一種氣體濃度測量的方法和傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體濃度測量技術領域，特別是涉及一種氣體濃度測量的方法和傳感 器。
【背景技術】
[0002] 在工業(yè)中，經(jīng)常需要對生產(chǎn)或設備使用過程中排放的氣體濃度進行檢測。如煤礦 工業(yè)，經(jīng)常遭遇瓦斯爆炸，嚴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 行測量;電力運行過程中，變壓器的性能直接關系到電力系統(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，這些氣體的構成和含量是變 壓器內(nèi)部故障類別和故障嚴重程度的判斷標志，因此，也需要對這些氣體的濃度進行測量。
[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，當紅外 光通過氣體時，對應氣體吸收峰波長的光會被吸收，輸出光的強度就會變小。由于對應氣體 吸收峰波長的光的強度與氣體的濃度存在一定關系，因此，可以通過測量對應待檢測氣體 吸收峰波長的光的強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，體積 比較大，不適合用在集成光學中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實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中。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明實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， 使待檢測氣體與波導外所述待檢測氣體吸收峰對應波長的光的消逝場相互作用；
[0008] 輸入直波導，用于將光源發(fā)出的光耦合進入環(huán)狀波導；
[0009] 環(huán)狀波導，用于接收所述輸入直波導耦合的光，并將光耦合進入輸出波導，所述環(huán) 狀波導的半徑根據(jù)
確定，其中，r是環(huán)狀波導的半徑， 是對應待檢測氣體對光的吸收峰的環(huán)狀波導的透射峰，nrff是環(huán)狀波導的有效折射率， Lring是環(huán)狀波導的長度，m為正整數(shù)；
[0010] 輸出波導，用于將光親合輸出。
[0011] 可選的，所述輸出波導包括:相互連接的輸出直波導及條型波導，所述輸出直波導 與所述輸入直波導平行。
[0012]可選的，當待檢測氣體為甲烷氣體時，所述環(huán)狀波導的半徑為5 X 104nm-6 X 104nm， 所述條型波導的長度為10cm-16cm〇
[0013] 可選的，所述輸入直波導到所述環(huán)狀波導的圓心的垂直距離為5.3 X 104nm_6.5 X 104nm，所述環(huán)狀波導的圓心到所述輸出直波導的垂直距離為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可以透過的光的波長范圍內(nèi)。
[0015]可選的，所述輸入直波導、環(huán)狀波導和輸出波導由氮化硅和二氧化硅構成，當待檢 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]為了達到上述目的，本發(fā)明實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的光中所述待檢測氣體的吸收峰 對應的波長的光的強度，并確定氣體濃度測量傳感器中輸出波導輸出的光中所述待檢測氣 體的吸收峰對應的波長的光的強度;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，使待檢測氣體與波導外所述待檢測氣體吸收峰對應波長的光的消 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，所述環(huán)狀波導的半徑根據(jù)
確定，其中，r是環(huán)狀波導的半徑，是對應待檢測氣 體對光的吸收峰的環(huán)狀波導的透射峰，nrff是環(huán)狀波導的有效折射率，Lring是環(huán)狀波導的長 度，m為正整數(shù)；
[0018] 根據(jù)所述輸入光的強度、所述輸出光的強度及所述氣體濃度測量傳感器中輸出波 導的長度，確定待檢測氣體的濃度。
[0019] 可選的，所述根據(jù)所述輸入光的強度、所述輸出光的強度及所述氣體濃度測量傳 感器中輸出波導的長度，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的波長的光的強度，Ι(λ)為所述輸出的光中所述待檢測氣體的吸收峰 對應的波長的光的強度，L為氣體濃度測量傳感器輸出波導中條型波導的長度，τι為所述待 檢測氣體吸收峰對應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損 耗，ε為待檢測氣體對所述待檢測氣體的吸收峰對應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 對應波長的光的消逝場比例因子之間的關系，確定所述待檢測氣體吸收峰對應波長的光的 消逝場比例因子。
[0023] 可選的，所述輸入直波導、環(huán)狀波導和輸出波導由氮化硅和二氧化硅構成，當待檢 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;輸入直波導將光源發(fā)出的光耦合進入環(huán)狀波導;環(huán)狀波 導，用于接收所述輸入直波導耦合的光，并將光耦合進入輸出波導，所述環(huán)狀波導的半徑根 據(jù)
確定，其中，r是環(huán)狀波導的半徑，是對應待檢測 氣體對光的吸收峰的環(huán)狀波導的透射峰，nrff是環(huán)狀波導的有效折射率，Lring是環(huán)狀波導的 長度，m為正整數(shù);輸出波導，用于將光耦合輸出。本發(fā)明實施例提供的氣體濃度測量傳感器 使用波導結(jié)構，大大減小了氣體濃度測量傳感器的體積，可以用在集成光學中。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術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)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，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)明實施例提供的一種氣體濃度測量傳感器的封裝結(jié)構示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明實施例提供的一種氣體濃度測量傳感器中波導結(jié)構及光的傳播路徑 示意圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明實施例提供的當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系曲線圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明實施例提供的一種氣體濃度測量傳感器中波導的橫截面示意圖；
[0030] 圖5為本發(fā)明實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)明實施例提供的當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波長的光的消逝場比例因子之間的關 系曲線圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0033]下面通過具體實施例，對發(fā)明進行詳細說明。
[0034] 本發(fā)明實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， 使待檢測氣體與波導中的光相互作用；
[0036] 輸入直波導，用于將光源發(fā)出的光耦合進入環(huán)狀波導；
[0037] 環(huán)狀波導，用于接收所述輸入直波導耦合的光，并將光耦合進入輸出波導，所述環(huán) 狀波導的半徑根?
確定，其中，r是環(huán)狀波導的半徑， 是對應待檢測氣體對光的吸收峰的環(huán)狀波導的透射峰，nrff是環(huán)狀波導的有效折射率， Lring是環(huán)狀波導的長度，m為正整數(shù)；
[0038]輸出波導，用于將光耦合輸出。
[0039]在本發(fā)明實施例中，氣體濃度測量傳感器的封裝結(jié)構如圖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結(jié)構中的每條波 導;波導結(jié)構位于氣室下方，波導結(jié)構包含輸入直波導和輸出波導，及位于二者之間的環(huán)狀 波導，其中輸入直波導及輸出波導的放置方向可以有多種，如波導結(jié)構