微型红外光声气体传感器的研究

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MEMS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LC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MEMS光声腔的设计制作 ---结合数学理论和模拟结果，设计了一种MEMS一维谐振式光声腔； ---利用微机械加工技术，制作了MEMS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MEMS化的非谐振式光声传感器系统； ---作为全MEMS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一个最优点，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，5000ppm的COe气体得到的响应信号为0．07~，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测量的优点，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C02、SO2气体进行了检测，对C02气体的探测灵敏度为0．0146mV／ppm，探测到的最小浓度为lOOppm。对S02气体，该系统的检测灵敏度较高，达到2．5mV／ppm，并能探测到浓度为0．38ppm的S02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MEMS光声传感器的研究打下了较好的基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章气体光声探测系统理论

第三章光声气体传感器系统理论模拟研究

第四章非谐振式光声气体传感器的研究

第五章结论与展望

参考文献

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