一种小型化光生光谱传感器的制作方法

本发明属于高性能气体传感器，涉及一种小型化光生光谱传感器，应用于新能源、煤矿、化工行业。

背景技术：

1、痕量气体检测在大气环境监测、石油化工、电力系统、国防军事等诸多领域都有着非常广泛的应用需求，而对痕量气体的高灵敏检测就离不开高性能的气体传感器。基于激光光声光谱(pas)法的气体传感器，以其灵敏度高、无波长选择性、体积小、成本低、功耗低等优势成为国际公认的研究热点方向，并逐渐走向实用化。

2、小型化低功耗的气体传感器可挂载在无人机上，在工业园区进行巡检，用于大气环境监测和污染气体溯源；在煤矿行业对有毒有害的气体进行实时监测，可保障人们的生命财产安全；在军事方面，传感器小型化和低功耗的特点可以实现便携式装备，从而提高单兵作战能力和战场生存能力。因此，研发基于光声光谱技术的高性能中红外多气体传感器具有十分重要的战略意义和科研价值。

3、由于受到激光器芯片制备、驱动电路设计和多波束合束等技术的限制，4.2μm～10.5μm波段范围内的气体传感器，目前都存在体积大、功耗高、无法实现多气体同时检测等问题。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明的目的是：针对多组分气体在线监测和离线检测的需求，公开发明了一种改进的小型化光生光谱传感器，利用6个激光器实现co、c2h4、h2s、c2h2、ch4、co2多气体同时检测，着重解决我国传统光生光谱激光气体传感器功耗大、集成度低等技术难题。

3、(二)技术方案

4、为了解决上述技术问题，本发明提供一种小型化光生光谱传感器，将激光器、信号采集系统、tec驱动电路、激光器驱动电路、光生池、mems微音处理芯片六个模块集成在一个圆柱体内，其中光生池和mems微音处理芯片按照业界常规方案进行设计和放置。本发明的重点在光源系统的集成设计，光源系统采用单边引线的金属蝶形外壳封装，内部集成半导体制冷器(tec)、6个激光器芯片、铜制基片和光学系统；蝶形封装的一侧为管脚插针，另一层有出光孔，将带激光器芯片的半导体制冷器贴装到蝶形外壳上，最后将金属盖板采用储能封焊工艺完成封装。

5、激光器采用mbe制备窄线宽量子级联芯片，将qcl注入区、有源区、抽运区构成复合量子阱结构，激发区解决qcl载流子注入过程的自加热问题，通过双声子、多声子共振隧穿抑制载流子热回填效应。

6、光源系统采用双层密集排布的子口径拼接共焦结构，半导体制冷器上布置铜制基片，铜制基片上间隔设置凹槽，凹槽内和相邻凹槽之间的突出台面上布置激光器芯片，6个激光器芯片呈现两层、扇形、嵌入tec式排布，有效解决激光器体积大、集成度低的问题。激光器驱动电路，采用高功率密度器件与时间复用工作方式，使同一时刻激光器驱动只驱动一个激光管工作，能够有效地解决功耗大等问题。光学系统分采用凹透镜合束技术完成狭小空间的多波束合束，并通过表面镀超宽波段超多波束增透膜，来提高光束合束效率。

7、激光器芯片采用量子级联芯片，由下至上依次包括n衬底、n限制层、波导层、有源层、波导层、p限制层、p接触层，p接触层上形成有氧化层。

8、其中，整个传感器的尺寸设计为≤φ62mm×72mm，按照常规方式进行光生池和微处理芯片的放置，其中共振式光生池大小≤φ58mm×41mm，低功耗mems微处理芯片的大小≤30mm×35mm×10mm。

9、其中，激光器组件占用的空间尺寸≤30mm×36mm×18mm。

10、其中，采用5mm×5mm×2mm的tec制冷器。

11、其中，采用mbe制备窄线宽量子级联芯片，将qcl注入区、有源区、抽运区构成复合量子阱结构，通过双声子、多声子共振隧穿抑制载流子热回填效应。

12、其中，光学系统采用凹透镜合束技术完成狭小空间的多波束合束，光束发散角≤5mrad。

13、光学系统中，每个激光器发出的光束经对应的准直镜准直后，共同射向凹透镜会聚成合束激光，合束激光照射光生光谱池。经准直镜准直和凹透镜合束，合束激光的束径在2mm以内。

14、其中，在准直径、凹透镜、激光器出射窗口和光生光谱池入射窗口蒸镀相应的超宽波段超多波束增透膜，使总合束效率达到92％以上；

15、其中，采用时分复用低功耗激光器驱动电路，通过高功率密度器件与时间复用工作方式，使同一时刻激光器驱动只驱动一个激光管工作实现激光器的驱动。

16、(三)有益效果

17、上述技术方案所提供的小型化光生光谱传感器，利用6个激光器实现co、c2h4、h2s、c2h2、ch4、co2多气体同时检测，着重解决传统光生光谱激光气体传感器功耗大、集成度低等技术难题，实现传感器对新能源、煤矿、化工等行业气体化学成分的在线监测与离线检测应用。

技术特征：

1.一种小型化光生光谱传感器，其特征在于，包括集成在一个圆柱体内的激光器、信号采集系统、tec驱动电路、激光器驱动电路、光生池、mems微音处理芯片；激光器作为光源系统，采用单边引线的金属蝶形外壳封装，内部集成半导体制冷器、6个激光器芯片、铜制基片和光学系统；半导体制冷器上布置铜制基片，铜制基片上间隔设置凹槽，凹槽内和相邻凹槽之间的突出台面上布置激光器芯片；蝶形封装的一侧为管脚插针，另一层有出光孔，将带激光器芯片的半导体制冷器贴装到蝶形外壳上，最后将金属盖板采用储能封焊工艺完成封装。

2.如权利要求1所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述激光器采用mbe制备窄线宽量子级联芯片，将qcl注入区、有源区、抽运区构成复合量子阱结构。

3.如权利要求2所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述光源系统采用双层密集排布的子口径拼接共焦结构，6个激光器芯片呈现两层、扇形、嵌入tec式排布。

4.如权利要求3所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述激光器驱动电路采用高功率密度器件与时间复用工作方式，使同一时刻激光器驱动只驱动一个激光管工作。

5.如权利要求4所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述激光器芯片采用量子级联芯片，由下至上依次包括n衬底、n限制层、波导层、有源层、波导层、p限制层、p接触层，p接触层上形成有氧化层。

6.如权利要求5所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述光学系统中，每个激光器发出的光束经对应的准直镜准直后，共同射向凹透镜会聚成合束激光，合束激光照射光生光谱池。经准直镜准直和凹透镜合束，合束激光的束径在2mm以内。

7.如权利要求6所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述准直径、凹透镜、激光器出射窗口和光生光谱池入射窗口蒸镀相应的超宽波段超多波束增透膜，总合束效率达到92％以上。

8.如权利要求7所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述光学系统采用凹透镜进行多波束合束，光束发散角≤5mrad。

9.如权利要求8所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述传感器的尺寸为≤φ62mm×72mm，共振式的光生池大小≤φ58mm×41mm，mems微处理芯片的大小≤30mm×35mm×10mm。

10.如权利要求9所述的小型化光生光谱传感器，其特征在于，所述激光器组件占用的空间尺寸≤30mm×36mm×18mm；半导体制冷器尺寸为5mm×5mm×2mm。

技术总结
本发明公开了一种小型化光生光谱传感器，其包括集成在一个圆柱体内的激光器、信号采集系统、TEC驱动电路、激光器驱动电路、光生池、MEMS微音处理芯片；激光器采用单边引线的金属蝶形外壳封装，内部集成半导体制冷器、6个激光器芯片、铜制基片和光学系统；半导体制冷器上布置铜制基片，铜制基片上间隔设置凹槽，凹槽内和相邻凹槽之间的突出台面上布置激光器芯片；蝶形封装的一侧为管脚插针，另一层有出光孔，将带激光器芯片的半导体制冷器贴装到蝶形外壳上，最后将金属盖板采用储能封焊工艺完成封装。本发明解决传感器功耗大、集成度低等技术难题，实现传感器对新能源、煤矿、化工等行业气体化学成分的在线监测与离线检测应用。

技术研发人员：胡卫英,黄海华,陈剑,庞树帅,徐强,张瑞明,谢修敏,黄帅,王路佳,宋海智,吴卫东,鲁平,蒋若梅,谭杨
受保护的技术使用者：西南技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24