用于分析气体的光声气体传感器设备和方法
【技术领域】
[0001]一些实施例涉及光声测量概念，并且具体而言涉及用于分析气体的光声气体传感器设备和方法。
【背景技术】
[0002]光声效应涉及声波形成以及随后介质中的光吸收。为了获得该效应，光强度是变化的。可以通过用适当的检测器测量形成的声(例如压力改变)来量化光声效应。来自这些检测器的电输出随时间的变化可以被称为光声信号。这些测量可以被用于确定所研究的介质的某些性质。例如，可以分析气体的组分。期望实现通过低代价提供高精度的光声气体传感器概念。
【发明内容】
[0003]—个实施例涉及包括发射器模块和压敏模块的用于分析气体的光声气体传感器设备。发射器模块被布置在载体基板上并且被配置用于发射光脉冲。压敏模块被布置在载体基板上的参考气体空间内。参考气体空间与旨在填充有待分析气体的空间分离。进一步地，压敏模块被配置用于生成指示关于通过由发射器模块发射的光脉冲与参考气体空间内的参考气体相互作用引起的声波的信息的传感器信号。发射器模块被布置成使得由发射器模块发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析气体的空间之后到达参考气体空间。
[0004]由于发射器模块的放置，因此使得由发射器模块提供的光脉冲在进入参考气体空间之前经过旨在填充有待分析气体的空间，仅光脉冲的未被吸收的部分到达参考气体空间并且引起声波。通过在公共载体基板上实现发射器模块和压敏模块结合压敏模块在参考气体空间内的放置，在高精度和低代价的情况下，可以关于由参考气体含有的一个或多个组分对气体进行分析。
[0005]—些实施例涉及包括发射器模块和压敏模块的用于分析气体的光声气体传感器设备。发射器模块被布置在载体基板上并且被配置用于发射在第一频率范围内并且具有第一时序发生特性的第一光脉冲以及在第二频率范围内并且具有第二时序发生特性的第二光脉冲。压敏模块被布置在载体基板上并且被配置用于生成指示关于通过由发射器模块发射的第一光脉冲与待分析气体相互作用引起的第一声波以及通过由发射器模块发射的第二光脉冲与待分析气体相互作用引起的第二声波的信息的传感器信号。
[0006]通过实现能够发射第一频率范围内的光脉冲和第二频率范围内的光脉冲的发射器模块，不同的气体组分可以被激活或激发，以便引起声波。由于第一光脉冲和第二光脉冲的不同时序发生特性，因此由不同光脉冲引起的声波可以由压敏模块区分。通过在公共载体基板上实现发射器模块和压敏模块，可以低代价地同时分析各种气体组分。
【附图说明】
[0007]仅通过示例的方式，并且参照附图，在以下内容中将描述装置和/或方法的一些实施例，其中
[0008]图1不出了一个光声气体传感器设备的不意图；
[0009]图2至图6示出了一些光声气体传感器设备的示意性截面；
[0010]图7不出了一个光声气体传感器设备的不意图；
[0011]图8A至图11示出了一些光声气体传感器设备的示意性截面；
[0012]图12不出了一个光声气体传感器设备的不意图；
[0013]图13示出了又一光声气体传感器设备的示意图；
[0014]图14至图21示出了一些光声气体传感器设备的示意性截面；
[0015]图22示出了一种用于分析气体的方法的流程图；以及
[0016]图23示出了一种用于分析气体的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0017]参照其中一些示例实施例被图示的附图，现在将更完全地描述各种示例实施例。在图中，为了清楚起见，可以夸大线、层和/或区域的厚度。
[0018]据此，虽然示例实施例能够有各种修改和替代形式，其中实施例通过示例的方式被示出在图中，并且在本文中将被更详细地描述。然而，应当理解的是，不旨在将示例实施例限制于所公开的特定形式，而是相反，示例实施例要涵盖落在本公开的范围内的所有修改、等同物和替代。贯穿对图的描述，同样的数字指的是同样的或相似的元件。
[0019]将被理解的是，在元件被称为被“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以被直接连接或耦合到其它元件或者中间元件可以存在。相比之下，在元件被称为被“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，没有中间元件存在。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以同样的方式来解释(例如，“在…之间”对“直接在…之间”，“Btt邻”对“直接毗邻”等)。
[0020]本文中所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并且不旨在于限制示例实施例。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包含复数形式，除非上下文另外明确指示。将进一步被理解的是，术语“包括”、“包含”和/或“含有”在本文中使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或它们的组。
[0021]除非另外定义，本文中所使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与由示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步被理解的是，例如那些在常用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不会在理想化或过于正式的意义上来解释，除非本文中明确地如此定义。
[0022]图1不出了根据一个实施例的用于分析气体的光声气体传感器设备100的不意图。光声气体传感器设备100包括被布置在公共载体基板110上的发射器模块120和压敏模块130。发射器模块120能够或被配置用于发射光脉冲122。压敏模块130被布置在参考气体空间102内。参考气体空间102与旨在填充有待分析气体的空间104分离。压敏模块130生成指示关于通过由发射器模块120发射的光脉冲122与参考气体空间102内的参考气体相互作用引起的声波124的信息的传感器信号132。进一步地，发射器模块120被布置成使得由发射器模块120发射的光脉冲122在穿过旨在填充有待分析气体的空间104之后到达参考气体空间102。
[0023]由于发射器模块的放置，因此使得由发射器模块提供的光脉冲在进入参考气体空间之前经过旨在填充有待分析气体的空间，仅光脉冲的未被吸收的部分到达参考气体空间并且引起声波。通过在公共载体基板上实现发射器模块和压敏模块结合压敏模块在参考气体空间内的放置，可以关于由参考气体含有的一个或多个组分以高精度和低代价对气体进行分析。
[0024]光声气体传感器设备100是能够基于光声效应分析气体的设备。为此，光声气体传感器设备100包括用于生成由气体吸收以便引起声波的光脉冲的发射器模块120以及用于检测声波并且生成对应传感器信号132的压敏模块130。
[0025]发射器模块120和压敏模块130被布置在公共载体基板110上。在该连接中，例如，载体基板110可以是包括表示发射器模块120的发射器电路装置或发射器结构以及表示压敏模块130的压敏电路装置或压敏结构的半导体裸片。在该示例中，参考气体空间102与压敏模块120的分离可以通过包封载体基板110的包括压敏模块130的部分的适当的封装来实现。
[0026]备选地，例如，载体基板110可以是提供用于安装由表面安装设备SMD(例如半导体裸片)实现的发射器模块120以及实现在另一或同一表面安装设备上的压敏模块130的表面的结构化基板(例如类似印刷电路板PCB的有机物、类似引线框架或柔性板的金属网格)。在该示例中，通过适当的封装(例如连同载体基板封闭压敏模块的帽或盖)，压敏模块130 (例如半导体裸片)可以被封闭在参考气体空间102内。换言之，例如，载体基板110可以是表示刚性基板或柔性基板或者柔性与刚性基板之间的组合的印刷电路板。
[0027]换言之，例如，发射器模块120和压敏模块130可以被实现在表示载体基板110的同一半导体裸片上，或者压敏模块130和发射器模块120被实现在安装在公共载体基板110上的不同的半导体裸片上。
[0028]发射器模块120被配置用于发射光脉冲122。这些光脉冲122可以包括在大的频率范围内的频率部分或者在仅一个或多个窄的频带中的频率部分。
[0029]例如，由发射器模块120生成的光脉冲可以包括在红外频区(例如780 nm至I mm或者在300 GHz与400 THz之间)或者可见频区内的频率部分。备选地，发射器模块可以发射针对待分析的气体或者待分析的气体的组分调整的窄频带(例如为了选择性地激发待分析的气体内的吸收)内的光脉冲。
[0030]进一步地，发射器模块120可以生成具有预定义时序特性的光脉冲。例如，可以通过变化所发射的光的光强度(例如通过对光进行调制或通过生成单闪的光)来获得光脉冲。例如，可以周期性地触发发射器模块120，从而使得光脉冲具有两者之间的预定义时间间隔或者具有预定义的时序频率。
[0031]可以以各种方式实现发射器模块120。例如，发射器模块120可以包括热发射器元件、光电二极管元件或者激光二极管(例如红外二极管或者红外激光二极管)。
[0032]例如，压敏模块130被配置用于生成指示关于施加到压敏模块130的压力或压力变化的信息的信号。例如，压敏模块130可以包括(例如麦克风结构的)膜或者压电元件。例如，施加到膜或压电元件的压力(例如由参考气体空间内的参考气体引起的)可以使得信号具有正比于所施加的压力、压力变化或者压力时差的电压或电流。如果由发射器模块120发射的光脉冲或者部分光脉冲被参考气体空间102内的参考气体或者参考气体的组分吸收，则激发或生成声波124。该声波124传播通过参考气体空间102并且到达压敏模块130。该声波124引起压敏模块130处的压力变化，使得压敏模块130可以生成指示关于声波124的信息的传感器信号132。例如，该信息可以是正比于由声波124引起的压力或压力变化的电压或电流。声波124的强度可以正比于被参考气体吸收的光的量。因此，如果大量或大部分的光脉冲已经被旨在填充有待分析气体的空间104内的待分析的气体吸收，仅光脉冲的低部分(即具有低强度的光脉冲)到达参考气体空间102，从而引起弱的声波124，并且反之亦然。所以，由传感器信号132含有的信息可以被用于确定待分析的气体内的组分的份量。
[0033]参考气体空间102与旨在填充有待分析气体的空间104分离。换言之，参考气体空间102可以是密封的空间，其可以填充有参考气体。例如，可以通过将压敏模块130包封在载体基板110与帽、壳体或盖之间来形成参考气体空间102。其它实施方式也可以是可能的，只要至少部分地围绕压敏模块130的参考气体可以与旨在填充有待分析气体的空间104内的待分析气体分离。
[0034]例如，旨在填充有待分析气体的空间104可以是开放的空间(例如接近光声气体传感器设备的气体自由进出光声气体传感器设备)或者可以是具有气体入口和气体出口的密封空间。
[0035]如在图1中所指示的那样，发射器模块120可以被布置在旨在填充有待分析气体的空间104内。备选地，发射器模块120可以与参考气体空间102以及旨在填充有待分析气体的空间104分离(例如图2)，或者可以被布置在参考气体空间102内(例如图6)。在后面的情况中，例如，发射器模块120可以将光脉冲从参考气体空间102发射到旨在填充有待分析气体的空间104中，并且未吸收的部分可以再次到达参考气体空间102，使得光脉冲还在穿过旨在填充有待分析气体的空间104之后到达参考气体空间102。备选地，发射器模块120可以被布置成使得由发射器模块发射的光在仅穿过旨在填充有待分析气体的空间104而没有穿过填充有气体的另一空间之后到达参考气体空间102 (例如如果发射器模块被布置在旨在填充有待分析气体的空间内或者被布置与参考气体空间以及旨在填充有待分析气体的空间分离)。以此方式，仅尚未被待分析的气体吸收的光脉冲部分可以到达参考气体空间102，使得待分析的气体内的吸收变化具有大的影响，从而导致气体分析的高精度。
[0036]如已经提到的那样，压敏模块130可以可选地至少包括膜。可以通过由发射器模块120发射的光脉冲122与参考气体空间102内的参考气体相互作用引起的声波124移动该膜。膜可