一种长寿命的微流红外SO₂传感器的制作方法

专利名称：一种长寿命的微流红外SO₂传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种长寿命的微流红外SO2传感器。
背景技术：
煤碳、石油、天然气等燃料在发电厂、钢铁厂、有色冶金、石化工业、水泥厂、陶瓷玻璃厂等行业中的锅炉、窑炉的燃烧过程中，会产生大量的烟气。随着环境问题的日益严峻， 对各类锅炉、窑炉排放的烟气进行监测和治理显得十分重要，烟气分析仪是开展监测和治理工作的必要工具。烟气的共同特点是含有一定量的S02、NO、CO等气体，对这些气体体积浓度进行测量的气体传感器是烟气分析仪的核心部件。对于SO2体积浓度的测量，红外气体分析技术目前是国际上主流的分析方法。在文献《在线红外气体分析器的发展及工程应用研究》中，介绍了我国的北京分析仪器厂(北分麦哈克)、川仪九厂等在80年代引进了国外的微音器技术的红外气体传感器， 该类型传感器的核心探测部分分为左、右气室，通过一片薄膜分离，通过检测左、右气室吸收红外线的差别在薄膜上产生的震动的大小测量气体的含量，由于使用了薄膜，此类传感器抗震性较差。为了克服微音器技术的红外气体传感器抗震性较差的缺点，90年代后，国际上的分析仪器厂家如ABB、SIEMENS等纷纷推出了新型的微流红外气体传感器，与以往微音器技术采用薄膜分离左、右气室不同，该传感器的核心探测部分采用前、后气室直接连通，通过在连通通道上安装高灵敏度的微流量探测器，探测由于前、后气室吸收红外线的差别造成的压力进而在前、后气室形成流动的大小得到气体的含量。该传感器结构更加简单，抗震性大大提闻。微流红外气体传感器的核心是连通前、后气室通道上的微流量探测器，由于测量通道十分狭小，通常需要采用MEMS技术制作该类型探测器。当用于测量SO2气体时，需要向微流红外气体探测器的前、后气室通入纯净的SO2气体。目前ABB、SIEMENS等国际知名分析仪器企业推出了长寿命的微流红外SO2传感器，其核心的微流量探测器采用了特殊的MEMS芯片工艺技术，能抗SO2腐蚀，传感器的使用寿命长。但是这种类型的微流量探测器价格十分昂贵，且制造工艺是各厂家的技术机密， 很少见公开资料。我们国内目前由于工艺、成本等问题，对于特殊的抗腐性MEMS流量探测器的设计是一片空白，普遍采用价格低廉的通用MEMS芯片技术制造微流量探测器，不能抗SO2腐蚀， 导致传感器的使用寿命很短。

发明内容
本发明的目的为了克服国内现有微流红外SO2传感器存在的上述问题和缺陷，提供一种长寿命的微流红外SO2传感器。本发明的技术方案为
—种长寿命的微流红外SO2传感器,包括红外光源系统、米样气室、窄带滤光片、微流红外SO2探测器，所述的微流红外SO2探测器包括微流量探测器、三个窗口及气室，三个窗口将气室分隔成前气室、后气室及补偿气室，微流量探测器位于连通前气室、后气室的通道上，前气室与补偿气室间有连通道，前气室、后气室、补偿气室中均填充具有SO2特征吸收光谱线特点的非SO2气体。所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的填充气体为ch4、 C2H2> iC4(异丁烧)、nC4(正丁烧)气体中的一种或多种的混合气体。所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的填充气体为CH4。所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的填充气体为C2H2。所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的填充气体为iC4。所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器,其特征在于所述的充填气体为nC4。本发明的优点在于采用价格低廉的通用MEMS微流量探测器芯片，用CH4、C2H2, iC4、nC4气体中的一种或多种的混合气体代替SO2作为填充气，解决了以往微流红外SO2探测器中的填充SO2会腐蚀微流量探测器而降低传感器使用寿命的问题，在满足微流红外SO2 传感器测量精度的基础上，将传感器使用寿命提高了几十倍以上。


图I为微流红外SO2探测器结构图。图2为微流红外SO2传感器结构图。图3为各种填充气的信号AD值变化曲线图。其中1-微流量探测器，2-补偿气室，3-窗口，4-后气室，5-前气室，6-红外光源系统，7-采样气室，8-窄带滤光片，9-微流红外SO2探测器。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步解释。I、微流红外SO2分析仪的制作选择参数为7. 35 μ m/300nm的窄带滤光片，采样气室长度为224mm，制作六台微流红外SO2分析仪，其中微流红外SO2探测器的填充气分别为S02、CH4、C2H2、iC4、nC4、体积比为 I I的CH4与iC4混合气，分析仪依次编号为A、B、C、D、E、F。2、信号强度测试对A、B、C、D、E、F六台分析仪均采用相同的信号放大倍数，分别对采样气室内通入高纯N2标准气体，分别记录分析仪信号AD值(12位模数转换器)。将记录的读数列表对比如表I。表14、8、(、03、？信号六0值分析仪
A
(填充气为SO2) B
(填充气为CH4)
信号AD值 3245
1064
1545
1856
1768
1124
(填充气为C2H2)
D
(填充气为iC4)
E
(填充气为nC4)
F
(填充气为I: I体积比的CH4与iC4混合气)由表I可以看出，微流红外SO2探测器中的填充气分别为S02、CH4、C2H2、iC4、nC4和 CH4, iC4混合气时，对应的A、B、C、D、E、F六台分析仪微流红外SO2传感器的信号强度关系为S02 > iC4 > nC4 > C2H2 > CH4与iC4混合气(I I体积比)> CH4。信号强弱对应了传感器信噪比S/N的高低，所以填充气为S02、CH4、C2H2、iC4、nC4或CH4与iC4混合气(I I 体积比)的微流红外探测器都可以用来制作微流红外SO2气体传感器。2、吸收率测试(I)对A、B、C、D、E、F采样气室内分别通入高纯队标准气体，将每一台分析仪的信号AD值通过电位器都调到3200左右，分别记录分析仪信号AD值(ADl)。(2)对A、B、C、D、E、F采样气室内分别通入体积浓度为O. 2% V0L(也就是2000ppm) SO2标准气体，分别记录分析仪信号AD值(AD2)。
/Jn ο
将(I)、(2)步骤中记录的读数列表对比，得到O. 2% VOL SO2的吸收率，如表2所
表2 :A、B、C、D、E、F吸收率对比
分析仪信号AD值吸收率(％)高纯N2标准气 (ADl)0.2%VOL SO2 标准气 (AD2)(AD1-AD2)/AD1A3243145755.07%B3156230127.09%C3178153851.60%D3253191241.22%E3234192540.48%F3214213433.60%由表2可以看出，当A、B、C、D、E、F通入O. 2% VOL SO2时，吸收率大小关系为S0:
> C2H2 > iC4 > nC4 > CH4与iC4混合气(I I体积比)> CH4，六台分析仪的吸收率都大于27% (855个单位AD)，通过3次以上的AD平滑处理等数字手段，可以使得微流红外SO2 传感器的分辨率超过I X IO-6VOL(Ippm)。3、传感器寿命测试对A、B、C、D、E、F采样气室内分别通入高纯N2标准气体，环境温度维持为25 ± I °C， 在2010年6月至2011年5月期间，通过计算机程序自动记录分析仪信号AD值读数，分别在每个月的I日、11日、21日记录。分析仪一年内的信号AD值如表3所示。表3:—年内的A,B,C,D,E,F信号AD值
权利要求
1.一种长寿命的微流红外SO2传感器,包括红外光源系统、米样气室、窄带滤光片、微流红外SO2探测器，所述的微流红外SO2探测器包括微流量探测器、三个窗口及气室，三个窗口将气室分隔成前气室、后气室及补偿气室，微流量探测器位于连通前气室、后气室的通道上，前气室与补偿气室间有连通道，其特征在于前气室、后气室、补偿气室中均填充具有SO2 特征吸收光谱线特点的非SO2气体。
2.根据权利要求I所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的填充气体为CH4、C2H2, iC4、nC4气体中的一种或多种的混合气体。
3.根据权利要求I所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的填充气体为CH4。
4.根据权利要求I所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的填充气体为C2H2。
5.根据权利要求I所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的填充气体为iC4。
6.根据权利要求I所述的一种长寿命的微流红外SO2传感器，其特征在于所述的充填气体为nC4。
全文摘要
本发明涉及一种长寿命的微流红外SO2传感器，包括红外光源系统、采样气室、窄带滤光片、微流红外SO2探测器，所述的微流红外SO2探测器包括微流量探测器、三个窗口及气室，三个窗口将气室分隔成前气室、后气室及补偿气室，微流量探测器位于连通前气室、后气室的通道上，前气室与补偿气室间有连通道，前气室、后气室、补偿气室中均填充具有SO2特征吸收光谱线特点的非SO2气体。本发明采用价格低廉的通用MEMS微流量探测器芯片，用CH4、C2H2、iC4、nC4气体中的一种或多种的混合气代替SO2作为填充气，解决了以往微流红外SO2探测器中的填充SO2会腐蚀微流量探测器而降低传感器使用寿命的问题，在满足微流红外SO2传感器测量精度的基础上，将传感器使用寿命提高了几十倍以上。
文档编号G01N21/35GK102590126SQ20111044622
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者何涛, 刘志强, 熊友辉, 石平静 申请人:武汉四方光电科技有限公司