光声气体检测器的制作方法

各种实施例一般地涉及光声气体检测器以及操作光声气体检测器的方法。

背景技术：

光声气体检测器提供了分析气体组成的简单方式。由于对环境气体的组成的分析正变得越来越重要(例如，归因于污染)，所以被配置为监测具有快速变化组成的气体的成分浓度的光声气体检测器是合意的。

技术实现要素：

根据各种实施例，提供了一种光声气体检测器。该光声气体检测器可以包括：气室，被配置为将待分析气体接纳在其中；激励元件，被配置为以时变方式选择性地激励气室中接纳的气体中的待检测的特定类型的气体分子，由此生成压力差，诸如声波；传感器，被配置为检测由激励元件生成的压力差；以及泵，被配置为在光声气体检测器的外部与气室之间泵送气体。

根据各种实施例，提供了一种操作光声气体检测器的方法。该方法可以包括：在感测模式下操作光声气体检测器，在感测模式下，传感器被读出以确定待检测压力差的特性；以及在泵送模式下操作光声气体检测器，在泵送模式下，泵被操作为在气室与光声气体检测器的外部之间泵送气体。

附图说明

在附图中，相似的参考字符贯穿不同视图一般指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是重点一般落在说明本发明的原理。在以下描述中，参考以下附图来描述本发明的各种实施例，在附图中：

图1示出了光声气体检测器的示意性视图；

图2示出了在感测模式下的图1中所示出的光声气体检测器的感测泵送单元的示意性视图；

图3示出了在泵送模式下的图2中所示出的感测泵送单元的示意性视图；

图4示出了操作图1到图3中所示出的光声气体检测器的示例性方法的流程图。

具体实施方式

以下详细描述参考了附图，附图通过说明的方式示出了本发明可以被实践在其中的具体细节和实施例。

词语“示例性”在本文中用来意指“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计不一定被解释为相对于其他实施例或设计是优选的或有利的。

图1示出了光声气体检测器100的示意性视图。光声气体检测器100可以包括被配置为将待分析气体接纳在其中的气室102。气室102可以由气室壁104界定。气室壁104可以包括多个通孔104a、104b、104c，它们形成在气室壁104中并且分别在光声气体检测器100的外部106与气室102之间提供气体通道。

光声气体检测器100可以进一步包括激励元件108(例如，光学激励元件)、传感器110、以及泵112，激励元件108被配置为以时变方式选择性地激励气室102中接纳的气体中的待检测的特定类型的气体分子而由此生成压力差(诸如声波)，传感器110被配置为检测由激励元件108生成的压力差，泵112被配置为在光声气体检测器100的外部106与气室102之间泵送气体。

激励元件108可以被配置为以时变方式选择性地激励气室102中接纳的气体中的待检测的特定类型的气体分子。激励元件108可以被配置为在待检测的类型的气体分子中引发特定的原子或分子跃迁，和/或激励所述气体分子的各种振动模式和/或旋转模式。在这样被激励的分子的后续去激励期间，热量被生成而导致气体的局部膨胀以引起正压力脉冲。

以这种方式生成的过量热量随后被散发到热沉，而导致气体的收缩以引起负压力脉冲。热沉可以通过与光声气体检测器100处于物理接触的保持器(holder)来提供。热调制深度(热调制幅度)可以借助于与热沉的热耦合或热沉的热容量来影响。

由于待检测的类型的气体分子以时变方式被激励(例如，周期性地)，所以时变的(例如，周期性的)压力波动在气体中生成，即可以由传感器110检测的声波。

光声气体检测器100可以用于监测环境气体的组成，例如用于确定环境气体中co2和/或有毒气体(诸如co)的含量。环境气体的湿度也可以按这种方式来确定。替代地或另外地，光声气体检测器100可以被配置为并且被用作呼吸分析仪，以测量指示血糖水平的乙醇和/或丙酮的含量。

激励元件108可以被配置作为或者可以包括辐射源114，辐射源114被配置为发射电磁辐射，该电磁辐射被适配为以时变方式选择性地激励气室102中接纳的气体中的待检测的特定类型的气体分子。辐射源114可以被配置为发射在红外和/或可见和/或紫外频率范围内的电磁辐射。红外光适合于激励振动分子模式。通过示例的方式，具有范围为从约4.170μm至约4.370μm或从约14μm至约16μm的波长的红外光适合于激励co2分子的振动模式。

辐射源114可以被配置作为或者可以包括黑体辐射器和/或激光器和/或光电二极管。黑体辐射器被配置为根据普朗克定律发射电磁辐射，意味着它的发射谱由它的温度而不是由它的形状或组成来确定。被配置作为或者包括黑体辐射器的辐射源114可以被配置作为电可加热体，诸如膜。在操作中，可加热体可以被电加热到上至高于450℃的温度。

辐射源114可以被定位在激励室116的内部，激励室116借助于窗口118与气室102分离，窗口118被配置为透射由辐射源114发射的辐射。激励室116可以与气室102气体紧密地密封并且可以填充有惰性气体，诸如氮气和/或钝气。借助于惰性气体，被配置作为或者包括电可加热黑体辐射器的辐射源114的氧化可以被抑制。

窗口118可以被配置作为或者可以包括过滤器，该过滤器被配置为选择性地透射由辐射源114发射的电磁辐射。以这种方式，辐射源114的发射谱可以被限制到窄的能带，以便避免待分析气体中将不被检测的其他类型的分子的无意激励。以这种方式，与不包括过滤器的光声气体检测器相比，测量选择性可以被改进。过滤器可以被配置作为或者可以包括等离子(plasmonic)过滤器和/或基于布拉格(bragg)的层状过滤器和/或法布里-珀罗(fabry-pérot)干涉仪，诸如法布里-珀罗标准量具。

气室102可以借助于气室壁104中形成的通孔104a、104b、104c之一与光声气体检测器100的外部106处于持久的气流连通。以这种方式，气体可以通过扩散在光声气体检测器100的外部106与气室102之间连续地流动，从而例如环境气体的组成可以连续地被监测。扩散时间主要由相应气体通道的流动面积来确定，并且范围可以是从数秒到数分钟。因此，在光声气体检测器100之外的气体的组成快速变化(即在比扩散时间短的时间尺度上)的情况下，某种类型的分子的浓度可能无法准确地确定。

光声气体检测器100的外部106与气室102之间的气体交换速率可以通过以下来增大：借助于泵112在光声气体检测器100的外部106与气室102之间主动地泵送气体。

在图1中示出的示例性实施例中，传感器110和泵112被配置作为可操作在感测模式下和泵送模式下的感测泵送单元120。在感测模式下，感测泵送单元120被配置为检测由激励元件108在气室102中接纳的气体中生成的压力差，诸如声波。在泵送模式下，感测泵送单元120被配置为在光声气体检测器100的外部106与气室102之间泵送气体。通过提供被配置为检测压力差并且在光声气体检测器100的外部106与气室102之间泵送气体的感测泵送单元120，具有紧凑结构的光声气体检测器100被提供。

不应该排除的是，可以提供与感测泵送单元120分离的附加泵送部件(means)，它们也被配置为在光声气体检测器100的外部106与气室102之间泵送气体。图1中示出了与感测泵送单元120分开形成的示例性泵送部件121。泵送部件121被提供在邻近于气室壁104中提供的通孔104c，以将气体泵送通过光声气体检测器100的外部106与气室102之间的所述通孔104c。

光声气体检测器100可以在感测时段期间操作在感测模式下，并且可以在不同于感测时段的泵送时段期间操作在泵送模式下。在操作中，光声气体检测器100可以在两种模式之间重复地切换。在泵送模式下，泵送部件121可以与泵112同时操作，以增大光声气体检测器100的外部106与气室102之间的气体交换速率。

如图1中所示，感测泵送单元120可以与气室壁104中形成的通孔104a以交叠关系被定位。以这种方式，气体可以在光声气体检测器100的外部106与气室102之间更有效率地被泵送。另外，感测泵送单元120也可以被用作麦克风，该麦克风被配置为检测在光声气体检测器100之外生成的声波。因此，光声气体检测器100可以在语音传输设备(诸如移动电话)中被采用。

如图1中指示的并且如图2和图3中更详细示出的，感测泵送单元120可以包括可位移膜122，可位移膜122在感测模式下由待检测的压力差(诸如声波)可位移，并且在泵送模式下主动地可位移以在光声气体检测器100的外部106与气室102之间泵送气体。

感测泵送单元120可以进一步包括在操作中基本上不可位移的固定膜124。膜122、124中的每个膜可以至少部分地由导电材料(诸如金属)形成。可位移膜122和固定膜124可以限定电容器，该电容器的电容通过由待检测声波引起的可位移膜122相对于固定膜124的位移而是可改变的。如图2中指示的，由可位移膜122和固定膜124形成的电容器的电容可以由读出电路126在感测模式下读出。读出电路126可以被集成到光声气体检测器100中并且可以包括处理单元128，处理单元128被配置为确定电容器的电容和/或从该电容确定待检测声波的特性，诸如声压和/或声频。处理单元128可以包括或者可以被配置作为专用集成电路(asic)。

可位移膜122和固定膜124可以电连接到电源130，电源130被配置为向膜122、124施加电压v。在感测模式下，所定义的固定感测电压vs由电源130施加到膜122、124。感测电压vs低于可位移膜122的全行程(即，使可位移膜122与固定膜124处于物理接触)所要求的电压。可位移膜122的全行程所要求的电压在下文中将被称为拉入电压v拉入。因此，在感测模式下，施加到膜122、124的感测电压vs低于拉入电压(vs<v拉入)。

如图3中指示的，在泵送模式下，电泵送电压vp由电源130施加到可位移膜122和固定膜124。这引起可位移膜122相对于机械固定的膜124的位移。泵送电压vp也可以低于拉入电压v拉入。然而，由于泵送效率在很大程度上取决于可位移膜122的行程，所以泵送电压vp可以大于拉入电压v拉入，意味着膜122、124借助于由所施加的泵送电压vp生成的静电力而被使得处于彼此相互物理接触。

在图3中示出的示例性实施例中，可位移膜122朝向固定膜124位移。以这种方式，气室102内的气体暂时被设置在压力下，这进而引起气体流出气室102。随后，施加到膜122、124的电泵送电压vp可以减小，这进而减小膜122、124之间的吸引静电力而使它们之间的距离增加，例如这归因于可位移膜122的复原力，该复原力将可位移膜122朝向它的中性闲置位置进行偏置，在该中性闲置位置处没有静电力被施加到膜122、124上。这使得气室102内部的气压相对于外部气压而降低，而使得来自光声气体检测器100的外部106的气体流入气室102中。对施加到膜122、124的电泵送电压vp进行增大和减小的上面描述的循环可以在泵送模式下被重复若干次，以在光声气体检测器100的外部106与气室102之间提供有效率的气体交换。因此，在泵送模式下，施加到膜122、124的电压可以大于感测电压vs。另外，与感测电压vs相对照地，泵送电压vp不是固定的，而是时变的。

在图3中，通过电泵送电压vp在膜122、124之间生成的静电力是吸引性的。替代地，通过向膜122、124施加具有相同极性的电压，在膜122、124之间可以生成排斥力。以这种方式，气室102中的气压通过可位移膜122相对于固定膜124的位移而被减小，而使得来自光声气体检测器100的外部106的气体流入气室102中，只要在气室102与光声气体检测器100的外部106之间存在压力梯度。一旦施加到膜122、124的电压被减小，可位移膜124就返回到它的闲置位置，由此增大气室102内的气压而导致气体流出气室102。对施加到膜122、124的电压进行增大和减小的上面描述的循环可以在泵送模式下被重复若干次，以在光声气体检测器100的外部106与气室102之间提供有效率的气体交换。

如图2和图3中所示，可位移膜122和固定膜124两者都可以被提供有用作气体通道的通孔122a、122b、122c和124a、124b、124c。与可位移膜122相比，固定膜124可以包括明显更多的通孔。以这种方式，固定膜124可以被制造成基本上在声学上是透明的，以使得它基本上不由待检测声波可位移。这些通孔可以永久地打开。膜122、124中的至少一个膜(例如，可位移膜122)可以进一步包括配备有气阀132的通孔122d，气阀132被配置为改变通孔122d的流动面积。另外地或替代地，气室壁104中提供的通孔104b可以配备有气阀134，气阀134被配置为改变相应通孔104b的气体流动面积。如图1中指示的，气阀134可以被配置为完全关闭通孔104b(由实线绘制的气阀134的位置)。处于打开位置的气阀134在图1中由虚线绘制。

气阀132、134可以被操作为，诸如：在气室102中的气压与光声气体检测器100的外部106之间基本上没有差异的状态下，关闭相应的通孔122d、104b，并且在气室102中的气压与光声气体检测器100的外面之间存在实质差异的状态下，打开相应的通孔122d、104b。以这种方式，光声气体检测器100的外部106与气室102之间的气体流动面积可以被增加，由此允许光声气体检测器100的外部106与气室102之间的更快速气体交换。

如图1中所示，感测泵送单元120(即可位移膜122和固定膜124)可以被定位在气室102的内部。以这种方式，可以提供具有紧凑结构的光声气体检测器100。

在修改的实施例中，光声气体检测器100可以被提供有加热部件，加热部件被配置为在泵送模式下以时变方式加热气室102内部的气体。以这种方式，气室102内部的气压可以相对于光声气体检测器100之外的气压增大，以便在光声气体检测器100的外部106与气室102之间泵送气体。

图4中描绘了操作图1中示出的光声气体检测器100的示例性方法200的流程图。方法200可以包括：

将光声气体检测器100切换到感测模式(202)；

在预定感测时段期间，通过读出电路126测量由可位移膜122和固定膜124形成的电容器的电容(204)；

在感测时段过去之后，将光声气体检测器100切换到泵送模式(206)；

向可位移膜122和固定膜124施加泵送电压vp，由此相对于固定膜124位移可位移膜122(208)；

打开气阀132、134以增大可位移膜122中提供的通孔122d和气室壁104中提供的通孔104b的气体流动面积(210)；

关断施加到可位移膜122和固定膜124的泵送电压vp，以恢复可位移膜122相对于固定膜124的闲置位置(212)；以及

关闭气阀132、134(214)。

在操作光声气体检测器100的以上示例性方法中，仅描述了一个泵送循环。这一泵送循环当然可以在泵送时段期间被重复多次，以在气室102与光声气体检测器100的外部106之间提供有效率的气体交换。泵送循环的重复速率以及泵送循环本身可以基于光声气体检测器100中的压力和它的外部压力而变化。

在修改的实施例中，感测泵送单元120可以包括可位移膜122上提供的压电构件。压电构件可以被配置为：作为由声波引发的可位移膜122的位移的结果而在感测模式下生成电压。这样生成的电压可以指示声波的特性。通过向压电构件施加电压，可位移膜122可以被位移，以在泵送模式下在光声气体检测器100的外部106与气室102之间泵送气体。

在又另一修改的实施例中，感测泵送单元120可以包括可位移膜122上安装的固定的第一电磁交互构件和可位移的第二电磁交互构件。在感测模式下，第一和第二电磁交互构件中的一个电磁交互构件可以被配置为通过可位移膜122的位移而在第一和第二电磁交互构件中的相应的另一电磁交互构件中感生电压。第一和第二电磁交互构件可以被配置为：个体地生成磁场以主动地位移可位移膜122，以在泵送模式下在光声气体检测器100的外部106与气室102之间泵送气体。

第一和第二电磁交互构件可以被配置作为或者可以包括相应的线圈。以这种方式，在感测模式下，线圈中的一个线圈可以操作为电磁体，该电磁体被配置为借助于由待检测声波引发的可位移膜122的位移而在相应的另一线圈中感生电压。这样感生的电压可以指示待检测声波的特性。在泵送模式下，两个线圈可以操作为电磁体以生成相应的磁场，借助于这些磁场，膜122、124之间可以生成吸引力或排斥力，以在气室102与光声气体检测器100的外部106之间泵送气体。

替代地，第一和第二电磁交互构件中的一个电磁交互构件可以被配置作为永磁体，并且相应的另一电磁交互构件可以包括线圈，永磁体可以在感测模式下以上面描述的方式在该线圈中感生电压。在泵送模式下，该线圈可以操作为电磁体以生成磁场，该磁场与由永磁体生成的磁场进行交互以主动地位移可位移膜122，以在气室102与光声气体检测器100的外部106之间泵送气体。

在下文中，将说明本公开的各种方面：

示例1是一种光声气体检测器。该光声气体检测器可以包括：气室，被配置为将待分析气体接纳在其中；激励元件，被配置为以时变方式选择性地激励气室中接纳的气体中的待检测的特定类型的气体分子，由此生成压力差(诸如声波)；传感器，被配置为检测由激励元件生成的压力差(诸如声波)；以及泵，被配置为在光声气体检测器的外部与气室之间泵送气体。

在示例2中，示例1的主题可以可选地进一步包括：传感器和泵被配置作为可操作在感测模式下和泵送模式下的感测泵送单元。感测泵送单元可以被配置为在感测模式下检测由激励元件生成的压力差，并且在泵送模式下在光声气体检测器的外部与气室之间泵送气体。

在示例3中，示例2的主题可以可选地进一步包括：感测泵送单元包括可位移膜，可位移膜在感测模式下由待检测压力差可位移，并且在泵送模式下主动地可位移以在光声气体检测器的外部与气室之间泵送气体。

在示例4中，示例3的主题可以可选地进一步包括：可位移膜包括穿过其而形成的至少一个通孔以提供气体通道。

在示例5中，示例4的主题可以可选地进一步包括：可位移膜配备有气阀，气阀被配置为改变可位移膜中形成的至少一个通孔的气体流动面积。

在示例6中，示例3到示例5中任一项的主题可以可选地进一步包括：感测泵送单元包括被定位为邻近于可位移膜的固定膜。光声气体检测器可以进一步包括：读出电路，被配置为在感测模式下测量可位移膜与固定膜之间的电容，该电容通过由声波引起的可位移膜相对于固定膜的位移而可改变，并且电容的改变指示待检测声波的特性；以及电源，被配置为在泵送模式下向可位移膜和固定膜施加电压以在膜之间生成静电力，以相对于固定膜来位移可位移膜而生成泵送力。

在示例7中，示例6的主题可以可选地进一步包括：固定膜包括穿过其而形成的至少一个通孔以提供气体通道。

在示例8中，示例7的主题可以可选地进一步包括：固定膜配备有至少一个气阀，至少一个气阀被配置为改变固定膜中形成的至少一个通孔的气体流动面积。

在示例9中，示例1至示例8中任一项的主题可以可选地进一步包括：气室由气室壁来界定，气室壁包括穿过其而形成的至少一个通孔，通孔在气室与光声气体检测器的外部之间提供气体通道。

在示例10中，示例9的主题可以可选地进一步包括：气室壁配备有至少一个气阀，至少一个气阀被配置为改变气室壁中形成的至少一个通孔的气体流动面积。

在示例11中，示例9或示例10中任一项和示例2至示例8中任一项的主题可以可选地进一步包括不同于感测泵送单元的泵送部件。泵送部件可以被配置为通过气室壁中形成的至少一个通孔在光声气体检测器的外部与气室之间泵送气体。

在示例12中，示例9到示例11中任一项和示例3到示例8中任一项的主题可以可选地进一步包括：可位移膜与气室壁中形成的通孔相互交叠。

在示例13中，示例3至示例12中任一项的主题可以可选地进一步包括：可位移膜被定位在气室的内部。

在示例14中，示例6至示例13中任一项的主题可以可选地进一步包括：固定膜被定位在气室的内部。

在示例15中，示例1至示例14中任一项的主题可以可选地进一步包括被配置为以时变方式加热气室中的气体的加热部件。

在示例16中，示例1至示例15中任一项的主题可以可选地进一步包括：激励元件被配置作为或者包括辐射源，辐射源被配置为发射电磁辐射，电磁辐射被配置为以时变方式选择性地激励气室中接纳的气体中的待检测的特定类型的气体分子，由此生成声波。

在示例17中，示例16的主题可以可选地进一步包括：辐射源被配置为发射在红外和/或可见和/或紫外频率范围内的电磁辐射。

在示例18中，示例1至示例17中任一项的主题可以可选地进一步包括：激励元件被定位在气室的内部或者在与气室分离的激励室中。

在示例19中，示例18和示例16或示例17中任一项的主题可以可选地进一步包括：激励室通过窗口与气室分离，窗口被配置为透射由辐射源发射的电磁辐射。

在示例20中，示例19的主题可以可选地进一步包括：窗口包括或者被配置作为过滤器，过滤器被配置为选择性地透射由辐射源发射的电磁辐射。

在示例21中，示例20的主题可以可选地进一步包括：过滤器包括或者被配置作为等离子过滤器和/或布拉格镜和/或法布里-珀罗干涉仪，诸如法布里-珀罗标准器具。

示例22是一种移动设备，其包括示例1至示例21中任一项的光声气体检测器。

在示例23中，示例22的移动设备可以可选地被配置作为移动电话。

示例24是一种操作示例1至示例21中任一项的光声气体检测器的方法。该方法可以包括：在感测模式下操作光声气体检测器，在感测模式下，传感器被读出以确定待检测声波的特性；以及在泵送模式下操作光声气体检测器，在泵送模式下，泵被操作为在气室与光声气体检测器的外部之间泵送气体。

在示例25中，示例24的主题可以可选地进一步包括：光声气体检测器在感测时段期间被操作在感测模式下，并且在不同于感测时段的泵送时段期间被操作在泵送模式下。

在示例26中，示例24或示例25中任一项的主题可以可选地进一步包括：传感器和泵被配置作为包括可位移膜的感测泵送单元。在感测模式下，由声波引起的可位移膜的位移可以被感测；并且在泵送模式下，可位移膜可以被主动地位移以在光声气体检测器的外部与气室之间泵送气体。

在示例27中，示例26的主题可以可选地进一步包括：感测泵送单元进一步包括与可位移膜一起限定电容器的固定膜，该电容器的电容通过可位移膜的位移可改变。该方法可以进一步包括：在感测模式下测量电容器的电容；以及向可位移膜和固定膜施加时变电压以相对于固定膜主动地位移可位移膜，以在光声气体检测器的外部与气室之间泵送气体。

在示例28中，示例24到示例27中任一项的主题可以可选地进一步包括：光声气体检测器进一步包括光声气体检测器的外部与气室之间的气体通道。气体通道可以配备有气阀，气阀被配置为改变气体通道的气体流动面积和/或流动阻抗。该方法可以进一步包括：在泵送模式下借助于气阀来改变气体通道的气体流动面积和/或流动阻抗。

在示例29中，示例24至示例28中任一项的主题可以可选地进一步包括：光声气体检测器包括被配置为以时变方式加热气室中的气体的加热部件。该方法可以进一步包括：在泵送模式下以时变方式加热气室中的气体。

虽然已经参考具体实施例特别地示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在其中在形式和细节上可以进行各种改变，而不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。本发明的范围因此由所附权利要求指示，并且在权利要求的等价物的含义和范围内的所有改变因此都意图为包含在内。