BR112018010157B1

BR112018010157B1 - Sensor óptico de pressão, unidade de sensor de pressão, sensor de gás e uso do sensor de pressão

Info

Publication number: BR112018010157B1
Application number: BR112018010157-5A
Authority: BR
Inventors: Ib-Rune Johansen
Original assignee: Tunable InfraRed Technologies AS
Priority date: 2015-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2023-05-09
Also published as: EP3380822A1; EA034405B1; BR112018010157A2; US20180321103A1; CN108291849B; JP6783869B2; NO20151618A1; NO343314B1; WO2017089624A1; EA201890993A1; DK3380822T3; CN108291849A; US10739220B2; EP3380822B1; JP2019500625A; CA3004523A1

Abstract

SENSOR ÓPTICO DE PRESSÃO, UNIDADE DE SENSOR DE PRESSÃO, SENSOR DE GÁS E USO DO SENSOR DE PRESSÃO. A invenção se refere a um sensor óptico de pressão, tal como um microfone, que é constituído por duas membranas, porém em que o som não chega perpendicular à membrana, mas entra a partir do lado. As membranas podem ser paralelas conforme em um Fabry-Perot ou ligeiramente oblíquas conforme em um interferômetro de cisalhamento de ar em forma de cunha. O sensor de pressão usa uma leitura interferométrica, e consiste em duas membranas com características essencialmente iguais, em que pelo menos uma dentre as membranas é parcialmente de transmissão e parcialmente refletora e a outra membrana é pelo menos parcialmente refletora, sendo que as membranas são separadas por uma cavidade definida por uma parte espaçadora, em que a distância entre as membranas é variável para fornecer um ressonador Fabry- Perot sensível à alteração, e em que as duas membranas têm um volume posterior comum que é vedado ou essencialmente vedado na frequência que uma pessoa deseja medir, e em que um aumento de pressão resulta em a distância entre as membranas se mover em direções opostas.

Description

[001] A invenção refere-se a um sensor óptico de pressão que usa leitura interferométrica.

[002] Até recentemente, sensores de pressão, tais como microfones tiveram base em estruturas capacitivas e medições de impedância. Isso tem inúmeras desvantagens em relação à sensibilidade, pré-carregamento em altas voltagens, posicionamento da membrana em relação a um eletrodo posterior, ruído gerado a partir de efeitos de esmagamento de película entre eletrodo posterior e membrana, exigências de alta qualidade para pré-amplificadores e que a membrana deve ser suficientemente pré-tensionada para evitar que a membrana seja atraída para dentro do eletrodo posterior. Essas desvantagens contribuem para soluções dispendiosas e complicadas.

[003] Ultimamente, diversas soluções foram constatadas com a utilização de leitura óptica. No documento no US2004/0130728 uma grade modulada é usada para medir os movimentos de membrana. No documento no US2005/0018541 um melhoramento é descrito em que uma estrutura difrativa com eficiência de difração modulada é usada, por exemplo para medir pressão. No documento no US2005/0105098 uma estrutura Fabry-Perot é descrita com um detector integrado em uma dentre as superfícies, e a membrana é constituída pela outra superfície, e os documentos nos US5832157 e US7359067 descrevem como uma pessoa pode usar um laser controlado por comprimento de onda em relação a um sensor Fabry-Perot e como o comprimento de onda pode ser usado para fornecer resposta ideal. Controle do comprimento de onda normalmente exige controle tanto da temperatura quanto da corrente através do laser de diodo, e normalmente inclui elementos extras, tais como elementos Peltier, sensores de temperatura bem como conjunto de circuitos eletrônico para controle e regulação.

[004] As soluções acima têm em comum a exigência para processamento extremamente preciso e muitas etapas de processo para produzir o elemento de sensor, ou que as mesmas exigem métodos compreensivos para controle e regulação. Além disso, os princípios de sensor são vulneráveis para vibração externa. É, portanto, um objetivo da presente invenção fornecer uma solução melhorada para os problemas abordados acima.

[005] A presente invenção se refere a um sensor de pressão, por exemplo, um microfone que mede oscilações de pressão, consiste em duas membranas em que o som ou as ondas de pressão não chegam em um ângulo perpendicular à membrana, mas a partir do lado, conforme mostrado na Figura 1. A membrana pode estar em uma configuração paralela como uma dentre as superfícies como em um Fabry-Perot, ou ligeiramente não paralela como em um interferômetro de cisalhamento de ar em forma de cunha. https://en.wikipedia.org/wiki/Air-wedge_shearing_interferometer.

[006] Em uma mudança de pressão, a distância entre as membranas muda, e a variação de distância pode ser lida de modo óptico conforme é bem conhecido de interferometria Fabry-Perot e de cisalhamento de ar em forma de cunha. Se as membranas são da mesma espessura e tamanho, e a mesma tensão (suavidade), vibrações externas afetarão as mesmas essencialmente na mesma magnitude na mesma direção enquanto o som ou as ondas de pressão medidos moverão as membranas em direções opostas. Se a distância entre as membranas é medida tal sensor seria, portanto, menos influenciado por ruído e vibrações externas. Isso será uma vantagem em inúmeras aplicações, por exemplo, quando sinais muito fracos devem ser detectados e no uso em ambientes ruidosos. Um exemplo desse uso é a detecção fotoacústica em relação a sensores de gás, quando a detecção de sinais muito fracos é exigida, porém quando vibrações externas e ruído externo normalmente é limitante.

[007] Em detecção fotoacústica fontes de luz pulsantes são usadas para excitar um meio gasoso ou similar, em que a luz é absorvida pelo meio e se expande gerando um sinal de som na frequência da fonte de luz pulsante. Nessas aplicações frequências muito baixas são normalmente usadas, e a presente invenção é bem adequada para fornecer sensores que têm alta sensibilidade em frequências baixas. As membranas podem ser feitas suaves (baixa tensão) e, dessa forma, ser sensíveis a baixas frequências. Se tais membranas suaves foram usadas em um microfone capacitivo, a membrana teria sido puxada para dentro do eletrodo posterior, e o microfone não funcionaria. Visto que a invenção não inclui uma membrana que bloqueia a entrada, como com vários microfones, é possível posicionar a amostra de meios de gás entre as membranas. Isso também torna possível fornecer uma unidade de adsorção entre ou perto das membranas de modo que seja possível concentrar uma amostra de gás adsorvendo-se gás ao longo do tempo e, posteriormente, liberar o mesmo dentro do pequeno volume definido pelas membranas. Isso também possibilita medir concentrações de gás muito baixas com um sensor relativamente simples. Usando-se membranas semipermeáveis, tal como um filtro sinterizado com poros entre 0,1 e 50 micrômetros, e em que a espessura do filtro é entre 0,1 e 3 mm, é possível fazer um filtro acústico que deixa entrar o gás enquanto no mesmo tempo filtra o ruído de baixa frequência baixa do ambiente e também faz com que o sinal fotoacústico pare de vazar. Essa técnica é bem conhecida, por exemplo, a partir dos documentos nos US4818882 e CH689925. Combinando-se essa técnica conhecida com a presente invenção é possível fornecer um sistema que é bastante adequado para suprimir ruído e vibrações exteriores, enquanto ao mesmo tempo detecta sinais muito fracos do processo fotoacústico. Isso pode, no entanto, ser melhorado adicionando-se filtros ativos e passivos que removem ruído externo dentro da frequência ou frequências usadas pelo sensor fotoacústico.

[008] Visto que um princípio de leitura interferométrica é usado entre duas superfícies refletoras, a distância entre as superfícies pode ser feita relativamente grande, e por razões práticas, a distância deveria ser mais que 10 micrômetros de modo a evitar os efeitos de esmagamento de película que amortece os movimentos mecânicos ou que gera ruídos. Uma distância prática entre as membranas pode estar na faixa de 10 micrômetros a 10 mm.

[009] Em um interferômetro paralelo, é possível sintonizar ponto de trabalho sintonizando-se o comprimento de onda da luz. O ponto de trabalho será normalmente próximo à sensibilidade máxima ou quando a resposta é o mais linear possível, ou quando a faixa dinâmica mais alta é alcançada. A fonte de luz é tipicamente um laser de diodo 1 e o comprimento de onda pode ser sintonizado mudando-se tanto a temperatura como/ou corrente através do laser de diodo. Uma pessoa também pode sintonizar o ponto de trabalho alterando-se a distância entre as membranas, por exemplo, com um elemento de PZT, forças eletrostáticas, expansão térmica etc. O ponto de trabalho também pode ser mudado variando-se o ângulo da luz colimada em relação às membranas, por exemplo, movendo-se o ângulo das membranas em relação à luz colimada.

[010] Se as membranas são ligeiramente não paralelas, a luz colimada através das membranas fornecerá um padrão de interferência, por exemplo, um padrão linear, e uma pessoa pode detectar esse padrão em uma matriz 1D ou 2D. Alternativamente, uma pessoa pode obter o padrão de interferência deixando-se que a luz de laser seja menos que 100% colimada, mas deixando que a mesma divirja ou convirja fracamente e, então, detecte a mesma com uma matriz de detectores. Ou, é possível fornecer pequenas reentrâncias nas membranas, (ou reentrâncias achatadas e paralelas), de modo que diversas distâncias diferentes sejam fornecidas no interferômetro, mas em que cada distância está localizada em uma certa área de modo a permitir leitura de toda distância nos detectores respectivos. Vantajosamente, é possível adaptar as distâncias de modo a obter ou essencialmente obter uma alteração de fase no sinal de interferência de 0° e 90°, ou 0°, 120° e 240°, ou 0°, 60° e 120°, ou outras combinações que fornecem boa sensibilidade ou dinâmicas, por exemplo, conforme revelado no documento no US2016/0138906 (Lacolle). Em sua forma simples, uma pessoa pode testar diversos canais para linearizar o sinal e/ou estender a faixa dinâmica. Como uma alternativa às reentrâncias, é possível fornecer uma camada de material na mesma posição de modo que o comprimento de trajeto óptico seja mudado, e uma pessoa pode obter as alterações de fase exigidas nos sinais de interferência.

[011] A invenção será descrita abaixo com referência aos desenhos anexos, que ilustram a invenção a título de exemplos.

[012] A Figura 1 ilustra o corte transversal da modalidade preferencial da invenção.

[013] A Figura 2 ilustra o corte transversal de uma modalidade que usa luz convergente.

[014] A Figura 3 ilustra o corte transversal de uma modalidade que usa luz divergente.

[015] A Figura 4 ilustra o corte transversal de uma modalidade que usa uma membrana inclinada.

[016] A Figura 5 ilustra o corte transversal de uma segunda modalidade que usa uma membrana inclinada.

[017] A Figura 6 ilustra o corte transversal de uma terceira modalidade que usa uma membrana inclinada.

[018] A Figura 7 ilustra o corte transversal de uma modalidade que usa reentrâncias para distâncias diferentes em posições diferentes.

[019] A Figura 8 ilustra o corte transversal de uma modalidade que usa uma saliência em uma membrana para gerar distâncias diferentes em posições diferentes.

[020] A Figura 9 ilustra o corte transversal de duas membranas em uma modalidade que usa reentrâncias em ambas membranas para obter distâncias diferentes em posições diferentes.

[021] A Figura 10 ilustra uma localização típica das reentrâncias no meio de uma membrana.

[022] A Figura 11 ilustra um processo para gerar três ou quatro alturas ou distâncias com apenas uma reentrância por membrana.

[023] A Figura 12 ilustra o corte transversal de uma modalidade da invenção que usa uma fonte de pressão ativa a fim de mudar o ponto de trabalho.

[024] A Figura 13 ilustra o corte transversal uma modalidade processada a partir de um wafer de silício.

[025] A Figura 14 ilustra o componente na Figura 13 com membranas semipermeáveis montadas.

[026] A Figura 15 ilustra um método para fornecer uma membrana inclinada em um wafer de silício.

[027] A Figura 16 ilustra um método de produção possível para uma membrana relaxada sob tensão, que inclui reentrâncias.

[028] A Figura 17 ilustra o corte transversal de uma modalidade da invenção usada como um detector de gás fotoacústico.

[029] A Figura 18 ilustra o corte transversal de uma modalidade da invenção usada como um sensor de gás fotoacústico que inclui uma redução ativa de ruído.

[030] A Figura 19 ilustra o corte transversal de uma modalidade usada como um detector de gás fotoacústico, que inclui um filtro passivo para suprimir ruído.

[031] A Figura 20 ilustra o corte transversal de uma modalidade da invenção usada como um detector de gás fotoacústico, porém em que o gás é excitado em uma sala conectada com as membranas.

[032] A Figura 21 ilustra o corte transversal da invenção usada como um detector de gás, que inclui uma unidade de adsorção.

[033] A Figura 22 ilustra outro corte transversal de uma modalidade da invenção usada como um detector de gás fotoacústico, mas em que o gás é excitado em uma sala conectada com as membranas.

[034] A Figura 23 ilustra um processo para gerar uma membrana com uma diferença de altura controlada.

[035] A Figura 1 ilustra o princípio da invenção, que inclui um sensor óptico de pressão, por exemplo, um microfone óptico, que compreende duas membranas 3, 4, mas em que a fonte acústica 10 está no lado das membranas. As membranas são montadas em uma estrutura transportadora 5, e uma parte espaçadora de separação 6 que separa as membranas com uma distância escolhida. As membranas 3,4, estrutura transportadora 5, parte espaçadora 6 e alojamento 8 que encerram a estrutura conjuntamente constituem uma unidade vedada ou quase vedada para as frequências acústicas destinadas a serem medidas. O volume encerrado, dessa forma, também representa um volume posterior ou referência comum para as duas membranas que se movem como resposta às oscilações de pressão no volume, o que, dessa forma, atua como um volume de sensor. Se isso é um medidor de pressão absoluto, a unidade deve ser completamente vedada, porém para um microfone, um canal de vazamento é normalmente usado que fornece equalização de pressão. O canal de vazamento pode tipicamente ter uma constante de tempo entre 0,01 e 10 segundos dependendo da frequência da pressão ou ondas de som a serem medidas.

[036] O material de membrana 3,4 pode depender da aplicação bem como produção disponível, e ser escolhido a partir de uma grande faixa de materiais que tem endurecimento suficiente, flexibilidade e resistibilidade, as condições ambientais no uso específico do sistema, bem como reflexão adequada e características de transmissão.

[037] Conforme discutido acima, uma elevação de pressão fará a distância entre as membranas mudar. As membranas 3,4 são tipicamente a partir de um material que é parcialmente refletor e parcialmente de transmissão, de modo a fornecer conjuntamente um interferômetro. Se as membranas são essencialmente paralelas, as mesmas irão constituir um interferômetro Fabry-Perot. Emitindo-se luz a partir de uma fonte de luz 1 com um comprimento de coerência suficientemente longo entre as membranas, uma pessoa pode medir a mudança na posição relativa entre as membranas em um detector ou matriz de detector 7 detectando-se as variações na intensidade de luz transmitida através do interferômetro com a utilização pelo menos de um sensor de luz ou detectando-se as mudanças resultantes no padrão de interferência no lado de detector do interferômetro com a utilização de uma ou duas matrizes de detector dimensional, por exemplo, conforme discutido no documento no US2016/0138906. Tipicamente, a fonte de luz 1 será um laser ou um LED de banda estreita. Se um feixe de luz colimada ou quase colimada é exigido, um elemento óptico 2 pode ser usado entre a fonte de luz e as membranas. Isso pode ser tipicamente uma lente, normalmente de óptica refrativa, difrativa ou refletora. Na Figura 1, a luz é transmitida em um ângulo essencialmente normal às membranas. Em alguns casos, uma pessoa evitará reflexos de volta à fonte de luz 1 e pode escolher ter uma direção de propagação ligeiramente inclinada através das membranas.

[038] A parte espaçadora 6 tem um objetivo principal de fornecer uma distância entre as estruturas transportadoras que retêm as membranas e é essencialmente fixa, porém a parte espaçadora 6 também pode ser produzida a partir de um material que muda a distância, tal como um PZT (transdutor piezoelétrico), que muda a distância como uma resposta a uma voltagem aplicada. Tal material que muda a distância pode ser usado para controlar a distância entre as membranas e, dessa forma, otimizar o ponto de trabalho para a leitura interferométrica. O ponto de trabalho também pode ser otimizado mudando-se o comprimento de onda da fonte de luz 1.

[039] A Figura 2 mostra como uma pessoa pode usar luz de laser convergente para fazer um padrão de interferência 9. Os ângulos incidentes diferentes proporcionam os trajetos de propagação diferente de luz, e geram um padrão de interferência. O padrão de interferência dependerá de como a lente 2 é conformada. A lente pode colimar a luz em uma direção em relação ao eixo geométrico óptico enquanto converge ligeiramente na outra, que poderia exigir uma lente comum combinada com óptica cilíndrica. Em óptica moderna, é possível gerar essencialmente quaisquer características de lente desejadas. O padrão de interferência pode, então, ser lido por uma matriz de detector 1D ou 2D, ou um detector com segmentos de anéis ou partes de segmento de anéis.

[040] A Figura 3 mostra como uma pessoa pode usar luz de laser divergente para fazer um padrão de interferência 9. Conforme declarado acima, os ângulos diferentes da luz obterão comprimentos de trajeto de propagação diferentes e, dessa forma, geram um padrão de interferência. O padrão de interferência dependerá de como a lente é conformada. Conforme ilustrado na Figura 3, a lente pode colimar a luz em uma direção e divergir ligeiramente na outra direção, que poderia exigir uma lente comum em combinação com óptica de cilindro, tal como uma lente cilíndrica. A lente ou lentes podem ser produzidas com a utilização de óptica refrativa ou óptica difrativa. O padrão de interferência pode ser lido com a utilização de matrizes de detector 1D ou 2D, ou um detector com segmentos de anéis ou segmentos de anéis parciais.

[041] Se uma pessoa escolhesse fazer o sensor de pressão de acordo com uma modalidade desta invenção com a utilização de métodos para semicondutores de microusinagem, tal como silício, é fácil fornecer membranas paralelas. Pode ser, no entanto, mais complicado fazer uma membrana com um ângulo controlado.

[042] A Figura 4 ilustra como uma pessoa pode combinar membranas que não são paralelas com a utilização de uma parte espaçadora 12. A luz através das membranas pode ser colimada, divergente ou convergente. Se a luz é colimada e a membrana paralela em uma direção e ligeiramente não paralela na outra direção, um padrão linear pode ser detectado em uma matriz 1D dimensional. A parte espaçadora pode ser ajustável de modo que a distância é mudada aplicando-se, por exemplo, uma certa voltagem. Dessa maneira é possível usar apenas um único elemento detector ajustando-se a altura de modo a obter um ponto de trabalho de operação útil.

[043] Outro método para obter membranas não paralelas é mostrado na Figura 5. A membrana pode ser microusinada, e produzida de uma maneira a fazer as membranas não paralelas, tanto microusinando-se uma diferença de altura em um lado como em que as membranas são feitas em um wafer em forma de cunha. Em ambos os casos uma pessoa pode usar uma parte espaçadora 6 que é muito paralela, e ao mesmo tempo obter um ângulo controlado entre as membranas.

[044] A Figura 6 mostra outro método para obter um ângulo entre as membranas. Uma pessoa pode fazer com que as membranas não sejam paralelas puxando-se em uma extremidade da membrana 11, por exemplo, com a utilização de força eletrostática de uma maneira por si conhecida entre um eletrodo na estrutura transportadora 5 e outro eletrodo 11 próximo à borda da membrana 4. Dependendo do material e da voltagem, às vezes é possível colocar a membrana em uma posição permanente para não aplicar a voltagem permanentemente. Em princípio, pode ser usada para apertar uma membrana que tem pouquíssima tensão, ou controlar a distância de modo a obter um ponto de trabalho ideal.

[045] A Figura 7 mostra como é possível fornecer comprimentos de trajeto óptico diferentes em áreas diferentes. O padrão de interferência entre duas membranas, iluminado com a utilização de luz colimada, variará com a distância e o padrão se repetirá para cada meio comprimento de onda. Se a reflexão é relativamente baixa, tipicamente menos que 50%, o padrão de interferência muda lentamente, de modo que é possível encontrar uma distância que representa uma área com boa sensibilidade e linearidade usável (um ponto de trabalho ideal ou perto de ideal). Se uma membrana é feita com diversas alturas diferentes, é possível encontrar uma área que pode ser usada como um ponto de trabalho e usá-la. Ou é possível encontrar inúmeras distâncias bem definidas, e usar isso para reconstruir o movimento de membrana sobre diversos períodos de comprimentos de onda conforme discutido no documento no US2016/0138906.

[046] A Figura 8 ilustra o corte transversal de uma modalidade da invenção que usa uma saliência na membrana para gerar distâncias de membrana de diferença para posições diferentes. Essa saliência pode, por exemplo, ser ligeiramente esférica a fim de gerar um padrão de interferência em formato de anel, ou a saliência pode ser triangular ou em formato de dente de serra. O ponto é para fornecer um padrão de interferência que varia suficientemente para encontrar um ponto de trabalho usável ou possivelmente para medir uma mudança relativa em posição sobre diversos períodos de interferência.

[047] A Figura 9 ilustra o corte transversal das membranas 3,4 em uma modalidade da presente invenção que usa reentrâncias para gerar distâncias diferentes entre as superfícies refletoras das membranas em posições diferentes ao longo das superfícies de membrana. Fazendo-se uma reentrância 29 na membrana superior, é possível gerar duas alturas diferentes 24,25 em relação a uma membrana achatada. Se a segunda membrana também tiver uma reentrância na superfície refletora, é possível gerar quatro distâncias diferentes 24,25,26,27 entre as superfícies refletoras das membranas se as reentrâncias 28,29 nas duas membranas tiverem alturas diferentes e três distâncias de membrana diferentes, se as reentrâncias tiverem as mesmas alturas como a distância de distância de reentrância para não reentrância 25,27 será, então, a mesma.

[048] A Figura 10 ilustra conforme visto acima, como as reentrâncias nas membranas podem ser posicionadas no meio das membranas de modo que um laser colimado possa ser usado para iluminar toda a área, em que um detector 2x2 pode ser posicionado diretamente sob as membranas sem óptica adicional. A posição no centro das membranas também fornecerá a maior mudança em distância durante uma oscilação de pressão.

[049] A Figura 11 ilustra como uma pessoa pode fornecer três ou quatro distâncias de membrana diferentes com apenas uma reentrância por membrana girando-se as mesmas em relação umas às outras em relação ao centro de membrana e eixo geométrico óptico de modo a deixar as mesmas parcialmente sobrepostas. Em um processo de produção que usa wafers de silício adequados para produzir diversas membranas usadas em uma modalidade da presente invenção, é possível produzir reentrâncias em formato de meia lua 25,27 que são giradas por 45 graus antes de serem conjuntamente montadas. Se dois tais wafers forem usados, um com reentrância 25 e outro com reentrância 27, vira um e coloca os mesmos no topo de cada um com as reentrâncias parcialmente sobrepostas com o mesmo lado para dentro (ou o mesmo lado para fora), um pode fornecer três distâncias diferentes entre as membranas se as reentrâncias tiverem as mesmas profundidades, e quatro distâncias se as reentrâncias forem diferentes, visto que as distâncias estarão sem reentrância 24, primeira reentrância 25, segunda reentrância 27 e a soma da primeira e da segunda reentrância 26. Tipicamente, uma pessoa pode produzir tais membranas 10x10 em um disco de silício e, então, ligar conjuntamente dois discos no topo contra o topo ou o fundo em relação ao fundo conjuntamente.

[050] Cada uma dentre as reentrâncias 25,27 pode ser em formato de meia lua ou retangular, ou pode ser constituída por duas reentrâncias menores adjacentes entre si dentro da área definida por, por exemplo, as reentrâncias mencionadas acima 25,27, de modo que uma sobreponha a reentrância na outra membrana e a outra não sobreponha. A vantagem com duas reentrâncias pequenas é que a relação entre a parede lateral e a área na reentrância fará com que as reentrâncias menores sejam mais rígidas e mantenham seus formatos melhor que a reentrância maior quando a membrana está livre.

[051] Na Figura 12, uma modalidade alternativa da invenção é mostrada, o que fornece um ponto de trabalho usável para o sensor. Usando-se um alto-falante 43 (ou qualquer dispositivo que tem a capacidade de gerar uma diferença de pressão dentro do volume posterior), preferencialmente com um volume posterior justo, uma pessoa pode gerar uma pressão controlada (limitada pela faixa dinâmica do alto-falante ou gerador de pressão) dentro do volume posterior de microfone de modo que a distância entre as membranas está próxima a ou no ponto de trabalho ideal. Aumentando-se a pressão no volume posterior, as membranas serão empurradas conjuntamente, ou reduzindo-se a pressão no volume posterior, as membranas serão puxadas uma das outras. Usando-se retroalimentação a partir da leitura interferométrica, a pressão no volume posterior pode ser ajustada para obter um ponto de trabalho usável. Isso pode não ser adequado para um sensor que tem que manter um ponto de trabalho constante: 1) Pelo fato de que mudanças em pressão externas e temperatura podem fazer com que a faixa dinâmica do alto-falante seja insuficiente, ou 2) no caso de o volume posterior estar vazando ou equipado com um equalizador de pressão. No entanto, a solução pode ser útil quando é suficiente manter o ponto de trabalho ideal por um período de tempo limitado.

[052] Um método de produção possível adequado, por exemplo, para produzir a caixa 34 externa com suas janelas de transmissão IR 30 com dois discos de silício é mostrado na Figura 13, em que dois discos de silício essencialmente idênticos são montados conjuntamente topo a topo. Nesse caso, gravação úmida é usada para fazer, por exemplo, uma reentrância 32 de 400 μm em um wafer de silício 31 de espessura de 600 μm. No mesmo lado, uma reentrância mais rasa 33, por exemplo, de 50 μm de profundidade é gravado, e isso é conectado à primeira reentrância 32 usinando-se um canal entre os mesmos. Um pode, então, fornecer um material, tal como nitreto de silício no wafer e nas reentrâncias que através de gravação livre a partir do outro lado constituirão uma dentre as membranas. Produzindo-se dois discos idênticos com a utilização do mesmo processamento e tendo-se reentrâncias similares, e ligando-as mesmas conjuntamente com as reentrâncias em direção umas às outras, tanto a área de caixa de medição 34 quanto a cavidade entre as duas membranas opostas podem ser produzidas. No final, uma gravação úmida pode ser usada para livrar as membranas 35 da parte exterior. Os movimentos de membrana podem, então, ser lidos conforme descrito acima transmitindo-se o feixe de luz a partir da fonte de luz 1 e possivelmente de uma lente 2 através das membranas 3,4 ao detector ou à matriz de detector 7.

[053] De acordo com essa modalidade, uma amostra de gás pode ser analisada em uma aplicação fotoacústica se o gás que for analisado é difundido ou bombeado para dentro da área de caixa de medição 34, e o gás é, então, irradiado com os comprimentos de onda relevantes de luz (não mostrado) de modo a fornecer um sinal acústico. O sinal acústico poderia, então, ser transportado por meio do canal às membranas que fornece um movimento entre as membranas que pode ser medido. Se o gás na câmara, dessa forma, absorve luz a partir de um feixe de luz pulsante, a amplitude dos movimentos da membrana na frequência pulsante fornecerá uma indicação da quantidade de gás absorvido na câmara.

[054] Se o nitreto de silício depositado para formar as membranas não é ativamente removido da parte externa da câmara ou caixa 34 o mesmo pode constituir uma camada antirreflexo tanto dentro quanto fora do silício.

[055] O nitreto de silício tem um índice refrativo de aproximadamente 2 e está, portanto, em uma espessura escolhida adequada para uso como revestimento antirreflexo em silício que tem um índice refrativo de aproximadamente 3,4. A espessura do revestimento antirreflexo pode, em alguns casos, ser essencialmente a mesma como a espessura da membrana de nitreto 30, na faixa de 50 a 200 nm.

[056] Na Figura 13 foi mostrado como duas partes essencialmente similares 31 podem ser colocadas conjuntamente para fornecer uma unidade. As partes são produzidas a partir de um wafer de silício em que as reentrâncias 32,33, bem como o canal entre os mesmos, são gravados primeiro. Após isso, o material de membrana é depositado constituído por nitreto de silício, oxinitreto, material semelhante ao diamante ou outros materiais de membrana. Quando o material de membrana é depositado normalmente é preferencial ligar conjuntamente os wafers. Uma pessoa pode, então, usar métodos de ligação avançados com a utilização de atuação de superfície e ligar conjuntamente os wafer sem remover o material de membrana nas superfícies ligadas conjuntamente, ou o material de membrana é removido e possivelmente uma camada de óxido pode ser usada para proteger a superfície e ligá- las conjuntamente com a utilização de ligação de fusão. Alternativamente, um terceiro wafer é usado entre os outros. Isso poderia ser um disco de pirex com aberturas passáveis em que a membrana 30 e a cavidade 34 estão, em que o disco de pirex é ligado aos dois outros com a utilização de ligação anódica.

[057] A Figura 14 ilustra o componente na Figura 13 com uma membrana semipermeável 14 montada em cada lado. Colocando-se uma membrana semipermeável, tal como um filtro sinterizado de óxido de metal ou alumínio em cada lado da área de medição 34, uma pessoa pode fornecer uma área de medição que é acusticamente vedada dentro da frequência que a medição é desempenhada, enquanto, por exemplo, um gás pode correr lentamente dentro da cavidade de medição 34. Tal membrana semipermeável pode funcionar como um filtro passa-baixa acústico que assegura que o sinal acústico a partir da medição fotoacústica não vaze. A membrana 14 pode ser trocada pelos outros filtros acústicos que têm a mesma função. O desenho mostra tal componente, por exemplo, produzido a partir de um material semicondutor 31, tal como silício, com uma membrana 30 de, por exemplo, nitreto de silício e em que o filtro sinterizado é montado nos lados. Com a utilização de silício como um material, se torna possível usar o silício como uma janela de IR.

[058] Se a reentrância 33 se sobrepõe com a área 35 para a gravação livre da membrana, uma pessoa obterá um relaxamento de tensão total ou parcial na membrana. Gravação livre da membrana também na parede lateral fará a membrana mais longa. Para uso em um microfone, o relaxamento de tensão parcial é ideal, por exemplo, que reduz tensão no nitreto de silício de 1 GPa para 10 a 20 MPa.

[059] A Figura 15 ilustra uma maneira de reduzir a tensão em uma membrana. Por gravação livre de tal maneira que a reentrância grande 35 é deslocada em relação à membrana, uma pessoa obterá uma gravação inferior 36 em um lado da membrana. Visto que uma membrana normalmente tem alta tensão de deformação e é esticada como uma pele de tambor, a membrana esticará até estar quase reta, conforme ilustrado com a membrana 37 pontilhada no desenho. Uma membrana de nitreto de silício pode ter uma deformação na faixa de 1 GPa e, então, a mesma é bastante deformada e dura. Os movimentos serão, então, relativamente pequenos em uma dada pressão de som. Se a tensão na membrana é reduzida a, por exemplo, 10 MPa, a membrana será bem mais suave (aproximadamente 100 vezes) e muito mais sensível à mesma pressão de som. Uma membrana inclinada feita pelos princípios acima fornecerá duas vantagens; tensão reduzida e sensibilidade aumentada, e as duas membranas irão, conjuntamente, fornecer um interferômetro inclinado que proporcionará um padrão linear quando iluminado por um laser colimado. Posicionando-se uma matriz de detector no padrão linear, uma pessoa pode detectar as áreas que são mais sensíveis a mudanças de distância entre as membranas, e também uma pessoa pode reconstruir o sinal acústico sobre diversos períodos, se a matriz for suficientemente longa para cobrir pelo menos um período do padrão de interferência.

[060] Um método para reduzir a tensão na membrana por gravação livre da borda de extremidade 36 pode, certamente, ser produzido essencialmente simétrico por gravação livre da borda em ambos os lados da mesma quantidade, ou em todos os quatro lados. Uma pessoa pode, então, combinar essa membrana com um dentre os outros métodos para ler os movimentos da membrana. Uma pessoa também pode escolher se as bordas laterais deveriam ser gravadas de modo livre ou não. Se as bordas são gravadas de modo livre, a membrana será mais suave (tensão inferior).

[061] Se a reentrância 35 for mais ampla que a reentrância 33 quando a membrana for gravada de modo livre, a membrana 30 se tornará mais longa, visto que o comprimento de membrana será a soma do comprimento do fundo e das paredes laterais da reentrância 33. Um aumento em comprimento de membrana proporcionará uma redução na tensão final da membrana. Ajustando-se o comprimento da reentrância 33, a tensão na membrana 30 ou 37 pode ser controlada e ajustada ao valor desejado. Se apenas três lados da reentrância 33 forem gravados de modo livre, a membrana será esticada entre o lado que não é gravado de modo livre e o lado oposto e, dessa forma, se tem uma membrana inclinada.

[062] Para calcular a redução de tensão, a lei de Hooke pode ser usada como uma primeira aproximação de ordem. o = Eε , ε = DL/L

[063] Se a tensão de membrana é 1GPa (o) e o módulo de Young (E) é 280 GPa, uma membrana de 5 mm será relaxada se os pontos de âncora da membrana forem movidos em torno de 9 μm em direção do centro da membrana. DL = εL = L o/E = 5 mm * 1 GPa / 280 GPa = 18 μm

[064] Se for incluído o coeficiente de Poisson o (0,27), o relaxamento é obtido após cerca de 7 μm. o = E/(1-v) ε

[065] Uma membrana bidimensional é mais complexa e, tipicamente, existem pequenas mudanças nos diferentes parâmetros dependendo dos processos e da fabricação, portanto, o relaxamento final é normalmente obtido por verificação experimental.

[066] A Figura 16 ilustra um possível método de produção para uma membrana completa ou parcialmente relaxada de tensão que inclui reentrâncias, por exemplo, produzidas a partir de nitreto de silício. Uma maneira de fornecer uma membrana completa ou parcialmente relaxada de tensão é gravar depressões 40 sem bordas ou ângulos agudos em, por exemplo, um disco de silício. Essas depressões podem ser em formato triangular ou arredondado dependendo do tipo de gravação. Uma pessoa também pode depositar nitreto de silício em uma dada espessura, por exemplo, 100 nm e, então, gravar de modo livre a membrana a fim de remover o wafer de silício naquela área. Visto que o nitreto de silício padrão tem alta tensão, as depressões sem ângulos agudos serão tipicamente esticadas e a membrana será relativamente achatada conforme ilustrado na parte inferior da Figura 16. Escolhendo-se a dimensão e o formato, e possivelmente usar diversas depressões adjacentes, uma pessoa pode obter a tensão ou flexibilidade exigida da membrana. Em algumas ocasiões, uma reentrância com uma certa altura é desejada, e se evita que a reentrância seja esticada até estar achatada. Gravando-se uma reentrância 38 com ângulos relativamente agudos (isto é, perto de 90 graus), a membrana depositada será tipicamente mais espessa nos cantos e a membrana nos cantos funcionará como uma placa dobrada, que é tipicamente mais rígida que uma placa comum. Uma pessoa também pode fortalecer isso adicionando-se uma reentrância adicional 39 fora da primeira 38. Essa nova reentrância pode ser mais estreita e mais profunda que a primeira. A profundidade contribui para a rigidez e se a mesma for suficientemente estreita, a mesma pode ser preenchida com um material. Uma possibilidade é preencher a mesma com polissilício e, então, gravar o polissilício a partir do topo até que a mesma apenas permaneça na reentrância adicional 39 e, dessa forma, endurece o mesmo.

[067] O ponto principal com esse endurecimento é manter a área com a reentrância 38 relativamente achatada, para tornar a mesma usável para leitura óptica. Adicionalmente, uma pessoa pode fazer diversas reentrâncias adjacentes umas às outras e com profundidades diferentes, de modo a fornecer suficientes informações para reconstruir o sinal sobre diversos períodos e com um bom sinal para razão de ruído. Se um segundo trajeto de medição é usado com uma diferença de altura que proporciona uma alteração de fase de ± 90 graus (e os dois sinais são combinados), é possível reconstruir o sinal conforme discutido acima. Até mesmo melhores resultados são normalmente obtidos com três sinais que têm uma mudança de fase de 0, ±60 e ±120 graus, visto que uma pessoa evitará divisão por zero e não terá problemas descobrindo se o sinal está no topo de uma curva seno. Também é possível usar mais que três diferenças em peso ou distância. Além disso, uma pessoa pode produzir as reentrâncias de modo que as mesmas tenham um padrão como uma matriz de detector com detectores 2x2 ou detectores 1x3, porém também é possível colocar os detectores um por um em uma placa de circuito e, então, usar três detectores individuais posicionados em relação a cada diferenças de reentrância ou altura/distância.

[068] O sensor descrito acima tem um número de diferentes aplicações e, especialmente, dentro do campo de detecção fotoacústica com alta sensibilidade e robusteza em relação a vibrações e ruído externo. A Figura 17 mostra uma montagem de um detector fotoacústico que inclui um volume de gás entre as membranas 3,4 a ser excitada por um feixe de luz 15 dentro de uma faixa escolhida de comprimentos de onda, sendo que o feixe de luz é pulsante ou variado em uma taxa escolhida de modo a gerar um sinal acústico da amostra de gás a ser detectada como em relação a movimentos entre as membranas;

[069] Um filtro sinterizado, para-chamas ou membrana semitransmissora/semipermeável 14 é fornecida para deixar com que o gás entre na parte de microfone, e no exemplo ilustrado, um feixe de luz 15 que sai do gás dentro do volume que gera um sinal fotoacústico medido pelo sistema de detecção óptico. Nessa disposição, a contribuição da fonte de som externa 10 não é necessária e o filtro semipermeável 14 pode funcionar como um filtro passa-baixa que deixa o gás entrar, o que reduz o ruído externo nas frequências nas quais a luz de excitação 15 é modulada e possivelmente mais harmônica. Na frequência de detecção, o filtro semipermeável funcionará como um filtro de trajeto baixo que não libera o aumento de pressão gerado pelo processo fotoacústico.

[070] É preferencial usar membranas tão finas quanto possível, visto que a massa das membranas estará baixa bem como a influência por vibrações. Também é vantajoso usar membranas tão finas quanto possível, visto que o gás que move as membranas transferirá energia à membrana que transferirá a energia de volta ao gás como calor e pressão aumentada. Essas membranas têm condutividade de calor baixa e contribuirão, portanto, mais ao aumento de pressão.

[071] O feixe de luz 15 pode ser de qualquer tipo de radiação eletromagnética que pode ser absorvida por um meio ou gás. Tipicamente, luz UV, visível ou IR é usada, porém a radiação dentro da faixa de comprimento de onda de milímetro e as ondas de radar típicas também são absorvidas por gases. Os feixes de luz serão filtrados por um filtro eletronicamente controlado, um filtro interferométrico, tal como um interferômetro Fabry-Perot ou um Michelson, ou um laser controlado. Normalmente, o feixe de luz será modulado, tanto pulsante ou modulado de comprimento de onda.

[072] A Figura 18 ilustra como a redução de ruído adicional pode ser obtida com a utilização de redução de ruído com antissom a fim de reduzir os sons do ambiente 10, com a utilização de um microfone externo 16 e um elemento alto-falante 17. Visto que a mesma na presente invenção primariamente é apenas exigida para reduzir ruído em uma única frequência, ou dentro de uma banda de frequência estreita, a tarefa é muito mais simples que o cancelamento ativo em fones de ouvido, telefones móveis etc. O sinal detectado no microfone 16 pode ser dimensionado em relação à redução medida através do filtro semipermeável e, então, subtraído do sinal fotoacústico medido. O princípio é discutido no documento no US2012/0279280.

[073] Também é possível medir a resistibilidade do ruído externo pelo microfone na frequência usada pela medição fotoacústica, e conforme é conhecido o quanto o som é atenuado através do filtro semipermeável, é possível calcular se o ruído externo reduzirá a razão de sinal/ruído (SNR). Se a amplitude de ruído reduzirá o SNR, é possível escolher não deixar aquela parte do sinal contribuir ao cálculo da concentração de gás. Em princípio, isso pode ser desempenhado para cada pulso a partir da fonte óptica que gera o feixe de luz 15 e, dessa forma, o sinal fotoacústico. Um algoritmo pode, então, ser feito para integrar a amplitude para cada pulso e deletar os pulsos individuais que terão uma contribuição de ruído negativa e, então, usar o meio das medições para melhorar o SNR.

[074] O cancelamento de ruído ativo foi inventado em 1933, documento no US2043416, e pode ser encontrado em inúmeras modificações e melhoramentos a partir do projeto original. Em um projeto, conforme ilustrado na Figura 18, uma membrana semipermeável 14 na forma de um filtro sinterizado com poros de 1 a 20 μm e uma espessura de 0,1 a 6 mm, tipicamente, tem uma constante de tempo na faixa de segundos e funcionará, dessa forma, como um filtro passa-baixa acústico e pode atenuar o ruído externo na faixa de 40 dB com uma frequência demodulação de 100 Hz na fonte de luz 15 de onde sai o gás. Um microfone 16 fora do filtro passa- baixa acústico pode ser usado para medir o ruído do ambiente e usar o alto-falante para fornecer um campo de contagem acústica. Na forma mais simples, a amplitude do ruído é medida e enviada de volta através do alto-falante com fase oposta, e dimensiona a amplitude suficientemente para remover o ruído. Pode ser vantajoso limitar a largura de banda ao redor da frequência de detecção real, enquanto se garante que a fase do sinal não é significativamente mudada. Em uma frequência de 100 Hz, o comprimento de onda acústico é cerca de 3,3 m, e se esse erro de fase deve ser menor que 1%, a distância relativa entre o alto-falante e o microfone tem que ser menor que 1% do comprimento de onda, isto é, 0,033 m = 3.3 cm. Além disso, é vantajoso posicionar o alto-falante 17 tão perto do filtro passa-baixa acústico quanto possível, e o microfone 16 o mais longe quanto possível, porém, primariamente, com uma alteração de fase menor que 1% para o comprimento de onda de detecção acústica real do sinal fotoacústico. Se a onda acústica se propaga através de espaço livre, a intensidade de som é reduzida pelo quadrado da distância. Portanto, é possível gerar um campo de som próximo a zero na membrana semipermeável 14 enquanto ao mesmo tempo o campo de som no microfone é suficientemente diferente para gerar um sinal de diferença. Técnicas de cancelamento de ruído modernas têm, normalmente, a capacidade de reduzir o ruído por 20 a 40 dB.

[075] O uso de um filtro de entalhe, conforme ilustrado na Figura 19, é bem conhecido a partir da literatura. Um filtro de entalhe acústico, normalmente chamado um filtro de interrupção de banda, é descrito em https://en.wikibooks.org/wiki/Acoustics/Filter_Design_and_Implementation. A frequência de interrupção é proporcionada pelas dimensões do ressonador Helmholtz com volume V, conectado ao cano original com área S, por meio de um pescoço com área Sn e comprimento eficaz L. O volume V de um filtro de entalhe 19 é relativamente grande para baixas frequências, e se usado em um detector de gás, o volume de gás no filtro de entalhe afetará a resposta de tempo do detector de gás. Se uma concentração de gás é fornecida, o volume de gás no filtro de entalhe diluirá a concentração de gás adicionada e, dessa forma, o volume de gás dentro do filtro de entalhe acústico também deve ser trocado antes do sensor poder medir a concentração de gás correta. O problema pode ser solucionado usando-se uma membrana fina 18. A membrana fina 18 impede que o gás seja diluído dentro do volume do filtro de entalhe de modo que a resposta de tempo do detector de gás não seja reduzida, enquanto a membrana dever suficientemente flexível para não afetar a função de filtro de entalhe. Em relação à membrana 18 um canal de vazamento também pode ser usado que contribui a uma equalização de pressão entre a parte frontal e posterior da membrana flexível, de modo que a membrana não seja deformada por diferenças de pressão. Além disso, se usado em baixas temperaturas, também é vantajoso se a membrana for aquecida de modo que gelo, condensação, etc. não afete a função de membrana.

[076] Também é possível usar uma caixa fora da unidade em que o filtro semipermeável 14 deixa o gás entrar dentro da caixa, e em que a caixa tem duas ou quatro janelas 20 de modo que seja possível, por exemplo, usar quatro fontes de luz independentes, acima, sob, dentro e fora do plano do desenho é ilustrado na Figura 20. A vantagem com essa solução é que é mais fácil usar fontes de luz com tamanho a partir de 1 mm e além. A caixa é acoplada às membranas de modo que um sinal fotoacústico possa ser gerado na caixa e transferido às membranas 3,4.

[077] Quando uma fonte de luz externa é usada, se pode desejar reduzir o volume de gás que necessita ser aquecido. Isso pode ser feito conformando-se a parte de dentro da célula de gás. Tipicamente, se uma fonte é focada dentro da célula de gás, o formato ideal seguirá o formato do feixe e, portanto, se obtém uma forma conforme ilustrado na Figura 22. Usando-se uma forma cônica ao invés de uma forma cilíndrica, o volume de gás 44 é reduzido a 1/3, e a amplitude de sinal acústico será, tipicamente, aumentada por um fator de 3. Um canal 42 conecta o volume de gás 44 ao filtro semipermeável 14, e outro canal 43 conecta o volume de gás 44 às membranas de detecção 3 e 4. O volume posterior das membranas pode ter um canal de vazamento para equalização de pressão, ou um canal (não ilustrado) pode ir diretamente a partir do filtro semipermeável 14 ao volume posterior. Projetando-se o comprimento e o corte transversal dos diferentes canais, é possível obter contribuição igual a partir de ruído externo a ambos os lados das membranas 3 e 4 e, desse modo, reduzir a influência do ruído externo ao sinal fotoacústico. A célula de gás ilustrada na Figura 22 pode ser usada de uma maneira similar à célula de gás na Figura 20, com 4 janelas e com 4 fontes. Ou com 2 fontes e 2 detectores de monitor, os detectores de monitor colocados no lado oposto da célula de gás em relação à fonte, como para monitorar a quantidade de luz transmitida através da célula de gás. O sinal detectado no detector de monitor pode ser usado para verificar a funcionalidade da fonte, ou para melhorar a precisão da concentração de gás detectada compensando-se mudanças na fonte.

[078] Incluindo-se uma unidade de adsorção 21 próxima ao volume de medição fotoacústica, conforme mostrado na Figura 21 e, então, usando-se um filtro 22 para parar com que o gás difunda para fora do volume medido, é possível aumentar a concentração de gás. O volume medido é conectado a uma unidade de sucção ou bomba por meio de um tubo 23. A unidade de adsorção será, tipicamente, adaptada ao gás a ser medido. O gás será retirado através da unidade de adsorção e depositado na mesma. O gás pode, então, ser livre aquecendo-se rapidamente a unidade de adsorção e, dessa forma, a concentração de gás pode ser usada antes de ter tempo de difundir através das membranas semipermeáveis 14 e 22.

[079] Em um microfone ou um sensor de pressão deve existir um volume por trás da membrana para permitir que a mesma se mova como uma resposta a uma variação de pressão. Especialmente para microfones isso é importante, visto que o volume de gás na parte de trás da membrana (volume posterior) será comprimido a um grau que que fará uma força de resposta que limita a sensibilidade de microfone. O volume posterior, portanto, deve ser suficientemente grande para não limitar os movimentos de membrana. No caso presente, duas membranas opostas são usadas como montadas em paralelo ou quase em paralelo. Para um aumento de pressão resultar em uma mudança em distância entre as membranas, a membrana necessita de um volume posterior que não permita que o aumento de pressão no volume posterior forneça uma força contrária igual à força da parte frontal. O volume posterior, dessa forma, deve ser constituído tanto por um invólucro vedado como quase vedado, e o invólucro deve ser tanto vedado como quase vedado nas frequências nas quais as medições devem ser desempenhadas.

[080] Na presente invenção, duas membranas são usadas que têm um volume posterior comum. Isso fornece diversas vantagens. Uma vantagem é que é mais fácil de produzir uma unidade com um volume posterior que produzir dois volumes posterior, visto que o número total de componentes na montagem é menor. Um microfone tipicamente usa um canal de vazamento do ambiente dentro do volume posterior. Esse canal de vazamento é usado para equilibrar a equalização de pressão entre o ambiente e o volume posterior, e sem essas mudanças na pressão estática dentro do volume posterior causaria com que a membrana fosse empurrada para fora da área em que é mais sensível. O canal de vazamento, dessa forma, deixa gás passar, por exemplo, ar, em apenas em baixas frequências de modo que a resposta de frequência não seja afetada. Com um volume posterior comum apenas um canal de vazamento é necessário. Outra vantagem é que a fonte de som, detector e membranas podem ser montados, e podem ser montados em um invólucro comum que também constitui o volume posterior.

[081] Com cromatografia gasosa (GC) e espectrometria de massa (MS) é útil concentrar ascendentemente o gás. Isso pode ser feito enviando-se o gás através de um absorvente ou adsorvente, de modo que o adsorvente receba o gás de interesse, que corresponde a uma esponja. Quando o gás foi adsorvido por um dado tempo, ou um dado volume de gás foi empurrado através, o volume que contém o adsorvente é fechado e o gás é liberado. Isso pode, por exemplo, ser feito aplicando-se calor que libera o gás, ou reduzindo a pressão de modo que o gás evapore. Uma pessoa pode, por exemplo, aplicar substâncias químicas, gases, luz, radiação por ultrassom ou eletromagnética para liberar o gás adsorvido e, em alguns casos, uma pessoa deseja mudar o gás, e pode, então, combinar o adsorvente com um catalisador. O catalisador pode ser um componente independente ou pode ser fornecido no adsorvente. Tais sistemas de adsorventes e amostragem são comercialmente disponíveis de fornecedores de GC e MS (Cromatografia gasosa e Espectrômetro de massa). Tais adsorventes podem ser produzidos de (di)óxido de silício ou alumina porosa ou, possivelmente, outras cerâmicas ou zeólitos com grandes superfícies.

[082] Típico para adsorventes usados para detecção de gás é que os mesmos adsorvem grandes moléculas, enquanto pequenas moléculas como O2 e N2 são livres para passar.

[083] Um objeto das modalidades de detecção de gás da presente invenção, conforme ilustrado nas Figuras 17 a 21, é duplicar o focinho de um cachorro. Dentro do focinho de um cachorro existem inúmeros sensores sensíveis, receptores. Esses são usados para detectar o gás, e reconhecer o tipo de gás. O que torna o focinho de cachorro sensível é o sistema de amostragem avançado. Uma grande quantidade de gás é atraída para dentro do focinho e as moléculas se prendem à película/mucosa fina úmida no focinho. Além disso, a geometria dentro do focinho de cachorro torna bastante possível que a molécula de olfato esteja presa à mucosa nos receptores. Quando um cachorro fareja, com outras palavras, inala ar dentro do analisador, o mesmo, então, ainda retém o ar e analisa. Isso é o que a modalidade da presente invenção reproduz.

[084] Não é prático fazer um sistema que inclui uma mucosa úmida que recebe o gás. O que pode ser feito é fornecer uma superfície com um adsorvente, e concentrar ascendentemente o gás nisso e, então, liberá-lo. A maneira mais eficaz seria bombear o gás através do adsorvente, e liberar o mesmo novamente de modo rápido. Isso pode ser desempenhado fazendo uma membrana com buracos ou uma rede oculta fina, e em que a membrana ou rede é aquecida rapidamente aplicando-se uma corrente elétrica através da mesma. A membrana pode ser dotada de um adsorvente que faz ajuda ativa de um catalisador ou outras substâncias químicas ou biológicas que podem aumentar a captura das moléculas relevantes.

[085] Em alguns casos, é vantajoso o uso de uma certa temperatura no adsorvente e catalisador para aumentar a captura e, então, aumentar a mesma para liberar o gás ou converter o mesmo a outro gás que é mais fácil de ser detectado. Isso pode, por exemplo, ser feito para detectar explosivos que contêm nitrogênio, em que as moléculas dos explosivos são adsorvidas por um adsorvente dotado de um catalisador, e em que o adsorvente é rapidamente aquecido e converte as moléculas explosivas para muitas moléculas de N2O.

[086] Uma maneira de produzir tal membrana é microusinar uma membrana fina em silício, por exemplo, que tem uma espessura entre 4 e 20 μm, e enriquecer essa membrana de modo a ter uma resistência útil para aquecimento rápido com voltagens disponíveis e, então, fornecer um número de buracos ou aberturas na membrana, por exemplo, por gravação seca (DRIE). Os buracos deveriam ter, tipicamente, um diâmetro de 2 a 20 μm. Então, um adsorvente é aplicado à membrana perfurada, por exemplo, revestindo-se, por imersão, com uma solução que contém alumina em formato de pó porosa, ou aplicando-se óxido de alumínio com a utilização de crepitação ou PLD (deposição a laser pulsante). No final, a membrana pode ser dotada de seu próprio catalisador, por exemplo, imergindo-se a mesma em uma solução que contém o catalisador.

[087] Alternativamente, uma rede pode ser usada como o material resistente. Isso pode, por exemplo, ser uma rede de uma liga de FeCrAl, liga de NiCr ou outro material resistente que tem a capacidade de suportar exposição ao ar. A rede pode ser pré-tecido com contatos em cada lado, e em que uma corrente é enviada através da rede, ou a mesma pode ser produzida a partir de um rolo achatado. O ponto é que a rede é parcialmente transmissiva para o ar sugado ou empurrado através de modo que o gás a ser analisado seja adsorvido na superfície do adsorvente e catalisador.

[088] Uma possibilidade para fazer uma mucosa artificial é montar o adsorvente em um elemento de resfriamento fino e, então, reduzir a temperatura ao ponto de condensação de modo que uma camada fina de água se assente na superfície e, então, o gás de amostra sobre um longo período de tempo, e após isso aquecer o adsorvente e a película de água para liberar o gás.

[089] A seguir a unidade feita para capturar e liberar o gás será chamada de uma unidade de adsorção. Tal unidade pode ser feita a partir de uma membrana, rede, fio resistente, elementos de resfriamento ou aquecimento, adsorventes, catalisadores, substância química etc.

[090] Posicionando-se uma unidade adsorvente dentro de um sensor fotoacústico, de acordo com a invenção, o volume o qual o gás será liberado pode ser feito bem pequeno, e o gás se tornará mais concentrado. Posicionando-se uma unidade adsorvente dentro de um sensor fotoacústico, de acordo com a invenção, em que a parede à prova de gás 6 nos desenhos discutidos acima está, e fora dessa posição um novo filtro sinterizado, é possível fazer um volume a partir do qual o gás possa apenas difundir lentamente. Alternativamente, o um pode, após a unidade de adsorção, usar um canal que é tão longo e fino que o gás tem que difundir lentamente através do mesmo (em relação às frequências usadas no sistema de medição). Um canal de gás com, por exemplo, 1 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento, terá uma resposta de tempo de redução de concentração de gás na faixa de diversos segundos. O canal de gás ou filtro semipermeável pode ser dimensionado de modo que o gás escape lentamente de modo suficiente de modo que seja possível medir o mesmo, enquanto ao mesmo tempo justo o suficiente para não permitir que o sinal fotoacústico vaze ou seja significativamente reduzido.

[091] Em uma modalidade também é possível usar dois detectores acústicos e duas unidades de adsorção e, alternativamente, atrair o gás para dentro de um sensor e adsorver o gás enquanto o outro simultaneamente desliga o fluxo de gás através de outro sensor. Então, é possível comutar de modo que o outro sensor adsorva gás enquanto o primeiro analisa. Tipicamente, tal ciclo levará de 2 a 60 segundos, porém o tempo de ciclo pode ser desempenhado mais rapidamente ou mais lentamente. Tal modalidade será, por exemplo, adequada para detecção de explosivos ou narcóticos, em que o tempo de ciclo de 5 segundos seria prático. Tal sensor mediria, dessa forma, continuamente, porém concentrará de modo ascendente o gás 170 vezes se o volume na célula de medição for 0,5 ml e o gás é sugado em uma taxa de 1,0 l por minuto.

[092] A Figura 23 ilustra um processo para gerar uma membrana com uma diferença de alta controlada. Um material de membrana 45, isto é, nitreto de silício é depositado em um wafer de silício. O material de membrana é removido exceto na posição em que se quer uma diferença de altura, deixando uma pequena região de material de membrana 46. Deposita-se, então, uma nova camada de material de membrana 47, isto é, nitreto de silício. Adiciona-se, então, um novo material de membrana no topo do material de membrana anterior 46, que proporciona uma membrana com uma diferença de altura em uma dada posição. Finalmente, grava-se de modo livre a membrana a partir do outro lado 48, liberando a membrana, e agora com uma diferença de altura na região selecionada. Colocando-se duas tais membranas juntas, de uma maneira similar conforme ilustrado na Figura 9, 10 e 11, é possível fazer duas, três ou quatro distâncias de altura diferentes. A região de material de membrana 46 pode, certamente, ser implantada também no outro lado da membrana. Isso envolverá, tipicamente, mais etapas de processamento, visto que será necessário gravar primeiro uma pequena reentrância no silício, depositar nitreto de silício, remover o nitreto de silício fora da reentrância, depositar uma nova camada de nitreto de silício e, então, gravar de modo livre a membrana.

[093] Para a leitura óptica dos movimentos de membrana um laser ou laser de diodo seria tipicamente usado como uma fonte. Se a distância entre as membranas é suficiente curta, um LED ou fonte similar com comprimento de coerência suficientemente longo poderia ser usado. Em alguns casos, não é necessário usar uma lente, enquanto outras vezes pode ser vantajoso colimar a luz a partir da fonte. Os lasers de diodo no MIR e faixas visíveis são, presentemente, os mais econômicos, e detectores de silício podem ser usados se as membranas são produzidas a partir de materiais que transmitem entre 200 nm e 1.200 nm. Fontes e detectores de luz podem ser escolhidos ou ajustados de acordo com as características transmissíveis do material de membrana preferencial.

[094] Resumindo, a invenção se refere a um sensor óptico de pressão que usa leitura interferométrica de variações de pressão, tal como som, o que, dessa forma, funciona como um microfone dentro de uma faixa de frequência escolha, ou ondas de pressão geradas em detecção de gás fotoacústico. O sensor compreende duas membranas com características mecânicas essencialmente similares, em que pelo menos uma dentre as membranas é parcialmente de transmissão e parcialmente refletora, e em que a segunda membrana é pelo menos parcialmente refletora, sendo que as membranas são separadas por uma cavidade definida por uma parte espaçadora que mantém uma distância entre as membranas, em que as membranas, dessa forma, fornecem um interferômetro Fabry-Perot ou de ar em forma de cunha. O sensor também inclui uma unidade de leitura para detectar as variações na distância entre as membranas conforme é bem conhecido na técnica.

[095] A cavidade entre as membranas define um primeiro volume essencialmente vedado do segundo volume fora das membranas. Um dentre os volumes representa um volume de referência e o outro é um volume de sensor que é submetido a variações de pressão de modo que uma variação de pressão em um dentre os ditos volumes resulta em uma mudança na distância entre as membranas, sendo que as membranas se movem em direções opostas.

[096] Vedado, nesse contexto, se refere a uma atenuação entre os volumes das frequências em que as variações de pressão são medidas. Dessa forma, filtragem passa-baixa acústica, tal como canais de vazamento de baixa frequência para equalização de pressão entre os volumes é entendido como dentro das modalidades possíveis da invenção.

[097] A cavidade pode ser definida pelas ditas membranas ter uma abertura em pelo menos um lado para receber as ditas variações de pressões, o que, dessa forma, constitui o volume de sensor, sendo que a direção de propagação das variações de pressão, dessa forma, é paralela às membranas. Dessa maneira as membranas se movem de modo sincronizado em direções opostas como uma resposta às ondas e variações de pressão.

[098] A cavidade entre as membranas pode se comunicar com as variações de pressão no ambiente, o que, dessa forma, constitui um volume de sensor enquanto o volume fora das membranas é encerrado no dito volume de referência ou, alternativamente, pode constituir pelo menos uma parte do dito volume de referência enquanto o volume fora das membranas constitui o volume de sensor que é submetido a variações de pressão.

[099] Em uma modalidade, o sensor e as membranas são produzidos a partir de duas partes simétricas, sendo que cada uma define uma membrana e uma reentrância, em que as ditas membranas e reentrâncias definem uma cavidade entre as mesmas. As partes simétricas são usinadas a partir de discos de silício, sendo que as membranas são produzidas a partir de, por exemplo, nitreto de silício.

[0100] Conforme mencionado acima, o sensor de pressão pode utilizar dois interferômetros similares, um Fabry-Perot com duas membranas paralelas ou de ar em forma de cunha com uma membrana ligeiramente inclinada em relação à outra, de modo a fornecer um padrão de interferência na luz que interagiu com ambas as membranas, e em que pelo menos parte das variações no padrão que resulta para as variações de pressão é lida pela dita unidade de leitura.

[0101] Em uma modalidade em que as membranas são produzidas em wafers de silício, e em que a inclinação é obtida usinando-se/gravando-se uma diferença de altura em uma extremidade, depositando-se o material de membrana e, então, gravando-se a membrana livre da parte de trás do wafer, em que a deformação no material de membrana estica a membrana de modo que a membrana seja dotada de um ângulo oblíquo em relação à orientação original da superfície.

[0102] Alternativamente, as membranas são produzidas em wafers de silício, e a inclinação pode ser fornecida puxando-se parte de uma dentre as ditas membranas com a utilização de forças eletrostáticas.

[0103] A parte espaçadora que mantém a distância primária entre as membranas pode ser usada para ajustar a distância e, dessa forma, o ponto de trabalho ideal entre as membranas de modo a manter a distância que fornece a sensibilidade máxima.

[0104] A dita unidade de leitura inclui pelo menos uma fonte de luz que transmite luz em direção às ditas membranas e pelo menos um detector que recebe a luz transmitida ou refletida a partir das ditas membranas, de modo a medir mudanças na luz recebida dependendo das variações em distâncias entre as membranas. A unidade de leitura também pode incluir um elemento óptico, por exemplo, uma lente, para fornecer luz que diverge ou converge ligeiramente ao longo do eixo geométrico óptico essencialmente perpendicular para pelo menos uma dentre as ditas membranas de modo a fornecer um padrão de interferência após ter interagido com as duas membranas, sendo que pelo menos parte do padrão de interferência é lida por pelo menos um detector.

[0105] As membranas podem ser feitas em wafers de silício, por exemplo, depositando membranas de nitreto de silício, com uma ou mais reentrâncias que são usinadas ou gravadas nos wafers antes de depositar o material de membrana, e em que as reentrâncias dão formato à forma produzida de membranas gravadas de modo livre, de modo que diversas distâncias diferentes sejam obtidas entre as duas membranas, que são lidas de modo óptico. As reentrâncias podem ser formadas como meia lua ou retangular, e são posicionadas na parte central da membrana. Usar dois tais wafers de silício com reentrâncias parcialmente sobrepostas, é possível obter três ou quatro distâncias diferentes, dependendo de se as profundidades das reentrâncias são iguais ou diferentes como discutido acima.

[0106] A fim de otimizar a qualidade dos interferômetros, as partes ativas das membranas que são usadas durante as medições deveriam ser suficientemente rígidas para manter seu formato quando submetidas às variações de pressão. Isso pode ser obtido produzindo-se ranhuras no wafer-disco de silício com ângulos agudos no topo e no fundo ao redor das reentrâncias ou partes de membrana ativa que fornecem diferenças de distância entre as membranas, e dessa maneira torna a área ao redor da reentrância mais rígida para manter a área com diferenças de distância relativamente achatadas. A fim de aumentar adicionalmente a rigidez, as ranhuras podem ser preenchidas com um material adequado.

[0107] Além disso, os wafers/discos de silício podem ser fornecidos nos quais as ranhuras são gravadas sem ângulos agudos ou bordas dentro da área escolhida para produzir uma membrana, de modo que a membrana, quando depositada e livre de gravação, irá se esticar, o que reduz a deformação na membrana.

[0108] Conforme é discutido acima, o sensor de pressão descrito no presente documento também pode ser usado como um sensor de gás em que um gás é introduzido no volume de sensor e é exposto à radiação eletromagnética por uma fonte de radiação pulsante com um comprimento de onda escolhido que é caracterizado por ter a capacidade de excitar um gás específico a ser detectado. Os movimentos resultantes podem ser detectados pela unidade de leitura que é adaptada para detectar variações de pressão na frequência da radiação pulsante que indica a presença do gás específico.

[0109] O sensor de gás pode incluir uma membrana semipermeável usada como um filtro passa-baixa acústico que deixa o gás passar do ambiente ao volume de sensor, com a redução de ruído para dentro do sensor, bem como reduzir o vazamento de sinal fotoacústico ao ambiente. Um volume de detecção entre a membrana semipermeável e o sensor de pressão pode ser feito, e em que esse volume de detecção é dotado de diversas janelas, de modo a utilizar diversas fontes de radiação eletromagnética diferentes na mesma amostra de gás.

[0110] O volume de detecção pode ser feito no mesmo disco de silício que o sensor de pressão, porém em que o volume de detecção é acoplado ao volume de sensor através de um canal, e em que as paredes no volume de detecção transmitem a radiação eletromagnética escolhida usada para analisar o gás.

[0111] A fim de reduzir interferência, um sensor de gás pode ser dotado de um microfone e um alto-falante fora da membrana semipermeável, e em que a redução ativa de ruído é usada para gerar antissom, de modo que a amplitude de som na membrana semipermeável é reduzida, primariamente na frequência ou faixa de frequência usada para a detecção de gás fotoacústico.

[0112] Alternativamente, um filtro de entalhe acústico é posicionado fora da membrana semipermeável, e em que a abertura dentro do volume de reservatório no filtro de entalhe passivo é coberta por uma membrana à prova de gás que é fina e flexível o suficiente para não afetar o sinal acústico, e garante que o gás não se difunda dentro do volume de ressonador.

[0113] Além disso, a membrana pode ser aquecida de modo que o sensor possa ser usado em temperaturas baixas sem alterar a resposta do filtro acústico.

[0114] A membrana semipermeável admite gás dentro do volume posterior de modo a fornecer equalização de pressão para pressão estática e para frequências inferiores à frequência de detecção. Em outra modalidade, a membrana semipermeável deixa passar a mesma quantidade de pressão tanto ao volume de referência quanto ao volume entre as membranas, de modo que ruído externo afete ambos os lados a mesma quantidade e reduza a contribuição do ruído externo, especialmente, na frequência de detecção.

[0115] A fim de concentrar de modo ascendente o gás dentro do volume medido, uma unidade de adsorção é integrada no volume usado para detecção de gás, e em que o ar é bombeado ou sugado através da unidade de adsorção por um dado tempo, após isso o fluxo é interrompido e o gás adsorvido é liberado, e em que uma análise é desempenhada no gás liberado.

[0116] Dois tais sensores de gás, de acordo com a invenção, podem ser usados em paralelo, porém em que um analisa o gás sem fluxo de gás enquanto o outro adsorve o gás do fluxo de gás, e após um dado modo de mudança de tempo, sendo que o primeiro adsorve enquanto o outro analisa.

Claims

1. Um sensor óptico de pressão que usa uma leitura interferométrica de variações de pressão, o sensor óptico de pressão que compreende: duas membranas (3,4) com características mecânicas similares, em que pelo menos uma dentre as membranas é parcialmente de transmissão e parcialmente refletora, e em que a segunda membrana é pelo menos parcialmente refletora, sendo que as membranas (3,4) são separadas por uma cavidade definida por uma parte espaçadora (6) que mantém uma distância entre as membranas, as membranas fornecendo um interferômetro, uma unidade de leitura (1,2,7) para detectar as variações na distância entre as membranas, e em que a cavidade que define um primeiro volume entre as membranas (3,4) é vedada a partir do segundo volume (8) fora das membranas, sendo que um dos mesmos representa um volume de referência e o outro é um volume de sensor que é submetido a variações de pressão de modo que uma variação de pressão em um dentre os volumes resulta em uma mudança na distância entre as membranas, caracterizado por as membranas se moverem em direções opostas.

2. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a cavidade definida pelas membranas (3,4) ter uma abertura em pelo menos um lado para receber as variações de pressões, o que, dessa forma, constitui o volume de sensor, sendo que a direção de propagação das variações de pressão, dessa forma, é paralela às membranas.

3. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a cavidade entre as membranas (3,4) se comunicar com as variações de pressão no ambiente, o que, dessa forma, constitui o volume de sensor enquanto o volume fora das membranas é encerrado no volume de referência (8).

4. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a cavidade entre as membranas (3,4) constituir pelo menos uma parte do volume de referência enquanto o volume fora das membranas constitui o volume de sensor que é submetido a variações de pressão.

5. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sensor e as membranas serem produzidos a partir de duas partes simétricas (30,31), sendo que cada uma define uma membrana e uma reentrância, em que as membranas e reentrâncias definem uma cavidade entre as mesmas.

6. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por as partes simétricas (30,31) serem usinadas a partir de discos de silício, sendo que as membranas são produzidas a partir de, por exemplo, nitreto de silício.

7. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma dentre as membranas (3,4) ser inclinada em relação à outra, de modo a fornecer um padrão de interferência na luz que interagiu com ambas as membranas, e em que pelo menos parte das variações no padrão que resulta para as variações de pressão é lida pela unidade de leitura.

8. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por as membranas serem produzidas em wafers de silício (31), e em que a inclinação é obtida usinando-se/gravando-se uma diferença de altura em uma extremidade, depositando-se o material de membrana e, então, gravando-se a membrana livre da parte de trás do wafer, em que a deformação no material de membrana estica a membrana de modo que a membrana seja dotada de um ângulo oblíquo em relação à orientação original da superfície.

9. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por as membranas serem produzidas em wafers de silício, e em que a inclinação é feita puxando-se parte de uma dentre as membranas com a utilização de forças eletrostáticas.

10. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as membranas serem paralelas, de modo a fornecer um interferômetro Fabry-Perot, sendo que pelo menos parte das variações no padrão que resulta das variações de pressão é lida pela unidade de leitura.

11. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a parte espaçadora (6) ser adaptada para ajustar a distância entre as membranas (3,4) e, dessa forma, o ponto de trabalho do interferômetro.

12. O sensor óptico de pressão, conforme definido na reivindicação 1, caracterizada por a unidade de leitura incluir pelo menos uma fonte de luz (1) que transmite luz em direção às membranas (3,4) e pelo menos um detector (7) que recebe a luz transmitida ou refletida a partir das membranas, de modo a medir mudanças na luz recebida dependendo das variações em distâncias entre as membranas.

13. O sensor óptico de pressão, conforme definido na reivindicação 1, caracterizada por a unidade de leitura incluir um elemento óptico (2), por exemplo, uma lente, que é usada para fornecer luz que diverge ou converge ligeiramente ao longo do eixo geométrico óptico perpendicular para pelo menos uma dentre as membranas de modo a fornecer um padrão de interferência (9) após ter interagido com as duas membranas (3,4), sendo que pelo menos parte do padrão de interferência é lida por pelo menos um detector.

14. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as membranas serem feitas em wafers de silício, sendo que uma ou mais reentrâncias (28,29) são usinadas ou gravadas nos wafers antes de depositar o material de membrana, e em que as reentrâncias dão formato à forma produzida de membranas gravadas de modo livre, de modo que diversas distâncias diferentes sejam obtidas entre as duas membranas, que são lidas de modo óptico.

15. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as membranas (3,4) serem produzidas em wafers de silício, incluindo reentrâncias (28,29) que são usinadas ou gravadas no wafer, sendo que as reentrâncias das duas membranas se sobrepõem parcialmente na parte central das membranas, de modo a obter pelo menos três distâncias diferentes entre as membranas que são lidas de modo óptico.

16. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por as membranas (3,4) incluírem uma ou mais ranhuras com ângulos agudos no topo e no fundo que são usadas sendo posicionadas ao redor das reentrâncias adaptadas para fornecer distâncias de membrana de altura e, dessa maneira, endurecer a área ao redor das reentrâncias, o que faz com que a área recuada seja relativamente achatada.

17. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por as ranhuras serem preenchidas com um material adequado para aumentar o endurecimento.

18. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as membranas (3,4) serem feitas em wafers de silício em que as ranhuras são gravadas sem ângulos agudos ou bordas dentro da área escolhida para produzir uma membrana, de modo que a membrana, quando depositada e livre de gravação, irá se esticar, o que reduz a deformação na membrana.

19. Um sensor de gás que inclui um sensor de pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um gás estar presente no sensor de volume, sendo que o sensor de gás que inclui uma fonte de radiação (15) modulada pulsante ou de comprimento de onda com um comprimento de onda escolhido tem a capacidade de excitar um gás específico a ser detectado, em que a unidade de leitura é adaptada para detectar variações de pressão na frequência da radiação pulsante que indica a presença do gás específico.

20. O sensor de gás, conforme definido na reivindicação 19, caracterizado por uma membrana semipermeável (14) ser usada como um filtro passa-baixa acústico que deixa o gás passar, o que suprime ruído exterior para dentro do sensor, bem como reduz o vazamento de sinal fotoacústico ao ambiente.

21. O sensor de gás, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por o volume de detecção entre a membrana semipermeável e o sensor de pressão ser feito, e em que esse volume de detecção é dotado de diversas janelas, de modo a utilizar diversas fontes de radiação eletromagnética diferentes na mesma amostra de gás.

22. O sensor de gás, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por o volume de detecção ser feito no mesmo disco de silício que o sensor de pressão, porém em que o volume de detecção é acoplado ao volume de sensor através de um canal, e em que as paredes no volume de detecção transmitem a radiação eletromagnética escolhida usada para analisar o gás.

23. O sensor de gás, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por incluir um microfone (16) e um alto-falante (17) fora da membrana semipermeável (14), e em que a redução ativa de ruído é usada para gerar antissom, de modo que a amplitude de som na membrana semipermeável é reduzida, primariamente na frequência ou faixa de frequência usada para a detecção de gás fotoacústico.

24. O sensor de gás, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por um filtro de entalhe acústico (19) ser posicionado fora da membrana semipermeável (14), e em que a abertura dentro do volume de reservatório no filtro de entalhe passivo é coberta por uma membrana à prova de gás (18) que é fina e flexível o suficiente para não afetar o sinal acústico, e garante que o gás não se difunda dentro do volume de ressonador.

25. O sensor de gás, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado por a membrana ser aquecida de modo que o sensor possa ser usado em temperaturas baixas sem alterar a resposta do filtro acústico.

26. O sensor óptico, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por uma unidade de adsorção (21) ser integrada no volume usado para detecção de gás, e em que o ar é bombeado ou sugado através da unidade de adsorção (21) por um dado tempo, após isso o fluxo é interrompido e o gás adsorvido é liberado, e em que uma análise é desempenhada no gás liberado.

27. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dois tais sensores de gás serem usados em paralelo, porém em que um analisa o gás sem fluxo de gás enquanto o outro adsorve o gás do fluxo de gás, e em que após um dado tempo muda-se o modo, sendo que o primeiro adsorve enquanto o outro analisa.

28. O sensor óptico de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma unidade ser usada para ajustamento ativo da pressão no volume posterior de sensor de modo a ajustar a distância entre as membranas e fornecer um ponto de trabalho ideal.