光声检测器制造技术

本发明专利技术涉及一种光声检测器，至少包括：可被提供待分析气体的第一腔室（Ｖ↓［０］）；允许经过调制的和／或脉冲红外辐射和／或光进入第一腔室（Ｖ↓［０］）的窗口；以及用于检测由吸收的红外辐射和／或光在第一腔室中产生的压力变化的装置。用于检测由吸收的红外辐射和／或光在第一腔室中产生的压力变化的装置至少包括：设置在第一腔室（Ｖ↓［０］）壁中的孔，与所述孔相联系地设置适于根据气体运动而运动的门，以及用于对门运动进行无接触测量的装置。本发明专利技术还涉及一种用于光声检测器的传感器和一种对用作光声检测器中传感器的门的优化方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在后附独立权利要求书的前序中提出的光声检测器，并涉及用于光声检测器的传感器以及对用作光声检测器中传感器的门的优化方法。当红外辐射或通常意义的光照射到填充气体的腔室时，其中，此腔室包含分压为px的待分析气体和分压为pN的载体气体(通常为氮)，由气体px吸收辐射。在吸收过程之后，能量转换为一定时间常数τ(如10-5s)的热运动。因而，全部气体的温度每单位时间升高ΔT。温度升高也导致压力增加Δp。典型的光声检测器包括可被提供待分析气体的腔室；让经过调制的或脉冲红外辐射或光进入腔室的窗口；以及适于测量由腔室中所吸收红外辐射或光而引起的压力变化的压力传感器。压力传感器一般包括麦克风、聚酯薄膜或金属膜。光声检测器通常可用于测量或检测红外辐射，但检测器的一个具体而重要的应用是处理例如与空气质量和污染有关的气体或气体混合物的测量和检测。在麦克风中，通常用电容法测量膜(聚酯薄膜)的运动。聚酯薄膜涂敷金属并放置在另一固体金属膜片附近。其结果是具有以下电容的电容器C=ϵrϵ0Ah---(a)]]>这里，h代表静止膜之间的距离，A是膜的表面积，εrε0是存在于板之间的气体的介电常数，而ε0是真空的介电常数。C的测量提供h，从而得到聚酯薄膜的运动，因为ΔC=-ϵrϵ0A3h2Δh---(b)]]>这里，Δh是在中间的距离变化，而Δh/3是距离的平均变化。进一步，ΔCC=-Δhh---(c)]]>或|Δhmin|≈hC/ΔC=hS/N---(d)]]>这里，S/N是测量电子学中的信噪比。当h改变时，现有技术的电容测量受存在于板之间的气体流的限制。当间隙h减小时，气体被迫从板之间流出，而当h增加时，气体返回。流动具有惯性并需要能量。其结果是膜片的角振荡频率ω越高并且h越小，所述流动就更多地减小膜片运动的振幅。因而，h不能无限地增加，因为这会增加信号ΔC。从而，市场上可得到的麦克风在物理规律的限制下发挥作用，并且在此方面不能提高它们的响应性。在Nicolas Lederman等的出版物中公开了一种用于传感器的光声检测器，其中，用悬臂型膜制作传感器，此膜响应光声检测器的腔室内气体的运动，并且在此膜中集成记录悬臂运动的压电元件。在此出版物中提出的传感器的问题是忽略悬臂的谐振频率。连接到传感器的压电元件有可能增加传感器的谐振频率，并因而使传感器的响应变坏。在此出版物中提出的传感器非常不准确，从而，不适于高精度应用。此出版物根本没有提及光声检测器内的腔室和传感器的优化，即腔室与传感器的尺寸之比的优化。在M.H.de Paula等的出版物和中还公开了传统膜片解决方案的替代方案。这些出版物提出在光声检测器单元内的小管道上方距管道大约0.1mm处安装薄片。根据这些出版物的说明，在薄片本身周围不设置所谓的边缘，薄片因而延伸超出管道边界，即，问题与出版物中所示悬臂的不同。因此，de Paula等的出版物中的根本问题其实是以下事实在光声检测器单元内存在的且待测量的压力只作用到薄片总面积的一小部分上，导致显著降低响应。另外，在薄片下面有泄漏，薄片与管道尺寸相比是较大的，这进一步减小薄片响应。出版物和进一步描述用于测量薄片运动的光学角测量。然而，在所述出版物中提出的薄片的形状实际上不利于角测量。结果，在出版物和中提出的解决方案不能充分地响应高准确度测量和高精度应用。进而，原子力显微镜方法使用悬臂型薄片。因而从所述薄片要求高频率，并且，从而，在原子力显微镜方法中使用的薄片不适于光声检测器。光声检测的另一问题是由外部声音导致的干扰。因而，如果腔室内的声音比系统固有噪声更强，对于检测器系统灵敏性(响应)的提高不能改进对待分析气体的确定，其中，腔室内的声音是从测量仪器外部渗透进来的。减小外部声音所产生干扰的典型方法是隔声。隔声能以10000-100000的系数衰减外部声音。另一减小外部声音所产生干扰的现有已知方法包括使用部分减小干扰声音的双重检测。在现有已知的双重检测系统中，提供与常规测量系统相同的测量系统，所述相同系统拒绝光的进入，并只测量腔室内的声音。接着，根据现有技术系统的解决方案，对实际测量信号与相同测量系统所提供的基准信号之间的差异执行直接放大。然而，上述双重检测系统的问题例如在于这些系统只在狭窄的频带中在特殊的情况下发挥作用。此问题归咎于在各测量系统中的传感器之间产生的相位差。结果，根据本专利技术的光声检测器、用于光声检测器的传感器以及对用作光声检测器中传感器的门的优化方法的目的是消除或至少缓解上述现有技术中的问题。根据本专利技术的光声检测器、用于光声检测器的传感器以及对用作光声检测器中传感器的门的优化方法的另一目的是提供准确和高度灵敏的光声检测器。本专利技术的又一目的是提供光声检测器，其中，已经减小外部声音所产生的干扰因素对测量结果的影响。根据本专利技术更优选实施例的光声检测器的又一目的是提供一种用于改进光声检测器灵敏度的方法以及一种光声检测器，其中，所述光声检测器包括由门形成的传感器，通过降低门的谐振角频率而提高光声检测器的灵敏度根据本专利技术更优选实施例的光声检测器的又一目的是提供一种用于确定光声检测器的腔室的最优尺寸的方法。根据本专利技术更优选实施例的光声检测器的又一目的是提供一种在光声检测器中使用的高度灵敏的传感器以及一种用于优化该传感器的方法。为了实现以上目的，首先，全部根据本专利技术的光声检测器、用于光声检测器的传感器以及对用作光声检测器中传感器的门的优化方法的主要特征在独立权利要求书的特征条款中提出。因而，在本专利技术的典型光声检测器中，用于检测由吸收的红外辐射和/或光在第一腔室中产生的压力变化的装置至少包括设置在第一腔室壁中的孔，与所述孔相联系地设置适于根据气体运动而运动的门；以及，用于对门运动进行无接触测量的装置。在本文中，在涉及不用一个或多个连接到门或与门机械联系或接触的传感器来执行测量动作时，例如，在不用连接到门表面的压电传感器来执行测量动作时，使用术语无接触测量。也就是说，在无接触测量时，干扰和/或抑制门运动的测量装置不附加或连接到门。这些无接触测量方法例如是不同种类的光学测量方法。进而，上述电容测量被视为无接触测量方法，其中，本专利技术的门布置为第二板。在根据本专利技术的优选光声检测器中，门的表面积最大等于设置在第一腔室中的孔的表面积。在本文中，孔的表面积指虚拟水平面的表面积。门的表面积指门投影在孔的虚拟水平面上的方位投影的表面积。因而，例如，如果门的表面弯曲，门的真实表面积就比孔的表面积更大，但根据本专利技术的门的方位投影的表面积也比孔的表面积更小。在根据本专利技术的优选光声检测器中，门的至少一侧安装在包围门侧面的框架上。例如通过在硅晶片中形成间隙，用硅制作门和框架是非常有利的，除了连接点以外，该间隙使门与形成框架的晶片其余部分分离。在根据本专利技术的优选光声检测器中，用于对门运动进行无接触测量的装置包括光学测量装置，所述光学测量装置包括至少一个或多个光源以及一个或多个检测器，所述光源照射门或其一部分，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光声检测器，至少包括－可被提供待分析气体的第一腔室（Ｖ↓［０］），－允许经过调制的和／或脉冲红外辐射和／或光进入第一腔室（Ｖ↓［０］）的窗口，以及－用于检测由吸收的红外辐射和／或光在第一腔室中产生的压力变化的装置 ，特征在于：用于检测由吸收的红外辐射和／或光在第一腔室中产生的压力变化的装置至少包括：－设置在第一腔室（Ｖ↓［０］）壁中的孔，与所述孔相联系地设置适于根据气体运动而运动的门，以及－用于对门运动进行无接触测量的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：于尔基考皮宁，
申请(专利权)人：伽泽拉有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]