[發明專利]改進的NDIR氣體檢測器

無效

• 申請號: 95192405.2
• 申請日: 1995-01-30
• 公開（公告）號: CN1145115A
• 公開（公告）日: 1997-03-12
• 發明（設計）人: J·Y·黃
• 申請（專利權）人: 特拉爾系統公司
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35;G01N21/03
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 王勇,張志醒

本發明一般來說涉及氣體檢測設備領域，具體來說涉及NDIR氣體分析器。

使用非擴散型紅外(NDIR)氣體分析器可以探測各種氣體的存在和濃度。NDIR技術很早就被認為是氣體測量的最佳方法之一。NDIR氣體分析器除了有很強的專用性以外，還是非常靈敏、穩定、和易于維護使用的。

和按定義定為非相互作用型的NDIR氣體檢測器相比，相互作用型光學氣體檢測器就不那么可靠，一般不是專用的，并且在某些情況下有可能被抑制成無效狀態。

相互作用型氣體傳感器一般來說不是專用的，這是因為用來確定期望氣體濃度的試劑有可能與存在的其它氣體發生反應。這當然要導致虛假的讀數。此外，如果非專用氣體和試劑之間的反應達到平衡態、使得所監視的環境中微量氣體的分壓力即使下降以后氣體和試劑也能繼續進行反應，那么，這種檢測器將不再能正常工作，功能被抑制。

NDIR氣體檢測器的響應時間一般來說短于相互作用型氣體檢測器的響應時間。其理由是，樣品氣體和試劑之間的反應的動力學關系控制著檢測器怎樣快速地探測所監視的環境中氣體濃度變化。

姑且不論相互反應型氣體檢測器是否不可靠以及NDIR氣體測量技術是否是最好的技術之一，NDIR氣體分析器的應用范圍不廣，原因是它們的復雜性和實施的高成本。

過去，NDIR氣體分析器一般包括：一個紅外源、一個對源進行調制的電機驅動的機械式斬光器、推、抽氣體穿過樣品室的一個泵、一個窄帶通干涉濾光片、一個靈敏的紅外探測器、以及把紅外源的紅外能量聚焦到探測器上的昂貴的紅外光學元件和窗口。

為了降低成本并簡化NDIR技術的實施過程，開發了一種低成本NDIR氣體傳感器技術。低成本NDIR技術使用了1992年11月17日授予本申請的發明人的美國專利No.5,163,332中公開的那種類型的擴散型氣體樣品室，在這參考引用了該專利。在這種擴散型氣體樣品室中不再需要：昂貴的光學元件、機械式斬光器、以及推、抽氣體進入樣品室的泵。從而開拓了以前由于成本和復雜性的原因被認為是不切實際的許許多多的NDIR技術應用領域。

美國專利No.5,163,332公開的擴散型氣體樣品室使用了一個細長的中空管，該中空管有一個面向內的鏡面反射表面，使該管能起光導的作用，把紅外源的輻射通過樣品氣體傳送到探測器。在非多孔的中空管的壁上的多個濾孔允許樣品氣體在周圍環境的壓力下自由進、出。通過使用橫跨中孔管中的孔的半透膜可把尺寸大于0.1微米的煙、塵的顆粒擋在樣品室之外，并且通過把樣品室電加熱到高于氣體的露點的溫度來防止樣品氣體的凝結。

雖然低成本NDIR氣體傳感器技術開發了許許多多新的應用領域，該氣體樣品室和低成本NDIR技術的相應氣體檢測器對于許多潛在的氣體檢測器應用來說還是顯得太大。因此，可以使用低成本NDIR氣體檢測器的應用場合依舊受到限制。此外，雖然使用美國專利No.5,163,332的氣體樣品室的氣體檢測器的成本低于早先的要求有昂貴的光學元件、泵、和斬光器的NDIR氣體檢測器的成本，進一步降低NDIR氣體檢測器的成本，將會進一步增多使用這種檢測器的應用場合的數目，并且還會提高它們的使用頻度。

因此，盡管需要緊湊小型的廉價NDIR氣體檢測器，但這個需要已經落空。因此，本發明的目的是通過提供一種微型的、可靠的、低成本的NDIR氣體檢測器進一步把NDIR技術推向前進。

本發明涉及用于探測預定氣體濃度的NDIR氣體檢測器。為此，要提供一個光波導，在光波導的一端有一光源，在光波導的另一端有一光探測器。把帶通濾光片插在光源和探測器之間的光路中，因此探測器主要接受由要確定濃度的氣體強烈吸收的波長的輻射。波導是由兩個或多個半導體材料基片形成的，其中至少有一個基片是通過顯微機加工制成的。此外，在用來形成光波導的至少一個半導體基片上直接加工出光源和探測器。在光源和探測器之間還要按光的走向設置一對窗口，以便在它們之間能夠確定光波導內的一個樣品室。這些窗口將光源和光探測器與樣品氣體熱隔離，從而可防止樣品氣體冷卻這些元件。要確定濃度的氣體通過半導體基片中的孔或槽擴散進、出光波導中的樣品室。

因為光波導的壁是反射性的，所以從光源通過樣品氣體向光探測器傳送輻射不需要昂貴的光學元件。此外，因為本發明的氣體檢測器利用了擴散型氣體樣品室，所以不需要用泵來推、抽樣品氣體進、出樣品室。

在一個優選實施例中，在多個孔上設置一個透氣的電介質層，用作過濾器并可防止煙、塵顆粒進入光波導的樣品室。該透氣膜最好可防止大于約0.1μm的顆粒進入。