LARK-1 C2H2紅外乙炔傳感器
在介紹新款的紅外傳感器之前，請允許我先做個廣告。2018年的1月末，諾聯芯的LARK-1紅外氣體傳感器在美國西部的展覽會Photonics West上展出了。
Photonics West是美國西部最大的光學科技展覽會，主辦方是大名鼎鼎的SPIE (Society of Photo–Optics Instrumentation Engineers，國際光學工程學會)。能夠在世界頂級的展覽會上展出紅外氣體傳感器，一直是諾聯芯的夢想，這次的展出，標志著我們的紅外氣體傳感器已經登上了國際舞臺。這次能夠順利展出LARK-1系列紅外傳感器的demo kit，還要承蒙Semeatech公司和EOC公司的大力支持。在此對Fei Shen先生表示衷心的感謝。
廣告之后，開始介紹諾聯芯的新品傳感器LARK-1 C2H2。乙炔(C2H2)的檢測一直都是比較難的。先講一下電化學(EC)、催化燃燒(CAT)、金屬氧化物(MOS)、紫外光離子化(PID)來探測乙炔的難度。
如果用電化學傳感器來測乙炔，那么H2, CO, C2H4都是比較強的交叉干擾氣體，交叉干擾系數甚至能夠達到100%以上。
如果用催化燃燒傳感器來測乙炔，那么不僅交叉干擾的問題依然存在，而且，用來測甲烷的催化劑和催化珠溫度都不適合，進而影響靈敏度和使用壽命。當然，也有專門探測乙炔的催化珠，但也只能夠測量幾千ppm到幾萬ppm的濃度，低濃度測量時分辨率達不到，無法勝任的。高濃度時，溫度過高又會導致催化珠中的Al2O3燒結，產生永久性的損壞。
MOS傳感器測不了乙炔，因為SnO2遇到乙炔中間體，而乙炔中間體是帶正電的，無法給吸附氧提供電子，催化活化過程被抑制，SnO2半導體電阻就不會變化了，所以MOS傳感器測不了乙炔。
如果用光離子化探測器(PID)來測乙炔，則需要用11.7eV的紫外燈，因為乙炔的電離能是11.4eV。這種紫外燈壽命很短，很可能連1個月都不到，而且該紫外燈很難制作，成品率極低。所以這就是為什么市場上很難看到11.7eV的PID傳感器的原因。
諾聯芯就是在總結了其他傳感器測乙炔有諸多缺點之后立項研發的。使用LARK-1 C2H2測乙炔的好處包括：
1.對H2, CO沒有交叉干擾，甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、氯甲烷(CH3Cl)和氯乙烯(C2H3Cl)的交叉干擾也非常小。普通HC化合物的的紅外吸收波長在3.3um - 3.5um區間，而C2H2的吸收波長在3.0um附近。這就從原理上保證了紅外C2H2有非常小的交叉干擾。
2.分辨率很好，小于10ppm。
3.響應時間很快，小于5秒。
1.基本特性
從上圖我們可以得知，通入高純N2和100ppm C2H2的時候，LARK-1 C2H2的響應速度T90和回零速度RT90小于5秒。分辨率小于10ppm。傳感器有零漂，但不大。
上圖是LARK-1 C2H2通入高純N2和1000ppm C2H2時候的響應和回零曲線。
上圖是LARK-1 C2H2通入高純N2和5000ppm C2H2時候的響應和回零曲線。
2.重現性
從上圖我們可以看到通入6次高純N2和500ppm時候的零點讀數和500ppm讀數，標準差Stdev=4.5ppm。
3.線性
上圖是LARK-1 C2H2分別通入高純N2、250ppm、500pp、750ppm、1000ppm C2H2時候的讀數，最大的誤差是-38ppm。如果做好零點的負漂補償，所有讀數加上30ppm，那么最大的誤差就只有-8ppm了。
這張圖是上圖中數據取出來所做的線性，線性判決系數R^2=0.999883。
上圖是LARK-1 C2H2分別通入高純N2、1500ppm、3000pp、4500ppm、6000ppm、7500ppm、9000ppm和10000ppm C2H2時候的讀數，最大的誤差是+49ppm，這個誤差基本上已經在配氣裝置——質量流量控制器誤差的極限了。
從這張圖，我們還能得到一個重要信息，只要零點準，測量點就會非常準，并且零點和測量點的讀數是平移的關系。
從0 – 10000ppm C2H2的測量中，得到線性判決系數R^2=0.999969。
4.長時間通氣實驗
在1個多小時的1000ppm C2H2平衡中，我們得到的最大極差是6ppm。
5.高低溫特性
上圖中是一個溫度循環中LARK-1 C2H2的讀數情況。溫度循環的順序是20℃à0℃à-20℃à0℃à20℃à40℃à50℃à40℃à20℃。所測量的濃度為兩個——0ppm和1000ppm。高溫時候的誤差會相對大一些，主要是因為零點的負漂。
6.濕度特性
注：20℃時，80%RH所對應的絕對濕度是13.84g/m^3。
上圖是在20℃時候，用鋼瓶氣和氣袋配不同濕度的高純N2和1000ppm C2H2所測得的數據。從上圖我們得到如下結論：
濕度對LARK-1 C2H2的影響非常小，基本上可以控制在50ppm之內；
在測零點的時候，氣袋本身會有少量VOC的揮發，零點會增加30ppm的讀數；
氯乙烯材質的氣袋會吸收少量的C2H2，導致測量的時候讀數偏低；
測量結束時，用鋼瓶N2再次吹掃LARK-1 C2H2，零點仍然可以回到測試之初的讀數。
注：50℃時，80%RH的濕度對應的絕對濕度是66.4g/m^3。
上圖是在50℃時候，用鋼瓶氣和氣袋配不同濕度的高純氮和1000ppm C2H2所測得的數據，結論和20℃時候相同。唯一不同的是高溫的時候LARK-2 C2H2有-170ppm左右的溫漂，需要做零點的補償。
7.交叉干擾
從上圖我們看出，LARK-1 C2H4對4種交叉干擾的氣體響應值都很小，交叉干擾分別為：
500ppm C2H4：交叉干擾幾乎不可見。
50000ppm CH4：交叉干擾的讀數應該是：-124-(-13)=111。交叉靈敏度系數為111/50000 = -0.0022。
200ppm CH3Cl：交叉干擾幾乎不可見。
9000ppm – 27000ppm C2H3Cl：交叉干擾不明顯，就按照27000ppm C2H3Cl時候讀數的均值來計算交叉干擾讀數：-29-（-13）=-16。交叉靈敏度系數為-16/27000 = -0.0006。
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