CN100489495C - 光声气敏元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

光声气敏元件包括一个测量元件和一个参考元件(分别为1和2)，一个具有光源(4)的辐射器，一个用于测量测量元件和参考元件(分别为1和2)之间压差的麦克风装置。麦克风装置和光源(4)在麦克风印刷电路板和灯印刷电路板(分别为8和10)上制造，并与测量元件和参考元件(分别为1和2)一起安装在一个共同的组件印刷电路板(P)上。麦克风装置包含一个差动麦克风(3)，该差动麦克风由移动电话中所用类型的所谓噪声消除麦克风构成。用于制造光声气敏元件的方法的特征在于，在灯印刷电路板(10)上制造的光源(4)，在麦克风印刷电路板(8)上制造的麦克风装置，测量元件和参考元件(分别为1和2)通过批量处理预先装配构成测量组件(M)，该测量组件安装在组件印刷电路板(P)上。

Description

光声气敏元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及光声气敏元件，该光声气敏元件具有一个测量元件和一个参考元件，一个辐射器和一个用于测量测量元件和参考元件之间压差的麦克风装置。

背景技术

开头所述类型的光声气敏元件已经以这样的方式制造，即麦克风装置和辐射器安装在底板上，然后测量元件包围这些构件安装，最后在上面附加参考元件。这样制造的气敏元件的尺寸较大，并且气敏元件消耗较多的能量。此外，制造过程复杂，从元件的价格上可以看到这一点。

发明内容

本发明的目的是提供一种开头所述类型的光声气敏元件，该光声气敏元件的特征是具有小尺寸，低能量消耗水平和低制造成本。

根据本发明，该目的是这样实现的，即麦克风装置和辐射器是在麦克风印刷电路板和辐射器印刷电路板上制造的，并与测量元件和参考元件一起安装在一个共同的组件印刷电路板上。

本发明建议的光声气敏元件尺寸小，能量消耗低。分别在麦克风印刷电路板和辐射器印刷电路板上制造麦克风装置和辐射器使得气敏元件的制造过程可以很大程度地自动化，从而成本低。

麦克风装置可由一个差动麦克风或差动电路上的两个麦克风构成。如DE-A-40 18 393中所述并具有差动麦克风的光声气敏元件到现在为止都几乎不曾得到应用，原因是几乎没有可用的适合的麦克风，并且通用的麦克风仅非常有限地适用于典型的低信号频率。为此，通常在电差动电路中使用两个麦克风，以抑制干扰声源(关于该问题请参考EP-A-0 855 592)。但是，这导致了这样一个问题，即必须找到具有适当低的下限截止频率的麦克风，因为音频应用中适用的麦克风具有20到30Hz的典型下限3分贝频率，也就是说位于气敏元件的信号频率范围内，这会导致截止频率分散，老化和截止频率被环境影响改变。此外，差动设计困难，因为麦克风必须在百分之一范围内的测量精度上相匹配。与上述3分贝频率的漂移一起，这使得几乎无法有效地抑制干扰。

根据本发明，气敏元件第一优选实施例的特征在于，麦克风装置具有一个差动麦克风，它是通过在移动电话中所用类型的所谓噪声消除麦克风构成的。

噪声消除差动麦克风还消除与声源处的有用信号相比较大的干扰，从而帮助减少能量消耗。差动麦克风特别便宜，并且具有各种小型化的形式。

在从属权利要求3至10中要求了根据本发明声光气敏元件的其它优选实施例和有利改进。

本发明还涉及所述声光气敏元件的制造方法。该方法的特征在于，在辐射器印刷电路板上制造的辐射器，在麦克风印刷电路板上制造的麦克风装置，以及测量元件和参考元件通过批量加工预先形成测量组件，然后将该组件安装在组件印刷电路板上。

根据本发明方法的第一优选实施例的特征在于，测量组件的预组装通过松散堆垛或粘接实现。

第二优选实施例的特征在于，气体透过膜安装在测量组件的测量元件和参考元件中。

附图说明

下面参考一个示例性实施例和附图更详细地解释本发明，其中：

图1示出了根据本发明气敏元件的分解图，

图2示出了图1中所示气敏元件的细节，

图3示出了解释气敏元件制造的第一示意性草图，

图4示出了解释气敏元件制造的第二示意性草图，

图5示出了图1中所示气敏元件的示意图，

图6示出了图5中所示气敏元件的第一种变型，

图7示出了图5中所示气敏元件的第二种变型。

具体实施方式

图1中所示的声光气敏元件包括一个测量元件1，一个参考元件2，一个布置在两个元件1和2之间的双向差动麦克风3，一个与测量元件1相应的微型白炽灯4和一个带有反射器的反射器外壳5，其中反射器用于将微型白炽灯4发出的光聚焦到一个窗口上，该窗口布置在测量元件1面向微型白炽灯4的侧壁上，一个红外带通滤光器6插入在该窗口内。从它们的设计和尺寸上看，测量元件1和参考元件2是绝对相同的。测量元件1和参考元件2在一个外侧壁上都备有一个窗口，可透过气体的膜7或7’分别插入在窗口内。差动麦克风3安装在印刷电路板8上，在差动麦克风3两个侧面中的每一个上都(可选择地)备有一个密封件9。类似地，微型白炽灯4安装在一个印刷电路板上，该印刷电路板以附图标记10表示。

微型白炽灯4发出的光具有很宽的光谱，可以到达红外频带；在大多数情况下，利用红外频带的谱线进行气体检测.红外带通滤光器6的通带具有待检测气体的特征并且是窄光谱带形式的，该窄光谱带对于CO₂检测约为4.25微米，对于NH₃检测约为10微米，对于CH₄检测约为3.4微米。待检测气体穿过两个可透过气体的膜7和7’分别进入测量元件1和参考元件2内。测量元件1内的气体被来自罐形白炽灯4的调制光照射。气体吸收光辐射并被加热。这会导致热膨胀，并且对应光辐射的调制会产生周期性的压力波动，从而引起声压力波，声压力波的强度与气体浓度直接成比例。

从外面冲击膜7，7’的干扰声音被膜衰减，并且在各种情况下，这些干扰波在测量元件1和参考元件2中是以相同的强度出现的。因此，该干扰声音在麦克风3的膜上就被直接补偿了，不会产生必须通过电子方法减去的大的信号。由于在麦克风膜两侧发生相同的压力波动，所以干扰声音产生的信号在膜上被直接物理减去，因此麦克风膜在最开始没有任何变形。因此，麦克风膜直接提供了气体在测量元件1内产生的声压，从而提供了寻求的浓度。

麦克风3是如移动电话中使用的所谓噪声消除麦克风。该麦克风的频率响应在户外是完全不可用的，如果该麦克风用作差动麦克风并安装在两个声学上几乎封闭的元件，特别是测量元件1和参考元件2之间，那么它具有非常好的特性，符合本发明的目的。

图2示出了穿过麦克风3的剖面。如图所示，该麦克风包括一个外壳G，该外壳一端开口并且是盒形的，其底部构成麦克风的正面。在该底部上备有孔11以使声音能够穿过到达麦克风膜13，其中麦克风膜夹在外壳G和金属背面电极12之间，并且由喷镀了金属的塑料组成。外壳G的侧壁在麦克风背面卷边并固定了一个背壁14，背壁备有小的均衡孔，即所谓的背孔15，并且在其面向金属背面电极12的内面上安装了一个场效应晶体管(FET)16，在其外面上带有两个圆形电极17和19。

背孔15对于低频来说足够大，并且使得麦克风3的频率响应一直到下限截止频率都平坦。该下限截止频率由膜13的电容和使用的阻抗变换器的输入阻抗控制，并且远远小于10Hz，优选的是在1到4Hz之间，因此在约20到30Hz的有用频率，下限截止频率对信号只有非常小的影响。

麦克风3安装在印刷电路板8上，该印刷电路板具有用于定位麦克风3上的卷边的凹槽19，分别供两个圆形电极17和18用的环形接触板20和21，以及一个环形凹槽22，该凹槽带有许多从环形凹槽底部穿过印刷电路板8的孔23。孔23和环形凹槽22允许从背面向背孔15供给空气和声音，而不必将背孔与印刷电路板8中的任何孔对准。

在安装过程中麦克风3和印刷电路板8不必对准，从而使得易于利用机器人将它们装配起来。通过环形凹槽19也简化了装配过程，该凹槽自动将麦克风3上的卷边引导到正确的位置以进行安装。环形电极17和18通过导电的环氧化物与印刷电路板17粘接并电连接。测量元件1，参考元件2和反射器外壳5的外部轮廓是相同的，因此这些零件可以作为挤压轮廓低成本制造，将必须的机械加工减到最少。

传感器的单个部件，即带有其外壳5的反射器，测量元件1和参考元件2的两个元件体，带通滤光器6，麦克风3和微型白炽灯4是在气敏元件的制造过程中制造/提供的。带通滤光器6粘接在测量元件1上，然后麦克风3安装在印刷电路板8上。测量元件1和参考元件2最好由铝组成。

如图4中所示，然后将这些部件连在一起以构成测量组件M，这是通过如图3中所示的批量加工实现的。在各种情况下，参考元件2和配备的印刷电路板8，测量元件1，包含反射器24并插有微型白炽灯4的反射器外壳5，配备的微型白炽灯印刷电路板10连接起来以构成一摞，这是通过将它们或者粘接或者夹在一起实现的。在前者情况下，密封件9(图1)是不需要的，因为粘接将元件体1和2的内部密封。夹在一起是借助夹形的弹性元件，或者其它的连接元件实现的。例如，在元件零件上将连接销在一侧冷压到另外半个元件中的配合孔内。另一种方案是开槽钉，该开槽钉穿过一个元件(例如参考元件2)压入到另一个元件中的配合孔内。

然后膜7，7’插入到完整的测量组件M的测量元件1和参考元件2内，最后通过粘接或焊接将测量组件M安装到组件印刷电路板P上。预装配的测量组件M是完整的并且可以使用，并可在其安装到组件印刷电路板P上之前作为单元预先检验。测量组件M可以象部件一样作为子组件安装到任何希望的其它印刷电路板上，而对于麦克风3，反射器24和微型白炽灯4却不会有任何的公差或对准问题。

很明显，所述传感器的制造比以前公知的制造方法大大简化并且成本更低，在以前的制造方法中，麦克风和微型白炽灯安装在基础印刷电路板上，然后测量元件分别包围这些部件安装。

图5示出了图1中所示光声气敏元件的示意性方块图，其带有测量元件1，参考元件2，麦克风3，微型白炽灯(辐射器)4，反射器外壳5，带通滤光器6和膜7，7’；图6和7示出了图5中所示气敏元件的变型。

在图6中所示的变型中，利用两个标准麦克风3，3’替代噪声消除麦克风3，并在传感器电子设备中有些差别。图7中所示变型提供了在参考元件2中检测第二种气体的能力。为此提供了第二辐射器4’，该辐射器与参考元件2相应并布置在第二反射器外壳5’内，并且参考元件在其面向第二辐射器4’的侧壁上备有带通滤光器6’。除了CO₂以外，例如水蒸气或碳氢化合物都可作为第二气体成份被检测。

Claims (12)

1.一种光声气敏元件，具有一个测量元件(1)和一个参考元件(2)，一个具有光源(4)的辐射器，一个布置在测量元件(1)和参考元件(2)之间的用于测量测量元件(1)和参考元件(2)之间压差的双向差动麦克风装置，其特征在于，双向差动麦克风装置和光源(4)在麦克风印刷电路板(8)和灯印刷电路板(10)上制造，然后与测量元件(1)和参考元件(2)一起安装在一个共同的组件印刷电路板(P)上，并且所述双向差动麦克风装置的下限截止频率远远小于10Hz。

2.根据权利要求1中所述的光声气敏元件，其特征在于，所述双向差动麦克风装置具有一个差动麦克风(3)，该差动麦克风由移动电话中使用的所谓噪声消除麦克风构成。

3.根据权利要求2中所述的光声气敏元件，其特征在于，测量元件(1)和参考元件(2)的内部向着麦克风印刷电路板(8)密封。

4.根据权利要求3中所述的光声气敏元件，其特征在于，通过将测量元件(1)和参考元件(2)粘接在所述印刷电路板(8)来将测量元件(1)和参考元件(2)的内部密封。

5.根据权利要求3中所述的光声气敏元件，其特征在于，测量元件(1)和参考元件(2)的内部分别通过一个密封件(9)密封，该密封件布置在相关的元件和麦克风印刷电路板(8)之间，其特征还在于，设有连接测量元件(1)和参考元件(2)的调整装置。

6.根据权利要求5中所述的光声气敏元件，其特征在于，调整装置由弹性夹形式的夹紧元件构成。

7.根据权利要求5中所述的光声气敏元件，其特征在于，调整装置由在两个元件之一上的连接元件和另一个元件上与这些连接元件相对应的孔构成.

8.根据权利要求7中所述的光声气敏元件，其特征在于，连接元件由压入到孔内的连接销或开槽钉构成。

9.根据权利要求1至8中之一所述的光声气敏元件，其特征在于，光源(4)布置在传感器纵轴线范围内，其特征还在于，测量元件(1)和参考元件(2)分别具有一个通过微孔膜(7，7’)密封的侧面开口，其中微孔膜用于透过气体。

10.根据权利要求1至4中之一所述的光声气敏元件，其特征在于，辐射器具有一个位于反射器外壳(5)内的反射器(24)，其特征还在于，测量元件(1)，参考元件(2)和反射器外壳(5)具有相同的外轮廓。

11.用于制造前述权利要求之一中所述的光声气敏元件的方法，其特征在于，在灯印刷电路板(10)上制造的光源(4)，在麦克风印刷电路板(8)上制造的双向差动麦克风装置，以及测量元件(1)和参考元件(2)通过批量处理预装配成测量组件(M)，该测量组件安装在组件印刷电路板(P)上。

12.根据权利要求11中所述的方法，其特征在于，测量组件(M)的预安装是通过松散堆叠或粘接实现的。

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