气体传感器及气体检测设备的制作方法

本申请涉及气体检测，尤其涉及一种气体传感器及气体检测设备。

背景技术：

1、气体传感器在保障天然气管道的安全运行、煤矿的安全生产、居民生活安全用气等安全领域发挥关键作用，同时对环境保护和大气监测也具有重要意义。

2、传统的化学反应型气体传感器结构简单、成本低廉，但存在寿命短、需要定期校准、抗干扰能力差等问题。相比之下，激光光谱吸收型气体传感器通过检测气体分子的红外特征吸收光谱进行传感，具有灵敏度高、选择性好和寿命好等优点。然而，传统的激光光谱吸收型气体传感器需要使用精密对准的分立光学元件来构建光路，存在体积大、成本高、结构稳定性差等问题，从而影响气体传感器的性能。

3、因此，如何提高激光光谱吸收型气体传感器的性能，成为提升气体传感器检测技术的关键。

技术实现思路

1、本申请提供了一种气体传感器及气体检测设备，用于实现高灵敏度、高可靠性的气体检测。

2、本申请实施例的第一方面，提供一种气体传感器，气体传感器包括衬底、第一波导和去凝露结构。第一波导设置在衬底上，去凝露结构设置在衬底上，用于抑制第一波导表面形成凝露。

3、本申请实施例提供的气体传感器，包括去凝露结构，去凝露结构可以抑制第一波导表面形成凝露，从而减小凝露对气体传感器性能的影响，以提高气体传感器的灵敏度、可靠性、稳定性、使用寿命等性能。

4、在一种可能的实现方式中，去凝露结构包括温度控制器；温度控制器和第一波导设置在衬底相对的两侧；温度控制器用于响应于控制信号，产生热量。通过采用温度控制器产生热量来抑制凝露的形成，以实现完全去除凝露或者较大程度的去除凝露，以优化气体传感器的性能。或者去凝露结构的材料包括吸湿材料，去凝露结构和第一波导设置在衬底的同一侧，去凝露结构与第一波导之间具有间隙。通过在衬底上设置吸湿材料，可以吸附第一波导表面附近的水汽，抑制凝露的形成，结构简单，原理简单。

5、在一种可能的实现方式中，第一波导为超低损波导。超低损波导具有很低的波导单位长度的损耗，同时还可保持较大的倏逝场占比，从而减少光在第一波导中传输时的能量损耗，允许更长的光程设计，提高检测灵敏度。

6、在一种可能的实现方式中，气体传感器还包括光电探测器；光电探测器设置在衬底上；光电探测器与第一波导耦合，且与第一波导位于衬底的同一侧。光电探测器用于接收第一波导耦合出的光信号，并将光信号转化为电信号。高灵敏度和高动态范围的光电探测器，可以精确测量经过气体环境后衰减的光强变化，并可以测量较大的气体浓度范围。

7、在一种可能的实现方式中，光电探测器与第一波导采用直接耦合、光路转角耦合或倒装贴片耦合中的一种耦合。将光电探测器与第一波导采用直接耦合、光路转角耦合或倒装贴片耦合中的一种耦合可以提高气体传感器的集成度，减小气体传感器的体积。

8、在一种可能的实现方式中，气体传感器还包括偏振控制器；偏振控制器集成在衬底上；偏振控制器与第一波导耦合，且与第一波导位于衬底的同一侧。偏振控制器用于调节输出光的偏振状态，确保光信号在第一波导中的传播符合要求，避免因光偏振状态不匹配而导致耦合损耗、传输损耗增大，以及倏逝场占比偏离设计预期。偏振控制器可以保证气体传感器的准确性和稳定性。将偏振控制器集成在衬底上，可以提高气体传感器的集成度，减小气体传感器的体积。

9、在一种可能的实现方式中，偏振控制器与第一波导直接耦合。将偏振控制器与第一波导直接耦合，可以提高气体传感器的集成度，减小气体传感器的体积。

10、在一种可能的实现方式中，气体传感器还包括激光器；激光器设置在衬底上，与偏振控制器耦合；激光器与第一波导位于衬底的同一侧。激光器具有窄线宽和波长调节特性，可通过电流和温度控制波长。激光器能发射特定波长的红外光，并将红外光的波长调谐至待测气体的吸收峰附近，可以满足高灵敏度的气体检测需求。将激光器集成在衬底上可以提高气体传感器的集成度，减小气体传感器的体积。

11、在一种可能的实现方式中，气体传感器还包括第二波导；第二波导的两端分别与激光器和偏振控制器耦合。第二波导的两端分别与激光器和偏振控制器耦合可以减少光在传播过程中的损耗，也更方便将激光器、第二波导和偏振控制器集成在衬底上。

12、在一种可能的实现方式中，气体传感器还包括封装层；封装层覆盖激光器、偏振控制器或光电探测器中的至少一个。封装层用于实现片上气密封装，可以降低水汽对激光器、偏振控制器或光电探测器的影响，提高气体传感器的精准度和寿命。

13、在一种可能的实现方式中，气体传感器还包括处理器；处理器与和温度控制器耦合，用于向温度控制器传输控制信号；使用处理器可以实现高精度、高信噪比的气体浓度反演。或者气体传感器还包括湿度传感器，湿度传感器与温度控制器耦合，用于向温度控制器传输控制信号；湿度传感器与温度控制器耦合，可以精准地向温度控制器传输控制信号，进而降低凝露对气体传感器的影响。或者，气体传感器还包括温度传感器，温度传感器与温度控制器耦合，用于向温度控制器传输控制信号。温度传感器通过检测第一波导所在检测环境的温度，精准判断是否向温度控制器传输控制信号。

14、在一种可能的实现方式中，第一波导包括芯层和包层，包层位于芯层和衬底之间，包层覆盖芯层朝向衬底的表面；芯层的材料包括氮化硅、氮氧化硅、硅、锗、铌酸锂、硫系玻璃、iii-v族化合物或有机聚合物中的至少一种，包层的材料包括二氧化硅、氮化物、蓝宝石、氟化钙、硫系玻璃、iii-v族化合物或有机聚合物中的至少一种。材料平台(芯层材料、包层材料)应根据待测气体的特征波长范围以及各材料的特性进行选择。使用此类超低损波导材料平台，可以降低第一波导单位长度的损耗，从而减少光在第一波导中传输时的能量损耗。

15、在一种可能的实现方式中，凝露结构包括所述温度控制器的情况下，第一波导在衬底上的投影，与温度控制器在衬底上的投影交叠。第一波导与温度控制器在衬底上的投影交叠，可以提高温度控制器对第一波导的加热效果，从而提升去凝露效果。

16、本申请实施例的第二方面，提供一种气体检测设备，气体检测设备包括腔室和第一方面任一项的气体传感器，气体传感器设置在腔室内，腔室设置进气口与出气口，能够与待测气体环境进行气体交换。

17、在一种可能的实现方式中，气体检测设备还包括吸湿结构，吸湿结构设置在腔室内。在腔室内设置吸湿结构可以进一步抑制气体传感器的第一波导表面形成凝露，从而减小凝露对气体传感设备性能的影响，以提高气体传感设备的灵敏度、可靠性、稳定性、使用寿命等性能，结构简单，原理简单。

18、本申请实施例第二方面提供的气体检测设备包括第一方面任一项的气体传感器，其有益效果与气体传感器的有益效果相同，此处不再赘述。

1.一种气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括：

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，

3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述第一波导为超低损波导。

4.根据权利要求1-3任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括光电探测器；所述光电探测器设置在所述衬底上；所述光电探测器与所述第一波导耦合，且与所述第一波导位于所述衬底的同一侧。

5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，所述光电探测器与所述第一波导采用直接耦合、光路转角耦合或倒装贴片耦合中的一种耦合。

6.根据权利要求1-5任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括偏振控制器；所述偏振控制器集成在所述衬底上；所述偏振控制器与所述第一波导耦合，且与所述第一波导位于所述衬底的同一侧。

7.根据权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述偏振控制器与所述第一波导直接耦合。

8.根据权利要求6或7所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括激光器；所述激光器设置在所述衬底上，与所述偏振控制器耦合；所述激光器与所述第一波导位于所述衬底的同一侧。

9.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括第二波导；所述第二波导的两端分别与所述激光器和所述偏振控制器耦合。

10.根据权利要求8或9所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括封装层；所述封装层覆盖所述激光器、所述偏振控制器或所述光电探测器中的至少一个。

11.根据权利要求2-10任一项所述的气体传感器，其特征在于，

12.根据权利要求1-11任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述第一波导包括芯层和包层，所述包层位于所述芯层和所述衬底之间，所述包层覆盖所述芯层朝向所述衬底的表面；所述芯层的材料包括氮化硅、氮氧化硅、硅、锗、铌酸锂、硫系玻璃、iii-v族化合物或有机聚合物中的至少一种，所述包层的材料包括二氧化硅、氮化物、蓝宝石、氟化钙、硫系玻璃、iii-v族化合物或有机聚合物中的至少一种。

13.根据权利要求2-12任一项所述的气体传感器，其特征在于，在所述去凝露结构包括所述温度控制器的情况下，所述第一波导在所述衬底上的投影，与所述温度控制器在所述衬底上的投影交叠。

14.一种气体检测设备，其特征在于，所述气体检测设备包括腔室和权利要求1-13任一项所述的气体传感器，所述气体传感器设置在所述腔室内。

15.根据权利要求14所述的气体检测设备，其特征在于，所述气体检测设备还包括吸湿结构，所述吸湿结构设置在所述腔室内。