CN114207410A - 光声气体传感器设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定指示气体中组分的存在或浓度的值的光声气体传感器设备，包括封住测量体积(3)的测量单元格(2)和测量单元格(2)中用于让气体进入测量体积(3)的透气区域(4)。电磁辐射源(7)被布置为将电磁辐射(8)发射到测量体积(3)中，并且压力感测器(6)被布置为测量响应于测量体积(3)中的组分对电磁辐射(8)的吸收而由组分生成的声波(9)。一方面，透气区域(4)由多孔透气膜(5)表示，多孔透气膜(5)的平均孔尺寸在10nm和1pm之间。在另一方面，透气区域(4)由测量单元格(2)的包含洞(211)的区域表示，该洞穿过测量单元格(2)的其它气密材料，洞(211)的直径在100nm和10μm之间。

Description

光声气体传感器设备
技术领域
本发明涉及光声气体传感器设备，其被配置为确定指示气体中组分(特别是CO2)的存在或浓度的值。
背景技术
光声气体传感器依赖于物理效应，例如，红外辐射被气体中感兴趣的组分(例如CO2)的分子吸收，从而使分子转移到激发态。随后，由于激发态的非辐射衰减(例如，由于分子的碰撞)而生成热量，这导致压力增加。通过以调制频率调制待吸收的红外辐射，压力以调制频率变化。这种压力变化可以通过压力感测器来测量。组分的浓度与压力变化的幅度成比例。
测量单元格要求透气区域，以便目标气体进入测量单元格。期望这种透气区域满足不同的要求：期望透气区域允许目标气体在测量单元格的外部(作为周围环境)与内部(也称为测量体积)之间充分交换。另一方面，不期望由光声效应导致并表示暂时超压的测量单元格内的压力变化通过透气区域逸出，否则会导致压力感测器检测到的信号不那么显著。同时，期望测量单元格外部的压力变化(诸如环境噪声)不会迁移到测量单元格中，从而干扰和歪曲由目标气体中的组分引起的光声效应。
因此，本发明的目的是提供一种具有透气区域的光声气体传感器设备，该透气区域最多满足这些不同的条件。
发明内容
该目的是通过如独立权利要求1和12所要求保护的根据本发明的第一方面和第二方面的光声气体传感器设备来实现的。
用于确定指示气体中组分的存在或浓度的值的光声气体传感器设备包括封住测量体积的测量单元格。该设备还包括用于将电磁辐射发射到测量体积中的电磁辐射源，以及被布置为测量响应于测量体积中的组分对电磁辐射的吸收而由该组分生成的声波的压力感测器。优选地，电磁辐射源和压力感测器布置在测量单元格中。因此，测量单元格内的光声反应是由存在于测量体积中的气体的照射引起的，并由压力感测器测量。
光声效应基于感兴趣的气体组分(例如，CO2)的分子吸收电磁辐射(在一个示例中为红外辐射)的机制。吸收导致生成由于非辐射衰减(例如，通过气体组分的分子之间的碰撞和/或通过气体组分的分子与不同分子的碰撞)而引起的热量，这进而导致测量体积中的压力增加。通过以调制频率调制电磁辐射的强度，实现压力的调制。这种由压力变化表示的压力调制(即，声波)可以由压力感测器测量。然后可以根据压力变化的幅度来确定指示组分的存在或浓度的值，即，组分的浓度。可以假设幅度与由组分吸收的电磁辐射量成比例，因此如果所有其它因素(例如，测量体积中的平均光路长度)保持相等，那么其与气体中的组分浓度成比例。
为了允许待调查的气体进入测量单元格，在测量单元格中提供透气区域，而测量单元格的其它部分优选地被实施为气密的。
根据权利要求1所述的第一方面，透气区域由多孔透气膜表示。因而，透气膜包括由膜材料的特性产生的或由制造过程产生的孔。优选地，多孔透气膜附着到测量单元格并覆盖测量单元格中的开口。
多孔透气膜的平均孔尺寸在10nm和1μm之间，优选地在20nm和200nm之间。优选地，多孔透气膜的孔隙率在20％和90％之间，特别是在20％和50％之间。总之，对于10mbar的压差，特别是由平均孔尺寸、孔隙率和孔结构产生的透气性优选地低，特别是在0.03l/(hrcm2)和2l/(hr cm2)之间，优选地在0.03l/(hr cm2)和0.4l/(hr cm2)之间。小孔尺寸和低孔隙率(特别是与特定孔结构有关)导致如此低的透气性和期望的衰减特性。而且，低孔隙率导致机械稳定的膜，并且避免了膜的屈曲。
为了满足不同的目标，发现如此确定参数的大小提高了多孔透气膜的衰减特性：相当大的测量体积、厚的膜、少量的孔以及小的孔尺寸。完全相反地确定参数的大小支持小的扩散时间：相当小的测量体积、薄的膜、大量的孔和大的孔尺寸。但是，还发现多孔透气膜的衰减特点与膜的孔尺寸呈强烈非线性关系，而扩散时间与膜的孔尺寸呈线性关系。特别地，对于减小孔尺寸，衰减强烈非线性地增加。这导致发现膜材料优选地包括多个小尺寸孔，而不是具有较少但更大尺寸的孔的膜材料。这种方法保证来自外部的噪声的充分衰减。同时，由于通过多孔透气膜的迁移，多孔透气膜使测量单元格内的光声压力改变衰减，而气体扩散到测量体积中的时间常数(也称为响应时间或传感器)相当短。因此，借助于应用上述平均孔尺寸，在透气区域的不同要求中取得了最大的成就。
期望衰减特性主要影响高频压力变化，因为由光声效应引起的压力变化发生在某个频率范围内或发生在给定频率。至少，期望衰减特性适用于这个频率范围。待衰减的频率范围至少超过负责测量体积中的气态介质交换的压力变化的频率。前者更适宜在Hz和KHz范围内，而后者更适宜在Hz以下范围内。在这种上下文中，具有建议的平均孔尺寸的多孔透气膜充当用于压力变化的低通滤波器。考虑到专门设计的平均孔尺寸，引起测量单元格中气体交换的缓慢压力变化可以通过多孔透气膜，而较高频率下的压力变化被多孔透气膜衰减或阻挡。因此，由光声效应引起的较高频率的声音被阻尼或阻挡通过多孔透气膜从测量体积逸出到外部。另一方面，多孔透气膜的低通滤波器特点也衰减或阻挡此类较高频率的压力变化从外部进入测量体积。因此，否则会影响测量体积内的测量的频率范围的噪声也被多孔透气膜衰减。因此，即使在相关频谱中，压力感测器信号在很大程度上也不受这种外部噪声的影响。在一个实施例中，当限制到相关频率范围时，较高频率压力变化的强衰减可以是足够的，因为由压力感测器供应的信号优选地无论如何被相关频率附近的窄带通滤波器过滤。
总之，多孔透气膜有利地充当测量体积和测量单元格周围环境之间的解耦元件。由于电磁辐射对目标气体组分的刺激而产生的测量单元格内的光声发射的相关频率范围内的声波被多孔透气膜衰减或阻挡，并因此被阻止离开测量体积，而来自周围环境的噪音被多孔透气膜衰减或阻挡进入测量体积。
借助于多孔透气膜，可以避免布置在测量单元格中的可控通风口(诸如阀门)，鉴于阀门要求相当大的空间和主动控制，这是期望的。
优选地，多孔透气膜包括烧结金属、陶瓷、聚合物中的一种或由其制成。优选地，包括PTFE或由其组成的材料用于膜。这种材料包括在期望范围内的孔，特别是在期望范围内的孔隙率。这种材料通过膨胀材料的薄片来获得，或者通过例如原始粒状材料的烧结或模制过程来获得，或者通过获得多孔材料的任何其它手段来获得。特别是在PTFE的情况下，膜是耐高温的，这允许将膜回流焊接到测量单元格和/或回流焊接整个设备。
测量体积的尺寸优选地在0.03cm3和8cm3之间，优选地在0.08cm3和1cm3之间，并且优选地是0.2cm3。这些尺寸对于提供也适用于便携式应用的小尺寸传感器和/或节省测量设备中的空间是优选的。
在具有圆形透气区域的实施例中，透气区域的直径优选地在0.2mm和4mm之间，优选地在0.5mm和2mm之间。在具有非圆形透气区域的不同实施例中，透气区域的大小优选在相同范围内。这个尺寸归因于总测量体积以及防止可能影响测量结果的膜鼓起或屈曲。此外，还具有暴露多孔材料的足够区域的优点。
膜的厚度优选地在50μm和400μm之间，优选地在100μm和300μm之间。同样地，厚度影响扩散时间和衰减两者，并且结合优选的平均孔尺寸选择厚度。
优选地，用于扩散的目标时间常数小于100s，并且优选地小于70s。表示衰减(特别是声波衰减)的优选时间常数优选地大于10-2s。
优选地，测量单元格至少包括基板和测量单元格主体(例如，帽形)，测量单元格主体优选地附着到优选为平面的基板。至少这些组件有助于测量单元格将测量体积限定为其内部。
优选地，基板是印刷电路板(PCB)，例如，由FR4制成。在不同的实施例中，基板由提供较高机械稳定性的陶瓷材料制成。在进一步的实施例中，基板是封装系统(SiP)的一部分，或者是SiP基板。电磁辐射源和压力感测器优选地布置在基板的面向测量体积的前侧上，并因此布置在测量单元格中。
关于于测量单元格主体，优选地，其面向测量体积的内表面的至少主要部分(即，至少50％)由反射性材料制成。即，一部分或整个内表面优选地由反射性材料制成，通过施加到测量单元格主体的芯的反射性涂层，或者通过测量单元格主体由反射性材料制成。在后一种实施例中，测量单元格主体可以由金属板制成，例如通过深冲压成型。金属板具有即使在低厚度下也具有机械稳定性的优点，并且即使在没有任何进一步涂层的情况下也示出对电磁辐射的高反射率。在较早的实施例中，测量单元格主体的芯由无反射或低反射材料(例如塑料)例如通过注塑成型制成，并且在内表面上施加反射性涂层。一般而言，反射性材料优选地是金属，或者是金属填充的聚合物，或者是金属化或镜面化的玻璃，或者是具有高反射率(特别是对于所发射的辐射的波长而言)的另一种材料。反射性材料例如可以是金、铝、镍和铜中的一种或多种。这些材料特别是可以用在将反射性涂层施加到芯的情况中。
至于多孔透气膜在测量单元格中或测量单元格处的位置，以下列出了三个优选选项：
在第一变体中，多孔透气膜相对于测量单元格主体布置。测量单元格主体包括限定透气区域的开口。开口被多孔透气膜覆盖。多孔透气膜优选地附着到测量单元格主体，特别是通过胶合、注射、铸造、钎焊和焊接中的一种来附着。因而，除了由多孔透气膜覆盖的开口之外，对测量单元格有贡献的所有其它组件(即，基板和测量单元格主体的其余部分)优选地是气密的并且是气密组装的，使得目标气体可以仅通过透气区域进入测量体积。注意，考虑到多孔透气膜优选地通过其边缘附着到测量单元格主体，优选地，多孔透气膜超过开口的尺寸。多孔透气膜的几何形状可以与开口的几何形状不同，只要在安装时开口被多孔透气膜完全覆盖即可。多孔透气膜可以从内部附着到测量单元格主体，即，多孔透气膜附着到测量单元格体的内表面。在不同的实施例中，多孔透气膜从外部附着到测量单元格主体，即，多孔透气膜附着到测量单元格主体的外表面。
根据第二变体，当在基板中提供开口时，所有这些特征和解释也适用。鉴于诸如电磁辐射源和压力感测器之类的电子组件优选地被回流焊接到基板，优选的是多孔透气膜在附着到基板时也在与电子元件的共同组装步骤中被回流焊接。为此目的，优选的是多孔透气膜包括例如在其边缘处的金属化，通过该金属化将多孔透气膜焊接到基板。在一个实施例中，开口甚至可以布置在位于基板上的电子组件下方，以保证在开口和电子组件之间有足够的通风，该通风优选地通过它们之间的距离来实现。
在第三变体中，在基板和测量单元格主体之间提供开口。同样地，开口由多孔透气膜覆盖，其中现在多孔透气膜优选地附着到测量单元格主体和基板二者，特别是通过胶合、注射、浇铸、钎焊和焊接中的一种来附着。
以下优选实施例旨在防止多孔透气膜鼓起或屈曲。多孔透气膜的鼓起可由多孔透气膜内部或外部的压力改变引起。如果压力变化发生在多孔透气膜之外，那么它的屈曲不一定与气体通过膜的扩散一致。这会导致由压力感测器检测到的光声信号减少。在多孔透气膜由将膜保持在坚硬的平面位置的支撑手段支撑的情况下，可以避免或减小这个缺点。
在其第一实施例中，支撑层附着到多孔透气膜并用作机械支撑。在一个变型中，支撑层是粘合剂层，多孔透气膜借助于该粘合剂层附着到测量单元格。因此，粘合剂支撑层的功能是双重的。它用作多孔透气膜的附着手段，以及在硬化或退火之后的机械支撑。在支撑层布置在膜和测量单元格之间并且在膜的整个表面上延伸的情况下，优选的是支撑层包括一个或多个孔，这些孔被布置为允许气体在通过多孔透气膜时进入测量体积。关于制造，优选的是首先将支撑层附着到多孔透气膜。其次，支撑层在驻留在多孔透气膜上时被结构化，例如用于在支撑层中而不在多孔透气膜中生成一个或多个洞。第三，膜-支撑层组合借助于粘合剂支撑层附着到测量单元格主体，使得开口被覆盖。最后，粘合剂支撑层可以被硬化或退火。因此，在这个实施例中，支撑层布置在多孔透气膜和测量单元格/开口之间。
在不同的实施例中，支撑结构布置在膜上并且在安装时面向传感器的周围环境。在一个实施例中，这种支撑结构可以是晶格结构，例如，由金属制成。因而，晶格结构首先附着到多孔透气膜的第一侧。然后，晶格结构-膜组合借助于粘合剂附着到测量单元格，粘合剂附着到多孔透气膜的与第一侧相对的一侧。
在第三实施例中，通过将测量单元格中的开口拆分成直径小于设想的单个开口的多个钻孔来防止多孔透气膜的鼓起。多孔透气膜在具有多个钻孔的区域中附着到测量单元格并覆盖所有钻孔。同样地，多孔透气膜可以例如通过粘合剂附着到测量单元格。
如上述实施例之一中所述，测量单元格主体的内表面至少部分地(但更优选地完全地)由反射性材料或反射性涂层构成。假设多孔透气膜的材料不具有反射性，由多孔透气膜覆盖的开口所表示的透气区域通常不具有反射特性。因此，透气区域构成非反射性区域，这导致测量单元格的整体反射率降低，从而减小平均光路长度并因此降低信噪比(SNR)。
出于这个原因，可以提供反射器用于至少部分地屏蔽透气区域，这进而增加了测量单元格中的总体平均反射率。假设通过膜进入的气体应到达测量体积，这种反射器优选地布置在测量单元格内部并且与开口和膜间隔开。反射器将电磁辐射反射回测量体积，否则电磁辐射会被多孔透气膜吸收或透过多孔透气膜。
根据如权利要求12中要求保护的第二方面，光声气体传感器设备的透气区域由测量单元格的包含穿过测量单元格的壁的洞的区域表示，而不是由覆盖开口的膜表示。洞的直径在100nm和10μm之间。因此，测量单元格本身(即，其壁)被具有上述指定直径的洞穿孔。在第二方面的另一个实施例中，洞位于小板中，即，洞穿过小板。小板覆盖测量单元格中的开口。如在第一方面的上下文中所描述的，如果适用的话，开口同样可以位于测量单元格主体、基板或测量单元格体和基板之间中的一处。此外，在第一方面中覆盖开口的膜的另外的特征(例如，开口的大小或膜的安装)也可以应用于覆盖开口的小板。
注意，直径不同于本发明的第一方面中提到的膜的平均孔尺寸。但是，本发明的第二方面的考虑和优点与第一方面相同。因而，除非特定于膜，否则在第一方面的上下文中作出的所有陈述都应被视为也在第二方面的上下文中公开。
对于第二方面，优选的是洞的数量相当大而洞的直径相当小，如上文所述。优选的是洞的数量在50和200000之间的范围内，优选地在100和10000之间。
注意，洞可以在测量单元格主体中和/或基板中提供。洞可以密集地布置在与第一方面的给定直径的透气区域相当的区域中。或者，洞可以任意分布在测量单元格上。
优选地，假设所有洞都具有均匀的长度和均匀的直径。否则，将应用平均值并旨在满足上述范围条件。在一个实施例中，限定透气区域的测量单元格的厚度(即，其壁)在1μm和1mm之间，并因此表示平均洞长度。
对于高衰减，具有相当小的直径的相当长的洞是优选的。表征洞的衰减特性的时间常数由τ＝k*V*l_c/r_c2确定，其中k是常数，V是测量体积，l_c是洞的长度并且r_c是洞的半径。对于通过洞的扩散，时间常数为τ＝k*V*l_c/r_c4。对于气体通过多孔透气膜的快速扩散，具有大的洞直径的短洞是优选的。同样地，所选择的洞直径的范围是基于随着直径减小，衰减因子增加得比扩散时间减小得更快的认识。特别地，衰减随着直径减小呈非线性上升，而扩散线性减小。但是，洞的长度及其直径的确定不仅取决于扩散和衰减的考虑，而且还取决于制造限制。出于可制造性的原因，优选地，洞直径与洞长度的纵横比小于20。
优选地，洞是毛细管。优选地，洞是通过例如蚀刻到半导体材料中来制造的，或者通过激光或通过离子轰击来制造的。
以下实施例明确地适用于本发明的两个方面。
具体而言，压力感测器可以是麦克风，特别是仅对调制频率周围的特定频率范围敏感的麦克风。在不同的实施例中，压力感测器是压力传感器。
在优选实施例中，电磁辐射是红外辐射。这意味着电磁辐射源是被配置为发射红外辐射的红外辐射源。红外辐射优选地被定义为波长在700nm和1mm之间的范围内的辐射。在另一个实施例中，电磁辐射源是用于发射波长在100nm和700nm之间的范围内的辐射的源。电磁辐射源在一个实施例中可以是加热器，在另一个实施例中可以是激光器，在又一个实施例中可以是LED。加热器还可以被认为是宽带辐射源，而激光器和LED可以被认为是窄带辐射源。优选地，由电磁辐射源发射的电磁辐射仅在与感兴趣的气体组分的吸收峰匹配的频带中发射。频带被认为是电磁频谱的子范围，优选地围绕表示吸收峰的波长对称，最大/最小频带限制是表示吸收峰值的波长的+/-15％。
在实施例中，光声气体传感器设备用作CO2传感器。在那种情况下，红外辐射的频带以4.3μm左右的波长为中心。优选地，该频带具有低于0.5μm的半峰全宽，这可以被理解为窄带。例如，窄带源可以包括超表面谐振器，并且可以例如被实施为LED。在另一个实施例中，电磁辐射源包括被波长选择带通滤波器覆盖的宽带发射器，该带通滤波器被配置为滤除带外的电磁辐射。宽带发射器被定义为发射宽频谱的辐射，诸如跨整个红外频谱，或者例如在0.8μm和10μm之间。这种宽带发射器具体可以是红外发射器，诸如加热器。
在实施例中，光声传感器设备还包括集成电路，也称为芯片，特别是ASIC，其优选地包括用于光声感测的控制器的功能，被配置为控制电磁辐射源。集成电路优选地布置在基板的前侧。集成电路优选地被配置为控制电磁辐射的强度以利用调制频率进行调制。调制频率在1Hz和100Hz之间，优选地在10Hz和200Hz之间，更优选地在20Hz和60Hz之间，例如40Hz，并且特别是以调制频率切换电磁辐射源的加热器，如果适用的话。小于100Hz的低调制频率有利于生成大的光声信号。
优选地，集成电路被配置为接收来自压力感测器的测量信号并根据测量信号而确定指示组分的存在或浓度的值，优选地包括诸如线性化和/或补偿之类的信号处理。特别地，根据测量信号的幅度(例如，在声波情况下根据响度)来确定该值。优选地，在调制频率周围对测量信号进行带通过滤。这增加了该确定的鲁棒性，因为没有考虑具有其它频率的声波。
在实施例中，光声传感器设备还包括用于感测气体中的温度、湿度、压力和不同组分中的一个或多个的另一个感测器。因而，该另一个感测器可以被实施为以下中的一个或多个：压力传感器、气压传感器、另一个麦克风、另一个气体传感器(例如金属氧化物类型或电化学类型)。该另一个感测器可以布置在基板的前侧上或集成在基板的前侧中。优选地，该另一个感测器位于测量单元格内。在存在其它感测器的情况下，集成电路优选地被配置为根据该另一个感测器的测量值来补偿指示组分的存在或浓度的值。因此，可以减少或消除环境条件对组分的测量的影响。这种补偿使得结果所得的浓度值更加准确和可靠，或者换句话说，气体传感器设备可以在变化的环境条件中应用。
优选地，光声传感器设备的所有电气和电子组件(统称为电气组件)安装在基板的前侧，并且优选地布置在测量单元格中。至少压力感测器、电磁辐射源和可能的测量单元格主体表面安装在基板的前侧上。优选地，所有电子组件都表面安装在基板的前侧上，使得光声气体传感器设备是SMD(表面安装的设备)。
优选地，基板的背侧仅包括用于将光声气体传感器设备电连接到载体的触点。在实施例中，触点包括为SMD组装和/或回流焊接而布置的连接盘网格阵列(LGA)焊盘。这促进由客户将设备与其它组件组装在一起。触点的其它选择可以包括DFN、QFN或槽式洞。
在优选实施例中，提供将测量体积分为第一体积和第二体积的反射屏蔽件。压力感测器以及电磁辐射源优选地布置在基板的前侧上的第一体积中。虽然在这种布置中实际的光声转换主要发生在第二体积中，但是考虑到作为测量实体的压力感测器位于第一体积中，将第一体积和第二体积的组合称为测量体积仍然是合理的。反射屏蔽件优选地包括孔，由电磁辐射源生成的电磁辐射通过该孔被传输到第二体积中，该孔优选地是单个孔。因此，将测量体积分为第一体积和第二体积并不暗示两个体积彼此密封。相反，第二体积连通地耦合到第一体积并且具体地耦合到布置在其中的压力感测器。这使得压力感测器能够检测由第一体积中的感兴趣的组分吸收电磁辐射所造成的声音变化。因此，连通地耦合优选地是声学耦合，并且优选地包括第二体积中的压力变化可由布置在第一体积中的压力感测器检测。在一个实施例中，声学耦合可以通过反射屏蔽件中的单个孔来实现。
反射屏蔽件的面向第二体积的表面的至少一部分由反射性电磁辐射的材料制成，特别是反射由电磁辐射源发射的特定波长或频带的电磁辐射。所发射的辐射的波长或波长带优选地与气体中的组分易于吸收的波长或波长带一致，或包括该波长或波长带。
为了在第二体积中提供良好的反射率特点的上述目的，优选的是反射屏蔽件的面向第二体积的表面的至少主要部分(即，这个表面的至少50％)由反射性材料制成。但是，为了进一步增加第二体积中的反射率，甚至更优选的是面向第二体积的反射屏蔽件的整个表面由反射性材料制成。优选地，旨在最大化具有反射性材料的限定第二体积的表面。至于提供反射特性的材料，是指为测量单元格主体的反射特性而列出的材料。
因而，第二体积被设计为提供能够最好地反射所发射的辐射的特点。包括压力感测器和电磁辐射源的电子组件与第二体积物理分离，其中第二体积用作实现光声转换的主要空间。因此，电子组件的任何非反射表面不再影响辐射的通路，因此不会干扰光声反应或降低测量信号的灵敏度。此外，测量单元格的内表面的高反射率减小了压力信号的偏移量，该偏移量是由固体物质中发生(例如，在测量单元格主体的表面上发生)的光声效应产生的。
优选地，反射屏蔽件的厚度在30μm和1mm之间，特别是在50μm和200μm之间。这种厚度不会过多地影响光声传感器设备的尺寸，期望该尺寸保持为小的。
优选地，第二体积与第一体积之比为至少1.5，优选地至少2，优选地至少3，优选地至少5。此类比率是优选的，因为鉴于只有第二体积被辐射，光声效应主要发生在第二体积中。另一方面，大的第一体积会降低压力变化，这将导致由压力感测器供应的信号不太显著。此外，鉴于气体通过对应的开口进入第一体积，那么大的第一体积将实质性地影响气体到第二体积的扩散。
优选地，透气区域在测量单元格的限定第一体积的部分中提供。鉴于绝大多数电磁辐射在第二体积而不是第一体积内反射，透气区域的这种布置使作为非反射表面的多孔透气膜较少地严重暴露于电磁辐射。这提高了测量单元格中的平均反射率，这进而增加了气体组分(诸如CO2)对反射光/辐射的吸收。
在一个实施例中，反射屏蔽件的平面延伸和基板的平面延伸彼此平行对准。反射屏蔽件中的孔优选地与布置在基板上的电磁辐射源垂直对准，并且特别地与其有源区域垂直对准。电磁辐射源和压力感测器面向反射屏蔽件。
在实施例中，除了压力感测器和电磁辐射源之外，集成电路和/或其它感测器(如果有的话)也布置在第一体积中的基板的前侧上，并且优选地面向反射屏蔽件。在另一个实施例中，所有电气组件都布置在第一体积中，并且优选地面向反射屏蔽件。
优选地，测量单元格主体和基板以气密方式连接，例如通过胶合或焊接。有利地，除了透气区域(如果有的话)以供气体进入之外，测量单元格是不透声的。在优选实施例中，测量单元格主体借助于卡扣配合安装到基板。优选地，测量单元格主体包括一个或多个卡臂，并且基板包括一个或多个对应的洞，用于让一个或多个卡臂穿过。优选地，卡扣配合被设计为将测量单元格主体不透声地安装到基板。
应该理解，如果适用的话，第一方面的所有实施例也应结合本发明的第二方面和第三方面来公开。
附图说明
本发明的实施例、方面和优点将从下面的具体实施方式中变得清楚。具体实施方式参考附图，其中附图示出：
图1至图3和图7至图9各自是根据本发明的实施例的包括膜的光声气体传感器设备的剖视图，
图4至图6各自是根据本发明的实施例的光声气体传感器设备中使用的膜布置，在图a)中是俯视图，在图b)中是剖视图，
图10是根据本发明的实施例的包括洞的光声气体传感器设备的剖视图，以及
图11是图示例如在图10的实施例中应用的洞解决方案的各种不同参数的影响的图。
具体实施方式
在所有附图中相同的元件用相同的附图标记表示。
图1示出了根据本发明的实施例的光声气体传感器设备的示意性剖视图。
该设备包括基板1，例如印刷电路板(PCB)，基板1具有前侧11和与前侧11相对的背侧12。测量单元格主体21安装在基板1的前侧11上，该基板1和测量单元格主体21一起形成封住测量体积3的测量单元格2。测量单元格2包括透气区域4，该透气区域4包括测量单元格主体21中的开口41，该开口41被多孔透气膜5覆盖，以允许测量体积3和设备周围环境之间的气体交换，并且特别是允许待测量的气体进入测量体积3，使得测量体积3中的气体中感兴趣组分的浓度与周围环境中的相似。
压力感测器6(诸如MEMS麦克风或压力感测器)以及电磁辐射源7(在这个示例中为红外源)二者都位于测量单元格2内部的基板1的前侧11上。电磁辐射源7包括发射由箭头8指示的电磁辐射(即，在这个示例中为红外辐射)的有源区域71。红外源发射该频带的红外辐射，其中红外辐射的强度如上所述被调制。红外辐射被感兴趣的气体组分的分子选择性地吸收。
在本实施例中，在测量单元格2中提供反射屏蔽件17。反射屏蔽件17目前在平行于基板1的平面延伸的平面中延伸。反射屏蔽件17附着到测量单元格主体21上或与测量单元格主体21一体形成。反射屏蔽件17将测量体积3分为基板1和屏蔽件17之间的第一体积31，以及屏蔽件17和测量单元格主体2之间的第二体积32。反射屏蔽件17包括当前与红外源7对准的孔18，使得红外辐射8可以从红外源7通过孔18发射到第二体积32中。
优选的是屏蔽件17的面向第二体积32的表面171由反射电磁辐射源7发射的电磁辐射的材料制成。这由表示在从红外源7发射之后在第二体积32中反射的电磁辐射8的各个箭头指示。通过增加红外辐射8在测量体积3内的平均光路长度来增加红外辐射8的被吸收的比率。这通过至少将测量单元格主体21的内表面212的材料选择为具有反射性的材料来实现。在涂层的情况下，反射性涂层可以由诸如金、铝、镍、铜之类的金属制成。以这种方式，第二体积32内的总反射率增加，这导致组分浓度的测量更准确。平均光路长度的增加(特别是与常规光声气体传感器中的线性光路相反)在各个图中通过红外辐射8的多次反射来说明。在此，光声效应开始发挥作用：在第二体积32中感兴趣的气体组分(例如CO2)的分子吸收电磁辐射，导致热量的生产并因此增加压力。通过在红外源7中用调制频率调制电磁辐射的强度，可以实现压力的调制。
这种压力调制或压力变化(即，声波)可以由压力感测器6测量。在这个示例中，反射屏蔽件17中的孔18允许在第二体积32中生成的这种声波到达第一体积31并因此到达压力感测器6。为此，在反射屏蔽件17与电磁辐射源7之间提供有间隙。声波由图1中的附图标记9指示。因而，借助于屏蔽件17中的孔18，其中主要发生吸收和声波生成的第二体积32连通地耦合到第一体积31和压力感测器6。因而，在本示例中，不仅电磁辐射通过孔18进入第二体积32，而且声波也从第二体积32传播到第一体积31到达压力感测器6。
虽然在不同的实施例中，反射屏蔽件可以安装到基板1，但在另外的实施例中，根本不提供这种反射屏蔽件17，并且测量体积3是均一的。
除了电磁辐射源7和压力感测器6之外，在测量单元格2内部的基板1的前侧11上还布置有附加组件。这些组件包括集成电路14，例如ASIC，其优选地被配置为控制电磁辐射源7，例如，通过对例如以调制频率发射的红外辐射施加强度调制。调制频率可以在可听频谱内，例如，在20Hz和20kHz之间，也可以高达100kHz，或甚至可以低至5Hz。集成电路14还被配置为接收来自压力感测器6的测量值，以及用于根据这些测量值确定气体组分浓度的值，例如，通过使用将测量值链接到气体组分的浓度值的预定义或可重置的校准函数。气体组分浓度的值可以经由数字接口(例如，I2C接口)输出，可以是一个或多个其它感测器(如果有的话)的值。
在本示例中，另一个感测器13布置在测量单元格2内的基板1的前侧11上，该另一个感测器13有利地是以下中的一个或多个：温度传感器、湿度传感器、组合温度/湿度传感器、压力感测器，特别是气压传感器、另一个麦克风、另一个气体传感器，例如金属氧化物类型或电化学类型。通过温度和/或湿度的测量值和/或由这种其它感测器测得的任何其它参数，气体浓度值可以被补偿，例如，对于温度和/或湿度的影响，例如，通过集成电路14。因此，可以减少或消除环境条件对组分测量的影响。
另外的电子组件15可以布置在测量单元格2内的基板1的前侧11上，这些另外的电子组件15可以根据需要包括无源组件或辅助电子器件，例如电容器和电阻器。
在基板1的背侧12上，布置有连接盘网格阵列(LGA)焊盘16，用于客户的SMD组装和回流焊接。其它触点(诸如DFN、QFN或槽式洞)也是可能的。
在一个示例中，待测量的组分是CO2。对于CO2，0和10000ppm或0和40000ppm或0和60000ppm CO2之间的范围内的测量结果是可能的。
所提出的光声气体传感器设备(例如，如图1中所示)可以以小的形状系数构建，使得测量单元格的总尺寸为0.2cm3。因此，它比常规的光声气体传感器或基于NDIR的气体传感器显著更小且制造成本更低。
图2图示了根据本发明的实施例的包括膜5的另一个光声气体传感器设备的剖视图。为了说明的目的，省略了图1的一些附图标记。与图1的实施例相比，多孔透气膜5现在至少部分地从内部被屏蔽。为此目的，反射器28布置在测量单元格2的内部。反射器28的至少一部分与开口41隔开。反射器28被布置和配置为将电磁辐射反射回测量体积3中，否则该电磁辐射将被多孔透气膜5吸收或透射穿过它。这个功能由箭头8指示，其表示在开口41的区域中被反射器28反射的电磁辐射。反射器28的面向测量体积3的表面对于电磁辐射8具有反射特性。
在本示例中，反射器28与测量单元格主体21一体形成。假设测量单元格主体21的内部由反射性材料制成或涂有反射性材料。反射器28可以通过在开口41期望的位置处将舌片或翼片切割或冲压到测量单元格主体21中来制造。翼片或舌片保持与测量单元格主体21的其余部分连接，并且被压向测量单元格2的内部。
图3的实施例与图1的实施例的不同之处在于测量单元格2中的开口41的不同位置。透气区域4(以及因此开口41)仍然布置在测量单元格主体21中。但是，代替于如图1和图2中那样布置在测量单元格主体2的顶部，它现在侧向布置在侧壁中。此外，开口41现在提供对第一体积31而不是第二体积32的访问。同样地，开口41被多孔透气膜5覆盖。
在这种布置中，鉴于绝大多数电磁辐射8被发射到第二体积32中并在第二体积32中反射，作为非反射表面的膜5较少暴露于电磁辐射8。这提高了测量单元格2中的平均反射率，这进而增加了气体组分(诸如CO2)对反射光/辐射的吸收。可以避免用于提高反射率的手段，诸如图2中的反射器28。此外，也减少或避免了在膜5的表面处不期望的光声反应。
可能不希望多孔透气膜的屈曲或鼓起对测量产生不利影响。图4至图6中的每一个图示了用于提高在根据本发明的实施例的光声气体传感器设备中使用的多孔透气膜的机械稳定性的手段，在图a)中是俯视图，在图b)中是沿着线A-A'的剖视图。
图4图示了附着到测量单元格主体21或基板1的多孔透气膜5，优选地从外部附着。测量单元格主体21中的开口41被多孔透气膜5覆盖，其大小延伸开口41以便提供足够的材料以将多孔透气膜5附着到测量单元格主体21。在本示例中，多孔透气膜5的形状为正方形，而开口41为圆形。附着是通过同时用作支撑层51的粘合剂层来完成的。支撑层51优选地被结构化为包括洞511。然后，优选地将支撑层51施加到多孔透气膜5。鉴于支撑层51优选地是气密的，洞511允许通过多孔透气膜5的气体通过开口41进入测量体积3。因而，粘合支撑层51不仅用于将多孔透气膜5附着到测量单元格主体21或基板1，而且还用作其机械支撑并因此防止屈曲和鼓起。粘合支撑层51优选地被硬化或退火以提供足够的刚性和粘合性。
图5图示了另一个变体。同样地，多孔透气膜5附着到测量单元格主体21或基板1，优选地从外部附着。同样地，测量单元格主体21或基板1中的开口41被多孔透气膜5覆盖，其大小延伸开口41以便提供足够的材料以便将多孔透气膜5附着到测量单元格主体21或基板1。同样借助于粘合剂(现在称为53)完成附着。但是，这时粘合剂53不附加地充当多孔透气膜5的支撑件，并且仅施加到多孔透气膜5的边缘区段，粘合剂53通过该边缘区段附着到测量单元格主体2或基板1。代替地，晶格结构54提供机械稳定性并且附着到多孔透气膜5的面向设备外部的第一侧。为了制造这种布置，优选的是首先将晶格结构54附着到多孔透气膜5，然后将这个组合借助于粘合剂53附着到测量单元格主体21或基板1。注意，出于说明目的，图b)中的晶格周期与图a)中所示的晶格周期不匹配。
在图6的实施例中，先前的单个开口41现在被测量单元格主体21或基板1中的多个钻孔411或开口代替和表示。多孔透气膜5例如借助于未示出的粘合剂附着到测量单元格主体21并且覆盖多个钻孔411。在这个示例中，鉴于要跨越多个较小的钻孔直径而不是一个大的钻孔直径，多个较小的钻孔防止多孔透气膜5的鼓起或摆动。
图7再次示出了根据本发明的实施例的包括膜的光声气体传感器设备的剖视图。在这个实施例中，反射屏蔽件17与测量单元格主体2一体形成。在此，测量单元格主体21包括框架221和充当盖子的盖222。开口41现在在盖222中提供，并且多孔透气膜5附着到盖222的面向周围的顶侧。在这个实施例中，框架221、盖222和反射屏蔽件17(如果有的话)都可以由反射性材料(例如，由金属)制成。但是，在不同的实施例中，框架221、盖222和反射屏蔽件17中的一个或多个(如果有的话)可以包括塑料芯和反射性涂层(在期望的时候)。出于说明目的，省略了集成电路14、一个或多个其它感测器13以及从图1的实施例中已知的任何其它电子组件15。
图8的实施例与图1的实施例的不同之处在于，透气区域4现在在基板1和测量单元格主体21之间提供。由于测量单元格主体21(并且具体而言是其框架221)的构造，当将框架221夹到基板1时，在基板1的前侧11和框架221的底表面之间生成水平开口41。这个开口41优选地采取围绕测量体积3的环的形状，并且由例如多孔透气膜材料的环填充。因而，待测量的气体通过测量单元格主体21和基板1之间的开口41侧向进入测量体积3，并从第一体积31通过孔18扩散到第二体积32中，在第二体积32处其遇到电磁辐射8。这个过程在图8中由虚线箭头指示。在这个实施例中，盖222被理解为从顶部密封测量体积3。在这个实施例中，基板1的覆盖区与测量单元格主体2的覆盖区匹配，使得可以使用卡扣配合件25容易地将测量单元格主体2附着到基板1。
图9的实施例类似于图1的实施例。但是，透气区域4现在以基板1中的通孔开口41的形式位于基板1中。因而，待测量的气体通过基板1中的开口41进入测量体积3，并从第一体积31通过孔18扩散到第二体积32中，在第二体积32处其遇到电磁辐射8。多孔透气膜5现在附着到基板1，并且优选地附着到基板1的面向第一体积31的前侧11。在不同的实施例中，多孔透气膜5附着到基板1的背侧12。
图10图示了根据本发明的实施例的光声气体传感器设备的剖视图，现在包括洞211而不是多孔透气膜。因而，这个实施例中的透气区域4由测量单元格2的区域表示，在此具体地是测量单元格主体21的区域，其包含通过测量单元格主体21的壁的洞211，否则壁由气密材料制成。洞211的直径d_c介于100nm和10μm之间。洞211的长度l_c介于1μm和1000μm之间。同时，尺寸l_h表示至少在透气区域4中的测量单元格主体21的厚度。洞211的数量在50和15000之间。放大视图更详细地图示了透气区域4的部分。
在图11的图中，图示了与洞相关的不同参数的影响，例如，适用于图10中所示的实施例。在本示例中，将针对衰减和扩散来调查存在于测量单元格2中并且表示透气区域的100个洞。在所有100个洞之中洞的直径和长度一致的假设下，x轴表示洞的不同直径d_c(以μm为单位)。y轴表示以秒为单位的时间常数τ，表示低通滤波器时间常数。每个曲线图对于洞的给定长度l_c描绘关于洞直径d_c的时间常数τ。虚线曲线图示出了通过洞的扩散过程的时间常数τ，而直线曲线图表示参考衰减的低通滤波器的时间常数。可以如下实现洞的适用尺寸的选择(即，洞直径d_c和洞长度l_c)：最大60秒的扩散时间τ被认为是可接受的，而从制造的角度来看，洞长度l_c与洞直径d_c的纵横比至多20被认为是可以接受的。从由针对直线的低通滤波器的时间常数表示的衰减的角度来看，期望相当低的时间常数以使较高频率的压力变化被孔的集合过滤。另一方面，低通滤波器的最小时间常数被认为在由虚线粗水平线表示的0.1s的范围内。这些选择导致在直线的加强粗段中的针对每个洞长度l_c示出的洞直径d_c的优选范围。椭圆环绕洞直径d_c与洞长度l_c的范围，对于100个洞的数量，该尺寸的组合导致期望的扩散和衰减特点。
虽然上面示出和描述了本发明的实施例，但是应理解的是，本发明不限于此，而是可以在以下权利要求的范围内以其它方式不同地实施和实践。

Claims (15)

1.一种光声气体传感器设备，用于确定指示气体中组分的存在或浓度的值，该光声气体传感器设备包括：
-测量单元格(2)，其封住测量体积(3)，
-测量单元格(2)中的透气区域(4)，用于让气体进入测量体积(3)，
-电磁辐射源(7)，被布置为将电磁辐射(8)发射到测量体积(3)中，以及
-压力感测器(6)，被布置为测量响应于测量体积(3)中的组分对电磁辐射(8)的吸收而由组分生成的声波(9)，
其中透气区域(4)由多孔透气膜(5)表示，
其中多孔透气膜(5)的平均孔尺寸在10nm和1μm之间，优选地在20nm和200nm之间，
优选地，其中电磁辐射源(7)和压力感测器(6)布置在测量单元格(2)中。
2.根据权利要求1所述的光声气体传感器设备，
其中多孔透气膜(5)的孔隙率在20％和90％之间，优选地在20％和50％之间。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光声气体传感器设备，
其中测量体积(3)的尺寸在0.03cm3和8cm3之间，优选地在0.08cm3和1cm3之间，并且优选地是0.2cm3，
其中透气区域(4)的直径在0.2mm和4mm之间，优选地在0.5mm和2mm之间。
4.根据前述权利要求之一所述的光声气体传感器设备，
其中多孔透气膜(5)包括以下之一或由以下之一组成：烧结金属、陶瓷、诸如PTFE之类的聚合物，并且
其中多孔透气膜(5)的厚度在50μm和400μm之间，优选地在100μm和300μm之间。
5.根据前述权利要求之一所述的光声气体传感器设备，包括
-基板(1)，以及
-测量单元格主体(21)，基板(1)和测量单元格主体(21)限定测量体积(3)，
其中测量单元格主体(21)、基板(1)和限定测量体积的其它组件，如果有的话，由气密材料制成并且以气密方式组装，
其中测量单元格主体(21)包括开口(41)，
其中开口(41)被多孔透气膜(5)覆盖，以及
其中多孔透气膜(5)附着到测量单元格主体(21)，特别是通过胶合、注射、浇铸、钎焊和焊接中的一种。
6.根据前述权利要求1至4中之一所述的光声气体传感器设备，
-基板(1)，以及
-测量单元格主体(21)，基板(1)和测量单元格主体(21)限定测量体积(3)，
其中测量单元格主体(21)、基板(1)和限定测量体积(3)的其它组件，如果有的话，由气密材料制成并且以气密方式组装，
其中基板(1)包括开口(41)，
其中开口(41)被多孔透气膜(5)覆盖，并且
其中多孔透气膜(5)附着到基板(1)，
特别地，其中多孔透气膜(5)包括焊接到基板(1)的金属化。
7.根据前述权利要求1至4中之一所述的光声气体传感器设备，包括
-基板(1)，以及
-测量单元格主体(21)，基板(1)和测量单元格主体(21)限定测量体积(3)，
其中，除了在测量单元格主体(21)和基板(1)之间的开口(41)之外，测量单元格主体(21)、基板(1)和限定测量体积(3)的其它组件，如果有的话，由气密材料制成并且以气密方式组装，
其中开口(41)被多孔透气膜(5)覆盖，并且
其中多孔透气膜(5)附着到测量单元格主体(21)和基板(1)中的一个或多个，特别是通过胶合、注射、浇铸、钎焊或焊接中的一种。
8.根据前述权利要求之一所述的光声气体传感器设备，
包括附着到多孔透气膜(5)的支撑层(51)，
优选地，其中支撑层(51)是粘合剂层，并且多孔透气膜(5)借助于粘合剂层附着到测量单元格(2)，
优选地，其中支撑层(51)是气密的并且包括一个或多个洞(511)，所述洞(511)被布置为允许气体在通过多孔透气膜(5)时进入测量体积(3)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器设备，包括
附着到多孔透气膜(5)的第一侧的晶格结构(54)，
其中多孔透气膜(5)借助于布置在多孔透气膜(5)的与第一侧相对的第二侧上的粘合剂(53)附着到测量单元格(2)。
10.根据权利要求5或权利要求6所述的光声气体传感器设备，
其中开口(41)由测量单元格主体(21)和基板(1)中的一个或多个中的多个钻孔(411)表示，
其中多孔透气膜(5)分别附着到测量单元格主体(21)或基板(1)以覆盖所述多个钻孔(411)。
11.根据权利要求5至7中的任一项所述的光声气体传感器设备，
包括布置在测量单元格(2)内部并且与开口(41)间隔开的反射器(28)，用于将电磁辐射反射回测量体积(3)中，否则该电磁辐射会被多孔透气膜(5)吸收或透射通过多孔透气膜(5)。
12.一种光声气体传感器设备，用于确定指示气体中组分的存在或浓度的值，该光声气体传感器设备包括：
-测量单元格(2)，其封住测量体积(3)，
-测量单元格(2)中的透气区域(4)，用于让气体进入测量体积(3)，
-电磁辐射源(7)，被布置为将电磁辐射(8)发射到测量体积(3)中，以及
-压力感测器(6)，被布置为测量响应于测量体积(3)中的组分对电磁辐射(8)的吸收而由组分生成的声波(9)，
其中透气区域(4)由测量单元格(2)的包含洞(211)的区域表示，该洞穿过测量单元格(2)的其它气密材料，
其中洞(211)的直径在100nm和10μm之间。
13.根据权利要求12所述的光声气体传感器设备，
其中测量单元格(2)的限定透气区域(4)的材料的厚度在1μm和1mm之间，
其中洞长度与洞直径的纵横比小于20，
优选地，其中洞(211)是毛细管。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的光声气体传感器设备，
其中洞(211)的数量在50和200000之间，优选地在100和10000之间。
15.根据前述权利要求之一所述的光声气体传感器设备，
包括将测量体积(3)分为第一体积(31)和第二体积(32)的反射屏蔽件(17)，其中反射屏蔽件(17)的表面(171)的面向第二体积(32)的至少一部分由反射电磁辐射(8)的材料制成，
其中电磁辐射源(7)布置在第一体积(31)中，用于通过反射屏蔽件(17)中的孔(18)将电磁辐射(8)发射到第二体积(32)中，
其中压力感测器(6)布置在第一体积(31)中并且连通地耦合到第二体积(32)，用于测量响应于组分对电磁辐射(8)的吸收而由组分生成的声波(9)，
优选地，其中电磁辐射源(7)和压力感测器(6)布置在基板(1)的面向测量体积(3)的前侧(11)上，
优选地，其中第二体积(32)与第一体积(31)的比率为至少1.5，优选地至少2，优选地至少3，优选地至少5，
特别地，其中反射屏蔽件(17)的厚度在30μm和1mm之间，特别是在50μm和200μm之间，
优选地，其中透气区域(4)在测量单元格(2)的限定第一体积(31)的一部分中提供。
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