CN106483073B - 热流传感器、气体传感器及相应的测量*** - Google Patents

热流传感器、气体传感器及相应的测量*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热流传感器、气体传感器及相应的测量***。所述热流传感器包括至少一个悬挂在支撑件上的光学谐振器(8)，所述光学谐振器(8)被悬挂在气态环境中，至少一个将测量光束引入波导的第一装置(16)，至少一个第二收集(16，18)，该收集装置(16，18)收集来自所述光学谐振器的检测光束，以及用于加热所述光学谐振器(8)的加热装置(20)。

Description

热流传感器、气体传感器及相应的测量***
技术领域
本发明涉及能够用于测量气体的浓度或测量极低压力的热流传感器，从而形成皮拉尼计。
背景技术
通常，术语“热流传感器”是指对例如采用薄膜形式的传感器的主体与该传感器置于其中的流体介质之间的热交换进行测量的任何传感器。
热流传感器放置在一环境中，该环境包含待分析的成分、在气体传感器的情况下包含载气中的分析物(analyte)、或者在皮拉尼计的情况下仅包含特定数量的气体分子来测量低气压。
文献WO2011/044547描述了TCD(“Thermal Conductivity Detector，热导检测器”)，该TCD使用热导率的变化来确定该TCD所在的气态环境的组成。该检测器位于色谱柱的出口处。该TCD传感器包括延伸的支撑板、位于支撑板上的加热元件。在被加热的支撑板的终端处测量电压变化以确定电阻的变化，该电阻的变化取决于支撑板的温度并表示在支撑板和气态环境之间发生的热交换。这些热交换取决于气态环境的组成。
文献“A micro-Pirani vacuum gauge based on a micro-hotplate technology(基于微热板技术的微皮拉尼真空计)”(F.T.Zhang等，《传感器&执行器A》，126(2006)300-305)描述了皮拉尼微型计，该皮拉尼微型计包括通过四根长横梁和两根短的窄横梁悬挂的平板。在该平板上设置有加热元件。
呈现上述结构的气体传感器和皮拉尼计具有大于1ppm的检测限度(Limit ofDetection，LOD)，尤其因为该传感器的结构以及皮拉尼微型计的结构都不允许实施动态测量方法，即使用调制的输入信号。这是由于该传感器和皮拉尼微型计的热时间常数与调制频率相比过大。例如，对于生物医学的应用、对于环境或者内部空气质量监测，人们试图实现小于1ppm的检测限度。
发明内容
为此，本发明旨在提供一种热流传感器，尤其是诸如气体传感器或者皮拉尼计之类的传感器，与现有技术中的传感器相比，该热流传感器能够呈现较低的检测限度。
上述目的由包括以下各项的热流传感器实现：至少一个光学谐振器、用于加热光学谐振器的装置和用于根据传感器所处环境的组成的变化来测量光学谐振器的特性的变化的装置。
温度会影响光学谐振器的有效光学指数。该指数的修改会改变光学谐振器的谐振频率，该谐振频率可以根据由光学谐振器透射或者反射的波来测量。这与在气态环境(例如气体混合物)的热导率的变化有关，因而与该气态环境的组成有关。
换句话说，热流传感器使用光学谐振器作为对与周围的气态环境的热交换敏感的元件。
根据本发明的热流传感器与现有技术中的传感器相比呈现了较低的检测限度。可以实现10：1的比率。
所述光学谐振器通过悬挂装置悬挂，该悬挂装置配置为使谐振器热隔离。
可以使用一种使用连续光束的测量方法或者使用幅度调整光束的动态测量方法。根据本发明的热流传感器特别适用于动态测量方法，这是因为该传感器的热能化所需的时间较短。这被称为低的热常数。该传感器因此提供了甚至更低的检测限度。此外，该传感器呈现了较大的动态测量范围，即它能够在更宽的范围(例如几十度)内检测温度变化。
在一个实施例中，对谐振器加热是通过位于远离光学谐振器的焦耳效应类型的加热装置来实现的。
在另一个实施例中，对谐振器加热是通过将具有足以加热谐振器的功率的光束引入光学谐振器来实现的自加热。
因此，本发明的主题在于热流传感器，该热流传感器包括至少一个悬挂在支撑件上的光学谐振器，所述光学谐振器被悬挂在气态环境中，所述光学谐振器包括至少一个波导、至少一个将测量光束引入所述波导的第一装置、至少一个第二收集装置，该收集装置用于收集来自光学谐振器的波导的光束，以及用于加热所述光学谐振器的装置。
在一个实施例中，加热装置远离光学谐振器。分隔加热装置和光学谐振器的距离例如介于200nm至10μm之间。
加热装置可以是焦耳效应的加热装置。在一个实施例示例中，加热装置可以包括至少一个悬挂在所述支撑件上的导线，该导线被连接到电压源或电流源。在另一实施例中，加热装置包括至少一个电阻材料层，该电阻材料层面向所述光学谐振器放置并布置在所述支撑件上，该电阻材料层被连接到电压源或电流源。
在另一实施例中，加热装置包括配置为将光束引入光学谐振器的光束源，该光束源的功率可以使光学谐振器自加热。
根据附加的特征，光学谐振器通过至少一个横梁悬挂在支撑件上。该横梁的宽度例如介于50nm和10μm之间，厚度介于50nm和500nm之间，长度介于1μm和100μm之间。
所述光学谐振器可以包括光学环、光盘和光子晶体。
在包括环的光学谐振器的情况下，所述环的半径在1μm至100μm之间。
在一个实施例示例中，用于将测量光束引入光学谐振器中的第一装置是波导，第二收集装置由与第一装置的波导相同的波导形成，从而用来收集反射光束。
在另一实施例示例中，用于将测量光束引入光学谐振器中的第一装置是波导，第二收集装置由另一波导形成，从而用来收集透射光束。
在另一实施例示例中，用于将测量光束引入光学谐振器中的第一装置是波导，收集反射光束的第二收集装置由第一装置的波导形成，其中所述传感器还包括另一收集透射光束的波导。
在本申请中，术语“透射光束”指由不同于引入装置(例如波导)的收集装置(例如波导)收集的光束，术语“反射光束”指由引入装置(例如引入波导)收集的光束。
本发明的另一主题是包括至少一个根据本发明的热流传感器的气体传感器，光学谐振器被悬挂在向流体通道提供气体混合物的输入端与从流体通道移除所述气体混合物的输出端之间的流体通道中。
本发明的另一主题是包括至少一个根据本发明的热流传感器的皮拉尼计，光学谐振器被悬挂在该光学谐振器对其压力进行测量的气态介质体积中。
本发明的另一主题是测量***，包括至少一个根据本发明的传感器、连接到第一装置的测量光束发射器、至少一个连接到第二装置的光电探测器，以及用于对光电探测器发出的信号进行处理的电子装置。
测量光束发射器可以发射幅度调制的光束。
测量光束发射器例如为激光器。
根据一个实施例示例，测量光束发射器还形成用于光学谐振器自加热的光束发射器。
所述测量***可以包括根据本发明的另一气体传感器，一个传感器的流体通道被设计为提供有气体混合物，另一传感器的流体通道被设计为仅提供有载气，每个传感器的第二收集装置经由光电探测器连接到处理电子装置以允许进行差分测量。
所述测量***可以包括根据本发明的另一气体传感器，一个传感器的流体通道被提供有气体混合物，另一传感器的流体通道仅被提供有载气，每个传感器的第二收集装置经由用于从两个传感器出射的测量光束的恢复和干涉设备连接到处理电子装置，以允许对两个装置所收集的检测光束之间的相移进行测量，从而允许进行干涉测量。
附图说明
基于以下描述和附图将更好地理解本发明，附图中：
-图1为根据第一实施例的热流检测器的一个实施例示例的透视图，
-图2为图1的传感器的俯视图，
-图3A根据第一实施例的热流检测器的另一实施例示例的透视图，
-图3B为图3A的传感器的俯视图，
-图4为光学谐振器的传递函数的图示，
-图5为根据第二实施例的热流检测器的一个实施例示例的透视图，
-图6为包括图3A的热流传感器的测量***的示意图，
-图7为配置为执行差分测量的测量***的示意图，
-图8A和8B为配置为执行基于干涉的测量的***的示意图，
-图9为由支撑件和热谐振器形成的***的等效热电路的图示。
具体实施方式
根据本发明的热流传感器旨在放置于气态环境中，例如以分析气体混合物的组成或者测量压力水平。
在接下来的示例中，热流传感器在其应用中被描述为气体传感器。因此，旨在将该热流传感器浸在待分析的流经流体通道的气体混合物中，其中该气体混合物包括诸如氦气之类的载气及一个或多个待分析的分析物。
该热流传感器可以形成皮拉尼计(Pirani gauge)。皮拉尼计可以例如被布置在壳体中并用于监测壳体中的真空度。
通常，传感器被放置在一定量的(a volume of)气体中。
在图1和图2中可以看出，根据第一实施例的热流传感器的示例被布置在流体通道2中，其中，通道2包括通过横向壁6连接的侧壁4，横向壁6形成通道2的底部。通道2例如通过在图6中可见的盖板7封闭。
通道2包括用于提供气体的端部和用于移除气体的端部。气体流(gas flow)由箭头FG表示。
所述传感器包括光学谐振器8，该光学谐振器与通道壁热绝缘以限制由朝向支撑件扩散产生的热损耗，这可以降低该光学谐振器的灵敏度。优选地，该光学谐振器还与通道壁光学隔离。
光学谐振器8有利地通过悬挂件10悬挂在通道2中。在示出的示例中，光学谐振器8包括形成光学环的波导。所使用的悬挂装置包括将环的内边缘连接到销(pin)14的四个臂12，所述销(pin)14形成该通道的底部6的一部分。臂12的横截面被选择为使其足够小以限制热损耗，例如介于1nm和1μm之间。通常所述臂由与谐振器相同的材料制成。此外，销14的材料被有利地选择为使其具有低的热导率，例如由SiO2、SiN、SiC等材料制成。为了限制热损耗从而确保良好的热绝缘，所述销有利地由具有低热导率的氧化物制成，例如SiO2。
可以设想悬挂装置的其它示例，例如悬挂装置可以包括在谐振器的外边缘和通道侧壁之间延伸的横梁。
谐振器可以包括光子晶体，例如通过在波导中穿孔而形成。
可替换地，光学谐振器可以包括由光盘或光学环形成的或再次由光子晶体形成的波导，每个波导通过上述悬挂件悬挂。
有利地，在悬挂装置中制成间隔几十纳米的直径为几十纳米的孔，因而提供了谐振器相对于支撑件的热绝缘和光学隔离。
传感器还包括至少一个波导16，波导16的至少一部分靠近光学谐振器布置以将测量光束(称作探测光束)引入该光学谐振器并恢复透射光束或者反射光束(称作检测光束)。
在示出的示例中，传感器包括U形的第一波导16。U波导的一个分支16.1包括连接到光源并在U波导的底部将光引入光学谐振器8的自由端。U波导的另一分支16.2收集通过其自由端反射的光束，该自由端例如连接到光电探测器。
传感器包括第二波导18，在该示例中第二波导18也是U形的，用于收集通过谐振器透射的光。第二波导18被布置在第一波导16相对于谐振器的另一侧。在这些示例中，U波导的底部伸入通道中以尽可能地靠近谐振器。
传感器还包括用于对光学谐振器进行加热且远离谐振器的装置20。在示出的示例中，该装置是连接到电流源或电压源的电导线。该导线例如由金属或者诸如硅之类的半导体材料制成。在这个示例中并且有利地，在通道的两个侧壁之间将该导线相对于气流FG横向悬挂。优选地，装置20放置在包含光学谐振器的平面内。
导线20所产生的热量由箭头CH象征性地表示。
可替换地，加热的导线可以平行于气流延伸。
在示出的示例中，导线被放置在谐振器的平面上。该导线可以设置在平行但不同于谐振器的平面内，但这个实施例更加复杂。
可以设想存在多个电导线。
导线通过焦耳效应产生热，这将会通过热传导和辐射来加热光学谐振器。
例如，对于宽度和高度通常在10μm和200μm之间，例如宽度为100μm且高度为100μm的通道，以及直径在10μm和200μm之间，例如50μm的谐振器，导线和谐振器的边缘之间的距离大约为几微米(μm)，例如介于200nm和10μm之间。
在图3A和3B中可以看出根据第一实施例的热流传感器的另一实施例示例，其中，加热装置由电阻层20’形成，考虑到气流，该电阻层20’布置在与光学谐振器平行的平面内并靠近光学谐振器。在图3A的图示中，该电阻层位于光学谐振器之下。电阻层被沉积在通道的横向壁上并连接到电压源或者电流源。有利地，所述电阻层具有至少一个足以确保谐振器投影到该电阻层的平面上的投影被包括在电阻层20’之内的表面。
电阻层20’由例如锡或钨制成。
这个实施例示例的优点在于更均匀且更快速地对谐振器进行加热。此外，可以达到更高的温度，这使得可以实现比图1和图2中的传感器的检测限度更低的检测限度。
在所描述的示例中，使用了单个光学谐振器，但是可以设想使用多个耦合的谐振器，例如通过将这些谐振器布置在相同的平面中或者不同的平面中，例如两个平行的平面，其中，例如这些平面与通道中的流体平行。例如，两个谐振环可被耦合。
在图6中，可以看出根据本发明的测量***的示意图，该测量***包括：图3A和3B中的热流传感器、光学发射器22(例如激光源)、第一光电探测器24(例如光电二极管)、第二光电探测器26(例如光电二极管)，光学发射器22连接到第一波导16的分支16.1的输入端并用于将光引入谐振器，第一光电探测器24连接到第一波导16的分支16.2的输出端以收集反射光束，第二光电探测器26连接到第二波导18的输出端以收集透射光束。耦合网络27连接到第二波导18的输入端。该网络使得从光源出射的光能够有效耦合到引入波导中，光源通常是激光光源。同样的网络还允许对从波导出射的光解耦合以使在光电探测器上能够收集到这些光。
可以设想将光引入两个波导16和18中，在两个波导16和18中恢复反射光并比较所获得的信号。
通道2的入口例如连接到气体混合物源的气相色谱或者毛细管(gaschromatographic or capillary)的出口。
光学发射器22和光电探测器24、26例如通过光纤22.1、24和26.1分别连接到波导。
值得回顾的是，单个光电探测器就足够了，收集透射光束或反射光束就足够了
光电探测器24和26连接到处理电子装置28，处理电子装置28根据一个光电探测器或多个光电探测器发射的信号来确定气体混合物的组成。
现将描述图1和图2中用作气体传感器的热流传感器的操作。图3A和3B的传感器的操作类似于图1和图2中的传感器。
考虑的气体混合物包括载气(例如氦气或氢气)及至少一个分析物。
优选地，载气被选择为使其具有比分析物更大的热反差的属性，以使仅存在载气的温度与存在载气/分析物的混合物的温度之间的差异最大化。为了实现上述目的，选择例如具有热导率k的载气，该热导率k远大于分析物的热导率。
下表列出了空气、氦气、两个分析物戊烷和苯的热导率值。
Gas H<sub>2</sub> Helium Air Pentane Benzene
kgaz(mW/m.K) 168 143 24 15 8
在第一个步骤中，气体混合物流经谐振器周围的通道。导线被提供有连续的电压或电流，随后，通过热传导和辐射加热该光学谐振器。该气体混合物具有稳定的组成。热平衡被建立，随后谐振器具有温度T。
考虑到通道中的气体混合物的组成是稳定的，谐振器被加热到给定温度，这是由在通过传导和辐射加热导线的热量的流动与通过与支撑件交换的热损失之间的热平衡产生的，从而通过气体混合物和悬挂装置形成恒温器。
导线20通过焦耳效应所提供的功率被表达为：
PJ＝R0I2
其中，R0为导线20的电阻，I为流经R0的电流值。
被加热的光学谐振器可以与借助于在图9中示意性示出的热电阻连接到恒温器的热容量Cth进行比较。光学谐振器被气体包围。
热电阻Rth由气态环境Rth-gaz的热电阻和谐振器的悬挂臂的热电阻组成，热电阻Rth表征该谐振器和外部之间的交换，悬挂臂的热电阻由例如硅Rth-Si制成。
在热平衡处，光学谐振器处于稳定的温度T，其表达为：
T＝T0+P.Rth(I)
T0为通道壁的温度，并且T0为光学谐振器在未加热时的温度。
考虑到气态混合物包含载气和分析物，该气态混合物的热导率表达为：
κgaz＝κ1c+κ2(1-c)(W.m-1.K-1)(III)
其中，k1为分析物的热导率，
C为分析物的浓度，
k2为载气的热导率。
作为信息，对于载气中的分析物浓度的1ppm的相对变化量，热导率的相对变化量为1ppm。
将例如连续的探测光束经由第一波导引入谐振器。如在图4中作为光学谐振器的频率(以Hz为单位)的函数的该光学谐振器的传递函数H的图示中示意性所示的，探测光束的波长(或频率Fs)相对于与透射最大值或反射最大值对应的波长发生偏移。幅度调制的探测光束也也能够被引入谐振器来执行动态测量，下面将对此进行描述。
在第二个步骤期间，分析物的浓度发生变化。
根据关系式(III)，气体混合物的热导率发生变化，光学谐振器和气体混合物之间的热交换被修改，这修改了热谐振器的热平衡和温度。
使用用于通过该混合物和固定光学谐振器的附接件中的热扩散的方程来估算光学谐振器的温度的变化量，该温度变化量可以表达为：
ΔT＝P/G
其中，P为由于焦耳效应所耗散的功率，其中，G表示该***的热导率并在适当情况下，包含与通过气态介质的交换有关的项和与通过形成悬挂装置和销的材料的交换有关的项，并且假定其它耗散模式可以忽略不计，那么G可以表达为：
G＝Ggaz+Gs，其中Gs表示形成谐振器和悬挂装置的硅的导电率。
其中，Ggaz＝(S/g)×γ
通过考虑两个面对面的平面来计算Ggaz，例如包含诸如盘、环或者光子晶体之类的谐振器面向置于其下的基底的平面。S为谐振器的等效表面积，δ为单位自由修正因子，其使得仅通过垂直流动不会实现扩散。这个系数进一步取决于两个平面之间的距离g。此外，正如前面所提到的，传感器被优选为使得通过谐振器悬挂件或者谐振器附接件的热导率比通过气体的热导率小。通过考虑薄的悬挂件和由热绝缘材料制成的销，比率Gs/Ggaz可以小于1％，通过附接件的传导项因而变得可忽略不计。
作为电导率、δTδκgas/初始浓度c0附近的函数的温度变化量的传递函数可以表达为：
Figure BDA0001098080610000101
为了加热光学谐振器，温度变化量的值取决于距离g和所引入的功率的值。例如考虑g约为1μm。这个表达式导出了作为电导率的函数的温度的相对变化量的典型值：
Figure BDA0001098080610000111
谐振器的温度的这个变化量导致谐振器的有效光学指数的变化量。
因此，通过加热光学谐振器，可以修改有效光学指数，在热平衡处的值是指“标称值”。
作为温度的函数的光学指数的变化量取决于波长和温度T0，T0为对应于仅提供有载气(没有分析物)的温度的热工作点。
当气体混合物的组成改变时，气体混合物的热导率改变。这意味着修改加热装置和光学谐振器之间以及光学谐振器和支撑件之间的热交换。热平衡被修改，谐振器的温度升高或降低，有效光学指数在标称值附近经历变化量δn，这在图4的传递函数的图示中被示意性地表示。
谐振器的光学谐振频率取决于有效光学指数。因此，有效光学指数的修改导致谐振器的光学谐振频率的变化量。
可以通过作为温度的函数的谐振频率的相对变化量来估算对光学谐振频率的整体影响：
Figure BDA0001098080610000112
应该注意的是，谐振器的谐振频率的变化量有多个起因，特别地，这些起因为：有效折射率的变化量、由于谐振器的膨胀导致的传播长度的变化量以及层的热应力的变化量。例如，在硅的情况下，硅的典型膨胀系数为3ppm，硅导在1.55μm波长下的有效折射率的变化量大约为50ppm。因此，有效折射率的一阶变量是主要影响。因此，在说明书的其余描述中，应当考虑的是，有效光学指数的变化量是导致谐振器的谐振频率的变化量的主要原因。
因此，传递函数根据光学谐振器的温度(即对应于最大峰值变化的谐振频率)沿着横坐标移动。这个变化量被表达为检测光强的振幅的调制，该检测光强为透射信号或反射信号。该谐振频率变化量对通过谐振器透射或者反射的光强进行调制。
该调制Mo由图4的传递函数示意性地表示。
通过测量该调制，可以追溯到光学谐振频率的偏移、以及透射的和反射的光强。因此可以确定气体混合物的电导率。光学谐振器的质量因子越大，光强的变化量就越大。通过了解气体混合物的组成和它们的热导率，可以追溯到气体混合物的组成，即追溯到一个或多个分析物的浓度的变化量。
通过限制通过悬挂装置的热损耗，人们可以确保温度变化的主要原因是气体混合物的组成的变化。
根据本发明的热流传感器具有非常低的热常数，因而非常有利地允许实施动态测量方法。然后可以通过调制所引入的光强来进行同步检测。在这种情况下，同步检测放大器被用于解调来自光电二极管的信号。这使噪声的损害最小化到1/f，并使得能够实现信号和连续背景噪声之间的更大的比率。根据本发明的传感器的检测限度可以被进一步减小。此外，根据本发明的传感器具有更大的动态范围。
图7示出了能够进行差分测量的***的实施例示例。
该***包括两个根据本发明的热流传感器C1和C2，每个传感器都具有自身的流体通道。该***包括用于每个传感器的光学发射器或用于两个传感器的光学发射器，以及一个或多个用于传感器中的每个传感器的光电探测器。
传感器C1的流体通道仅提供有载气，传感器C2的流体通道仅提供有载气或者提供有待分析的气体混合物(载气和分析物)。
两个传感器的光电探测器连接到相同的处理电子装置。因此可以测量在由两个传感器的光电探测器获得的电信号的差异，这使得能够移除连续的背景噪声并将热漂移限制到一阶。
在图8A和图8B中可以看出测量***的另一示例，这有利地在干涉结构(如马赫-曾德尔类型)中实现基于干涉的测量方法。
正如图7中的***，测量***包括两个根据本发明的热流传感器C1和C2，每个热流传感器具有自身的流体通道。该***包括用于两个传感器的光学发射器22和干涉后收集检测光的光电探测器。
传感器C1的流体通道仅提供有载气，传感器C2的流体通道仅提供有载气或者提供有待分析的气体混合物(载气和分析物)。
将在两个传感器中收集的透射光束进行合并并通过电子装置对所得光束进行处理。
在图8A中，传感器是与图3A和3B中的传感器的类型相同的传感器，在图8B中，传感器包括直波导。此外，在这个示例中，干涉结构包括用于恢复来自两个传感器的测量光束的波导。这些波导被组装为“Y”以使所述测量光束互相干涉。自然地，可以使用任何其他用于恢复并干涉来自两个传感器的测量光束的设备来代替“Y”配置中的波导。
在该***中，相对于另一马赫-曾德尔的分支来测量马赫-曾德尔的分支的相移，而不是信号幅值。
作为一个变型，该***能够使反射光束发生干涉。
由于基于干涉的***是完全光学差分模式，因此可以使用较简单的电子器件从而形成更紧凑的***。
图5示出了根据第二实施例的传感器的实施例示例。这个传感器不同于第一实施例中不包括外部加热装置的传感器。
该传感器包括连接到第一波导16’的光源30，光源30可以确保悬挂在通道2中的光学谐振器8的自加热。第一波导16’收集透射光束，波导18’收集反射光束。
在这个实施例示例中，波导16’和18’是平行的并穿过通道。可以设想与波导16和18相同的波导。
在示出的示例中，存在与光源22相关的附加的光源，该光源将足够高功率的光束发送给第一波导。吸收机制将这种光能转换成热能，从而加热谐振器。
局部加热的范围可以从对于低功率(例如低于100μW)的几度到对于高功率(例如大约十几毫瓦(mW)或几十瓦(W))的几百度。
附加的光源30为例如其发射波长与传感器光源的波长不同的激光器。
作为一个变型，可以使用引入传感器光束的单个光源，该光源用于测量并加热谐振器。
在这个实施例中，当包围谐振器的气体混合物的热导率变化时，由于加热是在谐振器内部进行的，因此只会影响在谐振器和由通道形成的支撑件之间的热交换。
根据第二实施例的传感器的工作原理类似于根据第一实施例的传感器的工作原理。
谐振器的温度T是温度的增高和与气态环境的热交换之间的热平衡，可以表达为：
T＝T0+ΔT＝T0+Popt/(Gth_Si+Gth_gaz)
其中，T0为谐振器的初始温度，
Popt为加热光源提供的功率。
Gth_Si和Gth_gaz分别为硅和气体的热导率。Gth_Si表征通过悬挂装置的交换。
测量光学谐振频率的变化量。该变化量根据谐振器的温度发生变化，其取决于和气态环境的交换并由此取决于气态环境的组成。
我们将估算根据本发明的测量传感器的性能。考虑到由对应于透射或反射响应的峰值的半高宽的最小测量光谱变量给出的分辨率的较低限度，并考虑由硅制成的、其精度F＝1000、有效指数neff＝2.4且半径R＝50μm的微型谐振器，即，自由光谱间隔约为3.2nm。因此，半高宽大约为3.2pm，这对应于105的质量因子。谐振波长对温度的灵敏度约为75ppm/℃(即：对于1.55μm的传感器波长，灵敏度为～50ppm)，理论的温度分辨率约为0.05°K(即：δΔT＝0.05°)。
对于200℃的工作温度，可以确定的是，浓度的最小的测量变量为从200ppb至1000ppm。绝对检测限度取决于载气-分析物的组合。在加入了苯的氦气的情况下，检测限度约为7ppm。现有技术的TCDs可以检测苯从10ppm至数十ppm、甚至数百ppm的浓度的变量。
应该注意的是，上述计算没有将光源(光子噪声)和检测器(肖特基噪声，1/f...)的固有噪声考虑在内，而是仅考虑了光学谐振器的光谱精度。
因此仅通过示例的方式给出尺寸标注值。
对于高度介于例如100nm和500nm之间的波导，其宽度可以介于100nm和500nm之间。波导的尺寸例如为：500nmx200nm。
波导和光学谐振器之间的距离例如介于50nm和500nm之间，例如等于200nm。
热元件和谐振器之间的距离约为1μm，并且可以达到数个微米，例如等于2μm。
在环型光学谐振器的情况下，光学谐振器的半径可以介于1μm和100μm之间，例如等于50μm。
例如，一个或者多个光学谐振器可以由硅、掺杂硅、氮化硅、铌酸锂或基于III/V材料的砷化镓制成。根据波导材料和尺寸，尤其根据它们的横截面并根据环或者圆盘谐振器的半径来调整形成发射器的单个激光器或多个激光器的波长。例如，在由硅或III/V材料制成的光学谐振器的情况下，波长为1.55μm，在由锗硅合金制成的光学谐振器的情况下，波长的范围约从3μm至7μm，在由锗制成的光学谐振器的情况下，波长处于7μm至12μm范围内。
可以使用在微电子中例如根据SOI(Silicon on Insulator，绝缘硅)基底已知的方法来实现热式传感器，尤其是通过应用光刻、刻蚀、外延生长步骤来实现。

Claims (21)

1.一种热流传感器，包括至少一个光学谐振器(8)，所述光学谐振器(8)通过悬挂装置悬挂在支撑件上，所述光学谐振器(8)被配置为悬挂在气态环境中，所述光学谐振器(8)包括至少一个波导、至少一个配置为将测量光束引入所述波导的引入装置、配置为对来自所述光学谐振器的波导的光束进行收集的至少一个收集装置，以及用于加热所述光学谐振器(8)的加热装置，其中所述光学谐振器的波导通过悬挂装置悬挂在所述支撑件上，所述悬挂装置使所述光学谐振器(8)热隔离，并且其中所述加热装置远离所述光学谐振器(8)放置。
2.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，分隔所述加热装置和所述光学谐振器(8)的距离介于200nm和10μm之间。
3.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述加热装置为焦耳效应加热装置。
4.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述加热装置包括至少一个悬挂在所述支撑件上的导线，所述导线连接到电压源或者电流源。
5.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述加热装置包括至少一个电阻材料层，该电阻材料层面向所述光学谐振器(8)放置并布置在所述支撑件上，所述电阻材料层连接到电压源或者电流源。
6.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述加热装置包括配置为将光束引入所述光学谐振器(8)的光束源，所述光束源的功率使所述光学谐振器(8)自加热。
7.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述悬挂装置包括至少一个横梁(12)。
8.根据权利要求7所述的热流传感器，其中，所述横梁(12)的宽度介于50nm和10μm之间，厚度介于50nm和500nm之间，长度介于1μm和100μm之间。
9.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述光学谐振器(8)包括光学环、光盘或者光子晶体。
10.根据权利要求9所述的热流传感器，其中，所述光学谐振器(8)包括半径介于1μm和100μm之间的光学环。
11.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述引入装置为波导，所述收集装置由与所述引入装置的波导相同的波导形成，所述收集装置收集反射光束。
12.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述引入装置为波导，所述收集装置由另一波导形成，所述收集装置收集透射光束。
13.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述引入装置为波导，收集反射光束的收集装置由第一装置的波导形成，其中，所述传感器还包括另一收集透射光束的波导。
14.一种气体传感器，包括至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的热流传感器，其中，所述光学谐振器(8)被悬挂在向流体通道提供气体混合物的输入端与从所述流体通道移除所述气体混合物的输出端之间的流体通道(2)中。
15.一种形成皮拉尼计的传感器，包括至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的热流传感器，其中，所述光学谐振器(8)被悬挂在该光学谐振器(8)对其压力进行测量的气体混合物中。
16.一种测量***，包括：至少一个根据权利要求1至15中任一项所述的传感器、连接到所述引入装置的测量光束的测量光束发射器(22)、至少一个连接到所述收集装置的光电探测器(24)，以及用于对所述光电探测器发射的信号进行处理的处理电子装置(28)。
17.根据权利要求16所述的测量***，其中，所述测量光束发射器(22)发射幅度调制光束。
18.根据权利要求16或17所述的测量***，其中，所述测量光束发射器(22)为激光器。
19.根据权利要求16或17所述的测量***，其中，所述测量光束发射器(22)还形成使所述光学谐振器能够自加热的光束发射器。
20.根据权利要求16或17所述的测量***，包括另外一个根据权利要求15所述的传感器，其中，所述气体混合物包括载气和至少一个待检测的分析物，一个传感器的流体通道被提供有气体混合物，另一传感器的流体通道仅被提供有载气，每个传感器的收集装置经由光电探测器连接到所述处理电子装置以允许进行差分测量。
21.根据权利要求16或17所述的测量***，包括另外一个根据权利要求15所述的传感器，其中，所述气体混合物包括载气和至少一个待检测的分析物，一个传感器的流体通道被提供有气体混合物，另一个传感器的流体通道仅被提供有载气，每个传感器的收集装置经由用于从两个传感器出射的测量光束的恢复和干涉设备连接到所述处理电子装置，以允许对两个收集装置所收集的检测光束之间的相移进行测量，从而允许进行干涉测量。
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