CN104568757A - 用于分析气体的光声气体传感器设备和方法 - Google Patents

用于分析气体的光声气体传感器设备和方法 Download PDF

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CN104568757A CN201410539398.6A CN201410539398A CN104568757A CN 104568757 A CN104568757 A CN 104568757A CN 201410539398 A CN201410539398 A CN 201410539398A CN 104568757 A CN104568757 A CN 104568757A
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Abstract

一种用于分析气体的光声气体传感器设备包含发射器模块和压敏模块。发射器模块被布置在载体基板上并且发射光脉冲。压敏模块被布置在载体基板上参考气体空间内。参考气体空间与旨在填充有待分析气体的空间分离。进一步地，压敏模块生成指示关于通过由发射器模块发射的光脉冲与参考气体空间内的参考气体相互作用引起的声波的信息的传感器信号。另外，发射器模块被布置成使得由发射器模块发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析气体的空间之后到达参考气体空间。

Description

用于分析气体的光声气体传感器设备和方法
技术领域
一些实施例涉及光声测量概念，并且具体而言涉及用于分析气体的光声气体传感器设备和方法。
背景技术
光声效应涉及声波形成以及随后介质中的光吸收。为了获得该效应，光强度是变化的。可以通过用适当的检测器测量形成的声(例如压力改变)来量化光声效应。来自这些检测器的电输出随时间的变化可以被称为光声信号。这些测量可以被用于确定所研究的介质的某些性质。例如，可以分析气体的组分。期望实现通过低代价提供高精度的光声气体传感器概念。
发明内容
一个实施例涉及包括发射器模块和压敏模块的用于分析气体的光声气体传感器设备。发射器模块被布置在载体基板上并且被配置用于发射光脉冲。压敏模块被布置在载体基板上的参考气体空间内。参考气体空间与旨在填充有待分析气体的空间分离。进一步地，压敏模块被配置用于生成指示关于通过由发射器模块发射的光脉冲与参考气体空间内的参考气体相互作用引起的声波的信息的传感器信号。发射器模块被布置成使得由发射器模块发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析气体的空间之后到达参考气体空间。
由于发射器模块的放置，因此使得由发射器模块提供的光脉冲在进入参考气体空间之前经过旨在填充有待分析气体的空间，仅光脉冲的未被吸收的部分到达参考气体空间并且引起声波。通过在公共载体基板上实现发射器模块和压敏模块结合压敏模块在参考气体空间内的放置，在高精度和低代价的情况下，可以关于由参考气体含有的一个或多个组分对气体进行分析。
一些实施例涉及包括发射器模块和压敏模块的用于分析气体的光声气体传感器设备。发射器模块被布置在载体基板上并且被配置用于发射在第一频率范围内并且具有第一时序发生特性的第一光脉冲以及在第二频率范围内并且具有第二时序发生特性的第二光脉冲。压敏模块被布置在载体基板上并且被配置用于生成指示关于通过由发射器模块发射的第一光脉冲与待分析气体相互作用引起的第一声波以及通过由发射器模块发射的第二光脉冲与待分析气体相互作用引起的第二声波的信息的传感器信号。
通过实现能够发射第一频率范围内的光脉冲和第二频率范围内的光脉冲的发射器模块，不同的气体组分可以被激活或激发，以便引起声波。由于第一光脉冲和第二光脉冲的不同时序发生特性，因此由不同光脉冲引起的声波可以由压敏模块区分。通过在公共载体基板上实现发射器模块和压敏模块，可以低代价地同时分析各种气体组分。
附图说明
仅通过示例的方式，并且参照附图，在以下内容中将描述装置和/或方法的一些实施例，其中
图1示出了一个光声气体传感器设备的示意图；
图2至图6示出了一些光声气体传感器设备的示意性截面；
图7示出了一个光声气体传感器设备的示意图；
图8A至图11示出了一些光声气体传感器设备的示意性截面；
图12示出了一个光声气体传感器设备的示意图；
图13示出了又一光声气体传感器设备的示意图；
图14至图21示出了一些光声气体传感器设备的示意性截面；
图22示出了一种用于分析气体的方法的流程图；以及
图23示出了一种用于分析气体的方法的流程图。
具体实施方式
参照其中一些示例实施例被图示的附图，现在将更完全地描述各种示例实施例。在图中，为了清楚起见，可以夸大线、层和/或区域的厚度。
据此，虽然示例实施例能够有各种修改和替代形式，其中实施例通过示例的方式被示出在图中，并且在本文中将被更详细地描述。然而，应当理解的是，不旨在将示例实施例限制于所公开的特定形式，而是相反，示例实施例要涵盖落在本公开的范围内的所有修改、等同物和替代。贯穿对图的描述，同样的数字指的是同样的或相似的元件。
将被理解的是，在元件被称为被“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以被直接连接或耦合到其它元件或者中间元件可以存在。相比之下，在元件被称为被“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，没有中间元件存在。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以同样的方式来解释(例如，“在…之间”对“直接在…之间”，“毗邻”对“直接毗邻”等)。
本文中所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并且不旨在于限制示例实施例。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包含复数形式，除非上下文另外明确指示。将进一步被理解的是，术语“包括”、“包含”和/或“含有”在本文中使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或它们的组。
除非另外定义，本文中所使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与由示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步被理解的是，例如那些在常用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不会在理想化或过于正式的意义上来解释，除非本文中明确地如此定义。
图1示出了根据一个实施例的用于分析气体的光声气体传感器设备100的示意图。光声气体传感器设备100包括被布置在公共载体基板110上的发射器模块120和压敏模块130。发射器模块120能够或被配置用于发射光脉冲122。压敏模块130被布置在参考气体空间102内。参考气体空间102与旨在填充有待分析气体的空间104分离。压敏模块130生成指示关于通过由发射器模块120发射的光脉冲122与参考气体空间102内的参考气体相互作用引起的声波124的信息的传感器信号132。进一步地，发射器模块120被布置成使得由发射器模块120发射的光脉冲122在穿过旨在填充有待分析气体的空间104之后到达参考气体空间102。
由于发射器模块的放置，因此使得由发射器模块提供的光脉冲在进入参考气体空间之前经过旨在填充有待分析气体的空间，仅光脉冲的未被吸收的部分到达参考气体空间并且引起声波。通过在公共载体基板上实现发射器模块和压敏模块结合压敏模块在参考气体空间内的放置，可以关于由参考气体含有的一个或多个组分以高精度和低代价对气体进行分析。
光声气体传感器设备100是能够基于光声效应分析气体的设备。为此，光声气体传感器设备100包括用于生成由气体吸收以便引起声波的光脉冲的发射器模块120以及用于检测声波并且生成对应传感器信号132的压敏模块130。
发射器模块120和压敏模块130被布置在公共载体基板110上。在该连接中，例如，载体基板110可以是包括表示发射器模块120的发射器电路装置或发射器结构以及表示压敏模块130的压敏电路装置或压敏结构的半导体裸片。在该示例中，参考气体空间102与压敏模块120的分离可以通过包封载体基板110的包括压敏模块130的部分的适当的封装来实现。
备选地，例如，载体基板110可以是提供用于安装由表面安装设备SMD(例如半导体裸片)实现的发射器模块120以及实现在另一或同一表面安装设备上的压敏模块130的表面的结构化基板(例如类似印刷电路板PCB的有机物、类似引线框架或柔性板的金属网格)。在该示例中，通过适当的封装(例如连同载体基板封闭压敏模块的帽或盖)，压敏模块130(例如半导体裸片)可以被封闭在参考气体空间102内。换言之，例如，载体基板110可以是表示刚性基板或柔性基板或者柔性与刚性基板之间的组合的印刷电路板。
换言之，例如，发射器模块120和压敏模块130可以被实现在表示载体基板110的同一半导体裸片上，或者压敏模块130和发射器模块120被实现在安装在公共载体基板110上的不同的半导体裸片上。
发射器模块120被配置用于发射光脉冲122。这些光脉冲122可以包括在大的频率范围内的频率部分或者在仅一个或多个窄的频带中的频率部分。
例如，由发射器模块120生成的光脉冲可以包括在红外频区(例如780 nm至1 mm或者在300 GHz与400 THz之间)或者可见频区内的频率部分。备选地，发射器模块可以发射针对待分析的气体或者待分析的气体的组分调整的窄频带(例如为了选择性地激发待分析的气体内的吸收)内的光脉冲。
进一步地，发射器模块120可以生成具有预定义时序特性的光脉冲。例如，可以通过变化所发射的光的光强度(例如通过对光进行调制或通过生成单闪的光)来获得光脉冲。例如，可以周期性地触发发射器模块120，从而使得光脉冲具有两者之间的预定义时间间隔或者具有预定义的时序频率。
可以以各种方式实现发射器模块120。例如，发射器模块120可以包括热发射器元件、光电二极管元件或者激光二极管(例如红外二极管或者红外激光二极管)。
例如，压敏模块130被配置用于生成指示关于施加到压敏模块130的压力或压力变化的信息的信号。例如，压敏模块130可以包括(例如麦克风结构的)膜或者压电元件。例如，施加到膜或压电元件的压力(例如由参考气体空间内的参考气体引起的)可以使得信号具有正比于所施加的压力、压力变化或者压力时差的电压或电流。如果由发射器模块120发射的光脉冲或者部分光脉冲被参考气体空间102内的参考气体或者参考气体的组分吸收，则激发或生成声波124。该声波124传播通过参考气体空间102并且到达压敏模块130。该声波124引起压敏模块130处的压力变化，使得压敏模块130可以生成指示关于声波124的信息的传感器信号132。例如，该信息可以是正比于由声波124引起的压力或压力变化的电压或电流。声波124的强度可以正比于被参考气体吸收的光的量。因此，如果大量或大部分的光脉冲已经被旨在填充有待分析气体的空间104内的待分析的气体吸收，仅光脉冲的低部分(即具有低强度的光脉冲)到达参考气体空间102，从而引起弱的声波124，并且反之亦然。所以，由传感器信号132含有的信息可以被用于确定待分析的气体内的组分的份量。
参考气体空间102与旨在填充有待分析气体的空间104分离。换言之，参考气体空间102可以是密封的空间，其可以填充有参考气体。例如，可以通过将压敏模块130包封在载体基板110与帽、壳体或盖之间来形成参考气体空间102。其它实施方式也可以是可能的，只要至少部分地围绕压敏模块130的参考气体可以与旨在填充有待分析气体的空间104内的待分析气体分离。
例如，旨在填充有待分析气体的空间104可以是开放的空间(例如接近光声气体传感器设备的气体自由进出光声气体传感器设备)或者可以是具有气体入口和气体出口的密封空间。
如在图1中所指示的那样，发射器模块120可以被布置在旨在填充有待分析气体的空间104内。备选地，发射器模块120可以与参考气体空间102以及旨在填充有待分析气体的空间104分离(例如图2)，或者可以被布置在参考气体空间102内(例如图6)。在后面的情况中，例如，发射器模块120可以将光脉冲从参考气体空间102发射到旨在填充有待分析气体的空间104中，并且未吸收的部分可以再次到达参考气体空间102，使得光脉冲还在穿过旨在填充有待分析气体的空间104之后到达参考气体空间102。备选地，发射器模块120可以被布置成使得由发射器模块发射的光在仅穿过旨在填充有待分析气体的空间104而没有穿过填充有气体的另一空间之后到达参考气体空间102(例如如果发射器模块被布置在旨在填充有待分析气体的空间内或者被布置与参考气体空间以及旨在填充有待分析气体的空间分离)。以此方式，仅尚未被待分析的气体吸收的光脉冲部分可以到达参考气体空间102，使得待分析的气体内的吸收变化具有大的影响，从而导致气体分析的高精度。
如已经提到的那样，压敏模块130可以可选地至少包括膜。可以通过由发射器模块120发射的光脉冲122与参考气体空间102内的参考气体相互作用引起的声波124移动该膜。膜可以被布置成使得在分析气体期间参考气体空间102内的参考气体围绕膜。换言之，例如，在光声气体传感器设备100的操作期间，参考气体被定位在参考气体空间102内，参考气体可以存在于膜的两侧处(例如膜的前侧和背侧处的空间可以由通过膜的通气孔连接)。备选地，压敏模块130可以包括在膜的一侧处的、与参考气体空间分离的空腔。
可选地，发射器模块120和压敏模块130可以被布置成使得至少定位在膜的一侧(例如背侧)的空间无法由发射器模块120发射的光脉冲到达，或者使得由发射器模块120发射的光脉冲的小于1％(或者小于10％、小于5％或小于0.1％)或部分光脉冲能够到达定位在膜的一侧(例如背侧)的空间。换言之，例如，发射器模块120和/或压敏模块130、载体基板110和/或光声气体传感器设备100的封装的一部分可以提供避免由发射器模块120发射的光到达压敏模块130的膜的背侧的可能性。以此方式，可以仅在膜的一侧(例如在膜的前侧)引起声波，使得可以避免与在膜的另一侧引起的声波的相消干涉，从而导致由吸收的光脉冲在膜处引起的大的压力变化。
对于上面提到的一个或多个方面另外、替代地或可选地，光声气体传感器设备100可以包括被配置用于基于传感器信号132确定关于待分析的气体的信息的分析模块。分析模块可以包括在同一半导体裸片上与压敏模块130一同实现的电路。备选地，分析模块可以被布置在载体基板110上，并且被实现在与压敏模块130不同的半导体裸片上。以此方式，制造工艺和/或技术可以分别更好地适应压敏模块130和分析模块的要求。例如，分析模块可以用容易缩放的CMOS技术(互补金属氧化物半导体)来实现，而压敏模块可以通过适于制造可移动部分(例如膜)的MEMS技术(微机电系统)来实现。
作为对具有单个发射器元件、发射具有宽带频谱的光脉冲的发射器模块的替代，发射器模块可以发射具有不同的窄带频率范围和不同的时序发生特性的光脉冲。换言之，发射器模块可以发射在第一频率范围内并且具有第一时序发生特性的第一光脉冲以及在第二频率范围内并且具有第二时序发生特性的第二光脉冲。压敏模块130可以生成指示关于通过由发射器模块120发射的第一光脉冲与待分析气体相互作用引起的第一声波以及通过由发射器模块120发射的第二光脉冲与待分析气体相互作用引起的第二声波的信息的传感器信号132。以此方式，例如，待分析的气体的若干组分可以被同时分析。
图2示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备200的示意性截面。光声气体传感器设备200的实施方式类似于图1中示出的实施方式。发射器模块120、压敏模块130和分析模块240被布置在载体基板110的同一侧上。
例如，载体基板110是结构化基板(例如有机印刷电路板、金属网格或引线框架)。
例如，发射器模块120是红外IR发射器(例如IR二极管或激光二极管)，并且可以被装配为(如在图2中示出的)芯片或者完整的封装部件。
例如，分析模块240可以实现为逻辑裸片(包括逻辑电路)，以用于信号调节或者基于由压敏模块130提供的传感器信号132确定关于待分析的气体的信息。例如，分析模块240可以由专用集成电路(ASIC)来实现。
载体基板110包括基本上平坦的几何结构(例如忽略由于用于使不同部件导电的金属层的拓扑或不均匀)。压敏模块130可以包括在MEMS裸片(微机电系统半导体裸片)上的膜。发射器模块120可以被布置在通过载体基板110的孔或窗口上方，以便将光脉冲122发射到载体基板110的相对侧。例如，孔或窗口可以是由孔或者具有低红外吸收的材料(例如硅)实现的红外(IR)窗口，但是例如，如果发射器模块120(IR芯片)装配件可以确保声学上密封的背空间，也可以是孔。
例如，如果涉及暴露的腐蚀性金属(例如铝)，芯片(红外发射器和分析模块)上的金属焊盘可以可选地由浇铸化合物260(例如环氧树脂)来保护。
分析模块240在载体基板110的同一侧上被侧向地布置在压敏模块130与发射器模块120之间。压敏模块130被连接到分析模块240，并且被配置用于提供传感器信号132(例如通过键合线)至分析模块240。进一步地，发射器模块120可以可选地被连接到分析模块240，使得分析模块240可以触发由发射器模块120的光脉冲122发射。
发射器模块120、压敏模块130和分析模块240由帽、盖或壳体250封闭在载体基板110的表面。换言之，盖250覆盖压敏模块130(MEMS)和分析模块240(ASIC)。还可选地，如在图2中示出的那样，发射器模块120被覆盖，从而递送更高或更大的背空间204。盖250可以是导电的(例如金属或金属化的部分或金属填充的聚合物)，并且被电连接到接地接触，以提供屏蔽功能。屏蔽盖250到基板的电接地接触212可以被实现在载体基板110上(例如焊料或导电粘合剂)。如果盖250提供(如在图2中示出的压敏模块的膜的)背空间，盖250可以在声学上被密封到基板(例如以避免背侧空间被由发射的光脉冲引起的声波激发)。
背空间204可以是参考气体空间102的一部分(例如通过例如通过膜的通气孔被连接到前侧空间)，或者与参考气体空间102分离的空间。载体基板110可以包括一个或多个电接触214(例如焊料球或平坦的金属化结构或弯曲的金属部分或通孔接触或引脚)，以便提供去往其它电子设备的可连接性。
旨在填充有待分析气体的空间104和参考气体空间102的至少一部分被布置在载体基板110相对于发射器模块120、压敏模块130和分析模块240的相对侧。旨在由待分析的气体填充的空间104由包括气体入口207(例如用于提供待分析气体)和气体出口205(例如用于排出气体)的壳体203封闭。以此方式，气流可以被引导通过旨在由待分析的气体填充的空间104。
备选地，例如，一个孔(入口和出口)可以是足够的(例如用于测量环境气体)，其可以大到足以确保空间104中的气体的合理交换。换言之，例如，空腔(填充有待分析气体的空间)可以通过将预形成的部分(例如壳体)附接到基板(载体基板)来形成，从而提供具有待测量气体的空间。旨在由待分析气体填充的空间104可以被布置成与发射器模块120相对，使得发射器模块120可以将光脉冲122通过孔或窗口222发射到旨在填充有待分析气体的空间104中。
参考气体空间102的与压敏模块130相对的部分由与旨在填充有待分析气体的空间104的壳体203相邻的壳体209封闭。参考气体空间102的与压敏模块130相对的部分的壳体209以及旨在由待分析气体填充的空间104的壳体可以由公共壳体或者由共享壁或包括毗邻的壁的分离壳体来实现。
载体基板110包括在压敏模块130与在相对侧的参考气体空间102之间的、表示声信号端口的孔，使得在压敏模块130的相对侧引起的声波可以通过孔206到达压敏模块130。
参考气体空间102的壳体209与旨在填充有待分析气体的空间104的壳体203之间的壁至少部分地包括对于由发射器模块120发射的光脉冲122的频率范围内的光至少部分透明的透明区域202。进一步地，旨在填充有待分析气体的空间104壳体203的剩余内壁至少部分地包括反射由发射器模块120发射的光脉冲122的至少一部分的表面(例如金属表面)，使得没有被待分析的气体吸收的光脉冲122或者部分光脉冲122可以通过透明区域202到达参考气体空间102。
例如，图2示出了表示用于集成含有限定气体(参考气体)的参考空间的概念、具有参考空间的实施方式。例如，这可以是假设传感器200选择性地检测的气体。例如，然后主空间(填充有待分析气体的空间)中的吸收将导致在参考空间中没有吸收，并且反之亦然。
参考气体可以渗透通过膜中所谓的通气孔。结果，背空间204可以填充有参考气体。这可能有较小的影响，尤其是，如果红外光束(光脉冲)不直接照射背空间204。例如，然后将不会在背空间204中创建引起信号的压力脉冲(声波)。
备选地，各种各样的不同的几何学上可能的实施方式可以被使用。图3示出了根据实施例的光声气体传感器设备300的示意性截面。光声气体传感器设备300的实施方式类似于图2中示出的实施方式。然而，发射器模块120被布置在载体基板110的相对于压敏模块130和分析模块240的一侧。进一步地，发射器模块120被布置在旨在填充有待分析气体的空间104内。关于图1和图2说明了进一步的细节和方面。
图4示出了根据实施例的光声气体传感器设备400的示意性截面。光声气体传感器设备400的实施方式类似于图2和图3中示出的实施方式。然而，载体基板110偏离基本上平坦的几何结构，并且至少包括L形的几何结构(或者T形的几何结构)。发射器模块被布置在旨在填充有待分析气体的空间104内的载体基板110的L形几何结构的第一支腿416(例如短的支腿)。进一步地，压敏模块130和分析模块240被布置在载体基板110的L形的几何结构的第二支腿418(例如长的支腿)。以此方式，发射器模块120可以被布置成使得所发射的光脉冲120在参考气体空间102与旨在填充有待分析气体的空间104之间的壁的透明部分202的方向上被直射。关于图1至图3描述了进一步的细节和方面。
透明部分202可以是具有低红外吸收的壁(例如硅、氧化硅或锗)。一个或多个壁可以可选地覆盖有针对红外辐射(IR)的抗折射材料。可以由金属或金属化塑料实现或者制成其它壁。红外光束的高反射可以帮助创建良好的信号。
图5示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备500的示意性截面。光声气体传感器设备500的实施方式类似于图2至图4中示出的实施方式。然而，载体基板110包括至少U形的几何结构(例如在该示例中具有不等长的支腿和较长支腿的延伸的U形)。换言之，载体基板110包括两个平行的部分(U形的支腿)，该两个平行的部分由被布置正交于两个平行部分的部分(U形的底部)连接。发射器模块120被布置在载体基板110的U形几何结构的第一支腿516，并且压敏模块130和分析模块240被布置在载体基板110的U形几何结构的第二支腿518。发射器模块120被定位在第一支腿516的面向第二支腿518的一侧上。压敏模块130和分析模块240被布置在第二支腿518的相对于第一支腿516的一侧上。第一支腿516与第二支腿518之间的间隙由参考气体空间102的壳体209和旨在填充有待分析气体的空间104的壳体203的壁分隔，从而分离参考气体空间102和旨在填充有待分析气体的空间104。关于图1至图4描述了进一步的细节和方面。
图6示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备600的示意性截面。光声气体传感器设备600的实施方式类似于图2中示出的实施方式。然而，发射器模块120、压敏模块130、分析模块240、参考气体空间102以及旨在填充有待分析气体的空间104被布置在基本上平坦的载体基板110的同一侧上。作为通过载体基板110的孔206的替代，帽或盖250包括孔606以便提供对压敏模块130的访问。发射器模块120被布置在盖250(覆盖压敏模块和分析模块)外部，但是在参考气体空间102内。参考气体空间102的壳体209围绕盖250以及发射器模块120。参考气体空间102的壳体209包括被布置成基本上平行于载体基板110、分离参考气体空间102与旨在由待分析气体填充的空间104、包括透明部分202的壁。旨在由待分析气体填充的空间104的壳体203被布置相对于透明部分202。发射器模块120可以将光脉冲122通过参考气体空间102和透明部分202发射到填充有待分析气体的空间104中。未吸收的光脉冲可以被壳体203的壁反射回到参考气体空间102中，并且可以由参考气体吸收，从而引起由压敏模块130可检测的声波。在该示例中，压敏模块130的背空间204被定位在压敏模块130的膜与载体基板110之间，并且与参考气体空间102分离(例如经由不可渗透的膜)。关于图1和图2描述了进一步的细节和方面。
图6示出了具有顶部访问麦克风或压敏模块的版本。换言之，可以实现具有顶部声端口、具有用于参考气体的参考空间的传感器。
相比于图2至图5中示出的示例，发射器模块120被布置成使得由发射器模块120发射的光脉冲122在穿过部分参考气体空间102并且穿过旨在填充有待分析气体的空间104之后到达参考气体空间102，然而在图2至图5中，发射器模块120被布置成使得由发射器模块120发射的光脉冲122在仅穿过旨在填充有待分析气体而没有其它气体的空间104(以及壳体的透明部分)之后到达参考气体空间102。
在一些实施例中，光声气体传感器设备包括多于一个参考气体空间。以此方式，可以关于多于一个组分地对气体进行高精度分析。
换言之，光声气体传感器设备可以至少包括与第一参考气体空间分离的并且与旨在填充有待分析气体的空间分离的第二参考气体空间。
图7示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备700的示意图。光声气体传感器设备700的实施方式类似于图1中示出的实施方式。然而，作为对具有第一压敏模块130的第一参考气体空间102的补充，光声气体传感器设备700包括具有第二压敏模块730的第二参考气体空间704以及具有第三压敏模块740的第三参考气体空间706。
由包括电连接到脉冲电压或电流源724的发射器元件722的热红外发射器来实现发射器模块120。通过使通过发射器元件722的电流流动产生脉冲，在宽的频率范围内具有限定时序特性的红外脉冲被发射。换言之，例如，发射器模块120表示电斩波(chop)的宽带红外发射器。
在通过参考气体空间的壳体的透明部分进入一个参考气体空间之前，所发射的红外光脉冲穿过填充有待分析的气体混合物(例如组分A、B和C)的空间104。到达相应参考气体空间的红外光脉冲的未吸收的部分可以通过与相应参考气体空间中的参考气体相互作用引起声波。可以由提供包括关于声波信息的传感器信号的相应压敏模块(例如由麦克风模块实现的)来检测该声波。
第二压敏模块730和第三压敏模块740也可以被布置在公共载体基板(未示出)上。第二压敏模块730被布置在第二参考气体空间704内，并且第三压敏模块740被布置在第三参考气体空间706内。
在该示例中，待分析的气体包括至少组分A、B和C，并且第一参考气体空间102填充有气体A，第二参考气体空间704填充有气体B以及第三参考气体空间706填充有气体C。待分析的气体包括大部分的组分C、中间部分的气体A以及小部分的气体B。因此，具有由组分C吸收的波长的红外光已经几乎被待分析的气体完全吸收，然而具有由组分B吸收的波长的红外光几乎不被待分析的气体吸收。因此，几乎没有在可由气体C吸收的频率范围内的光脉冲到达第三参考气体空间706，并且几乎包括可由气体B吸收的频率范围的光脉冲的整个部分到达第二参考气体空间704并且引起对应声波。因此，相比于第二压敏模块730的包括大信号幅度的传感器信号732，由第三压敏模块740提供的传感器信号742包括小的幅度。通过指示传感器信号的电压V随时间T的示意图来示出相应的传感器信号。图进一步指示如果没有待分析的气体的吸收发生的最大信号幅度702。
换言之，例如，图7示出了一个宽带热红外传感器的示例，其被切分并且照射具有给出关于每个气体浓度的特定信号的相应麦克风的三个不同参考单元。
可以以各种方式被布置不同的参考气体空间。例如，发射器模块被布置成使得由发射器模块120发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析气体的空间104之后并且在穿过第一参考气体空间102之后到达第二参考气体空间704。
图8A示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备800的示意性截面。光声气体传感器设备800的实施方式类似于图4中示出的实施方式。然而，第二参考气体空间704被布置成侧向地毗邻于第一参考气体空间102，并且第二压敏模块730被布置成侧向地毗邻于第一压敏模块130。第二参考气体空间704和第二压敏模块730被布置在载体基板的的相对侧上，其具有表示在两者之间通过载体基板110的声端口的孔806。在该示例中，分析模块240被布置在覆盖第一压敏模块130的帽或盖250的外部。对应地，第二压敏模块730由第二帽或盖850覆盖。备选地，第一盖250和第二盖850一体实现。第二参考气体空间704由毗邻于第一参考气体空间102的壳体209、通过具有透明部分802(例如针对由第二参考气体空间内的参考气体吸收的光脉冲的频率范围，至少部分透明的)的壁分离的壳体809围绕。备选地，旨在填充有待分析气体的空间104、参考气体空间102和第二参考气体空间704可以通过包括在两者之间的对应壁的公共壳体分离。
第二压敏模块730的背侧空间804被实现对应于第一压敏模块130的背侧空间204。例如，关于图1和图4描述了进一步的细节和方面。
例如，图8A示出了具有两个或多个麦克风的版本。例如，示出了用于具有两个(或多个)麦克风芯片以及相应数目的参考空间的传感器的示例。这可以使得传感器能够实现对于多于一个气态材料的选择。以此方式，针对各种种类的气体的选择是可能的。每个麦克风裸片可以被连接到其分析模块ASIC(图8A示出了具有服务整个模块的仅一个ASIC的版本)。备选地，具有不同的几何结构(例如图2至图6)的版本是可能的。
图8B示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备890的示意性截面。光声气体传感器设备890的实施方式类似于图2中示出的实施方式。然而，光声气体传感器设备890包括第二参考空间894，其被布置在旨在填充有待分析气体的空间104的相对于第一参考空间102的一侧。第二参考气体空间894的壳体896与旨在填充有待分析气体的空间104的壳体203之间的壁至少部分地包括透明区域888，透明区域888针对由发射器模块120发射的光脉冲122的频率范围内的光至少部分透明。进一步地，旨在填充有待分析气体的空间104的壳体203的剩余内壁至少部分地包括反射由发射器模块120发射的光脉冲122的至少一部分的表面(例如金属表面)，使得没有被待分析的气体吸收的光脉冲122或者部分光脉冲122可以通过透明区域202到达第一参考气体空间102或者通过透明区域888到达第二参考气体空间894。
进一步地，光声气体传感器设备890包括侧向地被布置紧挨着在载体基板110的与第一压敏模块130相同侧上的第二压敏模块860的第二分析模块870。例如，第二分析模块870可以被实现为逻辑裸片(包括逻辑电路)，以用于信号调节或者基于由第二压敏模块860提供的传感器信号862确定关于待分析气体的信息。第二分析模块870可以由浇铸化合物872(例如环氧树脂)覆盖。第二压敏模块860和第二分析模块870由第二帽880封闭。载体包括在第二参考气体空间894与第二压敏模块860之间的孔864，使得在第二压敏模块860的相对侧引起的声波可以通过孔864到达第二压敏模块860。
图9示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备900的示意性截面。光声气体传感器设备900的实施方式类似于图8A中示出的实施方式。然而，仅一个压敏模块130被布置相对于第二参考气体空间704。该压敏气体模块130检测由没有被待分析的气体和第一参考气体空间102内的第一参考气体吸收的光脉冲引起的声波。例如，关于图1、图4和图8描述了更多的细节和方面。
图9示出了具有两个参考空间和仅一个麦克风的版本，或者用于具有仅一个麦克风芯片和两个(或多个)参考空间的传感器的示例。例如，参考空间、参考气体、麦克风以及(宽带或窄带)IR发射器的特定组合可以被用于创建特定信号，并且用于实现针对一种或多种气态材料的选择。
一些实施例涉及包括多于一个发射器模块的光声气体传感器设备。例如，光声气体传感器设备包括被布置在载体基板上并且被配置用于发射光脉冲的第二发射器模块(或更多)。第二发射器模块可以被布置成使得由第二发射器模块发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析气体的空间之后到达第二参考气体空间。以此方式，所发射的光脉冲的频率特性可以适配待分析气体内的待检测组分。例如，第一发射器模块发射适配第一参考气体空间内的第一参考气体的窄频率范围内的光脉冲，并且第二发射器模块发射适配第二参考气体空间内的第二参考气体的第二窄频率范围内的光。
图10示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1000的示意性截面。光声气体传感器设备1000的实施方式类似于图5和图8中示出的实施方式的组合。使用基本上U形的载体基板110，并且两个参考气体空间被布置在U形支腿之间的间隙中。另外，光声气体传感器设备1000包括第二发射器模块1020，其被布置在U形的侧向地毗邻于第一发射器模块120的第一支腿516上并且面向第二参考气体空间704的壳体809的透明部分1002。分析模块240被布置在载体基板110的U形几何结构的底部部分。换言之，光声气体传感器设备1000包括被布置在载体基板110上并且被配置用于发射光脉冲的第二发射器模块1020。该第二发射器模块1020被布置成使得由第二发射器模块1020发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析气体的空间104之后到达第二参考气体空间704。例如，关于图1、图5和图8描述了更多的细节和方面。
图10示出了具有两个或更多个IR发射器的版本，或者用于具有两个(或更多个)IR发射器的传感器的示例。它们可以与一个或多个进行组合(或者根据图12没有参考空间)。示例示出了两个发射器与两个参考空间的组合。例如，只要IR发射器在它们的发射光谱(其选择性地在特定气体中引起特定激发的窄频带或者在各种气态材料中导致各种激发模式的较宽的光谱)中不同，则不具有参考空间的实施方式就可以有意义。
图11示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1100的示意性截面。光声气体传感器设备1100的实施方式类似于图11中示出的实施方式。然而，光声气体传感器设备1100包括被布置在至少U形载体基板110的第一支腿516(U形的底部，未示出)上的第三发射器模块1120，以及被布置在第三参考气体空间706内的第三压敏模块740，其被布置在载体基板110的至少U形几何结构的第二支腿518上。进一步地，参考气体空间被布置在载体基板110的至少U形几何结构的第二支腿518上与压敏模块相同的侧上。载体基板110的第二支腿518包括被布置相对于至少U形几何结构(例如U形几何结构还可以在另一端处被封闭，从而导致O形的几何结构)的第一支腿516上的发射器模块的窗口(例如针对红外光具有低吸收)，使得由发射器模块发射的光脉冲可以通过旨在填充有待分析气体的空间104以及相应窗口222、1122、1124到达相应参考气体空间。例如，关于图10描述了更多的细节和方面。
例如，图11图示了照射具有相应麦克风的三个不同参考单元的一个宽带热红外传感器。例如，红外加热器(例如集成在印刷电路板中的或者微机电系统加热器)被布置在载体基板上。进一步地，参考气体空间通过被布置在载体基板上的帽(例如金属)彼此分离。待分析气体的气体通道可以被布置在U形或O形载体基板的两个支腿之间(例如由被布置成彼此平行并且通过正交部分连接的两个印刷电路板来实现)。由于发射器模块和压敏模块的侧向偏移布置，可以避免或者大幅降低由发射器模块发射的光脉冲通过压敏模块的膜对背侧空间的直接照射。
备选地，单个发射器模块可以包括分布在载体基板之上的多于一个发射器元件(例如图11)。
图12示出了根据一个实施例的用于分析气体的光声气体传感器设备1200的示意图。光声气体传感器设备1200包括被布置在公共载体基板1210上的发射器模块1220和压敏模块1230。发射器模块1220被配置用于发射具有第一频率范围并且具有第一时序发生特性的第一光脉冲1222以及在第二频率范围内并且具有第二时序发生特性的第二光脉冲1226。压敏模块1230生成指示如下信息的传感器信号1232，该信息关于通过由发射器模块1220发射的第一光脉冲1222与待分析气体相互作用引起的第一声波1224以及通过由发射器模块1220发射的第二光脉冲1226与待分析气体相互作用引起的第二声波1228。
通过使用能够发射在不同频率范围内并且具有不同时序发生特性的光脉冲的发射器模块，光脉冲的在不同气体组分处吸收的部分可以被激发，使得可以同时进行分析气体的不同组分。由于不同的时序发生特性，因此由不同光脉冲引起的声波可以在传感器信号1232内彼此区分。
光声气体传感器设备1200是能够基于光声效应对气体进行分析的设备。为此，光声气体传感器设备1200包括用于生成由气体吸收以便引起声波的光脉冲的发射器模块1220以及用于检测声波并且生成对应传感器信号1232的压敏模块1230。
发射器模块1220和压敏模块1230被布置在公共载体基板110上。在该连接中，例如，载体基板1210可以是半导体裸片，其包括表示发射器模块1220的发射器电路装置或发射器结构以及表示压敏模块1230的压敏电路装置或压敏结构。
备选地，例如，载体基板1210可以是结构化基板(例如类似印刷电路板PCB的有机物、类似引线框架或柔性板的金属网格)，其提供用于安装由表面安装设备SMD(例如半导体裸片)实现的发射器模块1220以及被实现在另一或同一表面安装设备上的压敏模块1230的表面。
换言之，例如，发射器模块1220和压敏模块1230可以被实现在表示载体基板1210的同一半导体裸片上，或者压敏模块1230和发射器模块1220被实现在安装在公共载体基板1210上的不同半导体裸片上。
发射器模块1220被配置用于发射光脉冲。这些光脉冲可以包括在仅两个或多个窄频带中的频率部分。发射器模块1220可以包括用于发射具有不同频率部分的光脉冲的两个或多个发射器元件或者能够发射具有不同频率部分的光脉冲的一个发射器元件。例如，发射器模块1220可以包括被提供有变化的电流或电压的热发射器元件，使得发射器元件在不同的时间包括不同的温度，或者热发射器元件包括具有侧向变化的形状的几何结构，从而导致侧向变化的电流密度以及因此变化的温度。
例如，由发射器模块1220生成的光脉冲可以包括在红外频区(例如780 nm至1 mm或者300 GHz与400 THz之间)或可见频区内的频率部分。备选地，发射器模块1220可以发射针对待分析的气体或者待分析的气体的组分调整的窄频带(例如为了选择性地激发待分析的气体内的吸收)内的光脉冲。
进一步地，发射器模块1220可以生成具有预定义时序特性的光脉冲。例如，可以通过变化所发射的光的光强度(例如通过对光进行调制或通过生成单闪的光)来获得光脉冲。例如，可以周期性地触发发射器模块1220，从而使得光脉冲具有两者之间的预定义时间间隔或者具有预定义的时序频率。
可以以各种方式来实现发射器模块1220。例如，发射器模块1220可以包括热发射器元件、光电二极管元件或者激光二极管(例如红外二极管或者红外激光二极管)。
例如，压敏模块1230被配置用于生成指示关于施加到压敏模块1230的压力或压力变化的信息的信号。例如，压敏模块1230可以包括(例如麦克风结构的)膜或者压电元件。例如，施加到膜或压电元件的压力可以使得信号具有正比于所施加的压力、压力变化或者压力时差的电压或电流。如果由发射器模块1220发射的光脉冲或者部分光脉冲被待分析的气体吸收，则声波被激发或生成。该声波传播通过气体并且到达压敏模块1230。该声波引起压敏模块1230处的压力变化，使得压敏模块1230可以生成指示关于声波的信息的传感器信号1232。例如，该信息可以是正比于由声波引起的压力或压力变化的电压或电流。声波的强度可以正比于被气体吸收的光的量。
例如，旨在填充有待分析气体的空间可以是开放的空间(例如接近光声气体传感器设备的气体自由进出光声气体传感器设备)或者可以是具有气体入口和气体出口的密封空间。
发射器模块1220可以被布置在旨在填充有待分析气体的空间内。备选地，发射器模块1220可以与旨在填充有待分析气体的空间分离。
如已经提到的那样，压敏模块1230可以可选地包括至少膜。这种膜可以被通过由发射器模块1220发射的光脉冲与气体相互作用引起的声波移动。
可选地，发射器模块1220和压敏模块1230可以被布置成使得至少定位在膜的一侧(例如背侧)的空间无法由发射器模块1220发射的光脉冲到达，或者使得由发射器模块1220发射的光脉冲的小于1％(或者小于10％、小于5％或小于0.1％)或部分光脉冲能够到达定位在膜的一侧(例如背侧)的空间。换言之，例如，发射器模块1220和/或压敏模块1230、载体基板1210和/或光声气体传感器设备1200的封装的一部分可以提供避免由发射器模块1220发射的光到达压敏模块1230的膜的背侧的可能性。以此方式，可以仅在膜的一侧(例如在膜的前侧)引起声波，使得可以避免与在膜的另一侧引起的声波的相消干涉，从而导致由吸收的光脉冲在膜处引起的大的压力变化。
对于上面提到的一个或多个方面另外、替代地或可选地，光声气体传感器设备1200可以包括被配置用于基于传感器信号1232确定关于待分析的气体的信息的分析模块。分析模块可以包括连同压敏模块1230在同一半导体裸片上实现的电路。备选地，分析模块可以被布置在载体基板1210上，并且被实现在与压敏模块1230不同的半导体裸片上。以此方式，制造工艺和/或技术可以分别更好地适应压敏模块1230和分析模块的要求。例如，分析模块可以用容易扩展的CMOS技术(互补金属氧化物半导体)来实现，而压敏模块可以通过适于制造可移动部分(例如膜)的MEMS技术(微机电系统)来实现。
例如，第一光脉冲被发射具有在两个连续光脉冲之间的第一时间距离，并且第二光脉冲被发射具有在连续光脉冲之间的第二时间距离。连续光脉冲之间的时间距离可以在由压敏模块可检测的频率范围内变化(例如在5 Hz与10000 Hz之间或者在10 Hz与1000 Hz之间)。例如，发射器模块可以发射具有表示第一时序发生特性的小于20 ms的时间距离(对应于50 Hz的频率)的第一光脉冲1222，以及具有表示第二时序发生特性的大于20 ms的时间距离的第二光脉冲1226(或者5 ms、10 ms、100 ms或1000 ms)。以此方式，可以由压敏模块1230或者处理传感器信号1232的分析模块容易地区分由不同光脉冲引起的声波。
图13示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1300的示意图。光声气体传感器设备1300的实施方式类似于图12中示出的实施方式。然而，发射器模块1220发射在第三频率范围内和第三时序发生特性的第三光脉冲1322。发射器模块1220包括第一窄带红外发射器元件1302(例如光电二极管、激光二极管或者具有带通滤波器的终端发射器)，其由脉冲电压或电流源1301触发，从而引起具有波长λA、具有第一时序频率f1的第一光脉冲。发射器模块1220包括第二窄带红外发射器元件1304，其由脉冲电压或电流源1303触发，从而引起具有波长λB、具有第一时序频率f2的第二光脉冲。进一步地，发射器模块1220包括第三窄带红外发射器元件1306，其由脉冲电压或电流源1305触发，从而引起具有波长λC、具有第一时序频率f3的第三光脉冲。
第一波长λA可以适配待分析气体的第一组分A的吸收，第二波长λB可以适配待分析气体的第二组分B的吸收以及第三波长λC可以适配待分析气体的第三组分C的吸收。压敏模块1230检测由具有对应于相应触发频率的不同时序发生特性的不同光脉冲引起的声波，使得如通过指示传感器信号1232的信号幅度A随频率f变化的图图示的那样，传感器信号1232包括具有不同频率的信号部分。
在该示例中，待分析的气体至少包括组分A、组分B和组分C。待分析的气体包括大部分的组分C、中间部分的气体A以及小部分的气体B。因此，具有由组分C吸收的波长的红外光已经几乎被待分析的气体完全吸收，然而具有由组分B吸收的波长的红外光几乎不被待分析的气体吸收。通过指示传感器信号的幅度A随频率f变化的示意图来示出对应的传感器信号1232。
例如，图13示出了所设计的不同红外(IR)源，使得它们具有适合待检测气体的窄带发射。每个红外源可以由特殊频率被斩波，其可以由一个麦克风(压敏模块)明确辨别。通过对麦克风谱(传感器信号)的频率分析，可以辨别气体并且在浓度方面进行分析。这可以在没有参考气体空间或参考单元的情况下完成。
传感器设备1300可以使用电斩波的窄带红外发射器(例如光子设计的或者宽带发射器加带通滤波器的组合)。例如，可以校准刚加热空气的声效应。备选地，例如，一个发射器可以被扫频至不同的红外波长并且以不同的音频波长斩波。
图14示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1400的示意性截面。光声气体传感器设备1400的实施方式类似于图12或图13中示出的实施方式。发射器模块1220、压敏模块1230和分析模块1440被布置在载体基板1210的同一侧上。
例如，载体基板1210是结构化基板(例如有机印刷电路板、金属网格或引线框架)。
例如，发射器模块1220是红外IR发射器(例如IR二极管或激光二极管)，并且可以被装配作为芯片(如在图14中示出的)或者作为完整的封装部件。
例如，分析模块1440可以被实现为逻辑裸片(包括逻辑电路)，以用于信号调节或者基于由压敏模块1230提供的传感器信号1232确定关于待分析的气体的信息。例如，分析模块1440可以由专用集成电路(ASIC)来实现。
载体基板1210包括基本上平坦的几何结构(例如忽略由于用于使不同部件导电的金属层的拓扑或不均匀)。压敏模块1230可以包括在MEMS裸片(微机电系统半导体裸片)上的膜。发射器模块1220可以被布置在通过载体基板1210的孔或窗口上方，以便将光脉冲1222、1224发射到载体基板1210的相对侧。例如，孔或窗口可以是由孔或者具有低红外吸收的材料(例如硅)实现的红外(IR)窗口，但是例如，如果发射器模块1220(IR芯片)装配件可以确保声学上密封的背空间，也可以是孔。
例如，如果涉及暴露的腐蚀性金属(例如铝)，则芯片(红外发射器和分析模块)上的金属焊盘可以可选地由浇铸化合物1460(例如环氧树脂)来保护。
分析模块1440在载体基板1210的同一侧上被侧向地布置在压敏模块1230与发射器模块1220之间。压敏模块1230被连接到分析模块1440，并且被配置用于提供传感器信号1232(例如通过键合线)给分析模块1440。进一步地，发射器模块1220可以可选地被连接到分析模块1440，使得分析模块1440可以触发由发射器模块1220发射的光脉冲。
发射器模块1220、压敏模块1230和分析模块1440由帽、盖或壳体1450封闭在载体基板1210的表面。换言之，盖1450覆盖压敏模块1230(MEMS)和分析模块1440(ASIC)。可选地，如在图14中示出的那样，发射器模块1220也被覆盖，从而递送更高或更大的背空间1404。盖1450可以是导电的(例如金属或金属化的部分或金属填充的聚合物)，并且被电连接到接地接触，以提供屏蔽功能。屏蔽盖1450到基板的电接地接触1412可以被实现在载体基板1210上(例如焊料或导电粘合剂)。如果盖1450提供(如在图14中示出的压敏模块的膜的)背空间，则盖1450可以被声学上密封到基板(例如以避免背侧空间被由发射的光脉冲引起的声波激发)。
载体基板1210可以包括一个或多个电接触1414(例如焊料球或平坦的金属化或弯曲的金属部分或通孔接触或引脚)，以便提供到其它电子设备的可连接性。
旨在填充有待分析气体的空间1402被布置在载体基板1210的与发射器模块1220、压敏模块1230和分析模块1440相对的相对侧。旨在由待分析气体填充的空间1402由包括气体入口1407(例如用于提供待分析气体)和气体出口1405(例如用于排出气体)的壳体1403封闭。以此方式，气流可以被引导通过旨在由待分析气体填充的空间1402。
备选地，例如，一个孔(入口和出口)可以是足够的(例如用于测量环境气体)，其可以是足够大的，以确保空间1402中的气体的合理交换。换言之，例如，空腔(填充有待分析气体的空间)可以通过将预形成的部分(例如壳体)附接到基板(载体基板)来形成，从而提供具有待测量气体的空间。旨在由待分析气体填充的空间1402可以被布置相对于发射器模块1220，使得发射器模块1220可以将光脉冲通过孔或窗口1422发射到旨在填充有待分析气体的空间1402中。
载体基板1210包括在压敏模块1230与在相对侧的旨在填充有待分析气体的空间1402之间、表示声信号端口的孔1406，使得在压敏模块1230的相对侧引起的声波可以通过孔1406到达压敏模块1230。
图14示出了用于具有光声气体传感器设备1400的部件的封装的示例。可以实现在这样的封装内的进一步的元件或模块。
图15示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1500的示意性截面。光声气体传感器设备1500的实施方式类似于图14中示出的实施方式。然而，压敏模块1230和发射器模块1220被实现在同一半导体裸片上，并且发射器模块1220包括三个发射器元件，它们发射具有不同频率范围和不同时序发生特性的不同光脉冲1222、1226、1322(例如类似于图14)。进一步地，封闭或覆盖发射器模块1220、压敏模块1230和分析模块1440的盖或帽1450封闭旨在填充有待分析气体的空间1402。进一步地，盖1450包括表示气体入口1407的第一孔和表示气体出口1405的第二孔。关于图14描述了更多的细节和方面。
例如，图15示出了具有窄带发射的不同红外源。例如，可以使用特殊频率斩波每个红外源，该特殊频率可以由一个麦克风明确辨别。可以由红外加热器(在膜上具有三个不同滤波器的热发射器)来实现发射器模块1220。例如，可以由在较低侧(相对于发射器模块和压敏模块)上具有用于电接触的焊盘的基于印刷电路板(PCB)的接地板来实现载体基板1210。可选地，可以校准加热空气的声效应。
图16示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1600的示意性截面。光声气体传感器设备1600的实施方式类似于图14中示出的实施方式。另外，光声气体传感器设备1600通过电接触1414(例如通过焊接)被装配到印刷电路板1610，并且第一软管(hose)1607被连接到气体入口1407以用于提供待分析的气体，并且第二软管1605被连接到气体出口1405以便排出气体。关于图14描述了更多的细节和方面。
图16示出了通过使用焊料互连的部件或传感器到印刷电路板(PCB)的装配的一个示例。备选地，还可以使用互连。可选地，软管可以被附接到空腔1402，以便引导气体从特定位置通过空腔1402。备选地，例如，部件(光声气体传感器设备)可以被倒置安装(顶部的气体入口和出口)。
发射器模块(例如IR发射器)的定向的进一步变化可以是可能的。以下附图示出了用于定位至少一个红外发射器(例如被画为由例如线键合芯片或球栅阵列芯片实现的完整部件)的更多的可能性和概念。例如，可以通过使用柔性基板或者柔性与刚性基板之间的组合来完成封装端子到IR发射器的互连。例如，IR光束的位置和方向会影响传感器信号(例如吸收诱导的压力脉冲)。
图17示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1700的示意性截面。光声气体传感器设备1700的实施方式类似于图14中示出的实施方式。然而，发射器模块1220被布置在载体基板1210的相对于压敏模块1230和分析模块1440的一侧。进一步地，发射器模块1220被布置在旨在填充有待分析气体的空间104内。关于图14说明了更多的细节和方面。
图18示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1800的示意性截面。光声气体传感器设备1800的实施方式类似于图14和图17中示出的实施方式。然而，载体基板1210偏离基本上平坦的几何结构，并且至少包括L形的几何结构(或者T形的几何结构)。发射器模块被布置在旨在填充有待分析气体的空间1402内的载体基板1210的L形几何结构的第一支腿1816(例如短的支腿)。进一步地，压敏模块1230和分析模块1440被布置在载体基板1210的L形的几何结构的第二支腿1818(例如长的支腿)。以此方式，发射器模块1220可以被布置成使得所发射的光脉冲1220沿旨在填充有待分析气体的空间1402的方向被直射。更多的细节和方面联系图14和图17描述了。
图19示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备1900的示意性截面。光声气体传感器设备1900的实施方式类似于图14、图17和图18中示出的实施方式。然而，载体基板1210包括至少U形的几何结构(例如在该示例中具有不等长的支腿和较长支腿的延伸的U形)。换言之，载体基板1210包括两个平行的部分(U形的支腿)，该两个平行的部分由被布置正交于两个平行部分的部分(U形的底部)连接。发射器模块1220被布置在载体基板1210的U形几何结构的第一支腿1916，并且压敏模块1230和分析模块1440被布置在载体基板1210的U形几何结构的第二支腿1918。发射器模块1220被定位在第一支腿1816的面向第二支腿1818的一侧上。压敏模块1230和分析模块1440被布置在第二支腿1818的相对于第一支腿1816的一侧上。第一支腿1816与第二支腿1818之间的间隙被用于旨在填充有待分析气体的空间1402。关于图14、图17和图18描述了更多的细节和方面。
基本上，还将有可能甚至不使用气体空腔或者封闭旨在填充有待分析气体的空间的壳体，这可以降低成本。然而，反射空腔壁或者壳体壁可以有助于创建良好的信号或者更高的信号幅度。
图20示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备2000的示意性截面。光声气体传感器设备2000的实施方式类似于图18中示出的实施方式。然而，移除了旨在填充有待分析气体的空间的壳体。换言之，如在图20中示出的那样，填充有待分析气体的空间是围绕发射器模块1220的开放的空间。关于图18描述了更多的细节和方面。
图21示出了根据一个实施例的光声气体传感器设备2100的示意性截面。光声气体传感器设备2100的实施方式类似于图14中示出的实施方式。相比于图14至图20中示出的示例，旨在填充有待分析气体的空间104被布置在载体基板的与发射器模块1220和压敏模块1230相同的侧上。例如，关于图12至图14描述了更多的细节和方面。
图21示出了具有顶部访问麦克风的版本或者具有顶部声端口的传感器的一个示例。例如，截面展示了类似于图14的版本，但是对应于由其它附图示出的实施例，其它(例如多个麦克风、多个参考空间、多个IR图像)是可能的。在图21中示出的实施方式中，可以由MEMS裸片(表示压敏模块的微机电系统裸片)的蚀刻空间给出背空间2104。例如，低的背空间会导致较低的信噪比，但是可以足够用于各种各样的应用。
一些示例涉及包括根据所描述的概念或者上面描述的一个或多个实施例的光声气体传感器设备的移动设备(例如蜂窝电话、智能电话、平板电脑或膝上型电脑)。
一些实施例涉及光声传感器系统或用于光声气体传感器的封装概念。可以在一个传感器模块中感测多种气体。例如，代替使用不同的传感器(均配备有IR源和麦克风)，系统可以共享红外(IR源)或麦克风，以最终具有较低的部件数。
例如，光声传感器原理可以应用于CO2感测。传感器可以包括斩波的热IR源和麦克风。例如，由于IR光的吸收，双极性分子生成具有可以被检测的斩波的频率的振动。例如，在一些配置中，参考单元可以被用作正过滤器(positive filter)。例如，所提出的概念的方面是具有减少的部件数的多个气体声学传感器模块的装配。
基于所描述的概念可以检测各种各样的气体或者气体的组分。例如，CO2(二氧化碳)可以被检测以便确定室内空气质量或空气质量，乙醇(蒸气)可以被检测以用于使得立法规定的醇控制能够进行，或者甲烷可以被检测以用于提高例如加热系统、室内烹饪或气体警报的安全性。例如，如果传感器模块小和便宜到足以被集成在手持式设备(例如智能电话)中，这样的传感器可以大量实现。
很好理解红外吸收用于辨别三个组分(CO2、乙醇和甲烷)。在三个组分(例如CO2的4.3μm，乙醇的3.6μm/9.6μm；甲烷的3.3μm/7.7μm)的情况下，3.6μm处的乙醇吸收和3.3μm处的甲烷吸收的紧密间距可以导致信号的串扰。因此，例如，可以实现具有4.3μm、7.7μm和9.7μm的混合红外源。
换言之，代替倍增气体传感器以用于多种气体检测，在IR辐射或斩波频率方面的附加选择性可以有助于降低系统的部件数。
例如，所提出的概念提供了容易制造的传感器实施方式，其包括至少部件硅麦克风(压敏模块)、IR发射器(发射器模块)、逻辑集成电路(分析模块，也称为ASIC)以及可选地进一步的模块。
根据所描述的概念的光声气体传感器设备可以包括麦克风、至少一个红外发射器以及至少一个ASIC(分析模块)。在图2或图14中示出一些示例。
麦克风芯片可以被装配使得声压脉冲(声波)照射膜并且背后的背侧空间使得能够形成对应声信号。这以及MEMS芯片与ASIC的组合可以例如模拟硅麦克风壳体的装配来完成。同样可以有效用于由帽装配件形成背侧空间。在半导体技术中使用的各种基板可以被用于载体基板(例如模拟印刷端口的有机基板、陶瓷基板或金属网格或引线框架)。
另外，集成了IR发射器，其被定向或被布置成使得所发射的光穿过带分析的气体空间。例如，在实施方式中，所发射的光没有照射背侧空间。否则，脉冲还将在那里生成，这可以导致声信号辨别或者信号的劣化。气体空间可以是由空腔封闭的限定空间，然而其使得能够与环境进行气体交换(例如通过简单的孔或者限定的气体入口和出口的开口)。整个系统可以包括外部连接(例如弯曲的支腿、引脚、平坦的可焊接区域或者焊接仓位)，其使得能够导电(例如到电路板)。一些方面涉及选择性的气体检测。
通过如表面安装设备(SMD)的实施方式，根据所描述的概念的光声气体传感器设备可以实现用于光声气体传感器的有成本效益的封装概念、红外发射器到硅麦克风封装或壳体中的集成和/或容易的装配(例如通过使用取放式放置机器)。
根据一个方面，光声气体传感器可以被实现为系统级封装(SIP)或表面安装设备。例如，系统级封装可以含有至少硅麦克风芯片、用于信号调节的ASIC以及红外发射器。
可选地，系统可以包括进一步的电部件(例如用于生成用于红外发射器的调制频率的电路装置)。
图22示出了根据实施例用于分析气体的方法2200的流程图。方法2200包括由布置在载体基板上的发射器模块发射2210光脉冲。所发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析气体的空间之后到达参考气体空间。进一步地，参考气体空间与旨在填充有待分析气体的空间分离。进一步地，方法2200包括由布置在载体基板上、参考气体空间内的压敏模块生成2220传感器信号。传感器信号指示关于通过所发射的光脉冲与参考气体空间内的参考气体相互作用引起的声波的信息。
由于发射器模块的放置使得由发射器模块提供的光脉冲在进入参考气体空间之前通过旨在填充有待分析气体的空间，仅光脉冲的未被吸收的部分到达参考气体空间并且引起声波。通过实现公共载体基板上的发射器模块和压敏模块结合压敏模块在参考气体空间内的放置，在高精度和低代价的情况下，可以关于由参考气体含有的一个或多个组分对气体进行分析。
方法2200可以包括对应于联系所描述的概念或者上面描述的一个或多个实施例提到的一个或多个方面的一个或多个附加行为。
图23示出了根据实施例的方法2300的流程图。方法2300包括由布置在载体基板上的发射器模块发射2310在第一频率范围内并且具有第一时序发生特性的第一光脉冲。进一步地，方法2300包括由发射器模块发射2320在第二频率范围内并且具有第二时序发生特性的第二光脉冲。另外，方法2300包括由布置在载体基板上的压敏模块生成2330传感器信号。传感器信号指示关于通过由发射器模块发射的第一光脉冲与待分析气体相互作用引起的第一声波以及通过由发射器模块发射的第二光脉冲与待分析气体相互作用引起的第二声波的信息。
通过实现能够发射第一频率范围内的光脉冲和第二频率范围内的光脉冲的发射器模块，不同的气体组分可以被激活或激发，以便引起声波。由于第一光脉冲和第二光脉冲的不同时序发生特性，由不同光脉冲引起的声波可以由压敏模块区分。通过在公共载体基板上实现发射器模块和压敏模块，在低代价的情况下，可以同时分析各种气体组分。
方法2300可以包括对应于联系所描述的概念或者上面描述的一个或多个实施例提到的一个或多个方面的一个或多个附加可选行为。
实施例可以进一步提供具有程序代码的计算机程序，以用于在计算机程序在计算机或处理器上被执行时，执行上面方法中的一个。本领域技术人员将容易地意识到，各种上述方法的步骤可以由编程的计算机来执行。本文中，一些实施例还旨在涵盖例如数字数据存储介质的程序存储设备，其是机器或者计算机可读的并且编码机可执行的或计算机可执行的指令程序，其中指令执行上述方法的行为的一些或全部。例如，程序存储设备可以是数字存储器、诸如磁盘和磁带之类的磁存储介质、硬盘驱动器或者光学可读数字数据存储介质。实施例还旨在涵盖被编程以执行上述方法的行为的计算机，或者被编程以执行上述方法的行为的(现场)可编程逻辑阵列((F)PLA)或(现场)可编程门阵列((F)PGA)。
描述和附图只是说明本发明的原理。因此应当理解的是，本领域技术人员将能够设计出各种布置，它们尽管在本文中没有被明确地描述或示出，但是体现了本发明的原理并且包含在其精神和范围内。此外，本文中所列举的所有示例主要专门旨在仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理以及由发明人(或多个发明人)贡献以推动本领域的概念，并且要被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。而且，本文中列举本发明的原理、方面和实施例的所有陈述及其具体示例旨在包含其等同物。
表示为“用于…的装置”的功能块(执行某些功能)应该被理解为包括被配置用于分别执行某些功能的电路装置的功能块。因此，“用于某事的装置”也可以被理解为“被配置用于或者适合于某事的装置”。因此，被配置用于执行某些功能的装置并不意味着这些装置必定(在给定的时刻)正在执行功能。
附图中示出的各种元件的、包含标记为“装置”、“用于提供传感器信号的装置”、“用于生成发送信号的装置”等的任何功能块的功能可以通过使用诸如“信号提供者”、“信号处理单元”、“处理器”、“控制器”等之类的专用硬件以及能够执行软件的硬件联合适当的软件来提供。而且，本文中描述为“装置”的任何实体可以对应于或者被实现为“一个或多个模块”、“一个或多个设备”、“一个或更多个单元”等。在由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或者由多个单独的处理器(其中的一些可以被共享)来提供。而且，明确使用术语“处理器”或“控制器”不应当被解释为专指由能力执行软件的硬件，并且可以隐含地包括(但不限于)数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及非易失性存储装置。还可以包含常规和/或定制的其它硬件。
应当由本领域技术人员理解的是，本文中的任何框图表示体现本发明原理的说明性电路装置的概念视图。类似地，将理解的是，任何流程表、流程图、状态转换图、伪代码等表示其可以被大致表示在计算机可读介质中并且所以由计算机或处理器执行的各种过程，无论这样的计算机或处理器是否被明确示出。
此外，以下权利要求以此方式被并入具体实施方式，其中每项权利要求可以独立作为单独的实施例。虽然每项权利要求可以独立作为单独的实施例，要注意的是—尽管在权利要求中从属权利要求可以涉及与一个或多个其它权利要求的特定组合—其它实施例还可以包含从属权利要求与每个其它从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。这样的组合在本文中被提出，除非声明不旨在特定组合。此外，还旨在包含权利要求到任何其它独立权利要求的特征，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。
进一步要注意的是，在说明书中或在权利要求书中所公开的方法可以由具有用于执行这些方法的每个相应行为的装置的设备来实现。
进一步地，要理解的是，在说明书或权利要求书中公开的多个行为或功能的公开内容不可以被解释为是在特定的顺序内。因此，多个行为或功能的公开内容将不限于特定的顺序，除非这些行为或功能出于技术原因不可互换。此外，在一些实施例中，单个行为可以包含多个子行为或者可以被分解成多个子行为。除非明确地排除在外，这些子行为可以被包含在该单个行为的公开内容中或者可以是该单个行为的公开内容的一部分。

Claims (20)

1.一种用于分析气体的光声气体传感器设备，其包括：
发射器模块，被布置在载体基板上并且被配置用于发射光脉冲；以及
压敏模块，被布置在所述载体基板上的参考气体空间内，其中所述参考气体空间与旨在填充有待分析气体的空间分离，其中所述压敏模块被配置用于生成指示关于通过由所述发射器模块发射的光脉冲与所述参考气体空间内的参考气体相互作用引起的声波的信息的传感器信号，
其中所述发射器模块被布置成使得由所述发射器模块发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析的所述气体的所述空间之后到达所述参考气体空间。
2.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，包括被配置用于基于所述传感器信号确定关于待分析的所述气体的信息的分析模块。
3.根据权利要求2所述的光声气体传感器设备，其中所述分析模块被布置在所述载体基板上，并且被实现在与包括所述压敏模块的半导体裸片不同的半导体裸片上。
4.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，其中所述压敏模块和所述发射器模块被实现在不同的半导体裸片上。
5.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，其中所述压敏模块包括至少被配置用于由所述声波移动的膜，所述声波通过由所述发射器模块发射的光脉冲与所述参考气体空间内的参考气体相互作用引起。
6.根据权利要求5所述的光声气体传感器设备，其中所述膜被布置成使得在分析气体期间所述参考气体空间内的参考气体围绕所述膜，其中所述发射器模块和所述压敏模块被布置成使得至少定位在所述膜的一侧的空间无法由所述发射器模块发射的光脉冲到达或者由所述发射器模块发射的所述光脉冲的小于1％能够到达定位在所述膜的所述一侧的所述空间。
7.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，其中所述发射器模块被布置成使得由所述发射器模块发射的光在仅穿过旨在填充有待分析的所述气体的所述空间之后到达所述参考气体空间。
8.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，包括与所述第一参考气体空间和旨在填充有待分析气体的所述空间分离的第二参考气体空间。
9.根据权利要求8所述的光声气体传感器设备，其中所述发射器模块被布置成使得由所述发射器模块发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析的所述气体的所述空间之后并且在穿过所述第一参考气体空间之后到达所述第二参考气体空间。
10.根据权利要求8所述的光声气体传感器设备，包括被布置在所述载体基板上的所述第二参考气体空间内的第二压敏模块。
11.根据权利要求8所述的光声气体传感器设备，包括被布置在所述载体基板上并且被配置用于发射光脉冲的第二发射器模块，其中所述第二发射器模块被布置成使得由所述第二发射器模块发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析的所述气体的所述空间之后到达所述第二参考气体空间。
12.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，其中所述发射器模块被配置用于发射红外光脉冲。
13.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，其中所述载体基板包括基本上平坦的几何结构或者包括至少具有包括U形几何结构或L形几何结构的截面的部分。
14.根据权利要求13所述的光声气体传感器设备，其中所述发射器模块和所述压敏模块被布置在包括所述载体基板的基本上平坦的几何结构的相同侧或相对侧上。
15.根据权利要求13所述的光声气体传感器设备，其中所述发射器模块被布置在所述载体基板的所述L形几何结构或U形几何结构的第一支腿处，并且所述压敏模块被布置在所述载体基板的所述L形几何结构或U形几何结构的第二支腿处。
16.根据权利要求13所述的光声气体传感器设备，其中所述发射器模块被布置在旨在填充有待分析的所述气体的所述空间内。
17.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，其中所述发射器模块被配置用于发射在第一频率范围内并且具有第一时序发生特性的第一光脉冲以及在第二频率范围内并且具有第二时序发生特性的第二光脉冲，其中所述压敏模块被配置用于生成指示关于通过由所述发射器模块发射的所述第一光脉冲与参考气体相互作用引起的第一声波以及通过由所述发射器模块发射的所述第二光脉冲与参考气体相互作用引起的第二声波的信息的所述传感器信号。
18.一种用于分析气体的光声气体传感器设备，包括：
发射器模块，被布置在载体基板上并且被配置用于发射在第一频率范围内并且具有第一时序发生特性的第一光脉冲以及在第二频率范围内并且具有第二时序发生特性的第二光脉冲；以及
压敏模块，被布置在所述载体基板上，其中所述压敏模块被配置用于生成指示关于通过由所述发射器模块发射的所述第一光脉冲与待分析气体相互作用引起的第一声波以及通过由所述发射器模块发射的所述第二光脉冲与待分析气体相互作用引起的第二声波的信息的传感器信号。
19.根据权利要求18所述的光声气体传感器设备，其中所述发射器模块被配置用于发射具有表示所述第一时序发生特性的小于20ms的时间距离的所述第一光脉冲以及具有表示所述第二时序发生特性的大于20ms的时间距离的所述第二光脉冲。
20.一种用于分析气体的方法，其包括：
由布置在载体基板上的发射器模块发射光脉冲，其中所述发射的光脉冲在穿过旨在填充有待分析的所述气体的空间之后到达参考气体空间，其中所述参考气体空间与旨在填充有待分析的所述气体的所述空间分离；以及
由布置在所述载体基板上的所述参考气体空间内的压敏模块生成传感器信号，其中所述传感器信号指示关于通过所述发射的光脉冲与所述参考气体空间内的参考气体相互作用引起的声波的信息。
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