专利名称：具有背景补偿的光声样本探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于探测样本混合物中样本浓度的光声探测器，该光声探测器包 括光源、光调制器、具有声共振器的声学腔、共振拾取元件和处理部分。光源产生用于激励 样本分子的光束。光调制器调制光束的强度以在样本混合物中产生压强变化，压强变化的 幅度是样本浓度的度量。声共振器放大压强变化。拾取元件将压强变化转换成探测器信号。 处理部分处理探测器信号以产生由压强变化导致的样本信号。本发明还涉及一种制造这种 光声探测器的方法。
背景技术：
这种光声探测器在工业中用于痕量气体监测，在将来也可以用于呼吸测试(哮 喘、酒精、胃病)或空气污染测定。调幅光声探测器的缺点是调制激光产生的背景信号与感 兴趣的样本信号在同一频率上。这与波长调制形成对比，在波长调制中，在频率f处调制激 光，在频率2f处探测信号。然而，对于用蓝光二极管激光器探测NO2而言，波长调制是不可 能的，这是因为N02在400nm的吸收光谱比激光二极管的波长调谐范围宽得多。如果为了实 现最佳探测，音叉拾取元件位于光路中，那么调幅光的一部分可能导致音叉的直接激励，并 由此产生可能比对应于探测极限的信号大几个数量级的背景信号。因为背景信号和NO2信 号具有相同的频率，所以不能利用高通滤波器滤除背景信号。使用背景扣除而不牺牲探测 极限需要非常稳定且已知的背景和/或相对于NO2信号较小的背景。发明目的本发明的目的在于提供一种背景补偿得到改善的调幅光声探测器。
发明内容
根据本发明的第一方面，通过提供一种根据开口段落的光声探测器实现这一目 的，其中处理部分被布置成处理探测器信号，以产生由压强变化导致的样本信号，以及由光 束直接激励拾取元件导致的背景信号，且其中布置所述声学腔和所述拾取元件，使得所述 背景信号和所述样本信号之间的相位差接近90度。给出额外信号增强的共振拾取元件与声共振器结合，相对于拾取元件中的光吸收 产生的背景信号导致压力波信号的相移。这种机制与如下机制形成对照背景信号可以在 声共振器的壁中产生并因此具有与光声信号的相位接近的相位。例如，通过适当组合光束 直径和声共振器直径，与拾取元件背景信号相比，可以使得壁背景信号较小。如果必要的 话，为此目的可以使利用共振拾取元件获得的信号增强稍微减弱一些。与通过减除进行背景校正必需的振幅稳定性相反，基于信号和背景间90°相位差 的方法仅需要相位稳定性。由于背景信号与cos θ —样取决于相对角，所以仅有背景相位 的大变化才会导致很大的背景信号。一旦获得了样本信号和背景信号间接近90°的相位 差，就可以利用相位敏感探测抑制背景信号，背景信号的变化将不再影响样本浓度探测的 精确度。如下文所述，有几种备选方法来调节样本信号和背景信号之间的相位差。
背景相位变化主要由拾取元件的共振曲线决定，而光声相位(PA相位)由拾取元 件和声学共振两者决定。结果，接近共振时，在背景和NOJf号之间有着恒定的相位差。在 制造过程中，通过调谐声学共振频率以匹配拾取元件共振频率，可以实现背景和样本信号 之间90度的相位差，从而减小背景的效应。或者，可以在制造之后由用户将声学腔调节到 拾取元件的共振频率。根据本发明的一个实施例，拾取元件的共振频率基本等于声共振器的共振频率。 在这两个共振频率相等时，相位差为90度。共振频率取决于声共振器和拾取元件的形状。 例如，可以通过在制造过程期间仔细选择或生产正确长度的音叉来建立拾取元件的共振频率。优选地，光声探测器还包括用于调节相位差的相位调节模块。例如，可以调节光束 在拾取元件表面上的光功率分布。发明人发现，对于音叉而言，背景信号的相位非常灵敏地取决于金属电极上的光 功率分布。在为了通过音叉的叉实现最大光功率传输进行优化之后，光功率的量在电极上 有一定分布。与电极灵敏度一起，这导致了特定相位角的背景信号。通过调节激光束的准 直，可以调节背景信号的相位，使得处于样本信号相位的背景信号为零。那么，背景相位相 对于样本信号为90度。可以实现这一目的而仅有非常小的光传输损耗( 1 % )，于是不 会影响样本信号强度。或者，例如，可以通过改变声学腔中缓冲容积的长度来调节声共振器的共振频率。 这使得制造商或用户能够使相位差接近90度并在例如制造过程导致声共振器和拾取元件 共振性质变化时调节相位差。根据本发明的另一方面，提供了一种制造光声探测器的方法，包括用样本混合物 填充不包括样本的所述声学腔的步骤，调制所述光束的强度用于在所述样本混合物中产生 压强变化的步骤，从所述共振拾取元件采集所述探测器信号的步骤，以及布置所述声学腔 和所述拾取元件的步骤，使得所述样本信号最小化，所述背景信号最大化，以便获得所述背 景信号和所述样本信号之间接近90度的相位差。在样本混合物具有样本的零或接近零的浓度时，样本信号应当为(接近)零，背景 信号应当占据探测器信号(的大部分)。如上所述，可以通过不同方式进行声学腔和拾取元 件的布置。例如，仔细选择正确长度的音叉，使得声学共振频率匹配拾取元件共振频率，可 以获得接近90度的相位差。或者，可以调节光束在拾取元件表面上的光功率分布或可以为 声学腔提供适当的缓冲容积。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易 见并得到阐述。
在附图中图1示出了光声探测器的部分的透视图；图2示意性示出了具有缓冲容积的光声探测器的实施例；图3示出了根据本发明的光声探测器的方框图；图4示出了具有补偿调制频率漂移的模块的光声探测器的方框图；以及图5示出了具有用于补偿传感器灵敏度漂移的模块的光声探测器方框图。
具体实施例方式图1示出了光声探测器的部分的透视图。调幅激光束11穿过气体混合物14。气 体混合物14包括低浓度的样本分子15。激光束11激励样本分子的一部分。样本分子从受 激态返回到基态导致局部温度升高。激光11的变化强度导致气体混合物14中的压力波。 可以利用共振拾取元件，例如以压电音叉10的形式，将压力波探测为声波。音叉10可以是 石英音叉。声共振器12放大声波。音叉10将声音信号转换成探测器信号13，探测器信号 13被引导到处理单元，将参考图3和4详细描述处理单元。音叉10的优点是在探测压力波方面要灵敏和准确得多。使用音叉10而非扩音器 的缺点是激光束11直接激励音叉10导致在与样本信号相同的频率下产生背景信号。根据 本发明，将来自音叉10的电信号13用于产生表示压强变化的样本信号和表示激光束11直 接激励音叉10的背景信号。为了使处理部分能够产生这两个信号，布置光声探测器，使得 背景信号和样本信号之间的相位差接近90度。例如，可以使用声共振器12和音叉10来实 现这一点，声共振器12和音叉10的形状和尺度使得其相应共振频率基本相等。例如，在探 测器的制造过程中，调节音叉10的叉长度以获得共振频率非常接近声共振器12的共振频 率的音叉10。优选地，光声探测器包括用于在制造过程之后直接调节相位差的模块。或者，在使 用探测器时，稍后进行调节。图2中示出了这种可调节探测器的一个示例并将在下文描述。 或者，可以通过如下校直激光束11来调节相位差，光束11在音叉10的表面上的光功率分 布使音叉10的共振频率匹配声共振器12的共振频率。发明人发现，背景信号的相位非常 灵敏地取决于石英音叉的金属电极上的光功率分布。图2示意性示出了具有缓冲容积23的光声探测器20的实施例。图2中的光声探 测器20包括上文已经参考图1所述的所有元件。原则上，也可以将共振拾取元件10配置 为结合了压敏悬臂或膜的共振MEMS传感器。光声探测器20还包括两个缓冲容积23，缓冲 容积23具有可调节侧壁24、气体入口 21和气体出口 22。这种光声探测器可以用于例如呼 吸分析。在用户呼气时，呼出的呼吸经由气体入口 21进入气体腔。然后利用激光束11、拾 取元件10和声共振器12分析呼吸，呼吸经由气体出口 22离开光声探测器20。在声共振 器12的两侧上都增加半径大于声共振器半径的小型非共振容积23。容积23中的至少一 个的至少一个壁24的位置是可调节的。这些容积23例如可以连接到气体入口 21和腔出 口 22。根据这些容积23的长度，它们将微弱地或稍微强些地耦合到声共振器12。通过适 当选择侧壁24的位置，可以将声共振频率精细调谐到拾取元件的共振频率(从而将相位差 设置为90度)。例如，对于长度接近或等于与光强的调幅频率对应的声波长一半的声共振 器12，可以将额外容积23的长度调节到与调制频率对应四分之一波长的长度左右。图3示出了根据本发明的光声探测器的方框图。除了上文已经论述的一些元件之 外，图3还示出了用于产生光束11的光源33以及用于调制激光束11的强度的光调制器 31。光调制器包括用于驱动光源33的激光器驱动器311和用于向激光器驱动器311提供 所需频率的频率发生器312。图3中所示的其他部分301-305表示光声探测器20的处理部 分的结构和/或功能元件。要指出的是，图3仅仅是根据本发明的光声探测器示例性实施 例的示意图。在其他实施例中，可以由备选模块并以备选方式执行类似功能。
在图3所示的实施例中，放大器301放大由拾取元件10产生的电信号13。将放大 的信号引导到第一同步探测器302中。第一同步探测器302还具有调制频率作为(来自频 率发生器312的)输入。第一同步探测器302用于探测器信号13的同相探测。因为背景 信号的相位有90度的偏移，所以第一同步探测器302的输出信号仅取决于样本浓度而不取 决于激光11对音叉10的直接激励。使用90度移相器304和第二同步探测器305从探测 器信号13提取(异相)背景信号。可以在制造过程中使用来自同步探测器305的信号优 化信号和背景的90度相位差。在正常运行期间，在图3所示的实施例中将仅使用来自同步 探测器302的信号。图4示出了具有补偿功率调制频率漂移的模块的光声探测器20的方框图。由于 石英音叉拾取元件10的高品质因子，激光的功率调制频率可以容易地从最佳调制频率漂 移开。可以有利地应用异相信号来控制这一频率。可以在进行实际样本测量之前在优化例 程中或以持续活动电子控制循环的形式实施这一操作。首先，接近共振时，背景信号的相位强烈取决于调制频率。在仅测量背景信号时， 可以将激光的调制频率调谐到共振频率，使得背景信号保持在恒定相位(从而相对于样本 信号处于90度)。或者，可以从(异相)背景信号的最大化来确定最佳调制频率。第二，可以如图4所示实施稳定的电子控制循环。由(音叉)共振频率附近的第 二频率发生器308调制用于激光功率调制的频率(几十kHz)，共振频率处于频率(几Hz 到几十Hz)，频率调制幅度为几Hz。音叉10应当具有充分“低”的Q，使其传递对频率调制 的响应。应当将4000的典型Q减小到例如1000，以获得适于10Hz调制的30ms响应时间。 在“同相”同步探测和低通滤波(以滤除之后获得样本信号。利用第一同步探测器302 之后的低通滤波器303，假设放大器301不向(减小的)信号和来自(较低Q)音叉10的 噪声增加额外噪声，则可以使信噪比返回到原来水平。在同步探测之后，利用第三同步探测 器307以作为参照对异相信号解调。恰在共振处，反馈信号在2*f\，信号在解调为零。 (来自第二低通滤波器306的)低通滤波的输出为用作频率发生器的输入的DC基准电压 309形成偏移电平。可以执行这种测量，同时测量样本浓度。图5示出了具有用于补偿传感器灵敏度漂移的模块的光声探测器方框图。图5示 出了图4的所有元件，此外还包括用于测量激光束11的功率的光探测器32和传感器漂移 补偿单元310。背景信号取决于音叉10的质量因数/拾取灵敏度以及光束强度。因此，可 以有利地将背景信号用于确定传感器拾取漂移。传感器拾取漂移补偿单元310使用来自光 探测器32的探测激光功率来将背景信号归一化到基准光功率。传感器拾取漂移补偿单元 然后在厂家校准期间将归一化的背景信号除以初始背景信号(在参考光功率下)。于是，获 得了能够在样本测量期间使用的补偿因数。应当注意，上述实施例旨在对本发明进行举例说明，而不是对其做出限制，并且本 领域技术人员能够在不背离所附权利要求的范围的情况下设计很多备选的实施例。在权利 要求中，不应将任何放置在括号内的附图标记推断为限制所述权利要求。动词“包括”及其 词性变化的使用不排除权利要求陈述的元件或步骤以外的元件或步骤的存在。元件前的冠 词“一”或“一个”不排除存在复数个这样的元件。可以利用包括几个分立元件的硬件，也 可以利用适当编程的计算机实现本发明。在枚举了几个模块的装置权利要求中，可以通过 同一件硬件体现这些机构中的几个。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施不表示不
6能有利地采用这些措施的组合。
权利要求
一种用于探测样本混合物中的样本的浓度的光声探测器，所述光声探测器包括光源，其用于产生激励所述样本的分子的光束，光调制器，其用于调制所述光束的强度以在所述样本混合物中产生压强变化，所述压强变化的幅度是所述样本的所述浓度的度量，具有声共振器的声学腔，所述声共振器用于放大所述压强变化，共振拾取元件，其用于将所述声共振器内部的所述压强变化转换成探测器信号，处理部分，其用于处理所述探测器信号以产生由所述压强变化导致的样本信号，以及由所述光束直接激励所述拾取元件导致的背景信号，布置所述声学腔和所述拾取元件，使得所述背景信号和所述样本信号之间的相位差接近90度。
2.根据权利要求1所述的光声探测器，其中，所述拾取元件的共振频率基本等于所述 声共振器的共振频率。
3.根据权利要求1所述的光声探测器，还包括用于调节所述相位差的相位调节模块。
4.根据权利要求3所述的光声探测器，其中，所述相位调节模块包括用于调节所述光 束在所述拾取元件表面上方的光功率分布的模块。
5.根据权利要求3所述的光声探测器，其中，所述相位调节模块包括用于调节所述声 共振器的共振频率的模块。
6.根据权利要求5所述的光声探测器，其中，所述声学腔还包括至少一个缓冲容积，并 且其中，布置用于调节所述声共振器的所述共振频率的模块以调节所述至少一个缓冲容积 的长度。
7.根据权利要求1所述的光声探测器，其中，布置所述处理部分以调节所述光调制器 的调制频率，以便匹配所述拾取元件的共振频率。
8.根据权利要求1所述的光声探测器，包括用于确定所述光束的功率的功率传感器， 并且其中，所述处理部分还被布置成基于所述光束的功率、所述背景信号以及针对所述光 束功率和所述背景信号的参考值确定所述音叉灵敏度随时间的减小。
9.根据权利要求1所述的光声探测器，其中，所述处理部分包括用于相位敏感探测以 产生所述样本信号和所述背景信号的模块。
10.根据权利要求1所述的光声探测器，其中，所述共振拾取元件为压电音叉。
11.一种制造根据前述权利要求的任一项所述的光声探测器的方法，包括 用样本混合物填充不包括所述样本的所述声学腔的步骤，调制所述光束的强度用于在所述样本混合物中产生压强变化的步骤， 从所述共振拾取元件采集所述探测器信号的步骤，以及布置所述声学腔和所述拾取元件的步骤，使得所述样本信号最小化且所述背景信号最 大化，以便获得所述背景信号和所述样本信号之间接近90度的相位差。
全文摘要
一种用于探测样本混合物中的样本的浓度的光声探测器，所述光声探测器包括光源，其用于产生激励样本的分子的光束；光调制器，其用于调制光束的强度以在样本混合物中产生压强变化，所述压强变化的幅度是样本的浓度的度量；具有声共振器的声学腔，所述声共振器用于放大压强变化。另外，光声探测器具有共振拾取元件，其用于将声共振器内部的压强变化转换成探测器信号；以及处理部分，其用于处理所述探测器信号以产生1)由压强变化导致的样本信号，以及2)由光束直接激励所述拾取元件导致的背景信号。布置声学腔和拾取元件，使得背景信号和样本信号之间的相位差接近90度。
文档编号G01N21/17GK101960290SQ200980107848
公开日2011年1月26日 申请日期2009年3月2日 优先权日2008年3月7日
发明者H·W·范克斯特伦, J·卡尔克曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司