CN113624800A - 流体传感器 - Google Patents
流体传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113624800A CN113624800A CN202110489972.1A CN202110489972A CN113624800A CN 113624800 A CN113624800 A CN 113624800A CN 202110489972 A CN202110489972 A CN 202110489972A CN 113624800 A CN113624800 A CN 113624800A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fluid
- radiation
- housing structure
- sensor
- chamber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title claims abstract description 261
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 195
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 129
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 64
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 55
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 24
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 21
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 9
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 24
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 5
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000001745 non-dispersive infrared spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 230000009291 secondary effect Effects 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 3
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N formaldehyde Substances O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009290 primary effect Effects 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N EtOH Substances CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000003570 air Substances 0.000 description 2
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229910002089 NOx Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000005534 acoustic noise Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009774 resonance method Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 1
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
- G01N29/2425—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics optoacoustic fluid cells therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/02—Analysing fluids
- G01N29/036—Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
- G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/021—Gases
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
本公开的各实施例总体上涉及流体传感器。流体传感器(10)包括：壳体结构(12)，形成腔室(14)；IR发射器(18)，被配置用于在腔室(14)中发射IR辐射(20)，其中IR辐射(20)具有中心波长(λ0)，以用于提供IR辐射(20)与目标流体(FT)的相互作用，该相互作用导致腔室(14)中或壳体结构(12)中的温度变化(ΔT)，该温度变化(ΔT)影响壳体结构(12)中的机械脉冲(22)；以及惯性检测传感器(24)，被机械地耦合到壳体结构(12)，以用于感测壳体结构(12)中的机械脉冲。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及流体传感器(诸如，气体传感器或液体传感器)的领域。更具体地，实施例涉及基于加速度传感器的PAS系统的领域，并且特别地，涉及使用加速度传感器或惯性传感器或谐振传感器来拾取声音或机械脉冲(例如，振动)的光声传感器。
背景技术
周围大气中的环境参数(诸如，噪声、声音、温度和气体)的感测(例如，环境气体部件)在移动设备、家庭自动化(诸如，智能家居)以及汽车行业中适当的传感器的实现中变得越来越重要。有害气体浓度可能由于空气污染和/或某些电气设备或电子设备的故障而发生。然而，人或动物的健康受到空气质量的强烈影响。因此，通过廉价、始终可用和连接的传感器在环境大气中进行气体检测和气体评估是未来的主题。但是，随着传感器的广泛使用，还特别需要能够尽可能便宜地生产这种传感器，从而具有成本效益。但是，仍然应当保持甚至提高传感器的可靠性和准确性。
特别地，监测我们的环境中空气质量的领域越来越受到关注。典型的光学传感器(诸如，光声传感器(PAS))包括：辐射源、用于波长选择的滤光元件、检测器以及其中光源与检测器之间的光与环境介质相互作用的采样区域。
在该领域中，使用开放式光声传感器或封闭式光声传感器。开放式光声传感器使用谐振方法来检测气体浓度，或者使用检测器隔膜直接地调节气体扩散并且将测量腔室与环境分离。封闭式光声传感器通常使用填充有目标气体的参考单元，这些参考单元通常经由确定浓度的吸收路径与检测器分离。PAS传感器生成声波，并且经由声换能器(诸如，麦克风)检测时变幅度。
总体上，在该领域中需要一种实现流体传感器的方法，该流体传感器具有降低的制造要求，并且为要由流体传感器设备检测的目标流体提供足够的灵敏度。
这种需求可以通过根据权利要求1所述的流体传感器来解决。进一步，在从属权利要求中限定了流体传感器的具体实现。
发明内容
根据实施例，一种流体传感器包括：壳体结构，形成用于目标流体成分的腔室；IR发射器，被光学地耦合到壳体结构并且被配置用于在腔室中发射IR辐射，其中IR辐射具有中心波长，以用于提供IR辐射与目标流体的相互作用，该相互作用导致腔室中或壳体结构中的温度变化，该温度变化影响壳体结构中的机械脉冲；以及惯性检测传感器，被机械地耦合到壳体结构，以用于感测壳体结构中的机械脉冲。
根据实施例，IR辐射与目标流体的相互作用是通过目标流体对IR辐射的吸收，并且其中通过目标流体对IR辐射的吸收导致目标流体的温度变化，因此导致腔室中的压力变化，这影响了壳体结构中的机械脉冲。因此，壳体结构中的机械脉冲的振幅与通过目标流体对IR辐射的吸收成正比。因此，惯性检测传感器的输出信号与通过目标流体对IR辐射的吸收成正比，并且流体传感器具有PAS传感器功能(PAS＝光声光谱仪)。
根据实施例，IR辐射与目标流体的相互作用是通过目标流体对IR辐射的吸收，这导致壳体结构中的温度变化或热脉冲，其中壳体结构的加热以及壳体结构中产生的机械脉冲的振幅与通过目标流体对IR辐射的吸收成反比。因此，惯性检测传感器的输出信号与通过目标流体对IR辐射的吸收成反比，并且流体传感器具有NDIR传感器功能(NDIR＝非分散IR)。
根据实施例，一种流体传感器包括：壳体结构，形成腔室；惯性检测传感器，其中惯性检测传感器的一部分形成辐射接收区段；以及IR发射器，被光学地耦合到壳体结构并且被配置用于在腔室中发射IR辐射，其中IR辐射具有中心波长λ0，以用于提供IR辐射与目标流体的相互作用，该相互作用导致惯性检测传感器的辐射接收区段中的温度变化，该温度变化影响惯性检测传感器中的机械脉冲，其中惯性检测传感器被布置用于感测机械脉冲。
附图说明
在下文中，结合附图对本公开的实施例进行更详细地描述，其中：
图1示出了根据实施例的流体传感器的示意性横截面图；
图2示出了根据进一步的实施例的流体传感器的示意性横截面图；
图3示出了根据进一步的实施例的流体传感器的示意性横截面图；
图4示出了根据进一步的实施例的流体传感器的示意性横截面图；
图5示出了根据进一步的实施例的流体传感器的示意性横截面图。
在使用附图更详细地讨论本实施例之前，应当指出，在附图和说明书中，相同的元件和具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元件通常被设置有相同的附图标记或相同的名称标识，从而使得在不同实施例中对这些元件及其功能的描述可以相互交换或可以在不同实施例中彼此应用。
具体实施方式
在下面的描述中将详细讨论实施例，然而，应当理解，实施例提供了可以在各种各样的半导体器件中体现的许多可应用的概念。所讨论的特定实施例仅是制造和使用本概念的特定方式的说明，并且不限制实施例的范围。在以下实施例的描述中，具有相同功能的相同或相似的元件具有相同的附图标记或相同的名称，并且将不会在每个实施例中重复对这些元件的描述。此外，除非另外特别指出，否则下文中描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
应当理解，当元件被称为被“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以被直接地连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为被“直接地”连接(“连接”或“耦合”)到另一个元件时，则没有中间元件。用于描述元件之间的关系的其它术语也应当以类似的方式被构造(例如，“在……之间”与“直接地在……之间”，“相邻”与“直接地相邻”，以及“在……上”与“直接地在……上”等)。
为了便于描述不同的实施例，附图包括笛卡尔坐标系x,y,z，其中x-y平面对应于(即，平行于)基板的第一主表面区段(＝参考平面＝xy平面)，其中相对于参考平面(x-y平面)竖直向上的方向对应于“+z”方向，并且其中相对于参考平面(x-y平面)竖直向下的方向对应于“-z”方向。在下面的描述中，术语“横向”是指平行于x方向和/或y方向的方向(即，平行于x-y平面)，其中术语“竖直”是指平行于z方向的方向。在图1至图5中，绘图平面平行于x-z平面。
图1示出了根据实施例的流体传感器10。根据实施例，流体传感器10包括壳体结构(或封装)12。壳体结构12形成腔室14。流体传感器10还包括IR发射器18，IR发射器18被光学地耦合到壳体结构12并且被配置用于在腔室14中发射IR辐射20，其中IR辐射20具有中心波长λ0，以用于提供IR辐射20与目标流体FT的相互作用，从而导致腔室14中的温度变化ΔT，该温度变化ΔT影响壳体结构12中的机械脉冲22。流体传感器10还包括惯性检测传感器24，被机械地耦合到壳体结构12，用于感测壳体结构12中的机械脉冲。
壳体结构12可以包括被机械地键合的盖元件12-1和基板12-2。如图1中示例性地示出，IR发射器18可以被布置在腔室14内部。根据下文进一步的实施例，IR发射器18也可以被布置在腔室14外部。因此，IR发射器18被光学地耦合到壳体结构12并且被配置为在腔室14中发射IR辐射20，其中IR辐射20具有中心波长λ0，以用于提供IR辐射20与目标流体成分FT的相互作用(例如，吸收)，从而导致腔室14中的流体大气的温度变化ΔT或者导致壳体结构12的至少一部分12-3中的温度变化ΔT。腔室14中或壳体结构12的至少一部分中的流体大气的这种温度变化ΔT影响或导致壳体结构12中的机械脉冲22。流体传感器10还包括惯性检测传感器24(例如，加速度计或陀螺仪等)，被机械地耦合到壳体结构12，用于感测壳体结构12中的机械脉冲22。因此，实施例经由惯性检测传感器24(诸如，加速度计)提供光声拾音。
根据实施例，流体传感器10被布置用于感测周围大气FE(例如，环境介质)中的目标流体或目标流体成分FT的量或浓度。在本文上下文中，术语流体可以涉及液体或气体。在环境介质涉及环境空气的情况下，目标流体可以涉及存在于环境空气(＝环境大气)FE中的目标气体或目标气体成分FT。本概念同样适用于感测环境介质FE、环境气体或环境液体中的目标液体或目标液体成分FT。在本文中，气体和液体统称为流体。
根据实施例，机械脉冲或结构脉冲22可以被视为壳体结构12的至少一个区域的局部、机械或结构变形，其中机械脉冲22在壳体结构12中传播或扩散。因此，机械脉冲22可以作为结构声或固体声在壳体结构12中传播或扩散。多个机械脉冲或一系列机械脉冲22也可以被称为机械振动。
根据实施例，惯性检测传感器24可以包括加速度计，该加速度计被配置为基于壳体结构12中的机械脉冲22的振幅来提供检测器输出信号SOUT1，该机械脉冲22由被机械地耦合到壳体结构12的惯性检测传感器24接收。例如，加速度计24可以包括用于感测壳体结构12中的机械脉冲22的压电传感器结构和/或电容传感器结构。
主要效果：如上所述，IR辐射20与腔室14中的目标流体或目标流体成分FT的相互作用可以导致腔室14中的流体大气的温度变化ΔT(作为第一效果)。由于IR辐射20与目标流体FT的相互作用，目标流体FT的分子吸收光(＝IR辐射20)并且由于腔室14中的流体大气的温度变化ΔT而在腔室14中产生压力脉冲ΔP。压力脉冲ΔP被转换为壳体结构12中的结构脉冲或振动22，并且利用惯性传感器24(例如，加速度计)实现压力脉冲(＝声音)检测形式的信号拾取。
该效果可以被认为是第一(主要)测量效果，其中IR辐射20与目标流体FT的相互作用是通过目标流体FT对IR辐射20的吸收，并且其中通过目标流体FT对IR辐射20的吸收导致目标流体FT的温度变化ΔT，并且因此导致腔室14中的压力变化ΔP，该变化影响壳体结构12中的机械脉冲22。
用于感测主要效果的测量的实现(＝测量设置)可能需要相对“封闭”的壳体12用于生成腔室14中的压力脉冲，因为压力脉冲ΔP与腔室14中的流体大气FE中的目标流体FT的浓度成比例或成正比。因此，壳体结构12或惯性检测传感器24中的机械脉冲22的振幅与通过目标流体对IR辐射20的吸收成正比。因此，惯性检测传感器24的输出信号SOUT1与通过目标流体FT对IR辐射20的吸收成正比，并且流体传感器10具有PAS传感器功能(PAS＝光声光谱仪)。
根据图1的实施例，壳体结构12可以包括通向腔室14的、用于包括目标流体成分FT的环境流体FE的流体通道16。因此，用于环境流体“FE”的流体通道16可以被布置用于在流体传感器10的环境与流体传感器10的腔室14之间提供流体交换，其中流体通道16可以被布置为如用于在腔室14中相对于环境的压力脉冲ΔP的低通滤波器一样，即，腔室14中相对于环境的快速压力变化ΔP基本上被保持在腔室14中，并且腔室14中相对于环境的缓慢的压力变化ΔP可以与环境平衡。
次要效果：如上所述，IR辐射20与目标流体成分FT的相互作用可以导致壳体结构12的至少一部分12-3或惯性检测传感器24的一部分的温度变化ΔT，该温度变化分别地影响壳体结构12中或惯性检测传感器24中的机械脉冲22。IR辐射20与腔室14中的目标流体FT的相互作用的这种另外的测量效果是通过目标流体FT对IR辐射的吸收，这导致在壳体结构12(即，在壳体结构12的至少一部分或整个壳体结构12)中的温度变化ΔT(＝热脉冲)。壳体结构12的局部加热与通过腔室14中的目标流体FT对IR辐射20的吸收成反比。通过IR辐射20对壳体结构12的加热减少了目标流体FT的IR辐射吸收量。
更具体地，由于目标流体FT的IR辐射吸收量，腔室14中的目标流体FT的浓度越高，则通过IR辐射20对壳体结构12的(局部)加热越低。因此，由于温度变化ΔT与通过腔室14中的目标流体FT对IR辐射20的吸收成反比，所以壳体结构12的局部加热以及所产生的热脉冲22是目标流体FT在环境流体FE中的浓度的量度。
如图1示例性地示出，腔室14可以被布置用于提供光学相互作用路径，该光学相互作用路径用于具有中心波长λ0的窄带电磁辐射20与腔室14中的目标流体FT的相互作用。壳体结构12的一部分或惯性检测传感器24的一部分可以形成辐射接收区域12-3。由于通过IR辐射20对壳体结构12的加热减少了通过目标流体FT的IR辐射吸收量，因此壳体结构12的内部部分(例如，盖12-1或基板12-2的一部分)或惯性检测传感器24的一部分可以形成放射接收区段12-3。
如图1示例性地示出，辐射接收区域12-3可以被设置在壳体结构12中或壳体结构12上，即被设置在盖12-1和基板12-2中的至少一个元件中或至少一个元件上。如图1进一步示出，辐射接收区域12-3可以可选地是惯性检测传感器24本身的一部分，例如(如果惯性检测传感器24被提供在封装12内部)腔室14中的惯性检测传感器24的表面区域。因此，辐射接收区域12-3被布置在围绕腔室14的封装12的内部，以及盖12-1中或盖12-1上，基板12-2中或基板12-2上，和/或惯性检测传感器24中或惯性检测传感器24上。
基于IR辐射20引起的加热，辐射接收区段12-3可以基于窄带电磁辐射20的信号强度来提供热感应机械脉冲22，该窄带电磁辐射20已经横穿腔室14中的光学相互作用路径P并且被辐射接收区段12-3接收。壳体结构12的辐射接收区段12-3的加热或惯性检测传感器24的加热与通过腔室14中的目标流体FT对IR辐射20的吸收成反比。因此，惯性检测传感器24的输出信号SOUT1与通过目标流体FT对IR辐射20的吸收成反比，并且流体传感器10具有NDIR传感器功能(NDIR＝非分散IR)。
由于IR辐射20与目标流体FT的相互作用，目标流体FT的分子吸收光(＝IR辐射20)，并且由于辐射接收区段12-3的温度变化ΔT，在壳体结构12的材料中或在惯性检测传感器24中产生热脉冲ΔP。因此，热能被转化为结构变形(例如，局部结构变形)和/或被转化为壳体结构12中或惯性检测传感器24中的结构性脉冲或振动，并且利用惯性传感器24(例如，加速度计)实现压力脉冲检测形式的信号拾取。
用于感测次要效果的测量的实现(＝测量设置)可能需要相对“开放”的壳体12用于生成壳体结构12中的或惯性检测传感器24中的热脉冲，并且用于“避免”腔室14中的压力脉冲，因为壳体结构12中的热感应机械脉冲与腔室14中的流体大气FE中的目标流体FT的浓度成反比。
因此，用于环境流体“FE”的流体通道16可以被布置用于在流体传感器10的环境与流体传感器10的腔室14之间提供相对“自由”的流体交换，即，腔室14中的相对于环境的缓慢和快速的压力变化ΔP可以立即与环境平衡，其中可以基本上避免腔室14中的压力脉冲ΔP。
根据(主要效果和次要效果的)实施例，壳体结构12可以包括以流体入口或流体开口16的形式的到腔室14的通道16。因此，对于包括目标流体或目标流体成分“FT”的环境流体“FE”，可以通过流体入口16访问腔室14。根据实施例，到腔室14的通道16还可以包括穿孔材料以及其它结构(例如，扩散器)或者甚至更复杂的结构(诸如，流体阀或流体泵)。扩散器16可以包括穿孔可渗透流体的隔膜以及与穿孔隔膜机械地耦合的增强结构，用于机械地硬化和/或稳定穿孔隔膜(120)。可以通过到壳体结构12的通道16(即，通过允许到腔室14的环境流体FE的入口的结构特征16)来调节腔室14中的流体扩散和声学抑制(例如，声学噪声抑制)。
根据实施例，壳体结构12可以包括在盖12-1、基板12-2或者盖12-1和基板12-2两者的辐射接收区段12-3处或附近的机械脉冲放大结构26。机械脉冲放大结构26可以具有悬臂元件、双金属结构、隔膜元件或用于提供机械脉冲22的机械放大(即，壳体结构12中的机械脉冲22的振幅)的任何其它敏感的振动结构中的至少一个。
图1的放大区域“1-1”示出了以悬臂元件形式的示例性机械脉冲放大结构26，例如具有用于增加机械脉冲22的机械放大的悬臂上的(小的)人造块26-1。
图1的放大区域“1-2”示出了以基于隔膜的谐振元件形式的示例性机械脉冲放大结构26。机械脉冲放大结构(＝加速度传感器)26可以被实现为MEMS麦克风，例如具有用于增加机械脉冲22的机械放大的隔膜26-2上的(小的)人造块26-1。
壳体结构12中的机械脉冲22的放大可以是当与未放大(热感应)的机械脉冲22的振幅相比时，壳体结构12中的温度变化ΔT(＝热脉冲)在具有增加的振幅的放大的机械脉冲22’中的转换。这种放大的机械脉冲22’是由于壳体结构12(的辐射接收区段12-3)中的温度变化ΔT而导致的易于检测的机械量度或物理量。机械脉冲22的放大取决于壳体结构12的温度变化ΔT或壳体结构12的区域12-3的温度变化ΔT，该壳体结构12的区域12-3被热耦合到机械振动放大结构26。
根据进一步的实施例，机械放大器26可以是遵循杠杆定律的结构，例如参见图1的放大区域“1-1”中所示的悬臂元件26。它也可以是遵循牛顿定律(例如，活塞压力定律)与不可压缩材料耦合的结构。为了获得快速的瞬态效果，可以通过利用其惯性力特征将耦合材料假定为不可压缩的。一种实现可以是感测振动或压力变化的大的隔膜，该隔膜被耦合到具有封闭的体积的传感器器件10，但是具有朝向传感器10的较小的开口。如果液体是不可压缩的或低可压缩的，则感测隔膜表面增加了相对于具有反特性的检测开口的信号。参见例如图1的放大的区域“1-2”中所示的基于隔膜的谐振器元件26。
备选地，也可以通过杠杆定律放大机械脉冲或振动22，其中力与位移成反比。备选地，可以使用谐振结构，诸如质量弹簧减震器，例如杠杆、支柱、隔膜等。根据实施例，机械放大结构26(例如，杠杆)可以被用于放大机械脉冲或振动22。此外，小的(＝快速的)双金属元件也可以被用作用于机械放大结构26的振荡器。
根据实施例，发射器结构18可以被配置为在特定的波长光谱中将电磁辐射20(例如，热辐射)发射到腔室14中。所发射的窄带电磁(例如，热)辐射20(例如，窄带热辐射)的波长λ0可以取决于要检测的流体，即环境大气中的目标流体FT。
在要检测目标气体FT的情况下，例如，目标气体FT可以包括一氧化碳CO、二氧化碳CO2、臭氧O3、氮氧化物NOx、甲烷CH4等。然而，该要检测的目标气体FT的列表不被认为是穷举的。在要检测目标液体FT的情况下，目标液体FT可以包括一氧化碳CO、二氧化碳CO2、甲烷CH4、乙醇、二氧化氮NO2、甲醛CH2O和/或水蒸气H2O。然而，该要检测的液体的列表不被认为是穷举的。
环境介质FE可以是环境气体，例如环境气体或任何气体大气、或环境液体(例如，一般水、自来水或任何液体)。
根据实施例，发射器结构18可以被配置为间歇性地或周期性地发射窄带电磁辐射20。发射器结构18还可以包括热源和/或红外源18-1，并且可选地，波长选择结构18-2被配置用于提供窄带电磁辐射20，例如具有中心波长λ0的IR辐射脉冲20。因此，包括目标流体FT(例如，目标气体或目标液体)的腔室14内部的环境流体FE(例如，环境气体或液体)吸收发射的电磁辐射20，其中流体的这种吸收可以产生腔室14中或壳体组件12中的温度T的变化(例如，增加)，该温度变化影响壳体结构12中的机械脉冲或振动22。
通过壳体结构12内部的目标流体FT和相关的机械脉冲对发射的热辐射20的吸收量可以取决于腔室14内部的目标流体的种类和量，并且可以随着目标流体FT及其浓度而变化。发射器结构18被布置在腔室14中或者被光学地耦合到腔室14。
在本说明书中，提及红外辐射(IR)作为热辐射的一个非限制性示例。热辐射可以是绝对零度以上的、从0°开氏温度开始的任何辐射。通常，红外辐射可以是热辐射的特定部分。附加地，提及辐射源并且该辐射源可以包括红外辐射源、发光二极管(LED)、激光源和/或热源(热发射器)中的至少一个辐射源。
图1的放大区域“1-3”示出了示例性IR发射器结构18。根据实施例，IR发射器结构18可以被形成为包括由发射器基板19-2支撑的独立隔膜19-1的热发射器(＝IR源)，其中独立隔膜19-1包括导电中心部分“S”，该导电中心部分“S”可以被布置在独立隔膜19-1上或被嵌入在独立隔膜19-1中，并且可以被布置在发射器衬底19-2中的发射器腔室19-3上。
(可选的)波长选择结构18-2被布置用于过滤由热发射器18-1发射的宽带IR辐射λ并且用于将窄带IR辐射20发射到腔室14中。因此，例如，波长选择结构(IR滤波器)18-2被配置用于提供具有中心波长λ0的窄带IR辐射20，该中心波长λ0落入目标流体成分FT的吸收光谱中。波长选择结构18-2可以被形成为IR滤波器(例如，Fabry-Perot滤波器元件)或者被形成为等离子结构(例如，用于发射的IR辐射的等离子谐振器)。
根据实施例，惯性检测传感器24(例如，加速度计或陀螺仪等)被机械地耦合或键合到壳体结构12，用于感测壳体结构12中的机械脉冲22。惯性检测传感器24可以包括具有机械谐振频率的悬置的机械传感器结构，该机械谐振频率在5Hz至25kHz之间或5Hz至100Hz之间。相对于壳体结构12中的机械脉冲22可偏转的悬置的机械传感器结构可以具有机械谐振频率，例如，在红外源18的时变或脉冲IR辐射20的频率范围内或在由红外源18的时变或脉冲IR辐射20产生的谐波的频率范围内。
根据实施例，MEMS麦克风可以被用作加速度传感器24，其中MEMS麦克风的谐振高于红外源18的时变或脉冲IR辐射20的频率范围或者在该谐波的频率范围内，但是MEMS麦克风仍可以被用于拾取宽频率范围(例如，5Hz至25kHz之间)中的机械振动。MEMS麦克风还能够检测声学信息，因此能够感测“宽”频率频谱。
根据实施例，壳体结构12包括盖结构12-1，该盖结构12-1被机械地耦合或键合到基板或基础元件12-2，其中惯性检测传感器24被机械地耦合到盖结构12-1和/或基板12-2。惯性检测传感器24被布置在壳体结构12的位置处，该位置允许接收和检测壳体结构12中的机械脉冲22。因此，惯性检测传感器24可以被布置在壳体结构12的位置处，当与壳体结构12的其它部分相比时，该位置提供了机械脉冲22的相对高的振幅。
如在图1中示例性地示出为可选位置，惯性检测传感器24可以被布置在腔室14内部或外部的壳体结构12处。在惯性检测传感器24被布置在腔室14外部的情况下，附加的壳体结构13可以被设置用于覆盖惯性检测传感器24，该附加的壳体结构13包括基板12-2和另外的盖结构13-1，该附加的壳体结构13被机械地耦合或键合到基板或基础元件12-2。
根据实施例，IR源18和惯性检测器24可以是被壳体结构12围绕的相同的物理设备的一部分。在流体传感器10是模块(例如，更高的杠杆组件)的一部分的情况下，可以附加地提供围绕模块的附加的壳体。
根据实施例，流体传感器可以可选地包括压差传感器28(例如，MEMS麦克风)，该压差传感器被布置在壳体结构12的腔室14中，以基于压力变化ΔP提供另外的检测器输出信号SOUT2，借助于IR辐射器20在壳体结构12的腔室14中产生压力变化ΔP。因此，可以通过声换能器28(例如，腔室或PAS容积14内部的MEMS麦克风)附加地检测压力变化ΔP，使得压差传感器28可以形成PAS传感器(PAS光声光谱仪)。
根据实施例，流体传感器10可以包括惯性检测传感器24，该惯性检测传感器24可以被机械地耦合到壳体结构，并且附加地包括声换能器28(例如，MEMS麦克风)。根据实施例，热发射器18和声换能器28可以被布置在相互测量腔室14内部。根据另外的实施例，热发射器18、惯性传感器24和声换能器28被布置在共同的测量腔室14内部。
根据实施例，流体传感器可以可选地包括处理电路或控制器30，用于向IR发射器18提供时变或脉冲的激励信号S18，并且用于读出和可选地处理惯性检测传感器24的相应的输出信号S10，并且用于提供流体传感器输出信号S10，该信号具有有关壳体结构12的腔室14中的环境流体FE中的目标流体成分FT的浓度的信息。可以由ASIC(ASIC＝专用集成电路)形成处理电路30。
基于来自处理电路30的时变或脉冲的激励信号S18，IR发射器18被配置用于以脉冲方式将IR辐射20发射到腔室14中，并且用于影响壳体结构12中的机械脉冲或振动22。
处理电路30还可以被配置用于读出并且可选地处理相应的压差传感器28的输出信号SOUT2，以提供具有关于目标流体成分FT的浓度的信息的流体传感器输出信号S10。
根据实施例，处理电路30可以被配置用于基于惯性检测传感器24的输出信号SOUT1和相应的压差传感器28的输出信号SOUT2的组合和处理来提供具有目标流体成分FT的浓度的信息的流体传感器输出信号S10。因此，由于流体检测基于两个不同的物理效应和相关的测量原理，所以可以实现可靠的流体传感器输出信号S10。
根据以上实施例，流体传感器10(例如，光声传感器(PAS))可以基于MEMS技术，并且可以包括斩波的MEMS红外发射加热器18-1、惯性传感器24、用于波长选择加热的(可选的)光学滤波器18-2以及壳体12。系统10可以由内部ASIC 30操作，该内部ASIC 30提供加热器(发射器)斩波信号(例如，电流)S18，以及惯性检测传感器24的输出信号SOUT1的结构振动读数以及可选地压差传感器28的输出信号SOUT2的结构振动读数。
处理电路30与惯性传感器24(可选的压差传感器28与热发射器18)之间的信号连接仅主要在图1中示出。
在将MEMS惯性(加速度)传感器24与选择性红外源18(例如，红外加热器18-1)和(例如，在单个(相同的)壳体12中或在共享的(例如，两个或多个)壳体12、13中的)光学滤波器18-2结合在一起时，可以看到本概念的核心。
因此，本流体传感器10的实施例允许对环境大气FE进行准确和实时的流体检测和评估，即有效监测环境空气状况和快速检测空气污染，以满足日益增长的健康问题。此外，流体传感器10还提供了用于建筑物中的能量效率(例如，用于HVAC系统(HVAC＝加热、通风和空调))的显著潜力。
图2示出了根据另外的实施例的流体传感器10的示意性横截面图。上面关于图1的与流体传感器10的结构和功能有关的评估同样适用于图2的流体传感器10。图2中的流体传感器10的图示与图1中的流体传感器10的图示的不同之处在于，示出了用于放置至少一个惯性检测传感器24的多个可选的和示例性的位置A-K。更具体地说，流体传感器10可以包括多个惯性检测传感器24(24-A＝在可选的位置A处的传感器24，……，24-K＝在可选的位置K处的传感器24)，该多个惯性检测传感器24被机械地耦合到壳体结构12，用于感测壳体结构12中的机械脉冲20。
惯性检测传感器24被布置或被分布在壳体结构12的不同位置处，这允许可靠地接收和检测在壳体结构12中传播的机械脉冲22。当与图2的图示相比，惯性检测传感器24也可以相对于z方向(＝竖直地分布)或相对于y方向或x方向(横向地分布)被分布在壳体结构12的不同位置处，用于可靠地感测机械脉冲22。
根据实施例，惯性检测传感器24中的至少一个惯性检测传感器24可以被布置在腔室14内的壳体结构12处。附加地或备选地，惯性检测传感器24中的至少一个惯性检测传感器可以被布置在腔室14外部的壳体结构12处。
根据实施例，惯性检测传感器24中的至少一个惯性检测传感器24可以被布置在腔室14内的壳体结构12处，其中惯性检测传感器24中的至少一个惯性检测传感器可以被布置在腔室24外部的壳体结构12处。
根据实施例，惯性检测传感器24中的至少一个惯性检测传感器24可以被布置在(腔室14内或腔室14外部的)基板12-2的第一主表面区域12-2A上的壳体结构12处。附加地或备选地，惯性检测传感器24中的至少一个惯性检测传感器可以被布置在(腔室14外部的)基板12-2的第二主表面区域12-2B上的壳体结构12处。
根据实施例，惯性检测传感器24中的至少一个惯性检测传感器可以被布置在(腔室14内或腔室14外部的)盖12-1的第一主表面区域12-1A上的壳体结构12处。附加地或备选地，惯性检测传感器24中的至少一个惯性检测传感器可以被布置在(腔室14外部的)盖12-2的第二主表面区域12-1B上的壳体结构12处。
在这种配置中，图1-图2的流体传感器10可以被用作开放式PAS系统。
图3和图4示出了根据另外的实施例的流体传感器10的示意性横截面图。图3和图4的流体传感器10的布置与图1和图2的流体传感器10的布置的不同之处在于，流体传感器10的发射器结构18被放置在腔室14的外部。结合图1和图2的上述与流体传感器10的另外的元件的结构和功能有关的评估同样适用于如下所述的流体传感器10。更具体地说，IR发射器18被配置用于可选地经由窗口18-3或波导18-4将IR辐射或IR辐射脉冲20发射或耦合到腔室14中，并且IR发射器18被布置在腔室14的外部，IR辐射或IR辐射脉冲20影响壳体结构或惯性检测传感器24中的机械脉冲22。
发射器结构18还可以包括热源和/或红外源18-1，并且可选地包括波长选择结构18-2，该波长选择结构18-2被配置用于滤波由热发射器18-1发射的宽带IR辐射20，并且被配置用于将具有中心波长λ0的窄带IR辐射20(例如，IR辐射脉冲20)发射到腔室14中。
波长选择结构18-2可以被布置在红外源18-1处，其中窄带IR辐射20经由IR辐射透明窗口18-3被耦合到腔室14中。对于波长选择结构18-2附加地或备选地，窗口18-3可以将用于滤波由热发射器18-1发射的宽带IR辐射λ的IR波长选择性提供给波长选择结构18-2，使得窗口18-3可以形成波长选择结构18-2或可以是波长选择结构18-2的一部分。因此，波长选择结构18-2(如果存在于热发射器18-1处)和窗口18-3中的至少一个提供了滤波由热发射器18-1发射的宽带IR辐射λ的光学滤波器功能以及将窄带IR辐射20提供/耦合到腔室14中的光学滤波器功能。
根据实施例，间隙32可以被设计为(相对)较小(例如，尽可能小)，例如在0μm至10μm宽之间或6μm至8μm宽之间，以便主要在腔室14内创建相互作用路径P，以用于提供IR辐射与腔室14中的目标流体FT的相互作用，该相互作用导致腔室14中、壳体结构12中和/或惯性检测传感器24中的温度变化。因此，在腔室14内而不是在间隙32中创建更主要的IR辐射吸收。
在这种配置中，图3-图4的流体传感器10可以被用作开放式PAS系统。腔室14中的任何辐射吸收都将增加温度，因此可以通过压力变化和振动来测量(参见上文：主要效果和次要效果)。
根据另外的实施例，间隙32可以被设计为(相对)较大(例如，在20μm至50mm宽之间、20μm至30mm宽之间或20μm至10mm宽之间)，以便在热发射器18与窗口32之间创建相互作用/吸收路径P。例如，由于大的吸收路径，大的间隙32在基于NDIR的系统(封闭配置)中提供高分辨率。然后，IR辐射与腔室14内的目标流体FT的相互作用导致腔室14中、壳体结构12中和/或惯性检测传感器24中的温度变化。因此，辐射接收区域12-3被布置在腔室14内部以及盖12-1中或盖12-1上、基板12-2中或基板12-2上和/或惯性检测传感器24中或惯性检测传感器24上。辐射接收区域12-3中的温度变化或热脉冲与由目标流体FT对IR辐射20的吸收成反比(参见上文：次要效果)。
图4示出了流体传感器10的配置，其中间隙32被显著地减小或去除。在间隙32被完全地省略的情况下，窗口18-3可以形成波长选择结构18-2，其中发射器结构18可以被直接地布置在壳体结构12(例如，盖12-1)处和/或被机械地耦合到壳体结构12。
图3和图4中的发射器结构18的布置还确保被耦合到腔室14中的辐射是具有中心波长λ0的窄带IR辐射20。
图5示出了根据另外的实施例的流体传感器10的示意性横截面图。图5的流体传感器10的布置与图3和图4的流体传感器10的布置的不同之处在于，壳体结构12中的腔室14被气密地封闭并且包括参考流体成分FR。如图5所示，IR发射器18被布置在腔室14的外部并且被光学地耦合到腔室14，用于在腔室14中发射IR辐射20。
根据实施例，流体传感器10包括壳体结构(或封装)12。壳体结构12形成腔室14。流体传感器10还包括IR发射器18，IR发射器18被光学地耦合到壳体结构12并且被配置用于在腔室14中发射IR辐射20，其中IR辐射20具有中心波长λ0，以用于提供IR辐射20与目标流体FT的相互作用，从而导致腔室14中或壳体结构12中的温度变化ΔT，该温度变化ΔT影响壳体结构12中的机械脉冲22。流体传感器10还包括惯性检测传感器24，该惯性检测传感器24被机械地耦合到壳体结构12，用于感测壳体结构12中的机械脉冲。
波长选择结构18-2被布置在红外源18-1处，其中窄带IR辐射20经由IR辐射透明窗口18-3被耦合到腔14中。在这种配置中，图5的流体传感器10可以被用作封闭的PAS系统，该封闭的PAS系统具有至少部分地位于腔室14的外部的相互作用路径P。
根据实施例，间隙32可以被设计为(相对)较大(例如，20μm至5mm宽)，以便在热发射器18与窗口32之间创建相互作用/吸收路径P，以用于提供IR辐射20与环境大气FE中的目标流体FT的相互作用。
腔室14被气密地封闭并且填充有参考流体成分FR，其中参考流体成分FR吸收进入腔室14的剩余的IR辐射20，并且提供用于壳体结构12的局部加热和/或产生的热脉冲22和/或惯性检测传感器24的一部分的局部加热和/或产生的热脉冲22。局部加热和/或产生的热脉冲22是环境流体FE中的目标流体FT的浓度的量度，并且与通过环境大气FE中的目标流体FT对IR辐射20的吸收成反比。
更具体地说，在环境大气FE中的目标流体FT的浓度越高，则由于通过目标流体FT吸收的IR辐射的量，到达腔室14的IR辐射20的量越低，并且壳体结构12的局部加热和/或产生的热脉冲22或者惯性检测传感器24的一部分的局部加热和/或产生的热脉冲22越低。
IR辐射20与目标流体FT的相互作用是通过环境大气FE中的目标流体FT对IR辐射20的吸收，并且其中通过参考流体FR对IR辐射20的吸收导致参考流体FR的温度变化ΔT，并且因此导致腔室14中的压力变化ΔP，该压力变化ΔP影响壳体结构12中的机械脉冲22。
换句话说，流体传感器或检测器10被填充有参考气体(流体)FR，并且从IR发射器18到检测器10的传播路径P是测量路径。在吸收路径中不存在目标气体(流体)FT的浓度的情况下，将感测到壳体结构12中的机械脉冲22的最大振幅，因为IR辐射20的最大振幅可以进入腔室14。如果目标气体FT的环境浓度增加，则在该路径中的吸收也增加，结果由于缺少用于吸收的能量，检测器10将接收较少的温度T中的增加。为了在寿命期间提供检测器10的尽可能精确的操作，去除了通道孔或穿孔16并且空腔14被气密地密封。
根据基于第一(＝主要)测量效果的实施例，参考流体成分FR是目标流体FT，即密封的腔室14被填充有目标流体FT。
此外，在环境大气FE中的IR辐射20与目标流体FT的相互作用可能导致壳体结构12的至少一部分12-3或惯性检测传感器24的一部分的温度变化ΔT，该温度变化ΔT分别地影响壳体结构12中的机械脉冲22或惯性检测传感器24中的机械脉冲22。辐射接收区域12-3被布置在腔室14内部以及盖12-1中或盖12-1上、基板12-2中或基板12-2上和/或惯性检测传感器24中或惯性检测传感器24上。壳体结构12的辐射接收区段12-3的局部加热或惯性检测传感器24的辐射接收区段12-3的局部加热与由环境大气FE中的目标流体FT对IR辐射20的吸收成反比。通过IR辐射20对辐射接收区段12-3的加热减少了在环境大气FE中的目标流体FT的IR辐射吸收量。
根据基于第二(＝次要)测量效果的实施例，参考流体成分FR是流体成分，其对于进入腔室14的IR辐射20没有吸收率或具有非常低的吸收率。
根据相对于图1至图5描述的流体传感器10的实施例，壳体结构12的(辐射接收)部分12-3影响壳体结构12中的机械脉冲22，或者附加地或备选地，惯性检测传感器24的(辐射接收)部分12-3影响惯性检测传感器24中的机械脉冲22。因此，关于流体传感器10的结构和功能的与图1至图5相关的上述评估同样适用于如下所述的流体传感器10，即，流体传感器10的以下实现与上述其它实现的(可选)功能兼容。
因此，根据实施例，流体传感器10可以包括形成腔室14的壳体结构12、惯性检测传感器24，其中惯性检测传感器24的一部分形成辐射接收区段12-3以及IR发射器18。IR发射器18被可选地耦合到壳体结构(12)并且被配置用于在腔室14中发射IR辐射20，其中IR辐射20具有中心波长λ0，以用于提供IR辐射20与目标流体FT的相互作用。相互作用导致惯性检测传感器24的辐射接收区段12-3中的温度变化ΔT。辐射接收区段12-3中的温度变化ΔT影响惯性检测传感器24中的机械脉冲22，其中惯性检测传感器24被布置用于感测机械脉冲。
根据实施例，IR辐射20与目标流体FT的相互作用是通过目标流体对IR辐射20的吸收，其导致惯性检测传感器24的辐射接收区段12-3中的温度变化，其中惯性检测传感器24的辐射接收区段12-3的加热与通过目标流体FT对IR辐射20的吸收成反比。
根据实施例，惯性检测传感器24包括加速度计，该加速度计被配置为基于惯性检测传感器24的辐射接收区段12-3中的机械脉冲20的振幅来提供检测器输出信号SOUT1。
描述了可以单独使用或与本文描述的特征和功能组合使用的附加的实施例和方面。
根据实施例，一种流体传感器包括：壳体结构，形成用于目标流体成分的腔室；IR发射器，被配置用于在腔室中发射IR辐射，其中IR辐射具有中心波长，以用于提供IR辐射与目标流体的相互作用，该相互作用导致腔室中或壳体结构中的温度变化，该温度变化影响壳体结构中的机械脉冲；以及惯性检测传感器，被机械地耦合到壳体结构，以用于感测壳体结构中的机械脉冲。
根据实施例，IR辐射与目标流体的相互作用是通过目标流体对IR辐射的吸收，并且其中通过目标流体对IR辐射的吸收导致目标流体中的温度变化，并且因此导致腔室中的压力变化，该压力变化影响壳体结构中的机械脉冲。
根据实施例，IR辐射与目标流体的相互作用是通过目标流体对IR辐射的吸收，该吸收导致壳体结构中的温度变化或热脉冲，其中壳体结构的加热与通过目标流体对IR辐射的吸收成反比。
根据实施例，通过IR辐射对壳体结构的加热减少了目标流体的IR辐射吸收量。
根据实施例，壳体结构包括机械脉冲放大结构，以用于提供在壳体结构中的机械脉冲的机械放大，其中机械脉冲的放大取决于壳体结构的温度变化或壳体结构的区域的温度变化，壳体结构(12)的区域被热耦合到机械振动放大结构。
根据实施例，惯性检测传感器包括加速度计，该加速度计被配置为基于壳体结构的机械脉冲的振幅提供检测器输出信号，通过被机械地耦合到壳体结构的惯性检测传感器来接收该壳体结构的机械脉冲。
根据实施例，加速度计包括压电传感器结构和/或电容传感器结构，以用于感测壳体结构中的机械脉冲。
根据实施例，惯性检测传感器包括悬置的机械传感器结构，该悬置的机械传感器结构具有在5Hz至25kHz之间的范围内或5Hz至100Hz之间的范围内的机械谐振频率。
根据实施例，壳体结构包括盖结构，该盖结构被机械地耦合到基板或基础元件，其中惯性检测传感器被机械地耦合到盖结构或基板。
根据实施例，流体传感器还包括多个惯性检测传感器，该多个惯性检测传感器被机械地耦合到壳体结构，以用于感测壳体结构中的机械脉冲。
根据实施例，多个惯性检测传感器中的至少一个惯性检测传感器被布置在腔室内的壳体结构处，或者多个惯性检测传感器中的至少一个惯性检测传感器被布置在腔室的外部的壳体结构处。
根据实施例，多个惯性检测传感器中的至少一个惯性检测传感器被布置在腔室内的壳体结构处，并且多个惯性检测传感器中的至少一个惯性检测传感器被布置在腔室的外部的壳体结构处。
根据实施例，IR发射器被布置在腔室中或被光学地耦合到腔室。
根据实施例，IR发射器包括LED元件、激光元件和/或热发射器元件。
根据实施例，IR发射器包括红外源和波长选择结构，以用于提供具有中心波长的IR辐射脉冲。
根据实施例，波长选择结构被布置用于滤波由热发射器发射的宽带IR辐射，并且用于将窄带IR辐射发射到腔室中。
根据实施例，壳体结构中的腔室被布置用于提供IR辐射的光学相互作用路径，用于目标流体的相互作用。
根据实施例，流体传感器还包括压差传感器，该压差传感器被布置在壳体结构的腔室中，以基于通过IR辐射在壳体结构的腔室中产生的压力变化来提供另外的检测器输出信号。
根据实施例，流体传感器还包括处理电路或控制器，用于向IR发射器提供时变和脉冲的激励信号，并且用于读出惯性检测传感器，从而提供关于环境流体中的目标流体成分的浓度的信息。
根据实施例，壳体结构包括通向腔室的、用于包括目标流体成分的环境流体的流体通道。
根据实施例，壳体结构中的腔室被气密地封闭并且包括目标流体成分。
根据实施例，盖和/或基板的一部分和/或惯性检测传感器的一部分形成辐射接收区段，该辐射接收区段被布置成使得辐射接收区段中的温度变化ΔT影响机械脉冲。
根据实施例，流体传感器包括：壳体结构，形成腔室；惯性检测传感器，其中惯性检测传感器的一部分形成辐射接收区段；以及IR发射器，被光学地耦合到壳体结构并且被配置用于在腔室中发射IR辐射，其中IR辐射具有中心波长λ0，以用于提供IR辐射与目标流体的相互作用，该相互作用导致惯性检测传感器的辐射接收区段中的温度变化，该温度变化影响惯性检测传感器中的机械脉冲，其中惯性检测传感器被布置用于感测机械脉冲。
根据实施例，IR辐射与目标流体FT的相互作用是通过目标流体对IR辐射的吸收，该吸收导致惯性检测传感器的辐射接收区段中的温度变化，其中惯性检测传感器的辐射接收区段的加热与通过目标流体对IR辐射的吸收成反比。
根据实施例，惯性检测传感器包括加速度计，该加速度计被配置为基于在惯性检测传感器的辐射接收区段中的机械脉冲的振幅来提供检测器输出信号。
尽管在装置的上下文中将一些方面描述为特征，但很显然，这种描述也可以被视为方法的对应的特征的描述。尽管已经在方法的上下文中将一些方面描述为特征，但很显然，这种描述也可以被视为关于装置的功能的对应的特征的描述。
在前面的详细描述中，可以看出，出于简化本公开的目的，在示例中将各种特征组合在一起。本公开的方法不应被解释为反映了这种意图，即所要求保护的示例需要比每个权利要求中明确叙述的特征而更多的特征。而是，如以下权利要求反映的，主题可能少于单个公开示例的所有特征。因此，以下权利要求由此被结合到详细描述中，其中每个权利要求可以独立地作为单独的示例。尽管每个权利要求可以单独作为其单独的示例，但是应当注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以指与一个或多个其它权利要求的特定组合，但是其它示例也可以包括从属权利要求与每个其它从属权利要求的主题的组合，或者每个特征与其它从属权利要求或独立权利要求的组合。除非指出不旨在特定的组合，否则本文提出了这种组合。此外，旨在将权利要求的特征也包括到任何其它独立权利要求中，即使该权利要求没有直接依赖于独立权利要求。
尽管本文已经示出和描述了特定的实施例，但是本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本实施例的范围的情况下，各种备选的和/或等效的实现可以代替所示出和描述的特定的实施例。本申请旨在覆盖本文所讨论的特定实施例的任何改编或变型。因此，意图是实施例仅由权利要求及其等同物限制。
Claims (20)
1.一种流体传感器(10)，包括：
壳体结构(12)，形成腔室(14)，
IR发射器(18)，被光学地耦合到所述壳体结构(12)并且被配置用于在所述腔室(14)中发射IR辐射(20)，其中所述IR辐射(20)具有中心波长(λ0)，以用于提供所述IR辐射(20)与目标流体(FT)的相互作用，所述相互作用导致所述腔室(14)中或所述壳体结构(12)中的温度变化(ΔT)，所述温度变化(ΔT)影响所述壳体结构(12)中的机械脉冲(22)，以及
惯性检测传感器(24)，被机械地耦合到所述壳体结构(12)，以用于感测所述壳体结构(12)中的所述机械脉冲。
2.根据权利要求1所述的流体传感器(10)，其中所述IR辐射(20)与所述目标流体(FT)的相互作用是通过所述目标流体对所述IR辐射(20)的吸收，并且其中通过所述目标流体(FT)对所述IR辐射(20)的所述吸收导致所述目标流体(FT)的所述温度变化，因此导致所述腔室(14)中的压力变化，所述压力变化影响所述壳体结构(12)中的所述机械脉冲。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的流体传感器(10)，其中所述IR辐射(20)与所述目标流体(FT)的所述相互作用是通过所述目标流体对所述IR辐射(20)的吸收，所述吸收导致所述壳体结构(12)中的所述温度变化，其中所述壳体结构(12)的加热与通过所述目标流体对所述IR辐射(20)的所述吸收成反比。
4.根据权利要求3所述的流体传感器(10)，其中通过所述IR辐射(20)对所述壳体结构(12)的所述加热减少了所述目标流体(FT)的IR辐射吸收量。
5.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，其中所述壳体结构(12)包括机械脉冲放大结构(26)，以用于提供在所述壳体结构(12)中的所述机械脉冲的机械放大，其中所述机械脉冲的所述放大取决于所述壳体结构(12)的所述温度变化或所述壳体结构(12)的区域的所述温度变化，所述壳体结构(12)的所述区域被热耦合到所述机械振动放大结构(26)。
6.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，其中所述惯性检测传感器(24)包括加速度计，所述加速度计被配置为基于所述壳体结构(12)的所述机械脉冲(20)的振幅来提供检测器输出信号(SOUT1)，通过被机械地耦合到所述壳体结构(12)的所述惯性检测传感器(24)来接收所述壳体结构(12)的所述机械脉冲(20)。
7.根据权利要求6所述的流体传感器(10)，其中所述加速度计(24)包括压电传感器结构和/或电容传感器结构，以用于感测所述壳体结构(12)中的所述机械脉冲(20)。
8.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，其中所述惯性检测传感器包括悬置的机械传感器结构，所述悬置的机械传感器结构的机械谐振频率在5Hz与25kHz之间的范围内，特别是在5Hz与100Hz之间的范围内。
9.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，其中所述壳体结构(12)包括盖结构(12-1)，所述盖结构(12-1)被机械地耦合到基板(12-2)，其中所述惯性检测传感器(24)被机械地耦合到所述盖结构(12-1)或所述基板(12-2)。
10.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，还包括：
多个惯性检测传感器(24)，被机械地耦合到所述壳体结构(12)，以用于感测所述壳体结构(12)中的所述机械脉冲(20)。
11.根据权利要求10所述的流体传感器(10)，其中所述多个惯性检测传感器(24)中的至少一个惯性检测传感器被布置在所述腔室(14)内的所述壳体结构(12)处，或者所述多个惯性检测传感器(24)中的至少一个惯性检测传感器被布置在所述腔室(14)的外部的所述壳体结构(12)处。
12.根据权利要求10所述的流体传感器(10)，其中所述多个惯性检测传感器(24)中的至少一个惯性检测传感器被布置在所述腔室(14)内的所述壳体结构(12)处，并且所述多个惯性检测传感器(24)中的至少一个惯性检测传感器被布置在所述腔室(14)的外部的所述壳体结构(12)处。
13.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，还包括：
压差传感器(28)，被布置在所述壳体结构(12)的所述腔室(14)中，以基于通过所述IR辐射(20)在所述壳体结构(12)的所述腔室(14)中生成的所述压力变化来提供另外的检测器输出信号(SOUT2)。
14.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，还包括：
处理电路(30)，用于向所述IR发射器(18)提供时变或脉冲的激励信号(S18)，并且用于读出用于提供流体传感器(10)输出信号(S10)的所述惯性检测传感器(24)，所述流体传感器(10)输出信号(S10)提供有关所述环境流体(FE)中的所述目标流体成分(FT)的所述浓度的信息。
15.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，其中所述壳体结构(12)包括通向所述腔室(14)的、用于包括目标流体(FT)成分的环境流体(FE)的流体通道(16)。
16.根据权利要求1至权利要求14中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，其中所述壳体结构(12)中的所述腔室(14)被气密地封闭并且包括所述目标流体成分(FT)。
17.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的流体传感器(10)，其中所述盖(12-1)和/或所述基板(12-2)的一部分和/或所述惯性检测传感器(24)的一部分形成辐射接收区段(12-3)，所述辐射接收区段(12-3)被布置使得所述辐射接收区段(12-3)中的温度变化ΔT影响所述机械脉冲(22)。
18.一种流体传感器(10)，包括：
壳体结构(12)，形成腔室(14)，
惯性检测传感器(24)，其中所述惯性检测传感器(24)的一部分形成辐射接收区段(12-3)，以及
IR发射器(18)，被光学地耦合到所述壳体结构(12)并且被配置用于在所述腔室(14)中发射IR辐射(20)，其中所述IR辐射(20)具有中心波长(λ0)，以用于提供所述IR辐射(20)与目标流体(FT)的相互作用，所述相互作用导致所述惯性检测传感器(24)的所述辐射接收区段(12-3)中的温度变化(ΔT)，所述温度变化(ΔT)影响所述惯性检测传感器(24)中的机械脉冲(22)，
其中所述惯性检测传感器(24)被布置用于感测所述机械脉冲。
19.根据权利要求18所述的流体传感器(10)，其中所述IR辐射(20)与所述目标流体(FT)的所述相互作用是通过所述目标流体对所述IR辐射(20)的吸收，所述吸收导致所述惯性检测传感器(24)的所述辐射接收区段(12-3)中的所述温度变化，其中所述惯性检测传感器(24)的所述辐射接收区段(12-3)的加热与通过所述目标流体(FT)对所述IR辐射(20)的所述吸收成反比。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的流体传感器(10)，其中所述惯性检测传感器(24)包括加速度计，所述加速度计被配置为基于在所述惯性检测传感器(24)的所述辐射接收区段(12-3)中的所述机械脉冲(20)的振幅来提供检测器输出信号(SOUT1)。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP20173424.1A EP3907491A1 (en) | 2020-05-07 | 2020-05-07 | Fluid sensor |
| EP20173424.1 | 2020-05-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113624800A true CN113624800A (zh) | 2021-11-09 |
Family
ID=70616941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110489972.1A Pending CN113624800A (zh) | 2020-05-07 | 2021-05-06 | 流体传感器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11604171B2 (zh) |
| EP (1) | EP3907491A1 (zh) |
| KR (1) | KR20210137393A (zh) |
| CN (1) | CN113624800A (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102019134279B3 (de) * | 2019-12-13 | 2021-05-27 | Infineon Technologies Ag | Photoakustische Sensoren und MEMS-Bauelemente |
| EP3929575B1 (en) * | 2020-06-22 | 2023-09-27 | Sensirion AG | Sensor device for determining heat transfer parameters of a fluid |
| MA57561B1 (fr) * | 2022-08-05 | 2024-05-31 | Mascir Moroccan Foundation For Advanced Science Innovation & Res | Capteur de gaz hybride |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NO308228B1 (no) * | 1997-11-26 | 2000-08-14 | Presens As | Dynamisk trykksensor |
| US8342005B2 (en) * | 2008-12-01 | 2013-01-01 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Micro-optical-mechanical system photoacoustic spectrometer |
| US20110016962A1 (en) * | 2009-07-21 | 2011-01-27 | Baker Hughes Incorporated | Detector for Characterizing a Fluid |
| US9243998B2 (en) * | 2011-07-07 | 2016-01-26 | Honeywell International Inc. | Resonant photo acoustic system |
| US9995674B2 (en) * | 2013-12-26 | 2018-06-12 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa. | Photoacoustic chemical detector |
| JP2015161640A (ja) * | 2014-02-28 | 2015-09-07 | セイコーエプソン株式会社 | 電子デバイス、電子機器、および移動体 |
| US20160282313A1 (en) * | 2015-03-26 | 2016-09-29 | General Electric Company | Trace Gas Measurement Apparatus for Electrical Equipment |
| DE102018112341B4 (de) * | 2018-05-23 | 2023-03-30 | Infineon Technologies Ag | Photoakustischer gassensor und verfahren zum betreiben eines photoakustischen gassensors |
-
2020
- 2020-05-07 EP EP20173424.1A patent/EP3907491A1/en active Pending
-
2021
- 2021-03-03 US US17/191,212 patent/US11604171B2/en active Active
- 2021-05-03 KR KR1020210057265A patent/KR20210137393A/ko active Search and Examination
- 2021-05-06 CN CN202110489972.1A patent/CN113624800A/zh active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20210349057A1 (en) | 2021-11-11 |
| US11604171B2 (en) | 2023-03-14 |
| KR20210137393A (ko) | 2021-11-17 |
| EP3907491A1 (en) | 2021-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113624800A (zh) | 流体传感器 | |
| CN110441240B (zh) | 光声气体传感器以及操作光声气体传感器的方法 | |
| US8850893B2 (en) | Device for measuring pressure, variation in acoustic pressure, a magnetic field, acceleration, vibration, or the composition of a gas | |
| EP2215005B1 (en) | Ultrasound sensor and method | |
| KR101993517B1 (ko) | 음파 검출기 | |
| US8594507B2 (en) | Method and apparatus for measuring gas concentrations | |
| US11519848B2 (en) | Photoacoustic gas sensor and pressure sensor | |
| US6483619B1 (en) | Optical-interference microphone | |
| Bicen et al. | Integrated optical displacement detection and electrostatic actuation for directional optical microphones with micromachined biomimetic diaphragms | |
| WO2020212481A1 (en) | Photoacoustic gas sensor device | |
| CN114286935A (zh) | 基于mems的光声单元 | |
| CN113811747A (zh) | 光学麦克风组合件 | |
| US8661874B2 (en) | Photoacoustic detector with background signal correction | |
| JP2018528426A (ja) | ノイズキャンセリング検出器 | |
| Kahana et al. | Recent advances in optical microphone technology | |
| Hornung et al. | Micromachined ultrasound-based Proximity sensors | |
| Lhermet et al. | Micro-Photoacoustic Cell with Integrated Microphone for Sub-Ppm Gas Sensing | |
| CN217688711U (zh) | 一种气体传感器 | |
| CN211147907U (zh) | 一种基于mems技术的硅微机械谐振压力传感器 | |
| KR20230095814A (ko) | 방사선 소스 디바이스 | |
| Ramezany et al. | Sail-shaped piezoelectric micro-resonators for high resolution gas flowmetry | |
| Sievila et al. | Optically detected, framed silicon cantilever for high precision acoustic sensing | |
| CN110926659A (zh) | 一种基于mems技术的硅微机械谐振压力传感器 | |
| CN117288806A (zh) | 一种高灵敏抗振动压电mems声敏探测元件阵列及制备方法 | |
| CN116577279A (zh) | 高精度多组分温室气体自动化实时监测系统及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |