基于MEMS的非分光红外低硫传感器研究与设计

魏丽君

(湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

0 引言

气体传感器的研制在我国起步较晚，但气体传感器在环境检测、医疗诊断、火灾预报等领域具有重要的作用[1-2]，因此迫切需求开发高灵敏度、高选择性的气体传感器。

国内的研究主要针对温室气体二氧化碳、瓦斯检测、汽车尾气排放和室内PM2.5等环境检测[3-5]，以安徽光学精密机械研究所刘文清院士团队取得的成绩最为突出，在大气光学和环境光学领域取得了一系列的研究成果[6]。武汉四方光电科技有限公司、中北大学、复旦大学、中科院微电子所等[7-9]科研院所和高校也积极投身高精密的气体传感器研究，采用热导法、机械调制的非分光红外吸收法和电调制的非分光红外吸收法等[10-12]，制备的传感器一般应用于工业级气体检测和预警。

二氧化硫等含硫气体的红外吸收峰在7～10 μm的波段，该波段正好与人体红外的波段重合，属于敏感区域，可用于军事应用[13-14]，因此发达国家对我国实行了长期的技术封锁；特别是低硫的红外检测传感器，检出限在100 mg/L的传感器价格可能高达几千甚至上万美元。因此研究和开发具有自主知识产权的红外低硫集成传感器具有十分重要的战略和应用意义。

该文以煤燃烧的含硫气体检测为研究对象，采用朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律，根据二氧化硫的红外吸收特性，将煤样在高温下充分燃烧，通过红外池对燃烧后的气体进行有效吸收，从而实现对硫元素的检测；采用MEMS技术，集成设计精密的红外气室、高精密的恒温室、微弱信号处理电路以及补偿电路，完成了一款高精密的非分光红外低硫集成传感器的研制。

1 红外吸收法检测机理

朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律图谱如图1所示。每种气体都有特征吸收峰，二氧化硫的吸收峰约在8 μm的波长。

图1 气体红外吸收谱

其具体的吸收关系式为：

(1)

其中：A为吸光度；I0为入射光强；I1为出射光强；K1为被测气体的吸收截面系数，是波长λ的函数；b为光程。

探测器要根据待测气体的吸收峰进行选择。

2 红外池与样气进气装置的设计

红外池是该集成传感器的最核心部分，红外池设计的成功与否直接决定了该传感器的精度。其结构示意图如图2所示。

图2 红外低硫集成传感器红外池

红外光源采用MIRL17-900，其具有超高的稳定性，温漂系数低。红外光源采用电调制方式驱动，根据调制深度和调制频率的关系，当调制频率超过13 Hz以后，调制深度急剧下降，经过精确的测试后，设置其调制频率为10 Hz，为确保调制频率的准确性，采用CPLD进行设置。

探测器采用LME-345，确保满足可探测的范围，实现10 mg/L检出限的检测。

对红外气室的设计是核心设计，因为气室可能存在的漫反射及温漂等原因，造成最终检测结果失败。通过测试，红外气室的光洁度对整个测试系统起着至关重要的作用，因此，气室的设计采用高精度抛光管，为防止氧化，内部采用镀金处理。

在样气进气的设计上，将平面六通阀和定量阀采用长管连接，有利于气体的混合均匀；此外可确保每次检测的样气体积一致性，检测结果更加准确。

平面六通阀和定量阀气路连接图如图3所示。

图3 平面六通阀和定量阀气路连接图

3 恒温控制系统的设计

恒温是保证检测具有最低温漂的最有效方法。为了实现低硫检测，该设计创新性地设计了一个温度为48 ℃，控温精度达到±0.1 ℃的恒温系统，最大程度消除温漂带来的误差。

温度采集电路的设计采用高精度电流型温度传感器AD590，A/D采样通过四通道差分输入的16位ADS1110进行采集，电路原理如图4所示。

图4 温度采集与A/D转换模块

为了能提高控温的精度，设计采用增量式PID算法及阶梯式恒温控制，其控制方法示意图如图5所示。温度采集频率设置为10 Hz(100 ms)，采集后的信号系统进行软件滤波处理。将模糊算法和增量式PID算法相结合进行控温，以确保温度稳定，防止过冲。

图5 增量式PID阶梯控制方法

控温结果如图6所示。确保了温度变化在(48±0.1)℃之间。

图6 控温效果图

4 微弱信号处理电路的设计

微弱信号处理电路的设计分为两级，设计时要确保两级电路的特征频率一致，选频特性好。第1级的放大倍数小，主要解决信号噪声；第2级放大倍数大，确保信号的有效性和可检测性。

第1级采用积分与滤波电路以及精密整流电路,如图7所示。

图7 积分与滤波电路和精密整流电路图

计算得到第1级电路品质因素为：

(2)

第2级电路采用线性平均值与滤波电路，如图8所示。

图8 线性平均值与滤波电路

第2级电路品质因素为：

(3)

因此可以计算出微弱信号处理电路的总的品质因素为：

Q″=Q·Q′=0.54×1.31=0.707

(4)

电路具有最佳的平坦特性。此外，为了达到更好的滤波效果，在设计时还可以考虑增加一级π型滤波，可根据实际情况进行设计 。

5 MEMS工艺设计

随着光、机、电一体化技术的发展，气体传感器检测系统也朝着微机电系统方向发展。MEMS工艺是指将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号控制电路集于一体的微型器件或系统。该设计中，由于红外池密封在一个恒温装置中，信号采集和调理电路采用CPLD+STM32的平台进行设计，方便集成，样气进气装置单独设置。在整个微机电系统中，只留有进气和出气的端口，红外光源、红外探测器、红外池、信号采集与处理电路等都集成到一个密封的恒温体中，从而实现了该集成传感器的MEMS工艺设计。

6 实验与测试

将设计完成的集成低硫传感器进行了空载和标准信号检测测试。

空载(无光源)情况下的输出信号输出波形如图9所示。从图中可以看出，空载状态下，传感器的输出(零点漂移)约为1.25 μV，该信号经过反复测试后确定，形成了传感器的固有误差，可以通过软件滤波的方式进行处理。

图9 空载下的信号输出波形图

标准信号检测测试的信号输出波形如图10所示。从图10可以看出，输出信号的幅值得到了有效放大，达到628 mV，信号的浮动仅约为40 μV。传感器信噪比高。

图10 标准信号输出波形图

7 实例应用

实验时用天平称取1.0 g的标准煤样，按要求对设备进行单标多点校准，通过标准的实验流程，在标准实验室分别对5瓶样品进行了3次低硫检测实验，测试数据如表1所示。从测试结果可以得出，测量平均值为0.382%，SD为0.006%，RSD为1.2%，瓶内RSD为0.9%。

表1 硫含量测试数据表

8 结语

该文基于MEMS工艺，在朗伯-比尔吸收定律的基础上，通过对红外光源的驱动、红外池、探测器选择与信号处理、恒温控制以及微弱信号处理电路的设计，完成了一款非分光红外低硫集成传感器设计。通过空载测试确定固有误差，在软件处理后进行了标准气体检测，信噪比高；最后经过实例测试，测量结果的平均值为0.382%，SD为0.006%，RSD为1.2%，瓶内RSD为0.9%。达到了低硫的高精密测试。