CN112485195A - 使用高莱探测器的气体检测器 - Google Patents
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Abstract
本文描述了使用高莱探测器的气体检测器设备、系统和方法。一种设备包括：麦克风，具有带有用于接收声音的声音收集孔的前表面；基板；气腔，形成在基板中，使得气腔与声音收集孔气体连通，并且前表面形成气腔的侧表面；和窗口，邻接基板以形成气腔的侧表面。
Description
本申请为申请号为201680071989.2的分案申请。
技术领域
本公开涉及用于创建和利用使用高莱探测器（Golay cell）的气体检测器的设备、系统和方法。
背景技术
基于非色散红外（NDIR）技术（特别是在中波长IR（MWIR）（3000-8000nm）中操作的那些）的气体检测通常缺乏高效的光源。而且，在其中期望高信噪比的应用中，必须增加光功率。这可能导致高功耗，这在一些应用中可能对便携和/或无线形式因素操作造成严重限制。
替代地，可以在一些实现中使用更灵敏和更低噪声的检测器来获得高性能而不增加功耗。然而，商业上可用的MWIR检测器可能是昂贵的，并且在这样的实现中，一些检测器需要冷却，除其他可能的问题之外，这还可能向系统添加组件。
附图说明
图1图示了根据本公开的一个或多个实施例的气体检测器设备。
图2图示了根据本公开的一个或多个实施例的气体检测器系统。
具体实施方式
本文描述了使用高莱探测器的气体检测器设备、系统和方法。使用高莱探测器的一种这样的气体检测器包括：麦克风，具有带有用于接收声音的声音收集孔的前表面；基板；气腔，形成在基板中，使得气腔与声音收集孔气体连通，并且前表面形成气腔的侧表面；和窗口，邻接基板以形成气腔的侧表面。提供用于气腔的结构基础的基板可以是包含与麦克风电气互连的电子组件或气体检测器被提供到其中的设备的其他组件的印刷电路板（PCB）。
本公开描述了创建和利用使用高莱探测器的气体检测器，该气体检测器例如可以用作低成本光检测器，其能够例如检测非常低水平的MWIR辐射及其在NDIR中的实现。本公开的检测器实施例基于在红外和太赫兹辐射检测中使用的高莱探测器的原理。本公开的实施例的高莱探测器设计可以利用移动电话行业所激增的低成本、高灵敏度微机电系统（MEMS）麦克风的可用性。在一些实施例中，高莱探测器将麦克风与可比容积的气室集成，同时使用气体或麦克风作为光学吸收体。也就是说，吸收材料可以是气体和/或麦克风。
在本公开的实施例中，压力感测元件（例如，常规的高莱探测器中的隔膜）是MEMS麦克风的一部分，并且可以由于电磁辐射的吸收而提供气腔中的压力波动的灵敏检测。如上所述，该功能以其他方式将采用昂贵和/或复杂得多的仪器来实现。在本公开的一些实施例中，麦克风结构本身可以用作热传感器。在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图。附图通过图示的方式示出了可以如何实践本公开的一个或多个实施例。
足够详细地描述这些实施例以使得本领域普通技术人员能够实践本公开的一个或多个实施例。应理解的是，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下进行过程改变。
如将领会到的，可以添加、交换、组合和/或消除本文的各种实施例中示出的元件，以便提供本公开的许多附加实施例。附图中提供的元件的比例和相对尺度旨在图示本公开的实施例，并且不应在限制性意义上采用。
参考图1中描绘的组件取向来使用诸如“水平”和“竖直”“之上”和“之下”之类的方向术语。这些术语仅用于示例目的，而不旨在限制所附权利要求的范围。
本文的附图遵循编号惯例，其中前一个或多个数字对应于附图编号，并且其余的数字标识附图中的元件或组件。不同附图之间的相似元件或组件可以通过使用相似的数字来标识。例如，100可以引用图1中的元件“00”，并且相似的元件可以在图2中引用为200。
如本文所使用的，“一个”或“许多”某物可以指代一个或多个这样的事物。例如，“许多孔”可以指代一个或多个孔。
图1图示了根据本公开的一个或多个实施例的气体检测器设备。在图1所示的实施例中，设备100包括：麦克风102，其具有前表面104和声音收集孔108；气腔112，其形成在基板110中，使得气腔112与孔108气体连通，并且其中前表面形成气腔112的侧表面；以及114窗口，其邻接基板110以形成气腔112的侧表面。在一些实施例中，基板可以具有安装在其表面的一侧或两侧上的电子组件111。这些组件可以与气体检测器的功能相关，或者可以是与气体检测器的功能不相关但位于气体检测器附近的组件。
在一些实施例中，窗口可以包括改变穿过窗口的光的特性的光学特性。例如，窗口可以具有设计到窗口中的漫射或准直特性。在一些实施例中，窗口也可以是透镜或波导。
这些光学特性可以基于窗口的内部的形成、窗口的一个或多个侧面的形成和/或制备（例如磨光）、和/或通过使用在一个或多个侧面施加到窗口的涂层来实现。窗口还可以涂覆有光学薄膜以增强或延迟某些波长处的光的透射。在一些实施例中，为了改善检测的目的，隔离或聚焦某些波长可能是有益的。例如，其中，可以被隔离或增强的某些波长对于碳氢化合物可以是3.3和/或3.4微米，对于CO2可以是4.3微米，或者对于氨可以是9微米。
在本公开的实施例中，气腔（由诸如一个或多个基板、窗口和麦克风的设备的其他元件形成）可以是不允许与周围环境的相互作用的闭室。因此，闭室内的气体可以被选择成增强对特定气体或一组特定气体的存在的灵敏度。
在一些实施例中，基板可以是印刷电路板（PCB）类型材料或其他合适的材料。另外，在一些实施例中，包括基板的结构可以具有多层而不是单个基板层，如图1所示。在各种实施例中，麦克风和/或窗口可以附接到基板110，使得气腔112被气密地密封。这样的实施例允许形成流体地连接到麦克风入口端口（即孔108）但与环境条件隔绝的气体填充腔。
当辐射功率（例如，来自光源的光）116通过窗口114进入气腔112并被气体和/或麦克风表面吸收时，可以生成少量的热。热引起可以由麦克风感测到的压力增加。
腔112中的填充气体可以被选择成基于除可以基于检测器的操作条件而利用的其他参数之外尤其诸如比热、热导率、渗透率、三相点和/或化学稳定性之类的参数来优化检测器的灵敏度和/或温度范围。
填充气体可以除其他合适的气体类型之外尤其例如是氮气、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。在各种实施例中，填充气体的压力可以小于或大于环境压力。
例如，在一些实施例中，填充气体压力可以在从0.1巴至10巴的范围内。检测器的优点是将麦克风与周围环境隔离，因此消除了由于环境变量（诸如，设备周围的周围环境中的声学噪声、压力、密度、湿气、化学物质和微粒）而导致的干扰和不稳定性。
使用PCB的一个益处是形成到麦克风的电气互连（例如，通过表面安装焊盘），因此检测器可以是PCB的组成部分并且连接到同一板上的其他组件。在一些应用中，用户可以具有若干个这些设备（例如，在同一基板（诸如PCB）上），每个设备在其各自的气腔中具有不同气体并且它们可以被插入到更大的系统中以实现气体检测。另外，在一些实施例中，单个设备（例如，图1的结构或类似的结构）可以在系统（例如，像图2的结构的结构或另一合适的结构）中使用，并且该设备可以被移除和替换为可以感测一种或多种其他气体的另一个设备。在其他实施例中，多个设备可以同时（例如，在同一基板上或在不同的基板上）使用以感测多种气体或者可以在气腔中具有相同的气体并可以提供冗余，这可能是有益的，因为它将提供气体检测是正确的增加的确定性。
图2图示了根据本公开的一个或多个实施例的气体检测器系统。图2示出了在许多实现中可以是紧凑的且具有低功耗的气体检测器设计。
在图2的实施例中，光波长检测元件202和光源224面对面地安装在光学腔232的相对端上，光学腔232可以具有反射性内表面抛光226以促进最大限度的光进入检测器200。
光源例如可以是一个或多个灯丝灯泡、微机电系统（MEMS）热板、发光二极管（LED）和/或激光器。这样的组件都可以潜在地与本文所述的检测器实施例有利地配对，以提供具有良好性能的气体传感器。
反射性表面不需要在所有应用中对可见光是反射性的，而是可以对将关于检测气腔内的特定的一种或多种气体而使用的一个或多个波长是反射性的。
在一些实施例中，光学腔的表面可以具有纹理。纹理可以提供被引导到检测器的更均匀的光图案。此外，在一些实施例中，表面可以是非反射性的。光学腔232的至少一部分壁经由可渗透材料、孔洞（例如开口228）或多孔介质（至少对将对于检测是有用的光的波长是多孔的）而对环境气体是可渗透的，因此在吸收辐射的周围环境中的感兴趣气体的存在可以由检测器在观察到特定波长（例如，例如除其他之外尤其诸如对于碳氢化合物为3.3或3.4微米、对于CO2为4.3微米、或者对于氨为9微米的波长）处的接收辐射的减少时检测到。
为了对特定气体是灵敏的，光学带通过滤器可以被添加为光路中的附加组件或者在检测器窗口的内表面（更靠近麦克风）或外表面234上的涂层。在一些情况下，即使气腔在其中具有特定气体，仍然存在过滤可能与腔中的特定气体具有类似特性的环境组分的需要。
在这样的情况下，可以在来自光源的光的路径中放置一个或多个过滤器，诸如薄膜、施加的涂层、与窗口物理地分离的过滤器、或其他类型的过滤器，以过滤掉与这些环境组分相关联的环境噪声（可能针对腔中的特定气体被弄错的特性）。这样的实现也可以在腔内具有多种气体的应用中进行。可以被过滤的环境组分的示例可以除其他之外尤其例如可以包括CO2、水蒸气或冷凝水。
在其中调制电流或例如交流（AC）被利用的一些实施例中，由于高莱探测器仅对调制光学强度是灵敏的，所以光源必须以特定频率（例如，3至1000 Hz范围内的频率）调制。该配置的气体检测器可以以极低功率操作，因为高莱探测器能够检测非常低的辐射功率电平，因此光源可以以对应低的电平通电。
本公开的实施例可以被构造为其中麦克风组件的细长尺寸（麦克风的最宽侧的宽度）为2-5mm的微型高莱检测器设备。利用这样的实施例，这些设备可以在小型和/或便携式应用中使用，并且这样的设备与10-20mm宽度维度的量值上的设备相对可以具有更低的功耗。微型高莱设备的另一个益处是污染物进入设备的降低的能力。
本公开的实施例可以用于宽范围的基于光学的气体检测中，包括检测可燃气体、有毒气体、以及其他环境相关气体，诸如CO2和制冷剂。例如，高莱探测器检测器设备可以用作独立的检测器，除其他实现之外尤其用于从深UV到太赫兹频率的电磁辐射。
在第一实施例中，使用高莱探测器的气体检测器设备可以包括：麦克风，具有带有用于接收声音的声音收集孔的前表面；基板；气腔，形成在基板中，使得气腔与声音收集孔气体连通，并且所述前表面形成气腔的侧表面；和窗口，邻接基板以形成气腔的侧表面。
第二实施例可以包括第一实施例的气体检测器设备，其中基板包括：第一基板部分，其邻接声音收集表面，并且其中第一基板部分具有被形成通过第一基板部分的孔，其中孔的第一端被引导朝向声音收集表面；和第二基板部分，其邻接第一基板部分，使得第二基板部分形成气腔的侧表面，并且第一基板部分形成气腔的顶表面，使得气腔与孔气体连通。
第三实施例可以包括第一或第二实施例的气体检测器设备，其中窗口允许光透射通过窗口。
第四实施例可以包括第一至第三实施例中任一个的气体检测器设备，其中窗口对于不在特定波长范围内的所有光是不透明的。
第五实施例可以包括第一至第四实施例中任一个的气体检测器设备，其中气腔在其中具有环境气体。
第六实施例可以包括第一至第五实施例中任一个的气体检测器设备，其中气腔在其中仅具有特定气体。
第七实施例可以包括第一至第六实施例中任一个的气体检测器设备，其中气腔在其中仅具有一组特定气体。
第八实施例可以包括第一至第七实施例中任一个的气体检测器设备，其中腔被密封，使得一旦腔被密封则环境气体不能进入腔。
在第九实施例中，使用高莱探测器的气体检测系统可以包括：气体检测器，其包括具有带有用于接收声音的声音收集孔的前表面的麦克风；基板，其邻接麦克风的前表面；气腔，其形成在基板中，使得气腔与孔气体连通；窗口，其邻接基板，从而形成气腔的侧表面；光学生成腔室；以及光源，其朝向气体检测器引导光。
第十实施例可以包括第九实施例的系统，其中光源在光学生成腔室内。
第十一实施例可以包括第九或第十实施例的系统，其中光学生成腔室由具有包括气体可渗透部分的材料的至少一个壁形成。
第十二实施例可以包括第九至第十一实施例中任一个的系统，其中光学生成腔室由内表面形成并且表面的至少一部分是反射性的。
第十三实施例可以包括第九至第十二实施例中任一个的系统，其中光学生成腔室由内表面形成并且整个内表面是反射性的。
第十四实施例可以包括第九至第十三实施例中任一个的系统，其中光学生成腔室形成在外壳内，并且其中外壳包括一个或多个开口以允许环境气体进入和离开腔室。
第十五实施例可以包括第九至第十四实施例中任一个的系统，其中光源是红外光源。
第十六实施例可以包括第九至第十五实施例中任一个的系统，其中光源生成红外光并且窗口对于所生成的红外光是透明的，从而允许光穿过窗口。
在第十七实施例中，使用高莱探测器的气体检测器可以包括：麦克风，具有用于接收声音的声音收集孔；基板，具有邻接声音收集表面的第一表面和第二表面和形成在基板的第一表面和第二表面之间的气腔，并且其中气腔与声音收集孔气体连通；和窗口，邻接基板的第二表面以密封气腔。
第十八实施例可以包括第十七实施例的气体检测器，其中麦克风和基板被气密地密封在一起。
第十九实施例可以包括第十七或第十八实施例的气体检测器，其中基板包括多个层。
第二十实施例可以包括第十九实施例的气体检测器，其中基板的各层被气密地密封在一起。
在第二十一实施例中，一种用于创建和利用使用高莱探测器的气体检测器的方法可以包括：将基板组装到包括声音收集孔的麦克风上，其中基板包括与声音收集孔流体连通的气腔；允许一种或多种气体进入气腔；组装窗口，所述窗口邻接基板，从而形成气腔的侧表面；将来自光源的光引导通过窗口；通过麦克风检测由于来自光的电磁辐射的吸收而引起的气腔内的压力波动；和确定气腔内的特定的一种或多种气体。
第二十二实施例可以包括第二十一实施例的方法，还包括将麦克风和基板气密地密封在一起。
第二十三实施例可以包括第二十一或第二十二实施例的方法，其中检测压力波动包括使用麦克风的声音收集孔来接收声音。
第二十四实施例可以包括第二十一至第二十三实施例中任一个的方法，还包括涂覆窗口以提供使得窗口对于不在特定波长范围内的所有光是不透明的光学特性。
第二十五实施例可以包括第二十一至第二十四实施例中任一个的方法，其中光源生成红外光并且窗口对于所生成的红外光是透明的，从而允许光穿过窗口。
第二十六实施例可以包括第二十一至第二十五实施例中任一个的方法，还包括形成包括光源的光学生成腔室。
第二十七实施例可以包括第二十六实施例的方法，其中光学生成腔室形成在外壳内，并且其中外壳包括一个或多个开口以允许环境气体进入和离开腔室。
虽然本文已经说明和描述了特定实施例，但本领域普通技术人员将领会到，可以用实现相同技术的所计划的任何布置来代替所示的特定实施例。本公开旨在覆盖本公开的各种实施例的任何和所有改编或变化。
应理解的是，上面的描述以说明性的方式而不是限制性的方式进行。在阅读上面的描述后，上面的实施例的组合以及本文中未具体描述的其他实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
本公开的各种实施例的范围包括其中使用上述结构和方法的任何其他应用。因此，本公开的各种实施例的范围应参考所附权利要求以及这样的权利要求所享有的等同物的全部范围来确定。
在前面的具体实施方式中，出于简化本公开的目的，在附图中图示的示例实施例中将各种特征组合在一起。公开的该方法不应被解释为反映本公开的实施例需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。更确切地说，如以下权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求在此被并入到具体实施方式中，其中每个权利要求依靠自己作为单独的实施例。
Claims (10)
1.一种气体检测器设备，包括：
在基板上形成的多个高莱探测器，其中多个高莱探测器中的每个高莱探测器包括：
麦克风（102），具有带有用于接收声音的声音收集孔（108）的前表面（104）；
气腔（112），形成在基板（110）中，使得气腔（112）与声音收集孔（108）气体连通并且所述前表面（104）形成气腔（112）的侧表面；
其中气腔包括填充气体，该填充气体包括氢气、氩气、氮气、氪气、氙气、碳氢化合物、碳氟化合物中的一个或多个；
其中气腔（112）被密封，使得一旦气腔（112）被密封，则环境气体不能进入气腔（112）；和
窗口（114），邻接基板（110）以形成气腔（112）的侧表面。
2.根据权利要求1所述的气体检测器设备，其中多个高莱探测器中的第一高莱探测器中的第一气体具有与多个高莱探测器中的第二高莱探测器中的第二气体不同的成分。
3.根据权利要求1所述的气体检测器设备，其中多个高莱探测器中的第一高莱探测器中的第一气体具有与多个高莱探测器中的第二高莱探测器中的第二气体相同的成分。
4.根据权利要求1所述的气体检测器设备，其中多个高莱探测器中的第一高莱探测器中的第一气体是多个气体的混合物。
5.根据权利要求1所述的气体检测器设备，其中多个高莱探测器被配置为同时感测多个气体。
6.根据权利要求1所述的气体检测器设备，其中窗口对于不在特定波长范围内的所有光是不透明的。
7.根据权利要求1所述的气体检测器设备，其中气腔在其中仅具有特定的气体集合。
8.根据权利要求1所述的气体检测器设备，还包括至少一个光源（224）。
9.根据权利要求8所述的气体检测器设备，其中至少一个光源被配置为引导光到多个高莱探测器中的每一个。
10.根据权利要求1所述的气体检测器设备，其中麦克风（102）与周围环境隔离。
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