基于光聲光譜法氣體探測(cè)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(cè)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)在線監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、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(duì)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(duì)氣體探測(cè)器的綜合性要求逐漸提高。

傳統(tǒng)使用的氣體探測(cè)器具有靈敏度低、選擇性差、響應(yīng)慢，并且容易誤報(bào)等缺點(diǎn)，不能夠滿足目前的需要。而光聲光譜方法在氣體探測(cè)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(diǎn)，并且易實(shí)現(xiàn)多組分氣體探測(cè)，因此得到許多研究人員的重視。光聲氣體探測(cè)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(cè)系統(tǒng)綜合性能高的一個(gè)重要組成單元，所以，對(duì)于光聲氣體探測(cè)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(guó)內(nèi)外光聲氣體探測(cè)系統(tǒng)中傳聲器的使用情況，并對(duì)傳聲器在光聲氣體探測(cè)方面的應(yīng)用前景給予了展望。

2 基本原理和優(yōu)點(diǎn)

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(shí)缺乏合適的檢測(cè)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(cè)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(zhǎng)，氣體光聲效應(yīng)原理是:氣體分子吸收特定波長(zhǎng)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(diǎn)

光聲光譜法探測(cè)氣體具有如下優(yōu)點(diǎn)[3～4]：

（1）直接測(cè)量氣體對(duì)光的吸收，精確性和可靠性高；

（2）幾乎沒有零點(diǎn)漂移，只有測(cè)量氣體時(shí)，才能產(chǎn)生聲信號(hào)；

（3）能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多組分氣體檢測(cè)；

（4）采用光聲信號(hào)檢測(cè)，提高了探測(cè)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(shí)美國(guó)貝爾（Adexander Bell）實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)設(shè)備中，致使檢測(cè)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(cè)的極限可以達(dá)到10-9量級(jí)[7]，甚至10-12量級(jí)。

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(gè)振動(dòng)膜片和一個(gè)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(dòng)時(shí)，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(shí)，則產(chǎn)生交變的音頻電壓，這就是電信號(hào)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(diǎn)，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(jià)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(cè)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(shí)還具有集成電路的優(yōu)點(diǎn)。硅微傳聲器的彈性膜片、電容電極之間的間隙以及信號(hào)處理電路等全部集成在一個(gè)很小的硅芯片上。對(duì)聲波做出響應(yīng)的彈性膜片同時(shí)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(jí)[8]，兩個(gè)電極面之間的間隙也可以小到微米量級(jí)。因此，彈性膜片的微小振動(dòng)則會(huì)對(duì)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(jià)格低廉、并且可以跟隨電路一起集成等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)。隨著科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步以及人們對(duì)環(huán)境要求的提高，這種傳聲器在光聲氣體探測(cè)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)時(shí)，膜片與金屬極板之間形成的電容的電場(chǎng)則發(fā)生變化，產(chǎn)生隨聲波變化的音頻電信號(hào)，該信號(hào)通過場(chǎng)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(diǎn)是不需要外界提供偏置電壓。聲電轉(zhuǎn)換部分包括振動(dòng)膜、極板、空隙[9～10]三部分，其中振動(dòng)膜是聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。振動(dòng)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(gè)電容器。在聲波的作用下，振動(dòng)膜片將隨聲波的變化而發(fā)生振動(dòng)，致使產(chǎn)生了隨聲波變化的交變電壓信號(hào)，這樣就完成了聲電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程。阻抗轉(zhuǎn)換部分起關(guān)鍵作用的元件是場(chǎng)效應(yīng)管，其主要作用是實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。這種傳聲器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于聲音拾取、聲信號(hào)探測(cè)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(cè)系統(tǒng)的需要。近幾年來，Christiane Thielemann等人報(bào)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(huì)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(gè)P+-N結(jié)進(jìn)行充電，可以保持電荷的穩(wěn)定性，但是實(shí)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(dòng)膜和背極板之間存在一個(gè)恒定電場(chǎng)，如果長(zhǎng)時(shí)間保存會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)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(diǎn)，在光聲氣體探測(cè)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(diǎn)。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(gè)數(shù)量級(jí)。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(cè)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(shí)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(huì)發(fā)生彎曲而不會(huì)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(huì)比被繃緊的電容式傳聲器的彈性膜中間的幅度大兩個(gè)量級(jí)[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(dòng)態(tài)范圍也很大?；诠饴暪庾V法痕量氣體的探測(cè)對(duì)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(bào)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(zhǎng)和寬各為幾個(gè)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(cè)量聲波引起的懸臂自由端的位移幅度，從而提高了檢測(cè)靈敏度。光聲檢測(cè)設(shè)備中使用這種傳聲器，使檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度提高了100倍，探測(cè)極限達(dá)到10-9量級(jí)[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(cè)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(cè)區(qū)相對(duì)簡(jiǎn)單、光聲信號(hào)強(qiáng)以及轉(zhuǎn)換區(qū)的體積能降到mm3量級(jí)等優(yōu)勢(shì)，該方法已應(yīng)用于多種痕量氣體檢測(cè)中。

4 結(jié)論與展望

總之，傳聲器在基于光聲光譜法探測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)中具有靈敏度高、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)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(diǎn)，并且適合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此在光聲氣體探測(cè)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(cè)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(gè)主要指標(biāo)是靈敏度、頻率范圍和噪聲，如果這三個(gè)性能指標(biāo)能進(jìn)一步提高，微傳聲器在光聲氣體探測(cè)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用。

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