专利名称：改进的ndir气体检测器的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及气体检测设备领域，具体来说涉及NDIR气体分析器。
使用非扩散型红外(NDIR)气体分析器可以探测各种气体的存在和浓度。NDIR技术很早就被认为是气体测量的最佳方法之一。NDIR气体分析器除了有很强的专用性以外，还是非常灵敏、稳定、和易于维护使用的。
和按定义定为非相互作用型的NDIR气体检测器相比，相互作用型光学气体检测器就不那么可靠，一般不是专用的，并且在某些情况下有可能被抑制成无效状态。
相互作用型气体传感器一般来说不是专用的，这是因为用来确定期望气体浓度的试剂有可能与存在的其它气体发生反应。这当然要导致虚假的读数。此外，如果非专用气体和试剂之间的反应达到平衡态、使得所监视的环境中微量气体的分压力即使下降以后气体和试剂也能继续进行反应，那么，这种检测器将不再能正常工作，功能被抑制。
NDIR气体检测器的响应时间一般来说短于相互作用型气体检测器的响应时间。其理由是，样品气体和试剂之间的反应的动力学关系控制着检测器怎样快速地探测所监视的环境中气体浓度变化。
姑且不论相互反应型气体检测器是否不可靠以及NDIR气体测量技术是否是最好的技术之一，NDIR气体分析器的应用范围不广，原因是它们的复杂性和实施的高成本。
过去，NDIR气体分析器一般包括一个红外源、一个对源进行调制的电机驱动的机械式斩光器、推、抽气体穿过样品室的一个泵、一个窄带通干涉滤光片、一个灵敏的红外探测器、以及把红外源的红外能量聚焦到探测器上的昂贵的红外光学元件和窗口。
为了降低成本并简化NDIR技术的实施过程，开发了一种低成本NDIR气体传感器技术。低成本NDIR技术使用了1992年11月17日授予本申请的发明人的美国专利No.5,163,332中公开的那种类型的扩散型气体样品室，在这参考引用了该专利。在这种扩散型气体样品室中不再需要昂贵的光学元件、机械式斩光器、以及推、抽气体进入样品室的泵。从而开拓了以前由于成本和复杂性的原因被认为是不切实际的许许多多的NDIR技术应用领域。
美国专利No.5,163,332公开的扩散型气体样品室使用了一个细长的中空管，该中空管有一个面向内的镜面反射表面，使该管能起光导的作用，把红外源的辐射通过样品气体传送到探测器。在非多孔的中空管的壁上的多个滤孔允许样品气体在周围环境的压力下自由进、出。通过使用横跨中孔管中的孔的半透膜可把尺寸大于0.1微米的烟、尘的颗粒挡在样品室之外，并且通过把样品室电加热到高于气体的露点的温度来防止样品气体的凝结。
虽然低成本NDIR气体传感器技术开发了许许多多新的应用领域，该气体样品室和低成本NDIR技术的相应气体检测器对于许多潜在的气体检测器应用来说还是显得太大。因此，可以使用低成本NDIR气体检测器的应用场合依旧受到限制。此外，虽然使用美国专利No.5,163,332的气体样品室的气体检测器的成本低于早先的要求有昂贵的光学元件、泵、和斩光器的NDIR气体检测器的成本，进一步降低NDIR气体检测器的成本，将会进一步增多使用这种检测器的应用场合的数目，并且还会提高它们的使用频度。
因此，尽管需要紧凑小型的廉价NDIR气体检测器，但这个需要已经落空。因此，本发明的目的是通过提供一种微型的、可靠的、低成本的NDIR气体检测器进一步把NDIR技术推向前进。
本发明涉及用于探测预定气体浓度的NDIR气体检测器。为此，要提供一个光波导，在光波导的一端有一光源，在光波导的另一端有一光探测器。把带通滤光片插在光源和探测器之间的光路中，因此探测器主要接受由要确定浓度的气体强烈吸收的波长的辐射。波导是由两个或多个半导体材料基片形成的，其中至少有一个基片是通过显微机加工制成的。此外，在用来形成光波导的至少一个半导体基片上直接加工出光源和探测器。在光源和探测器之间还要按光的走向设置一对窗口，以便在它们之间能够确定光波导内的一个样品室。这些窗口将光源和光探测器与样品气体热隔离，从而可防止样品气体冷却这些元件。要确定浓度的气体通过半导体基片中的孔或槽扩散进、出光波导中的样品室。
因为光波导的壁是反射性的，所以从光源通过样品气体向光探测器传送辐射不需要昂贵的光学元件。此外，因为本发明的气体检测器利用了扩散型气体样品室，所以不需要用泵来推、抽样品气体进、出样品室。
在一个优选实施例中，在多个孔上设置一个透气的电介质层，用作过滤器并可防止烟、尘颗粒进入光波导的样品室。该透气膜最好可防止大于约0.1μm的颗粒进入。
在另一个优选实施例中，对至少一部分光波导进行金属化，借此改进它的内部反射率和本发明的NDIR气体检测器的总效率。
按本发明的另一个优选方面，提供一种能防止气体或蒸汽在样品室壁上凝结的NDIR气体检测器。为实现这一目的，要提供用于加热气体样品室的装置，使样品室的温度保持在趋于凝结在样品室内表面上的任何气体或蒸汽的露点温度以上。
一旦需要进一步提高本发明的NDIR气体检测器的性能，还可以附加其它的集成电路半导体器件。例如，可附加温度传感器、压力传感器、和湿度传感器、此外，还可附加一个微流传感器，以探测通过样品室的样品气体的流速。
在本发明的一个特别优选的实施例中，提供一种可用于同时确定样品室中多种气体的浓度的NDIR气体检测器。按照这个实施例的NDIR气体检测器由多个探测器和多个带通滤光片组成。每个带通滤光片都插在光源和多个探测器之一之间的光路中。期望确定浓度的气体数目规定了所需的探测器和带通滤光片的特定数目。因此，要对每一个带通滤光片进行设计，使与该带通滤光片相关的探测器主要接受由要确定浓度的气体强烈吸收的波长的辐射。
另一方面，在这个实施例中，至少有一个探测器可用作基准探测器。在此情况下，必须对插在光源和该基准探测器之间的光路中的带通滤光片进行设计，以使该滤光片可通过一个适中的波长。换言之，该带通滤光片必须能通过不被气体样品吸收的光波长。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种从半导体材料显微机加工出来的微型NDIR气体检测器。
从下述结合附图的描述中将会更好地理解本发明的其它目的和优点，附图中借助于实例说明了本发明的优选实施例。显然可以看出，附图只是为了进行说明和描述，而不是意欲确定本发明的限制。
图1是按本发明的NDIR气体检测器的一个斜视立体图；图2是一个斜视立体图，其中部分地切开了按本发明的NDIR气体检测器；图3是沿图1中的线3-3取的纵向剖面图；图4是一个简化的光路图，表示辐射射线通过气体样品室的路径；图5表示用于按本发明的一个NDIR气体检测器的一个黑体光源；图6是使用按本发明的气体检测器的一个系统的示意图；图7是用于制造按第二实施例的一个气体检测器的下基片的平面图；图8是用于制造按第三实施例的一个气体检测器的下基片的平面图；以及图9是用于制造按第四实施例的一个气体检测器的下基片的平面图。
现在结合图1-3描述本发明的第一实施例。如图1-3所示，按本发明的NDIR气体检测器28包括一个光波导30。光波导30由源室32、样品室34、和探测器室36组成。通过插在源和探测器间的光路中的窗口38和39把源室32及探测器室36同样品室34隔开。
上基片42和下基片44是利用众所周知的技术从半导体材料显微机加工出来的，因此当把上基片42固定到下基片44上时就可形成光波导30。最好使用标准模具固定方法来固定基片42和44。
对于基片42和44，可以使用任何半导体材料，其中包括Si和GaAs。Si是优选的半导体材料。
可以用作本发明的基片的其它半导体材料包括二、三和四元的II-VI及III-V半导体材料。此外还可使用由硅上外延生长的锗组成的物质。
上基片42和下基片44可由不同的半导体材料制造。
已在下基片44上经显微机加工制出的窗口38和39把光波导30分成源室32、样品室34、和探测器室36。窗口38和39使源和探测器与待分析样品热隔离，使气体样品不会把探测器或源冷却，否则会产生错误读数，或者至少降低灵敏度。对窗口的厚度进行选择，以便既能实现热隔离同时又能使窗口至少对期望的波长的光是透明的。这就是说，要对窗口的厚度进行选择，使其至少能透过一部分期望波长的光，这个期望的波长是由要测浓度的气体规定的。结果，窗口38和39的典型厚度范围约为0.1mm-1mm。
源室32包含辐射源40。在本实施例中，源40是个黑体；因此，源40产生全波长辐射。来自源室32的辐射穿过窗口38进入样品室34。样品室34包含要分析特定气体组分浓度的气体样品。进入样品室34的辐射穿过气体样品；辐射随后穿过窗口39进入探测器室36，并在穿过带通滤光片52之后落在探测器50上。
图4是表示源40发出的射线46的光路的简化光路图。如图所示，射线46在沿光波导30的长度方向前进并在最终落到探测器50上的过程中要被反射多次。
回头再来参看图1-3，带通滤光片52最好是一个窄的带通干涉滤光片。使用滤光片52的目的是从黑体源40产生的光中除去额外的辐射波长部分，使探测器50主要接受由要确定浓度的气体强烈吸收的波长的辐射。
在本实施例中，带通滤光片52是设在探测器50顶部的一个薄膜干涉滤光片，插在源40和探测器50间的光路中。在本领域中产生这样的滤光片的方法是众所周知的。在“The InfraredHandbok”§§7.7-7.14(W.Wolfe&.G.Zissis Rev.ed.3rdprinting1989)中详细介绍了干涉带通滤光片的理论和物理过程，这里对此进行参照引用。
这种带通滤光片的特定特征简单地取决于待分析的气体吸收的辐射的波长。例如，对于CO2来说，中心波长(CWL)约为4.26μm、最大值一半处的全宽度(FWHM)约为0.1μm的带通滤光片是适宜的。
如上所述，本实施例中的辐射源40是个黑体。图5表示黑体光源的一种可能的结构。黑体源40由设在支架68上的薄膜电阻加热元件66构成。薄膜电阻器66可由铂或其它适宜的金属制成。支架68是使用公知的显微机加工技术制造出来的。在K.Petersen的“Silicon as aMechanical Material(Proceedings of the IEEE，第70卷第5期，1982年5月，pp420-457)中对这些技术进行了讨论，这里对此作了参照引用。
把加热元件66放在支架68上，使其能和基片44热隔离。加热元件66的热隔离很重要，只有这样才能保持黑体源40的响应时间很小并且整个基片不被加热。此外，支架68还能防止加热元件66产生的热量过快地传到基片44。
探测器50可以是任何一种能对从源发出的到达探测器的辐射强度的相应变化产生不同电响应的器件。在测量红外辐射时，可以使用下述探测器中的任何一种热电堆、热电偶、铂硅化物肖特基光电二极管、和辐射热测量器。热电堆是探测红外辐射的更为优选的探测器。
在本实施例中，还可使用1993年11月30日颁布的美国专利No.5，265,470中公开的最新的显微机加工的电子隧道红外探测器来探测红外辐射，这里参考引用了该专利。
样品室34是一种扩散型气体样品室。因此，只通过扩散就能提供含在样品室34中的气体样品，根本不需要泵把气体样品压入或抽出气体样品室34。为使气体样品扩散进、出样品室34，样品室34至少包括一个滤孔，滤孔54就是其中典型的一个。滤孔可以有各种各样的尺寸和形状。但它最好能阻止灰尘和烟雾的颗粒进入样品室34。为此，在本实施例中，用一个透气层56(用作过滤器)覆盖滤孔54。透气层56最好能挡住尺寸大于约0.1μm的颗粒。
透光层56可以是一个通过蒸发或溅射淀积的电介质层。氧化硅、氮化硅、TEFLON、以及KAPTON是适于此项目的电介质，电介质层最好是氧化硅或氮化硅。
为实现尺寸小于0.1μm的颗粒的高扩散速率，应使透气层56十分地薄，一般为几千埃。因此，具有大量的较小孔比有几个较大孔更好些。
在本实施例中，上、下基片都包括可让气体扩散进、出样品室的孔54。因为在上基片42和下基片44上都有孔54，所以气体样品流入、流出样品室34更加容易，特别是在检测器28置入流动中的气流中的条件下就还要容易些。当然，这些孔可以只含在上基片42上或只含在下基片44上。
在上基片42中的狭窄部分57以及在下基片44中的狭窄部分59既使基片42和44具有较厚的横断面，同时又能减少为了在光波导30的壁60和62上形成孔54必须蚀刻掉的半导体材料的数量。这样作提高了检测器28的总体结构的整体性，同时又不增加在基片上蚀刻孔54的难度。但狭窄部分57和59并非是必要的。可以使用较薄的半导体材料块来产生基片42和44，不会增加在波导壁60和62上蚀刻孔以形成孔54的困难。
为便于制造，样品室34的横断面最好是正方形或长方形。但也可使用其它形状。例如，在波导30中的样品室34的形状可以是圆形或三角形。类似地，源室32和探测器室36不限于优选实施例的形状。
如果使用硅作为基片42和44的半导体材料，那么从光波导的壁反射的光只有1/2左右，这是因为硅的反射率只有约50％的缘故。因此，通过金属化至少一部分光波导30的面向内的壁，就可能改进按本发明的NDIR探测器的效率。当然，窗口38和39是不应该以这种方式金属化的，否则将阻止探测器50接收由正在测量浓度的气体强烈吸收的波长的光。这自然和设置波导的目的背道而驰。因此在本实施例中，只对样品室的侧壁58，上壁60、下壁62进行金属化。而在源和探测器室中，只对侧壁64和上壁66金属化。
为了增大光波导30的面向内的壁的反射率，可以使用各种不同的金属化过程，包括Al、Au、Cr、Ni和Pt。这些金属中的每一种都很容易使用本领域中公知的蒸汽淀积技术淀积在波导30的面向内的壁的表面上。
为了保证充分发挥金属化的优点，金属化层的厚度必须大于在用于测量期望气体浓度的波长处所选特定金属的表层深度。如果金属化层厚度不够大，那么电场将穿透金属化层并与Si基片相互作用；从而降低了反射的光量。
在本实施例中，申请人已经介绍了上基片42和下基片44构成气体检测器28的使用情况。然而，就检测器28由单个基片显微机加工的情况而论，最终得到的气体检测器还将落入本发明的范围之内。
在例如图6示意表示的系统中可以使用NDIR气体检测器28。图6中的点划线28代表图1-3中较详细地表示出来的NDIR气体检测器28。
操作中，源驱动器76通过包括导线70的电路向源40提供电流，从而激励源40。如在本领域中众所周知的，源驱动器76以设定的频率并按脉冲形式向源40提供功率的调制源40，从而可实现同步探测。典型的情况是，源驱动器76提供能量脉冲的频率为1Hz、2Hz、或3Hz。
在源40的辐射抵达探测器50以后，探测器50就要产生一个代表落在探测器50上的辐射强度的电信号。这个电信号反比于要探测的气体数量。例如，若探测CO2，则在样品室34中存在的CO2越多，该红外光谱对该探测器50的冲击越弱。把探测器50产生的电信号加到电子电路78，电路78把该电信号转换成可代表待测气体浓度的信号。可把信号处理电路78的信号输出80加到测量仪表、报警器、处理控制装置、或本领域公知的类似设备上。
源驱动器76和信号处理电路78通过线82进行电通信，以协调整个系统并实现同步探测。信号处理一般来说非常简单易行，并且在许多文献中已给出了具体的教导，例如这里参照引用的美国专利No.4,578,762以及这里参照引用的另一个美国专利No.4,694,173。
实践中，把实现本发明的器件放入钟形罩内并注入氮气，借此可校准该器件。当钟形罩中已用氮气彻底清除时，建立检测器的零状态。在此之后，把要通过检测器测量浓度的气体加入在已知浓度的气流中的钟形罩内。例如，如果CO2是该期望的气体，那么就要在钟形罩内加入CO2浓度为5％的气体，直到钟形罩内气体浓度稳定为止。然后调节信号处理电路78，直到从检测器28获得5％读数为止。使用不同浓度CO2的气体重复这一过程，直到在浓度的期望范围校准好NDIR气体检测器28时为止。
在本实施例中，在同一基片上制造出源40和探测器50这两者。但对本领域普通技术人员显而易见的是，还可以在不同的基片上分开制造出源40和探测器50。但是，若在同一基片44上制造出源40和探测器50，将使NDIR气体检测器28的制造过程简化。
图7表示本发明的第二实施例的下基片44的平面图。如图7所示，如果在同一个基片44上制造出源40和探测器50这两者，那么也可以使用标准的IC制造技术在基片44上的源和探测器的附近制造出源驱动器76和信号处理电路78。第二实施例中的基片44在所有其它方面都和图1-3所示的第一实施例的基片44相同。
但图7中没有表示出上基片42，它也与图1-3所示的上基片42完全相同。
借助于覆盖滤孔54的透气层56的自由扩散作用，使气体样品室34总是充满气体。结果，存在着这种可能性如果周围温度充分下降，样品室中的水蒸汽或某种其它气体将要凝结成液态并以很小的微滴的形式凝聚在气体样品室34的内壁上。这可能会干扰波导30工作所需要的内部反射率，并导致错误结果。
为避免这种情况发生，并因此提高辐射的发射的效率和可重复性，可以使用图8所示的特殊优选的下基片44来制造按第三实施例的一种NDIR气体检测器28。和前一个实施例一样，图中没有表示出上基片42。但，该上基片42还是和图1-3所示的上基片42一样，因此当把这个上基片42固定到下基片44上时，就形成NDIR气体检测器28。
如图8所示，把一个薄膜电阻型加热器86加到每个凸台88的顶部。通过显微机加工在基片44内形成凸台88，凸台88形成光波导30的侧壁。薄膜电阻温度探测器(RTD)90测量样品室34的侧壁58的温度。加热器86和薄膜RTD90都连接到温度控制电路92，控制电路92的作用是按公知方式操作以维持样品室处在设定温度的闭路控制器。
正如源驱动器76和信号处理电路78一样，也可以使用标准的IC制造技术在基片44上制造温度控制电路92。
因为本发明的气体检测器是由半导体材料(如，硅)制造出来的，所以不管是否需要进一步提高本发明的NDIR气体检测器28的性能，都可附加其它半导体集成电路器件。例如，可附加温度传感器、压力传感器、和湿度传感器，以便实现本领域中公知的任何信号补偿方案。此外，还可附加微流传感器以探测通过样品室的样品气体的流速。
结合图9介绍本发明的第四实施例。当期望有探测多种气体的能力时，或者当期望有一基准探测器时，这一实施例是优选的。
按照该实施例，设有一个下基片44。下基片44可以具有任何一个前述的实施例的基本特征。然而，不在基片44上制造单个探测器50和带通滤光片52，而是在基片44上制造多个探测器50和带通滤光片52，使得固定上基片42时(在图9中省去了该上基片42)多个探测器50和多个带通滤光片52全都在探测器室36之内。
每个带通滤光片52都插在光源40和多个探测器50之一之间的光路中。期望确定浓度的气体的数目规定了需要的探测器50和带通滤光片52的特定数目。
对每一个带通滤光片52进行设计，使与该滤光片相关的探测器50主要接受由特定探测器50要确定浓度的气体强烈吸收的波长的辐射。因此，可以使用所示的基片44形成可同时确定多种气体浓度的NDIR气体检测器。
当然，在该实施例中，可将源驱动器76和信号处理电路78设在基片44上。类似地，如果期望，还可把图8所示的加热器86、RTD90、和温度控制电路92设在基片44上。
另一方面，在该实施例中，如果期望，还可使用图9中基片44上所示的探测器50之一作为基准探测器。基准探测器给信号处理电路78提供一个基准输出信号，该基准输出信号用于和正使用探测器测量期望气体的浓度的探测器输出信号进行比较。结果，因为补偿了源40的光强度的变化，所以可以改善检测器对于时间的固有稳定性。
如果把探测器50之一用作基准探测器，则必须对与该探测器有关的那个带通滤光片52进行设计，使该探测器主要接受一个适中波长的辐射。换句话说，该带通滤光片52必须主要能通过不被样品室34中的气体样品吸收的辐射，并且能滤除其它的外部辐射波长。
如果探测器室36中的探测器多于两个，那么就可以使用其中的数目多于一个的探测器作基准探测器。所以，若在探测器室36中有3个探测器50，就可以使用其中的两个探测器作基准探测器，用于每个基准探测器的带通滤光片52能通过不同的适中波长。在这种情况下使用第三探测器来确定期望气体的浓度。
因此，如本领域普通技术人员公知的那样，按本发明的NDIR气体检测器28的适应性是极强的。可用它测量多种不同气体的浓度，或者可用它测量一种或多种气体的浓度，与此同时可使用至少一个基准探测器来维持该检测器随时间的固有稳定性。
虽然在这些说明性实施例中已使本发明变得清楚明白；但对本领域的普通技术人员显而易见的是，在不脱离这里公开的本发明的原理的条件下，还可以对结构、安排、比例、元件、材料、以及在本发明的实践中所用的部件作出许多修改，这些修改专门适合于特定的环境和操作要求。因此，显然可以看出，借助于实例构成本说明书，它不是对下面要求保护的发明的范围的限制。
权利要求
1.一种改进的NDIR气体检测器，包括a.第一半导体材料基片；b.连接到第一基片的第二半导体材料基片；c.在第一和第二基片之间形成的光波导；d.整体式地形成在基片之一上并定位在光波导的一端的光源；e.整体式地形成在基片之一上并定位在光波导的和光源相对的那端的光探测器；f.插在位于光源和光探测器之间的光路中的带通滤光片；g.一对插在位于光源和光探测器之间的光路中的窗口，可在波导中它们之间确定一个样品室并热隔光源和光探测器；以及h.使气体扩散进、出样品室的装置。
2.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中在同一个基片上制造光源和光探测器。
3.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中第一和第二基片的半导体材料是从Si和GaAs组成的组中选出来的。
4.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中a.光源是一个黑体；b.光探测器是红外探测器；以及c.带通滤光片的中心波长(CWL)约为4.26μm，FWHM约为0.1μm
5.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中至少使一部分光导的壁金属化以改善波导的内部反射率。
6.如权利要求1的NDIR气体检测器，进一步还包括用于加热光波导的壁至高于样品室中的气体的露点的温度的装置。
7.如权利要求1的NDIR气体检测器，进一步还包括检测光波导样品室中的湿度值的装置。
8.如权利要求1的NDIR气体检测器，进一步还包括探测光波导样品室中的压力值的装置。
9.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中光探测器是从以下组中选择出来的一种红外探测器硅化铂肖特基光电二极管、电阻式辐射热测量器、红外隧道检测器、热电偶、和热电堆。
10.如权利要求1的NDIR气体检测器，进一步还包括a.以预先设定的频率激励源的源驱动器；以及b.把探测器产生的电输出转换成代表被测气体浓度的信号的信号处理电路。
11.如权利要求10的NDIR气体检测器，进一步还包括探测光波导样品室内气体流速的一个微流传感器。
12.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中使气体扩散进、出样品室内空间的装置至少包括一个位于样品室壁上的孔。
13.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中使气体扩散进、出样品室的装置包括a.至少位于样品室的一个壁上的多个孔；以及b.覆盖多个孔的一个透气层。
14.如权利要求13的NDIR气体检测器，其中透气层是由从下述组中选出的一种电介质制成的TEFLON、KAPTON、氧化硅、和氮化硅。
15.如权利要求13的NDIR气体检测器，其中透气层阻止大于0.1μm的颗粒进入光波导中的样品室。
16.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中所说一对窗口是从半导体材料基片之一显微机加工出来的。
17.如权利要求1的NDIR气体检测器，其中还包括a.在基片之一上整体式形成的多个光探测器，它们定位在光波导的与光源相对的那一端上；b.多个带通滤光片，其中的每一个带通滤光片都可通过一个不同范围的波长并被插在光源和多个光探测器之一之间。
18.如权利要求17的NDIR气体检测器，其中使用多个探测器中的至少一个探测器作为基准探测器。
19.一种由半导体材料经显微机加工制成的NDIR气体检测器，包括a.一个光波导；b.一个在光波导一端的光源；c.至少一个位于波导的与光源相对的那一端的光探测器；d.一个在波导内形成的扩散型样品室，它插在光源和光探测器之间的光路中，使光源和光探测器与气体样品热隔离；以及e.至少一个插在光源和至少一个光探测器之间的带通滤光片。
20.如权利要求19的NDIR气体检测器，其中在两个或多个半导体材料基片之间形成光波导，这些基片中至少有一个是显微机加工出来的。
21.如权利要求19的NDIR气体检测器，其中光源和至少一个光探测器是在同一个基片上制造的。
22.如权利要求21的NDIR气体检测器，其中光源是一个黑体，至少一个光探测器是从下述组中选出的至少一种探测器硅化铂肖特基光电二极管、电阻式辐射热测量器、红外隧道传感器、热电偶、和热电堆。
23.如权利要求19的NDIR气体检测器，其中，所述气体检测器元件是从下述组中选出的一种半导体产生的Si和GaAs。
24.如权利要求19的NDIR气体检测器，其中对至少一部分光波导的壁进行金属化，以改善波导的内部反射率。
25.如权利要求19的NDIR气体检测器，其中还包括一个薄膜温度传感器，向一温度控制电路输入一个温度信号，以便向薄膜加热源可控地输出加热电流。
26.如权利要求19的NDIR气体检测器，其中气体通过样品室的至少一个壁上的多个孔扩散进、出样品室，通过一个透气层覆盖该多个孔，透气层可防止大于0.1μm的颗粒进入光导中的样品室。
27.一种改进的NDIR气体检测器，包括a.在两个或多个半导体材料基片之间形成的光波导，基片中至少有一个是已由显微机加工制成的，半导体材料是从下述组中选出来的Si和GaAs；b.在基片之一上的波导的一端制出的光源;c.在与光源相对的并且和光源处在同一基片上的光波导的一端制出的至少一个光探测器；d.在波导内形成的一个扩散型气体样品室，它插在光源和光探测器之间的光路中，使光源及光探测器热隔离；以及e.插在光源和至少一个光探测器之间的至少一个带通滤光片。
28.如权利要求27的NDIR气体检测器，其中对至少一部分光波导壁进行金属化，所用金属是从下述组中选出的Al、Au、Cr、Ni和Pt，从而改善了光导的内部反射率。
29.如权利要求27的NDIR气体检测器，其中气体通过至少在样品室一个壁上的多个孔扩散进、出样品室，用一个透气层覆盖这些孔，透气层是从下述组中选出的TETLON、KAPTON、氧化硅、和氮化硅，透气层可防止大于0.1μm的颗粒进入光波导的样品室。
30.一种改进的NDIR气体检测器，包括a.第一硅基片；b.连接到第一硅基片的第二硅基片；c.在第一和第二硅基片间形成的光波导；d.在第一硅基片上整体式形成的并且定位在光波导的一端的黑体光源；e.在第一硅基片上整体式形成的并且定位在光波导的与光源相对的那一端的红外光探测器；f.插在光源和光探测器之间的光路中的带通滤光片；g.插在光源和光探测器之间的光路中的一对透光的硅窗口，以便在它们之间的波导中确定一个样品室并且将光源及光探测器与样品气体热隔离；h.至少在样品室一个壁上的多个孔；i.覆盖多个孔以防止大于0.1μm的颗粒进入样品室的透气层；j.以预先设定的频率激励源的一个源驱动器；以及k.把探测器产生的电输出转换成代表被测气体浓度的信号处理电路。
全文摘要
由诸如Si或GaAs之类的半导体材料使用半导体显微机加工技术制造微型的NDIR气体检测器。NDIR气体检测器(28)包括光波导(30)、在波导一端的光源(32)、在波导的与光源相对的那一端的至少一个光探测器(36)、在波导内形成的并插在光源和光探测器之间的光路中因而使光源及光探测器通过窗口(38、39)与气体样品热隔离的扩散型气体样品室(34)、以及插在光源和每个光探测器之间的独立的带通滤光片(52)。因为NDIR检测器是由半导体材料制造的，所以使用集成电路制造技术就可把源驱动器(76)和信号处理电路(78)直接附加到检测器上。在样品室壁的孔(54)上加上一个透气膜，就可以把颗粒、烟尘挡在样品室之外。
文档编号G01N21/03GK1145115SQ95192405
公开日1997年3月12日 申请日期1995年1月30日 优先权日1994年2月14日
发明者J·Y·黄 申请人:特拉尔系统公司