热释电红外传感器及其应用

摘要：为有效解决电化学、气敏类传感器稳定性差、检测范围窄、易中毒、测量精度低等问题，研制了一种基于钽酸锂薄膜材料的热释电红外气体传感器。重点介绍了该气体传感器的工作原理及其结构设计，其结构采用双通道光路测量结构，分别为测量通道和参考通道，有效避免了光源波动和腔体污染对传感器造成的影响。该传感器具有结构新颖、简单可靠、测量范围宽、不中毒等特点，市场应用前景广阔。

关键词： 钽酸锂薄膜;热释电红外气体传感器;双通道结构;光源波动.

Abstract: In order to effectively resolve the problem of the electrochemical, gas type sensor, such as poor stability, narrow detection range, easy to poisoning and low accuracy etc.，a pyroelectric infrared gas sensor is developed based on lithium tantalate thin-film. The emphasis is paid on the working principle of the gas sensor and its design, its structure using two-channel optical measurement of the structure, respectively measuring channel and reference channel, effectively prevent the light source fluctuation and cavity impact of pollution on the sensor. The sensor has a novel structure, simple and reliable, wide measuring range, not poisoning etc., the market prospect is broad.

Keyword: lithium tantalate thin films; pyroelectric infrared gas sensor; dual-channel structure; light fluctuations.

中图分类号：TP212文献标识码：A 文章编号：

引言

今天，环境保护已经成为我们最关注的问题，环保、安全防护越来越受到人们的重视，随着智能化、网络化的推动，应用于这些领域的传感器日新月异。

目前，传统的电化学类、气敏类传感器稳定性相对较差，需要间隔一段时间用标准气样校准，使用不方便，检测范围窄，且在高浓度有毒气体条件下会造成传感器中毒而不能准确反应有毒气体浓度信息。热释电红外气体传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、测量范围宽、响应速度快、可在室温下工作、使用方便、应用领域广泛、不中毒、不依赖于氧气、没有介质损耗、寿命长等优点，可有效地检测多种气体，不受化学因素影响，能适应多种场合的需求，特别是恶劣的工业环境。因此开展热释电红外气体检测传感器的研究具有重大意义。

1热释电红外气体传感器工作原理

1.1热释电效应

热释电红外传感器是基于热释电效应[1-2]工作的，图1为热释电效应示意图。一些晶体受热时，极化状态会发生变化，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。

温度恒定时，由于热释电晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，因而观察不到自发极化现象，表现为电中性。

当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之改变，而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化，失去电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化，对外表现出电性。其热释电输出电流：

（1）

式中： 为材料的热释电系数， 为热释电敏感元受辐射的面积， 为热释电材料的温度， 为时间。从式（1）看出，热释电电流是与辐射引起的热释电材料的温度变化而不是温度本身成正比，所以热释电器件具有很高的响应速度，但静态热辐射是不会产生热释电电流的。

恒温时温度变化时

图1 热释电效应示意图

1.2红外气体检测原理

红外检测原理是基于朗伯-比尔定律[3-7]，即被测气体中某组份对红外线进行选择性吸收，其吸收强度取决于被测气体的体积分数，通过对被测气体前后红外线能量的比较，从而达到测量气体组分含量的目的。

大部分有机和无机多原子分子气体在红外区有特征吸收波长。当红外辐射通过被测气体时，气体分子就会对红外辐射进行有选择性吸收，也就是说气体分子只吸收固定波长的红外辐射，如CO的特征吸收波长为4.64um，即CO只吸收中心波长为4.64um波长的红外光。当一束光强度为 的平行红外光入射到气体介质时，由于气体介质的选择性吸收，其出射光的光强度衰减为 ，吸收关系遵循朗伯-比尔（Lamber Beer）定律，即

（2）

式（2）中 为红外光被气体吸收后的光强度； 为红外光被气体吸收前的光强度； 为气体的吸收常数； 为气体的体积分数； 为红外光通过气室的长度。

根据朗伯-比尔定律可以看出，对于长度为 的气室，

气体探测器检测到分子个数由强度比（ ）所决定，这个比率是气体浓度的一个度量标准。通常情况下，通过检测这个光强的比值来检测浓度，设置适当的光电信号转换电路，最终求得一个与该比率相对应的电信号参量，结合一定的标定算法来求得浓度值。

2热释电红外气体传感器结构与设计

2.1内部电路结构设计

热释电红外传感器的制作材料以陶瓷氧化物和压电晶体为最多，如PbTiO3（钛酸铅）、LiTaO3（钽酸锂）、LATGS（硫酸三甘肽）、PZT（锆钛酸铅）等。从高性能的热释电红外探测器应用方面来看，钽酸锂[8]材料由于热释电系数大、居里点高、相对介电常数小，使得钽酸锂材料非常适合做高性能热释电红外探测器，钽酸锂材料性能指标见表1。以钽酸锂晶体材料制备的热释电探测器在（1～20）um波长范围内宽光谱响应一致性非常好，探测器参数对温度的依赖性低，器件长期稳定性好，多批次器件重复性好，能在室温条件下工作，不需要昂贵的制冷装置，产品的性价比非常高，经过近数年连续不断的研究努力，钽酸锂晶体制备的热释电器件的信噪比不断提高。

表1LiTaO3材料性能指标

4.3

热释电红外气体传感器的内部电路结构如图2所示。它主要由两组热释电敏感元、两组结型场效应管JFET、两组电阻组成，分别组成测量通道和参比通道[4-5]，这种结构可以消除由于光源波动、腔体污染和光源反射路径导致的测量误差。

图2 热释电红外气体传感器内部电路结构（Rs外接）

另外，每个通道采用补偿型双敏感元并联结构，一方面可以消除周围环境温度起伏引起的影响，另一方面不但可以提高传感器的可靠性和稳定性，还可以提高传感器的信噪比。