此传感器实现s f 6 痕量气体的探测；挪威、瑞士、英国等的一 些实验室也已成功研制了小型化的红外光声气体气体传感器f 1 0 , 1 1 , 1 2 】，并在实验室 中得到验证，具有了商业化的可能性。法国m o n t p e l l e r 的半导体研究小组 h h l a u s e 等人 1 3 j 研制了基于微机械光学可调滤波器实现红外光声气体传感器， 具有自动校准和长期稳定性。日本y o k o g a w a 电子公司h i t o s h ih a r a 等【1 4 j 利用 硅微测辐射热仪和微调红外滤波器组成简单的红外光声气体分析器实现了对二 氧化碳浓度o 5 0 0 0 p p m 的测量，重复性在3 6 。日本o s a k a 大学工程科学研 究院的k a o r uy a m a s h i t a j 研制了基于g o l a y 气室硅隔膜微型红外传感器。英国 的离子光学有限公司( i o no p t i ci n c ) 【l6 j 在实验室中研制出的红外吸收气体传 感器，能对二氧化碳，甲烷等气体进行有效测量；另外，还有很多科研机构也正 在从事微型红外光声气体传感器的研究，如英国s o u t h a m p t o n n 大学光电研究中 心红外科学与技术小组【埘，德国的微传感器研究所和柏林大学等【1 8 珈 、瑞士的 b w i i i i n g 2 1 】等人、瑞典的皇家理工研究所【2 2 】等都在从事于红外光声气体传感 器的研制，并已取得一定的进展。 以上所述国际上的研究动态，多是小型化或部分m e m s 化的红外吸收气体传 感器，目前在全m e m s 的红外光声气体传感器研究开发方面还不成熟。国内仅有 几个单位( 如大连理工、中科院技术物理研究所、北京航空航天大学等几个单位 阻2 4 1 ) 在从事红外光声气体传感方面的研制工作，并取得一定成果，但主要是从 事大型的红外光声气体传感器仪器的研制。国内开展全脏m s 化的红外光声气体 传感系统的研究工作尚未见报道 1 2 红外光声气体传感器的探测原理 红外气体探测方法主要有两种，红外吸收法和红外光声法。两种方法都是根 据特定气体会吸收特定波长的光子，也就是气体对光子的选择性吸收实现对特定 气体的探测。红外吸收气体传感器是检测入射光经过气体前后的光强差，测定气 体吸收的光的强度，从而测定目标气体的浓度。而红外光声气体传感器是基于气 体的光声效应，直接检测气体因吸收光子而产生的热量，气体的光声效应可以分 为三步，如下图1 1 所示： ( 1 ) 气体吸收特定波长的调制光( 调制频率在声波范围内) 光子，处于激发 态： ( 2 ) 样品气体通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量，使得气体受热( 具 有周期性) ； ( 3 ) 受热气体膨胀产生热声波( 频率与调制光源频率相同) 。 对于某种气体，有着自己特定的吸收波谱，通过选择调制光源的波长，从而 2 微型红外光声气体传感器的研究复旦大学硕士论文 使得只有某种特定气体对入射光产生较大吸收，也就是只有这种气体吸收光能量 产生热声波，从而可以通过检测热声波的大小来判定该种气体的浓度，同时也实 现了气体探测的高选择性。气体吸收的能量与气体在该波长处的吸收系数以及光 源强度和气体浓度相关，产生热声波的大小与气体吸收的热量成正比，通过正确 选择光源可以实现探测系统的高选择性、高灵敏度。 图1 1 光声信号的产生 气体中产生热声波的大小与气体吸收的光能量以及气体膨胀传播的边界有 关。在光声气体探测系统中，气体处于一定设计的光声腔体中，通过设计光声腔 体的结构可以提高气体的灵敏度。 光声气体传感器的原理是基于气体的光声效应，通过选择特定光源以及声波 探测设备( 如麦克风) 实现对某种气体或多种气体的高灵敏度传感。如下图1 2 所示，光声传感器一般有五个部分组成：光源、滤光器、光声池、探测器及外围 电路。根据气体光声光谱学，不同气体对光有不同的吸收光谱特性，每一种气体 都有自己的吸收光谱，也就是在不同的波长处产生较大吸收，采用某种单一波长 的光照射气体，只有某种特定气体产生较大吸收，从而可以通过控制滤波器的波 长来实现传感器的高选择性以及多组分探测。 图1 2 光声气体探测系统 1 3 红外光声气体传感器的发展 光声效应是1 8 8 0 年美国著名科学家b e l l 在固体中首先发现的。继发现固体 的光声效应之后，b e l l 及其同事以及著名科学家t y n d a l l 和r o n e t g e n 等在1 8 8 1 年 各自独立地进行了气体和液体的光声试验，也都观察n t 同样的效应，但是在此 之后对这种效应的研究出现了几十年的停顿。直到二十世纪四十年代苏联学者 v e i n g e r o v 才开始重新研究该效应，他用一个绕有电热丝的炉子所产生的热辐射 微型红外光声气体传感器的研究复旦大学硕士论文 作为红外波段的激发源，研制出世界上第一台测量气体浓度的光声光谱装置，成 功的测定了混合气体各成分的浓剧“。 根据应用环境的不同，对光声传感器设计要求也就不同，最近，西门予公司 采用光声传感器原理，与瑞士应用科技大学合作研究了火灾现场探测系统，通过 探测火灾现场悬浮颗粒实现火灾探测，由于检测对象浓度高，而检测环境变化大， 故传感器的设计重点不在灵敏度而是适应恶劣多变的检测环境。由于要进行现场 探测，采用了开放式谐振光声腔，火灾现场烟雾可直接扩散进入腔体，但是腔体 的谐振频率会随环境的变化而变化，采用增加已知信号，利用自校准的方法实现 光源频率自动调整在要求频率范围内1 2 6 1 。系统结构如图1 3 所示，由于腔体不 同谐振模式问谐振频率的比率不随环境变化，采用与光源频率不同谐振模式的已 知信号进行环境变化检测和谐振频率自校准。 图1 3 开放式自校准光声探测系统 由于采用麦克风检测光声信号受环境影响较大，美国赖斯( r i c e ) 大学采用 石英音叉作为探测器，制作一种石英晶振增强光声光谱系统，对环境噪音具有免 疫型，为光声传感器提供了一种新的检测方法【2 7 】【2 8 j 系统如下图1 4 所示： 图1 4 石英晶振增强光声光谱系统 虽然大功率激光器的使用以及电子技术的发展，使得光声传感器对气体的探 测能达到p p t 量级，但是成本昂贵，且比较笨重，没有很大的实用性。近年来由 4 微型红外光声气体传感器的研究 复旦大学硕上论文 于半导体激光二极管和高灵敏度麦克风的出现，为光声传感器的小型化提供了必 要条件，而且由于半导体微机械技术的发展，光声传感器沿着m e m s ( 妣c r o e 1 e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 的方向发展。 美国麻省理工采用半导体激光器作为光源，通过微机械技术加工制作微型光 声腔体，采用光学麦克风检测声信号，构成光声传感器，实现了对微量气体的检 测，检测灵敏度达到1 0 p p d 2 9 1 1 3 0 1 。同时制作金属黄铜腔体，通过实验数据比较分 折了两者的优缺点，同时分析了光声传感系统的光声泄漏和吸收饱和效应。传感 器系统如下图1 5 所示： 图1 5m i t 的光声传感器系统实物图及微加工腔体结构 挪威a m f e r b e r 和r a i p hw b e m s t e i n 3 1 1 1 3 2 】等人研制了一套小型化硅基的光 声气体传感器。系统中，利用微机械硅基红外调制光源作为辐射源，薄膜压力传 感器作为声探测器，能够实现多种气体的测量，如图1 6 所示。 图1 6 硅基红外光源和光声传感结构图 另外许多别的研究实验室也采用了激光器为光源，采用一维管状腔体，建立 了光声气体传感器系统f 3 3 3 4 1 由于光声传感器系统产生的光声信号及其微弱，探 测该信号的麦克风灵敏度要求高，估环境噪音以及气流、窗口吸收等对系统干扰 很多，通过窗口设计，添加气体缓冲区虽然可以使问题得到改善【3 5 】，有人基于 差分原理，制作了差分结构的腔体，分析了差分式光声传感器的原理及性能【3 6 1 由于各种气体吸收波长不一样，通过采用可调波长激光器或多个激光器激光耦合 作为光源，可以进行多组分气体测量p 7 1 。 根据国外在红外光声微传感器的工作可以看出，系统的m e m s 化主要集中在 微型红外光声气体传感器的研究 复旦大学硕士论文 系统部件的m e m s 化上，如红外源的研制，一维光声的应用，高灵敏度微传声器 的研制等。目前来说，国际上对光声传感器的研究处于向m e m s 化过度的趋势， 也就是说处于研究小型化光声传感器的时期。 1 4 本论文研究内容及研究意义 本论文通过理论推导，总结了光声传感器的性能指标以及影响光声传感器性 能的因子。围绕m e m s 化光声传感器的研究制作，主要研究设计了两种结构的 光声传感器：一维谐振式光声传感器和非谐振式光声传感器。 为了更好地进行光声腔的设计，本文对光声腔内光声信号的分布进行了模 拟。有限元分析( f e a ) 是工程数学的重要工具，利用有限元分析，可队直观的 看出物理量在空间和平面上的分布。在光声信号的模型模拟方面，一直以来只有 一维谐振腔的传输线模型，该模型只能借助传输线理论间接反映光声信号的变 化，且仅限于一维光声腔。本章首次利用有限元分析方法，模拟了光声腔内光声 信号的三维分布，并提出了一种定义光声腔一维近似条件的方法，结合模拟结果 得出了光声腔可近似为一维光声腔的条件。另外，由于一维光声腔的实用优势， 我们对原有的传输线理论进行改进，建立了一维光声腔的l c 振荡电路理论。可 以更简单快速、直观的分析光声腔的声学参数，为光声腔的设计提供一定的指导 作用。根据模拟结果，结合微机械加工技术，设计制作了m e m s 一维谐振式光 声腔。另外，通过理论证明了谐振式光声腔和非谐振式光声腔的优缺点，突破国 际上大多数人采用的一维谐振式光声腔，本文采用非谐振式光声腔，设计了一种 可以完全实现m e m s 化的光声传感器，如图1 7 所示，该系统包括m e m s 红外调 制辐射源、窄带薄膜干涉滤光片、光声腔、电容式硅基微传声器、外围探测系统 和进出样系统等六部分。 图1 7m 日腮光声传感器系统 围绕该m e m s 化光声传感器，研究制作y 4 , 型非谐振式光声传感器，同时 结合红外吸收传感器原理，制作了小型化红外吸收光声传感器，该传感器具 微型红外光声气体传感器的研究 复旦大学硕士论文 有自己独特的优势，并利用该传感器实现了对c 0 2 、s 0 2 气体的检测。本文工 作为实现m e m s 化光声传感器提供了重要理论依据，并为图1 7 的全m e m s 化 光声传感器的设计制作打下基础。 本论文共分为五章：第一章为引言，介绍光声传感器的发展历史以及目前国 内外在光声传感器方面的研究进展；第二章详细介绍了光声传感器系统的组成及 各部分原理；第三章的主要内容是光声腔内光声信号的理论模拟以及一维谐振式 光声传感器的传输线模型，并利用l c 电路模型完成了一维光声腔的参数计算， 得出优他的参数结构，根据模拟结果，结合微机电技术，设计制作了m e m s 结 构的光声腔；第四章介绍了我们设计制作的小型化光声传感器，以及利用该传感 器与红外吸收传感器结合而成的红外吸收一光声气体传感器，并利用红外吸收 光声气体传感器对c 0 2 、s 0 2 两种气体进行了检测并根据实验结果分析 了光声传感器的性能特征；最后一章总结了我们的工作，并对下一步工作做了展 望。 微型红外光声气体传感器的研究 复旦大学硕士论文 第二章气体光声探测系统理论 2 1 前言 光声光谱技术是最近几十年发展起来的- - f l 新新技术，相对于传统的光学技 术有着自己特有的优势，可以分析研究传统的光透射法或反射法所无法分析的材 料，它与传统的光学技术的主要区别在于： 1 ) 光声检测的光信号是直接取决于物质吸收光能的大小，正是因为这样，反 射光、散射光等对光声检测的干扰很小，对弱吸收样本则可以增强入射光功率， 从而提高检测的信噪比。因此，它可以成功地用来检测各种试样，透明或者不透 明的固体、液体、气体、粉末、胶体、晶体或非晶体等物质的吸收光谱。 在光声检测中试样本身既是被研究对象，又是吸收光辐射的检测器，因此 可以在一个很宽的光学和电磁学波长范围内进行研究而不必改变检测系统。最低 检测极限主要取决于光源强度，检测器和接收放大器的灵敏度以及窗口材料的吸 收。 光声信号是物质分子在吸收强度调制的外界入射能量后，由受激态通过非 辐射过程跃迁到低能态时所产生的，因此，它与物质受激后的辐射过程、光化学 过程是互补的。所以光声效应本身又是一种研究物质荧光、光电和光化学现象的 极其灵敏而又非常有效的办法。 光声效应不仅像光谱方法那样可以用来测定物质的吸收谱，而且还可以用 来研究弛豫过程、辐射过程的量子效率以及用于测定物质的热学性质、弹性性质、 薄膜厚度等研究。 虽然入射能量也是以可见光子的形式出现，但对光子与材料相互作用的研 究，并非依靠对某些光子的检测和分析，而是根据直接测量材料与光束相互作用 后所吸收的能量。气体与光子作用后吸收的能量，以热的方式释放能量，从而产 生热声波。光声气体传感器就是通过检测该热声波来检测气体分子吸收的热量 的，在微量气体探测方面，光声光谱技术较传统的吸收法优越很多，物质吸收遵 循b e a r - l a m b e r t 定律： j - i o c x p ( 一a ) ( 2 1 ) 其中，。为入射光强度；，为出射光强度；f 为有效吸收长度；a 为吸收系数。 吸收光谱通常是利用检测。和，来确定吸收系数和浓度的，对于低浓度、弱吸收 的物质，l 和，相差很小，检测灵敏度很低，而光声光谱是直接检测物质所吸收 微型红外光声气体传感器的研究复旦大学硕士论文 的能量，属于一种无背景的测量方法，通过增大入射光光强，采用低背景噪声检 测技术，就可以在某些痰量气体的检测中达到极高的检测灵敏度。 系统掌握光声传感器的理论，对光声传感器的设计、制作和实际探测应用具 有重大意义。本章综合了光声传感器系统的理论，并从理论出发提出光声传感器 要求，并影响传感器性能的主要参数，为传感器的设计提供坚实的理论基础。 2 2 气体的光声效应及光声探测理论 光声气体探测系统的原理是基于气体的光声效应理论，气体的光声效应也就 是特定气体能吸收特定波长的光子而被激发，被激发的气体分子以热量的方式释 放能量，从而使气体加热膨胀，产生个热声波。由于光声效应具有独特的选择 性，每种物质都有自己特有的吸收光谱，因此通过选择特定波长的入射光照射样 品气体，只有特定气体会对光子进行吸收，也就是说选定波长的入射光，只有在 样品气体中有目标气体时才会产生吸收，产生热声波，通过检测是否有热声波或 热声波的大小，可以实现对目标气体的定性定量检测。 气体的光声探测相对于其他探测方法有着许多显著的优势，最主要是其极高 的灵敏度和选择性，根据以上理论我们知道，要实现对气体的光声探测必须具有 一下条件：一是有较好的具有特定波长或可变波长的光源；二是一个能让气体产 生很好吸收且能集聚声能的腔体；三是一个高灵敏度的声探测器：最后是信号处 理电路。这些对探测系统起着决定性作用，每一个部分性能的提高都可以提高系 统的性能，同时要求各个部分功能匹配。在进行光声探测时，为了更好的确定光 声信号，通常我们给入射光一个特定的调制频率，使气体被周期性加热，从而产 生与光源调制频率相同的热声波。另外，声信号在一个腔体中传播时，我们知道 在一定条件下会产生共振，这样可以集聚声信号，也就是对光声信号起着放大的 作用。由于光声信号比较微弱，要探测到该微弱信号，对声探测器及处理电路的 要求比较高，由于各方面声电噪音比较大，在处理电路中我们通常采用锁相放大， 从而提高对特定频率微弱信号的检测。 光声气体探测器由以上几个重要部分组成，以下将详细介绍各个部分的物理 数学理论，为各个部分的设计制作打下坚实的基础。 2 3 光源及光学滤波器 2 3 1 用于红外气体传盛器的红外激发光源 当光入射到装有样品的光声腔时，样品气体吸收光能与光源属性有着必要联 系。光强为，( ，t ) 、频率为甜的光束入射到光声腔内，气体因吸收光能而在气体 微型红外光声气体传感器的研究复旦大学顽上论文 内形成一个热功率密度源h ( r ，f ) ( w c m 3 ) ，在非饱和吸收的条件下，- ( r ，f ) 可 表示为1 “1 ： h ( r ，f ) 卢，( ，f ) ( 2 2 ) 式中为样品气体的吸收系数( c m l ) 。 光声腔内产生的光声信号的大小与该热功率密度源有着密切关系，热功率源 功率的大小以及调制频率决定光声信号的大小。我们知道，如果入射光的调制速 度远小于气体分子吸收光子释放能量的速度，那么热功率源的调制是光学调制的 相干调制，也就是产生样品气体温度的相干调制。显然，根据气体定律，光声腔 内密封气体的温度调制会产生频率与光调制频率相同的周期性压力起伏，也就是 声波。声波幅度的大小与温度幅度大小成正比，也就是与热功率源功率成正比， 热功率源功率大小与光源密切相关，显然，与光源强度成正比。对于特定气体， 吸收系数： 8；ac(2-3) 式中，口为气体的吸收截面，取决于光源波长范围，c 为气体浓度。可见，光声 信号的频率由光源调制频率决定，光声信号的大小由光源强度、光源波长和气体 浓度决定。 由式( 2 3 ) 我们可以看出，样品气体对光能量的吸收系数与气体浓度和吸 收截面成正比。光声气体传感器的原理与此式有着重要联系，气体吸收截面c t 对 光声传感器的选择性和灵敏度有着决定性影响。对于一个气体探测传感器，我们 希望它有良好的选择性，光声传感器的选择性取决于入射到光声腔的光束的波 长。对于某种特定气体，它有自己特定的吸收光谱，通过选择入射光的波长，使 得目标气体的吸收截面很大，而其它气体的吸收截面很小，也就是说气体对光的 吸收系数主要由目标气体的吸收截面和浓度决定。如果样品气体对光的吸收主要 由目标气体决定，那么光声信号主要由目标气体产生，也就是说光声信号的大小 反映了目标气体的浓度，从而实现对目标气体的定量定性探测。 由于气体的选择性和灵敏度都取决于入射光的波长，因此，对于红外光声传 感器来说，能有效控制入射光的波长具有决定性作用。我们知道单色性最好的光 源是激光光源，上世纪七十年代和八十年代，由于气体激光器的引用，光声气体 探测取得蓬勃发展【3 9 】。由于气体激光器的高功率和线性可调性，是一种非常理 想的光源，利用他们可以探测到体积比为p p b 量级的微量气体，甚至更低。但是 气体激光器体积膨大，结构复杂，而且价格昂贵，因此没有很大的实用性，目前 只用于环境气体探测移动站上。使用半导体激光管可以大大减小系统的体积和质 量，提高灵活性，而且半导体激光管寿命比较长，可靠性好，但是功率低，可调 范围小。 1 0 微型红外光声气体传感器的研究 复旦大学硕士论文 另外，红外气体传感器常用的光源为辐射源。传统的红外非相干光源由于体 积大、波段覆盖范围短、调制频率低( 仅有几个赫兹或是不能调制) 等缺点，很 难满足许多红外传感系统对光源的要求：而发光二极管( l e d ) 和激光源，由于 其单一的发射波长，昂贵的价格，使其在气体测量等领域的应用也受到很大限制。 目前在多气体监控体系中，一般选用可直接调制的热激发红外光源，这样既可以 满足较宽波长覆盖范围的要求，又能减少机械斩波器的使用，减低系统的成本和 干扰振动以及噪声。可直接调制红外光源自8 0 年代开始研制以来，迅速发展起 来。目前多是结合m e m s 技术，研制一种可直接用于红外传感器的脉冲式m e m s 辐射源。例如，利用m e m s 中的厚膜或薄膜工艺制作金属镀膜h o l 4 1 域是半导体 薄膜1 4 2 ，或采用多晶硅作为源的加热电极t 4 3 1 1 4 4 得到调制激发源，这种源的运作 温度可达到1 5 0 0 k ，调制频率可达3 0 k h z 。 我们知道红外辐射的机理类似于灰体辐射，试样升温引起的一个直接效应是 光能红外辐射，根据斯特藩一玻尔兹曼定律，一个绝对温度为t ，发射率为s 的 黑体，向外辐射的总能量为： e a v e t 4( 2 4 ) 式中一是斯特藩玻尔兹曼常数，当试样被波长为 、能量为e 的能量束照射时， 吸收系数为卢( ) 的试样由于吸收能量而产生一个小的温升? ( e ，p ) ， 则总的辐射能量的增量为 a e 假，芦) 一4 0 e t 3 a r ( g ，卢) ( 2 - - 5 ) 由上式知，使物体受热或是放电，便可产生一定的热辐射。假定过程中热传递和 热对流忽略不计，则一个周期内由于温度的变化而引起的功率改变为： a p4 c a t t d s a t t ( 2 6 ) c 口为材料的比热，p 为密度，d 为镀膜厚度，t 为激发脉冲的周期。则由( 2 - - 5 ) 式和( 2 6 ) 式可得调制频率： f ；8 e a 一t 3 c e p d ( 2 7 ) 虽然对于大的温度漂移，此时丁不再为小值，c 。也不再为常数，公式( 2 7 ) 仅给出近似表达，但其仍可表征一些主要特征。 根据公式( 2 - - 7 ) ，调制频率，是激发体温度r 、激发率f 和激发体厚度d 的函数。所以要设计一个合理的红外激发源，涉及到发热材料的选择以及器件结 微型红外光声气体传感器的研究 复旦大学硬士论文 构的工艺实现。 2 3 2 光学滤波器 我们要求进入光声传感器光声腔的光波波长可以控制选择，且要求带宽较 窄，而红外辐射源为连续光，因此进入光声腔之前需进行光学滤波。滤光片对光 声传感器的性能有着决定性作用，光声传感器的选择性和灵敏度都受滤光片影 响。带宽较窄且对目标波长的光吸收少的滤光片是较为理想的滤光片，本论文直 接选用市场上符合要求的滤光片，对滤光片的种类和原理不做介绍。 2 4 光声腔 2 4 1 光声腔的分类 根据光声原理，在气体吸收光能量的地方将产生一个声信号，即使是一束光 通过自由空气也会产生光声信号。但是，利用光声原理进行气体探测时，通常是 在一个腔体内进行探测，这个腔体称为“光声腔”或“光声探测器”。光声腔是 指光声气体传感器中的整个声学单元，通常包括谐振腔、缓冲区、声学滤波器、 窗口、气体进出口和麦克风等。光声传感器系统包括光声腔、光源、气体控制系 统和电子电路部分，光声腔对光声传感器系统有着决定性作用。 根据光声腔的工作模式，可以分为谐振式腔和非谐振式腔。声波信号在光声 腔内传播，对于每一个光声腔，都有自己的固有频率，如果声波信号的频率与光 声腔的某一个固有频率相同，则声波信号会在腔体内产生谐振，此时，我们称光 声腔工作在谐振模式。声波信号实际上是一个气体压强的周期性交化，为了检测 到微小的压强变化，需要在一个密封空间，保证声波信号不会衰减很快，因此， 一般的光声腔都需要密封。对于谐振式腔，由于声波在腔体内产生驻波，不需要 腔体密封，且声波的谐振也是对声信号的一种放大，因此，光声气体传感器主要 选择谐振式腔。常用的谐振腔分为一下三类： 1 赫姆霍兹谐振腔 共振腔由一空穴和其连接的颈部构成。基本模型是弹簧质量块模型，空穴中 气体充当弹簧作用，颈部气体相当于质量块。颈部气体的运动与空穴中气体的压 强有关系，形成共振，如图2 1 所示，谐振频率： ，厅 o4 云惰( 2 - - 8 ) 其中c 为光速，s 与f 为颈部的截面积与长度，y 是空穴体积。赫姆霍兹谐振腔 在谐振频率处对声信号的放大取决于谐振腔的传输损失( 包括颈部侧壁对气体的 1 2 微型红外光声气体传j 唪嚣的研究 复旦犬学硕：t 论文 粘滞流和热流损失，以及开口出的辐射流损失) ，通常对声信号的放大不会超过 十倍。 赫姆霍兹谐振腔共振放大倍数小，灵敏度低，不适用于气体探测，通常更多 地是用在消声嚣和扩音器。 h r 仔f 口) 壹克风 井界环境 图2 1 赫姆霍兹谐振腔 2 一维共振腔 如果共振腔的截面尺寸远小于声波波长，则被激发的声波信号只沿共振腔长 度方向变化，这种腔体可以被认为是一维共振腔，如图2 2 所示。 入身搞g 洮_ _ _ - i i _ _ - 1 1 一 _ - - w 。- - - - - - - - - 一 麦飙 图2 2 一维共振腔 两端都开口或封闭的腔体要求长度是半波长的整数倍，共振频率为： 一志n _ l ，2 3 一端开口一端闭口的腔体，要求长度是j 4 波长的奇数倍，共振频率为： k 一黜忍， 其中，是开口末端修正，一般近似削一0 6 r ，r 为截面半径，对封闭端为? 为零。 两端开口或封闭的腔体，驻波模式不同：两端开口的腔体开口处为波节，两 端封闭的腔体端头处为波腹。 3 空穴式共振腔： 当共振腔的截面尺寸于声波波长相当时，将产生于维谐振腔截然不同的 共振，驻波形式和共振频率依靠腔体的形状和尺寸，如图2 - - 3 所示，对圆柱型 腔体，共振频率为： k 一旦2 i t rj 啊r c 2 吲 其中r 和上是腔体的截面半径和长度，加日指径向、角向和纵向模式。 微型红外光声气体传感器的研究 复旦大学硕士论文 图2 - - 3 空穴式共振腔及不同驻波模式 2 4 2 光声腔的理论 通过流体力学和热力学定律可以给出气体中热声波产生的数学模型。气体中 的声扰动可用声压p 矗，f ) 来描述，声压是总压力p 与平均值局之差：p = p 一疡。因吸收光而产生热h 一，f j 将激励声信号，此过程可描述为： 俨p 一专軎一l 譬降 一t 其中r 为气体绝热系数，c 。为气体中声波的传播速度。方程的边界条件由光声腔 结构及其内部光路决定。 不同的光声腔结构有不同的边界条件，由于是二阶偏微分方程，只有特殊的 结构才能得到解析解。下面以圆柱型光声池为例，推导气体光声理论。 利用傅立叶展开，方程( 2 1 0 ) 的解可写为： p ( r ，f ) ，a o ( f ) + 罗a ( f ) p 。( r ) ( 2 - - 1