二氧化碳气体光声光谱检测技术专利分析

二氧化碳气体光声光谱检测技术专利分析

王丽,张煜欣（等同第一作者）,余玲,黄俞

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北 武汉 430205）

摘要：二氧化碳（CO2）作为温室气体的主要成分，其排放量和浓度检测已是全球关注的焦点。光声光谱技术以选择性好、响应速度快、灵敏度高等特点被广泛应用于气体浓度检测。本文围绕CO2光声光谱气体检测技术，从专利的视角针对该技术的申请趋势、技术原创国和目标国分布、主要申请人情况进行了统计分析，并结合技术发展对该领域专利申请的发展趋势进行了梳理。

关键词：二氧化碳气体检测  光声光谱  专利分析

一、概述

随着全球气候变暖问题的日益加剧，温室效应引起了国际社会的广泛关注，碳减排成了当务之急，而发展可靠的碳排放检测技术，准确而全面获取碳排放数据，可以为碳减排措施的制定及其减排效果评估提供有力的技术支撑[1]。另一方面，二氧化碳浓度检测也有其他应用价值，在通风控制、废水处理、安全生产、火灾探测、光合作用等方面都发挥重要作用。

光声光谱技术（PAS）是一种间接吸收光谱技术，其通过测量气体吸收光能后所产生的声音信号来确定气体的含量，不是直接测量光强度的变化。早在1880年，Bell就发现了光声效应，因当时相关技术没有跟上，光声效应的研究一直没有受到应有的重视。随着合适的传声器的问世，到1938年，Viegerov开始利用光声效应来研究CO2和CH4气体对红外光的吸收[2]。直到20世纪70-80年代，微弱信号检测技术的发展，使得国际上掀起了光声光热技术的研究与应用高潮。目前，以光声效应为基础的光声光热技术已经广泛应用于材料学、无损检测、生物医学、痕量气体探测、物理与化学、层析成像与显微成像等众多领域[3]。

二、CO2气体光声光谱检测技术专利申请整体概况

2.1 申请量趋势分析

早在二十世纪七十年代，就有专利申请开始尝试将光声光谱检测技术应用于CO2气体浓度检测中，之后的三十年一直都处于萌芽期，申请量较少，除了受相关技术的限制外，一定程度上也反映出CO2气体浓度检测还没有引起足够的关注。1997年12月《京都议定书》通过，人类历史上第一次以国际法形式就温室气体排放量作出定量限制，随着各国陆续签署《京都议定书》以及有关碳减排的相关宣传和报道增多，2000年之后出现了一波申请小高峰。2007年2月，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发表了第四份气候变化评估报告，认为全球变暖90%以上可能是人类活动导致的，到2100年海平面将上升28至43厘米，这一结论再度掀起了国际热议，这也促成了2007年后相关申请量又出现了一个峰值点。而2010-2013年间又出现小幅回落，表明光声光谱检测技术的改进难度越来越大。随后，得益于微机电技术、半导体技术的运用，2015年之后申请量出现爆发式增长。

2.2 全球专利技术原创国及目标国分析

笔者通过统计优先权字段的方式对技术原创国家的信息进行了统计，并通过统计受理局字段的方式对技术目标国家的信息进行了统计。通过统计得出，美国、中国、欧洲地区、德国和日本是主要技术来源国，总申请量占全球申请总量的近84%，其中美国以绝对优势位居第一，占比33%。受绿色发展理念和政策导向，中国近几年在CO2气体检测领域具有较高的关注热度，并投入了较多的研发力量，其原创专利申请量位居第二，占比近23%。另外，法国、丹麦、瑞士和挪威也在该领域贡献了一定的技术力量，他们在CO2气体光声光谱检测方面做出的努力也是不容忽视的。

中国、美国、欧洲地区、德国和日本是进行相关专利布局的主要目标国，而中国和美国更是占据了将近一半的申请量，分别位居第一和第二，欧洲地区、德国和日本分别位居第三、第四和第五，占比相差不大，但与第一梯队的中国和美国相比有明显降低。值得注意的是，中国从作为原创国的占比位居第二到作为目标国的占比位居第一，反映出国外申请人重视在中国市场布局。

2.3 主要申请人分析

经过统计全球专利申请量排名前十的申请人依次为英飞凌（德国）、霍尼韦尔（美国）、湖北鑫英泰、西门子（德国）、哈恩希卡尔特（德国）、弗朗霍夫（德国）、国家电网、原子能和替代能源委员会（法国）、PRANALYTICA（美国）、盛思锐（瑞士）。可以看出，申请人均为企业或研究机构，有4位排名靠前的申请人来自于德国，分别为英飞凌、西门子、哈恩希卡尔特和弗朗霍夫学会，其中，英飞凌的申请量遥遥领先，远远高于位居第二的美国申请人霍尼韦尔，说明德国的CO2气体光声光谱检测集中于几家龙头企业或研究机构。相比之下，美国在原创国申请量中以较高的比重占据第一，但排名前十的申请人仅为霍尼韦尔和PRANALYTICA，且申请量不高，说明美国在该技术上创新主体较为分散，做出特色研究的领军企业相对较少。中国的申请人湖北鑫英泰和国家电网则依靠光声光谱器件在变压器油气（含CO2气体）监测领域中的应用，在全球前十申请人中占据一席之位，这两个企业的申请更多的是涉及变压器油气中各种气体监测后用于电力系统的运行安全评估或运行控制等，不是侧重于对光声光谱技术本身的改进。

三、CO2气体光声光谱检测专利技术演进路线

从光声光谱检测原理可知，光声池是光声光谱气体检测系统的核心器件，其特性很大程度上决定了系统的分辨力、信噪比和检测限等关键性能。从全球CO2光声光谱探测技术的专利申请情况来看，抗干扰能力好、稳定性高、信噪比高的光声池设计是其主要的改进方向。早期的专利文献便是首先从光声池的构造上进行改进，1985年专利申请（US4740086A）介绍了一种简单、廉价的大气中CO2检测装置，大气中的CO2通过气体通道的具有声学衰减的透气薄膜扩散进入光声池，经过强度调制后的光束射入光声池后，通过光声池后壁的凹面反射镜来回反射增加光程，CO2气体吸收的光束辐射而产生的周期性压力波动由麦克风进行检测。该装置结构简单，通过凹面反射镜实现光声池的小型化设计，且在低频调制频率下操作时，通过透气薄膜能够很好地避免外界的声学干扰。此后，专利申请（DE10051691A1）通过锥形光声室的设计，测量光束在具有椭圆形轮廓的光声室中最大化地增加光程，同时采用驻极体电容式麦克风形成传感器管作为光声检测器，克服了现有闭孔光声气体检测信噪比差的问题，提高了检测灵敏度。

随着微机电技术的发展，除了提高光声池的检测性能外，设计结构简单、体积小、造价低的光声池成了另一个重要的改进方向，并逐渐形成了将光源和传声器等关键部件集成在光声池内形成光声传感器的发展趋势。专利申请（DE102015106373A1）公开了一种紧凑型的光声气体传感器，发射模块和接收模块以及电子元件模块集成在衬底上，被具有特定几何构造内壁面的外壳所包容，其中发射模块以光束包的形式发射测量光束以提高测量光束与待测气体之间的光声效应。专利申请（WO2020212481A1）在以传感器形式进行光声检测的基础上，还集成了用于感测温度、湿度、压力和其他多种不同气体组分的传感器，通过温度、湿度、压力的测量值补偿气体测量结果值，由此减少或消除环境条件对组分测量的影响；同时采用顶部涂覆反射层的底部端口麦克风增加低频响应，提高信噪比。

此外，光源和传声器的优化以及信号处理也穿插在气体光声光谱技术的改进路线中。专利申请（JPH09512629A）提供了一种长期稳定，不需要频繁校准，用于室内CO2光声检测的红外光源，整个光声检测设备小型化地安装室内墙壁上，红外光源在微控制器的控制下脉冲打开和关闭，并由灯强度控制器监测光源的老化效应，最小化光源老化带来的准确性和稳定性的影响，仅需要校准光声信号斜率这一个参数，预计安装后五年不需要进行现场校准。专利申请（CN101796409A）公开了一种持续但节能的CO2光声检测方式，同时设置了非专用气体传感器和专用气体传感器，消耗较少能量的非专用气体检测器持续地动作并且每当检测到变化时将专用检测器唤醒，测量特定气体的浓度，因此消耗较多能量的专用检测器仅激活较短时间。专利申请（US20120103065A1）通过应用多个确定性和不相关的信号，例如将PRBS和MLS信号作为可重复的外部噪声添加到声波信号并合并到传感器输出中，再通过以某种方式对多个测量数据进行平均，可以有效地消除噪声和测量误差。

四、总结

通过上述分析可以看出，CO2气体光声光谱检测技术的申请量已经进入了爆发式增长的时期，美国、中国、欧洲地区、德国和日本是主要的技术来源国，也是主要的技术目标国。该技术的研发主要由德国企业主导，德国英飞凌是该领域申请量尤为突出的重点申请人，具有国际领先地位。结构简单、体积小、成本低和精度高的集成式光声传感器将是CO2气体光声光谱检测技术的普遍需求和发展趋势，国内企业在这方面的研究少，还未形成具有核心竞争力的技术优势，需要加大研发力度，依托微机电和半导体技术尽早开发出具备自主知识产权的相关产品。

参考文献

[1] 饶雨舟等. 碳排放在线检测技术的研究进展[J]. 广东电力, 2015, 28(8): 1-8

[2] M.L.Viegerov. Eine Method eder gas analyse, Beruhend auf der Optiseh-Akustisehen Tyndall-Rontegeners-eheinung[J].Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1938,19:687-688.

[3] 江月松编. 光电技术实验[M].北京航空航天大学出版社, 2012