[发明专利]具有作为声音检测器的振动结构的光声光谱仪

说明书

本发明在第一方面涉及一种用于对气体进行分析的光声光谱仪，该光声光谱仪包括可调制的红外发射器(3)、能够被填充有气体的分析容积部(1)、以及声压检测器。声压检测器包括能够振动的结构(5)、致动器和测量单元，其中致动器被配置成主动激励能够振动的结构(5)的振动，并且测量单元能够测量能够振动的结构(5)的振动特性，振动特性的测量取决于声压波的形成。在另一方面，本发明涉及一种用于对气体进行分析的方法，该方法包括提供用于对气体进行分析的光声光谱仪，利用由调制频率进行调制的红外辐射来照射气体以产生声压波，以激励频率激励能够振动的结构(5)，测量能够振动的结构(5)的振动特性，振动特性的测量取决于声压，以及基于所测量的振动特性来确定气体的声压。

技术领域

在第一方面，本发明涉及一种用于对气体进行分析的光声光谱仪，该光声光谱仪包括可调制的红外发射器、能够填充有气体的分析容积部、以及声压检测器。声压检测器包括能够振动的结构、致动器和测量单元，其中致动器被配置成主动激励能够振动的结构的振动，以及测量单元能够测量能够振动的结构的振动特性，振动特性的测量取决于声压波的形成。

在另一方面，本发明涉及一种用于对气体进行分析的方法，该方法包括：提供用于对气体进行分析的光声光谱仪，利用由调制频率进行调制的红外辐射来照射气体以产生声压波，以激励频率激励能够振动的结构，测量能够振动的结构的振动特性，振动特性的测量取决于声压，以及基于所测量的振动特性来确定气体的声压。

背景技术

光声的光谱分析(PAS)允许检测最精细的气体浓度，并具有多种应用。一个示例是二氧化碳的检测，它在研究和空气调节方面发挥着作用。例如，可以通过这种方式测量空气中废气的浓度。同样相关的还有军事应用，在这些应用中能够检测到最小浓度的毒气。

在光声的光谱分析中，使用在气体中待检测分子的吸收光谱中的频率处的强度调制的红外辐射。如果该分子存在于束路径中，则会发生调制吸收，从而导致加热和冷却过程，其时间尺度反映了辐射的调制频率。加热和冷却过程导致气体膨胀和收缩，从而产生处于调制频率的声波。然后这些声波可以通过声音检测器(麦克风)或流量传感器被测量。

各种发射器用作上述应用的辐射源，具有不同的优点和缺点。优选地使用红外(IR)发射器。例如，可以使用红外范围内的窄带激光源。这些允许使用高辐射强度，并且可以使用标准组件在高频下被调制，例如用于光声光谱分析。但是，由于激光的窄谱，因此仅精确匹配的分子能根据吸收光谱来检测。激光也相对昂贵。如果要检测不同的分子，则必须使用相应数量的激光器。

热的、宽带发射器也是已知的。这些具有广谱的优点，可以通过使用(可调谐)滤波器进一步选择，并且通常成本较低。然而，这些发射器的调制频率是有限的；由于热时间常数的限制，通过改变电源进行的直接调制是受限的，并且通常在从几Hz到大约100Hz的范围内。

麦克风中的检测组件的固有噪声非常高，特别是在从几Hz到大约100Hz的范围内，并且导致信噪比降低。来自检测器的噪声也可以被来自发射器的热信号放大，这些热信号在检测器处被直接记录为噪声。现今，微系统技术被用于许多应用领域，以生产紧凑的机械电子设备。可以以这种方式制造的微系统(微机电系统MEMS)是非常紧凑(微米范围)的，具有出色的功能和更低的制造成本。虽然被设计为MEMS，但是压电悬臂是现有技术。众所周知，可以使用压电悬臂来测量压力[1]。为了这个目的，例如，悬臂在谐振操作中的阻尼以电学的方式被测量。

在现有技术中，有时描述声音换能器的主动激励以提高信号质量。

US2012/151994A1公开了一种基于MEMS的光声传感器，其具有作为IR发射器的激光二极管，其指向了填充有分析气体的谐振腔，该谐振腔的振动通过检测器来检测。US2012/151994A1旨在定位声音换能器，例如MEMS麦克风，通过控制电路在谐振腔附近(0.1μm至10μm)以主动谐振模式运行。在此优选使声音换能器的激励频率和激光调制与谐振腔的谐振频率相协调。检测器(优选地是锁相环(PLL))对作为包括控制电路和声音换能器的振荡器的幅度或频率的变化的光声谐振进行检测。