[0001] 本申请涉及气体成分探测的技术领域，具体地涉及双通道激光器、双通道探测器、双通道激光器封装方法及气室。

[0002] 激光气体传感器是一种以半导体激光器为核心的气体传感器，是利用波长电流调制特性和波长温度调制特性，在恒定温度下，通过改变激光器驱动电流的方式，扫描待测气体吸收谱线，实现气体浓度测量。激光气体传感器基本原理是朗伯比尔定律，它是一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)谐波探测技术进行气体浓度测量的传感器，它利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性，通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰，实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。具有精度高、稳定性好、寿命长、轻量化、无需校准等特点，特别适合应于航天、航空、工业气体监测等对可靠性和寿命要求极高的领域。

[0003] 激光气体传感器常用于检测甲烷、一氧化碳等易燃易爆、有毒的危险性气体的浓度。现有的激光气体传感器通常使用一个激光波长进行探测，例如进行甲烷探测，或者CO2探测。但是在有些场合需要测试两种气体的成分，因此就需要两种传感器。每一种传感器的模组组成都基本相同，只是探测气体的波长不同。分别使用两种传感器同时探测两种气体成分增加了使用成本和生产成本，如何获得低成本并且可以同时探测多种气体成分的激光气体传感器是亟需解决的技术问题。

[0004] 本背景技术描述的内容仅为了便于了解本领域的相关技术，不视作对现有技术的承认。

[0046] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

[0047] 在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

[0048] 图1示出了一种可以实施本发明实施例的发射端激光器封装贴片位置示意图。如图1所示包括陶瓷板1，陶瓷板1上镀有设计好图案的金属电路层；热敏电阻2贴在陶瓷板1上，热敏电阻2的大部分处于陶瓷板1的金属电路层上，激光器3贴在陶瓷板1上的金属电路层上，激光器3处于热敏电阻的下方，光电转换器4贴在陶瓷板1上的金属电路层上，光电转换器4处于激光器3的右侧。其中，激光器3通过进线5与处于其下方的陶瓷板1上的金属电路层连接，光电转换器4与处于其下方的陶瓷板1上的金属电路层连接。其中，所述光电转换器可以是光电二极管(PD)也可以是其他具有光电转换功能的器件，本申请实施例对光电转换器不做具体限定。激光器在前端发射光的同时，后端是有1％左右的光出来，通过后向的光电转换器4进行监控，就可以获得前向的发光能量。对前向的光能量进行实时的监控，将探测端探测的能量和实际发射的能量进行对比就可以获得光路能量的损耗。

[0049] 图2示出了一种可以实施本发明实施例的发射端激光器封装结构示意图。如图2所示的封装结构包括管壳8，管壳8内部有两列管壳引脚9，温度控制器10处于管壳内部的中央部分，温度控制器10的左右分别封装两个如图1所示实施列的激光器，光电转换器，热敏电阻的封装装置，其中激光器61，激光器62相当于图1实施列中的激光器3，光电转换器71，光电转换器72相当于图1实施列中的光电转化器4，热敏电阻11与热敏电阻111当于图1实施列中的热敏电阻2，其封装的位置与图1所示实施例类似这里就不再赘述。反射棱镜处于温度控制器10的中心部分，处于如图1所示的两个激光器，光电转换器，热敏电阻的封装装置之间。陶瓷板上的金属电路层通过金线12与管壳引脚9相连接。图2所示实施例中激光器61与激光器62可以发射不同波长的激光；光电转换器71与光电转换器72分别用于监控激光器61与激光器62的光能量。图2所示实施例提供了同时探测两种不同气体成分的封装结构，但是并不局限于同时探测两种不同气体成分，同时探测大于两种气体成分的封装结构与图2所述实施例类似，这里就不再赘述。

[0050] 图3示出了一种可以实施本发明实施例的发射端双波长激光器端的结构示意图，如图3所示结构，包括管壳301，管壳引脚309，温度控制器310，陶瓷基板308处于温度控制器310上方，激光器302与光电转换器303处于陶瓷基板308的一侧，激光器305与光电转换器
306处于陶瓷基板308的另一侧，反射棱镜311处于激光器302与激光器305之间，准直透镜
304处于反射棱镜311上方，激光器302与激光器305可以发射不同波长的光线，经反射棱镜发射，然后经过准直透镜发射出去。

[0051] 图4示出了一种可以实施本发明实施例的探测器端的结构示意图。如图4所示探测器端的结构包括两个探测器芯片，探测器芯片13与探测器芯片15，其中探测器芯片13与探测器芯片15分别处于两个陶瓷基板18上，探测器芯片13与探测器芯片15分别通过金线20与各自对应的陶瓷基板连接，探测器芯片13与探测器芯片15之间用光隔离(Space)14进行两个波长光的隔离，窗口片16通过镀膜可以透光对应的两个波长。Space进行两个波长光的隔离，避免了两个光的干扰。图4所示的探测器端的两个芯片的接收波长与上述实施例中的激光器的发射波长一致的时候探测效率最高。

[0052] 图5示出了一种可以实施本发明实施例的探测器芯片的封装示意图。如图5所示包括：陶瓷基板22，陶瓷基板22上有设计好图案的金属电路层，将探测器芯片21贴在陶瓷基板22的金属电路层上，探测器芯片21通过金线23与陶瓷基板22的金属电路层连接。图5所示的芯片封装实施例可以用于图4所示实施例中的探测器芯片的封装。将两个探测器芯片按照图5所示实施例封装然后再将两个探测器封装在同一个探测器管壳内部。

[0053] 图6示出了一种可以实施本发明实施例的双波长探测器截面的示意图，如图6所示包括：管壳25，管壳25内部包括封装好的两个探测器芯片25，所述两个探测器芯片25使用图5实施例提供的结构进行封装，贴在陶瓷基板27上，所述陶瓷基板27上有设计好图案的金属电路层，两列管壳引脚26分别处于所述陶瓷基板27的上下两侧，管壳引脚26通过金线29与陶瓷基板27上的金属电路层连接，陶瓷基板27上的金属电路层彼此之间也通过金线29连接。两个封装芯片之间通过光隔离24相互隔离，避免两个光的干扰。图6所示实施例中两个芯片可以接收不同波长的探测光，同时探测不同成分的气体。图6所示实施例提供了同时探测两种不同气体成分的探测器端的结构，但是并不局限于同时探测两种不同气体成分，同时探测大于两种气体成分的探测器端的结构与图6所述实施例类似，这里就不再赘述。

[0054] 图7示出了一种可以实施本发明实施例的激光器封装流程图。本申请实施例中的激光器可以使用DFB(Distributed Feedback Laser)激光器，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅(Bragg Grating)，属于侧面发射的半导体激光器，但是并不局限于DFB激光器。

[0055] COC(chip on carrier)是指将采用熔融共晶等工艺将芯片设置于基板的特定贴片区域。在COC封装之前需要经过一系列的测试过程，包括推拉力测试和老化测试等。由于COC的基板和芯片尺寸非常小，因此封装和测试过程都需要在专用的治具上进行。，[0056] 温度控制器(TEC)是一种高性能数字式温度控制器，设计用于驱动电流±5A的半导体制冷器(TEC)元件。它支持负温度系数热敏电阻温度传感器，传感器的R0、T0、β参数值可数字设定，数字PID控制可进行P(比例)增益、I(积分)偏离控制、D(微分)速率参数的独立调整，通过数字PID闭环控制可适应不同的热负载。同时，为了保证对一定体积空间内的控温准确性，采用多点测温的方式，对其中的某一点(可切换)进行控温，其余点作为监控，以便用户监测控温的准确性和了解控温点的选择合理性。TECPDR‑3A能够提供8小时内环境温度变化±5℃情况下，控制点0.01℃的优异温度稳定性，增强的安全保护和错误指示，使该设备非常适合冷却需要高稳定性、可靠性和精度的非常灵敏的设备。

[0057] 图7所示的流程包括如下步骤：

[0058] S701：采用COC的方式将激光器贴片在陶瓷基板上。在S701步骤是将上述实施例的两个激光器贴在陶瓷基板上，用金线完成陶瓷板上的上述实施例中的相关连接；

[0059] S702：将TEC温度控制器贴在管壳内；

[0060] S703：将贴好的激光器采用COC的方式贴在TEC温度控制器；

[0061] S704：将PD采用COC的方式贴陶瓷基板上；

[0062] S705：将热敏电阻采用COC的方式贴陶瓷基板上；

[0063] S706：绑线；在管壳内部进行金线的打线操作；

[0064] S707：耦合反射镜；打线完成后贴上反射镜；

[0065] S708：封盖；

[0066] S709：捡漏；

[0067] S710：测试。

[0068] 在本申请的上述实施例中的反射镜的两面需要镀反射膜，镀反射膜的波长取决于需要探测的气体成分，例如对于甲烷进行探测需要镀1653.7nm(纳米)的反射膜，可以使得反射率大于96％。对于其他气体成分的探测在反射镜的两面镀膜相应波长的发射膜同样可以达到高反射率，这里就不再赘述。

[0069] 在本申请的上述实施例中的将热敏电阻与芯片封装在同一个基板上，实现了温度的测量。

[0070] 图8示出了一种可以实施本发明实施例的气室光路示意图。如图8所示实施例气室800包括：双通道激光器801、双通道探测器802、进气口803、光路804、出气口805。其中，双通道激光器801使用本申请上述实施例提供的激光器封装结构对两个激光器进行封装；双通道探测器802使用本申请上述实施例提供的探测器端封装结构进行封装。双通道激光器801发出光线后经过光路804中的点①，点②，点③，点④，点⑤反射后进入探测器进行探测，当有气体从进气口803进入室内时，气体在室内吸收相应的波长。激光器将经过菱形光路的光能量与激光器本身发射的光能量(背向探测器测试的光能量)进行比对。标定后就可以知道气体的浓度。

[0071] 图9示出了另一种可以实施本发明实施例的气室光路示意图。如图9所示实施例包括：双通道激光器901、双通道探测器902、进气口903、出气口904。其中，双通道激光器901使用本申请上述实施例提供的激光器封装结构对两个激光器进行封装；双通道探测器902使用本申请上述实施例提供的探测器端封装结构进行封装。双通道激光器901发出光线后经过光路中的点①，点②，点③，点④，点⑤反射后进入探测器进行探测，当有气体从进气口903进入室内时，气体在室内吸收相应的波长。激光器将经过菱形光路的光能量与激光器本身发射的光能量(背向探测器测试的光能量)进行比对。标定后就可以知道气体的浓度。图9所示实施例中气室平行腔反射镜采用两个平面反射玻璃进行反射，所述反射腔体工艺简单，易于集成，还可以拓展为多个反射点增加反射光程。

[0072] 图10示出了又一种可以实施本发明实施例的气室光路示意图。如图10所示实施例包括：双通道激光器1001、双通道探测器1002、进气口1003、出气口1004。其中，双通道激光器1001使用本申请上述实施例提供的激光器封装结构对两个激光器进行封装；双通道探测器1002使用本申请上述实施例提供的探测器端封装结构进行封装。图10所示的实施例中积分球式腔体内部镀有高反射率的漫反射涂层，双通道激光器1001发射光线进入腔体后发生漫反射，最终光经过多次漫反射后被双通道探测器1002接收。如果在腔体内部没有探测的气体时，探测器测到的光功率为一个恒定值。当有一定浓度的气体时，探测器光功率随着浓度衰减，衰减的比例可以进行标定，即可测定气体成分与含量。

[0073] 本申请提供的实施例将两种激光器集成封装在同一个管壳内部，实现了多波长激光器的集成封装；同时对应的探测器也封装在同一个管壳内部实现了多波长探测器的集成封装。所述激光器和探测器可以使用同一套信号处理电路和同一套气室，实现两种不同气体成分的探测。本申请实施例提供的集成光学光路和光学集成设计在生产也节约了分别生产两种激光和探测器的成本。

[0074] 除非明确指出，根据本发明实施例记载的方法、程序的动作或步骤并不必须按照特定的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

[0075] 在本文中，针对本发明的多个实施例进行了描述，但为简明起见，各实施例的描述并不是详尽的，各个实施例之间相同或相似的特征或部分可能会被省略。在本文中，“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”意指适用于根据本发明的至少一个实施例或示例中，而非所有实施例。上述术语并不必然意味着指代相同的实施例或示例。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0076] 已参考上述实施例具体示出并描述了本发明的示例性系统及方法，其仅为实施本系统及方法的最佳模式的示例。本领域的技术人员可以理解的是可以在实施本系统及/或方法时对这里描述的系统及方法的实施例做各种改变而不脱离界定在所附权利要求中的本发明的精神及范围。