CN111788464A - 具有高接受角以用于气体检测的小形状因数光谱选择性吸收体 - Google Patents

具有高接受角以用于气体检测的小形状因数光谱选择性吸收体 Download PDF

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Abstract

各实施方案整体涉及使用平面高菜单元的电磁辐射检测器装置、系统和方法。一种用于气体检测的方法可包括：提供密封在气体检测器的腔中的气体；将来自光源的辐射功率引导穿过一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器的单元主体朝向所述气体检测器的所述腔和波长选择性吸收体，其中所述一种或多种目标气体定位在所述光源和所述腔之间；利用所述波长选择性吸收体来设置波长敏感度，其中所述波长敏感度与入射角(α)无关；由所述波长选择性吸收体且由所述一种或多种目标气体吸收所述辐射功率；由压力感测元件检测因所述辐射功率的吸收而引起的压力变化；以及基于所检测到的压力变化来确定所述一种或多种目标气体。

Description

具有高接受角以用于气体检测的小形状因数光谱选择性吸 收体
相关申请的交叉引用
不适用。
关于联邦赞助研究或开发的声明
不适用。
缩微平片附件的引用
不适用。
背景技术
高菜单元是一种类型的电磁辐射检测器，其由包含吸光材料和柔性隔膜或膜的封装件组成。其通过将所吸收的光学辐射转换成热从而引起吸收材料膨胀进而导致随后可检测到的压力上升来起作用。已经由膜吸收体实现从辐射到热的转换，一般而言，该膜吸收体不是波长特定的。
当使用高菜单元作为例如非色散红外(NDIR)气体检测中的检测器时，高菜单元与目标气体具有高光谱相关性是有价值的。一种方法是用具有与目标气体相同或相似吸收光谱的IR吸收性气体来填充单元。
然而，与膜吸收体相比，气体吸收体具有小得多的分子密度，因此需要厚得多的气体层以实现足够的吸收。此外，当实现相同水平的吸收时，气体层将具有比固体膜更大的热容量，因此具有更低的温度上升和敏感度。
在许多应用中，还期望检测器具有平面的或小的总体形状因数，当气体吸收体需要长的光学路径长度时，这是难以实现的。另选地，尽管具有外部滤片的膜吸收体将提供光谱选择性，但其往往是昂贵的并且滤片通常对入射光的角度敏感。
发明内容
在一个实施方案中，一种使用平面高菜单元的电磁辐射检测装置可包括：在其中形成腔的单元主体，其中所述腔包含波长选择性吸收体，所述波长选择性吸收体具有预定吸收光谱范围并且被配置成吸收辐射而与入射角无关，并且所述腔填充有气体；以及压力感测元件，所述压力感测元件流体地连接到所述腔以测量所述腔内的压力变化。
在一个实施方案中，一种用于使用高菜单元的方法可包括：将来自光源的辐射功率引导穿过所述电磁辐射检测装置的单元主体的至少一部分朝向所述气体腔和所述波长选择性吸收体，所述波长选择性吸收体被配置成吸收辐射而与入射角无关，其中所述辐射功率的所述光学路径在到达所述波长选择性吸收体之前穿过一种或多种目标气体；由所述波长选择性吸收体或所述气体腔内的气体吸收所述辐射功率的至少一部分；由压力感测元件检测因所述辐射功率的吸收而引起的压力变化；以及基于所检测到的压力变化来确定所述一种或多种目标气体的种类并定量所述一种或多种目标气体。
在一个实施方案中，一种使用平面高菜单元的电磁辐射检测装置可包括：在其中形成腔的单元主体，其中所述腔包含波长选择性吸收体，所述波长选择性吸收体具有预定吸收光谱范围并且被配置成吸收辐射而与入射角无关，并且所述腔填充有具有特定热特性和热导率特性的气体，并且其中所述单元主体的至少一部分透射至少所述预定吸收光谱范围；以及压力感测元件，所述压力感测元件流体地连接到所述腔以测量所述腔内的压力变化。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在结合附图和具体实施方式参考以下简要描述，其中类似的附图标号表示类似的部分。
图1A示出了根据本公开的一个或多个实施方案的电磁辐射检测装置。
图1B示出了根据本公开的一个或多个实施方案的堆叠电磁辐射检测装置。应当指出的是，该示例性视图是放大入射角以便示出细节的分解图。实际上，该堆叠将显著薄于(在高度上)所示的堆叠。
图2示出了根据本公开的一个或多个实施方案的另一个电磁辐射检测装置。
图3示出了根据本公开的各实施方案的环形反射器的前视图。
图4A和图4B示出了根据本公开的各实施方案的与包括印刷电路板的电子部件组装在一起的环形反射器。
具体实施方式
首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的技术(无论是当前已知的还是尚不存在的技术)来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。
以下简短术语定义应适用于整个申请文件：
术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；
短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的不止一个实施方案中(重要的是，此类短语不一定是指相同的实施方案)；
如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；
术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；以及
如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。此类部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。
典型的非色散红外(“NDIR”)检测器使用用于从红外(“IR”)检测器滤去不需要的波长的方法。在一些实施方案中，窄带干涉滤片用于限定一个或多个感兴趣的波长范围。通常，光学滤片的最佳性能为当光穿过滤片时处于接近法向入射。这在光入射到检测器/检测装置上的光学系统中并不总是可能的，并且对于小型光学传感器而言尤其是个问题。以相对于法线增大的入射角入射到检测器上的光将导致滤片光谱(带通)偏移到较短的波长。依据所使用的光源，p偏振性能和s偏振性能也可能受入射平面的影响。此外，窄带通滤片可以随着温度的变化而改变波长和吸收率，这可能是显著的。带通滤片及其温度系数均在法向入射下定义。除了加宽性能之外，高入射角还引入了不容易补偿的较高可变性的元件。使用窄带薄膜干涉滤片对光学系统提出了额外的要求。
本公开突显了对入射角不敏感的附加优点。当在平面高菜单元中使用固体吸收体时，光线赋予波长特定性，而不需要也允许透射，因此只要射线击中吸收体，所有射线都有助于信号，而与入射角无关。本公开的系统、方法和装置可放宽光学设计，尤其是当检测器处存在高入射角时。使用带通滤片可通过使接受角受限来对光学系统的通量施加限制。对于通常可具有20度锥角极限的二向色滤片(薄膜)而言就是这种情况。该极限对光学系统施加约束，诸如需要增加光学系统的总长度以实现给定通量，或者需要低角度发射源。在许多设计(尤其是小型设计)中，希望从准直性差/效率低的光源捕集尽可能多的光往往会产生这些高角度，这会加剧潜在的问题。通过利用对通量没有角度限制的基于吸收的带通滤片，可以高通量实现小得多的传感器。
本公开的各实施方案包括使用平面高菜单元的电磁辐射装置、系统和方法。本公开描述了一种光谱选择性膜吸收体(例如，波长选择性吸收体)，在一些实施方案中，该光谱选择性膜吸收体将使得能够构造具有特定光谱特性并且形状因数极小的平面高菜单元。
本公开的各实施方案可能有利的一个领域是NDIR气体检测，其中平面高菜单元可用作检测器。用于此类应用的各实施方案提供平面的优点，这可允许多个单元堆叠在一起，并且可使得它们能够用于紧凑设计。另外，光谱选择性允许特定于预期分析物气体的实施方案。这可允许专门的应用以及利用例如减少来自环境气体(诸如二氧化碳(CO2))或水的干扰而更准确地检测气体的能力。
一种装置包括在其中形成腔的单元主体。该腔可包含波长选择性吸收体(或膜波长选择性吸收体)，所述波长选择性吸收体具有预定吸收光谱范围并且被配置成吸收辐射而与入射角无关，并且该腔可填充有具有特定热特性和热导率特性的气体。该单元主体可透射至少预定吸收光谱范围，并且压力感测元件可流体地连接到腔以测量腔内的压力变化。
例如，在一些实施方案中，对碳氢化合物吸收所对应的波长敏感的平面高菜单元示于附图中。所述单元可具有悬浮的薄膜聚合物吸收体，其可方便地由例如聚乙烯、聚丙烯或具有特定的所需吸收光谱的其他聚合物材料的箔制成。该单元可填充有低比热且低热导率的气体，诸如例如氩气、氪气或氙气。
在一些实施方案中，气体的总体积可保持相对较小。例如，聚合物膜和单元主体之间的间距可介于约0.05mm和约0.2mm之间。
膜厚度可与光吸收长度相当或小于光吸收长度。例如，合适的厚度可介于约5微米和约15微米之间。当入射光被膜吸收时，膜可被加热到高于环境温度的温度。这样，封闭的气体将随后被加热到与膜的温度几乎相同的温度。然后可通过流体地连接到该单元的麦克风来检测受热气体的压力上升。然后所得的麦克风所测量的响应可用于确定光路径中气体的浓度。
更具体地，入射光可以预定频率调制，以在腔内产生所得的调制压力上升和下降。然后可在预定调制频率下检测所得的压力信号，并且所得的调制信号的幅值可用于确定光源和单元之间的光吸收的各种特性。一般而言，降低的信号将趋于指示光源和单元之间的在由膜吸收的特定波长下吸收的气体的浓度增大，其中气体中的吸收减少到达膜的光的量并因此减少输出响应。
现在参考图1A，示出了电磁辐射检测装置100。在图1A的实施方案中，波长选择性吸收体101通过隔片104保持就位。在单元主体114的端部上，隔片104还包括至少一个压力感测孔108，所述至少一个压力感测孔与腔112流体连通，使得压力感测元件102(例如，压力传感器)可经由压力感测孔108来感测腔112内的压力变化。
在本公开的各实施方案中，单元主体114的至少一部分透射电磁辐射。例如，单元主体114可对不在特定波长范围内(诸如指示特定目标气体的存在的那些波长)的所有光均是不透明的。应当指出的是，本公开的各实施方案不限于气体检测，并且可用于检测可使用此类装置辨别的其他项目。
一些实施方案可用于辨别特定气体，并且因此电磁辐射检测装置100可对预定吸收光谱范围敏感，该预定吸收光谱范围包括作为感测目标的一种或多种气体的光谱范围。因此，在一些实施方案中，单元主体114的至少一部分可透射仅该预定吸收光谱范围或者可透射至少该预定吸收光谱范围。
在一些实施方案中，单元主体114可包括改变穿过单元主体114的光的特性的光学特性。例如，单元主体114可具有设计到单元主体114中的漫射或准直特性。在一些实施方案中，单元主体114也可以是透镜或波导。
这些光学特性可基于形成单元主体114的内部、形成和/或制备(例如，抛光)单元主体114的一侧或多侧、以及/或者通过使用在一侧或多侧上施加到单元主体114的涂层来实现。单元主体114还可涂覆有光学膜以增强或阻止某些波长的光的透射。这在一些实施方案中可有利于分离或聚焦某些波长以用于改善检测的目的。例如，可分离或增强的某些波长对于碳氢化合物可为3.3和/或3.4微米，对于CO2可为4.3微米，或者对于氨可为9微米等等。
在本公开的各实施方案中，腔112可为不允许与周围环境相互作用的闭合单元。因此，可选择腔112内的气体120以增强对存在的特定气体或特定气体集合的敏感度。
在一些实施方案中，腔112被密封，使得腔112一旦被密封，环境(或任何其他)气体就不能进入该腔。腔112也可被密封，使得腔112一旦被密封，气体就不能从该腔中渗漏出来。在一些此类实施方案中，压力感测元件102和/或单元主体114可附接，使得腔112气密地密封。此类实施方案允许形成气体填充腔112，该气体填充腔流体地连接到压力感测孔108(例如，麦克风入口端口)但与环境条件隔绝。
在一些实施方案中，腔112内的气体120可以是已知的，并且电磁辐射检测装置100可被配置成确定定位在单独气体室内的气体的种类和量，其中光源130可被引导穿过单独气体室。在一些实施方案中，被测量的气体可存在于光源130和腔112之间的任何点处，其中可约束或不约束于特定室。在一些实施方案中，被测量的气体可处于光源130和腔112之间的开放/环境空气内。
如图1A所示，平面高莱装置的腔112可具有被波长选择性吸收体101隔开的两侧112-1和112-2。在此类实施方案中，电磁辐射检测装置100还可设有通孔103，以允许腔112的被波长选择性吸收体101隔开的两侧112-1和112-2之间的流体连接。
在图1A的实施方案中，可在单元主体114(例如，隔片104)中形成通孔103以允许流体(例如，腔112内的气体120)在腔112的两侧112-1和112-2之间移动。这样，除了其他益处之外，两侧112-1和112-2之间的压力可平衡。当辐射功率116(例如，来自光源130的光)穿过单元主体114进入腔112并被气体120和/或波长选择性吸收体101表面吸收时，可产生少量的热。该热引起可被压力感测元件102感测的压力上升。应当指出的是，辐射功率116可以任何入射角α接触波长选择性吸收体101，如图1A、图1B和图2所示。接触波长选择性吸收体101的辐射功率116的所有射线都有助于产生压力信号而与入射角α无关。波长敏感度可利用波长选择性吸收体101来设置。
可基于参数诸如比热、热导率、渗透性、三相点和/或化学稳定性以及可基于电磁辐射检测装置100的操作条件使用的其他参数，选择腔112中的气体120以优化检测器装置100的敏感度和/或温度范围。气体120可例如为氮气、氢气、氩气、氪气、氙气、碳氢化合物、碳氟化合物、或上述气体的混合物，以及其他合适的气体类型。在各种实施方案中，气体120的压力可小于或大于环境压力。例如，在一些实施方案中，气体120压力可在0.1巴至10巴的范围内。
电磁辐射检测装置100的优点是麦克风(或压力感测元件)102与周围环境分离，从而消除由于环境变量诸如声学噪声、压力、密度、水分、化学物质以及电磁辐射检测装置100附近周围环境中的颗粒而引起的干扰和不稳定性。这可通过围绕压力感测孔108密封压力感测元件102来实现。另外，这可通过围绕压力感测元件102定位的顶盖106来实现。
现在参考图1B，在一些应用中，可(例如，在同一基底上，诸如印刷电路板(PCB))存在若干个电磁辐射检测器装置100，每个装置在其相应的腔112中具有不同的气体120，并且它们可被插入到更大的系统中以实现气体检测。另外，在一些实施方案中，单个电磁辐射检测装置100(例如，图1A的结构或类似结构)可用于系统中，并且该电磁辐射检测装置100可被移除并替换为可感测一种或多种其他气体的另一个装置。在其他实施方案中，多个电磁辐射检测器装置100可同时用于系统150中以感测多种气体或者可在腔112中具有相同气体120并且可提供冗余，这可为有益的，因为其将提供增加的校正气体检测的确定性。在一些实施方案中，装置100中的至少一个装置可用作参考。在一些实施方案中，单个光源130可用于将辐射或光引导穿过多个电磁辐射检测器装置100，其中每个单元主体114可对一定范围的波长透明。在一些实施方案中，电磁辐射检测器装置100可以特定顺序放置，使得被波长选择性吸收体101滤去的波长可以特定顺序被吸收。电磁辐射检测器装置100中的每个可如图1A所述起作用。
图2示出了根据本公开的一个或多个实施方案的另一个电磁辐射检测器装置200。类似于图1A的实施方案，在图2所示的实施方案中，电磁辐射检测器装置200包括具有形成于其中的腔212的单元主体214，该单元主体具有波长选择性吸收体201和压力感测元件202(例如，麦克风)，该压力感测元件具有与腔212流体连通的压力感测孔208。
在一个实施方案中，单元主体214具有前部213和后部215，其中压力感测元件202定位在单元主体215的后部上，该后部还包括与腔212流体连通的压力感测孔208，使得压力感测元件202可经由压力感测孔208感测腔212内的压力变化。尽管不是必需的，但波长选择性吸收体201也被示出为沿着单元主体214的中心伸长轴线对准。在图2的实施方案中，波长选择性吸收体201也通过隔片204保持就位。
在一些实施方案中，腔212内的气体220可以是已知的，并且电磁辐射检测器装置200可被配置成确定定位在单独气体室内的气体的特性和/或种类，其中光源230可被引导穿过单独气体室。在一些实施方案中，被测量的气体可存在于光源230和腔212之间的任何点处，其中可约束或不约束于特定室。在一些实施方案中，被测量的气体可处于光源230和腔212之间的开放/环境空气内。
当辐射功率216(例如，来自光源230的光)穿过单元主体214进入腔212并被气体220和/或波长选择性吸收体201表面吸收时，可产生少量的热。与图1A的实施方案一样，该热引起可经由压力感测孔208被压力感测元件202感测的压力上升。如上文关于图1A所讨论的，图2的实施方案还包括一个或多个通孔203，以允许被波长选择性吸收体201隔开的腔的两侧212-1和212-2之间的流体连接。在图2的实施方案中，可在波长选择性吸收体201(和反射元件217)中形成通孔203以允许流体(例如，腔212内的气体220)在腔212的两侧212-1和212-2之间移动。这样，除了其他益处之外，两侧212-1和212-2之间的压力可平衡。在一些实施方案中，该功能可通过其他方法提供。例如，波长选择性吸收体201可为透气的，或者微通道可设在波长选择性吸收体201或单元主体214中。
本文所公开的各实施方案可与光源230耦接。例如，合适的光源230可以是一个或多个灯丝灯泡、微电子机械系统(MEMS)加热板、发光二极管(LED)和/或激光器。此类部件均可潜在有利地与本文所述的检测器实施方案搭配以提供具有良好性能的气体传感器。
在图2的实施方案中，也提供反射元件217(例如反射器)，该反射元件定位在波长选择性吸收体201的后侧上。在一些实施方案中，反射元件217可在波长选择性吸收体201的后表面附近，但不需要与其相邻或连接。另外，反射元件217可定位在波长选择性吸收体201的至少一侧上。这可为有益的，例如，因为反射可能仅为冲击在反射元件217上的光的部分反射并且/或者可将其应用于波长选择性吸收体201的多侧以增强腔内光的一些特性。
在所有应用中，反射元件217不需要反射可见光，而是可反射将相对于检测腔212内特定一种或多种气体而使用的一种或多种波长。反射元件217可有益于例如减少可经由单元主体214的前表面213冲击在压力感测孔208上的环境噪声(例如，可听噪声、热噪声(即，加热部件)、寄生噪声)。就噪声而言，压力感测元件202仅响应于由气体的变化传达的变化。用于控制吸收光的位置的主要机构是波长选择性吸收体201而非其他部件，诸如例如侧壁、窗、感测装置等。应当指出的是，图2是电磁辐射检测器装置的示例性配置，而不是唯一合适的配置。关于图2所示的配置，反射元件217的放置阻止光穿过流体连接(例如，压力感测孔208)进入麦克风(例如，压力感测元件202)，这可产生与吸收体(例如，波长选择性吸收体201)无关的“背景”信号。为了对特定气体敏感，可添加光学带通滤片作为光学路径中的附加部件或者单元主体214的内表面(更靠近压力感测元件202)或外表面(或前表面213)上的涂层。在一些情况下，即使腔212在其中具有特定气体220，仍可能需要滤去可具有与腔212中特定气体220类似特性的环境元素。
在此类情况下，可将一个或多个滤片诸如薄膜、施加的涂层、与单元主体物理隔开的滤片、或其他类型的滤片置于来自光源的辐射功率216的光学路径中以滤除环境噪声，诸如例如可听噪声、热噪声(即，加热部件)和寄生噪声(光学路径中目标气体可能出错的特性)。此类实施方式也可在腔212内具有多种气体220的应用中完成。可被滤去的环境元素的示例可例如包括CO2、水蒸气或冷凝水等等。用于净化气体分析的滤片的类型可包括机械滤片，诸如例如粉尘或其他类型颗粒滤片，以及针对干涉作用的光学滤片(例如，吸收滤片、干涉滤片、二向色滤片、带通滤片或吸热滤片)。
在一个实施方案中，光源230可在红外区域中发射窄或宽带电磁辐射。在一个实施方案中，光源230可包括白炽灯、黑体辐射源、或红外光谱中电磁辐射的另一个发射器。在一些实施方案中，光源230可以是发光二极管(LED)、LED阵列、激光器、激光二极管等。在一个实施方案中，光源230可产生处于红外范围内的宽带辐射。
可调制来自光源230的辐射216以在气体腔212中提供声学响应。可使用各种类型的调制器。在一个实施方案中，可调制光源230，并且/或者可在光源230产生辐射216之后以机械的方式或电的方式调制该辐射。例如，控制器可控制到达光源230的功率信号以产生调制的辐射输出。也可在光源230产生辐射216之后调制该辐射，这包括使用调制机构，诸如机械斩波器(例如，具有穿过其中的通道的旋转盘、旋转镜等)、干涉光栅或滤片、干涉仪等。在一些实施方案中，光学调制器也可用于调制来自光源230的辐射216，包括但不限于声光调制、电光调制、磁光调制等。
辐射216可以允许检测声学信号的频率进行调制，并且在选择调制率时可以考虑声学传感器的检测极限以及任何背景噪声。辐射216可以至少约1Hz或至少约10Hz的频率调制，但在一些实施方案中，辐射216可以较低频率调制。在一些实施方案中，辐射103可以较高频率调制，以便降低光声传感器100对声学背景噪声的敏感度。在一个实施方案中，辐射216可以介于3Hz和10,000Hz之间的频率调制。
该配置的电磁辐射检测器装置200可以极低功率操作，因为平面高菜单元能够检测到极低水平的辐射功率216，因此光源230可以相应的低水平通电。
图3示出了环形反射器300的前视图。示出了环形反射器300，包括发射器302和电磁辐射检测装置100，其中来自发射器302的辐射功率304从环形反射器300的弯曲壁306朝向电磁辐射检测装置100反射。图3示出了由于辐射功率304的传播，辐射功率304如何在电磁辐射检测装置100处生成多于一个聚焦点。环形反射器300的外径可在约10mm至约20mm的范围内(例如，16mm)。应当指出的是，可以在环形反射器300内利用其他电磁辐射检测器装置，诸如例如电磁辐射检测器装置200，来代替电磁辐射检测装置100。辐射功率304的所有射线都有助于信号，只要辐射功率304的每个射线都击中/接触电磁辐射检测器装置100的波长选择性吸收体101(如图1A和图1B所示)，而与入射角α无关。
图4A-4B示出了与电子部件(包括印刷电路板(“PCB”)308)组装在一起的环形反射器300。发射器302和电磁辐射检测装置100可附接到一个或多个连接器310和312，所述连接器被配置成允许发射器302、电磁辐射检测装置100和PCB 308之间的通信。
本公开的各实施方案可被构造为微型高莱检测器装置，其中压力感测元件的最宽侧的宽度(即，压力感测元件的最大尺寸)可为大约2-5mm。对于此类实施方案，这些装置可用于小型和/或便携式应用，并且当与宽度尺寸幅值为10-20mm的装置相比时，此类装置可具有低功率消耗。微型高莱装置的另一个益处是污染物进入装置的能力降低，以及环境噪声降低。
本公开的各实施方案可用于广泛范围的基于光学的气体检测，包括检测易燃气体、有毒气体和其他环境相关的气体诸如CO2和制冷剂。例如，除了其他实施方式之外，平面高菜单元检测器装置可用作从深UV到太赫兹频率的电磁辐射的独立检测器。
本公开的一些实施方案可包括用于组装和/或使用电磁辐射检测器装置(如上所述)的方法。这些方法可包括组装如图1A-2所述的检测器装置的元件。另外，可允许气体进入装置的腔。然后，可将腔密封，使得气体不能进入或离开腔。可将光源引导在装置处，其中该光源可穿过单元主体的至少一部分。气体和/或波长选择性吸收体可吸收来自光源的辐射的至少一部分，并且因吸收而可产生热。所产生的热可引起压力变化，该压力变化可被与装置的腔流体连通的压力感测元件检测。所检测到的压力变化可与被气体吸收的辐射的量有关，并且可确定气体的种类。即，可基于所检测到的压力变化来确定被气体吸收的辐射的量和气体的种类。
在另一个实施方案中，可将光源引导穿过与上述腔隔开的另一个气体室，其中目标气体可定位在该气体室中。
在第一实施方案中，一种使用平面高菜单元的电磁辐射检测器装置可包括：在其中形成腔的单元主体，其中所述腔包含波长选择性吸收体，所述波长选择性吸收体具有预定吸收光谱范围并且被配置成吸收辐射而与入射角无关，并且所述腔填充有气体；以及压力感测元件，所述压力感测元件流体地连接到所述腔以测量所述腔内的压力变化。
第二实施方案可包括根据第一实施方案所述的装置，其中所述压力感测元件为麦克风。
第三实施方案可包括根据第一实施方案或第二实施方案所述的装置，其中所述单元主体对不在特定波长范围内的所有光均是不透明的。
第四实施方案可包括根据第一实施方案至第三实施方案中任一个所述的装置，其中所述腔被密封，使得所述腔一旦被密封，环境气体就不能进入该腔。
第五实施方案可包括根据第一实施方案至第四实施方案中任一个所述的装置，其中所述腔填充有具有低比热特性的气体。
第六实施方案可包括根据第一实施方案至第五实施方案中任一个所述的装置，其中所述腔填充有具有低热导率特性的气体。
第七实施方案可包括根据第一实施方案至第六实施方案中任一个所述的装置，其中所述压力感测元件和单元主体结合在一起并且气密地密封隔离周围环境。
第八实施方案可包括根据第一实施方案至第七实施方案中任一个所述的传感器，其中所述波长选择性吸收体为聚乙烯材料。
第九实施方案可包括根据第一实施方案至第八实施方案中任一个所述的装置，其中所述波长选择性吸收体为聚丙烯材料。
第十实施方案可包括根据第一实施方案至第九实施方案中任一个所述的装置，其中所述装置还包括在所述波长选择性吸收体的至少一侧上的反射元件。
第十一实施方案可包括根据第一实施方案至第十实施方案中任一个所述的装置，其中所述压力感测元件定位在所述单元主体的后侧上。
第十二实施方案可包括根据第一实施方案至第十一实施方案中任一个所述的装置，其中所述装置包括穿过所述单元主体的后侧的孔，所述孔在所述压力感测元件和所述腔之间提供流体连通。
第十三实施方案可包括根据第一实施方案至第十二实施方案中任一个所述的装置，其中所述腔具有两侧，并且其中所述波长选择性吸收体或单元主体中的至少一个包括一个或多个通孔以允许所述腔的两侧之间的流体连接。
第十四实施方案可包括根据第一实施方案至第十三实施方案中任一个所述的装置，其中所述波长选择性吸收体被拉紧并支撑在所述单元主体内。
第十五实施方案可包括根据第一实施方案至第十四实施方案中任一个所述的装置，所述装置还包括多个平面高菜单元，其中所述多个高菜单元的所述单元主体抵靠彼此堆叠，其中所述高菜单元的所述压力感测元件与所述单元主体的所述堆叠侧相邻定位，并且其中来自单个光源的辐射被引导穿过所述多个高菜单元。
在第十六实施方案中，一种用于使用高菜单元的方法可包括：将来自光源的辐射功率引导穿过所述检测器的单元主体的至少一部分朝向所述气体腔和所述波长选择性吸收体，所述波长选择性吸收体被配置成吸收辐射而与入射角无关，其中所述辐射功率的所述光学路径在到达所述波长选择性吸收体之前穿过一种或多种目标气体；由所述波长选择性吸收体或所述气体腔内的气体吸收所述辐射功率的至少一部分；由压力感测元件检测因所述辐射功率的吸收而引起的压力变化；以及基于所检测到的压力变化来确定所述一种或多种目标气体的种类。
第十七实施方案可包括根据第十六实施方案所述的方法，还包括还包括在检测器的气体腔内添加波长选择性吸收体；允许一种或多种气体进入所述检测器的所述气体腔；以及将所述气体腔和所述压力感测元件气密地密封隔离周围环境。
第十八实施方案可包括根据第十七实施方案所述的方法，还包括将反射元件组装在所述波长选择性吸收体的至少一个表面上。
第十九实施方案可包括根据第十二实施方案至第十八实施方案中任一个所述的方法，还包括将所述压力感测元件与印刷电路板(PCB)组装在一起。
在第二十实施方案中，一种使用平面高菜单元的电磁辐射检测器装置可包括：在其中形成腔的单元主体，其中所述腔包含波长选择性吸收体，所述波长选择性吸收体具有预定吸收光谱范围并且被配置成吸收辐射而与入射角无关，并且所述腔填充有具有特定热特性和热导率特性的气体，并且其中所述单元主体的至少一部分透射至少所述预定吸收光谱范围；以及压力感测元件，所述压力感测元件流体地连接到所述腔以测量所述腔内的压力变化。
在第二十一实施方案中，一种用于气体检测的方法包括：提供密封在气体检测器的腔中的气体；将来自光源的辐射功率引导穿过一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器的单元主体朝向所述气体检测器的所述腔和波长选择性吸收体，其中所述一种或多种目标气体定位在所述光源和所述腔之间；利用所述波长选择性吸收体(101)来设置波长敏感度，其中所述波长敏感度与入射角(α)无关；由所述波长选择性吸收体且由所述一种或多种目标气体吸收所述辐射功率；由压力感测元件检测因所述辐射功率的吸收而引起的压力变化；以及基于所检测到的压力变化来确定所述一种或多种目标气体。
第二十二实施方案可包括根据第二十一实施方案所述的方法，还包括基于所检测到的压力变化来确定被所述一种或多种目标气体吸收的辐射的量。
第二十三实施方案可包括根据第二十一实施方案或第二十二实施方案所述的方法，还包括由于吸收而产生热。
第二十四实施方案可包括根据第二十一实施方案至第二十三实施方案中任一个所述的方法，还包括利用颗粒滤片或光学滤片从所述辐射功率的光学路径滤去CO2、水蒸气或冷凝水。
第二十五实施方案可包括根据第二十一实施方案至第二十四实施方案中任一个所述的方法，还包括以光学的方式、电的方式或机械的方式调制所述辐射功率。
第二十六实施方案可包括根据第二十一实施方案至第二十五实施方案中任一个所述的方法，还包括以至少约1Hz的频率调制所述辐射功率(116)。
第二十七实施方案可包括根据第二十一实施方案至第二十六实施方案中任一个所述的方法，还包括利用反射器或折射元件使所述辐射功率反射或折射穿过所述一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器的所述单元主体朝向所述气体检测器的所述腔和所述波长选择性吸收体。
在第二十八实施方案中，一种用于气体检测的方法包括：提供密封在气体检测器的腔中的气体；将来自光源的辐射功率引导穿过一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器的单元主体朝向所述气体检测器的所述腔和波长选择性吸收体，其中所述一种或多种目标气体定位在所述光源和所述腔之间；利用反射器使所述辐射功率反射穿过所述一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器的所述单元主体朝向所述气体检测器的所述腔和所述波长选择性吸收体；利用所述波长选择性吸收体来设置波长敏感度，其中所述波长敏感度与入射角(α)无关；由所述波长选择性吸收体且由所述一种或多种目标气体吸收所述辐射功率；由压力感测元件检测因所述辐射功率的吸收而引起的压力变化；以及基于所检测到的压力变化来确定所述一种或多种目标气体。
第二十九实施方案可包括根据第二十八实施方案所述的方法，还包括在所述压力感测元件和所述腔之间提供流体连通。
第三十实施方案可包括根据第二十八实施方案或第二十九实施方案所述的方法，所述方法还包括经由通孔允许所述腔的两侧之间的流体连接。
第三十一实施方案可包括根据第二十八实施方案至第三十实施方案中任一个所述的方法，还包括基于所检测到的压力变化来确定被所述一种或多种目标气体吸收的辐射的量。
第三十二实施方案可包括根据第二十八实施方案至第三十一实施方案中任一个所述的方法，还包括以介于3Hz和10,000Hz之间的频率调制所述辐射功率(116)。
第三十三实施方案可包括根据第二十八实施方案至第三十二实施方案中任一个所述的方法，其中所述提供密封在腔(112)中的气体包括提供氮气、氢气、氩气、氪气、氙气、碳氢化合物、碳氟化合物、或它们的组合。
第三十四实施方案可包括根据第二十八实施方案至第三十三实施方案中任一个所述的方法，还包括在0.1巴至10巴范围内的压力下对密封在所述腔(112)中的所述气体加压。
第三十五实施方案可包括根据第二十八实施方案至第三十四实施方案中任一个所述的方法，其中引导来自光源的辐射功率包括引导来自一个或多个灯丝灯泡、微电子机械系统(MEMS)加热板、发光二极管(LED)和/或激光器的辐射功率。
尽管上文已经示出和描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但在不脱离本公开的实质和教导的情况下，本领域的技术人员可以对其做出修改。本文所述的实施方案仅是代表性的而并非意在进行限制。许多变化、组合和修改都是可能的，且在本公开的范围内。由于合并、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而得到的替代实施方案也在本公开的范围内。因此，保护范围不受上面给出的描述的限制，而是由以下的权利要求书限定，该范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每一项权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，并且权利要求书为一个或多个本发明的一个或多个实施方案。此外，任何上述优点和特征可涉及特定实施方案，但不应将此类公布的权利要求书的应用限制为实现任何或所有以上优点或具有任何或所有以上特征的方法和结构。
另外，本文所使用的章节标题是为了与37 C.F.R.1.77的建议一致或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可以从本公开公布的任何权利要求书中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题可能是指“技术领域”，但权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。此外，“背景技术”中的技术的描述不应被解读为承认某项技术是本公开中的任何一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在公布的权利要求书中所阐述的一个或多个发明的限制性表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何提及不应被用于证明在本公开中仅有一个新颖点。根据从本公开公布的多个权利要求的限制，可以阐述多个发明，并且此类权利要求相应地限定了由其保护的一个或多个发明以及其等同形式。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开按照权利要求自身的优点来考虑，而不应受到本文所陈述的标题的限制。
应当理解，使用广义的术语如“包含”、“包括”和“具有”提供对狭义的术语如“由…组成”、“基本上由…组成”和“基本上由…构成”的支持。针对实施方案的任何元件使用术语“任选地”、“可”、“可能”、“有可能地”等意指该元件是不需要的，或另选地，该元件是需要的，两种替代方案均在一个或多个实施方案的范围内。另外，对示例的提及仅仅用于说明目的，并非意在是排他性的。
尽管本公开中提供了若干实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的实质或范围的情况下可以通过许多其他具体形式来体现所公开的系统和方法。本发明示例应被认为是例示性的而非限制性的，并且本发明并非局限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件结合或集成到另一个系统中，或者可以省略或不实现某些特征。
此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各个实施方案中被描述和示出为分立或独立的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦接或通信的其他项可以通过一些接口、装置或中间部件间接耦接或通信，而不论是通过电的方式、机械的方式还是其他方式进行这种耦接或通信。本领域技术人员可确定并且在不脱离本文所公开的实质和范围的情况下可以做出变化、替换和变更的其他示例。

Claims (15)

1.一种用于气体检测的方法，包括：
提供密封在气体检测器(100)的腔(112)中的气体；
将来自光源(130)的辐射功率(116)引导穿过一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器(100)的单元主体(114)朝向所述气体检测器(100)的所述腔(112)和波长选择性吸收体(101)，其中所述一种或多种目标气体定位在所述光源(130)和所述腔(112)之间；
利用所述波长选择性吸收体(101)来设置波长敏感度，其中所述波长敏感度与入射角(α)无关；
由所述波长选择性吸收体(101)且由所述一种或多种目标气体吸收所述辐射功率(116)；
由压力感测元件(102)检测因所述辐射功率(116)的吸收而引起的压力变化；以及
基于所检测到的压力变化来确定所述一种或多种目标气体。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所检测到的压力变化来确定被所述一种或多种目标气体吸收的辐射的量。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括由于所述吸收而产生热。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括利用颗粒滤片或光学滤片从所述辐射功率(116)的光学路径滤去CO2、水蒸气或冷凝水。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括以光学的方式、电的方式或机械的方式调制所述辐射功率(116)。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括以至少约1Hz的频率调制所述辐射功率(116)。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括利用反射器或折射元件使所述辐射功率(116)反射或折射穿过所述一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器(100)的所述单元主体(114)朝向所述气体检测器(100)的所述腔(112)和所述波长选择性吸收体(101)。
8.一种用于气体检测的方法，包括：
提供密封在气体检测器(100)的腔(112)中的气体；
将来自光源(130)的辐射功率(116)引导穿过一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器(100)的单元主体(114)朝向所述气体检测器(100)的所述腔(112)和波长选择性吸收体(101)，其中所述一种或多种目标气体定位在所述光源(130)和所述腔(112)之间；
利用反射器使所述辐射功率(116)反射穿过所述一种或多种目标气体且穿过所述气体检测器(100)的所述单元主体(114)朝向所述气体检测器(100)的所述腔(112)和所述波长选择性吸收体(101)；
利用所述波长选择性吸收体(101)来设置波长敏感度，其中所述波长敏感度与入射角(α)无关；
由所述波长选择性吸收体(101)且由所述一种或多种目标气体吸收所述辐射功率(116)；
由压力感测元件(102)检测因所述辐射功率(116)的吸收而引起的压力变化；以及
基于所检测到的压力变化来确定所述一种或多种目标气体。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述压力感测元件(102)和所述腔(112)之间提供流体连通。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括经由通孔(103)允许所述腔(112)的两侧(112-1，112-2)之间的流体连接。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括基于所检测到的压力变化来确定被所述一种或多种目标气体吸收的辐射的量。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括以介于3Hz和10,000Hz之间的频率调制所述辐射功率(116)。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述提供密封在腔(112)中的气体包括提供氮气、氢气、氩气、氪气、氙气、碳氢化合物、碳氟化合物、或它们的组合。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括在0.1巴至10巴范围内的压力下对密封在所述腔(112)中的所述气体加压。
15.根据权利要求8所述的方法，其中引导来自光源(130)的辐射功率(116)包括引导来自一个或多个灯丝灯泡、微电子机械系统(MEMS)加热板、发光二极管(LED)和/或激光器的辐射功率(116)。
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