基于光聲光譜法氣體探測傳聲器的研究進(jìn)展

劉小玲，羅榮輝，張 操，郭小偉

（鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，鄭州 450001）

1 引言

氣體探測已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如工業(yè)在線監(jiān)測、環(huán)境污染監(jiān)測、毒性氣體、醫(yī)療診斷、生物技術(shù)等方面。近年來，隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，在各種環(huán)境污染中，大氣污染倍受關(guān)注。由于人們對環(huán)境健康質(zhì)量要求的逐步提高以及環(huán)境變化的復(fù)雜性，因此對氣體探測器的綜合性要求逐漸提高。

傳統(tǒng)使用的氣體探測器具有靈敏度低、選擇性差、響應(yīng)慢，并且容易誤報等缺點，不能夠滿足目前的需要。而光聲光譜方法在氣體探測方面具有高靈敏度、選擇性好、響應(yīng)快和穩(wěn)定性好等特點，并且易實現(xiàn)多組分氣體探測，因此得到許多研究人員的重視。光聲氣體探測系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、光聲池和傳聲器三部分組成，其中傳聲器是光聲探測系統(tǒng)綜合性能高的一個重要組成單元，所以，對于光聲氣體探測系統(tǒng)選擇性能好的傳聲器十分重要。本文主要介紹了近幾年國內(nèi)外光聲氣體探測系統(tǒng)中傳聲器的使用情況，并對傳聲器在光聲氣體探測方面的應(yīng)用前景給予了展望。

2 基本原理和優(yōu)點

2.1 基本原理

1880年貝爾發(fā)現(xiàn)了固體中的光聲效應(yīng)[1]，但是由于當(dāng)時缺乏合適的檢測設(shè)備，光聲光譜技術(shù)直到20世紀(jì)80年代，隨著激光器和高靈敏度傳聲器的應(yīng)用，才得到較快的發(fā)展，在氣體探測方面受到人們的青睞。

每種氣體分子都有自己特定的吸收波長，氣體光聲效應(yīng)原理是:氣體分子吸收特定波長的光子，處于高能激發(fā)態(tài)，然后受激的氣體分子通過無輻射躍遷以熱的方式釋放吸收的能量（光能轉(zhuǎn)化為熱能），使氣體受熱，宏觀上表現(xiàn)為壓強(qiáng)的變化[2]，致使受熱氣體膨脹產(chǎn)生聲波。如果氣體吸收的光被調(diào)制則具有周期性，從而使溫度也呈現(xiàn)周期性變化，壓強(qiáng)也隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生的聲波具有同調(diào)制光相同的頻率。

2.2 優(yōu)點

光聲光譜法探測氣體具有如下優(yōu)點[3～4]：

（1）直接測量氣體對光的吸收，精確性和可靠性高；

（2）幾乎沒有零點漂移，只有測量氣體時，才能產(chǎn)生聲信號；

（3）能同時實現(xiàn)多組分氣體檢測；

（4）采用光聲信號檢測，提高了探測器的品質(zhì)，穩(wěn)定性好，不需要校準(zhǔn)和標(biāo)定；

（5）靈敏度高、選擇性高等。

3 傳聲器

傳聲器的最早應(yīng)用始于19世紀(jì)70年代[5]，當(dāng)時美國貝爾（Adexander Bell）實驗室的科學(xué)家們發(fā)明了電話機(jī)，他們是致力于尋找聲音的拾取而開始應(yīng)用的。

在光聲檢測系統(tǒng)中，主要采用穩(wěn)定性和線性度較好的電容式或駐極體式微傳聲器[6]。近幾年，隨著微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，新型的微傳聲器也被研制出，并且已經(jīng)應(yīng)用于光聲氣體檢測設(shè)備中，致使檢測系統(tǒng)的綜合性能逐步優(yōu)越化，尤其是靈敏度的提高。目前，基于光聲光譜技術(shù)氣體探測的極限可以達(dá)到10-9量級[7]，甚至10-12量級。

2.1 傳統(tǒng)的電容式傳聲器

傳統(tǒng)的電容式傳聲器的敏感元件是由一個振動膜片和一個固定的電極板組成。當(dāng)彈性膜片在聲波的作用下產(chǎn)生振動時，彈性膜片與固定電極之間的距離則發(fā)生變化，這一變化則相應(yīng)引起電容量的變化。如果在兩極板之間外加直流偏置電壓（通常數(shù)十伏至數(shù)百伏），當(dāng)電容量隨聲波變化時，則產(chǎn)生交變的音頻電壓，這就是電信號的來源。這種傳聲器雖然具有響應(yīng)頻率平坦、噪聲小等優(yōu)點，但是它的靈敏度低，位移響應(yīng)線性關(guān)系不太好，熱穩(wěn)定性差，并且其價格較高，體積大，因此其應(yīng)用范圍在許多方面受到限制。

2.2 硅微電容式傳聲器

有關(guān)硅微電容式傳聲器的研究始于20世紀(jì)70年代。近幾年來，基于硅微加工技術(shù)的微型傳聲器的發(fā)展使得光聲氣體探測器的體積越來越小、靈敏度越來越高、功能逐步改善。硅微電容式傳聲器的結(jié)構(gòu)和原理與傳統(tǒng)的電容式傳聲器基本相似。不同之處是，它既保持了傳統(tǒng)的電容式傳聲器的優(yōu)良電聲性能，同時還具有集成電路的優(yōu)點。硅微傳聲器的彈性膜片、電容電極之間的間隙以及信號處理電路等全部集成在一個很小的硅芯片上。對聲波做出響應(yīng)的彈性膜片同時也兼具著電容極板的作用，可由硅或氮化硅等材料經(jīng)過微加工技術(shù)研制而成，其直徑可以加工至<<1mm，厚度可以達(dá)到微米量級[8]，兩個電極面之間的間隙也可以小到微米量級。因此，彈性膜片的微小振動則會對電容量造成可觀的改變。由于微加工技術(shù)的應(yīng)用，硅微電容式傳聲器具有微型化、穩(wěn)定的批量生產(chǎn)、價格低廉、并且可以跟隨電路一起集成等優(yōu)點。除此之外，與傳統(tǒng)的電容式傳聲器相比，它還具有靈敏度高、頻率響應(yīng)平坦、較低的溫度系數(shù)和較好的穩(wěn)定性等優(yōu)點。隨著科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步以及人們對環(huán)境要求的提高，這種傳聲器在光聲氣體探測中的應(yīng)用得到了人們的認(rèn)可。

2.3 駐極體傳聲器

駐極體傳聲器的研究始于20世紀(jì)20年代，直至60年代由美國貝爾實驗室的科學(xué)家改進(jìn)為薄膜型之后開始流行的。其結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種是用駐極體高分子薄膜材料作振動膜，另一種是用駐極體材料作背極板。

駐極體傳聲器的工作原理是當(dāng)聲波使駐極體的膜片產(chǎn)生振動時，膜片與金屬極板之間形成的電容的電場則發(fā)生變化，產(chǎn)生隨聲波變化的音頻電信號，該信號通過場效應(yīng)管輸出。

駐極體傳聲器內(nèi)部主要由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗轉(zhuǎn)換兩部分組成，其優(yōu)點是不需要外界提供偏置電壓。聲電轉(zhuǎn)換部分包括振動膜、極板、空隙[9～10]三部分，其中振動膜是聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。振動膜是一片極薄的塑料膜片，在它上面蒸發(fā)一層純金薄膜， 然后再經(jīng)過高壓駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通，膜片的另一面用薄的絕緣襯墊圈隔開，這樣蒸金膜面與金屬極板之間就形成一個電容器。在聲波的作用下，振動膜片將隨聲波的變化而發(fā)生振動，致使產(chǎn)生了隨聲波變化的交變電壓信號，這樣就完成了聲電信號的轉(zhuǎn)換過程。阻抗轉(zhuǎn)換部分起關(guān)鍵作用的元件是場效應(yīng)管，其主要作用是實現(xiàn)阻抗匹配。這種傳聲器由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于聲音拾取、聲信號探測等方面。

隨著科學(xué)技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，駐極體型傳聲器也越來越微型化。早期的駐極體微傳聲器具有耐溫性差、穩(wěn)定性差等缺陷，不能滿足光聲氣體檢測系統(tǒng)的需要。近幾年來，Christiane Thielemann等人報道了一種氧化硅和氮化硅的駐極復(fù)合膜[11～12]，這種復(fù)合膜具有很好的電荷穩(wěn)定性，但是它的電荷密度與有機(jī)駐極材料之間仍然具有一定的差距，并且使用該種材料仍會帶來一定的局限性，不利于傳聲器綜合性能的提高。鄒泉波[12]等人研制了一種具有浮柵電極的駐極體微傳聲器，該傳聲器的浮柵通過一個P+-N結(jié)進(jìn)行充電，可以保持電荷的穩(wěn)定性，但是實際效果并不顯著。由于其電荷密度不高，因而靈敏度也不高。另一方面，駐極體傳聲器的振動膜和背極板之間存在一個恒定電場，如果長時間保存會導(dǎo)致振動膜的下陷，進(jìn)而縮短傳聲器的使用壽命。由于這種傳聲器自身的缺點，在光聲氣體探測系統(tǒng)中的應(yīng)用有待其性能的進(jìn)一步優(yōu)化。

陳兢等人提出一種紋膜結(jié)構(gòu)微傳聲器，這種傳聲器與平膜結(jié)構(gòu)傳聲器相比，具有線性范圍大、靈敏度高、頻率響應(yīng)好等優(yōu)點。在相同條件下，它的機(jī)械靈敏度比平膜結(jié)構(gòu)的傳聲器可提高一個數(shù)量級。吳宗漢[13]等人研制了一種新型駐極體傳聲器，這種傳聲器的外殼底部作為背極與膜片構(gòu)成等效電容，使傳聲器的厚度降到0.3mm，產(chǎn)品性能有所提高，降低了成本。李緒饒[14]研制的駐極體電容傳聲器，通過聲電轉(zhuǎn)換部分的改造，在相同條件下，使傳聲器的靈敏度提高了10%。

3 懸臂式微傳聲器

近年來，隨著微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，懸臂式微傳聲器也得到相應(yīng)發(fā)展，并且已經(jīng)應(yīng)用于光聲氣體檢測設(shè)備中。懸臂式微傳聲器的靈敏度、頻率響應(yīng)、線性關(guān)系等都優(yōu)于電容式微傳聲器。傳統(tǒng)的電容式傳聲器的彈性膜片，隨著壓力變化時發(fā)生徑向拉伸，導(dǎo)致位移響應(yīng)不呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。懸臂式微傳聲器[15]是用半導(dǎo)體材料硅制作的，極薄的硅懸臂隨著周圍氣體壓力的變化，只會發(fā)生彎曲而不會被拉伸，它就像一扇有彈性的門一樣隨著氣體壓力的變化而發(fā)生形變。所以，在相同的壓力作用下，懸臂自由端的位移幅度會比被繃緊的電容式傳聲器的彈性膜中間的幅度大兩個量級[16]。在懸臂的位移小于10 μ m的情況下，其位移響應(yīng)呈非常嚴(yán)格的線性關(guān)系[17～18]，動態(tài)范圍也很大。基于光聲光譜法痕量氣體的探測對傳聲器靈敏度的要求較高，這種傳聲器是比較好的選擇。如圖4，V.Koxkinen和J.Eonsen[19]等人報道了一種干涉懸臂式微麥克風(fēng)，它的制作材料是硅，其典型尺寸長和寬各為幾個毫米，厚度為5 μm～10 μ m。這種傳聲器用邁克爾遜干涉儀來測量聲波引起的懸臂自由端的位移幅度，從而提高了檢測靈敏度。光聲檢測設(shè)備中使用這種傳聲器，使檢測系統(tǒng)的靈敏度提高了100倍，探測極限達(dá)到10-9量級[20]。

Kosterev和Tittel等人還提出用石英音叉[21～22]作為靈敏的共振傳聲器應(yīng)用于光聲光譜法氣體檢測中，可以得到石英增強(qiáng)光聲光譜。同傳統(tǒng)的光聲光譜法相比，石英增強(qiáng)光聲光譜[23]具有不易受環(huán)境噪聲干擾、吸收檢測區(qū)相對簡單、光聲信號強(qiáng)以及轉(zhuǎn)換區(qū)的體積能降到mm3量級等優(yōu)勢，該方法已應(yīng)用于多種痕量氣體檢測中。

4 結(jié)論與展望

總之，傳聲器在基于光聲光譜法探測氣體方面已得到廣泛應(yīng)用。其中，傳統(tǒng)的傳聲器由于其靈敏度低、響應(yīng)頻率窄、耐溫性和穩(wěn)定性差等原因，致使其性能不夠優(yōu)越，因此在光聲氣體探測中的應(yīng)用受到很大限制。相比較而言，微傳聲器在氣體探測技術(shù)中具有靈敏度高、頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、耐溫性和穩(wěn)定性好、體積小、成本也較低等特點，并且適合現(xiàn)場的實時監(jiān)測，因此在光聲氣體探測領(lǐng)域必將得到普遍應(yīng)用。

雖然微傳聲器在光聲氣體探測領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，但許多關(guān)鍵技術(shù)仍需要進(jìn)一步探索和研究。衡量微傳聲器性能優(yōu)劣的三個主要指標(biāo)是靈敏度、頻率范圍和噪聲，如果這三個性能指標(biāo)能進(jìn)一步提高，微傳聲器在光聲氣體探測領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用。

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