Приемник излучения для ик-газоанализатора

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации газа в микроэлектронике, химической промышленности, транспортном машиностроении, медицине и авиации. Сущность изобретения: устройство содержит корпус 1, выполненный из кремния или материала, имеющего температурный коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту кремния, образующий два симметричных объема 2, разделенных между собой и герметизированных кремниевой мембраной 5 и заполненных эталонным газом. На обеих сторонах мембраны размещены два чувствительных элемента 6, представляющих собой нитевидные кремниевые монокристаллы, токовыводы которых подсоединены к термовводам 7. В корпусе симметрично размещены окна 3, прозрачные для инфракрасного света, и отверстия в виде капиллярных трубок 4. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации газа в микроэлектронике, химической промышленности, транспортном машиностроении, медицине, авиации и т.д.

Известен газоанализатор [1] содержащий источник излучения, сферическое зеркало, рабочую и сравнительную кюветы, параллельные между собой, ИК-фильтры, приемник излучения и модулятор, выполненный в виде полого усеченного конуса, ось вращения которого расположена под углом 45^о к оптической оси, с двумя отверстиями определенного размера.

Такой газоанализатор имеет сложную оптическую часть и не обеспечивает достаточную точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является инфракрасный (ИК) газоанализатор [2] содержащий две приемные камеры с окнами для приема излучения, выполненными из материала, пропускающего ИК-излучение, заполненные эталонным газом, в которых возникают разности давлений в зависимости от концентрации измеряемых компонентов. Для преобразования разности давлений в приемных камерах в электрические сигналы между камерами имеется мембрана пьезоэлектрическая пленка из поливинилиденфторида, которая натянута так, что она полностью воспринимает колебания давления.

Недостаток этого газоанализатора состоит в том, что нестабильность электрических свойств пьезоэлектрической поливинилиденфторидной пленки приводит со временем к изменению чувствительности, что снижает точность измерения давления и требуемых частых повторных калибровок устройства. Источником временной нестабильности является также естественное старение пленки.

В основу изобретения поставлена задача создания приемника излучения для ИК-газоанализатора, в котором благодаря достигнутой симметрии элементов конструкции обеспечивается высокая согласованность резонансных характеристик монокристаллических струйных преобразователей и за счет этого повышается чувствительность и избирательность, компенсируется температурная погрешность.

Поставленная задача решается тем, что в приемнике излучения для ИК-газоанализатора, содержащем две приемные камеры с окнами для приема излучения, выполненными из материала, пропускающего ИК-излучение, заполненные эталонным газом и разделенные между собой мембраной, согласно изобретению приемные камеры образованы в корпусе, выполненном из кремния или материала, температурный коэффициент линейного расширения которого близок к температурному коэффициенту линейного расширения кремния, путем разделения его мембраной, изготовленной из кремния, на два идентичных герметичных объема, на противоположных сторонах корпуса, параллельных мембране, размещены отверстия в виде капиллярных трубок и расположены окна для приема излучения, а на обеих сторонах мембраны размещены два нитевидных кремниевых монокристалла, которые посредством токовыводов соединены с герметичными выводами, установленными в обоих частях корпуса.

Применение в качестве чувствительных элементов, преобразующих разности давлений в приемных камерах в электрические сигналы, двух нитевидных кремниевых монокристаллов, работающих по дифференциальной схеме, значительно увеличивает чувствительность и обеспечивает полную компенсацию температурной погрешности, так как монокристаллы одинаково изменяют свою частоту, но с противоположным знаком (частота одного из них растет, другого уменьшается на одну и ту же величину). Приемник обладает высокой избирательной способностью, достигаемой наличием эталонного газа в приемных камерах, который адсорбирует инфракрасный свет избирательно.

На чертеже представлен приемник излучения для ИК-газоанализатора в разрезе.

Приемник имеет симметричную конструкцию. Его корпус 1 изготовлен целиком из кремния или из материала, имеющего температурный коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту кремния, и состоит их двух приемных камер 2, образующих два идентичных герметичных объема с окнами 3 для приема излучения, выполненными из материала, пропускающего ИК-излучение, и размещенными рядом с окнами капиллярными трубками 4 для заполнения эталонным газом. Приемные камеры разделены между собой мембраной 5, изготовленной из кремния. На обеих сторонах кремниевой мембраны симметрично относительно центра размещены чувствительные элементы из нитевидных монокристаллов 6. В обеих частях корпуса предусмотрены отверстия, в которых установлены гермовыводы 7 для герметичных электрических связей чувствительных элементов с электронной схемой. Все соединения элементов корпуса приемника выполнены посредством оплавления стеклокристаллического цемента.

Приемник работает следующим образом.

Через капиллярные трубки 4 оба объема 2 заполняются эталонным газом, который состоит из 100% измеряемого газа. Капиллярные трубки 4 закрываются. Окна 3 облучают инфракрасным светом, длина волны которого соответствует длине волны поглощения измеряемого газа. Интенсивность инфракрасного света, падающего на одно из окон, зависит от концентрации измеряемого газа. В результате облучения обоих герметичных объемов 2 светом разной интенсивности давление в них меняется неодинаково. В связи с этим изменяется собственная частота колебаний обоих нитевидных кремниевых монокристаллов 6. При этом напряженность одного из них увеличивается, а другого уменьшается, что приводит к изменению их собственных колебаний в противоположных направлениях. Через гермовыводы 7 на электронную схему подается тензосигнал с колеблющихся кристаллов, который соответствует разности частот их собственных колебаний. Эта разница определяется разностью давлений в обоих герметичных объемах 2, которая пропорционально зависит от концентрации измеряемого газа.

Благодаря симметрии конструкции чувствительность приемника излучения по сравнению с прототипом увеличивается в два раза. Кроме того, значительно упрощается конструкция.

Формула изобретения

ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИК-ГАЗОАНАЛИЗАТОРА, содержащий две приемные камеры с окнами для приема излучения, выполненными из материала, пропускающего ИК-излучение, заполненные эталонным газом и разделенные между собой мембраной, отличающийся тем, что приемные камеры образованы в корпусе, выполненном из кремния или материала, температурный коэффициент линейного расширения которого близок к температурному коэффициенту линейного расширения кремния, путем разделения его мембраной, изготовленной из кремния, на два идентичных герметичных объема, на противоположных сторонах корпуса, параллельных мембране, размещены отверстия в виде капиллярных трубок и расположены окна для приема излучения, а на обеих сторонах мембраны размещены два нитевидных кремниевых монокристалла, которые посредством токовыводов соединены с герметичными выводами, установленными в обеих частях корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1