CN100514031C - 光声气敏元件 - Google Patents
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Abstract
一种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)，一个辐射器和一个用于测量测量元件和参考元件(分别为1和2)之间的压差的差动麦克风(3)。差动麦克风(3)由移动电话中所用类型的所谓噪声消除麦克风构成，并具有同心圆环形电极，以及一个盒形外壳，外壳的底部构成麦克风正面，外壳背面具有用于安装背板的卷边。差动麦克风(3)安装在印刷电路板(8)上，该印刷电路板具有用于定位所述卷边的第一环形凹槽。
Description
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
如DE-A-40 18 393中所述的这类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 855592)。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，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。
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，其差动麦克风成本低并且适用于光声气敏元件典型的低信号频率。
根据本发明，该目的是通过差动麦克风实现的，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。
由于这些麦克风的频率响应在室外完全不可用，它们看起来对于从20到30Hz的典型信号频率是不可用的。但是，实际试验产生了意外的结果，即麦克风对于在光声气敏元件中的预期使用具有非常好的特性，频率响应一直到3分贝点都是平坦的。截止频率通常约为1到4Hz，即远远低于10Hz，所以对有用频率的信号只有非常小的影响。此外，差动麦克风特别便宜，并且具有非常多的不同的小型化形式。
根据本发明气敏元件的第一优选实施例的特征在于，差动麦克风具有同心圆环形的电极。差动麦克风的下限截止频率小于10Hz，优选的是在1和4Hz之间。
第二优选实施例的特征在于，差动麦克风具有一个盒形外壳，外壳底部构成麦克风正面，其背面具有一个用于固定背板的卷边。
第三优选实施例的特征在于，差动麦克风安装在印刷电路板上，该印刷电路板具有用于定位所述卷边的第一环形凹槽。
同心圆环形的麦克风电极具有这样的优点，即往印刷电路板上安装时，零件不必对准，从而允许通过机器人进行简单的安装。另外，通过第一环形凹槽又另外简化了简单的装配过程，因为这会使麦克风与其外壳一起被自动引导到正确的位置。
在从属权利要求5至9中要求了根据本发明的光声气敏元件的其它优选实施例和有利的改进方案。
附图说明
下面参考示例性实施例和附图更详细地解释本发明，其中：
图1示出了根据本发明的光声气敏元件的分解图，
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一示意性草图。
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。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18。
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，例如夹子实现的，该弹性元件在传感器纵向(图3中的箭头方向)上起作用。
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。
Claims (9)
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)，一个辐射器和一个用于测量测量元件(1)和参考元件(2)之间压差的双向差动麦克风(3)，该双向差动麦克风(3)布置在该测量元件(1)和参考元件(2)之间，其特征在于，该双向差动麦克风(3)是由移动电话中所用类型的所谓噪声消除麦克风构成的，并且该双向差动麦克风(3)的下限截止频率小于10Hz。
2.根据权利要求1中所述的光声气敏元件，其特征在于，该双向差动麦克风(3)的下限截止频率在1和4Hz之间。
3.根据权利要求2中所述的光声气敏元件，其特征在于，该双向差动麦克风(3)具有同心圆环(17，18)形状的电极。
4.根据权利要求3中所述的光导气敏元件，其特征在于，该双向差动麦克风(3)具有一个盒形外壳(G)，其底部构成麦克风正面，其后面具有一个用于固定背板(14)的卷边。
5.根据权利要求4中所述的光声气敏元件，其特征在于，该双向差动麦克风(3)安装在一个印刷电路板(8)上，该印刷电路板具有一个定位所述卷边的第一环形凹槽(19)。
6.根据权利要求5中所述的光声气敏元件，其特征在于，在背板(14)中设有均衡孔(15)，其特征还在于，印刷电路板(8)具有第二环形凹槽(22)，这些凹槽带有穿过印刷电路板(8)的孔(23)，第二环形凹槽(22)和所述孔(23)允许声音从外面进入到达均衡孔(15)。
7.根据权利要求1至6中之一所述的光声气敏元件，其特征在于，辐射器由一个微型白炽灯(4)和一个反射器(24)构成，其中微型白炽灯安装在一个印刷电路板(10)上，反射器位于一个反射器外壳(5)内。
8.根据权利要求7中所述的光声气敏元件，其特征在于，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。
9.根据权利要求1至6中之一所述的光声气敏元件，其特征在于，在该双向差动麦克风(3)两个侧面中的每一个上都设有一个小密封板(9)，该两个侧面分别与该测量元件(1)和参考元件(2)相邻。
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