CN101535801A - 用于光声检测器的振荡器元件 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用在光声检测器中的振荡器元件(10)，其用于检测样本混合物中样本的浓度。该光声检测器使用光束(11)来激发振荡器元件(10)的激发区域(25)附近的样本(15)的分子。这种激发导致该振荡器元件(10)的共振。该振荡器元件(10)包括压电材料(20)，用于在其被机械地扭曲时产生电压；和电极(21－24)，其至少部分地覆盖振荡器(10)的表面以用于寄存所产生的电压。所述激发区域(25)以这样的方式被布置：避免在激发区域(25)中的电极(21－24)被光束(11)加热。
Description
技术领域
本发明涉及一种用在光声检测器中的振荡器元件，其用于在样本混合物中检测样本的浓度，该光声检测器使用光束以激发振荡器元件的激发区域附近的样本的分子，这种激发导致该振荡器元件的共振，该振荡器元件包括用于在其机械地扭曲时产生电压的压电材料，和至少部分地覆盖振荡器的表面以用于寄存所产生电压的电极。
本发明进一步涉及包括这种振荡器元件的光声检测器。
背景技术
这种振荡器元件还用在美国专利申请US2005/0117155中所描述的光声示踪气体检测器中。该光声示踪气体检测器使用激光束来激发气体混合物中的示踪气体的分子。这种对示踪气体分子的激发导致温度和压力增加。该激光束的波长或振幅被调制以用于在气体混合物中产生压力变化。在根据US2005/0117155的光声示踪气体检测器中，石英音叉检测压力变化。在被前置放大器放大之后，锁相放大器将该音叉信号与参考信号混合以获得输出信号。为检测压力变化使用的石英音叉实现了相对紧凑的光声示踪气体检测器。
光声示踪气体检测器的一个重要应用是呼吸检测。呼吸检测是有前途的医疗技术领域。呼吸检测是无创的、用户友好的和低成本的。呼吸检测的主要实例是哮喘的监测、酒精呼吸检测以及胃病和急性器官排斥的检测。第一个临床试验表明可以应用在乳腺癌和肺癌的预先筛选方面。这些挥发性的生物标志物具有在十亿分之一(ppb)的范围内的典型的浓度。一氧化氮(NO)是人类呼吸中最重要的示踪气体之一，并且在哮喘病人中可能发现浓度升高的NO。目前，呼出的浓度水平为ppb的NO只能使用基于化学发光或光学吸收光谱的昂贵且庞大的装置来测量。紧凑的、低成本的NO传感器形成令人感兴趣的设备，该设备可以用于诊断和监测气道炎症并且可以用在医生办公室中以及在家中用于药物控制。
为了在呼出气体中检测NO，已经选择了一种途径，其中NO被化学转换为NO2，随后用合并了蓝色半导体激光器的光声传感器来检测该NO2。NO2具有在蓝色波长范围内的宽的吸收光谱，并且因此波长调制不是用于检测NO2的优选的调制方法。不幸的是，激光器功率的振幅调制导致较大的背景信号，其容易支配与NO2相关的较小的光声信号。根据US2005/0117155的光声示踪气体检测器的问题在于，测量的准确性不够。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据开篇段的振荡器元件，该振荡器元件改进了现有技术的光声检测器的状态准确性。
根据本发明的第一方面，该目的可以通过将激发区域以这样的方式布置来实现：使得避免在激发区域中电极被光束加热。
本发明基于这样的认识：现有技术的光声检测器的检测器信号受到对音叉拾音元件的强烈的直接激发的负面影响，这种激发使得检测小光声信号变得困难。在光声检测中，光束聚焦在样本混合物处，其非常靠近振荡器元件，从而使得振荡器元件可以检测压力变化。由于激光束的光的散射、较小的对准误差和强度分布的宽度，该激光束不仅激发样本分子，而且直接激发部分振荡器元件，从而导致加热并产生背景信号。贯穿本文，激发光点的样本分子邻近的区域被称为激发区域，当使用光声检测器时该区域也被激光束加热。激发区域的加热导致振荡器元件的膨胀和机械扭曲，这导致电压变化，该电压变化经电极被拾取。通过以这样的方式布置该激发区域：使得避免振荡器元件被入射到激发区域的光束加热，来提高样本浓度检测的准确性。
在根据本发明的振荡器元件的优选实施例中，电极没有覆盖激发区域中的振荡器元件的表面。通过在其表面的金属电极对光的吸收造成振荡器元件的直接激发，从而导致电极和在电极后面的压电材料的局部加热。当电极没有覆盖检测区域中的振荡器元件的表面时，光束将不会加热电极。压电材料本身的吸收是小的并且不会产生背景信号。被电极覆盖的区域的减少导致来自振荡器元件的轻微减小的电信号，但是这种影响被任何背景信号的缺失大大地补偿。优选地，为了防止当所述辐射已经穿过通常透明的压电材料时在中断的区域的背面上的吸收，电极材料也在背面被中断。在背面中断电极的另一个原因是，由向前和向后穿过该单元的光束来实现光声检测。
在另一个实施例中，电极具有对所述光束的某一波长的光的高反射系数。对入射光的高反射性导致低吸收，从而导致振荡器元件的最小的温度增加。例如，当蓝色光用于光声检测时，可以选择在该波长范围中具有高反射性的金属，例如银或铝。金和铜对于该波长不太有利。
所述低吸收/高反射性还可以通过用涂层覆盖电极以用于获得高反射系数来获得。例如，可以使用适当厚度的介电层或介电叠层，从而获得高反射性涂层。
可替代地，至少在激发区域，电极由透明的导电材料构成。
在优选实施例中，压电材料是石英。众所周知，石英振荡器是精确的振荡元件。优选地，压电材料被定形作为音叉。
在实验中，已经发现在音叉的叉子的末端附近获得最大光声信号和最小背景信号。所以，优选实施例是这样的一个实施例：其中激发区域位于音叉的两个叉子的末端。
根据本发明的第二方面，提供一种包括根据本发明的振荡器元件的光声检测器。
参照下面所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将被阐明并变得显然。
附图说明
在附图中：
图1示出光声示踪气体检测器的一部分，
图2示出实施为音叉的现有技术的振荡器元件的前视图，
图3a和3b示出音叉的截面图，
图4a和4b示出被光束照射的音叉的截面图，
图5示出根据本发明的振荡器元件的前视图，
图6示出根据本发明的振荡器元件的优点。
具体实施方式
图1示出光声检测器的一部分。这里所描述的光声示踪气体检测器检测气体混合物中的气体浓度，但是本发明还可以应用于在其他样本混合物中检测组织、流体或固体样本。示踪气体检测器包括被置于气体混合物14中的振荡器元件10。气体混合物14包含在气室中。在典型的呼吸分析装置中，所述气室包括进气口和出气口，以使得人能够通过气室呼吸空气。在该实施例中，振荡器元件10是音叉，但是也可以使用其他形状的振荡器元件10。高强度光束11(优选地为激光束11)穿过气体混合物14并且聚焦在振荡器元件10附近。优选地，激光束11恰好聚焦在音叉10的两个叉子之间。如果激光束11的光具有正确的波长，则它会被示踪气体15的分子吸收。当激发的分子退回其原始状态时，气体混合物14的温度增高。温度的增高导致压力增加。通过在音叉10的共振频率处调制光束11的振幅，重复的压力变化造成音叉10共振。更高的示踪气体浓度导致音叉10的更大的振动。在该实施例中，提供一种声室12，以用于放大声波并提高音叉的响应。可以将振荡器信号13发送到ADC或其他电子电路以用于进一步处理。
图2示出被实施为音叉10的现有技术的振荡器元件。所述音叉由诸如石英、磷酸镓(GaPO4)或锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3)的压电材料20组成。压电性是晶体响应于所施加的机械应力而产生电压的能力。压电效应是可逆的，因为当该压电晶体受到外部所施加的电压时可以少量地改变形状。在压电材料20的表面上的电极21-24收集源于机械应力的电荷。电极21-24由导电的金属构成。为了对音叉的共振的最大的电子响应，电极21-24覆盖压电材料的几乎整个表面。
在图2所示的实施例中，第一叉子的前和后电极21连接到第二叉子的侧电极24。第二叉子的前和后电极23连接到第一叉子的侧电极22。在如图3a所示的音叉10的截面图中也示出了该电极配置。
如图3b所示，该电极配置检测并激发所述叉子相对于彼此的运动。当一个叉子发生偏斜时，它将产生电荷分离，该分离又产生电压并且在相对的方向上使另一个叉子发生偏斜。该电极配置的优点在于，从远距离发射的声波不激发音叉10，该声波趋于在两个叉子上施加相同方向的力。
图4a和4b示出被光束11照射的音叉10的截面图。在光声示踪气体检测期间，通常光11的一小部分落到叉子上，并且如果光11在音叉10共振处或其附近进行振幅调制，则音叉10的叉子开始振动。所述光照导致组合的侧向和后向-前向振动模式。所述后一种振动的频率相对于侧向运动轻微地偏移。当固定频率用于光束11的振幅调制时，该频率偏移作为被检测信号13中的相移而被检测。这些效应干扰光声信号并且应当优选地被抑制或被阻止。
图5示出根据本发明的振荡器元件10的前视图。发明人已经观察到，在音叉10激发的机制是在音叉10的表面上的金属电极21-24对光11的吸收，导致了电极21-24和在电极21-24后面的压电材料20的局部加热。该加热导致压电材料20的膨胀和机械扭曲，这可以经由压电效应和电极21-24电子地拾取。通过以这样的方式布置电极：使得避免电极21-24被光束11加热，来提高示踪气体检测的灵敏性和准确性。
在图5所示的实施例中，在区域25中缺少电极结构，其中激光束11的旁瓣落入叉子上。当电极21-24没有覆盖激发区域中音叉的表面时，光束将不会加热电极21-24。在压电材料10本身中的吸收可被忽略并且不会产生背景信号。电极的修改将导致来自振荡叉子的电信号13的轻微减少，但这个效应将由背景信号的缺失大大地进行补偿。中断的电极可以在叉子的其他部分上被连接，或者可以这样选择中断的尺度：使得不是全部电极被中断。为了防止当辐射已经穿过透明的压电材料20时在中断的区域25的背侧上的吸收，电极材料必须也在该背侧中断。除了中断电极之外，还可以使用例如由氧化铟锡(ITO)构成的透明电极。
在实验中，已经发现在叉子的末端的附近获得了最大的光声信号和最小的背景信号。所以优选实施例是这样的一个实施例：其中在叉子末端部分缺少电极结构。
在可替代实施例中，为了最小的吸收而优化电极21-24的材料。例如，当蓝色光用于光声检测时，可以选择在该波长范围内具有高反射性的金属，例如银或铝。金和铜不太有利于该波长范围，但是对于其他波长可能是优选的。当用具有适当厚度的介电层或介电叠层涂覆金属时可以获得进一步的减少，从而获得高反射性涂层。该涂层可以应用到整个电极或仅仅应用到激发区域的部分或靠近激发区域的部分。
图6示出根据本发明的振荡器元件10的优点。该图示出实验的结果，其中聚焦的、振幅调制的激光点扫过音叉电极结构，并且使用锁相检测方案拾取对应的电子信号13。当所述激光点扫过电极被中断的区域25时，背景信号降为零。
应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多可替代实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，动词“包括”及其变化的使用不排除在权利要求中所声明的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”不排除多个这样的元件的存在。可以通过包括若干个离散元件的硬件并且通过适当编程的计算机来实现。在列举了若干个装置的权利要求中，这些装置的几个可以由同一项硬件实施。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施，这个起码的事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
Claims (9)
1.一种用在光声检测器中的振荡器元件(10)，其用于检测样本混合物中样本(15)的浓度，该光声检测器使用光束(11)来激发振荡器元件(10)的激发区域(25)邻近的样本(15)的分子，所述激发导致该振荡器元件(10)的共振，该振荡器元件(10)包括：
-压电材料(20)，用于在其被机械地扭曲时产生电压，以及
-电极(21-24)，至少部分地覆盖振荡器(10)的表面以寄存所产生的电压，
该振荡器元件(10)的特征在于
-所述激发区域(25)以这样的方式被布置：使得避免激发区域(25)中的电极(21-24)被所述光束(11)加热。
2.根据权利要求1的振荡器元件(10)，其中电极(21-24)没有覆盖激发区域(25)中的振荡器元件(10)的表面。
3.根据权利要求1的振荡器元件(10)，其中电极(21-24)对于处于光束(11)的某一波长的光具有高反射系数。
4.根据权利要求3的振荡器元件(10)，其中电极(21-24)被涂层覆盖以获得高反射系数。
5.根据权利要求1的振荡器元件(10)，其中电极(21-24)至少部分地由透明的导电材料构成。
6.根据权利要求1的振荡器元件(10)，其中压电材料(20)是石英。
7.根据权利要求1的振荡器元件(10)，其中压电(20)材料被定形为音叉。
8.根据权利要求7的振荡器元件(10)，其中激发区域(25)位于音叉的两个叉子的末端。
9.一种包括如权利要求1所述的振荡器元件(10)的光声检测器。
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