一种气体浓度测量的方法和传感器技术

本发明专利技术实施例提供了一种气体浓度测量方法和传感器，所述气体浓度测量传感器包括：气室，用于传输待检测气体；输入直波导，用于将光源发出的光耦合进入环状波导；环状波导，用于将光耦合进入输出波导，所述环状波导的半径根据确定，其中，r是环状波导的半径，λres是对应待检测气体对光的吸收峰的环状波导的透射峰，neff是环状波导的有效折射率，Lring是环状波导的长度，m为正整数；输出波导，用于将光耦合输出。本发明专利技术实施例提供的气体浓度测量传感器使用波导结构，大大减小了气体浓度测量传感器的体积，可以用在集成光学中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体浓度测量
，特别是涉及一种气体浓度测量的方法和传感 器。
技术介绍
在工业中，经常需要对生产或设备使用过程中排放的气体浓度进行检测。如煤矿 工业，经常遭遇瓦斯爆炸，严重威胁矿工的生命安全，这就需要对环境中甲烷气体的浓度进 行测量;电力运行过程中，变压器的性能直接关系到电力系统的可靠性，由于变压器在工作 过程中会产生多种气体，如一氧化碳、二氧化碳和烃类等气体，这些气体的构成和含量是变 压器内部故障类别和故障严重程度的判断标志，因此，也需要对这些气体的浓度进行测量。 大多数的双原子分子以及多原子分子气体在红外区有自己特有的吸收谱，当红外 光通过气体时，对应气体吸收峰波长的光会被吸收，输出光的强度就会变小。由于对应气体 吸收峰波长的光的强度与气体的浓度存在一定关系，因此，可以通过测量对应待检测气体 吸收峰波长的光的强度变化来测量气体的浓度。 但是目前使用这种方法的传感器大多数都是光纤或者开放路径的腔形结构，体积 比较大，不适合用在集成光学中。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种气体浓度测量的方法和传感器，可以大大减小 气体浓度测量传感器的体积，便于适用于集成光学中。 为了达到上述目的，本专利技术实施例公开了一种气体浓度测量传感器，包括： 气室，用于传输待检测的气体，所述气室覆盖气体浓度测量传感器中的每条波导， 使待检测气体与波导外所述待检测气体吸收峰对应波长的光的消逝场相互作用； 输入直波导，用于将光源发出的光耦合进入环状波导； 环状波导，用于接收所述输入直波导耦合的光，并将光耦合进入输出波导，所述环 状波导的半径根据确定，其中，r是环状波导的半径， 是对应待检测气体对光的吸收峰的环状波导的透射峰，nrff是环状波导的有效折射率， Lring是环状波导的长度，m为正整数； 输出波导，用于将光親合输出。 可选的，所述输出波导包括:相互连接的输出直波导及条型波导，所述输出直波导 与所述输入直波导平行。可选的，当待检测气体为甲烷气体时，所述环状波导的半径为5 X 104nm-6 X 104nm， 所述条型波导的长度为10cm-16cm〇 可选的，所述输入直波导到所述环状波导的圆心的垂直距离为5.3 X 104nm_6.5 X 104nm，所述环状波导的圆心到所述输出直波导的垂直距离为5.3 X 104nm_6.5 X 104nm。可选的，所述光源发出的光的波长在所述波导可以透过的光的波长范围内。可选的，所述输入直波导、环状波导和输出波导由氮化硅和二氧化硅构成，当待检 测气体为甲烧气体时，氮化娃的宽度为3um-20um，氮化娃的高度为100nm-800nm，氮化娃上 方的二氧化硅的厚度为100nm-400nm〇为了达到上述目的，本专利技术实施例还公开了一种基于气体浓度测量传感器的气体 浓度测量的方法，包括步骤：确定气体浓度测量传感器中输入到输入直波导的光中所述待检测气体的吸收峰 对应的波长的光的强度，并确定气体浓度测量传感器中输出波导输出的光中所述待检测气 体的吸收峰对应的波长的光的强度;其中，所述气体浓度传感器中的气室覆盖气体浓度测 量传感器中的每条波导，使待检测气体与波导外所述待检测气体吸收峰对应波长的光的消 逝场相互作用，该气体浓度测量传感器中包含有环状波导，所述环状波导的半径根据确定，其中，r是环状波导的半径，是对应待检测气 体对光的吸收峰的环状波导的透射峰，nrff是环状波导的有效折射率，Lring是环状波导的长 度，m为正整数； 根据所述输入光的强度、所述输出光的强度及所述气体浓度测量传感器中输出波 导的长度，确定待检测气体的浓度。 可选的，所述根据所述输入光的强度、所述输出光的强度及所述气体浓度测量传 感器中输出波导的长度，确定待检测气体的浓度，包括： 根据I(A) = I〇(A)exp(-enCgasL-abaseL)，确定待检测气体的浓度，其中，C gas是待检 测测气体的浓度，λ为待检测气体的吸收峰对应的波长，Ιο(λ)为所述输入的光中所述待检 测气体的吸收峰对应的波长的光的强度，Ι(λ)为所述输出的光中所述待检测气体的吸收峰 对应的波长的光的强度，L为气体浓度测量传感器输出波导中条型波导的长度，τι为所述待 检测气体吸收峰对应波长的光的消逝场比例因子，a base为气体浓度测量传感器中的波导损 耗，ε为待检测气体对所述待检测气体的吸收峰对应的波长的光的吸收系数。 可选的，确定所述待检测气体吸收峰对应波长的光的消逝场比例因子，包括： 根据气体浓度测量传感器中氮化硅的高度和宽度，分别与所述待检测气体吸收峰 对应波长的光的消逝场比例因子之间的关系，确定所述待检测气体吸收峰对应波长的光的 消逝场比例因子。 可选的，所述输入直波导、环状波导和输出波导由氮化硅和二氧化硅构成，当待检 测气体为甲烧气体时，氮化娃的宽度为3um-20um，氮化娃的高度为100nm-800nm，氮化娃上 方的二氧化硅的厚度为100nm-400nm〇 本专利技术实施例提供了一种气体浓度测量方法和传感器，所述气体浓度测量传感器 包括:气室，用于传输待检测气体;输入直波导将光源发出的光耦合进入环状波导;环状波 导，用于接收所述输入直波导耦合的光，并将光耦合进入输出波导，所述环状波导的半径根 据确定，其中，r是环状波导的半径，是对应待检测 气体对光的吸收峰的环状波导的透射峰，nrff是环状波导的有效折射率，Lring是环状波导的 长度，m为正整数;输出波导，用于将光耦合输出。本专利技术实施例提供的气体浓度测量传感器 使用波导结构，大大减小了气体浓度测量传感器的体积，可以用在集成光学中。【附图说明】 为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。 图1为本专利技术实施例提供的一种气体浓度测量传感器的封装结构示意图； 图2为本专利技术实施例提供的一种气体浓度测量传感器中波导结构及光的传播路径 示意图； 图3为本专利技术实施例提供的当待检测气体为甲烷气体时，气体浓度测量传感器中 条型波导的长度与气体浓度测量传感器的灵敏度及分辨率之间的关系曲线图； 图4为本专利技术实施例提供的一种气体浓度测量传感器中波导的横截面示意图； 图5为本专利技术实施例提供的一种气体浓度测量方法的流程示意图； 图6为本专利技术实施例提供的当待检测气体为甲烷气体时，气体浓度测量传感器中 氮化硅的高度和宽度，分别与待检测气体吸收峰对应波长的光的消逝场比例因子之间的关 系曲线图。【具体实施方式】下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面通过具体实施例，对专利技术进行详细说明。 本专利技术实施例提供了一种气体浓度测量传感器，包括： 气室，用于传输待检测的气体，所述气室覆盖气体浓度测量传感器中的每条波导， 使待检测气体与波导中的光相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体浓度测量传感器，其特征在于，所述气体浓度测量传感器包括多个硅基器件，包括：气室，用于传输待检测的气体，所述气室覆盖气体浓度测量传感器中的每条波导，使待检测气体与波导外所述待检测气体吸收峰对应波长的光的消逝场相互作用；输入直波导，用于将光源发出的光耦合进入环状波导；环状波导，用于接收所述输入直波导耦合的光，并将光耦合进入输出波导，所述环状波导的半径根据确定，其中，r是环状波导的半径，λres是对应待检测气体对光的吸收峰的环状波导的透射峰，neff是环状波导的有效折射率，Lring是环状波导的长度，m为正整数；输出波导，用于将光耦合输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱吉芳，乔莹莹，伍剑，田野，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11