基于纳米黑硅的新型MEMS红外光源

结合等离子体处理制备黑硅技术,研究了一种可用于非色散红外吸收光谱(non-dispersive infra-red,NDIR)气体传感器的微机电(micro-electro-mechanical systems,MEMS)红外光源。相较于其他MEMS红外光源,该光源以新型纳米黑硅材料作为辐射层,黑硅的近黑体特性使光源在3~5μm波段发射率可达到98%以上。光源采用四梁固支悬浮薄膜结构,可有效减小辐射区向硅基底的热传导;采用深反应离子刻蚀(DRIE)进行背面释放,有效减小了器件的尺寸。经测试,该光源的光谱辐射特性和调制特性均能满足NDIR气体传感器的要求,且简单的制备工艺使该光源易于实现大规模重复性制造,利于实现产业化推广。     

非分光红外气体传感器研究进展

介绍了非分光红外气体传感器的工作原理,将非分光红外传感器与常用气体传感器进行了对比分析。综述了非分光红外技术在光源设计、气室设计、探测器设计、信号处理及自组装多气体探测系统等关键技术的研究进展,为进一步提高气体检测精度和响应提供了研究方向。提出了非分光红外气体传感器要朝着小体积、多功能集成、满足复杂应用环境的方向发展。     

红外辐射源及其在气体测量中的应用

红外气体传感器由红外光源和红外探测器两部分组成。红外探测器仅对红外辐射的变化起作用。在进行测量时，传统的做法是利用一调制盘对来自光源的光进行调制，使热光源与冷调制盘遮光板之间产生大的温度幅度。然后，脉冲辐射便可以被准确计算出来。然而，这种技术需要依赖于昂贵的、不灵活的、易损的设     

红外吸收式光纤甲烷气体传感系统的研究

通过对甲烷气体吸收光谱的分析,结合光学器件的发展情况,提出了红外吸收式光纤甲烷气体传感测试方法。该测试系统基本工作原理是多分子气体对特征吸收波长的光吸收作用随浓度变化而变化。该系统以1.33μm波长的分布反馈式半导体激光器(DFB LD)作为光源,响应灵敏度1 nW的光功率计作为光探测器。采用单光路传输,通过实验说明红外吸收式光纤甲烷气体传感器可靠检测小于体积分数15%的甲烷体,为其进行报警等应用打下基础。     

新型多波长红外同步粉尘、气体浓度传感器

基于粉尘和气体对红外光散射和吸收导致的衰减作用原理,提出了一种可以同步测量粉尘和气体浓度的新型多波长红外传感器设计方案.将不同粒径的粉尘和不同种类的气体作为不同介质,建立多个波长红外光与多种介质的衰减方程组,测量各介质对若干不同波长红外光波的衰减,从而通过计算得到不同待测介质的浓度.传感器结构采用多路对不同波长敏感的探测器,复用一个宽谱红外光源,降低了多种粉尘、气体同时测量的硬件成本.在实验室条件下通过模拟试验对设计方案进行了原理验证,试验结果验证了粉尘和气体同时测量的可行性.提出的多种粉尘和气体同步测量的多波长红外传感器设计方案对于拓宽多波长红外传感技术的应用,特别是煤矿生产的安全监测具有重要意义.     

基于中红外DFB-ICL的氨气传感器设计

氨气是主要恶臭物质之一,为了实现工业环境污染源中氨气排放的连续监测,研制了中红外激光气体传感器,与传统近红外氨气传感器受干扰气体影响较大不同的是,该传感器采用中红外分布反馈结构的带间级联激光器(distributed feedback inter-band cascade laser, DFB-ICL)为光源,工作波长在3 μm附近,避免了水和CO2干扰气体的影响,同时以空芯光波导（芯径1 mm、长度5 m）做气体池,采用自制多通道数字锁相放大器,同时解调1f和2f谐波信号,实现免校准测量,获得了传感器的梯度实验结果,线性度高达0.99917,不确定度高达0.9%。Allan方差评价结果显示其稳定性非常出色,在最佳积分时间167 s时,本传感器的检测限低至9.7 ppb。     

红外气体探测技术

Cascade技术公司推出一种红外气体探测技术。这种技术以中红外量子级联半导体激光器作为光源，激光通过一个气体盒到达探测器。气体的吸收会改变激光的强度，从而暴露出气体的化学特性。这种便携式气体传感器能在室温下操作，其探测精度可达兆分之几，能够同时测量多种气体并识别化合物。Cascade技术公司的这种红外探测技术还适合油的探测、国防、安全和医学诊断等多种应用。     

集中式红外SF6气体检测装置及其测量模型

本文提出了一种集中式红外SF6气体检测装置,该装置采用定时循环轮流选通的方式实现2路以上的变电站现场监测点气体采样检测,并采用了单光源双波长光路结构的红外SF6气体采样检测气室。因此有效地降低了制造、安装、调试、维护成本。通过求取每路红外探测信号在光源周期性开关两种状态下的差值和求取这两个差值的比值,降低了温度信号、背景光信号、光源波动等因素的影响。然后在朗伯-比尔定律的基础上,用求取的比值推导求得该检测装置的线性测量模型,最后采用最小二乘法对测量模型进行了标定,从而提高了SF6气体浓度测量的准确性和稳定性。     

MEMS红外光源研究及其应用

首先介绍了红外光源的类型,从波长范围、调制频率、输出功率以及制作成本等方面比较了三种不同类型红外光源的优缺点。分析了基于微机电系统(MEMS)加工技术的红外光源工作原理和类型。系统综述了MEMS红外光源的国内外研究现状,包括不同辐射层材料和不同结构的MEMS红外光源。详细描述了MEMS红外光源在红外气体传感器、目标识别装置、红外通信装置中的应用。讨论了其在结构设计和加工过程中存在的高辐射率发光材料的制作、红外光源薄膜热应力的释放以及机械强度低等技术瓶颈问题,并简单展望了MEMS红外光源的未来发展趋势。     

基于中红外DFB-ICL激光器的硫系恶臭气体传感器

含硫化合物是主要恶臭物质之一,为了实现污染源中含硫化合物排放的连续监测,研制了中红外激光气体传感器。该传感器采用中红外分布反馈结构的带间级联激光器（DFB-ICL）为光源,工作波长在3.3 μm附近,以空芯光波导（芯径1000 μm、长度5 m）做气体池,采用自制多通道数字锁相放大器,同时解调1f和2f谐波信号,通过1f归一化实现免校准测量。使用不同波长激光器可以检测甲硫醇、甲硫醚、二甲基硫醚、硫化氢等硫系恶臭气体。     

光纤甲烷气体传感器的研究

基于甲烷气体近红外吸收的机理,研究了一种高灵敏度易于实现的光纤甲烷气体传感器。分析了半导体激光器的调制特性和谐波检测的基本原理,建立了传感器的数学模型。系统采用分布反馈式半导体激光器做光源,气室采用小型渐变折射率透镜构成的气室,加入参考光路和参考气室,使光源输出的中心波长锁定在气体的吸收峰上,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,给出了甲烷气体测量的实验结果。     

基于谐波检测原理的双气室气体传感器研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体传感系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得与气体吸收峰对应的窄带反射出射光。利用谐波检测原理,检测测量气室和参考气室的二次谐波信号,以它们的比值作为系统输出,消除了吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用波分复用技术实现了多种气体的高精度测量,甲烷气体测量的实验结果表明该系统的测量灵敏度可以达到1×10-5。     

红外吸收光谱型城市路网尾气浓度检测传感器

为了能够集中测量城市路网中CO、NO、NO2和SO2的浓度,利用红外吸收光谱原理和谐波调制技术设计了四向气体浓度检测传感器。将宽带光谱LED作为共用光源,穿过四个方向上特定波长的窄带滤光片后,产生与被测气体吸收光谱一致的光束,再穿过改进的Herriott型长光程吸收气室,并在红外探测器上感应出电信号,最后利用设计的正交锁相放大电路测量出二次谐波系数大小,从而计算出被测气体的浓度。实验结果表明:设计的传感器输出的电压与被气体浓度呈正比例线性关系,平均线性度达到了0.997 85,测量误差均小于2%,可为播报环境质量和制定机动车尾气排放标准提供数据支持。     

高可靠红外光电水浸传感器研制

基于红外光电检测原理的水浸传感器灵敏度高,响应时间快,但环境自然光、水雾等干扰测试准确度。本文通过对光学探头材料与结构的优化设计,提高传感器测试精度,通过双层防护结构设计与恒温加热设计,避免自然光、凝露等环境因素对光电检测的测试干扰,设计获得了高可靠的红外光电水浸传感器。     

Design and optimization of an integrated MEMS gas chamber with high transmissivity

Non-Dispersive InfraRed (NDIR) gas sensor is widely used for gas detection in collieries and the gas chemical industry, etc. The performance of the NDIR gas sensor depends on the volume, optical length and transmittance of the gas chamber. However, the existing gas sensor products have problems of large volume, high cost and incapable of integration, which need to develop towards the miniaturized sensor. This paper first presents the theoretical background of the NDIR gas sensor and the novel structure of a fully integrated infrared gas sensor and its micro-machined gas chamber structure. Then, the light structure and the gas flow of the gas chamber are optimized on Tracepro software and Ansys workbench, respectively, and the technological process for preparing the Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) gas chamber is designed. Finally, we produce a gas chamber with a small volume and good transmissivity, which would be the most important part of producing the miniaturized NDIR gas sensor.     

微弯型光纤传感器光源光强的新的稳定方法

本文详细报导了该装置的原理，内容和测量结果，并指出进一步研究方向。     

红外吸收粉尘传感器的设计

基于粉尘对红外光的吸收原理提出了一种测量粉尘浓度的传感器新方案。以朗伯-比尔定律为理论依据,传感器采用空间双光路结构,应用差分算法,建立数学模型,采用MSP430F149,ICL7605和AD620等芯片进行数据处理,并用实验结果验证可靠性。提出的粉尘设计方案对于提高粉尘测量精度,特别是烟道、煤矿中高浓度的粉尘安全检测均有重要意义。     

Photoassisted Chemically Deposited Tin Sulfide Thin Films Based on Two Different Chemical Formulations

Photoassisted chemical deposition is a customized form of chemical bath deposition where the reaction is carried out in the presence of ultraviolet light. Deposition of tin sulfide films was carried out by this method using two different chemical baths. The as-prepared samples from the acetone bath were crystalline, exhibiting the orthorhombic structure of the Sn₂S₃ phase, but those from the glacial acetic acid bath were amorphous. The crystallinity of the films was improved on annealing. The deposition rate was found to depend on the pH of the bath and the chemical formulation. Distinct morphology was obtained for as-grown films. The films from the acetone bath were compact with uniform morphology of needle-shaped grains having equal diameters and lengths. The films from the glacial acetic acid bath were similar, with smaller needles. The high absorption coefficients of as-grown and annealed films show their potential application as absorber layers in photovoltaic devices. The refractive index was estimated from the reflectance of the films. The estimated activation energies of the as-prepared films from the acetone and glacial acetic acid baths were 0.4 eV and 0.46 eV, whereas those of the annealed samples were 0.2 eV and 0.44 eV, respectively. The activation energy was found to decrease for annealed films due to a decrease in trap sites.     

基于红外双光路的薄膜在线测厚系统的研究

红外测厚是薄膜在线测厚的主要方法之一,为了解决传统的红外测厚方法中尚存在的易受光源稳定性的影响、不适用于高速薄膜生产线等缺点,采用双光路参比测量的方法设计了一种双光路红外测厚系统,系统将光源的光分成测量路和参考路两路,并使用单个CCD同时收集两路光作为光强传感器。描述了系统的成像原理,讨论了系统对朗伯定律的适用性,最后通过对聚乙烯和聚四氟乙烯薄膜的标定实验论证了系统的精度。结果表明,该方法精度高、鲁棒性好,且能够有效避免光源不稳定带来的影响。     

基于光谱吸收原理光纤甲烷传感器实验分析与研究

光纤气体传感器是一种新型传感器,从光纤链路损耗实验、光源驱动和锁相放大电路输出波形实验、甲烷气体吸收实验等3个方面对甲烷气体传感器性能进行了分析和测试。实验结果表明基于光谱吸收原理的光纤甲烷传感器系统性能较为稳定,灵敏度较高,测量范围宽,重复性较好,因此该传感器适合于煤矿井下瓦斯检测,满足各种要求。