一種氣體濃度測量的方法和傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體濃度測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種氣體濃度測量的方法和傳感 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)中，經(jīng)常需要對生產(chǎn)或設(shè)備使用過程中排放的氣體濃度進(jìn)行檢測。如煤礦 工業(yè)，經(jīng)常遭遇瓦斯爆炸，嚴(yán)重威脅礦工的生命安全，這就需要對環(huán)境中甲烷氣體的濃度進(jìn) 行測量;電力運(yùn)行過程中，變壓器的性能直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的可靠性，由于變壓器在工作 過程中會產(chǎn)生多種氣體，如一氧化碳、二氧化碳和烴類等氣體，這些氣體的構(gòu)成和含量是變 壓器內(nèi)部故障類別和故障嚴(yán)重程度的判斷標(biāo)志，因此，也需要對這些氣體的濃度進(jìn)行測量。
[0003] 大多數(shù)的雙原子分子以及多原子分子氣體在紅外區(qū)有自己特有的吸收譜，當(dāng)紅外 光通過氣體時，對應(yīng)氣體吸收峰波長的光會被吸收，輸出光的強(qiáng)度就會變小。由于對應(yīng)氣體 吸收峰波長的光的強(qiáng)度與氣體的濃度存在一定關(guān)系，因此，可以通過測量對應(yīng)待檢測氣體 吸收峰波長的光的強(qiáng)度變化來測量氣體的濃度。
[0004] 但是目前使用這種方法的傳感器大多數(shù)都是光纖或者開放路徑的腔形結(jié)構(gòu)，體積 比較大，不適合用在集成光學(xué)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種氣體濃度測量的方法和傳感器，可以大大減小 氣體濃度測量傳感器的體積，便于適用于集成光學(xué)中。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例公開了一種氣體濃度測量傳感器，包括：
[0007] 氣室，用于傳輸待檢測的氣體，所述氣室覆蓋氣體濃度測量傳感器中的每條波導(dǎo)， 使待檢測氣體與波導(dǎo)外所述待檢測氣體吸收峰對應(yīng)波長的光的消逝場相互作用；
[0008] 輸入直波導(dǎo)，用于將光源發(fā)出的光耦合進(jìn)入環(huán)狀波導(dǎo)；
[0009] 環(huán)狀波導(dǎo)，用于接收所述輸入直波導(dǎo)耦合的光，并將光耦合進(jìn)入輸出波導(dǎo)，所述環(huán) 狀波導(dǎo)的半徑根據(jù)
確定，其中，r是環(huán)狀波導(dǎo)的半徑， 是對應(yīng)待檢測氣體對光的吸收峰的環(huán)狀波導(dǎo)的透射峰，nrff是環(huán)狀波導(dǎo)的有效折射率， Lring是環(huán)狀波導(dǎo)的長度，m為正整數(shù)；
[0010] 輸出波導(dǎo)，用于將光親合輸出。
[0011] 可選的，所述輸出波導(dǎo)包括:相互連接的輸出直波導(dǎo)及條型波導(dǎo)，所述輸出直波導(dǎo) 與所述輸入直波導(dǎo)平行。
[0012]可選的，當(dāng)待檢測氣體為甲烷氣體時，所述環(huán)狀波導(dǎo)的半徑為5 X 104nm-6 X 104nm， 所述條型波導(dǎo)的長度為10cm-16cm〇
[0013] 可選的，所述輸入直波導(dǎo)到所述環(huán)狀波導(dǎo)的圓心的垂直距離為5.3 X 104nm_6.5 X 104nm，所述環(huán)狀波導(dǎo)的圓心到所述輸出直波導(dǎo)的垂直距離為5.3 X 104nm_6.5 X 104nm。
[0014]可選的，所述光源發(fā)出的光的波長在所述波導(dǎo)可以透過的光的波長范圍內(nèi)。
[0015]可選的，所述輸入直波導(dǎo)、環(huán)狀波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)由氮化硅和二氧化硅構(gòu)成，當(dāng)待檢 測氣體為甲燒氣體時，氮化娃的寬度為3um-20um，氮化娃的高度為100nm-800nm，氮化娃上 方的二氧化硅的厚度為100nm-400nm〇
[0016]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例還公開了一種基于氣體濃度測量傳感器的氣體 濃度測量的方法，包括步驟：
[0017]確定氣體濃度測量傳感器中輸入到輸入直波導(dǎo)的光中所述待檢測氣體的吸收峰 對應(yīng)的波長的光的強(qiáng)度，并確定氣體濃度測量傳感器中輸出波導(dǎo)輸出的光中所述待檢測氣 體的吸收峰對應(yīng)的波長的光的強(qiáng)度;其中，所述氣體濃度傳感器中的氣室覆蓋氣體濃度測 量傳感器中的每條波導(dǎo)，使待檢測氣體與波導(dǎo)外所述待檢測氣體吸收峰對應(yīng)波長的光的消 逝場相互作用，該氣體濃度測量傳感器中包含有環(huán)狀波導(dǎo)，所述環(huán)狀波導(dǎo)的半徑根據(jù)
確定，其中，r是環(huán)狀波導(dǎo)的半徑，是對應(yīng)待檢測氣 體對光的吸收峰的環(huán)狀波導(dǎo)的透射峰，nrff是環(huán)狀波導(dǎo)的有效折射率，Lring是環(huán)狀波導(dǎo)的長 度，m為正整數(shù)；
[0018] 根據(jù)所述輸入光的強(qiáng)度、所述輸出光的強(qiáng)度及所述氣體濃度測量傳感器中輸出波 導(dǎo)的長度，確定待檢測氣體的濃度。
[0019] 可選的，所述根據(jù)所述輸入光的強(qiáng)度、所述輸出光的強(qiáng)度及所述氣體濃度測量傳 感器中輸出波導(dǎo)的長度，確定待檢測氣體的濃度，包括：
[0020] 根據(jù)I(A) = I〇(A)exp(-enCgasL-abaseL)，確定待檢測氣體的濃度，其中，C gas是待檢 測測氣體的濃度，λ為待檢測氣體的吸收峰對應(yīng)的波長，Ιο(λ)為所述輸入的光中所述待檢 測氣體的吸收峰對應(yīng)的波長的光的強(qiáng)度，Ι(λ)為所述輸出的光中所述待檢測氣體的吸收峰 對應(yīng)的波長的光的強(qiáng)度，L為氣體濃度測量傳感器輸出波導(dǎo)中條型波導(dǎo)的長度，τι為所述待 檢測氣體吸收峰對應(yīng)波長的光的消逝場比例因子，a base為氣體濃度測量傳感器中的波導(dǎo)損 耗，ε為待檢測氣體對所述待檢測氣體的吸收峰對應(yīng)的波長的光的吸收系數(shù)。
[0021] 可選的，確定所述待檢測氣體吸收峰對應(yīng)波長的光的消逝場比例因子，包括：
[0022] 根據(jù)氣體濃度測量傳感器中氮化硅的高度和寬度，分別與所述待檢測氣體吸收峰 對應(yīng)波長的光的消逝場比例因子之間的關(guān)系，確定所述待檢測氣體吸收峰對應(yīng)波長的光的 消逝場比例因子。
[0023] 可選的，所述輸入直波導(dǎo)、環(huán)狀波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)由氮化硅和二氧化硅構(gòu)成，當(dāng)待檢 測氣體為甲燒氣體時，氮化娃的寬度為3um-20um，氮化娃的高度為100nm-800nm，氮化娃上 方的二氧化硅的厚度為100nm-400nm〇
[0024] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種氣體濃度測量方法和傳感器，所述氣體濃度測量傳感器 包括:氣室，用于傳輸待檢測氣體;輸入直波導(dǎo)將光源發(fā)出的光耦合進(jìn)入環(huán)狀波導(dǎo);環(huán)狀波 導(dǎo)，用于接收所述輸入直波導(dǎo)耦合的光，并將光耦合進(jìn)入輸出波導(dǎo)，所述環(huán)狀波導(dǎo)的半徑根 據(jù)
確定，其中，r是環(huán)狀波導(dǎo)的半徑，是對應(yīng)待檢測 氣體對光的吸收峰的環(huán)狀波導(dǎo)的透射峰，nrff是環(huán)狀波導(dǎo)的有效折射率，Lring是環(huán)狀波導(dǎo)的 長度，m為正整數(shù);輸出波導(dǎo)，用于將光耦合輸出。本發(fā)明實(shí)施例提供的氣體濃度測量傳感器 使用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，大大減小了氣體濃度測量傳感器的體積，可以用在集成光學(xué)中。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0026] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氣體濃度測量傳感器的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氣體濃度測量傳感器中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光的傳播路徑 示意圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的當(dāng)待檢測氣體為甲烷氣體時，氣體濃度測量傳感器中 條型波導(dǎo)的長度與氣體濃度測量傳感器的靈敏度及分辨率之間的關(guān)系曲線圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氣體濃度測量傳感器中波導(dǎo)的橫截面示意圖；
[0030] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氣體濃度測量方法的流程示意圖；
[0031] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的當(dāng)待檢測氣體為甲烷氣體時，氣體濃度測量傳感器中 氮化硅的高度和寬度，分別與待檢測氣體吸收峰對應(yīng)波長的光的消逝場比例因子之間的關(guān) 系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0033]下面通過具體實(shí)施例，對發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種氣體濃度測量傳感器，包括：
[0035] 氣室，用于傳輸待檢測的氣體，所述氣室覆蓋氣體濃度測量傳感器中的每條波導(dǎo)， 使待檢測氣體與波導(dǎo)中的光相互作用；
[0036] 輸入直波導(dǎo)，用于將光源發(fā)出的光耦合進(jìn)入環(huán)狀波導(dǎo)；
[0037] 環(huán)狀波導(dǎo)，用于接收所述輸入直波導(dǎo)耦合的光，并將光耦合進(jìn)入輸出波導(dǎo)，所述環(huán) 狀波導(dǎo)的半徑根?
確定，其中，r是環(huán)狀波導(dǎo)的半徑， 是對應(yīng)待檢測氣體對光的吸收峰的環(huán)狀波導(dǎo)的透射峰，nrff是環(huán)狀波導(dǎo)的有效折射率， Lring是環(huán)狀波導(dǎo)的長度，m為正整數(shù)；
[0038]輸出波導(dǎo)，用于將光耦合輸出。
[0039]在本發(fā)明實(shí)施例中，氣體濃度測量傳感器的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣室包含氣室入 口和氣室出口，用于傳輸待檢測的氣體，同時，氣室要能夠完全覆蓋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的每條波 導(dǎo);波導(dǎo)結(jié)構(gòu)位于氣室下方，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包含輸入直波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，及位于二者之間的環(huán)狀 波導(dǎo)，其中輸入直波導(dǎo)及輸出波導(dǎo)的放置方向可以有多種，如波導(dǎo)結(jié)構(gòu)