BR112018077318B1 - Espectrômetro para detecção de gás e seu uso - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se é a um interferômetro de Fabry-Perot que inclui duas superfícies de espelho planas montadas em uma armação, em que os espelhos têm uma distância conhecida entre os mesmos, e pelo menos uma dentre as superfícies de espelho é parcialmente reflexiva, desse modo, fornecendo um ressonador.

Description

[001] Esta invenção refere-se a um novo tipo de filtro óptico ajustável do tipo Fabry-Perot (FP).

[002] A forma normal de usar um Fabry-Perot ajustável, por exemplo, conforme discutido no documento no WP2011/0033028 e EP2557441, é realizar uma varredura de comprimento de onda alterando-se a distância entre os espelhos em uma velocidade essencialmente constante, amostrando-se a resposta espectral e analisando-se essa digitalmente. A fim de reduzir o ruído de 1/f pode-se desejar realizar diversas varreduras por segundo. Frequentemente, a frequência de varredura é limitada pela massa do espelho movido, pela rigidez de mola e potência disponível. Presumindo-se que seja possível realizar varredura do filtro de Fabry-Perot a Q=10 Hz dessa forma. Idealmente, uma frequência de detecção a 1.000 Hz pode ser exigida. Isso pode ser obtido adicionando-se uma modulação de alta frequência senoidal (ou sinal periódico) a f=500Hz, e, então, demodulando-se o sinal a 2*f, e, desse modo, detectar no hormônico 2, da mesma forma que a detecção harmônica na espectrometria de laser diodo. O movimento de varredura de f é, tipicamente, muito menor que o movimento de varredura para 0.

[003] Um Fabry-Perot (FP) feito com atuadores unimorfos (ou bimorfos) de materiais piezoelétricos em silício pode, tipicamente, realizar 1010 varreduras completas. Que são varreduras de uma extremidade externa para outra. Isso corresponde a 10 anos de uso a 30 Hz, ou um ano de uso a 300 Hz. Portanto, será vantajoso reduzir amplamente o número de varreduras completas, ou, em vez disso, obter a alta frequência usando-se uma senoide sobreposta.

[004] Titanato de zirconato de cobre (PZT) é um material piezoelétrico que é bem adequado. Um FP de PZT que é feito com atuadores unimorfos em silício, tipicamente, experimentará quebra, delaminação ou curto circuito devido à flexão repetida em alta deformação, especialmente quando a flexão estiver em um máximo. Desse modo, é um objetivo da presente invenção fornecer um filtro de Fabry-Perot ajustável com uma vida útil aumentada. Isso é obtido conforme definido nas reivindicações anexas.

[005] A presente invenção, portanto, propõe que a varredura, ou ajuste de comprimento de onda, seja realizada com um atuador separado de um segundo atuador que é feito com uma deformação inferior e em que a frequência de modulação f é aplicada. Isso resultará na redução de deformação, visto que o segundo atuador está mais próximo do ponto zero e a amplitude da frequência de modulação f é muito menor que a varredura de comprimento de onda total. Isso aumentará a vida útil significativamente. Pode-se também produzir o segundo atuador com um PZT mais fino, que reduz a deformação, mas também menos movimentos mecânicos. Ou pode- se produzir o segundo atuador de PZT com menos deformação. Tipicamente, esses fornecerão vida útil mais longa, mas menos movimentos mecânicos. Isso pode, por exemplo, ser obtido modificando-se o eletrodo de fundo, gravar o PZT um pouco para alterar a estrutura de crescimento ou por tratamento a quente na área correspondente de uma determinada forma.

[006] Outra alternativa é produzir um segundo atuador com modulação eletroestática. A modulação eletroestática tem um comprimento de curso curto, e não é adequado para varredura através de uma faixa de comprimento de onda maior, mas, por outro lado, pode operar por um número de ciclos grande. Desse modo, a varredura com um atuador de PZT e modulação em uma frequência f com um atuador eletroestático. O atuador eletroestático pode ser de um tipo placa ou dedo/came ou tipo de came vertical.

[007] O atuador também pode ser eletromagnético, em que, por exemplo, um ímã é montado na parte móvel do FP e a varredura de alta frequência é fornecida aplicando-se um campo magnético, as in a alto-falante ou eletromotor. Ou um condutor elétrico, tal como uma bobina, pode ser montado na parte de FP móvel, e usar um ímã externo para fornecer um campo, de modo que seja possível realizar varredura do filtro rapidamente.

[008] O atuador também pode ser térmico, e em que o atuador de PZT é usado para a modulação rápida. Os atuadores também podem ser produzidos como PZT bimorfo. PZT é o único dentre diversos materiais piezoelétricos que é adequado para atuadores, e, além disso, há muitos materiais eletroestritivos que podem ser adequados.

[009] Ademais, é importante evitar o efeito de compressão de filme ou amortecimento da modulação a alta frequência. O efeito de compressão de filme é causado por ar que deve estar na direção oposta ao canal estreito entre duas superfícies. Os espelhos feitos a partir de um cristal fotônico têm aberturas de passagem atravessantes amplas e esses podem funcionar como canais de alívio para reduzir o efeito de compressão de filme. Outra alternativa é reduzir o amortecimento da modulação embalando-se o sensor a vácuo.

[010] Outros tipos de espelhos são adequados para espelhos de múltiplas camadas (filtro/espelho de interferência), espelhos metálicos, combinação de espelhos metálicos e espelhos de múltiplas camadas, espelhos como base em cristais fotônicos ou espelhos como base em plasmons de superfície. Espelhos como base em plasmons de superfície podem, por exemplo, ser feitos com o uso de metal padronizado em um substrato de transmissão óptica.

[011] Com modulação eletroestática pode ser vantajoso usar um batente fixo, de modo a evitar que as superfícies grudem umas nas outras. Tipicamente, tal batente fixo será constituído por um ou mais blocos de espaçador não condutor, por exemplo, feitos de óxido de silício. O tamanho dos blocos de espaçador pode ser o menor possível para evitar que as superfícies grudem, o chamado atrito estático.

[012] A medição da distância entre os espelhos no interferômetro de Fabry-Perot pode ser realizada com uma diversidade de técnicas diferentes, por exemplo, sensores como base em medições capacitivas, triangulação óptica, campo próximo óptico, medições interferométricas, princípios de medição piezoelétricos, medições magnéticas e indutivas, e muitas dessas são adequadas para integração em silício.

[013] Um Fabry-Perot que pode ser modulado é especialmente adequado para o uso em aplicações fotoacústicas. Frequentemente, um modulador de amplitude (chopper) é usado para modular a luz que entra na célula fotoacústica. Isso frequentemente resulta em uma absorção de parte da luz nas paredes e janela da célula fotoacústica, que gera um sinal fotoacústico. Esse sinal fotoacústico das paredes e janelas, desse modo, gera um desvio significativo (linha de base) e tornará difícil medir os sinais fracos que são buscados, por exemplo, a concentração de um gás. Se uma fonte óptica de banda larga for usada, que tem essencialmente a mesma potência ao longo da faixa de comprimento de onda relacionada, em que a modulação do comprimento de onda não resultará em uma modulação da potência óptica. Isso é descrito em detalhes no documento no WO2017/089624 que é incorporado ao presente documento a título de referência.

[014] Modulação de comprimento de onda não resulta em um sinal de desvio gerado a partir das janelas e paredes (ou pelo menos reduzir o sinal significativamente), e é mais fácil medir sinais mais fracos e também é mais fácil produzir sensores com derivação baixa (ponto zero estável a longo prazo).

[015] A invenção será discutida em maiores detalhes abaixo em referência aos desenhos anexos, que ilustram a invenção a título de exemplos. Em que A Figura 1 ilustra o corte transversal de uma forma possível para produzir um interferômetro de Fabry-Perot. A Figura 2 ilustra um corte transversal de uma modalidade da invenção. A Figura 3 ilustra o corte transversal de uma segunda modalidade preferencial da invenção. A Figura 4 ilustra o corte transversal de uma terceira modalidade preferencial da invenção. A Figura 5 ilustra o corte transversal de uma quarta modalidade preferencial da invenção. A Figura 6 ilustra o corte transversal de uma quinta modalidade preferencial da invenção. A Figura 7 ilustra o corte transversal de uma sexta modalidade preferencial da invenção. A Figura 8 ilustra o corte transversal de uma sétima modalidade preferencial da invenção. A Figura 9 ilustra um exemplo de uma modalidade possível de um atuador. A Figura 10 ilustra uma segunda modalidade possível de um atuador. A Figura 11 ilustra um possível posicionamento de eletrodos para medição de distância de capacitância. A Figura 12 ilustra uma terceira modalidade possível de um atuador. A Figura 13 ilustra uma quarta modalidade possível de um atuador. A Figura 14 ilustra uma quinta modalidade possível de um atuador. A Figura 15 ilustra uma sexta modalidade possível de um atuador. A Figura 16 ilustra uma sétima modalidade possível de um atuador.

[016] A Figura 1 mostra uma solução conhecida para produzir um Fabry-Perot em que o comprimento de onda pode ser eletricamente ajustado. Dois espelhos 2, 4 voltados um para o outro que fornecem a ressonador para luz 100 que passa através dos mesmos. O espelho superior parte 4 é montado a uma armação através de uma membrana, desse modo, fornecendo movimentos com o uso de um atuador. O movimento mecânico é feito com o uso de um atuador piezoelétrico 3. O atuador piezoelétrico 3, por exemplo, de PZT é montado na membrana, por exemplo, usinado em um disco/pastilha de silício. A montagem pode, por exemplo, ser realizada com o uso de CSD (Deposição Sol-gel Química), PLD (Deposição de Laser Pulsado) ou crepitação. Em conjunto, a camada de PZT em uma camada de silício constitui um unimorfo. Quando uma tensão positiva for aplicada através da camada de PZT essa contrai enquanto a camada de silício não se contrai. Visto que os dois materiais são fixados entre si, a contração do PZT faz com que o unimorfo se flexione, e alterando- se a tensão elétrica através do atuador piezoelétrico 3 é possível mover o elemento de transmissão para cima e para baixo. Se o elemento óptico for plano e tiver um revestimento parcialmente reflexivo e parcialmente transparente 1 na superfície, e se esse for montado juntamente com outra superfície de transmissão que é revestida com um revestimento parcialmente reflexivo e parcialmente transparente 2, e se essas duas superfícies, além disso, forem paralelas, essas superfícies 1 e 2 constituirão um interferômetro de Fabry-Perot. Ajustando-se as distâncias entre as duas superfícies pode-se controlar qual comprimento de onda ou comprimentos de onda 100 são transmitidos.

[017] Conforme mencionado acima, o interferômetro de Fabry-Perot na Figura 1 pode ser feito de silício. Deve-se, então, tipicamente, usar dois discos/pastilhas de silício. A pastilha de silício inferior na Figura 1, tipicamente, terá um revestimento de espelho 2 na lacuna de ar no interferômetro de Fabry-Perot, e os eletrodos 9, 10 (Figura 2) frequentemente serão posicionados na mesma superfície, para medir de modo eficaz a distância na lacuna de ar entre as superfícies de espelho 1, 2. No lado do disco de silício voltado para a direção oposta da lacuna de ar é frequentemente usado um revestimento antirreflexo. A partir da Figura 1, pode-se observar que o disco de silício superior frequentemente terá um revestimento de espelho 1 voltado para a lacuna de ar no interferômetro de Fabry-Perot, e pode-se observar que o disco de silício superior é dividido, um chamado SOI-disco (silício em isolador) com uma camada de substrato espessa abaixo e uma camada de componente fina (dispositivo) no topo. A camada de componente fina em conjunto com a camada piezoelétrica constitui o atuador unimorfo. O elemento óptico 4 e o atuador unimorfo são frequentemente microusinados com gravação a seco (DRIE) de modo a serem móveis. Pelo menos os dois discos são montados em conjunto, frequentemente com um bloco espaçador entre os mesmos.

[018] Para um interferômetro de Fabry-Perot funcionar como um espectrômetro é necessário que as duas superfícies reflexivas sejam paralelas. A fim de garantir que as mesmas sejam paralelas, uma diversidade de atuadores pode ser usada para controlar seus paralelismos. A Figura 2 mostra como pode-se usar atuadores externos 5, 8 próximos da armação para controlar tanto a distância entre os espelhos quanto possivelmente os paralelismos. Os paralelismos e a distância podem ser medidos com o uso de sensores capacitivos, marcados aqui como eletrodos 9 e 10. O elemento superior que inclui o espelho superior 4 pode, por exemplo, ser aterrado, e é, então, possível ler a distância dos eletrodos 9,10 para o elemento superior medindo-se a capacitância. Os atuadores externos 5, 8 também podem ser usados para ajustar a distância entre os espelhos e, desse modo, o comprimento de onda que é transmitido através do interferômetro de Fabry-Perot. Os atuadores internos 6,7 podem, então, ser usados para aplicar uma modulação do comprimento de onda. Essa modulação pode, por exemplo, ser uma modulação senoidal com uma frequência f, e a frequência pode estar entre 10 Hz e 100 kHz, mas estará, tipicamente, entre 10 e 1.000 Hz. A modulação produzirá o comprimento de onda transmitido através da alteração de filtro com a frequência de modulação, e, frequentemente, a detecção harmônica é usada, em que o sinal é demodulado em frequências f, 2f, 3f, 4f, ou um múltiplo superior da frequência. A vantagem com detecção harmônica é que as variações nas informações de amplitude a partir da fonte e outras são reduzidas, de modo que o sinal seja robusto a alterações em amplitude de fontes e semelhantes. A amplitude de modulações de comprimento de onda e qual múltiplo da frequência f (e fase) que é usado para a demodulação dependerá, tipicamente, da largura do recurso espectral que será medido, bem como as características de quaisquer componentes de interferência (conforme é conhecido). A amplitude de modulação pode ser senoidal ou ter outras formas de amplitude, tais como triangular, retangular ou outras amplitudes de modulação que foram testadas em, por exemplo, espectroscopia de laser diodo.

[019] No exemplo acima, os atuadores externos 5, 8 foram usados para ajustar o comprimento de onda, e os atuadores internos 6, 7 foram usados para modular o comprimento de onda. Isso poderia, evidentemente, ser o oposto, de modo que os atuadores internos 6, 7 pudessem ser usados para ajustar o comprimento de onda e os atuadores externos 5, 8 para modular o comprimento de onda. Em alguns casos, é vantajoso usar os atuadores para fornecer uma inclinação para o espelho, e que a modulação é obtida alterando-se a largura e a amplitude do sinal transmitido.

[020] Em uma modalidade, uma unidade atuadora, por exemplo, com os atuadores externos 5, 8, pode ser usada para ajustar o comprimento de onda, e seu ajuste de comprimento de onda pode, por exemplo, ser realizado com uma rampa que é repetida em uma frequência F. A frequência F, tipicamente, será muito menor que a frequência de modulação f. Na prática, se usará frequentemente uma rampa (dente de serra) com uma frequência F entre 0,01 e 10 Hz, em que o comprimento de onda transmitido no exemplo começa a 3 micrômetros e o comprimento de onda aumenta linearmente com o tempo até, isto é, 6 micrômetros em cada período de F. A faixa de comprimento de onda de 7 a 14 micrômetros também é de forte interesse para a detecção de gás.

[021] Em outras modalidades, é vantajoso para ajustar o comprimento de onda em etapas. Uma pessoa encontrará, então, tipicamente, uma diversidade de comprimentos de onda adequados para uma determinada aplicação, e, então, adaptará o comprimento de onda para a primeira medição para o primeiro conjunto de atuadores e manterá esse comprimento de onda por um determinado tempo, enquanto usa um conjunto de atuadores diferente para modular com uma frequência f, e demodular o sinal medido para o determinado período. Então, passar o comprimento de onda para a próxima posição. Se a modulação for simétrica em torno do comprimento de onda adaptado a distância média entre os espelhos não será alterada, e se uma pessoa ponderar por um período suficientemente longo o valor mediano medido não será substancialmente afetado pela modulação. Pode-se, então, usar os eletrodos 9 e 10 para medir a distância até o espelho superior na Figura 2.

[022] Se a distância medida com a modulação diferir da distância medida sem a modulação, isso pode indicar que a amplitude de modulação é afetada pelo efeito de compressão de filme ou outros efeitos de interrupção, e isso pode ser corrigido pelo mapeamento sistemático do comportamento e adicionando-se os algoritmos corrigidos. Isso será tipicamente relevante quando estiver usando atuadores piezoelétricos, tais como PZT, em que o material tem uma histerese forte, e em que a amplitude real do deslocamento pode ser uma função de tensões aplicadas anteriormente.

[023] Se a modulação for, isto é, uma senoide, mas um componente de DC for adicionado, de modo que o sinal de modulação varie entre zero e o A máximo (isto é, A*(1 +sin(ot)) ), a distância ponderada medida gerará uma estimativa do comprimento de onda de centro, e a distância ponderada medida sem a modulação gerará uma estimativa do comprimento de onda na modulação zero, esses dois números podem ser usados para gerar uma estimativa da profundidade de modulação. A profundidade de modulação total será, então, tipicamente, duas vezes a diferença de comprimento de onda entre com e sem a modulação. Isso é útil quando um conjunto de atuadores for usado para ajustar o comprimento de onda, e outro conjunto de atuadores for usado para realizar a modulação.

[024] A Figura 3 mostra uma modalidade alternativa com uma montagem diferente da superfície de espelho superior 11. Uma ou ambas as superfícies de espelho 11 e 12 podem ser produzidas como membranas de cristal fotônico. Em algumas modalidades, pode ser interessante evitar o efeito de compressão de filme, ou amortecer a modulação em altas frequências. Membranas de cristal fotônico usadas como espelhos têm furos de passagem atravessantes amplos e esses são constituídos como canais de alívio para o efeito de compressão de filme, que podem ser obtidos na Figura 3 pelo espelho superior 11 que fornece canais para o espaço fora da cavidade de Fabry-Perot. Outros tipos de espelhos que podem ser usados são espelhos de múltiplas camadas (filtro/espelho de interferência), espelhos metálicos, espelhos como base em cristais fotônicos e espelhos como base em plasmons de superfície, ou espelhos como base em combinações dos espelhos acima. A Figura 3 também mostra como em alguns casos pode ser vantajoso remover o substrato, de modo a ter apenas uma membrana restante 11.

[025] A Figura 4 mostra uma modalidade em que um conjunto de atuadores na superfície superior é usado para ajustar a distância e o comprimento de onda, enquanto um conjunto de eletrodos 13 e 14 pode ser usado tanto como atuadores de posição quanto de modulação. Como na Figura 2, isso pode incluir o aterramento do disco de silício superior e o isolamento da interface entre os discos.

[026] A Figura 5 mostra uma modalidade em que o primeiro conjunto de atuadores 15 e 16 é usado para ajustar o comprimento de onda e o segundo conjunto de atuadores 17 e 18 é usado para modulação. Ou o primeiro e o segundo conjuntos podem alterar a funcionalidade. Na modalidade na Figura 5, o conjunto de atuadores é posicionado em cada lado da lacuna de Fabry-Perot (isto é, no disco de topo e no disco de fundo). As duas partes móveis podem ser formadas com largura diferente, e as mesmas podem ser vantajosamente feitas com a mesma massa e constante de mola (ou frequência de ressonância) de modo que as influências externas tenham essencialmente o mesmo efeito sobre as mesmas.

[027] A Figura 6 mostra uma modalidade em que uma primeira unidade atuadora com atuadores 15, 16 mostrados na membrana de disco superior são usados para ajustar o comprimento de onda, e em que uma segunda unidade atuadora que inclui um primeiro e um segundo conjunto de eletrodos 19, 20 e eletrodos 21 e 22 são usados para modular o comprimento de onda aplicando-se a tensão entre os conjuntos. Além disso, há dois eletrodos sob o elemento central que pode ser usado para medir a distância entre os discos de silício e, desse modo, o comprimento de onda. Aplicando-se uma tensão através do primeiro conjunto de eletrodos 19, 20, mas não no segundo conjunto 21,22 é possível inclinar a lacuna de Fabry-Perot, e aplicando-se uma tensão através do segundo conjunto de eletrodos 21, 22 ao mesmo tempo como o primeiro conjunto de eletrodos 19,20, pode-se produzir a contração de lacuna de ar de Fabry-Perot. Adicionando-se uma modulação de tensão quadrada uma modulação binária pode ser obtida em que o comprimento de onda é alterado entre duas posições, que é adequado para espectroscopia derivativa. É, então, frequentemente preferível mover os eletrodos completamente em conjunto, apenas separados por um espaçador. Pode-se também modular a distância entre os eletrodos com outros formatos de curva de modulação, tais como senoidal, mas que exigiriam medidas contra puxamento, isto é, que os eletrodos são completamente extraídos em conjunto.

[028] A Figura 7 mostra outra modalidade do mesmo princípio como na Figura 6, mas em que todas dentre as partes móveis e membranas estão no mesmo lado.

[029] A Figura 8 ilustra uma versão simplificada das modalidades na Figura 6 e 7, em que o número de partes/áreas móveis é reduzido. O primeiro conjunto de atuadores 15, 16 é usado para ajustar o comprimento de onda, enquanto um conjunto de eletrodos 19, 20, 21 e 22 é usado para modular o comprimento de onda. Além de um conjunto extra de eletrodos 23 e 24 é usado para medir a distância na lacuna de ar no interferômetro de Fabry-Perot. A vantagem dessa versão é que há menos partes móveis, mas a desvantagem é que a faixa do movimento mecânico é determinada pela modulação eletroestática e se alterará como a função do comprimento de onda. Em algumas modalidades isso será uma vantagem, se a redução em amplitude de modulação com comprimento de varredura gerar melhor resolução entre gases de interferência, mas frequentemente será uma desvantagem, visto que uma amplitude de modulação constante é frequentemente preferida.

[030] As Figuras 9 e 10 ilustram uma modalidade em que um conjunto de atuadores 28, 29 e 30 é usado para ajustar o comprimento de onda. Os atuadores podem, por exemplo, ser unimorfos feitos a partir de PZT e Silício. Aqui três atuadores são usados para ter a capacidade para ajustar tanto altura quanto paralelismos.

[031] A Figura 11 mostra como os eletrodos na pastilha de fundo é montada. Três eletrodos são usados para medir tanto a altura quanto paralelismos. Os eletrodos são montados de modo que os mesmos estejam próximos do elemento óptico móvel 4 (espelho?). Os eletrodos 25, 26 e 27 são montados de modo que os mesmos sejam girados em relação aos atuadores na Figura 9, conforme mostrado na Figura 11, ou os mesmos são montados com a mesma orientação que os atuadores. Qual é ideal dependerá do algoritmo de controle e regulação que é usado. Na Figura 9 um conjunto de atuadores 31, 32 e 33 é usado para modular o comprimento de onda. Na Figura 10 apenas um anel de atuador 34 é usado para modulação. Visto que o comprimento de modulação é muito baixo em comparação ao comprimento de ajuste total (faixa) do interferômetro de Fabry-Perot, também será possível obter uma boa modulação com apenas um atuador de anel. Visto que o material de PZT, a deformação e a espessura frequentemente variam, torna-se necessário usar diversos atuadores, caso ajustes abrangendo uma faixa de comprimento de onda mais ampla forem necessários. Na Figura 9 pode-se alterar facilmente entre qual conjunto de atuadores que é usado para ajustes de modulação ou comprimento de onda. Na Figura 10 é possível alterar, mas de modo menos adequado.

[032] Na modalidade na Figura 12 há três braços espirais com atuadores 35, 36 e 37. Esses braços conformados em espiral podem, vantajosamente, ser produzidos na espessura completa da pastilha de silício, ou os mesmos podem ser feitos apenas na camada superior (camada de dispositivo). Se o atuador for de um tipo unimorfo o atuador não deve, preferencialmente, cobrir o braço inteiro, mas apenas a partir de um ponto de fixação e aproximadamente para a parte intermediária. O um conjunto de atuadores 35, 36 e 37 pode, vantajosamente, ser usado para ajustar o comprimento de onda, enquanto o outro conjunto de atuadores 38, 39 e 40, vantajosamente, pode ser usado para a modulação de comprimento de onda, mas é possível alterar as funcionalidades entre os conjuntos de atuadores.

[033] A Figura 13 mostra uma modalidade em que os atuadores são posicionados em três vigas. As vigas podem ter a mesma largura ao longo do comprimento completo ou reduzir a largura, conforme mostrado no desenho. Um conjunto de atuadores 44, 45 e 46 pode ser usado para modulação e outro conjunto 41, 42 e 43 pode ser usado para ajustar o comprimento de onda, ou o oposto.

[034] A Figura 14 mostra uma modalidade em que cada conjunto de atuadores consiste em quatro elementos, mas em que a membrana não é aberta (tem furos), enquanto a Figura 15 mostra um componente correspondente com quatro vigas. A vantagem da solução na Figura 14 é que é mais fácil processar, enquanto a desvantagem é que gera menos faixa de amplitude mecânica devido a mesma espessura de atuadores e camada de silício no unimorfo. A Figura 16 mostra uma modalidade com braços atuadores longos, e em que os atuadores 63, 64, 65 e 66 são adequados para ajustar o comprimento de onda, enquanto os atuadores curtos 67,68, 69 e 70 são adequados para a modulação (curto e rápido).

[035] Em todas as modalidades acima é possível comutar a função do conjunto de atuadores interno e externo, e é possível usar espessura de silício diferente nos atuadores internos e externos, e é possível alterar a espessura do material piezoelétrico (se usado) nos atuadores internos e externos. O uso de um material piezoelétrico mais fino será vantajoso nos atuadores usados para modulação como o material piezoelétrico é submetido a menos estresse mecânico quando for flexionado. O comprimento de modulação será menor, mas a vantagem de menos deformação pode ser maior em comparação à desvantagem. É possível modificar a deformação no material piezoelétrico nos atuadores para modulação. Isso pode, por exemplo, ser realizado garantindo-se que o material cresça de uma forma diferente na área relacionada, e isso pode ser realizado alterando-se as condições de partida para o crescimento do cristal de PZT.

[036] Nas Figuras, o elemento óptico 4 na parte intermediária é redondo ou quadrado, mas o elemento pode, evidentemente, ter qualquer outro formato adequado. A realização dependerá principalmente do formato da fonte e de outras ópticas.

[037] Nas Figuras e no relatório descritivo, discutiu-se os atuadores per se. Todos os atuadores e eletrodos têm conexões elétricas com os demais (e componentes eletrônicos de acionamento). Com o uso de sensores capacitivos para medir distâncias, será especialmente vantajoso produzir uma distância extra que é fixada, isto é, uma capacitância falsa, de modo que seja possível compensar pela temperatura, pressão, umidade e outras influências que possam afetar as medições.

[038] Em resumo, a presente invenção refere-se é a um interferômetro de Fabry- Perot que inclui duas superfícies de espelho planas montadas em uma armação, em que os espelhos têm uma distância conhecida entre os mesmos, e pelo menos uma dentre as superfícies de espelho é tanto parcialmente reflexiva quanto parcialmente reflexiva, desse modo, fornecendo um ressonador. O interferômetro é dotado de pelo menos duas unidades atuadoras, em que cada uma inclui pelo menos um atuador, em que a primeira unidade atuadora é adaptada para ajustar a dita distância entre os ditos espelhos desse modo, que define uma distância básica entre os espelhos e, portanto, também um comprimento de onda base. A segunda unidade atuadora é adaptada para modular a dita distância em uma frequência escolhida, em que os movimentos têm, preferencialmente, menos amplitude que os ajustes realizados pela primeira unidade atuadora. As duas unidades atuadoras fornecem em conjunto uma variação ao longo de uma faixa de distâncias de espelho correspondentes a uma faixa de comprimentos de onda filtrados no dito interferômetro de Fabry-Perot. Pelo menos um dentre os ditos espelhos é relacionado à armação através de uma membrana de silicone, pelo menos uma dentre as ditas unidades atuadoras que compreende um material piezoelétrico na dita membrana, desse modo, constituindo uma unidade atuadora bimorfa ou unimorfa.

[039] Ambas as unidades atuadoras podem ser bimorfas ou unimorfas, ou a segunda unidade atuadora pode, por exemplo, utilizar forças eletroestáticas. Os tipos diferentes de atuadores têm características diferentes e, desse modo, por exemplo, as unidades atuadoras de PZT podem ser usadas para o controle de comprimento de onda geral, enquanto a modulação é aplicada com o uso de forças eletroestáticas.

[040] A modulação, bem como o ajuste é um movimento paralelo em relação ao eixo geométrico óptico do filtro de modo que o comprimento de onda filtrado passe por varredura para frente e para trás. A modulação pode, preferencialmente, ser senoidal, enquanto o comprimento de onda filtrado e ajustado é ajustado com uma rampa, de modo que o comprimento de onda seja ajustado na faixa especificada, por exemplo, em uma faixa de 3 a 6 micrômetros ou 7 a 14 micrômetros. Alternativamente, o movimento de modulação é não paralelo, desse modo, aplicando-se um ângulo variável entre os planos de espelho, de modo que o espectro seja sequencialmente mais amplo e mais estreito em uma modulação aplicada.

[041] Posições diferentes das unidades atuadoras podem ser contempladas. A primeira unidade atuadora e a segunda unidade atuadora podem ser posicionadas de modo a mover o mesmo espelho no interferômetro de Fabry-Perot, em que ambas são montadas na membrana em posições radiais diferentes ou a segunda pode, por exemplo, ser um atuador eletroestático. Alternativamente, a primeira unidade atuadora move um espelho no interferômetro de Fabry-Perot e a outra unidade atuadora move o segundo espelho no interferômetro de Fabry-Perot.

[042] A distância de espelho correspondente ao comprimento de onda filtrado pode ser medida através da medição da capacitância entre as áreas escolhidas, e aplicando-se a modulação com apenas posição negativa ou apenas posição relativa à posição de comprimento de onda, em que a profundidade de modulação pode ser medida.

[043] Os espelhos podem ser produzidos a partir de tipos diferentes, dielétricos, em camadas de metal ou podem ser constituídos por uma membrana de cristal fotônico ou ter base em plasmons de superfície.

[044] A membrana é, preferencialmente, produzida em um processo para fornecer uma característica controlada quando os elementos de PZT ou elementos correspondentes forem montados. Dependendo da aplicação a membrana pode ter aberturas, em que os atuadores bimorfos ou unimorfos são posicionados nos braços de membrana que se estendem a partir da dita armação ao dito espelho. Os braços podem ter orientações axiais ou outras soluções.

[045] A invenção também se refere a um sistema que inclui o interferômetro de Fabry-Perot discutido acima, que também inclui meios para detectar a diferença de fase entre as alterações de modulação aplicada e modulação real com o comprimento de onda, por exemplo, devido ao efeito de compressão de filme, em que o sistema é adaptado para compensar pela alteração da amplitude e fase possível da modulação aplicada.

[046] Conforme discutido acima, um uso preferido do interferômetro de Fabry- Perot, de acordo com a invenção, é um detector fotoacústico.

Claims (15)

1. Espectrômetro para detecção de gás caracterizado por compreender um interferômetro de Fabry-Perot que inclui duas superfícies de espelho planas, essencialmente paralelas montadas em uma armação, em que os espelhos têm uma distância conhecida entre as mesmas, em que pelo menos uma dentre as superfícies de espelho é tanto parcialmente reflexiva quanto parcialmente transparente, em que há pelo menos duas unidades atuadoras, em que cada uma inclui pelo menos um atuador, em que a primeira unidade atuadora é adaptada para ajustar a dita distância entre os ditos espelhos de modo a ajustar o comprimento de onda filtrado em uma faixa especificada e em que a segunda unidade atuadora é adaptada para modular a dita distância em uma frequência escolhida na faixa de 10 a 1.000 Hz, ambas, assim, fornecendo uma variação através de uma faixa de distâncias de espelho correspondentes a uma faixa de comprimentos de onda filtrados no dito interferômetro de Fabry-Perot, e em que a amplitude dos movimentos da modulação de segundo atuador é menor que a amplitude dos movimentos realizados pela primeira unidade atuadora,em que pelo menos um dentre os ditos espelhos é relacionado à armação através de uma membrana de silicone, pelo menos a segunda dentre as ditas unidades atuadoras que compreende um material piezoelétrico na dita membrana, desse modo, constituindo uma unidade atuadora bimorfa ou unimorfa,o segundo atuador sendo operado com uma deformação inferior que a do primeiro atuador, de preferência perto de deformação zero, de modo a aumentar a vida útil do atuador.

2. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modulação ser um movimento paralelo em relação ao eixo geométrico óptico do filtro, de modo que o comprimento de onda filtrado passe por varredura para frente e para trás.

3. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modulação ser uma senoide.

4. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o comprimento de onda filtrado ser ajustado com uma rampa, em que o comprimento de onda aumenta linearmente com o tempo dentro de cada período, de modo que o comprimento de onda seja ajustado em uma faixa especificada.

5. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a primeira unidade atuadora e a segunda unidade atuadora mover o mesmo espelho no interferômetro de Fabry-Perot.

6. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a primeira unidade atuadora mover um espelho no interferômetro de Fabry-Perot e a outra unidade atuadora mover o segundo espelho no interferômetro de Fabry-Perot.

7. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a distância de espelho correspondente ao comprimento de onda filtrado ser medida através da medição da capacitância entre as áreas escolhidas, e comparando-se o comprimento de onda filtrado ponderado com e sem modulação, em que pode-se usar essas informações para gerar uma estimativa da profundidade de modulação.

8. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modulação ser obtida usando um movimento que fornece um ângulo variável entre os planos de espelho, de modo que o espectro seja sequencialmente mais amplo e mais estreito em uma modulação aplicada.

9. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos um dentre os espelhos ser uma membrana de cristal fotônico.

10. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos um dentre os espelhos ter como base plasmons de superfície.

11. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a dita membrana incluir aberturas, em que os atuadores bimorfos ou unimorfos são posicionados nos braços de membrana que se estendem a partir da dita armação ao dito espelho.

12. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos uma unidade atuadora utilizar forças eletroestáticas.

13. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir meios para detectar a diferença de fase entre as alterações de modulação aplicada e modulação real com o comprimento de onda, por exemplo, devido ao efeito de compressão de filme, em que o sistema é adaptado para ser compensado pela alteração da amplitude e fase possível da modulação aplicada.

14. Espectrômetro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a luz transmitida através do interferômetro ser detectada com o uso de detecção harmônica, em que o sinal é demodulado em frequências f, 2f, 3f, 4f, ou um múltiplo superior da frequência.

15. Uso de Espectrômetro, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado por ser em um detector fotoacústico.

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