包括光发射器单元和检测器单元的光声气体传感器模块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及光声传感器并且涉及光声气体传感器模块。所述光声气体传感器包括：光发射器单元，其包括光发射器，所述光发射器被配置为发射具有预定的重复频率和与待感测气体的吸收频带相对应的波长的光脉冲的光束；以及检测器单元，其包括麦克风；其中，所述光发射器单元被布置成使得所述光脉冲的光束横穿被配置为容纳所述气体的区域，并且所述检测器单元被布置成使得所述麦克风能够接收以所述重复频率振荡的信号。
【专利说明】
包括光发射器单元和检测器单元的光声气体传感器模块
技术领域
[0001 ] 本申请涉及光声气体传感器并且涉及光声气体传感器模块。
【背景技术】
[0002]在过去，已开发许多类型的气体检测器件，以便检测到大气或环境包含潜在有害或危险的组分，并且如果可能，向人提供其警告。气体检测器的适当功能在许多应用中可能十分重要，尤其当这些检测器用于确保工作人员的安全时。除此之外，当许多设备和仪器的大小持续变得更小时，气体检测器的空间消耗也变得越来越重要。小型化的这种总体趋势产生对开发可容易并入到现有设备或仪器中的更紧凑气体传感器的需要。
【发明内容】
[0003]按照本发明，提出了一种光声气体传感器，所述光声气体传感器包括:光发射器单元，其包括光发射器，所述光发射器被配置为发射具有预定的重复频率和与待感测气体的吸收频带相对应的波长的光脉冲的光束；以及检测器单元，其包括麦克风;其中，所述光发射器单元被布置成使得所述光脉冲的光束横穿被配置为容纳所述气体的区域，并且所述检测器单元被布置成使得所述麦克风能够接收以所述重复频率振荡的信号。
[0004]根据本发明的一种有利的实施方式，所述检测器单元包括检测器单元壳体，其中，所述麦克风设置在所述检测器单元壳体中并且参考气体封闭在所述检测器单元壳体中，所述参考气体与所述待感测气体具有相同种类。
[0005]根据本发明的一种有利的实施方式，所述重复频率位于音频范围内。
[0006]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器单元被配置为发射具有预先选择的波长的光。
[0007]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器包括宽带发射范围，并且所述光发射器单元包括设置在所述光发射器前方的光学滤波器，所述光学滤波器被配置为允许通过由所述光发射器发射的所述光中的具有预先选择的波长的光。
[0008]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器包括黑体辐射体、灯、电阻器、二极管或激光器中的一者或多者。
[0009]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器单元包括可调谐的波长发射范围。
[0010]根据本发明的一种有利的实施方式，所述待感测气体是⑶2、N0x、H20、02、N2、CH4或乙醇中的一者。
[0011]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器单元包括光发射器单元壳体，其中所述光发射器设置在所述光发射器单元壳体中，并且所述光发射器单元壳体在其壁中包括光出口窗。
[0012]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器单元和所述检测器单元设置在共同的衬底上。
[0013]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器单元和所述检测器单元按面对面关系设置。
[0014]根据本发明的一种有利的实施方式，所述的光声气体传感器还包括传感器壳体，其中所述光发射器单元和所述检测器单元设置在所述传感器壳体中。
[0015]根据本发明的一种有利的实施方式，所述传感器壳体包括具有内表面的壁，所述内表面对于由所述光发射器单元发射的光是反射性的。
[0016]根据本发明的一种有利的实施方式，所述壁包括椭圆形几何形状，其中所述光发射器和所述麦克风设置在所述椭圆形的相应焦点中。
[0017]根据本发明的一种有利的实施方式，所述传感器壳体包括气体入口开口。
[0018]根据本发明的一种有利的实施方式，所述气体入口开口由多孔箔覆盖，所述多孔箔被配置为能够实现所述待感测气体的穿透、但防止湿气和颗粒中的一者或多者的穿透。
[0019]按照本发明，提出了一种光声气体传感器模块，所述光声气体传感器模块包括:光发射器，其被配置为发射将由气体吸收的光脉冲的光束；以及麦克风，其被配置为接收以所述光脉冲的重复频率振荡的信号。
[0020]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光声气体传感器模块被配置成表面安装器件。
[0021]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器被配置为发射具有与所述气体的分子的旋转或振动频带的能量相对应的波长的红外光。
[0022]根据本发明的一种有利的实施方式，所述光发射器和所述麦克风安装在陶瓷衬底上。
【附图说明】
[0023]包含附图以提供对实施例的进一步理解，并且附图并入且构成此说明书的一部分。这些附图示出实施例并且连同本描述一起用于解释实施例的原理。将容易地意识到其它实施例和实施例的许多预期优点，因为其通过参考以下的【具体实施方式】变得更好理解。附图中的元件未必相对于彼此按比例绘制。相似的附图标记表示对应的类似部件。
[0024]图1包括图1A和图1B并示出根据一示例的光声气体传感器，还指示测量原理。
[0025]图2包括图2A和图2B并示出根据第一方面的包括陶瓷衬底和传感器壳体(示出为升高)的光声气体传感器的不例(A)和根据第二方面的包括印刷电路板衬底和传感器壳体(示出为升高)的光声气体传感器的示例(B)的示意性横截面侧视图表示。
[0026]图3包括图3A和图3B并示出包括具有椭圆形内壁的壳体的根据所述第一方面的光声气体传感器的不例(A)和包括具有多边形内壁的壳体的根据所述第一方面的光声气体传感器的示例(B)的示意性横截面侧视图表示。
[0027]图4包括图4A和图4B并示出包括具有椭圆形内壁的壳体的根据所述第二方面的光声气体传感器的不例(A)和包括具有多边形内壁的壳体的根据所述第二方面的光声气体传感器的示例(B)的示意性横截面侧视图表示。
[0028]图5包括图5A和图5B并示出包括具有椭圆形内壁的传感器壳体(示出为升高)的根据所述第一方面的光声气体传感器的示例(A)和具有附接至衬底的壳体并指示气体流动的相同光声气体传感器(B)的透视图表不。
[0029]图6示出包括传感器壳体的根据所述第一方面的光声气体传感器的示例的透视图表示，所述传感器壳体具有覆盖开口的保护盖以供防止湿气和/或颗粒的穿透并且能够仅实现所定义气体的穿透。
[0030]图7包括图7A-图7C并示出包括具有椭圆形内壁的传感器壳体(示出为升高)的根据所述第二方面的光声气体传感器的示例(A)和具有附接至衬底的壳体并指示气体流动的相同光声气体传感器(B)和具有覆盖开口的保护盖以供防止湿气和/或颗粒的穿透并且能够仅实现所定义气体的穿透的根据所述第二方面的光声气体传感器的示例(C)的透视图表不O
[0031]图8包括图8A-图8D并示出根据所述第一方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中所述光发射器和所述检测器各自安装在单独陶瓷衬底上，图8A-图8D分别为在被安装在一起之前示出的模块(A)、在已组装状态中示出的气体传感器(B)、检测器模块的透视图表示(C)和示出气体流动的传感器的透视图表示(D)。
[0032]图9包括图9A-图9C并示出根据所述第一方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中所述检测器设置在陶瓷衬底上并且所述发射器设置在另一衬底上，图9A-图9C分别为在安装在一起之前示出的模块(A)、在已组装状态中示出的气体传感器(B)和检测器模块的透视图表示(C)。
[0033]图10示出根据所述第一方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中所述检测器设置在陶瓷衬底上并且所述发射器以其引线附接至该陶瓷衬底的封装的形式来配置。
[0034]图11包括图1lA和图1lB并示出根据所述第一方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中发射器和检测器各自安装在陶瓷衬底上并且两个陶瓷衬底安装在一板(board)上，并且其中在第一示例中，该板被配置成表面安装器件(SMD)(A),并且其中在第二示例中，陶瓷衬底被配置成SMD器件(B)。
[0035]图12包括图12A和图12B并示出根据所述第一方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示和对应顶视图表示，其中检测器安装在陶瓷衬底上并且发射器和检测器两者都连接到中间衬底，并且其中在第一示例中，发射器被配置成经封装的器件(A)，并且其中在第二示例中，发射器安装在陶瓷衬底上(B)。
[0036]图13包括图13A-图13C并示出根据所述第二方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中发射器和检测器彼此面对面布置并各自包括外部引线，其中在第一示例中，引线是连接到印刷电路板的通孔(A)，并且其中在第二示例中，引线是连接到印刷电路板的表面安装件(B)，和所述示例中的任一者的透视图表示(C)。
[0037]图14包括图14A和图14B并示出根据所述第二方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中发射器模块和检测器模块安装在柔性衬底上，图14A和图14B分别示出在其组装之前通过使所述柔性衬底弯曲并将其插入到刚性壳体中(A)和将焊球施用到该刚性壳体的开口中以形成球栅配置(B)。
[0038]图15示出根据所述第二方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中所述发射器模块和所述检测器模块以面对面配置安装在包括导通孔和外部接触区域的刚性壳体内以形成表面安装器件(SMD)配置。
[0039]图16包括图16A和图16B并示出根据所述第二方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中发射器模块设置在所述检测器模块上方并且两个模块在通孔技术中借助其引线连接到衬底，其中在第一示例中，发射器模块被配置为发射光通过插入其衬底中的窗(A)，并且其中在第二示例中，所述发射器模块被配置为发射光通过插入其壳体中的窗(B)。
[0040]图17示出根据所述第二方面的光声气体传感器的示例的示意性横截面侧视图表示，其中发射器模块和检测器模块设置在壳体内并且其中其光出口和光入口开口彼此背离，该壳体包括反射性内壁并在表面安装器件(SMD)配置中连接到衬底。
【具体实施方式】
[0041]现参考附图来描述这些方面和实施例，其中在通篇中通常利用相似附图标记来指代相似元件。在以下描述中，出于解释目的，阐述众多具体细节，以便提供对实施例的一个或多个方面的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说可显而易见，实施例的一个或多个方面可以在较小程度的具体细节的情况下实践。在其它实例中，已知的结构和元件按示意性形式示出，以便有助于描述实施例的一个或多个方面。应当理解，可以利用其它实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下作出结构或逻辑改变。应当进一步注意，附图未按比例绘制或未必按比例绘制。
[0042]在以下【具体实施方式】中，参考了附图，附图形成以下【具体实施方式】的一部分，并且其中以图解方式示出其中可实践本发明的特定方面。对此，方向性术语(例如“顶部”、“底部”、“前部”、“背部”等)可参考所描述的图的取向来使用。由于可以在若干不同的取向上放置所描述的器件的组件，因此该方向性术语可出于图解目的使用并且决不是限制性的。应当理解，可以利用其它方面，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下作出结构或逻辑改变。因此，不将以限制性意义采用以下【具体实施方式】，并且本发明的范围由所附权利要求加以限定。
[0043]应当理解，本文中所描述的各种示例性实施例的特征可以相互组合，除非另有明确说明。
[0044]如在此说明书中所采用的，术语“结合”、“附接”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”并不意味着意指元件或层必须直接接触在一起；中间元件或层可以分别提供在“结合”、“附接”、“连接”、“親合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间。然而，根据本公开内容，上述术语还可以可选地具有元件或层直接接触在一起(即，无中间元件或层分别提供在“结合”、“附接”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间)的特定意义。
[0045]此外，关于形成在或位于一表面“上方”的部件、元件或材料层使用的词语“在……上方”在本文中可以用于意指部件、元件或材料层“间接”位于(例如放置、形成、沉积等在)隐式表面(implied surface) “上”，其中一个或多个额外部件、元件或层布置在隐式表面和部件、元件或材料层之间。然而，关于形成在或位于一表面“上方”的部件、元件或材料层使用的词语“在……上方”还可以可选地具有部件、元件或材料层“直接”位于(例如放置、形成、沉积等在)隐式表面“上”(例如与隐式表面直接接触)的特定意义。
[0046]另外，虽然可能针对数个实施方式中的仅一个实施方式公开了实施例的特定特征或方面，但此特征或方面可以如所期望并对任何给定或特定应用有利的与其它实施方式的一个或多个其它特征或方面进行组合。此外，就术语“包含”、“具有”、“带有”或其其它变型用于【具体实施方式】或权利要求书中而言，此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式具有包含性。可以使用术语“耦合”和“连接”以及派生词。应当理解，这些术语可以用于指示两个元件合作或相互作用，而不管其是直接物理或电气接触还是其并不相互直接接触。此外，术语“示例性”仅意味着作为示例，而非最好或最优。因此，不将以限制性意义采用以下【具体实施方式】，并且本发明的范围由所附权利要求加以限定。
[0047]本文中所描述的检测器模块的示例可以包括麦克风芯片。麦克风芯片可以由半导体芯片组成。半导体芯片可以基于特定半导体材料(例如S1、SiC、SiGe、GaAs、GaN、AlGaAs)来制造，但也可以基于任何其它半导体材料来制造，并且此外，可以包含不是半导体的无机和/或有机材料，诸如举例来说绝缘体、塑料或金属。麦克风芯片可以通过MEMS(微光机电)技术来制作。
[0048]光声气体传感器的示例可以包括其中嵌入有所述芯片中的一者或多者的封装剂或封装材料。封装材料可以是任何电绝缘材料，如(例如)任何种类的模制材料、任何种类的树脂材料或任何种类的环氧材料。封装材料还可以是聚合物材料、聚酰亚胺材料、热塑性材料、硅树脂材料、陶瓷材料和玻璃材料。封装材料还可以包括上述材料中的任一者，并且还包含嵌入其中的填料材料，如(例如)导热增加物。这些填料增加物可以例如由AlO或Al2O3、A1N、BN或SiN制成。此外，填料增加物可以具有纤维的形状并且可以例如由碳纤维或纳米管制成。
[0049]图1包括图1A和图1B并在左侧图中示出光声气体传感器的示例，左侧图连同右侧图一起示出光声气体传感器的工作原理。图1的光声气体传感器10包括光发射器单元11，光发射器单元11包括光发射器11.1，光发射器11.1被配置为发射具有预定的重复频率和与待感测气体的吸收频带相对应的波长的光脉冲11.3的光束11.2。光声气体传感器10还包括检测器单元12，检测器单元12包括麦克风12.1。光发射器单元11被布置成使得光脉冲11.3的光束11.2横穿被配置为容纳气体的区域A，并且检测器单元12被布置成使得麦克风12.1可以接收以重复频率振荡的信号。附图标记12.2、12.3和12.4分别表示检测器模块壳体、参考气体和光入口窗，这些元件是图1的光声传感器10的可选元件。
[0050]利用重复频率来调制的光脉冲将由气体吸收并生成在麦克风中产生特性信号的局部压力脉冲。吸收是气体特有的，尤其是，其对应于其特性旋转-振动谱带中的特定过渡，使得通过施加适当的激发频率，可以构建有选择性的光声气体传感器。特定挑战是构造可以容易处理、输送或安装在不同种类的衬底上的紧凑、小型化光声气体传感器。
[0051]根据图1的光声气体传感器10的示例，检测器单元12包括检测器单元壳体12.2，其中麦克风12.1设置在检测器单元壳体12.2中，并且附图标记12.3所指示的参考气体封闭在检测器单元壳体12.2中，参考气体12.3与待感测气体具有相同种类，其中后者提供在区域A中。根据其进一步示例，参考气体12.3气密密封在检测器单元壳体12.2中，并且检测器单元壳体12.2在面向发射器模块的一侧处包括光进入窗12.4，光进入窗12.4对由光发射器11.1发射的光具有透射性。气密密封在壳体12.2中的气体12.3可以因此表示为参考气体，或检测器单元壳体12.2的内部容积可以表示为参考容积。待感测气体设置在区域A中，尤其是在发射器模块11和检测器模块12之间的光路径内。测量原理因此以如下方式配置:在区域A中(尤其是在发射器模块11和检测器模块12的光进入窗12.4之间的光路径中)不存在待感测气体的情况下，光脉冲在无任何衰减的情况下进入到参考容积中，以使得由麦克风12.1测量和传送的信号将是最大值，如在图1A的时间图中可见到的。另一方面，如果在区域A中(尤其是在发射器模块11和检测器模块12的光进入窗12.4之间的光路径中)存在待感测气体，则光脉冲将衰减，以使得具有较小强度的光脉冲将进入参考容积，从而导致由麦克风12.1测量和传送的信号的减小，如在图1B的时间图中所指示的。因此，在图1中示出的测量变型中，以重复频率振荡并由麦克风检测到的信号来自于参考气体。在区域A中气体的存在是通过由麦克风12.1检测到的信号强度的减小来指示的。
[0052]根据光声气体传感器的另一示例，无参考气体封闭在检测器模块壳体中，而是相反，仅待感测气体存在于区域A中，尤其是在发射器模块和麦克风之间的光路径中。在该情况下，如果在发射器模块和检测器模块之间的光路径中不存在待感测气体，则麦克风将不会检测到并输出任何信号。另一方面，如果在区域A中(尤其是在发射器模块和检测器模块之间的光路径中)存在待感测气体，则麦克风将检测到并输出强度取决于区域A中存在的气体的量或密度的信号。因此，在该替代测量变型中，以重复频率振荡并由麦克风检测到的信号来自于气体自身。在区域A中气体的存在是通过由麦克风12.1检测到的信号强度的增加来指示的。因此在该替代变型中，在存在待感测气体的情况下，将获得正信号。
[0053]根据图1的光声气体传感器10的示例，光脉冲的重复频率位于音频范围内或位于从IHz到1kHz(尤其是从IHz到IkHz)的频率范围内，其中典型频率范围是从IHz到10Hz，这对应于从0.0ls到Is的脉冲持续时间范围。
[0054]根据图1的光声气体传感器10的不例，由光发射器11.1发射的光可以包括可见或不可见谱带中的任何期望的波长或波长范围。尤其是，光发射器单元11被配置为仅发射具有与待感测气体的吸收频带相对应的预先选择的波长的光。
[0055]根据图1的光声气体传感器1的不例，光发射器11.1包括宽带发射器、窄带发射器、相干光发射器、非相干光发射器、黑体福射体、灯、加热电阻器、发光二极管(LED)或激光器(尤其是激光二极管)中的一者或多者。根据其示例，在光发射器11.1包括宽带发射器的情况下，光发射器单元11可以包括设置在光发射器11.1前方的光学滤波器，光学滤波器被配置为允许通过由光发射器11.1发射的光中的具有预先选择的波长的光。如果光发射器模块11包括光发射器模块壳体11.4和设置在光发射器单兀壳体11.4的壁中的光出口窗11.5，则光学滤波器可以施用到光出口窗11.5上或者其甚至可以与光出口窗11.5相同。
[0056]根据图1的光声气体传感器10的实施例，光发射器单元11包括可调谐的波长发射范围。对所发射光脉冲的波长的调谐取决于所采用的光发射器11.1的种类。例如，如果光发射器11.1是窄带光源(如发光二极管(LED)或激光二极管)，则对发射波长的调谐可以通过直接控制光发射器11.1来完成。然而，如果光发射器11.1是宽带光发射器，则所发射光脉冲由光学滤波器过滤，可以采用波长可调谐光学滤波器(如例如法布里-珀罗(Fabry-Perot)光学滤波器)，以使得光学滤波器的传输频带可以由适当的单元调节。可调谐的波长发射范围的一个优点在于，原则上可以检测不同种类的气体。
[0057]根据图1的光声气体传感器10的示例，光发射器单元11被配置为发射具有某一波长的红外光的光脉冲的光束，该波长与待感测气体的分子的旋转或振动频带或者过渡的能量相对应。
[0058]根据图1的光声气体传感器1的示例，待感测气体是CO2、NOx、H2O、O2、N2、CH4或乙醇中的一者。
[0059]根据图1的光声气体传感器10的示例，光发射器单元11包括光发射器单元壳体
11.4，其中光发射器11.1设置在光发射器单元壳体11.4中，并且光发射器单元壳体11.4在其壁中包括光出口窗11.5。如上文已概述，光出口窗11.5应具有允许通过由光发射器11.1发射的光的所期望波长的传输特性。根据其进一步示例，光出口窗11.5可以设计为用于过滤所期望波长的光学滤波器或此光学滤波器可以附接至光出口窗11.5。
[0060]根据图1的光声气体传感器10的示例，光发射器单元11和检测器单元12设置在共同的衬底上。下文将进一步示出其具体示例。
[0061]根据图1的光声气体传感器10的示例，光发射器单元11和检测器单元12按面对面关系设置，这意味着(例如)发射器模块11的光出口窗11.5和检测器模块12的光入口窗12.4如图1中所示按面对面关系设置。下文将进一步示出其进一步具体示例。
[0062 ] 根据图1的光声气体传感器1的不例，传感器还包括传感器壳体，其中光发射器单元和检测器单元设置在传感器壳体中或附接至传感器壳体。根据其进一步示例，传感器壳体包括具有内表面的壁，该内表面对于由光发射器单元发射的光是反射性的。根据其进一步示例，壁包括椭圆形几何形状，其中光发射器和麦克风设置在椭圆形的相应焦点中。下文将进一步示出其具体示例。
[0063]根据进一步示例，传感器壳体包括气体入口开口。根据其进一步示例，气体入口开口由多孔箔覆盖，多孔箔被配置为能够实现待感测气体的穿透、但防止湿气和颗粒中的一者或多者的穿透。下文将进一步示出其具体示例。
[0064]根据图1的光声气体传感器10的示例，检测器模块12包括一个或多个另外的电子器件，如(例如)逻辑集成电路芯片、ASIC芯片等。下文将进一步示出其具体示例。
[0065]根据图1的光声气体传感器10的不例，光声气体传感器被配置成光声传感器模块，光声传感器模块被配置成表面安装器件或通孔安装器件。下文将进一步示出其具体示例。
[0066]图2包括图2A和图2B并示出光声气体传感器模块的两个不同示例。
[0067]图2A的光声气体传感器模块20包括发射器模块21、检测器模块22和覆盖光发射器模块21和检测器模块22的传感器壳体23。传感器壳体23包括用于允许大气气体进入光声气体传感器20的内部的开口(图2中未示出，例如参见图5)。发射器模块21和检测器模块22安装在共同的陶瓷衬底24上，衬底24包括设置在彼此上方的多个层以及与发射器模块21和检测器模块22连接的电气导通孔连接。发射器模块21包括设置在腔21.2内的光发射器21.1，其中腔21.2包括形成在衬底24中的凹陷区域，凹陷区域由衬底24的侧向封闭立面侧向限制，该立面具有共面的上表面，在该共面的上表面上设置有光出口窗21.3。光发射器21.1可以是基于MEMS的电阻器、二极管、激光器、灯或者任何其它相干或非相干光源。其可以是完成的(即，经封装)组件。此外，其可以在通孔或在表面安装技术中安装在衬底24上。检测器22包括设置在腔22.2内的麦克风22.1。参考气体22.3也设置在腔22.2内，参考气体22.3与待感测气体具有相同种类，并且参考气体22.3设置在腔22.2内。腔22.2以与发射器模块21的腔21.2类似的方式来形成并且包括形成于衬底24中的凹陷区域，其中该凹陷区域以与发射器21的凹陷区域相同的方式由衬底24的侧向封闭立面限制。类似地，侧向封闭立面包括上部共面的表面，在该上部共面的表面上设置有光进入窗22.4。光进入窗22.4以参考气体22.3气密密封在腔22.2内的这种方式来设置。麦克风22.1可以由MEMS-麦克风形成。麦克风22.1可以通过通孔或表面安装技术安装在衬底24的表面上。检测器22可以包括另外的电子器件22.5，如(例如)逻辑集成电路芯片或ASIC芯片。壳体23可以包括内部反射壁23.1，其对于由光发射器21.1发射的光是高度反射性的。传感器壳体23的内表面的几何形状可以具有椭圆形外形，其中光发射器21.1和麦克风22.1可以设置在椭圆的焦点中。
[0068]图2B不出类似于图2A的不例的光声气体传感器的不例。图2B的光声气体传感器模块30包括发射器模块31和检测器模块32，两者通过通孔技术安装在衬底34上。发射器模块31和检测器模块32两者分别包括金属性壳体31.1和32.1。发射器模块31还包括形成于金属性壳体31.1的上表面中的光出口窗31.2，并且检测器模块32包括形成于金属性壳体32.1的上表面中的光入口窗32.2。图2B的光声气体传感器模块30还包括传感器壳体33，传感器壳体33可以以与图2A的光声气体传感器模块20的壳体23相同的方式来形成。尤其是，传感器壳体33还可以包括内部反射壁33.1，内部反射壁33.1对于由发射器模块31发射的光是高度反射性的。传感器壳体33的内表面的几何形状可以具有椭圆形外形，其中发射器模块31和检测器模块32可以设置在椭圆的焦点中。光声气体传感器模块30可以还包括另外的电子器件35，其可以是逻辑集成电路芯片或ASIC芯片。衬底34可以是多层印刷电路板(PCB)。
[0069]图3包括图3A和图3B并示出壳体的两个不同示例，可以采用壳体来有效地引导由光发射器发射的光。图3A再次示出图2A的光声气体传感器模块20，其中绘示由光发射器21.1发射的光的三个不同光路径。其示出，由于将光发射器21.1和检测器22放置在椭圆的焦点中，在由光发射器21发射的光的任何方向上，其将进入检测器22的腔22.2并聚焦在麦克风22.1附近的区域中。图3B示出光声气体传感器模块40，其不同于光声气体传感器模块20之处仅在于传感器壳体的内壁的几何形状。图3B的光声气体传感器模块40包括壳体43，壳体43包括内部反射壁43.1，内部反射壁43.1包括两个相对倾斜壁区段，以使得由光发射器41发射的光在倾斜壁区段中的一者处反射，并且此后光束由倾斜壁区段中的另一者在检测器42和麦克风42.1的方向上反射。图3示出，光束分别进入检测器模块22或42的腔22.2或42.2，并不直接在麦克风22.1或42.1上方。应当注意，将仅需要的是，足够大容积的参考气体由光束激发，以使得来自于此容积的压力脉冲可以到达麦克风。
[0070]图4包括图4A和图4B，图4A和图4B对应于图3A和图3B，其中差别与图2A和图2B之间的差别相同。图4B再次示出具有附接至衬底34的传感器壳体33的图2B的光声气体传感器模块30。由发射器模块31发射的光束的光路径对应于如图3A中所示的光路径。图4B示出除壳体53以外类似于光声气体传感器模块30配置的光声气体传感器模块50，壳体53形成为如图3B的光声气体传感器模块40的壳体43。附图标记51和52分别表不发射器模块和检测器模块。
[0071 ]包括图5A和图5B的图5示出图2A的光声气体传感器模块20的透视图。透视图使得可以看到，壳体23包括开口 23A，该开口 23A允许大气气体进入壳体23的内部并且因此将由光声气体传感器模块20感测。在如图5中所不的不例中，开口23A包括横截面，其沿(例如)壳体20的中心平面以与壳体20的横截面相同的方式成形，即开口23A的横截面具有半椭圆形的外形。这可以是壳体20包括仅一个开口 23A以使得大气气体可以进入壳体20的内部的情况。图5B示出进一步变型，其中壳体包括两个相对开口，以使得大气气体可以不仅从两个相对侧进入壳体23的内部，并且大气气体还可以通过进入位于一侧上的开口并通过位于相对侧上的另一开口离开而流过壳体23的内部。
[0072]图6不出光声气体传感器模块的不例的透视图。图6的光声气体传感器模块60可以是第一方面或第二方面中的一者，其中在此示例中，焦点在于传感器壳体63上。如在先前示例中，传感器壳体63附接至衬底64，从而形成其中设置发射器(未示出)和检测器(未示出)的内部空间。传感器壳体63还包括气体入口开口 63A，使得大气气体可以流入内部空间中，以便由如前所述的发射器和检测器模块的组合效果来感测。图6的光声气体传感器模块60还包括箔63B，箔63B插入开口 63A中并且可以由任何材料(如例如金属或塑料)制作。箔63B还可以具有多孔结构。箔63B的功能是防止湿气和/或颗粒到模块60的内部空间中的穿透和/或能够仅实现所定义气体到内部空间中的穿透，尤其是可以与设置在检测器模块中的参考气体具有相同种类的一种特定气体。箔63B因此实现被配置为过滤掉除了待感测特定气体以外的任何其它东西的过滤器的功能。
[0073]图7包括图7A至图7C并示出如已结合图2B示出和解释的光声气体传感器模块30。图7中示出光声气体传感器模块30的方式类似于图5，并且其同样地示出壳体33包括气体入口开口 33A，气体入口开口 33A类似于或相同于图5的光声气体传感器模块20的气体入口开口 23A。气体入口开口 33A可以提供在壳体33的相对侧面上，如图7B中所示并类似于图5B。气体入口开口 33A还可以如图7C中所示设有箔33B，其中箔33B可以类似于图6中所示的箔63B。
[0074]图8包括图8A-图8D并不出光声气体传感器模块的不例。如图8中所不，光声气体传感器模块70包括发射器和检测器的面对面布置。光声气体传感器模块70的组装从光发射器模块71和检测器模块72的单独建立开始，如图8A中所绘示。光发射器模块71包括衬底71.4，衬底71.4类似于图2A的衬底24ο衬底71.4包括凹陷区域71.2，其中光发射器71.1设置在凹陷区域71.2的平坦最低表面上。凹陷区域71.2由衬底71.4的环状封闭立面侧向限制，此还允许光出口窗71.5紧固其上。光出口窗71.5可以密封连接到衬底71.4，如由箭头所示。检测器模块72同样地包括衬底72.4，衬底72.4类似于图2A的衬底24，衬底72.4包括凹陷区域
72.2。凹陷区域72.2由衬底72.4的环状封闭立面侧向限制，此还允许光入口窗72.5紧固在其上。由衬底7 2.4的环状立面和光入口窗72.5封闭的凹陷区域72.2填充有参考气体7 2.3，为此，光入口窗72.5气密密封到衬底72.4的环状立面，如箭头所指示的。凹陷区域72.2包括其上设置麦克风72.1的最低平面表面。至少一个其它电子器件72.6(如逻辑集成电路芯片或ASIC芯片)也设置在凹陷区域72.2的最低表面上。
[0075]图SB示出经组装的光声传感器模块70，其中发射器模块71和检测器模块72的环状立面附接至彼此。为检测环境大气中存在的气体，光出口窗71.5和光入口窗72.5之间的区域必须能访问外部。此可以通过以下方式实现:以发射器模块71和检测器模块72的立面的最高层并不形成为封闭环、而是留下至少一个开放侧面或两个相对开放侧面(如图SC(箭头指示立面中的一者)和图8D中所示)的方式来形成立面中的一者或两者。
[0076]图9包括图9A-图9C并不出光声气体传感器模块的不例。图9的光声气体传感器模块80类似于图8的光声传感器模块70并且实质上以提供光发射器模块的方式不同于后者，其中检测器模块类似于或相同于图8的检测器模块。光声气体传感器模块80的光发射器模块81包括衬底81.1，衬底81.1可以(例如)是其上安装经封装的光发射器器件81.2的PCB状层压制件(laminate)。光发射器器件81.2可以通过表面安装技术(如图9A中所绘示)或替代地通过通孔技术安装在衬底81.1上。光发射器模块81然后附接至检测器模块82的衬底82.4的抬高部分以形成经组装的光声气体传感器模块80，如图9B中所示。提供对光发射器模块81和检测器模块82的光入口窗82.5之间的区域的访问，可以与结合图8解释的相同方式(SP通过以衬底82.4的立面的上部层并不环状封闭的方式(如图9C中的箭头所指示的)形成其)来完成。
[0077]图10不出光声气体传感器模块90的不例，光声气体传感器模块90类似于如图9B中所示的光声气体传感器模块80。图10的光声气体传感器模块90并不包括其上附接光发射器模块91的衬底。相反，光发射器模块91包括外部引线元件91.1，外部引线元件91.1附接至检测器模块92的衬底92.4的抬高部分的上部平面表面并且电连接到设置在这些上部平面表面上的接触区域。
[0078]包括图1lA和图1lB的图11示出光声气体传感器模块100和110的示例。光声气体传感器模块100包括衬底101，衬底101可以是PCB或PCB状层压制件。在衬底101的上表面上，光发射器模块102和检测器模块103按面对面配置安装，S卩，使得光发射器模块102的光出口窗102.5和检测器模块103的光入口窗103.5面向彼此。模块102和103两者都借助其侧面安装到衬底101的上表面上。尤其是，模块102和103在其侧面上包括接触元件并且在表面安装技术中借助这些接触元件安装在衬底101的上表面上的相应接触区域上。此外，其它电子器件104(如例如经封装的集成电路芯片)可以安装在衬底101的上表面上并在其上与相应接触区域连接。光声气体传感器模块100以如下方式被配置成表面安装器件:电气接触区域被施加在衬底101的下表面上，使得光声气体传感器模块100作为整体可以在表面安装技术中安装在衬底(如PCB)上。
[0079]图1lB的光声气体传感器模块110类似于图1lA中所不的光声气体传感器模块并且还被配置成表面安装器件。与图1IA的模块100的差别在于，电气接触区域远离衬底111被施加在模块112和113的侧面上，使得模块110可以借助模块112和113的这些侧面而非借助衬底111安装在衬底(如PCB)上。附图标记114表示类似于图1lA的芯片104的另一芯片。
[0080]图12包括图12A和图12B并分别在横截面侧视图表不(左侧图片)且在顶视图表不(右侧图片)中包括光声气体传感器模块的两个不同示例。图12A示出包括光发射器模块121和检测器模块122的光声气体传感器模块120。该模块类似于图10的模块90，除了在光发射器模块121和检测器模块122之间插入中间衬底125(即，包括凹陷区域125A的中间衬底125)，光发射器模块121借助其外部引线电连接到中间衬底125的上表面上的电气接触区域，并且检测器模块122借助其立面上的电气接触区域连接到中间衬底125的下表面上的电气接触区域。如图12A的顶视图中可见到的，模块121和122以其通过凹陷区域125A面向彼此的方式安装在中间衬底125上。
[0081]图12B的光声气体传感器模块130类似于图8的模块70并包括光发射器模块131和检测器模块132。与图8的模块70的差别在于，以与关于模块120相同的方式，中间衬底135设置在模块131和132之间。这些模块以与借助图12A的模块120示出和解释相同的方式通过中间衬底135的凹陷区域135A面向彼此。
[0082]图13包括图13A-图13C并示出光声气体传感器模块140和150的示例。光声气体传感器模块140包括光发射器模块141和检测器模块142。模块140类似于图2B的模块30，存在以下差别。光发射器模块141和检测器模块142借助其引线在通孔技术中连接到衬底144，其中引线弯曲，使得模块141和142彼此面对面地布置，这意味着光出口窗141.5和光入口窗142.5面向彼此。这意味着不需要壳体143的特定几何形状。壳体143可以被配置成简单的矩形盖板。如图13C中所示，壳体143在其侧面中的至少一者上应具有开口，以使得大气气体可以进入壳体143的内部。壳体143安装到衬底144上。另外的电子器件145可以安装在衬底144上。
[0083]图13B的光声气体传感器模块150类似于模块140，模块150还包括处于面对面空间关系的光发射器模块151和检测器模块152以及类似于壳体143的壳体153。与模块140的差别在于，模块151和152在表面安装技术中以模块151和152的引线的下部部分弯曲以使得其水平取向的方式安装到衬底154上。借助这些水平部分，引线安装在衬底154的内表面上的电气接触区域上。
[0084]图14包括图14A和图14B并不出光声气体传感器模块160的不例。模块160包括光发射器模块161和检测器模块162。模块161和162两者都在通孔技术中安装到柔性(PCB)衬底164。如箭头所示出的，柔性衬底164可以以模块161和162面向彼此(S卩，光出口窗161.5和光入口窗162.5面向彼此)的方式弯曲。然后，中间体可以插入到包括开口 165A的刚性衬底165中。最后，焊球166被施加到开口 165A中，焊球166与柔性衬底164的下表面处的电气接触区域连接在一起。已组装模块160可以借助焊球166安装在衬底(如印刷电路板)上。
[0085]图15示出光声气体传感器模块170的示例。模块170包括光发射器模块171和检测器模块172，光发射器模块171和检测器模块172两者都通过通孔技术安装在刚性多层衬底174上。衬底174包括U形外形，其中模块171和172紧固到U形的侧杆(side bar)的内面。模块170还包括位于水平部分的下表面上的电气接触区域，以便其可以借助表面安装技术附接至PCB板。另外的电子器件175安装在衬底174的内部水平表面上。
[0086]图16包括图16A和图16B并示出光声气体传感器模块180和190的示例。图16A的模块180包括光发射器模块181和检测器模块182，光发射器模块181和检测器模块182以光发射器模块181设置在检测器模块182上方并且两个模块都通过通孔技术电连接到衬底184的方式来布置。光发射器模块181被配置为使得光被发射通过插入衬底181.1中的光出口窗
181.2。图16B的模块190类似于图16的模块180。差别在于，光发射器模块191倒立地布置，以使得光被发射通过插入壳体191.1中的光出口窗191.2。模块191和192两者都在通孔技术中安装在衬底194上。
[0087]图17不出包括光发射器模块201和检测器模块202的光声气体传感器模块200的不例。模块201和202布置成使其光出口和光入口窗201.5和202.5背离彼此。模块201和202安装在壳体204内，壳体204包括覆盖有反射层204.2的内壁204.1。模块201和202在通孔技术中安装在衬底205的直立部分205.3上。壳体204安装到衬底205上。另外的电子器件206(如(例如)逻辑集成电路芯片或ASIC芯片)安装在衬底205的下表面上。箭头示出光束通过壳体204的内部的方式。模块200的一个优点在于，如果与先前示出的示例相比，光束的路径相当长。这种长路径是有利的，因为光将由壳体的内部中的气体更强地吸收，使得增加模块200的灵敏度。
[0088]虽然本文中已示出并描述特定的实施例，但本领域普通技术人员将意识到，在不脱离本发明的范围的情况下，多种替代和/或等效实施方式可以替代所示和所描述的特定实施例。本申请旨在涵盖本文中所论述的特定实施例的任何改写或变型。因此，意图是本发明仅由权利要求及其等效内容加以限制。
【主权项】
1.一种光声气体传感器，包括: 光发射器单元，其包括光发射器，所述光发射器被配置为发射具有预定的重复频率和与待感测气体的吸收频带相对应的波长的光脉冲的光束；以及检测器单元，其包括麦克风； 其中，所述光发射器单元被布置成使得所述光脉冲的光束横穿被配置为容纳所述气体的区域，并且所述检测器单元被布置成使得所述麦克风能够接收以所述重复频率振荡的信号。2.根据权利要求1所述的光声气体传感器，其中， 所述检测器单元包括检测器单元壳体，其中，所述麦克风设置在所述检测器单元壳体中并且参考气体封闭在所述检测器单元壳体中，所述参考气体与所述待感测气体具有相同种类。3.根据权利要求1或2所述的光声气体传感器，其中， 所述重复频率位于音频范围内。4.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述光发射器单元被配置为发射具有预先选择的波长的光。5.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述光发射器包括宽带发射范围，并且所述光发射器单元包括设置在所述光发射器前方的光学滤波器，所述光学滤波器被配置为允许通过由所述光发射器发射的所述光中的具有预先选择的波长的光。6.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述光发射器包括黑体福射体、灯、电阻器、二极管或激光器中的一者或多者。7.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述光发射器单元包括可调谐的波长发射范围。8.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述待感测气体是CO2、NOx、H2O、O2、N2、CH4或乙醇中的一者。9.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述光发射器单元包括光发射器单元壳体，其中所述光发射器设置在所述光发射器单元壳体中，并且所述光发射器单元壳体在其壁中包括光出口窗。10.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述光发射器单元和所述检测器单元设置在共同的衬底上。11.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述光发射器单元和所述检测器单元按面对面关系设置。12.根据前述权利要求中的任一项所述的光声气体传感器，还包括: 传感器壳体，其中所述光发射器单元和所述检测器单元设置在所述传感器壳体中。13.根据权利要求12所述的光声气体传感器，其中， 所述传感器壳体包括具有内表面的壁，所述内表面对于由所述光发射器单元发射的光是反射性的。14.根据权利要求13所述的光声气体传感器，其中， 所述壁包括椭圆形几何形状，其中所述光发射器和所述麦克风设置在所述椭圆形的相应焦点中。15.根据权利要求12至14中的任一项所述的光声气体传感器，其中， 所述传感器壳体包括气体入口开口。16.根据权利要求15所述的光声气体传感器，其中， 所述气体入口开口由多孔箔覆盖，所述多孔箔被配置为能够实现所述待感测气体的穿透、但防止湿气和颗粒中的一者或多者的穿透。17.—种光声气体传感器模块，包括: 光发射器，其被配置为发射将由气体吸收的光脉冲的光束；以及 麦克风，其被配置为接收以所述光脉冲的重复频率振荡的信号。18.根据权利要求17所述的光声气体传感器模块，其中， 所述光声气体传感器模块被配置成表面安装器件。19.根据权利要求17或18所述的光声气体传感器模块，其中， 所述光发射器被配置为发射具有与所述气体的分子的旋转或振动频带的能量相对应的波长的红外光。20.根据权利要求17至19中的任一项所述的光声气体传感器模块，其中， 所述光发射器和所述麦克风安装在陶瓷衬底上。
【文档编号】G01N21/17GK106066305SQ201610252273
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年4月21日 公开号201610252273.4, CN 106066305 A, CN 106066305A, CN 201610252273, CN-A-106066305, CN106066305 A, CN106066305A, CN201610252273, CN201610252273.4
【发明人】G·贝尔, S·贝尔, A·德厄, F·约斯特, S·科尔布, G·鲁尔, R·M·沙勒, H·托伊斯
【申请人】英飞凌科技股份有限公司