高灵敏度小型化红外光声气体传感系统.pdf

84 传感器与微系统 (TransducerandMierosystemTechnologies) 2011年 第30卷 第2期 高灵敏度小型化红外光声气体传感系统 李 俊，纪新明，周 嘉，包宗明，黄宜平 (复旦大学 专用集成 电路及系统国家重点实验室 微 电子学系，上海 200433) 摘 要：研制了一种高灵敏度小型化红外光声气体传感系统。该系统检测灵敏度高，对乙烯气体体积分 数的检测限达到20x10 以下。对光声信号和检测相位之间的关系进行了详细的研究，分析了光声信号 中峰值相位变化的因素。结果表明：在固定相位延迟下利用锁相放大器检测光声信号可以获得比较高的 灵敏度。同时根据对光声信号和相位延迟关系的研究，提出了小型化光声腔设计思路。 关键词：光声传感器；小型化；谐振式 ；相位 中图分类号：TP212．1 文献标识码 ：A 文章编号：1000-9787(2011)02-0084-04 High sensitivityminiatureinfraredphoto—acoustic gassensingsystem LIJun，JIXin-ming，ZHOUJia，BAOZong—ming，HUANGYi—ping (StateKeyLaboratoryofASICandSystem，DepartmentofMicroelectronics，FudanUniversity，Shanghai200433，China) Abstract：Aprototypeofahighlysensitiveminiaturizedinfraredphoto—acoustic(PA)system isdeveloped．The system candetectthevolumefractionofethylenegasbelow20×10 ．RelationshipbetweenthePA signalsand thetestingphaseisfocusedon，thereasonofthephasechangeintestingisanalyzed．Aconclusionisobtainedthat underafixedphasedelayusinglock—inamplifiertodetectPA signalscangetahighsensitivity．Accordingtothe researchonthePA signalandphasedelay．A designofminiatureonPA cellisproposed． Keywords：photo—acoustic(PA)sensor；miniature；resonant；phase 0 引 言 保持水果风味，减少水果腐烂的 目的。 红外检测技术能够迅速响应气体体积分数的变化，有 本文通过对小型化光声腔的研究，为进一步缩小光声 较高的灵敏度和检测精度，对于气体有很好的选择性。在 腔的体积，研制基于微机 电系统 (MEMS)技术的芯片级别 众多红外检测技术中，基于红外光声原理的气体传感系统 的红外光声系统打下了基础。国外近年关于 MEMS化的 因为出色的检测灵敏度和较高的信噪比，以及较低的检测 光声系统已有相关报道 J。 1 基本原理 下限等 ，得到迅速的发展。 利用红外光声法对痕迹量气体进行检测 的历史最早可 气体的光声效应的基本过程：1)气体吸收特定波长的 红外光，使气体分子处于激发态；2)样品气体通过分子间 以追溯到 1971年，KreuzerLB 从理论上分析了利用染料 激光光源和高灵敏度传声器的光声法的检测极限，并且在 碰撞 以热的方式释放吸收的能量