基于PVDF压电膜片的非共振光声探测器及其气体检测应用

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近年来,随着国民经济的快速发展,国家工业化和城乡一体化进程显著加快,人口数量迅速增长,能源消耗持续增加,空气污染形势日益严峻。非色散红外(简称NDIR)吸收气体探测方法由于其众多的优势而受到了广泛关注。作为NDIR检测技术的一支,基于光声效应的非共振光声红外检测系统由于具有结构简单、灵敏度高和成本低的特点,已成为痕量气体检测的一个重要手段。针对目前非共振光声探测器低频响应差的问题,本文采用PVDF微压检测器制备非共振光声探测器,改善探测器的低频响应特性,并将制备的探测器应用于NDIR气体测试系统,实现了对CO2气体的检测。  优化了非共振光声探测器红外吸收腔室的长度,得到了腔室的最佳长度为0.8cm;利用ANSYS软件对PVDF膜片的压电特性进行了仿真,根据仿真结果确定了两种微压检测器设计方案:基于电极图形化的单膜片结构PVDF微压检测器和双膜片结构PVDF微压检测器;分析了膜片面积、厚度和方向对微压检测器输出特性的影响,综合考虑器件特性及工艺实现,选用膜片尺寸为10mm×5mm,厚度为20μm;分别制备了两种结构的微压检测器,单膜片结构PVDF微压检测器采用光刻工艺实现电极图形化,双膜片结构PVDF微压检测器采用常温银浆贴合的方式实现电气连接;完成了基于PVDF微压检测器的光声探测器的封装,并对其进行了性能测试:单膜片结构PVDF微压检测器受制备工艺的影响,输出信号较低,双膜片结构PVDF微压检测器的原始信号为162.7mV,约是单膜片结构的10倍,实验验证了以Y方向作为膜片长边的结构性能优于以X方向作为长边的结构,根据系统频率特性测试结果选取光源调制频率为1Hz;将制备的双膜片结构PVDF光声探测器应用于NDIR气体检测系统,CO2气体的最低理论检测限约为29ppm(等噪声)。
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