一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室

本发明属于气体传感器领域，涉及用于非色散红外气体传感器的微型气体腔室，具体提供一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室。

背景技术：

1、气体传感器在室内空气质量监测、室外环境监测、生产中的有毒气体检测等各领域中已经广泛应用，目前，主流的气体传感器有半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器和红外吸收气体传感器等几种，非色散红外气体传感器是运用最广泛的一种气体传感器，拥有高精度、高可靠性、高长期稳定性及长使用寿命等优点。

2、非色散红外气体传感器的原理是利用气体分子对红外光的选择性吸收实现对待测气体的精确检测，红外光源辐射出红外光，光在充满待测气体的气体腔室中传播，经过待测气体的吸收，到达红外探测器并被吸收，通过探测器探测光被待测气体吸收后的衰减程度；在一定浓度范围内，气体对红外辐射的吸收遵循朗伯-比尔定律：

3、i(λ)＝i0(λ)e-k(λ)lc

4、其中，i0(λ)为入射光的强度，i(λ)为出射光的强度，l为光在气室中传播的光程长度，c为待测气体的浓度，k(λ)为吸收系数、具体是波长λ的函数；在特定的频段内，一种特征吸收频率对应着特定待检测物质。

5、从非色散红外气体传感器的原理可以得知，光路长度及光在气体腔室中的传输效率是影响非分光红外气体传感器精度的重要因素。目前，商用的高精度红外气体传感器通常使用较大体积的气体腔室以保证测量精度，而使整体体积难以减小；针对红外气体传感器的微型气体腔室研究主要有公开号为cn108318439a的专利文献为代表的椭圆形反射式气室、公开号为cn105181621a的专利文献为代表的蛇形结构气室、公开号为cn109596560a的专利文献为代表的多通道气室、发表于sensors and actuators a:physical331(2021)112953的《a design of an ultra-compact infrared gas sensor for respiratoryquotient(qco2)detection》为代表的半圆柱式直管结构气室；然而，非分散红外气体传感器中应用的红外光源往往是黑体光源或led光源等非平行光源，这些气室受体积或技术限制，红外光源往往采用水平放置，仅通过简单的斜面改变红外光的入射角度，红外光在入射时，非平行光在入射处的气体腔室内壁反复折射，难以传播至气体腔室的出射窗口处；并且，现有的微型气室因为红外探测器的尺寸限制，难以实现提高气体传感器的精确度与抗干扰性的双通道探测器检测，而只能够设置单一探测器窗口。因此，设计一种微型、可适用垂直放置的非平行光源、基于双通道探测、光传输效率高的气体腔室(简称：气室)，对实现非色散红外气体传感器的小型化、集成化、智能化有着重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有微型气室在非分散红外气体传感器应用中存在的诸多问题，提供一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，用以实现微型气室中的双通道探测，适用于平行光源与非平行光源，能够增强光传输效率并实现光程增加，从而提高气体传感器的性能。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，包括：上层基片1与下层基片2；其特征在于，所述上层基片与下层基片内部均开设u形凹槽、且两个u形凹槽呈镜像分布，上层基片与下层基片连接后于内部形成u形气室；u形气室一端为红外光源窗口3，另一端呈分支状、分别为参考红外探测器窗口4与测量红外探测器窗口5，红外光源窗口、参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口依次均匀分布于同一侧；所述上层基片的u形凹槽内部均匀分布有气孔7；所述红外光源窗口处设置双抛物柱面结构，红外光源垂直设置于红外光源窗口。

4、进一步的，在u形气室的水平截面中，双抛物柱面结构的水平截面表现为对称结构，由两条抛物线与红外光源窗口相交形成，红外光源窗口两侧端点分别位于两条抛物线的各自对称轴上，且任一抛物线的焦点位于另一抛物线上。

5、进一步的，u形气室的内壁镀有厚度为50～300nm的金薄膜。

6、进一步的，待测气体由气孔通入u形气室，红外光源发出的红外光进入u形气室，于双抛物柱面结构处经过多次反射后实现光形汇聚并向前传输，由参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口出射、并被参考红外探测器与测量红外探测器对应接收，实现待测气体的浓度检测。

7、进一步的，所述上层基片与下层基片采用硅基晶圆，u形凹槽通过干法腐蚀工艺或湿法腐蚀工艺加工形成，气孔通过深反应离子刻蚀工艺加工形成。

8、进一步的，所述上层基片与下层基片采用铜、铝合金或模具钢，u形凹槽及气孔通过机械加工形成。

9、进一步的，上层基片与下层基片通过键合或粘合方式进行连接。

10、基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

11、本发明提供一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，红外光由平行红外光源或非平行红外光源发出时，从微型气体腔室的红外光源窗口进入气体腔室内部，经过双抛物柱面结构多次反射实现光形集中，在气体腔室内部传播，与从气孔进入气体腔室内部的待测气体进行作用，在双通道红外探测器窗口处被红外探测器接收，实现待测气体的浓度检测。其中，红外光源垂直放置，入射光直接通过红外光源窗口进入u形气体腔室，较平行放置光源光利用率更高；红外光由非平行红外光源发出时，进入在红外光源窗口处的双抛物柱面结构，在双抛物柱面结构处经过多次反射，光束的发散角减小，实现光型集中，使得红外光在气体腔室中传输效率更高；同时，相较于常见的直管式气体腔室，u形气体腔室的空间利用率更高，保证红外光有较长的光程，加之红外光在气体腔室中多次反射的传输路径进一步延长光程，进而显著提高气体传感器的探测灵敏度；并且，u形凹槽面积较大，其上设置气孔并不会导致红外光大量泄漏，同样能够保证红外光的传输效率，提高红外气体传感器的探测灵敏度；另外，气体腔室的上层基片凹槽上开设多个气孔，可提高气体扩散的效率，缩短传感器的响应时间。

技术特征：

1.一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，包括：上层基片(1)与下层基片(2)；其特征在于，所述上层基片与下层基片内部均开设u形凹槽、且两个u形凹槽呈镜像分布，上层基片与下层基片连接后于内部形成u形气室；u形气室一端为红外光源窗口(3)，另一端呈分支状、分别为参考红外探测器窗口(4)与测量红外探测器窗口(5)，红外光源窗口、参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口依次均匀分布于同一侧；所述上层基片的u形凹槽内部均匀分布有气孔(7)；所述红外光源窗口处设置双抛物柱面结构(6)，红外光源垂直设置于红外光源窗口。

2.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，在u形气室的u形截面中，双抛物柱面结构呈对称结构、由两条抛物线与红外光源窗口相切形成，红外光源窗口两侧端点分别位于两条抛物线的各自对称轴上，且任一抛物线的焦点位于另一抛物线上。

3.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，u形气室的内壁镀有厚度为50～300nm的金薄膜。

4.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，所述上层基片与下层基片采用硅基晶圆，u形凹槽通过干法腐蚀工艺或湿法腐蚀工艺加工形成，气孔通过深反应离子刻蚀工艺加工形成。

5.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，所述上层基片与下层基片采用铜、铝合金或模具钢，u形凹槽及气孔通过机械加工形成。

6.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，上层基片与下层基片通过键合或粘合方式进行连接。

7.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，待测气体由气孔通入u形气室，红外光源发出的红外光进入u形气室，于双抛物柱面结构处经过多次反射后实现光形汇聚并向前传输，由参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口出射、并被参考红外探测器与测量红外探测器对应接收，实现待测气体的浓度检测。

技术总结
本发明属于气体传感器领域，提供一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，用以实现微型气室中的双通道探测，适用于平行光源与非平行光源，能够增强光传输效率并实现光程增加，从而提高气体传感器的性能。本发明包括：上层基片1与下层基片2，二者连接后于内部形成U形气室，U形气室一端为红外光源窗口3，另一端呈分支状、分别为参考红外探测器窗口4与测量红外探测器窗口5，且红外光源窗口处设置双抛物柱面结构，红外光源垂直设置于红外光源窗口。本发明通过U形气室以及红外光源窗口处双抛物柱面结构设计，提升红外光利用率及红外光传输效率，延长红外光传输路径，进而显著提高红外气体传感器的探测灵敏度。

技术研发人员：太惠玲,石璟洋,段再华,蒋亚东,李娟,卜一辰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15