基于光声光谱法气体探测传声器的研究进展

刘小玲，罗荣辉，张 操，郭小伟

（郑州大学物理工程学院，郑州 450001）

1 引言

气体探测已广泛应用于多个领域，如工业在线监测、环境污染监测、毒性气体、医疗诊断、生物技术等方面。近年来，随着现代工农业的迅速发展，环境污染日益严重，在各种环境污染中，大气污染倍受关注。由于人们对环境健康质量要求的逐步提高以及环境变化的复杂性，因此对气体探测器的综合性要求逐渐提高。

传统使用的气体探测器具有灵敏度低、选择性差、响应慢，并且容易误报等缺点，不能够满足目前的需要。而光声光谱方法在气体探测方面具有高灵敏度、选择性好、响应快和稳定性好等特点，并且易实现多组分气体探测，因此得到许多研究人员的重视。光声气体探测系统主要由光源系统、光声池和传声器三部分组成，其中传声器是光声探测系统综合性能高的一个重要组成单元，所以，对于光声气体探测系统选择性能好的传声器十分重要。本文主要介绍了近几年国内外光声气体探测系统中传声器的使用情况，并对传声器在光声气体探测方面的应用前景给予了展望。

2 基本原理和优点

2.1 基本原理

1880年贝尔发现了固体中的光声效应[1]，但是由于当时缺乏合适的检测设备，光声光谱技术直到20世纪80年代，随着激光器和高灵敏度传声器的应用，才得到较快的发展，在气体探测方面受到人们的青睐。

每种气体分子都有自己特定的吸收波长，气体光声效应原理是:气体分子吸收特定波长的光子，处于高能激发态，然后受激的气体分子通过无辐射跃迁以热的方式释放吸收的能量（光能转化为热能），使气体受热，宏观上表现为压强的变化[2]，致使受热气体膨胀产生声波。如果气体吸收的光被调制则具有周期性，从而使温度也呈现周期性变化，压强也随之发生周期性变化，产生的声波具有同调制光相同的频率。

2.2 优点

光声光谱法探测气体具有如下优点[3～4]：

（1）直接测量气体对光的吸收，精确性和可靠性高；

（2）几乎没有零点漂移，只有测量气体时，才能产生声信号；

（3）能同时实现多组分气体检测；

（4）采用光声信号检测，提高了探测器的品质，稳定性好，不需要校准和标定；

（5）灵敏度高、选择性高等。

3 传声器

传声器的最早应用始于19世纪70年代[5]，当时美国贝尔（Adexander Bell）实验室的科学家们发明了电话机，他们是致力于寻找声音的拾取而开始应用的。

在光声检测系统中，主要采用稳定性和线性度较好的电容式或驻极体式微传声器[6]。近几年，随着微机械技术的发展，新型的微传声器也被研制出，并且已经应用于光声气体检测设备中，致使检测系统的综合性能逐步优越化，尤其是灵敏度的提高。目前，基于光声光谱技术气体探测的极限可以达到10-9量级[7]，甚至10-12量级。

2.1 传统的电容式传声器

传统的电容式传声器的敏感元件是由一个振动膜片和一个固定的电极板组成。当弹性膜片在声波的作用下产生振动时，弹性膜片与固定电极之间的距离则发生变化，这一变化则相应引起电容量的变化。如果在两极板之间外加直流偏置电压（通常数十伏至数百伏），当电容量随声波变化时，则产生交变的音频电压，这就是电信号的来源。这种传声器虽然具有响应频率平坦、噪声小等优点，但是它的灵敏度低，位移响应线性关系不太好，热稳定性差，并且其价格较高，体积大，因此其应用范围在许多方面受到限制。

2.2 硅微电容式传声器

有关硅微电容式传声器的研究始于20世纪70年代。近几年来，基于硅微加工技术的微型传声器的发展使得光声气体探测器的体积越来越小、灵敏度越来越高、功能逐步改善。硅微电容式传声器的结构和原理与传统的电容式传声器基本相似。不同之处是，它既保持了传统的电容式传声器的优良电声性能，同时还具有集成电路的优点。硅微传声器的弹性膜片、电容电极之间的间隙以及信号处理电路等全部集成在一个很小的硅芯片上。对声波做出响应的弹性膜片同时也兼具着电容极板的作用，可由硅或氮化硅等材料经过微加工技术研制而成，其直径可以加工至<<1mm，厚度可以达到微米量级[8]，两个电极面之间的间隙也可以小到微米量级。因此，弹性膜片的微小振动则会对电容量造成可观的改变。由于微加工技术的应用，硅微电容式传声器具有微型化、稳定的批量生产、价格低廉、并且可以跟随电路一起集成等优点。除此之外，与传统的电容式传声器相比，它还具有灵敏度高、频率响应平坦、较低的温度系数和较好的稳定性等优点。随着科学的发展与进步以及人们对环境要求的提高，这种传声器在光声气体探测中的应用得到了人们的认可。

2.3 驻极体传声器

驻极体传声器的研究始于20世纪20年代，直至60年代由美国贝尔实验室的科学家改进为薄膜型之后开始流行的。其结构主要有两种形式：一种是用驻极体高分子薄膜材料作振动膜，另一种是用驻极体材料作背极板。

驻极体传声器的工作原理是当声波使驻极体的膜片产生振动时，膜片与金属极板之间形成的电容的电场则发生变化，产生随声波变化的音频电信号，该信号通过场效应管输出。

驻极体传声器内部主要由声电转换和阻抗转换两部分组成，其优点是不需要外界提供偏置电压。声电转换部分包括振动膜、极板、空隙[9～10]三部分，其中振动膜是声电转换的关键元件。振动膜是一片极薄的塑料膜片，在它上面蒸发一层纯金薄膜， 然后再经过高压驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通，膜片的另一面用薄的绝缘衬垫圈隔开，这样蒸金膜面与金属极板之间就形成一个电容器。在声波的作用下，振动膜片将随声波的变化而发生振动，致使产生了随声波变化的交变电压信号，这样就完成了声电信号的转换过程。阻抗转换部分起关键作用的元件是场效应管，其主要作用是实现阻抗匹配。这种传声器由于其结构简单、体积小等优点，被广泛应用于声音拾取、声信号探测等方面。

随着科学技术和微机械技术的发展，驻极体型传声器也越来越微型化。早期的驻极体微传声器具有耐温性差、稳定性差等缺陷，不能满足光声气体检测系统的需要。近几年来，Christiane Thielemann等人报道了一种氧化硅和氮化硅的驻极复合膜[11～12]，这种复合膜具有很好的电荷稳定性，但是它的电荷密度与有机驻极材料之间仍然具有一定的差距，并且使用该种材料仍会带来一定的局限性，不利于传声器综合性能的提高。邹泉波[12]等人研制了一种具有浮栅电极的驻极体微传声器，该传声器的浮栅通过一个P+-N结进行充电，可以保持电荷的稳定性，但是实际效果并不显著。由于其电荷密度不高，因而灵敏度也不高。另一方面，驻极体传声器的振动膜和背极板之间存在一个恒定电场，如果长时间保存会导致振动膜的下陷，进而缩短传声器的使用寿命。由于这种传声器自身的缺点，在光声气体探测系统中的应用有待其性能的进一步优化。

陈兢等人提出一种纹膜结构微传声器，这种传声器与平膜结构传声器相比，具有线性范围大、灵敏度高、频率响应好等优点。在相同条件下，它的机械灵敏度比平膜结构的传声器可提高一个数量级。吴宗汉[13]等人研制了一种新型驻极体传声器，这种传声器的外壳底部作为背极与膜片构成等效电容，使传声器的厚度降到0.3mm，产品性能有所提高，降低了成本。李绪饶[14]研制的驻极体电容传声器，通过声电转换部分的改造，在相同条件下，使传声器的灵敏度提高了10%。

3 悬臂式微传声器

近年来，随着微机械技术的发展，悬臂式微传声器也得到相应发展，并且已经应用于光声气体检测设备中。悬臂式微传声器的灵敏度、频率响应、线性关系等都优于电容式微传声器。传统的电容式传声器的弹性膜片，随着压力变化时发生径向拉伸，导致位移响应不呈严格的线性关系。悬臂式微传声器[15]是用半导体材料硅制作的，极薄的硅悬臂随着周围气体压力的变化，只会发生弯曲而不会被拉伸，它就像一扇有弹性的门一样随着气体压力的变化而发生形变。所以，在相同的压力作用下，悬臂自由端的位移幅度会比被绷紧的电容式传声器的弹性膜中间的幅度大两个量级[16]。在悬臂的位移小于10 μ m的情况下，其位移响应呈非常严格的线性关系[17～18]，动态范围也很大。基于光声光谱法痕量气体的探测对传声器灵敏度的要求较高，这种传声器是比较好的选择。如图4，V.Koxkinen和J.Eonsen[19]等人报道了一种干涉悬臂式微麦克风，它的制作材料是硅，其典型尺寸长和宽各为几个毫米，厚度为5 μm～10 μ m。这种传声器用迈克尔逊干涉仪来测量声波引起的悬臂自由端的位移幅度，从而提高了检测灵敏度。光声检测设备中使用这种传声器，使检测系统的灵敏度提高了100倍，探测极限达到10-9量级[20]。

Kosterev和Tittel等人还提出用石英音叉[21～22]作为灵敏的共振传声器应用于光声光谱法气体检测中，可以得到石英增强光声光谱。同传统的光声光谱法相比，石英增强光声光谱[23]具有不易受环境噪声干扰、吸收检测区相对简单、光声信号强以及转换区的体积能降到mm3量级等优势，该方法已应用于多种痕量气体检测中。

4 结论与展望

总之，传声器在基于光声光谱法探测气体方面已得到广泛应用。其中，传统的传声器由于其灵敏度低、响应频率窄、耐温性和稳定性差等原因，致使其性能不够优越，因此在光声气体探测中的应用受到很大限制。相比较而言，微传声器在气体探测技术中具有灵敏度高、频率响应宽、动态范围大、耐温性和稳定性好、体积小、成本也较低等特点，并且适合现场的实时监测，因此在光声气体探测领域必将得到普遍应用。

虽然微传声器在光声气体探测领域已经得到普遍应用，但许多关键技术仍需要进一步探索和研究。衡量微传声器性能优劣的三个主要指标是灵敏度、频率范围和噪声，如果这三个性能指标能进一步提高，微传声器在光声气体探测领域将发挥更大的作用。

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