CN113454449A - 具有作为声音检测器的振动结构的光声光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明在第一方面涉及一种用于对气体进行分析的光声光谱仪，该光声光谱仪包括可调制的红外发射器(3)、能够被填充有气体的分析容积部(1)、以及声压检测器。声压检测器包括能够振动的结构(5)、致动器和测量单元，其中致动器被配置成主动激励能够振动的结构(5)的振动，并且测量单元能够测量能够振动的结构(5)的振动特性，振动特性的测量取决于声压波的形成。在另一方面，本发明涉及一种用于对气体进行分析的方法，该方法包括提供用于对气体进行分析的光声光谱仪，利用由调制频率进行调制的红外辐射来照射气体以产生声压波，以激励频率激励能够振动的结构(5)，测量能够振动的结构(5)的振动特性，振动特性的测量取决于声压，以及基于所测量的振动特性来确定气体的声压。

Description

具有作为声音检测器的振动结构的光声光谱仪
技术领域
在第一方面，本发明涉及一种用于对气体进行分析的光声光谱仪，该光声光谱仪包括可调制的红外发射器、能够填充有气体的分析容积部、以及声压检测器。声压检测器包括能够振动的结构、致动器和测量单元，其中致动器被配置成主动激励能够振动的结构的振动，以及测量单元能够测量能够振动的结构的振动特性，振动特性的测量取决于声压波的形成。
在另一方面，本发明涉及一种用于对气体进行分析的方法，该方法包括：提供用于对气体进行分析的光声光谱仪，利用由调制频率进行调制的红外辐射来照射气体以产生声压波，以激励频率激励能够振动的结构，测量能够振动的结构的振动特性，振动特性的测量取决于声压，以及基于所测量的振动特性来确定气体的声压。
背景技术
光声的光谱分析(PAS)允许检测最精细的气体浓度，并具有多种应用。一个示例是二氧化碳的检测，它在研究和空气调节方面发挥着作用。例如，可以通过这种方式测量空气中废气的浓度。同样相关的还有军事应用，在这些应用中能够检测到最小浓度的毒气。
在光声的光谱分析中，使用在气体中待检测分子的吸收光谱中的频率处的强度调制的红外辐射。如果该分子存在于束路径中，则会发生调制吸收，从而导致加热和冷却过程，其时间尺度反映了辐射的调制频率。加热和冷却过程导致气体膨胀和收缩，从而产生处于调制频率的声波。然后这些声波可以通过声音检测器(麦克风)或流量传感器被测量。
各种发射器用作上述应用的辐射源，具有不同的优点和缺点。优选地使用红外(IR)发射器。例如，可以使用红外范围内的窄带激光源。这些允许使用高辐射强度，并且可以使用标准组件在高频下被调制，例如用于光声光谱分析。但是，由于激光的窄谱，因此仅精确匹配的分子能根据吸收光谱来检测。激光也相对昂贵。如果要检测不同的分子，则必须使用相应数量的激光器。
热的、宽带发射器也是已知的。这些具有广谱的优点，可以通过使用(可调谐)滤波器进一步选择，并且通常成本较低。然而，这些发射器的调制频率是有限的；由于热时间常数的限制，通过改变电源进行的直接调制是受限的，并且通常在从几Hz到大约100Hz的范围内。
麦克风中的检测组件的固有噪声非常高，特别是在从几Hz到大约100Hz的范围内，并且导致信噪比降低。来自检测器的噪声也可以被来自发射器的热信号放大，这些热信号在检测器处被直接记录为噪声。现今，微系统技术被用于许多应用领域，以生产紧凑的机械电子设备。可以以这种方式制造的微系统(微机电系统MEMS)是非常紧凑(微米范围)的，具有出色的功能和更低的制造成本。虽然被设计为MEMS，但是压电悬臂是现有技术。众所周知，可以使用压电悬臂来测量压力[1]。为了这个目的，例如，悬臂在谐振操作中的阻尼以电学的方式被测量。
在现有技术中，有时描述声音换能器的主动激励以提高信号质量。
US2012/151994A1公开了一种基于MEMS的光声传感器，其具有作为IR发射器的激光二极管，其指向了填充有分析气体的谐振腔，该谐振腔的振动通过检测器来检测。US2012/151994A1旨在定位声音换能器，例如MEMS麦克风，通过控制电路在谐振腔附近(0.1μm至10μm)以主动谐振模式运行。在此优选使声音换能器的激励频率和激光调制与谐振腔的谐振频率相协调。检测器(优选地是锁相环(PLL))对作为包括控制电路和声音换能器的振荡器的幅度或频率的变化的光声谐振进行检测。
US2019/017966A1涉及一种优选用于钻孔的石英增强光声光谱仪(QEPAS)，包括可调谐的激光器，该激光器辐射到填充有分析气体的样本室中。在样本室内，有石英增强型音叉(QTF)，可以通过它检测产生的声波。在一个实施方式中，音叉(QTF)用周期性信号主动操作以增加信噪比。为此，激光器的调制频率与音叉(QTF)的谐振频率或其亚谐波频率相匹配。
US2011/072886A1公开了一种光声光谱仪，其在分析室中具有谐振器，激光辐射到该谐振器上。产生的声波是用音叉测量的，音叉部分地突出到谐振器的内部腔中。音叉优选地包括压电材料和千赫兹范围内的高谐振频率。为了提高灵敏度，优选地将谐振器的固有频率和激光调制的频率调谐到这些频率。
EP2543987A1提出了一种基于MEMS的光声传感器，其形成在SOI晶片上并且包括能够振动的谐振器。激光可以通过光纤被引导到传感器的腔中以激励位于其中的气体。激光的频率与谐振器的谐振频率相适应。谐振器优选地是压电梁，其振动由压电感测条带来检测。
在上述系统中，使用以在千赫兹范围内的谐振频率的振荡声音换能器，其中IR发射器的调制与谐振频率匹配以提高灵敏度。因此，具有在千赫兹范围内的高调制能力的激光器或激光二极管优选用作IR发射器。通过使用高频调制的IR发射器以及(如有必要)处于高谐振频率的主动激励的声音换能器将低频范围内的噪声和干扰信号的影响最小化。
将在kHz范围内被激励的能够振动的高频结构(例如悬臂)用作PAS传感器中的检测器，同时使用具有慢调制能力的IR发射器(例如热IR发射器)，这尚不为人所知。
本发明的目的
本发明的目的是提供一种光声光谱仪和一种没有现有技术缺点的用于气体分析的方法。特别地，本发明的目的是提供一种改进的光声光谱仪，其具有改进的精度和抗噪性以及测量更多测量变量的选项，同时其特征在于简单、廉价和紧凑的结构。
发明内容
该目的通过独立权利要求的特征实现。优选实施方式在从属权利要求中描述。
在第一方面，本发明涉及一种用于对气体进行分析的光声光谱仪，包括：
-可调制的红外发射器，
-能够被填充有气体的分析容积部；和
-声音检测器，
其中，红外发射器、分析容积部和声压检测器被布置成：使得能够以可调制的方式从红外发射器发射的红外辐射能够激励分析容积部中的气体，以形成能够使用声压检测器来测量的声压波，其中声压检测器包括能够振动的结构、致动器和测量单元，其中致动器被配置成主动激励能够振动的结构的振动，以及测量单元能够测量能够振动的结构的振动特性，振动特性的测量取决于声压波的形成。红外发射器的调制频率优选地介于1Hz与200Hz之间，而能够振动的结构的激励频率介于1kHz与200kHz之间。
根据本发明的光声光谱仪的特征在于，声压检测器被主动激励而振动并且以与待分析气体的待测量声压波相比显著较高的频率振动，其中振动特性也在这个较高频率的范围内被测量。声压检测器与气体及其振动特性有关联，例如，与受气体的声压波影响的周期性激励相比的振动相位、振动频率和/或振动幅度。例如，这种影响是由于声压波引起的气体压力条件改变而引起的被激励而振动的结构的阻尼改变，声压波直接与结构相互作用。在振动结构的谐振频率范围内可以特别好地测量这种影响，这就是为什么它优选地以谐振或几乎谐振的方式被激励的原因。
由于振动特性和因此优选阻尼的测量发生在与声压波的优选频率范围相比显著较高的频带中，因此噪声与常规测量方法相比可以更好地被抑制，例如通过使用麦克风，因为该噪声优选地具有与声波本身相似的频率范围。此外，可以使用允许对测量信号进行窄带滤波并因此也能够抑制噪声的测量技术。对于热噪声特别如此。光谱仪和声压检测器的另一优点是可以随时间变化测量压力本身，而不仅仅是像现有技术那样由调制的IR辐射来激励的气体的压力响应。通过这种方式，可以获得关于所分析的气体的附加信息，例如关于声振动的激励之后的气体的弛豫行为。
用于对气体进行分析的光声光谱仪的基本特征或基础组件是本领域技术人员已知的。红外波长范围内的电磁辐射的可调制的发射器优选地布置和配置为使得由红外发射器发射的红外辐射大幅地或至少部分地撞击分析容积部中待分析的气体。如果调制的照射发生在与气体中分子的吸收光谱相对应的红外波长处，则发生调制吸收，这导致加热和冷却过程，其时间尺度反映了辐射的调制频率。根据光声效应，加热和冷却过程导致气体的膨胀和收缩，从而可以使气体被激励以形成基本上处于调制频率的声压波。这些声压波可以由声音检测器来测量。声波的功率优选地与吸收气体的浓度成正比。
在现有技术的PAS中，使用麦克风或能够被声波被动地引起振动的其它结构(例如膜)来测量声波。因此，这种类型的声音检测器基本上以所产生声音的频率振动。在此使用的声压检测器也是能够振动的结构，然而，它是由致动器(优选地通过周期性激励)主动引起振动的。振动频率优选地显著高于待测量的声波的频率并且优选地基本上对应于激励频率。特别地，该结构在其谐振频率范围内被激励，其中作为对材料、尺寸、悬挂(suspension)和/或振动激励类型的选择的结果，该结构优选地具有合适的谐振频率。本领域普通技术人员知道上述特性和结构的其他特性对其谐振频率的相互作用，或者可以例如通过诸如有限元方法(FEM)的模拟来计算它们。
测量单元优选地测量被引起振动的结构的振动特性，例如，与能够振动的结构的激励相比的振动相位、振动频率和/或振动幅度，优选地随时间变化，例如，如果结构包括阻抗依赖于一个或更多个上述振动特性的材料，则通过阻抗测量。该结构优选与待分析的气体直接相互作用。如果气体由于其吸收特性(优选地受其组成的影响)而由被调制的红外辐射激励而振动，则产生的声压波与能够振动的结构相互作用，由此振动特性(优选地是幅度、频率和/或相位)与激励相比受到影响(例如经由衰减)。
待分析的气体位于能够填充有气体的分析容积部中。这优选地是至少部分封闭地或对外界可封闭的容积部，气体位于其中或可以例如，通过门襟(closure)和/或阀形式的可封闭开口和/或通过供应管线被引入。特别地，它是完全封闭或可封闭的容积部，其具有至少一个可封闭的开口、优选地具有两个可封闭的开口，用于引入和/或排出待分析的气体。以这种方式，可以很好地定位待分析的气体，特别是在红外辐射的束范围内。
此外，气体的准确组成和/或浓度可以借助于封闭的容积部来保持，并且可以降低与该容积部周围的气体的混合。封闭的容积部还提供了更好地保护免受来自外部的干扰声源影响的优势，从而实现了具有降低的误差的测量。在此上下文中，封闭的容积部优选地是指以下容积部：该容积部的内容物基本上不能与分析容积部之外的另一容积部的气体混合。封闭还可以优选地涉及容积部内的精确可控的温度和/或压力，此外，其基本上独立于分析容积部之外的温度和/或压力。
封闭的或至少部分地封闭的容积部的另一优点是它可以被设计得特别适于用于声波的产生和检测。例如，容积部可以被构建成：使得在调制频率范围内的声谐振以及因此声压波的潜在形成被支持，优选地是通过谐振器形式的容积部被支持。同样地，容积部与检测器彼此之间的空间布置可以被配置成使得检测器关于容积部中能够产生的气体的声波被特别有利地布置，例如，在检测器和声波方面，例如具有最大可能的公共投影区域，以及/或者，检测器被布置在可以由调制的红外辐射产生的声波的优选起源区域附近。
分析容积部也可以优选地至少部分地打开。结果，特别地是分析容积部至少部分地对其打开的光谱仪周围的气体气氛可以被测量并且可以检查其组成。这对于污染物测量领域的应用特别有兴趣，但也适用于例如军事应用或反恐，例如用毒气袭击。然而，在这种情况下，同样有利的是分析容积部是明确限定的，从而将红外发射器、分析容积部和声音检测器布置成使得可以由红外发射器调制的红外辐射可以激励分析容积部中的气体，以形成可以使用声压检测器来测量的声压波。
通过红外发射器的红外辐射被优选地从外部引导到分析容积部的优选区域上。如果需要通过容积部的外壁进行辐射以便激励内部气体，则该壁可以优选地至少在该区域中对于IR辐射基本上是透明的。
诸如“基本上”、“大约”、“约”、“近似”等的术语优选地描述小于±40％、优选地小于±20％、特别优选地小于±10％，甚至更优选小于±5％、以及特别地小于±1％的容差范围。术语“类似”优选地描述了大约相同的大小。“部分地”描述优选地至少5％、特别优选地至少10％、以及特别地至少20％、在一些情况下至少40％。例如，如果说上述的区域对红外光束基本上是透明的，这意味着允许部分束或束的全部强度在上述容差范围内通过该区域。
分析容积部可以优选地被填充有气体。这意味着，即使在至少部分地封闭或可封闭的容积部的情况下，也存在优选可封闭的开口用于填充。优选地，也可以通过例如具有入口和出口的分析容积部来实现气流。因此，可以实现连续的气流进入容积部，或者可以实现不连续的气流，其中可以在填充或气体交换阶段期间在分析容积部中执行填充或气体交换。在分析阶段，优选地使气流中断，从而可以进行PAS。如果要在不同的时间分析不同的气体，这可以优选地通过这样的结构来实现。可以优选地在待分析的两种气体之间供应用于清洁任何气体残留量的清洁气体。
在至少部分地打开并因此优选地允许与环境进行永久气体交换的分析容积部的情况下，分析容积部通过与环境中的气体气氛相互作用而被填充。
分析容积部可以优选地包括样本室和参考室，它们被连接或可以通过连接通道被连接。
可调制的红外发射器优选地表示发射电磁辐射的设备。该辐射优选地具有在红外(IR)范围内的波长范围，特别是在大约700纳米(nm)与1毫米(mm)之间。所发射的辐射的相应频率可以在从大约300吉赫兹(GHz)到400太赫兹(THz)的范围内。也可以优选地使用波数m-1或cm-1来表示光谱，如光谱分析领域中的惯例。本领域技术人员知道如何在这些单位之间进行转换。
特别地对光谱进行选择以使其对应于发射器的优选应用领域，即红外光谱分析并且特别是光声光谱分析。特别地，经受光谱分析和/或待检测的气体分子的振动的激励是优选的，其取决于气体分子，匹配优选的光谱范围。例如，大约2.4微米(μm)的光谱范围适合激励CO2分子。红外辐射的特别优选的波长范围是700nm至10μm，优选地是1μm至10μm，特别优选地是2μm至10μm。
为了产生红外辐射，以加热元件的形式提供热能。特别优选(微型)加热元件。微型加热元件优选地被理解为是指尺寸为微米(μm)量级的加热元件。加热元件包括由传导材料制成的可加热层，当电流流过它时，该传导材料产生焦耳热。所产生的热优选地展示出依赖于元件的欧姆电阻和安培数的平方或依赖于所施加电压的平方和欧姆电阻的倒数，这取决于使用的是电流源还是电压源。红外辐射的热源对于PAS具有有利的特性，例如宽带发射，通过它可以仅用一个光源来激励多个不同的气体原子或分子。同时，热IR发射器特别地具有低廉的成本、易于制造且使用寿命长。
在平衡状态下，产生的热等于通过热传导、对流和热辐射(同义词：热辐射、红外辐射)而在电流流过的可加热层的外部界面处散发的热损失。如本领域技术人员已知的，除了其他方面，所产生的热引起热辐射，特别是通过粒子的热运动导致例如电荷载流子的加速和/或使偶极矩振动。以这种方式，可以通过电流流过的可加热层有针对性地产生红外辐射。可加热层优选地由金属制成，诸如钨或铂。通过施加合适的电压和产生的电流来产生焦耳热并最终产生红外辐射。
加热的体(body)的辐射光谱可以优选地由普朗克辐射定律来近似，其中实际可加热层与黑体之间的差异对于本领域技术人员来说是已知的，诸如发射率或与该体的热平衡的实际偏差。尽管存在这些偏差，但根据普朗克辐射定律，生成的光谱及其强度基本上由温度和辐射表面来描述。
因此，本领域技术人员可以通过(微型)加热元件的针对性设计来获得具有优选强度分布的优选光谱。除了加热元件的材料和几何构造之外，提供的电能和加热元件的除了热辐射之外的热损失的大小优选地是决定性的。这些热损失的大小例如由加热元件与相邻材料和/或流体之间的热导率以及它们的热容量和(一个或更多个)界面的大小来确定。
以加热元件形式的IR发射器特别成本低廉且稳健；同时，由于发射光谱的宽度，在PSA中可以检测到大量的气体分子。如果需要，可以通过优选可调谐的带通滤波器优选地从宽发射光谱中选择更窄的光谱。
也可以优选地由在所期望的红外光谱范围内进行发射的发光二极管(LED)和/或激光器来产生红外辐射。特别地，激光器优选地具有窄的发射光谱，从而优选地只有与该光谱精确匹配的气体原子或分子的吸收谱线可以被激励并且因此被检测。因此，如果只检测特定的气体分子，则激光是有利的，其中关于这些分子的存在的检测的重要性特别高，因为其他分子，优选地具有高度确定性，不能被激光的窄光谱激励。
IR发射器的发射优选地以直线形式沿优选方向上而定向光束。在下文中，术语光束旨在描述沿发射器的优选束方向的辐射的优选地集束的部分，其由发射器发射，其中特别是沿着对束进行限定的该方向的最大强度区域。强度被优选地限定为表面功率密度并且优选地具有单位瓦特/平方米，或简称为W/m2。
附加的组件，诸如透镜，确保束的集束或准直，可以集成在发射器中或附接在外部。本领域技术人员知道如何通过IR发射器的设计以及通过使用另外的组件来成形辐射源的发射轮廓，从而产生期望的束轮廓和期望的束方向。可调制的IR发射器可以优选地在没有附加透镜的情况下进行，或者作为包括辐射源和用于使光束准直的至少一个透镜的系统存在。
发射器可以被调制，这意味着所发射的辐射的强度，优选地束的强度，可以以可控制的方式随时间变化而改变。调制应该优选地引起随时间变化的强度的改变作为可测量的变量。这意味着，例如，在测量周期内测得的最弱强度与同一时间段内测得的最强强度之间随时间变化的强度大于通常用于辐射光谱以及测量或确定强度的应用的设备的灵敏度。最强与最弱的可调强度之间的该差异优选地显著大于因子(factor)2，更优选地大于因子4、6或8。如果调制的束的强度针对一个或更多个预确定的谐振波长被调制，则是特别优选的。
优选地，特别是在热发射器的情况下，可以通过改变电源来执行直接调制。这实施起来也特别容易且廉价。
在已知的光声光谱仪中，使用具有加热元件的红外发射器的缺点是它们的慢调制能力。这是因为，由于热时间常数，这种调制通常被限制在调制光谱的特定范围内，例如，在高达100Hz的量级内。在现有技术中，由于检测组件的固有噪声，慢调制通常与差的信噪比相关联。在本发明中可以消除该缺点，因为声压检测器代表能够振动的结构，该结构借助于致动器被主动激励而以优选显著的更高的频率进行振动。由于声压波对该结构的振动特性(例如阻尼)的影响，针对PAS而言的声压波的实际检测是来自对这种振动的调制。尽管由于红外发射器的调制频率，声压波本身因此具有低的频率，但对受声压波影响的该结构的振动特性的实际检测，而是在该结构的较高振动频率处发生，因此基本上超出了典型检测器噪声的频率范围。
根据本发明提供的能够振动的结构的主动激励有利地使得能够实现显著改善的信噪比，即使在使用可缓慢调制的IR发射器时也是如此。这允许提供具有出色检测质量的成本低廉、紧凑型的基于MEMS的PAS。
红外发射器也可以优选地通过外部调制被调制，例如通过使用旋转斩波轮和/或电光调制器被调制。同样在这种情况下，有利的是不需要千赫兹范围内的高频调制以确保良好的信噪比。
声压检测器包括能够振动的结构，例如振动的和/或振动式安装的膜、振动的和/或振动式安装的阀、和/或振动式安装的悬臂梁或弯曲梁。在此上下文中，“能够振动的”特别是指结构能够通过以致动器形式的合适的驱动器在长时间段内被激励而进行机械振动，而没有对于该结构而言的结构变化(损坏)。
振动可以包括基本上沿着空间维度和/或围绕一维轴的简单振动，但也可以是更复杂的、空间多维的振动或振动模式。同时，振动应该优选地足够大，使得它们或它们的特性可以由测量单元测量。这特别意味着可以从振动的测量中产生可测量的且可以电子方式处理的电信号，该信号可以有利地包含关于振动及其特性的信息，例如振动幅度、振动频率、振动相位，优选地与参考信号和/或振动强度相比较。
振动频率优选地在介于1Hz与100kHz之间的范围内被很好地限定；特别地，振动具有与可能在光谱仪中发生的其它基础过程的其它频率显著不同的频率，例如已知(热)噪声过程和/或IR辐射的调制频率。特别地，振动频率显著地高于这些频率。振动优选地具有基本上恒定的振动频率或窄的振动谱。
振动优选被理解为来自结构区域或结构的空间偏转的重复的时间波动。特别地，振动基本上或至少部分地是周期性的，这首先意味着它随着时间变化是有规律的。
周期性振动，特别是如果考虑多个周期，可以优选地通过振动的振动模式来描述。振动模式优选地是振动的随时间变化而稳定的特定特性的描述形式。不同的振动模式特别地在振动强度的空间分布方面不同，其中振动模式的形状优选地由振动传播的边界条件来确定。这些边界条件可以通过能够振动的结构的材料、尺寸和/或安装以及作用在结构上的至少一个力矢量(优选地包括标称尺寸和/或作用力的方向)来设置。
在振动悬臂的情况下，可能存在几种弯曲振动模式，其中悬臂沿优选方向下垂，例如垂直于悬臂的悬挂平面，其特别地在振动频率、最大振动幅度及其空间发生方面能够不同。弯曲振动模式的具体特征在于，所述振动包括沿着与能够振动的结构或悬臂的主平面基本上法线的方向的动态弯曲过程。然而，也可以有其他振动模式，诸如扭转模式，它描述了结构沿着轴以周期性扭转运动的形式的振动。更复杂的模式和/或代表其他模式叠加的模式也是可能的。振动优选以振动模式发生。复杂振动模式的示例是例如悬臂的屋顶瓦形的(roof tile-shaped)振动模式，其中悬臂在屋顶瓦状的变形状态之间来回摆动。
除了结构之外，致动器还必须适用于激励这种振动，因为它被配置成主动激励结构中的振动。致动器优选地旨在激励能够振动的结构中的受迫振动。执行器必须能够将其产生的力传递给结构，例如通过以能够进行力传递的方式与结构进行通信。优选地，该结构也可以至少部分地包括致动器。力本身必须适合于触发振动，这特别意味着力是周期性的并且优选地基本上具有结构的要产生的振动的频率并且适合于引起结构振动，优选地是以振动模式的振动。
本领域技术人员熟悉振动的结构与受迫振动的驱动器之间的有时复杂的相互作用，除了其他方面，其优选地是由以下各者造成的：结构的谐振频率(或固有频率)、结构的阻尼特性及其环境中的流体(气体)，以及驱动力的随时间变化的大小和方向，并且可以在结构内是局部地不同的。易于描述的、沿一个方向的周期性的力作用也可以产生与不考虑这些相互作用所预期的相比更复杂的振动模式。
在这种情况下可以优选的是，该结构具有弹性特性，该弹性特性支持特别地沿着结构的至少一个方向和/或至少一个位置或区域的振动。这些弹性特性可以优选地通过至少一个弹簧常数来描述。该结构优选地还具有共同决定振动特性的质量。例如，可能的情况是，致动器仅产生对于沿着一个方向的偏转而言的周期性主动力，并且该结构由于其恢复力而导致沿着相反方向的偏转，由此产生整体振动的力。优选地，致动器特别地将电控制信号转换成运动。执行器可以例如是压电致动器，并且当电压形式的电控制信号例如被周期性地施加到致动器时，由于压电效应而产生周期性的力以激励振动。致动器可以优选地是将激励力机械地传递到结构的外部元件；但是，致动器也可以与结构集成在一起，例如在该结构内产生用于机械振动激励的力。
测量单元优选地适合于测量振动特性并且特别地适合于测量振动特性的时间曲线。信息可以优选地从结构的这些振动特性或其时间曲线中提取，这优选地还允许关于结构周围的气体的特性的陈述。这些振动特性优选地与振动幅度、振动频率、振动模式、振动相位(例如，与致动器施加的周期性激励力相比)、振动强度、振动的阻尼等有关。然而，特别优选的是，阻尼特性可以从(其他)振动特性中确定，因为阻尼特性除了结构固有的阻尼分量(优选地是恒定的或已知的和/或可计算的)之外，还包括外部阻尼分量，特别是通过结构与环境气体的相互作用并且尤其是与环境气体的压力相互作用而发生的。该分量主要由气体分子与结构的碰撞来介导，其中由碰撞引起的结构上的压力(单位面积力)取决于气体的压力。
由于该结构优选地存在于分析容积部之内或之上并且与已经被填充到分析容积部中的待分析气体(直接)相互作用，因此可以以这种方式获得关于气体本身的信息，特别是关于其压力的信息。例如，对于吸收调制的IR辐射并因此产生声压波的气体，可以获得关于声压波及它们随时间变化的幅度的信息，正如熟悉PAS的普通技术人员所知，允许得出有关气体组成的结论，例如特定气体分子的存在及其在容积部内的浓度。
特别优选的是，结构的阻尼，特别是通过与待分析气体的相互作用，其时间曲线可以通过测量结构的振动特性、振动幅度、振动频率和/或振动相位(与周期性激励相比)来确定，特别地是随时间变化来测量。这种相互作用特别地是通过结构与气体分子之间的碰撞来实现的。撞击的强度和/或频率取决于气体的压力。如果调制的IR辐射的吸收导致PAS分子振动，因此优选地在分析容积部中产生声压波，则这些声压波优选地将与波成比例的压力传输到结构上，从而影响振动特性和/或它们的阻尼。当测量与周期性激励和/或振动频率相关的振动相位、振动强度、振动幅度时，特别地是随着时间变化来测量，可以优选地测量这种效果。例如，结构的(优选快速)主动振动与作用在结构上的压力波(优选振动得更慢)的叠加能够影响振动振动幅度和/或振动强度，其中振动结构的振动幅度的(至少部分地遵循压力分布图的)包络线是随着时间变化而被引起的，特别是由于压力波动引起的阻尼变化。
同样，由声压波改变的阻尼可以优选地产生在结构的振动中相对于激励频率的相位变化，该相位变化也可以被测量，例如，通过测量结构的随时间变化的振动幅度，并且将其与优选的周期性输入信号或致动器的控制信号进行比较以用于结构的周期性激励。
特别优选的是在结构的谐振的频率范围内进行测量。例如可以优选的是通过由于气体的声压波而优选地改变阻尼来使谐振频率移位。例如，这可以通过测量结构的振动幅度，并同时由致动器在频率范围(例如，在结构的固有频率范围)内调谐周期性激励的频率来测量。整个振动系统的谐振频率因此可以优选地通过测量振动幅度来测量，其中振动幅度优选地处于谐振区域中的最大值处。与具有恒定阻尼的系统相比，整个系统的谐振频率优选地通过改变阻尼而被移位。例如，测量移位或移位的时间曲线允许得出关于声压波的结论。
能够振动的结构的振动特性优选地包括振动幅度。振动幅度优选地取决于分析容积部中声压波的形成。分析容积部中的声压波特别影响能够振动的结构的阻尼(以已知的、可测量的和/或可计算的方式)，其中阻尼影响振动幅度。由于阻尼对振动幅度的影响有利地也是已知的、可计算的和/或可测量的，因此可以从它们的关于声压波的测量并因此关于气体及其组成的测量得出结论。特别地，可以得出关于声压波的特性的结论。还可以优选的是，声压波与振动幅度之间的直接关系是已知的、可计算的和/或可测量的，因此声压波的特性可以直接从振动幅度的测量中推断出来。
声压波的特性优选地包括声压波的至少一个振动频率、声压波的幅度、声压波的相对于刺激红外辐射的周期性调制的相位、声压波的振动强度，以及优选地提及的随时间变化的特性，从而包括例如声压波的衰减。可以优选地通过在结构的至少一个位置和/或至少一个区域处测量结构的偏转来测量结构的振动幅度。
能够振动的结构的振动特性优选地包括振动频率。振动频率优选地取决于分析容积部中声压波的形成。分析容积部中的声压波特别影响能够振动的结构的阻尼(以已知的、可测量的和/或可计算的方式)，其中阻尼影响振动频率。由于阻尼对振动幅度的影响有利地也是已知的、可计算的和/或可测量的，因此可以从其关于声压波的测量并因此关于气体及其组成的测量得出结论。特别地，可以得出关于声压波的特性的结论。还可以优选的是，声压波与振动频率之间的直接关系是已知的、可计算的和/或可测量的，因此声压波的特性可以直接从振动幅度的测量中推断出来。
优选地通过在结构的至少一个位置和/或至少一个区域处测量结构的偏转来测量结构的振动频率，其中考虑至少一个振动周期(优选地是多个振动周期)的偏转，以本领域技术人员已知的方式提供关于能够振动的结构的振动频率的信息。
能够振动的结构的振动特性优选包括结构的至少一个谐振振动频率或谐振频率ω0。可以优选的是，该结构具有用于优选地多个振动模式的多个谐振频率。谐振频率优选地取决于分析容积部中声压波的形成。分析容积部中的声压波特别影响能够振动的结构的阻尼(以已知的、可测量的和/或可计算的方式)，其中阻尼影响谐振频率。由于阻尼对谐振频率的影响有利地也是已知的、可计算的和/或可测量的，因此可以从其关于声压波的测量并因此关于气体及其组成的测量得出结论。特别地，可以得出关于声压波的特性的结论。还可以优选的是，声压波与振动幅度之间的直接关系是已知的、可计算的和/或可测量的，因此声压波的特性可以直接从谐振频率的测量中推断出来。
优选地通过在结构的至少一个位置和/或至少一个区域处测量结构的偏转来测量结构的谐振频率，其中考虑至少一个振动周期(优选地是多个振动周期)的偏转，以本领域技术人员已知的方式提供关于能够振动的结构的当前振动频率的信息。在这种情况下，该频率优选地被识别为具有最大偏转或振动幅度的谐振频率。在这种情况下，优选地由致动器在至少一个频率范围内设置不同的激励频率，以便测量或检测谐振频率。
能够振动的结构的振动特性优选地包括与致动器对结构的(周期性)激励相比较的振动相位。振动相位优选地描述与结构的(周期性)激励相比较的振动相位。振动相位优选地取决于分析容积部中声压波的形成。分析容积部中的声压波特别影响能够振动的结构的阻尼(以已知的、可测量的和/或可计算的方式)，其中阻尼影响与周期性激励相比的振动相位。由于阻尼对振动相位的影响有利地也是已知的、可计算的和/或可测量的，因此可以从其关于声压波的测量并因此关于气体及其组成的测量得出结论。特别地，可以得出关于声压波的特性的结论。还可以优选的是，声压波与振动相位之间的直接关系是已知的、可计算的和/或可测量的，因此声压波的特性可以直接从振动幅度的测量中推断出来。
优选地通过在至少一个位置和/或至少一个区域处测量结构的偏转来测量结构的振动相位，其中考虑在至少一个振动周期(优选地多个振动周期)的偏转，并且与激励频率的时间曲线进行比较，以本领域技术人员已知的方式提供关于能够振动的结构的振动频率的信息。
能够振动的结构的振动特性优选地包括结构的振动的阻尼，特别是受声压波影响的阻尼部分。术语衰减特别地描述了受声压波影响的衰减部分。衰减优选地以已知的、可测量的和/或可计算的方式取决于分析容积部中声压波的形成。因此，可以有利地通过测量关于声压波并因此关于气体及其组成的阻尼得出结论。特别地，可以得出关于声压波的特性的结论。可以优选地通过在至少一个位置和/或至少一个区域处测量结构的偏转并将其与未被声压波抑制的偏转或振动的测量进行比较来测量结构的阻尼。
能够振动的结构的振动特性优选地包括结构的振动的品质因数和/或Q-因数。这优选地通过测量谐振频率和谐振的半宽度Δω来测量，并且特别地Q＝ω0/Δω，其中半宽度优选地被限定为：振动幅度为最大振动幅度(谐振中)的1/√2处的两个频率之间的频率间隔，或振动强度为最大振动强度(谐振中)的一半处的两个频率之间的频率间隔。品质因数优选地以已知的、可测量的和/或可计算的方式取决于分析容积部中声压波的形成。因此，可以有利地通过测量关于声压波并因此关于气体及其组成的品质因数得出结论。特别地，可以得出关于声压波的特性的结论。
能够振动的结构的振动特性特别地取决于声压波的形成，这优选地意味着可以通过测量振动特性来测量声压波的特性。声压波的特性特别地包括与声压波的调制IR激励相关(优选地是随时间变化)的相位、强度、幅度、和/或频率。特别地，振动特性的测量使得能够测量分析容积部(或样本容积部)中的气体的气体组成(具有IR辐射的吸收)，如通常的PAS。
优选地，振动特性，特别是上述振动特性，也可以随时间变化来测量，并且例如包括特性测量的在相应测量时的时间序列(根据测量时间按时间顺序排列)。振动特性的时间曲线可以优选地用于得出关于被分析气体的其他特性的结论，诸如声波在被IR辐射激励之后的衰减行为。
测量振动特性，不仅可以说明声压波的特性，还可以说明由于气体分子的调制吸收而不会存在声压波时的恒定压力。特别地，可以测量在吸收开始时的瞬时行为和/或在调制吸收之后的弛豫行为。
振动特性可以优选地通过使用锁定放大器的锁定技术来测量。由于特别优选地基本上在能够振动的结构的激励频率下进行振动特性的测量，或者测量信号由激励频率来调制，窄带带通滤波器可以应用于使用锁定放大器或锁定技术的测量，并且通过这种方式可将噪声(特别是热噪声)最小化。
还可以优选使用所描述的锁定技术来仅滤除窄带中调制的IR辐射的调制频率范围内的信号，并以此方式将测量的噪声最小化。
优选地，关于气体的密度和/或黏度的信息也可以通过能够振动的振动结构与气体的相互作用直接获得，从而有利地与由PAS产生的声压波一起获得，并因此提供分析容积部(特别是样本容积部)中气体组成的更全面的图像，和/或(优选地以协同方式)提高PAS的精度[2]。
由于组件的简单性和小型化能力，根据本说明书的优选光声光谱仪的设计可以非常紧凑和稳健，并且例如可以集成在智能手机或其他便携式设备中。
本发明的光谱仪具有通过声压检测器将调制的IR辐射的激励频率与测量频率进行解耦的特殊优点，其中，声压检测器包括由致动器主动激励的能够振动的结构，以及由测量单元产生的声压波的测量，在能够振动的结构的该频率处也包括该测量。该频率可以优选地高于待检测的声压波和调制的IR辐射的频率，由此，当检测到处于声压波的(优选地较低)频率和/或由调制的IR辐射本身引起的声音时，可以降低和/或排除特定的噪声源。可以降低的示例性噪声是热噪声、1/f噪声和/或1/f2噪声。
在本发明的一种优选实施方式中，光谱仪包括控制单元，所述控制单元被配置成使用激励频率来激励能够振动的结构进行振动，并且控制可调制的红外发射器，使得所述可调制的红外发射器发射以调制频率调制后的红外辐射，其中，该红外发射器的调制频率是该振动系统的激励频率的二分之一，优选地是该振动系统的激励频率的五分之一、十分之一或更小。红外发射器的调制频率优选在1Hz与200Hz之间，而能够振动的结构的激励频率大于1kHz，优选在1kHz与200kHz之间。
控制单元优选地适于输出电控制信号，该电控制信号一方面使致动器致动，另一方面致动可调制的红外发射器。为此，控制单元可以优选地具有至少两个信号输出端，其中一个输出端优选连接至致动器的信号输入端并且另一个输出端连接至红外发射器的信号输入端。此处输出的信号被优选地称为致动信号或控制信号。存在于致动器的信号输入端的信号应优选地设计成使得致动器使用激励频率来激励能够振动的结构进行振动。为此，来自控制单元的信号会随着时间变化被调整，例如，关于电压的幅度和波形被调整。
优选地，它是具有基本上与激励频率相对应的频率的周期信号。类似地，来自控制单元的信号(其被施加到IR发射器的信号输入端)随时间变化被调整，例如，优选地相对于电压的幅度和波形被调整，以生成具有调制频率的发射的IR辐射。优选地是具有基本上与调制频率相对应的频率的周期信号。但是两个信号的频率优选地是不同的。特别地，红外发射器的调制频率优选地是振动系统的激励频率的二分之一，优选地是振动系统的激励频率的五分之一、十分之一或更小。调制频率的信号可以优选地从对于激励频率而言的信号导出，例如，通过被应用于激励频率的信号的分频器和/或通过进一步的信号处理。这优选地发生在控制单元中。
然而，两个信号也可以优选地彼此分开地产生。特别地，可以优选地以特定方式额外地调制对于调制频率而言的信号，以便在检测到声压波时增加之后的可检测性。如果激励频率是调制频率的整数倍，则还可以优选的是控制单元在两个信号之间产生固定但可调节的相移。控制单元优选地具有至少一个输入端，经由该输入端可以将外部命令传输到控制单元以设置输出信号。控制单元优选地是至少一个集成电路，其可以接收和/或产生数字和/或模拟电信号，优选地用于上述目的。控制信号优选地是模拟信号，其可以关于信号特性(幅度、频率、相位，优选随着时间变化)被调整以优化PAS。控制单元优选地是至少一个计算机、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)和/或一些其他电子电路并且可以例如包括：数模转换器、模数转换器、存储器和/或(信号)放大器。
如果红外发射器的调制频率是能够振动的结构的激励频率的二分之一，优选地是能够振动的结构的激励频率的五分之一、十分之一或更小，则基本上具有调制频率的声压波可以优选地基本上在激励频率的范围内测量。由声压波引起的测量信号可以优选地用激励频率的信号来调制，因为这基本上对应于在激励时的能够振动的结构的频率。结果，可以有利地排除和/或过滤低频范围内的噪声并且特别是调制频率的范围内的噪声，并且可以改进PAS。现有技术PAS的另一个缺点是调制的红外辐射本身可以在声音检测器处产生(噪声)信号。因为在这种情况下的测量发生在大约至少2倍高的频率处，特别地是可以从测量中滤除和/或排除该干扰源。结果，可以在两个频率之间的特定比率内实现测量的改进，优选地是具有倍数的增加。
在一种优选实施方式中，红外发射器的调制频率优选在1Hz与200Hz之间，而能够振动的结构的激励频率在1kHz与200kHz之间。这些频率已被证明在确保高信噪比方面特别有效。此外，这些调制频率特别适用于实施具有成本低廉的、电调制的热红外发射器，由于热惯性，其优选地限于该数量级的调制频率范围。另一方面，由致动器以这些激励频率进行驱动的机械振动结构可以以特别简单、稳健且成本低廉的方式实施。
在该实施方式中，优选地，控制单元适用于产生这两个数量级的电子控制信号。因此，控制单元应该优选地在相应的频率范围内具有合适的电学带宽。红外发射器或(如果存在)外部调制器应优选适用于以该频率调制红外辐射。类似地，致动器必须适用于以这些频率激励能够振动的结构，并且结构本身必须适用于在这些频率中的至少一个频率处以至少一种振动模式振动。该结构优选地具有在优选频率范围内的至少一个频率处的至少一种振动模式中的谐振频率。
在本发明的一种优选实施方式中，能够振动的结构的激励频率对应于能够振动的结构的谐振频率。如上所述，能够振动的结构在谐振频率范围内或在谐振频率处的操作特别适用于测量声压波或其特性。特别地，各个振动模式的振动幅度优选地处于最大谐振，由此可以优选地改进振动特性的测量。
在本发明的另一种优选实施方式中，光谱仪包括成阵列的声压检测器。成阵列的声压检测器优选地包括多个声压检测器，例如2、3、4、5、10、20或50个声压检测器，它们相对于彼此在空间上布置。特别地，这种阵列包括多个能够振动的结构，其可由至少一个致动器激励并且其振动特性可由至少一个测量设备测量。特别优选地，每个能够振动的结构具有其自己的致动器和/或自己的测量设备。优选地，布置可以是声压检测器的多个行(沿着线以水平方式布置的检测器)和/或多个列(沿着线以竖向方式布置的检测器)的矩阵的形式。这就是可以有利地执行声压波的空间分辨测量的方式。因此，例如可以获得关于要测量的气体的空间分布的附加信息。
在一种具有样本室和参考室(见下文)的分析容积部实施方式的情况下，可以优选在每个室中具有至少一个声压检测器用于在每个室中单独测量，因此能够优选地排除干扰源，例如，在测量之后，并非来自样本室中吸收的IR辐射的外部声压波。在成阵列的声压检测器的情况下，每个检测器可以优选地具有不同的振动特性，特别是即使没有声压波的作用。结构本身可以具有不同的特性和/或可以以不同的方式(幅度、频率、相位)来激励。阵列的优选实施方式例如可以包括多个声压检测器，特别是多个能够振动的结构，它们例如以矩阵布局(例如，在9mm×9mm的区域中)的方式布置在根据标准电子组件的电路板兼容壳体中，例如，采用24针(24-pin)DIP(双列直插式封装)构造[2]。
在本发明的另一种优选实施方式中，致动器是MEMS致动器，优选地选自以下各者：静电致动器、压电致动器、电磁致动器和/或热致动器。MEMS致动器优选地是使用微系统技术的常规制造方法而制造的致动器，并且其还有利地具有微米级的尺寸。这种致动器特别紧凑、稳健且维护成本低，并且可以简单且成本低廉地制造。特别地，能够振动的结构(其被致动器激励以进行振动)也可以是MEMS元件，也就是说，优选地，该结构和致动器可以优选地与MEMS致动器一起在一个制造步骤中制造并且是紧凑的。理想地，可以使用相同基板的各部分进行制造。这简化了制造并使其更便宜。
上述致动器特别适合用于激励大量的快速振动，并且具有低能量要求，特别是由于它们紧凑设计。由于紧凑的设计和低惯性值，可以实现的振动范围也有利地是非常高的。
在本发明的另一种优选实施方式中，能够振动的结构包括弯曲梁、阀和/或膜。
能够振动的结构优选地被安装成使其能够振动和/或被设计成能够根据厚度和/或材料的选择以期望的频率振动。这特别地应用于能够振动的结构的上述实施方式。能够振动的结构，特别是弯曲梁、膜和/或阀，特别地存在于分析容积部和/或样本室的外边界表面上。如下所述，将能够振动的结构布置在样本室与参考室之间的连接通道内可以是特别有利的。在这种情况下，能够振动的结构具体地形成或包括在两个室之间的至少部分地或基本上压力密封的分区。
悬臂，或同义地，弯曲梁优选地是空间延伸的、特别是细长的元件，其被安装用于沿着至少一侧振动，以及以其他方式优选地被分离。悬臂例如可以具有平坦的、细长的长方体的形状，其厚度与横向和纵向延伸部相比明显更小，其中横向延伸部优选地小于纵向延伸部。
然而，被安装成可在两侧或多侧摆动的弯曲梁也可以是优选的。
例如，膜优选地是具有基本上圆的和/或多边形周界的薄而平坦的结构。膜优选地被安装成使得它可以沿着周界之一至少在一些区域中振动。膜可以优选地相对于分析室中的气体基本上是压力密封的。如果膜存在于分析室和/或样本室的外边界表面处，则膜可以优选地同样对存在于膜的另一侧上的气体是压力密封的。
阀特别地是用于关闭或控制流体(特别地是气体)的流动的组件。门襟部件(例如板、锥、球、膜和/或针)优选地基本上平行于流体的流动方向而移动，并且取决于定位，可以允许或不允许流体的至少部分的流动。例如，通过将具有密封表面的门襟部件压靠在开口的适当成形的边缘区域来使流动中断。阀可以优选地被配置成：使得如果阀的至少一侧的压力高于阈值，则阀至少部分地被压力和气体的至少部分的流动所打开，优选地沿着压力下降的方向被启用。阀有利地位于分析容积部和/或样本室的外部区域，例如，在连接通道中，并且被布置成使得它可以被由调制的IR辐射引起的声压波移动或引起振动。
在本发明的另一种优选实施方式中，声压检测器包括压电梁，其优选地布置为分析容积部中的悬臂。压电梁优选地是包括压电致动器的弯曲梁。这特别意味着弯曲梁包括至少一种压电材料，由于其特性和/或在悬臂内的布置，具有由电控制信号进行的适当电致动，能够实现由该信号控制的以压电方式激励的振动，从而能够实现如本文所述的声压检测器。
压电梁优选地具有用于由电控制信号控制的至少一个接触部，特别是以至少一个电极的形式，电控制信号施加到该电极上。特别地，压电梁具有至少两个电极。本领域普通技术人员知道如何提供产生主动激励的弯曲梁的期望振动特性的压电致动器，例如，通过适当的材料选择、材料的适当布置和/或通过电控制信号的适当电致动。悬臂椅特别地是弯曲梁，它被安装用于在一侧摆动，以及以其他方式被分离。
压电材料优选地是适用于呈现压电效应的材料。压电效应优选地描述了当施加电压和/或电场时材料的变形(逆压电效应)，由此可以施加力，特别是通过材料来施加力。压电效应还优选地描述了电极化的变化并且因此优选地描述了当固体弹性变形时固体上电压的出现和/或阻抗的变化(直接压电效应)。
压电结构的变形优选地特别取决于结构内的电极化并且可以优选地特别地受到电极布置的影响。这样，可以优选地影响结构的振动模式。
杆可以优选地是单的或单型悬臂，其优选地包括活动层和非活动或被动层。在这种情况下，活动层优选地表示压电层，其中通过施加的电场、特别是通过施加电控制电压来触发力或变形。该力或变形优选地产生梁的弯曲和/或变形，这可以优选地通过周期性的电控制信号来触发主动振动。非活动层优选地包括非压电材料。优选地，活动层和非活动层相互作用，使得由于施加的控制电压而产生合力，这导致杆的偏转，当电信号是周期性的时，这优选地导致振动。还可以优选的是，非活动层还包括压电材料，然而，压电材料不通过控制信号被电接触和/或致动，有利的是不向其施加电控制信号，并且压电材料特别地不经历外部电场，其由于非活动层的间接压电效应而触发内力和/或变形。
同样，悬臂可以优选地是双型悬臂，其优选地包括至少两个活动层。在至少两个活动层之间可以优选存在非活动层。优选的是，如果施加电压，则一个活动层收缩，而第二活动层膨胀，由此有利地实现悬臂的弯曲，与单悬臂相比，该弯曲特别地被放大，因此例如，在相同的施加电压下其具有更大的幅度。
在一种示例性实施方式中，悬臂具有1.511μm的长度、1.268μm的宽度和45μm的厚度并且被安装用于振动(特别是沿着宽度)，以及以其他方式被分离。悬臂优选地包括压电材料，特别是氮化铝(AlN)，并且包括电极，所述电极例如通过两对电极被优化以用于激励屋顶瓦形的振动模式，其中，每个电极优选地覆盖传感器的一半，并且压电材料可以通过由电极进行的平行或反平行电激励被设置为不同的奇偶振动模式[2]。
除了悬臂的材料和几何形状之外，悬臂的振动模式优选地由电极的布置和/或由施加的电控制信号确定。
在另一种示例性实施方式中，悬臂可以具有1.000μm的长度和250μm的宽度并且还可以包括AlN。例如，电极可以被布置在悬臂的上表面并分成两个大体相等的条带，其中一个条带作为激励电极，优选地向该激励电极施加电控制信号，另一条带用于如下所述的振动特性的电学测量。
在本发明的一种优选实施方式中，压电弯曲梁具有两个电极和压电中间层，该压电中间层由选自以下各者的材料制成：锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)。
这些材料具有特别有利的压电特性。压电弯曲梁可以特别容易地使用两个电极进行电控制，并使用电控制信号使其振动。两个电极可优选地放置在悬臂的表面上，例如可布置在顶部或底部，彼此相邻，和/或布置在顶部或底部在悬臂的相对表面上。至少一个电极也可以布置在内部，例如，在悬臂的中间层中。在主动激励与声压波和/或不与声压波相互作用的情况下，电极的材料和/或布置优选地被选择用于期望的振动特性或期望的振动模式。
在本发明的另一种优选实施方式中，分析容积部包括样本室和参考室，其中红外发射器被布置成使得红外发射器照射样本室而不是参考室，并且样本室与参考室之间有连接通道，能够振动的结构位于该连接通道中。该实施方式的特征在于特别无误差或故障消极防护的PAS，因为在测量和/或测量评估期间，特别是来自不期望声源的声音被排除或不包括在测量中。在一种特别优选的实施方式中，分析容积部包括样本容积部和参考容积部，它们优选地具有至少近似相同、特别是相同的尺寸。有利地，在样本容积部与参考容积部之间存在过渡区域，声音检测器优选地位于该区域中。样本容积部和参考容积部优选也可以称为样本室和参考室，它们之间的过渡区域也可以称为连接通道。优选地，仅样本容积部暴露于调制的IR辐射。由于在样本容积部中的调制辐射的吸收，由于所产生的声压波会发展其他压力条件，这些压力条件与优选地与样本容积部和参考容积部都有关的压力条件叠加，并且可以由分析容积部内的统计压力来引起，以及由来自外部噪声源的优选不需要的声压波来引起。以此方式，可以优选地实施差分测量方法，其中优选地排除或不测量干扰压力和/或压力波动并且由于吸收的、调制的辐射而产生的声压波保持作为测量变量。
作为结构的声音检测器可以优选地将样本容积部和参考容积部彼此直接分离(优选地以基本上压力密封的方式)，并且包括振动分离膜和/或这些区域之间的阀以及部分地可渗透的阀或膜，然而，对两个容积部之间的压差反应灵敏，例如，因为它只允许延迟的压力均衡，因此由压力介导的力优选地能作用在结构上。
优选地，声音检测器还可以完全不渗透结构两侧的一种或更多种气体，其中膜优选地是薄的振动层，其在振动过程中会受到动态变化的压差的影响。
还可以优选的是，过渡区域至少部分地可渗透容积部中存在的气体，其中声音检测器布置在过渡区域中，但优选地不表示两个容积部之间的空间上完全分离的元件，但同时对两个容积部之间的压差反应特别敏感，并且它的振动行为也会受到影响。
优选地，相同的气体位于样本容积部和参考容积部中。
还可以优选的是，不同的气体被包括在样本容积部和参考容积部中，其中具有已知特性的气体存在于参考容积部中并且待分析的气体存在于样本容积部中。
通过使用两个容积部和至少一个声压检测器，可以有利地改进对误差源(诸如不需要的声波)的消除，因为它们作用于两个容积部，并且布置在两个容积部之间的声压检测器优选地基本上仅检测由与PAS相关的IR辐射引起的样本容积部中的声压波，作为样本容积部与参考容积部之间的差分信号。
在一种优选实施方式中，两个容积部中的每一个容积部包括至少一个声压检测器，使得声压检测器优选地仅测量由参考容积部和样本容积部中的外部(声音)源引起的不需要的压力波动，如果调制的红外辐射被吸收，除了不需要的压力波动外，还检测到由调制引起的声压波。在该实施方式中，在测量信号的进一步(电子)处理期间，特别是通过形成差，可以有利地排除不需要的信号。
在本发明的另一种优选实施方式中，声音检测器的测量单元是光学测量单元，优选地包括用于产生光子束的光子发射器以及光电检测器，其中，光子发射器与能够振动的结构对准，使得能够振动的结构的振动特性(优选地是能够振动的结构的振动幅度)可以通过光电检测器来测量。
在该实施方式中，光子发射器与能够振动的结构对准，这具体意味着由光子发射器发射的光或光子束与能够振动的结构对准并且其辐射基本上或部分地被该结构反射。为此，光子发射器的发射光谱和/或结构的发生反射的表面可以优选地匹配，使得束基本上或至少部分地被反射。光子发射器、光电检测器和/或结构优选地被彼此对准，使得由结构反射的束在光子检测器的检测表面中基本上或部分地被吸收并且优选由检测器转换成可测量和/或可读的电学或电子信号，以允许说明结构的振动特性。
特别优选的是，光学测量单元包括其他光学元件，例如分束器，并且光子发射器是激光器，使得光学测量单元可以通过干涉测量读出结构的振动特性。特别地，在结构上反射的部分束被叠加在未从结构反射的部分束上，其中两个部分光束基本上或部分地彼此相干并且彼此干涉。通过测量产生的部分束的相长或相消干涉，优选地知道了部分束从非振动结构被反射时所覆盖的距离，可以说明部分束的相对路径长度差和/或结构的当前位置，其中可以基于随时间变化的测量来特别地做出关于结构的振动特性的陈述。
在本发明的另一种优选实施方式中，声音检测器的测量单元是电学测量单元，优选用于测量能够振动的结构的振动特性，特别是能够振动的结构的振动幅度，主要借助于阻抗测量和/或电容性的测量。
阻抗特别地描述电压与电流的比率，其中正弦电压和电流用作基础，并且阻抗优选地包括关于电压和电流的幅度的比率以及它们彼此的相位关系的信息。特别是在包括至少一种压电材料的结构的情况下，阻抗可以优选地在结构上被测量，特别是在电极上，这取决于由于结构的变形及其压电特性引起的振动特性。该阻抗也可以优选地从被施加电控制信号以激励振动的电极读取。在这种情况下，控制信号的电压优选地与可以由于变形和/或振动特性及其对阻抗的影响而被测量的电压或电流叠加。
该电压和/或该电流优选地具有与控制信号相关的不同幅度和/或相移，其可以被测量，特别是通过使用借助于锁定放大器的锁定技术。与电控制信号成比例的电信号可以优选地被应用作为锁定放大器的输入端处的参考，并且可以通过锁定放大器与参考信号相比较来测量能够振动的结构的阻抗，优选地使用另外的电子组件。以这种方式，可以特别地说明阻抗与参考信号的相位比和/或阻抗的幅度，这样能够确定结构的振动特性。
还可以优选地施加用于对IR辐射进行调制的电调制信号作为在锁定放大器的输入端处的参考信号，使得在测量期间仅过滤基本上以该频率进行的振动特性的调制。
还可以优选地测量同时没有被施加电控制信号的附加电极上的阻抗。特别是由于直接压电效应，可以在那里测量电流和/或电压，这样适用于测量结构的振动特性。
使用锁定技术可以实施具有高信噪比的特别低噪声测量。
结构的电特性的测量(优选流动的电流和/或施加的电压，特别是阻抗，其优选地在结构的电极处被分接)，如果结构的振动不是基于压电效应而被激励的，则该测量也可以优选地用于测量振动特性。在这种情况下，该结构可以特别地包括压电和/或压阻材料，其电特性被测量，所述特性由于振动特性导致的变形而改变。
电学测量单元可以优选地用于能够振动的结构的电容性的测量。电容性的测量特别地包括电容的测量。优选地，该结构可以具有用于这种测量的至少一个电极，其中例如测量该电极与不与该结构谐振并且优选地是永久安装在分析容积部上的电极之间的电容。电极的电容或可在电极之间测量的电压和/或由电极形成的电容器的阻抗发生变化，特别是由于电极之间的距离因振动特性而变化，特别是结构的瞬时偏转，例如，通过施加交变电流和/或交变电压，可以测量这样的变量。
在本发明的另一种优选实施方式中，可调制的红外发射器包括加热元件，其中加热元件包括基板，由传导材料制成的可加热层被至少部分地施加到该基板上，所述基板包括用于电流源和/或电压源的接触部，其中，所述基板优选地选自以下各者：硅、单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、硅锗、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓和/或磷化铟，以及/或者，用于形成可加热层的传导材料优选地选自以下各者：铂、钨、(掺杂的)氧化锡、单晶硅、多晶硅、钼、钛、钽、钛钨合金、金属硅化物、铝、石墨和/或铜。
加热元件包括由传导材料制成的可加热层，当电流流过它时，该传导材料产生焦耳热。特别地，加热元件包括其上存在可加热层的基板。基板优选地形成加热元件的基部。在这种情况下，基板也可以至少部分地包括红外发射器的另外的元件，例如基部元件和/或壳体元件。基板可以有利地通过已建立的工艺步骤(特别是从半导体和/或微系统制造)被适当地成形。上述的材料在半导体和/或微系统生产中特别容易且廉价地加工，并且也非常适合批量生产。这些材料还特别适用于掺杂和/或涂覆，以便在特定区域实现所需的电、热和/或辐射特性。
在可调制的红外发射器的另一种优选实施方式中，用于形成可加热层的传导材料选自以下各者：铂、钨、(掺杂的)氧化锡、单晶硅、多晶硅、钼、钛、钽、钛钨合金、金属硅化物、铝、石墨和/或铜。一方面，这些材料具有所期望的热、电、机械和/或辐射特性，而且加工起来也特别容易且廉价。
(微型)加热元件优选地至少部分地分离，并且允许例如由于强烈的温度变化和平移运动而在IR发射器内产生热膨胀。部分地分离意味着它在界面处至少部分地非摩擦性地和/或刚性地连接到发射器的其他元件，因此具有沿着基本上垂直于界面的方向的运动自由度。
在本发明的一种优选实施方式中，控制设备被配置成在介于50℃与1000℃之间的范围内对加热元件的温度进行调节，优选地在介于100℃与1000℃之间的范围内对加热元件的温度进行调节。
这种控制设备优选地能够为加热元件提供合适的电力。特别地，温度应该是可调的、保持恒定的和/或以足够的精度调制。为此可以使用带有反馈回路的控制机制。为了测量加热元件的当前温度，例如至少一个温度传感器可以集成在加热元件上的合适点处。
可能特别优选的是在提及的范围内调制温度以对IR辐射进行调制。温度优选地在最高温度与最低温度之间被调制，其中至少最高温度是在上述温度范围内。
在另一方面，本发明涉及一种用于对气体进行分析的方法，包括：
a.提供根据上述权利要求中任一项权利要求所述的用于对气体进行分析的光声光谱仪，
b.使用以调制频率调制后的红外辐射照射气体以产生声压波，
c.以激励频率来激励能够振动的结构，
d.测量能够振动的结构的振动特性，该振动特性的测量取决于声压，
e.基于所测量的振动特性来确定气体的声压。
本领域普通技术人员认识到，根据本发明的光声光谱仪的优选实施方式的技术特征、限定和优点也适用于根据本发明的方法。
在本发明的一种优选实施方式中，对通过调制的红外辐射产生的声压波的时间分布进行确定。特别地，可以通过测量振动特性的时间序列来随时间变化而测量声压波，这有利地还允许了解待分析的气体，例如，由调制的IR辐射进行激励后的弛豫行为。在这种情况下，不仅可以优选地测量气体内的声压波，而且还可以测量恒定或缓慢变化的压力。结果，当声压波开始和/或衰减时，也可以优选地测量气体的特性，特别是气体的弛豫行为。
详细描述
下面将使用示例更详细地解释本发明，但不限于这些。
具有能够振动的结构的环境气体的简单压力测量：
下面将举例说明环境气体的压力测量的理论基础。
在谐振振动结构，尤其是MEMS结构的背景下，Q因数(品质因数的缩写)是重要的参数[1]。Q因数(也称为品质因数)被优选地限定为振动时间段期间储存在振动结构中的能量与能量损失之比的2π倍。能量损失特别是由振动阻尼引起的。阻尼优选地是由于结构内的内部摩擦损失和外部损失两者，例如，通过振动结构与环境气体的气体分子的碰撞，优选也称为粘滞阻尼。因此，优选地存在振动结构与气体环境的相互作用，特别是经由气体环境的压力条件，特别是随着时间变化，这有利地还包括与声压波的相互作用。例如，机械振动系统的动态行为受环境气体的粘滞阻尼影响，优选地由于气体的压力条件，例如通过谐振频率的移位和/或振动幅度的变化。对于振动系统，例如能够振动的振动结构，其优选地基本上可以由二阶微分方程描述，系统的谐振或固有频率(优选地没有阻尼)与系统的最好是弱阻尼(优选地在0与1之间的阻尼)存在以下相关性：
ω0＝(K/M)1/2，
其中K优选地是描述能够振动的结构的弹簧常数并且M优选地是结构的质量。由于阻尼对结构的振动行为的影响，具有阻尼的实际谐振频率ωd与ω0相比优选地移位如下：
ωd＝ω0(1-ξ2)1/2，
其中ξ描述阻尼比率。
因此可以使用测量的谐振频率ωn,meas和测量的品质因数Qmeas来有利地测量或估计阻尼比率：
ξ＝Cn/(2mωn,meas)，
其中m优选地为结构的质量，Cn优选地为阻尼系数，其优选地被限定如下：
Cn＝mωn,meas/Qmeas。
优选地通过测量谐振频率ωn,meas和谐振的半宽度Δω来测量Qmeas，并且特别地Qmeas＝ωn,meas/Δω，其中半宽度优选地被限定为在振动幅度为最大振动幅度(谐振中)的1/√2处或振动强度为最大振动强度(谐振中)的一半处的两个频率之间的频率间隔。这优选至少在高于负压和/或真空压力的压力下进行应用，优选地高于0.01mbar，特别优选地高于0.1mbar，更优选地高于1mbar，特别地高于10mbar，其中mbar优选地为毫巴，即优选为10- 3bar，其中1bar特别对应于105帕斯卡(缩写：Pa)。
在这些压力范围内，优选地，在能够振动的结构的阻尼与环境气体的压力之间存在可测量和/或可计算的关系，该压力特别地拦截声压波的形成。因此，可以优选地借助于能够振动的结构来精确地测量压力，特别是声压波。
压电悬臂的制造：
下面以AlN制成的压电悬臂的制造方法为例进行说明[1]。为此，第一步骤是在1.000℃的干燥气氛中对厚度为450μm的4"p掺杂硅晶片(100)的两侧进行氧化以进行钝化。形成的SiO2层优选地为约130nm厚，其中硅基板优选具有低比电阻(<0.1ohm cm)并形成悬臂的下电极。在第二步骤中，优选地通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在晶片的下侧沉积400nm厚的Si3N4层，以用作硅的KOH蚀刻(KOH：氢氧化钾)的掩模层。接下来，优选地从上方去除SiO2层和Si3N4层以暴露下电极和挂梁或悬臂。同样，这些层从要放置挂梁的下侧被移除，优选地使用氟酸(HF)(步骤3)。在第四步骤中，在溅射设备(例如Von Ardenne)中，在纯氮气氛中，将1.000nm厚的AlN膜从铝(Al)靶反应性地分离。基板优选地在名义上未加热。环境压力优选地设置为约4×10-3mbar，以获得具有有效d33＝3pm/V的良好c取向的AlN薄膜。在这些分离条件下，在1.000w时溅射速率优选地是约20nm/min。优选地使用常规光致抗蚀剂(AZ1518)作为掩模以用于从下电极区域和硅膜区域湿化学去除AlN，该掩模随后在适当位置被蚀刻以产生悬臂的单侧悬挂结构(步骤5)。在提到的参数下，AlN蚀刻速率优选为大约10nm s-1。在第六步骤中，通过溅射和随后在王水(优选以比率为3:1的浓盐酸(HCl)和浓硝酸(HNO3))中大约500nm厚的金(Au)层的结构化来形成对于用作下电极的硅体而言的接触点和上电极。优选使用铬(Cr)薄层(厚度优选地约20nm)作为AlN与Au之间的粘附层，其中优选地使用常规Cr蚀刻剂进行结构化。在上电极的结构化完成后，优选在85℃使用38％的氢氧化钾(KOH)，以便在这些区域中构建具有20μm剩余厚度的基板(步骤7)。为了制造悬挂结构，硅基悬臂的用于自由摆动的AlN致动器的前侧的暴露优选地使用玻什方法进行(步骤8)。
附图说明
图1，分析容积部包括样本室和参考室以及声压检测器，该声压检测器具有在两个室之间的连接通道中的能够振动的结构。
图2，声压波的压力(顶部)以及振动幅度或强度的时间进程，一次没有声压波的阻尼效应(中心)，一次有声压波的影响(底部)。
图3，环境压力对能够振动的结构的振动特性的影响，特别是对谐振频率的影响。
具体实施方式
图1示出了包括样本室7和参考室9以及声压检测器的分析容积部1，该声压检测器具有在两个室之间的连接通道11中的能够振动的结构5。在该示例性实施方式中，两个室都包含相同的待分析气体，其中只有样本室暴露于调制的IR辐射3。在弯曲梁或悬臂在两个室之间的连接通道11中的情况下，能够振动的结构5由致动器(未示出)来激励以进行主动振动，并且测量单元(未示出)测量能够振动的结构的振动特性，例如，与能够振动的结构5的谐振频率和/或激励相关的振动相位、振动频率、振动幅度。这些振动特性取决于能够振动的结构5所经历的声压波的形成。除了由于在样本室7中待分析的气体的调制的IR辐射3的吸收而产生的声压波之外，这些还可能包含来自不期望的声源的声压波。由于不期望的声压波优选地到达参考室9和样本室，因此它们优选地以相同程度作用于悬臂的两侧，其中，来自样本室7的PAS的声压波仅从该样本室7的方向作用于能够振动的结构5，因此基本上可以通过其进行测量，而不需要测量不期望的声压波。
图2的顶部部分示出了由于气体分子的PAS激励引起的声压波的待测量压力的时间曲线示例。该图的中间部分示出了在不受声压波造成的外部影响的情况下由致动器激励的能够振动的结构5的振动特性。特别地，随时间变化来对振动幅度或振动强度进行绘图，然而其周期性也允许得出关于振动频率的结论。该图的底部部分示出了如果该图的顶部部分的声压波与来自该图的中心部分的能够振动的结构5的振动相互作用的结果。示意图示出了能够振动的结构5的振动特性如何受到声压波的影响，通过测量振动特性，可以得出关于声压波形成的直接结论，从而得出关于根据图1的样本容积部中气体组成的直接结论。特别地，特别地通过对振动的包络线进行的调制，可以看到影响能够振动的结构5的振动幅度或振动强度。
图3示出了环境压力对能够振动的结构5的振动特性的影响，特别是对能够振动的结构的谐振频率[1]和相应的振动幅度的影响。在此测量过程中，压力在统计学上是变化的，并在不同的静压力下测量了谐振频率及其振动幅度。特别是在大气压范围内的压力下，谐振频率对能够振动的结构5的环境压力的强依赖性是可见的，这是由于通过结构5与环境的气体分子的撞击而对振动的阻尼。在足够高的采样率下，这种在静态压力下的测量也可用以于动态压力变化，该动态压力变化是由于气体分子吸收调制的红外辐射引起的声压波而引起的。在大约10mbar的低压下，仅示出了环境压力对能够振动的结构5的振动特性的较小影响。在如此低的压力下，由于周围气体的压力，结构5的固有阻尼的影响通常超过外部阻尼的影响。然而，即使在这些低压力下，例如如果频率和振动幅度或振动强度的测量的分辨率将增加，也可以优选地基于振动特性的测量做出说明。
参考标记列表
1 分析容积部
3 调制的红外辐射
5 能够振动的结构
7 样本室
9 参考室
11 连接通道
参考文献
[1]Abdallah Ababneh，A.N.Al-Omari,A.M.K.Dagamseh,H.C.Qiu,D.Feili,V.Ruiz-Díez,T.Manzaneque,J.Hernando,J.L.Sánchez-Rojas,A.Bittner.U.Schmid.,H.Seidel:Electrical characterization of micromachined AlN resonators atvarious back pressures(在各种背压下微机械加工的AlN谐振器的电气特征)，MicrosystTechnol 20:663-670,2014。
[2]G Pfusterschmied,M.Kucera,E.Wistrela,T.Manzaneque,V.Ruiz-Díez,J.L.Sánchez-Rojas,A.Bittner and U.Schmid et al:Temperature dependentperformance of piezoelectric MEMS resonators for viscosity and densitydetermination of liquids(用于液体黏度和密度测定的压电MEMS谐振器的温度相关性能)，J.Micromech.Microeng.25 105014,2015。

Claims (16)

1.一种用于对气体进行分析的光声光谱仪，所述光声光谱仪包括：
-可调制的红外发射器，
-能够填充有气体的分析容积部(1)；和
-声压检测器，
其中，所述红外发射器、所述分析容积部(1)和所述声压检测器被布置成：使得能够以可调制的方式从所述红外发射器发射的红外辐射能够激励所述分析容积部中的气体，以形成能够使用所述声压检测器来测量的声压波，
其特征在于，
所述声压检测器包括能够振动的结构(5)、致动器和测量单元，其中，所述致动器被配置成主动激励所述能够振动的结构(5)的振动，以及所述测量单元被配置为用于测量所述能够振动的结构(5)的振动特性，所述振动特性的测量取决于所述声压波的形成，并且其中，所述红外发射器的调制频率优选地介于1Hz与200Hz之间，而所述能够振动的结构(5)的激励频率介于1kHz与200kHz之间。
2.根据前一权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述光谱仪包括控制单元，所述控制单元被配置成：使用激励频率来激励所述能够振动的结构(5)进行振动，以及控制所述可调制的红外发射器，使得所述可调制的红外发射器发射以调制频率调制后的红外辐射(3)，其中，所述红外发射器的所述调制频率是所述能够振动的结构(5)的所述激励频率的二分之一，优选地所述红外发射器的所述调制频率是所述能够振动的结构(5)的所述激励频率的五分之一、十分之一或更小。
3.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述能够振动的结构(5)的所述激励频率对应于所述能够振动的结构(5)的谐振频率。
4.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述光谱仪包括成阵列的声压检测器。
5.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述致动器是MEMS致动器，所述MEMS致动器优选地选自以下各者：静电致动器、压电致动器、电磁致动器和/或热致动器。
6.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述能够振动的结构(5)包括弯曲梁、阀和/或膜。
7.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述声压检测器包括压电梁，所述压电梁优选地布置为所述分析容积部中的悬臂，其中，所述压电弯曲梁优选地包括由选自锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)的材料制成的压电中间层和两个电极。
8.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述分析容积部(1)包括样本室(7)和参考室(9)，其中，所述红外发射器被布置成：使得所述红外发射器照射所述样本室(7)而不照射所述参考室(9)，并且其中，在所述样本室(7)与所述参考室(9)之间存在连接通道(11)，所述能够振动的结构(5)位于所述连接通道(11)中。
9.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述声音检测器的所述测量单元是光学测量单元，所述光学测量单元优选地包括光电检测器和用于产生光子束的光子发射器，其中，所述光子发射器与所述能够振动的结构(5)对准，使得所述能够振动的结构(5)的振动特性能够通过所述光电检测器来测量。
10.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述声音检测器的所述测量单元是电学测量单元，所述电学测量单元优选地用于通过阻抗测量和/或电容性的测量来测量所述能够振动的结构(5)的所述振动特征。
11.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述可调制的红外发射器包括加热元件。
12.根据前一权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，所述加热元件包括基板，在所述基板上至少部分地施加有传导材料制成的可加热层，所述基板包括用于电流源和/或电压源的接触部。
13.根据前一权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，所述基板选自以下各者：硅、单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、锗硅、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓和/或磷化铟，以及/或者，
用于形成所述可加热层的所述传导材料优选地选自以下各者：铂、钨、(掺杂的)氧化锡、单晶硅、多晶硅、钼、钛、钽、钛钨合金、金属硅化物、铝、石墨和/或铜。
14.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的光声光谱仪，
其特征在于，
所述控制设备被配置成在介于50℃与1000℃之间的范围内对所述加热元件的温度进行调节，优选地在介于100℃与1000℃之间的范围内对所述加热元件的温度进行调节。
15.一种用于对气体进行分析的方法，所述方法包括：
a.提供根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的用于对气体进行分析的光声光谱仪；
b.使用以调制频率调制后的红外辐射(3)来照射气体以产生声压波；
c.以激励频率来激励所述能够振动的结构(5)；
d.测量所述能够振动的结构(5)的振动特性，所述振动特性的测量取决于声压；
e.基于所测量的振动特性来确定所述气体的所述声压。
16.根据前一权利要求所述的用于对气体进行分析的方法，
其特征在于，
对通过经调制的红外辐射(3)而产生的所述声压波的时间分布进行确定。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020112123A1 (de) * 2020-05-05 2021-11-11 Tdk Corporation Photoakustische Messanordnung und Verfahren zur Detektion eines Gases
CN112504967B (zh) * 2020-12-09 2024-04-12 之江实验室 一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统
CN113125350A (zh) * 2021-03-17 2021-07-16 大连理工大学 一种可同时感测氢气浓度和光声信号的微音器及感测方法
CN114428025B (zh) * 2022-01-04 2023-09-26 苏州热工研究院有限公司 一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69723891T2 (de) * 1996-12-31 2004-06-03 Honeywell, Inc., Minneapolis Photoakustische Vorrichtung und Verfahren zur Feststellung mehrerer Gase
US20040227087A1 (en) * 2003-03-03 2004-11-18 Markham James R. Analyzer for measuring multiple gases
US20110072886A1 (en) * 2009-09-30 2011-03-31 Catherine Genevieve Caneau Gas Sensor Based On Photoacoustic Detection
US20120151994A1 (en) * 2010-12-15 2012-06-21 Texas Instruments Incorporated Active detection techniques for photoacoustic sensors
EP2543987A1 (en) * 2011-07-07 2013-01-09 Honeywell International Inc. Resonant photo-acoustic system
CN104833645A (zh) * 2015-05-13 2015-08-12 南京信息工程大学 一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法
US20170288125A1 (en) * 2016-04-01 2017-10-05 Infineon Technologies Ag MEMS Heater or Emitter Structure for Fast Heating and Cooling Cycles
US20180136166A1 (en) * 2015-05-11 2018-05-17 9334-3275 Quebec Inc. Photoacoustic detector
US20180146512A1 (en) * 2016-11-22 2018-05-24 Infineon Technologies Ag Infrared emitter arrangement and method for producing an infrared emitter arrangement
US20190017966A1 (en) * 2017-07-11 2019-01-17 Saudi Arabian Oil Company Photoacoustic gas detection

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2471048B (en) * 2008-04-09 2012-05-30 Halliburton Energy Serv Inc Apparatus and method for analysis of a fluid sample
US7958771B2 (en) * 2008-04-23 2011-06-14 Honeywell International Inc. Photoacoustic sensor
US8584508B2 (en) * 2011-04-26 2013-11-19 Honeywell International Inc. Photoacoustic sensor with adaptive operating frequency
US9513261B2 (en) * 2013-10-14 2016-12-06 Infineon Technologies Ag Photoacoustic gas sensor device and a method for analyzing gas
DE102018110689B4 (de) * 2018-05-04 2023-09-21 Infineon Technologies Ag Photoaskustische Gassensoren und Verfahren zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69723891T2 (de) * 1996-12-31 2004-06-03 Honeywell, Inc., Minneapolis Photoakustische Vorrichtung und Verfahren zur Feststellung mehrerer Gase
US20040227087A1 (en) * 2003-03-03 2004-11-18 Markham James R. Analyzer for measuring multiple gases
US20110072886A1 (en) * 2009-09-30 2011-03-31 Catherine Genevieve Caneau Gas Sensor Based On Photoacoustic Detection
US20120151994A1 (en) * 2010-12-15 2012-06-21 Texas Instruments Incorporated Active detection techniques for photoacoustic sensors
EP2543987A1 (en) * 2011-07-07 2013-01-09 Honeywell International Inc. Resonant photo-acoustic system
US20180136166A1 (en) * 2015-05-11 2018-05-17 9334-3275 Quebec Inc. Photoacoustic detector
CN104833645A (zh) * 2015-05-13 2015-08-12 南京信息工程大学 一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法
US20170288125A1 (en) * 2016-04-01 2017-10-05 Infineon Technologies Ag MEMS Heater or Emitter Structure for Fast Heating and Cooling Cycles
US20180146512A1 (en) * 2016-11-22 2018-05-24 Infineon Technologies Ag Infrared emitter arrangement and method for producing an infrared emitter arrangement
US20190017966A1 (en) * 2017-07-11 2019-01-17 Saudi Arabian Oil Company Photoacoustic gas detection

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