專利名稱：光學(xué)氣體檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)氣體檢測裝置。
背景技術(shù)：
US2005/0161605A1(對應(yīng)于JP-A-2005-208009)公開了一種作為光學(xué)氣體檢測裝置的非色散型紅外(NDIR)氣體檢測裝置。該NDIR氣體檢測裝置包括用于照射紅外線的紅外光源，和用于檢測所照射紅外線的紅外線傳感器。
該NDIR氣體檢測裝置可以檢測多原子分子，例如CO2、NH3。由于多原子分子所含的原子在紅外波帶內(nèi)以它的固有頻率振蕩，所以多原子分子吸收預(yù)定波帶的紅外線。就是說，多原子分子的吸收帶在紅外波帶內(nèi)。
相反，由于單原子分子的吸收帶在紫外波帶內(nèi)，所以NDIR氣體檢測裝置不能檢測單原子分子，例如O2、H2。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到前述和其它問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種光學(xué)氣體檢測裝置，以檢測吸收帶在紫外波帶內(nèi)的氣體。本發(fā)明的另一個目的是提供一種能檢測單原子分子氣體的光學(xué)氣體檢測裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例，一種用于測量待測的氣體的濃度的光學(xué)氣體檢測裝置，該裝置包括用于照射紫外線的光源；用于檢測所照射的紫外線的檢測元件；和光路，所照射的紫外線通過該光路從光源傳送到檢測元件。待測氣體被引入所述光路，并吸收在一吸收帶內(nèi)的被照射的紫外線部分。所述檢測元件檢測氣體的吸收率，以測量氣體的濃度。
相應(yīng)地，光學(xué)氣體檢測裝置能檢測吸收帶在紫外波帶內(nèi)的氣體。比如，該氣體是單原子分子，如氧或氫。因此，光學(xué)氣體檢測裝置能夠檢測單原子分子。


本發(fā)明的以上和其它目的、方面和優(yōu)點通過以下參照附圖的詳細(xì)說明變得更加明顯。圖中圖1是示例圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光學(xué)氣體檢測裝置的示例；圖2是側(cè)視示意圖，其示出了波長選擇濾波件和檢測元件的布置；圖3A是剖視圖，其示出了含有反射層的殼體的示例，和圖3B是剖視圖，其示出了包含反射層和保護(hù)層的殼體的另一個示例；圖4是模式示例圖，其示出了實施例的光學(xué)氣體檢測裝置的另一個示例；和圖5是模式示例圖，其示出了光學(xué)氣體檢測裝置的再一個示例。
具體實施例方式
光學(xué)氣體檢測裝置100檢測吸收帶在紫外波帶內(nèi)的氣體，其中氣體吸收預(yù)定波長的紫外線。如圖1所示，該裝置100包括用于照射紫外線的光源110、用于檢測照射的紫外線的檢測元件120、波長選擇濾波件130和殼體140。濾波件130置于從光源110照射到檢測元件120的紫外線光路中。殼體140容納光源110、檢測元件120和濾波件130。
從光源110照射的紫外線的波帶包括氣體吸收帶。為了與氣體吸收帶相對應(yīng)，波帶具有寬范圍，例如200-400nm，其對應(yīng)于紫外線和近紫外線。特別地，將受激準(zhǔn)分子燈或汞燈用作光源110。
將光電導(dǎo)元件或光生伏打元件用作檢測元件120。特別地，將由比如GaAs的復(fù)合半導(dǎo)體制成的光電二極管用作檢測元件120。該光電二極管輸出與通過濾波件130的紫外線的強(qiáng)度相應(yīng)的電信號。
當(dāng)光源110照射寬波帶的紫外線，比如，濾波件130選擇性地透射預(yù)定波帶(其與氣體吸收帶相應(yīng))的紫外線。然后，檢測元件120接收透射的紫外線。特別地，將法布里-珀羅(fabry-perot)濾波件用作濾波件130。通過使用法布里-珀羅濾波件，可以自由控制預(yù)定波帶。在法布里-珀羅濾波件中，由Mo、Si或Ge制成的兩個透射濾波件通過氣室彼此面對放置，并且，氣室的大小可以自由改變。因此，法布里-珀羅濾波件是一個可變?yōu)V波件，其中在氣室之間產(chǎn)生了多路反射。比如，如JP-A-2005-215323所示，通過使用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)形成法布里-珀羅濾波件。除了法布里-珀羅濾波件之外，可使用衍射光柵來用作可變?yōu)V波件。
如圖2所示，濾波件130布置在具有小空間的檢測元件120之上，并通過粘合劑150固定到支承部分151上。因而，該裝置100的尺寸能做得更小。支承部分151置于檢測元件120下方的基片111上，以構(gòu)成基片111和濾波件130之間的小空間。濾波件130可以不需要支承部分151而直接布置在檢測元件120的采光面上，并通過粘合劑150固定到檢測元件120上。在這種情況下，裝置100的尺寸可以做得更小。
如果粘合劑150由有機(jī)材料制成，例如聚合材料，因為紫外線劣化有機(jī)材料，所以很難保證長時間連結(jié)的可靠性。相反地，該實施例的粘合劑150由無機(jī)材料制成，例如硅，其具有比有機(jī)材料更好的耐久性能。因此，能夠保證長時間連結(jié)的可靠性。
殼體140被構(gòu)造為具有容置部件140a，其由合成樹脂或金屬制成，例如鋁，并容納光源110、檢測元件120和濾波件130。殼體140限制了從光源110照射到檢測元件120的紫外線光路。即，光路包含于殼體140的內(nèi)空間內(nèi)。殼體140形成為管狀部分。光源110被放置成覆蓋管狀部分的一個開口端，檢測元件120被放置成覆蓋管狀部分的另一開口端。因此，從光源110照射的紫外線通過濾波件130被檢測元件120直接接收，或者從光源110照射的紫外線經(jīng)殼體140反射后通過濾波件130被檢測元件120接收。因為能夠提高光接收率，所以能夠提高檢測元件120的靈敏度。另外，如圖1所示，殼體140包括窗部141，殼體140的內(nèi)空間內(nèi)的氣體與殼體140外部的空氣通過該窗部進(jìn)行連通。
如圖3A所示，為了更加提高靈敏度，將用于反射紫外線的反射層142布置到殼體140內(nèi)的容置部件140a的內(nèi)表面上。因此，由于提高了殼體140的內(nèi)表面的反射率，靈敏度也可以提高。而且，紫外線對殼體140的劣化降低，并且當(dāng)殼體140由合成樹脂制成時降低尤為有效。
反射層142比如由白色材料形成，這是因為白色材料的紫外線反射率優(yōu)于其它有色材料。特別是當(dāng)白色材料由無機(jī)材料制成時，與白色材料由有機(jī)材料制成的情況相比，可以降低反射層142的劣化。比如，白色顏料可以用作白色無機(jī)材料，例如ZnO、TiO2、或鋅鋇白。
另一種選擇，反射層142比如可以由不同于白色材料的金屬材料制成，這是因為金屬表面的紫外線反射率優(yōu)于其它樹脂或陶瓷表面。比如，Ag、Al、Au、Cr、Cu、Ni、Ti或Pt可以用作具有反射紫外線的高性能的金屬材料。由金屬材料制成的薄膜通過噴鍍、化學(xué)氣相沉積(CVD)或電鍍形成于容置部件140a的內(nèi)表面用作反射層142。
如果形成反射層142的材料具有對紫外線的耐久性能，反射層142可暴露于氣體中。另一種選擇，如圖3B所示，保護(hù)層143可形成于殼體140內(nèi)的反射層142上。保護(hù)層143由無機(jī)材料制成，具有比反射層142更高的紫外線透射性能。因此，能夠降低紫外線對反射層142的劣化，并且可限制反射層142從殼體140上分離。就是說，由于反射層142可以保持在殼體140的內(nèi)表面上，所以可以維持反射層142的反射率。而且，由于保護(hù)層143具有高的透射紫外線性能，能夠減少由于保護(hù)層143引起的反射率降低。比如，具有高的透射紫外線性能的MgF2、SiO2、SiN或SiON可用于形成保護(hù)層143。特別地，含氟的石英玻璃可用于形成保護(hù)層143。
如果用于反射紫外線的表面具有較大的表面糙度，就會減少紫外線反射率。特別地，當(dāng)表面糙度超過三倍檢測波長時，紫外線反射率會快速地降低。檢測波長表示將要被檢測的紫外線波長，并對應(yīng)于氣體吸收帶中的波長。因此，將包括反射層142的殼體140的內(nèi)表面的表面糙度控制到等于或小于三倍檢測波長，例如1.2μm。因此，能夠加強(qiáng)紫外線反射率。也就是說，能夠減少紫外線對殼體140的劣化，并且能夠提高檢測元件120的靈敏度。除此之外，當(dāng)殼體140的內(nèi)表面的表面糙度控制到等于或小于檢測波長(0.2μm)時，紫外線反射率能夠得到更大的提高。
如上所述，光學(xué)氣體檢測裝置100包括作為濾波件130的可變法布里-珀羅濾波件。由于可以調(diào)節(jié)從法布里-珀羅濾波件透射的紫外線的波長，如圖1所示，因此多種具有不同吸收帶氣體能夠僅用一套濾波件130和檢測元件120檢測。而且，該裝置100具有參考功能，其用于檢測具有不同于氣體吸收帶的波帶的紫外線。氣體的溫度影響了氣體吸收的紫外線量(強(qiáng)度)，并且光源110的劣化也影響了紫外線的量(強(qiáng)度)?？墒牵瑓⒖脊δ芸梢詼p少這些影響。而且，由于裝置100具有參考功能而不帶有附加部件，因此裝置100的尺寸可以做得更小。
依據(jù)光學(xué)氣體檢測裝置100，可以檢測吸收帶在紫外波帶的氣體。比如由于單原子分子的固有振蕩頻率在紫外波帶內(nèi)，因此可以檢測單原子分子，例如氧或氫等共核雙原子分子。固有振蕩頻率表示單原子分子的吸收帶，其中單原子分子振蕩并吸收紫外線。在該實施例中，裝置100檢測氧氣。由于氧具有200-240nm的吸收帶，大約300nm的波長可用作參考波長。通過比較當(dāng)檢測具有與氧對應(yīng)的波長的紫外線時的電信號輸出和當(dāng)檢測具有參考波長的紫外線時的電信號輸出，來計算氧濃度。也就是說，檢測元件120檢測氣體的吸收率，以測量氣體的濃度。另外，可同時檢測氧和氫。
在該實施例中，濾波件130布置在檢測元件120上方。可是，濾波件130的位置不局限于此。另一種選擇，濾波件130可以置于光路中的任何位置。比如，濾波件130可布置在光源110上。
在該實施例中，將可變的法布里-珀羅濾波件用作濾波件130。另一種選擇，多層濾波件可用作濾波件130。該多層濾波件由具有不同折射率的交替層疊金屬薄膜形成。因此，具有預(yù)定波長的紫外線能夠選擇性地透過濾波件130。因此，如圖4所示，為了檢測多種具有不同吸收帶的氣體，比如可以將波長選擇濾波件131、132和檢測元件121、122包含于裝置100中。每個濾波件131、132和每個檢測元件121、122對應(yīng)于多種氣體中的每一種。而且，在需要參考的情況下，參考濾波件133和參考檢測元件123可以包含于裝置100中，比如如圖4所示。
在該實施例中，為了對應(yīng)于氣體的吸收帶，例如受激準(zhǔn)分子燈或汞燈的光源110照射具有例如200-400nm的寬波帶的紫外線?？墒?，光源110不局限于該示例。另一種選擇，由III族氮化物半導(dǎo)體制成的發(fā)光二極管(LED)或例如ArF激光器、F2激光器或激光器二極管(LD)的激光器，可用作光源110。由于LED和激光器具有窄波帶和高方向性，可以提高檢測元件120的靈敏度。而且，如圖5所示，可以去掉濾波件130。因此，裝置100的尺寸能變小。而且，由于LED和LD是小的發(fā)光元件，裝置100的尺寸能更小。而且，為了檢測具有不同吸收帶的多種氣體，光源110可用于照射具有相應(yīng)吸收帶的紫外線，而且檢測元件120可用于檢測紫外線。而且，當(dāng)需要參考的情況下，參考光源和參考檢測元件可包含于裝置100中。該參考濾波件透射具有不同于要檢測氣體的吸收帶的波帶的紫外線，而且參考檢測元件檢測透過參考濾波件的紫外線。
在該實施例中，光源110被放置成覆蓋管狀部分的一個開口端，檢測元件120被放置成覆蓋管狀部分的另一開口端。另一種選擇，光源110和檢測元件120可以置于管狀部分的同一端。在這種情況下，從光源110照射的紫外線被鏡子反射，并且該反射的紫外線透射到檢測元件120處。
在該實施例中，光源110、檢測元件120和濾波件130置于殼體140中?？墒牵?dāng)檢測元件120檢測來自光源110的照射紫外線時，和當(dāng)檢測元件120通過檢測被引入從光源110到檢測元件120的光路中的氣體的吸收率來測量氣體濃度時，殼體140可以不包含于裝置100中。
這些變化和改變將被認(rèn)為包括由所附的權(quán)利要求來限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測量待測的氣體的濃度的光學(xué)氣體檢測裝置(100)，該光學(xué)氣體檢測裝置(100)包括用于照射紫外線的光源(110)；用于檢測所照射的紫外線的檢測元件(120)；和光路，所照射的紫外線通過該光路從光源(110)傳送到檢測元件(120)，其中待測氣體被引入所述光路，并吸收了在一吸收帶內(nèi)的被照射的紫外線部分，并且所述檢測元件(120)檢測氣體的吸收率，以測量氣體的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(100)，其特征在于該氣體為單原子分子氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置(100)，其特征在于該氣體至少是氧氣和氫氣之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置(100)，還包括波長選擇濾波件(130)，其置于光路中，用于選擇性地透射預(yù)定波帶的紫外線，其中所照射的紫外線具有預(yù)定波帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置(100)，其特征在于所述濾波件(130)布置在檢測元件(120)上，并通過粘合劑(150)固定在檢測元件(120)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置(100)，其特征在于所述粘合劑(150)由無機(jī)材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置(100)，其特征在于濾波件(130)由多層薄膜制成，其中在多層薄膜中層設(shè)有多個金屬薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置(100)，其特征在于該氣體為具有不同吸收帶的多種氣體之一；和一套濾波件(130)和檢測元件(120)為多套濾波件(131、132)和檢測元件(121、122)之一，其中每套濾波件和檢測元件對應(yīng)于每種氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置(100)，還包括用于透射紫外線的參考濾波件(133)，所述紫外線的波帶不同于將要檢測的氣體的吸收帶；和用于檢測透過參考濾波件(133)的紫外線的參考檢測元件(123)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置(100)，其特征在于所述濾波件(130)是可變?yōu)V波件，其中所透射的預(yù)定波帶是可控的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置(100)，還包括殼體(140)，其具有位于其中的光路，其中該氣體被引入殼體(140)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置(100)，還包括位于殼體(140)的內(nèi)表面上的反射層(142)，其中反射層(142)反射所照射的紫外線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置(100)，其特征在于所述反射層(142)由白色材料制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置(100)，其特征在于所述反射層(142)由金屬材料制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置(100)，還包括位于所述反射層(142)上的保護(hù)層(143)，其中所述保護(hù)層(143)由無機(jī)材料制成，其具有比反射層(142)更高的透射所照射紫外線的性能。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置(100)，其特征在于該殼體(140)具有帶有一定表面糙度的內(nèi)表面，該表面糙度可控制為等于或小于由檢測元件(120)所檢測的紫外線檢測波長的三倍。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置(100)，其特征在于殼體(140)的內(nèi)表面的表面糙度等于或小于檢測波長。
18.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置(100)，還包括用于支承濾波件(130)的支承部分(151)，其中所述濾波件(130)布置在檢測元件(120)上方，并通過粘合劑(150)固定于支承部分(151)上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置(100)，其特征在于所述粘合劑(150)由無機(jī)材料制成。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置(100)，其特征在于所述殼體(140)具有窗部(141)，其中殼體(140)中的氣體通過該窗部與殼體(140)外部的氣體進(jìn)行連通。
全文摘要
一種用于測量待測的氣體的濃度的光學(xué)氣體檢測裝置(100)包括用于照射紫外線的光源(110)；用于檢測所照射的紫外線的檢測元件(120)；和光路，所照射的紫外線通過該光路從光源(110)傳送到檢測元件(120)。待測氣體被引入所述光路，并吸收在一吸收帶內(nèi)的被照射的紫外線部分。所述檢測元件(120)檢測氣體的吸收率，以測量氣體的濃度。
文檔編號G01N21/61GK101029865SQ20071000519
公開日2007年9月5日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者吉田貴彥 申請人:株式會社電裝