CN116529570A - 用于确定至少一种物质的至少一个特性的光学检测器和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定至少一种物质(112)的至少一个特性(220)的光学检测器(110)，包括至少一个第一光学传感器(114)，其包括至少一个第一传感器层(116)；和至少一个第二光学传感器(120)，其包括至少一个第二传感器层(122)，至少一个第一光学传感器(114)和至少一个第二光学传感器(120)以第一和第二光学传感器之间的体积(132)被指定用于接收至少一种物质的方式彼此间隔开；至少两个照射源(128，128’，128”)，其提供用于照射第一光学传感器的不同的周期性调制的第一照射光(118)；以及至少一个评估单元(136)，其用于产生关于至少一种物质的至少一个特性的至少一项信息；其中，至少一个第一光学传感器被配置为使第一照射光的份额透射到体积中；以及相关的方法。

Description

用于确定至少一种物质的至少一个特性的光学检测器和方法
技术领域
本发明涉及一种光学检测器和用于确定至少一种物质的至少一个特性的方法。这样的装置和方法可以用于监测或调查目的，特别是在红外(IR)光谱范围内。典型的应用包括光谱学、气体感测或浓度测量。然而，进一步的应用是可能的。
背景技术
红外光谱通常相对于背景光谱进行测量，其中，背景光谱包括关于照射光谱、背景光或光谱仪系统的功能中的至少一者的信息。根据等式(1)，众所周知的比尔-朗伯定律，
I1＝I0·e-εcd (1)
提供了与样品相互作用之前的第一照射的强度I0和与样品相互作用之后的第二照射的强度I1之间在给定波长处的对应关系，而d表示穿过样品的照射路径的长度，而ε和c表示如由样品所包括的至少一种物质的量，即，消光系数ε和浓度c。通常，通过样品的照射路径的长度d是已知的，使得可以确定两个量的积，即，样品内的物质的浓度c和物质的消光系数ε的积。可替代地，如果另一个量是已知的，则可以确定样品内的物质的浓度c或物质的消光系数ε。
通常，通过使用单独的检测器，通常通过执行单独的测量，来确定在与样品相互作用之前的第一照射的强度I0。然而，将希望通过执行单个测量同时测量在与样品相互作用之前的第一照射的强度I0和在与样品相互作用之后的第二照射的强度I1。进一步地，将希望以照射在单个路径中行进的方式测量在样品正前方的在与样品相互作用之前的第一照射的强度I0，以及在样品正后方的与样品相互作用之后的第二照射的强度I1。
WO 2016/120392 A1公开了一种被设计为以取决于传感器区域的照射的方式产生至少一个传感器信号的光学传感器。在此，纵向光学传感器的传感器区域包括光导材料，其中，给定照射的相同总功率，光导材料中的导电率取决于传感器区域中的光束的束横截面。因此，纵向传感器信号取决于光导材料的导电率。优选地，光导材料选自以下各项：硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)、碲化镉(CdTe)、磷化铟(InP)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、锑化铟(InSb)、碲镉汞(HgCdTe；MCT)、铜铟硫(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、或铜锌锡硫(CZTS)。进一步地，固溶体和/或其掺杂变体也是可行的。进一步地，公开了具有传感器区的横向光学传感器，其中，所述传感器区包括光导材料层，优选地嵌入在透明导电氧化物的两个层之间，以及至少两个电极。优选地，电极中的至少一个可以是具有至少两个部分电极的分割电极，其中，由部分电极提供的横向传感器信号指示入射光束在传感器区内的x和/或y位置。
WO 2018/019921 A1公开了一种光学传感器，包括：至少一个光导材料层；至少两个单独电接触，其接触光导材料层；以及覆盖层，其沉积在光导材料层上，其中，覆盖层是无定形层，其包括至少一种含金属化合物。光学传感器可以被提供为不笨重的密封封装，该密封封装然而可以提供针对由湿度和/或氧气造成的可能退化的高保护度。此外，覆盖层能够激活导致光学传感器的增加的性能的光导材料。进一步地，光学传感器可以容易地制造并且集成在电路载体装置上。
WO 2018/077870 A1公开了一种用于特别地红外光谱范围内的辐射的光学检测的光学检测器，具体地，关于感测对象的至少一个光学可想象特性。更特别地，光学检测器可以用于确定至少一个对象的透射率、吸收、发射、反射率和/或位置。进一步地，本发明涉及一种用于制造光学检测器的方法和光学检测器的各种用途。该光学检测器包括具有至少第一表面和第二表面的光学滤波器，第二表面相对于第一表面相对定位，其中，光学滤波器被设计用于允许由第一表面接收的入射光束穿过光学滤波器到第二表面，从而通过修改入射光束的光谱组成来生成修改的光束；传感器层，其包括沉积在光学滤波器的第二表面上的光敏材料，其中，传感器层被设计为以取决于由修改的光束对传感器层的照射的方式产生至少一个传感器信号；以及评估装置，其被设计为通过评估传感器信号产生由入射光束提供的至少一项信息。
WO 2020/148381 A1公开了一种光学传感器，包括：附接到电路载体装置的衬底、直接或间接施加于衬底的至少一种光导材料层、接触光导材料层的至少两个单独的电接触，以及覆盖光导材料层和衬底的可及表面的盖，其中，盖是无定形盖，其包括至少一种含金属化合物，其中，衬底和盖中的至少一者在波长范围内是光学透明的。还提供了一种用于光学传感器的制造方法。因此，光学传感器可以被提供为不笨重的密封封装，该密封封装提供针对长期由湿度和/或氧气造成的可能退化的增加的保护程度。进一步地，光学传感器可以容易地制造并且集成在电路载体装置上。
US 4 700 073 A公开了一种红外光度计，其具有具有入口窗口和出口窗口和优选由聚偏二氟乙烯制成的输出检测器的测量液槽(cuvette)；肯定由聚偏二氟乙烯制成的第二红外检测器，其是部分透射的，设置在液槽的入口窗口的前面；以及可插入该第二检测器前面的选择液槽。
P.C.A.Hammes和P.P.L.Regtien，An integrated infrared sensor using thepyroelectric polymer PVDF,Sensors and Actuators A(使用热电聚合物PVDF的集成红外传感器，传感器和致动器A)32(1992)396-402讨论了使用热电聚合物PVDF的两种类型的热电传感器设置。在第一设置中，PVDF膜安装在支撑环上。因此，材料被很好地热隔离，并且该配置的热灵敏度高。另一方面，该设置不是很鲁棒，因为将PVDF传感器连接到读出电子装置的接线是易损坏的，接线在矩阵传感器的情况下可能很多。所讨论的第二设置解决了该问题。在本文中，PVDF箔被胶合到包含读出电路的硅衬底。MOSFET用于读出热电产生的信号。
US 5 861 626 A公开了一种多膜集成红外(IR)检测器组件，其包括沉积在面包板IR透射但电绝缘的衬底上的具有不同IR光谱灵敏度的各种检测器膜。将衬底沉积在包括HgCdTe膜的IR滤波器层上，其中，该膜具有从边缘到边缘变化的组分。膜的该组分梯度导致变化的IR光谱吸收。该膜充当与检测器膜的响应一致的分级IR滤波器。由此，可以制造集成的IR光谱仪，由此每个检测器仅检测IR波长的特定窄带。
尽管如由上文所提到的检测器和方法暗示的优点，但是仍然需要关于简单、成本高效和可靠的光学检测器的改进，该光学检测器可以用于监测或研究目的，尤其用于光谱学、气体感测或浓度测量，特别是在红外(IR)光谱范围内。
本发明解决的问题
因此，由本发明所解决的问题是指定一种光学检测器和一种用于确定至少一种物质的至少一个特性的方法，其至少基本上避免了已知的光学检测器和该类型的方法的缺点。
特别地，将希望能够在单个测量中同时测量在与样品相互作用之前的第一照射的强度I0和在与样品相互作用之后的第二照射的强度I1。进一步地，将希望测量在样品正前方的在与样品相互作用之前的第一照射的强度I0，并且测量在样品正后方的在与样品相互作用之后的第二照射的强度I1，其中，照射可以优选在单个路径中行进。
发明内容
该问题由具有独立专利权利要求的特征的本发明来解决。在从属权利要求和/或在以下说明书和详细的实施例中呈现本发明的可单独地或组合地实现的有利发展。
在本发明的第一方面中，公开了一种用于确定至少一种物质的至少一个特性的光学检测器，其中，所述光学检测器包括：
-至少一个第一光学传感器，其包括至少一个第一传感器层，其中，
所述至少一个第一光学传感器被配置为取决于照射所述至少一个第一传感器层的至少一部分的第一照射的来产生至少一个第一传感器信号；
-至少一个第二光学传感器，其包括至少一个第二传感器层，其中，
所述至少一个第二光学传感器被配置为取决于照射所述至少一个第二传感器层的至少一部分的第二照射来产生至少一个第二传感器信号；
其中，所述至少一个第一光学传感器和所述至少一个第二光学传感器以所述至少一个第一光学传感器和所述至少一个第二光学传感器之间的体积被指定用于接收至少一种物质的方式彼此间隔开，其中，所述至少一个第一光学传感器被配置为使所述第一照射的份额(share)透射到所述体积中；以及
-至少一个评估单元，其被配置为通过评估所述至少一个第一传感器信号和所述至少一个第二传感器信号来产生关于所述至少一种物质的至少一个特性的至少一项信息。
在本文中，列出的组件可以是单独的组件。可替代地，所述组件中的至少两个可以集成为单个组件。在本文中，所述至少一个评估单元可以特别地形成为独立于所述至少一个第一光学传感器和所述至少一个第二光学传感器的单独的评估单元，但是可以优选连接到所述第一光学传感器和所述第二光学传感器以接收所述至少一个第一传感器信号和所述至少一个第二传感器信号。可替代地，所述至少一个评估单元可以全部或部分地集成到所述至少一个第一光学传感器和/或所述至少一个第二光学传感器中。
如本文所使用的，术语“物质”是指由任意样品或其一部分所包括的至少一种化合物。特别地，物质可以是待分析的物质，其中，术语“待分析”是指产生关于至少一种物质的至少一个特性的期望信息，尤其通过使用根据本发明的光学检测器来产生。在本文中，至少一种物质可以选自以下各项中的至少一项：液体；气体；固体，特别是粉末、颗粒或块材料；或其混合物。通常，特定物质可包括至少一种组分，其中，物质的组分可以在监测该特定物质期间保持恒定或变化。特别地，为了使得第一照射的一部分能够穿过样品，由此其被修改为照射第二光学传感器的至少一个第二传感器层的第二照射，因此该至少一种物质的层是部分透明的。如通常所使用的，术语“部分透明”是指至少一种物质的特性，即，第一照射的非消失部分能够通过由至少一种物质形成的层，由此其被修改为第二照射。
如本文进一步使用的，至少一种物质的术语“特性”是指如由样品包括的至少一种物质的光学可接收量。如本文进一步使用的，术语“确定”是指获取至少一种物质的至少一个特性的至少一个值，特别地至少一个代表值。优选地，至少一种物质的至少一个特性可以选自如由样品所包括的至少一种物质的消光系数ε和浓度c中的至少一者。如通常所使用的，术语“消光系数”是指在穿过样品行进距离d之后照射的衰减，并且因此涉及至少一种物质的特性，即它是部分透明的。如进一步通常使用的，术语“浓度”是指样品的至少一种物质的比例。通常，照射行进通过样品的距离d是已知的。因此，根据等式(1)，可以确定样品内的至少一种物质的消光系数ε和浓度c的积。可替代地，如果另一个量是已知的，则可以单独确定样品内的至少一种物质的消光系数ε或浓度c。
如本文进一步使用的，术语“光学传感器”是指包括至少一个传感器层并且被配置为以取决于由照射对所述传感器层或其一部分的照射的方式产生至少一个传感信号的任意装置。在本文中，术语“传感器层”是指指定用于接收所述照射的光敏体，其中，如由传感器层接收的照射触发至少一个传感器信号的产生，其中，传感器信号的产生由传感器信号和传感器层的照射方式之间的所定义的关系来管理。如通常所使用的，术语“层”指示光敏层的两个横向维度上的延伸超过在第三维度上的延伸(表示为层的“厚度”)至少5、至少10、至少20、或至少50或更多倍，其中，所述层可以由衬底承载，特别地，以向所述层提供稳定性和完整性。
进一步地，术语“传感器信号”是指指示照射传感器层的照射中的至少一者的任意信号。作为示例，传感器信号可以是或可包括数字和/或模拟信号。作为示例，传感器信号可以是或可以包括电压信号和/或电流信号。附加地或者可替代地，传感器信号可以是或可包括数字数据。传感器信号可包括单个信号值和/或一系列信号值。感器信号还可以包括可以通过组合两个或两个以上单独信号导出的任意信号，诸如通过平均两个或两个以上信号和/或通过形成两个或两个以上信号的商。
根据本发明，光学检测器具有至少一个第一光学传感器，也命名为“参考传感器”，以及至少一个第二光学传感器，也命名为“测量传感器”。在本文中，至少一个第一光学传感器包括至少一个第一传感器层，其中，至少一个第一光学传感器被配置为取决于至少一个第一传感器层的至少一部分的照射来产生至少一个第一传感器信号。因此，至少一个第一光学传感器被指定为执行在与样品相互作用之前的第一照射的强度I0的直接测量。进一步地，至少一个第二光学传感器包括至少一个第二传感器层，其中，至少一个第二光学传感器被配置为取决于至少一个第二传感器层的至少一部分的照射来产生至少一个第二传感器信号。因此，至少一个第二光学传感器被指定为执行在与样品相互作用之后的第二照射的强度I1的直接测量。如本文进一步使用的，术语“第一”和“第二”被认为是一种描述，而不指定顺序，并且不排除可能存在相同种类的其他元素的可能性。
因此，光学检测器具有光学传感器的堆叠，其中，所述堆叠包括至少一个第一光学传感器和至少一个第二光学传感器。如本文所使用的，术语“堆叠”是指光学传感器的沿着轴，特别是沿着光学检测器的光轴的特定种类的布置。如本文进一步使用的，术语“光轴”是指光学检测器的主观察方向。优选地，光学传感器可以以相应传感器层以关于光轴垂直的方式取向的方式以堆叠布置。作为示例，单独光学传感器的传感器层可以平行取向，其中，轻微角度公差可能是可容许的，诸如不超过10°、优选不超过5°的角度公差。在堆叠中，最后由照射入射的特定光学传感器可以是透明的、部分透明的或不透明的，而先前由照射入射的堆叠内的其他光学传感器可以是透明的或部分透明的，但不是不透明的，特别地以便使得堆叠内的所有光学传感器能够由照射入射。
进一步根据本发明，至少一个第一光学传感器和至少一个第二光学传感器彼此间隔开。如本文所使用的，术语“间隔开”是指以在至少一个第一光学传感器与至少一个第二光学传感器之间产生非消失距离的方式将至少一个第一光学传感器和至少一个第二光学传感器放置在光学检测器内。换句话说，换句话说，光学检测器的堆叠可以由至少一个第一光学传感器与至少一个第二光学传感器之间的固定机械连接来限定，特别地，以在至少一个第一光学传感器与至少一个第二光学传感器之间提供固定体积。因此，在至少一个第一光学传感器与至少一个第二光学传感器之间产生固定体积，根据本发明，该固定体积被指定用于接收至少一种物质。如通常所使用的，术语“体积”是指指定用于容纳包括至少一种物质的样品的中空体。优选地，该固定机械连接以可以获得立方体形状的方式布置。在优选实施例中，固定机械连接可以进一步充当用于至少一个液槽的容器。如通常所使用的，术语“液槽”是指一种特定种类的容器，其尤其被设计用于容纳液体样品。在本文中，至少一个液槽可以具体地包括空间尺寸，该空间尺寸允许将至少一个液槽插入该体积中。特别地，所述体积可以由多个边界限制，其中，至少两个相对的边界可以尤其是完全或至少部分光学透明的窗口，该窗口被指定为使第一照射的一部分在通过至少一个第一光学传感器之后透射到样品，并且随后从样品透射到至少一个第二光学传感器。如特别优选的，至少一个第一光学传感器可以是部分光学透明的，并且可以同时用作有助于限制该体积的透明窗口中的一者。类似地，至少一个第二光学传感器可以同时承担相对窗口的功能。对于进一步的细节，可以参考以下示例性实施例的描述。
在特别优选的实施例中，至少一个第一传感器层可以优选包括至少一种光导材料的至少一个层。如本文所使用的，术语“光导材料”是指能够保持电流从而展现出特定导电率的材料，其中，具体地，导电率取决于材料的照射。在这种材料中，电流可以经由至少一个第一电接触通过材料引导到至少一个第二电接触，或者反之亦然。出于该目的，至少两个单独的电接触可以施加在传感器层的不同位置处，尤其以第一电接触和第二电接触相对于彼此电隔离的方式，同时第一电接触和第二电接触中的每一个与传感器层直接连接。在本文中，电接触可包括容易地由已知蒸镀技术提供的蒸镀金属层。特别地，蒸镀的金属层可包括以下各项中的一项或多项：金、银、铝、铂、镁、铬、或钛。可替代地，电接触可包括石墨烯层。
在至少一个第一传感器层中使用的至少一种光导材料可以优选包括至少一种硫属化合物，其中，至少一种硫属化合物可以选自硫化物硫属化合物、硒化物硫属化合物、碲化物硫属化合物、三元硫属化合物、四元硫属化合物、更高元硫属化合物、其固溶体和/或掺杂变体。如本文所使用的，术语“固溶体”是指至少一种溶质包括在溶剂中的光导材料的状态，由此形成均匀相，并且其中，溶剂的晶体结构可以通常通过溶质的存在未改变。举例来说，二元PbSe可以溶解在PbS中，从而产生PbS1-xSex，其中，x可以从0到1变化。如本文进一步使用的，术语“掺杂变体”可以是指光导材料的如下状态：除材料本身的构成之外的单个原子被引入到晶体内的由无掺杂状态的本征原子占用的位点上。进一步地，术语“硫属化合物”是指包括除氧化物之外的周期表的至少一种16族元素的化合物，即，硫化物、硒化物、碲化物。在本文中，术语“硫属化合物”还可以包括混合硫属化合物，诸如亚砜、硫硒化物、硒化碲化物等。然而，其他无机光导材料可以同样适用。
在特别优选的实施例中，至少一种光导材料的至少一个层可以尤其包括针对高达2.6μm的照射波长的砷化铟镓(InGaAs)、针对高达3.1μm的波长的砷化铟(InAs)、针对高达3.5μm的波长的硫化铅(PbS)、针对高达5μm的波长的硒化铅(PbSe)、针对高达5.5μm的波长的锑化铟(InSb)；或针对于高达16μm的波长的碲镉汞(MCT，HgCdTe)。由于本文所提到的光导材料通常已知以展现出红外光谱范围内的不同的吸收特性，因此包括所提到的光导材料中的至少一种的至少一个第一传感器层可以优选对红外辐射敏感。然而，其他实施例和/或进一步的光导材料也可以是可行的，特别是铜铟硫(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、铜锌锡硫(CZTS)、铜锌锡硒(CZTSe)、碲化镉(CdTe)、碲锌汞(HgZnTe)、硫硒化铅(PbSSe)、硫硒铜锌锡(CZTSSe)、二硫化钼(MoS2)、或WO 2018/019921A1中已经公开的其他光导材料。
传感器层可以通过应用可以选自包括以下各项的组的至少一个沉积方法来制造：真空蒸镀、溅射、原子层沉积、化学气相沉积、喷雾热解、电沉积、阳极化、电转换、化学浸渍生长、连续离子性吸附和反应、化学浴沉积、溶解气界面技术。然而，如本文所提到或所提及的其他光导材料出于该目的也可以是可行的，也可以以相同或以类似的方式处理。
优选地，可以通过在电绝缘衬底上沉积光导材料来制造传感器层。在本文中，传感器层可以直接或间接地施加到至少一个衬底。然而，独立的传感器层也可以是可行的。如通常所使用的，术语“衬底”是指适于承载材料(具体是如本文所使用的光导材料)层的伸长主体，特别地用于作为有利的方式向传感器层提供机械稳定性。进一步地，术语“直接地”是指将传感器层直接附接到衬底，而术语“间接地”是指经由至少一个中间层(特别是结合层)将传感器层附接到衬底。优选地，衬底可以被提供为具有超过该层的厚度至少5倍、优选地至少25倍、更优选地至少100倍的横向扩展的层。衬底的所述厚度可以优选为10μm、20μm、50μm、100μm至500μm、至1000μm、至2000μm。
作为电绝缘衬底的替代方案，半导体衬底或导电衬底也可以是可行的，然而，采用在衬底与传感器层之间的电绝缘夹层可能是优选的，该电绝缘夹层在期望波长范围内可以是光学透明的。如特别优选的，用于衬底的材料可以展现出光学透明特性，尤其在照射的波长或波长范围内。出于该目的，衬底材料可以尤其选自以下各项中的至少一项：透明玻璃、硅、锗、金属氧化物、金属或半导体材料，特别地选自铝掺杂氧化锌(AZO)、铟掺杂氧化锡(ITO)、ZnS、或ZnSe，其中，玻璃或硅是特别优选的。
以这种方式，可以提供所述第一光学传感器，尤其通过在适当的衬底上沉积选择的光导材料并通过将至少两个单独的电接触施加到传感器层。在优选实施例中，第二光学传感器可以以类似的方式或更优选地以相同的方式提供，其中，第二传感器层可以优选包括相同或不同光导材料的层。在可替代实施例中，第二传感器层可以是或包括任何已知的光敏元件，特别是CCD芯片、CMOS芯片、热电元件、测辐射热元件、热电堆元件或FIP传感器。对于FIP传感器，可以参考WO 2012/110924 A1、WO 2014/097181A1或WO 2016/120392 A1。
如本文进一步使用的，术语“光学检测器”是指包括至少一个光学传感器和至少一个评估单元的任意装置。如本文进一步使用的，术语“评估单元”通常是指被配置为通过评估至少一个第一传感器信号和至少一个第二传感器信号来产生至少一项信息，特别地，关于至少一种物质的至少一个特性的任意装置。评估单元可以是或可包括一个或多个集成电路，特别地专用集成电路(ASIC)和/或数据处理装置中的至少一者，特别地数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、微型计算机或计算机中的至少一者。可替代地或另外，评估单元可以特别地是至少一个电子通信单元(具体地智能电话或平板电脑)或由至少一个电子通信单元包括。附加组件可能是可行的，特别是一个或多个预处理装置和/或数据采集装置，特别时用于传感器信号的接收和/或预处理的一个或多个装置，特别是一个或多个AD转换器和/或一个或多个滤波器。进一步地，评估单元可包括一个或多个数据存储装置，特别是用于存储至少一个电子表，特别是至少一个查找表。进一步地，评估单元可包括一个或多个接口，特别是一个或多个无线接口和/或一个或多个有线接口。
评估单元可以优选被配置为执行至少一个计算机程序，特别地执行或支持产生所述至少一项信息的步骤的至少一个计算机程序。举例来说，可以实现一个或多个算法，尤其通过使用至少一个第一传感器信号和至少一个第二传感器信号作为输入变量，来执行到至少一项信息的转换。评估单元可以特别地包括至少一个数据处理装置，特别是电子数据处理装置，该数据处理装置可以被设计为通过评估至少一个第一传感器信号和至少一个第二传感器信号来产生至少一项信息。评估单元被设计为使用至少一个第一传感器信号和至少一个第二传感器信号作为输入变量，并且通过处理输入变量来产生至少一项信息。特别地，出于本发明的目的，可以实现如上文所描述的等式(1)。在本文中，可以并行地、以连续的方式或以组合的方式执行所述处理。评估单元可以使用任意过程来产生至少一项信息，特别地通过计算和/或使用至少一个存储和/或已知的关系。
在特别优选的实施例中，衬底可以直接或间接地施加到电路载体装置，诸如印刷电路板(PCB)，其中，电路载体装置可包括开口，其中，开口被配置为将第一照射透射到至少一个第一传感器层。在本文中，术语“直接地”是指将衬底直接附接到电路载体装置，而属于“间接地”是指经由至少一个中间层(特别是结合层)将衬底附接到电路载体装置。如通常所使用的，术语“印刷电路板”(常被缩写为“PCB”)是指非导电平面板，在该非导电平面板上，导电材料(特别是铜层)的至少一个薄片被施加(特别地层压)到该板上。指代另外包括一个或多个电子、电气、和/或光学元件的该类型的电路载体装置的其他术语也可以被表示为印刷电路组件，简称“PCA”、印刷电路板组件，简称“PCB组件”或“PCBA”，电路卡组件或简称“CCA”或简单地“卡”。在PCB中，所述板可包括玻璃钢板，其中，用酚醛树脂(通常褐色或者棕色)浸渍的绵纸也可以被用作板材料。取决于薄片的数量，印刷电路板可以是单面PCB、两层或双面PCB、或多层PCB，其中，不同的薄片通过使用所谓的“过孔”彼此连接。出于本发明的目的，单面PCB的应用可能是足够的；然而，其他种类的印刷电路板也可以是适用的。双面PCB可以在两面具有金属，而多层PCB可以通过将附加的金属层夹在进一步的绝缘材料层之间来设计。在多层PCB中，这些层可以以交替的方式层压在一起，其中，每个金属层可以单独蚀刻，并且其中，内部过孔可以在多个层被层压在一起之前被电镀。进一步地，过孔可以是或包括镀铜孔，其可以优选地被设计为通过绝缘板的导电路径。承载至少一个传感器层、对应电接触以及，如果应用的话，进一步的层的衬底可以放置到电路载体装置上，诸如PCB，具体通过胶合、焊合、焊接、或以其他方式将其直接或间接地沉积在电路载体装置的相邻表面上。举例来说，衬底可以附接到电路载体装置，诸如PCB，通过置于衬底和电路载体装置(诸如PCB)的相邻表面之间的胶体薄膜。对于进一步的信息，可以参考https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board。可替代地，然而，其他种类的电路载体装置也可以是适用的。
在特别优选的实施例中，至少一个第一传感器层是或包括至少一个半透明传感器层。如本文所使用的，术语“半透明”是指衰减第一照射的至少一个第一传感器层的特性。出于该目的，第一照射的份额可以由至少一个第一传感器层或其一部分透射，而第一照射的剩余份额可以由至少一个第一传感器层或其一部分吸收。
在特别优选的实施例中，至少一个半透明传感器层出于该目的可以是或包括结构化层。如本文所使用的，术语“结构化层”是指包括至少一个透明部分和至少一个不透明部分的特定种类的层。通过结构化至少一个半透明传感器层，可以调整透射通过至少一个透明部分的第一照射的份额与由至少一个不透明部分吸收的第一照射的剩余份额之间的关系，尤其是比率，具体是商。可以通过移除如沉积在衬底上的至少一个第一传感器层的一部分来提供结构化层。可替代地或另外，至少一个部分传感器层，优选地多个部分传感器层，每个具有不完全覆盖衬底的尺寸，可以沉积在衬底上。对于半透明传感器层的进一步的细节，可以参考如下文所提供的示例性实施例。独立于所选择的实施例，所得的半透明传感器层包括至少一个透明部分和至少一个不透明部分。在该实施例中，至少一个半透明传感器层可以优选展现出10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、至1μm、至10μm、至50μm和至100μm的厚度。
在可替代实施例中，出于该目的，至少一个半透明传感器层可以是或包括具有指定为部分透射第一照射的厚度的传感器层。在本文中，可以使用至少一种光导材料。如上文所指示的，能够维持电流的光导材料展现出特定的导电率，其中，导电率进一步取决于传感器层的厚度。如物理学中众所周知的，包括光导材料的传感器层的导电率随着传感器层的厚度的减小而增加。因此，通过使用具有减少厚度的传感器层，可以增加第一照射经由光导材料层的透射等级。在该进一步的实施例中，至少一个半透明传感器层可以优选具有10nm、20nm、50nm、100nm、至500nm、至1μm、至5μm、至10μm的厚度。
在进一步特别优选的实施例中，至少一个第一光学传感器和/或至少一个第二光学传感器还可以包括盖层，该盖层被配置为覆盖光导材料的可及表面。优选地，盖层可以被设计为覆盖相应传感器层的所有可及表面，其中，可以考虑可以将相应传感器层沉积在衬底上，该衬底可能已经适于保护相应传感器层的表面的分区。另外，盖也可以完全或部分地覆盖电接触，其中，电接触可以通过使用线结合来结合到至少一个外部连接。因此，衬底和盖可以以某种方式协作以实现相应传感器层的封装，优选气密封装，尤其以便尽可能避免由外部影响对光导材料的部分或完全退化，诸如由由周围大气中包括的湿度和/或氧气。对于关于盖层的进一步细节，可以参考WO 2018/019921A1或WO 2020/148381A1中的至少一者。
如上文已经指示的，照射用于照射至少一个第一传感器层、至少一个第二传感器层、包括至少一种物质的样品或其至少一部分。如本文所使用的，术语“照射”是指电磁辐射的分区，通常被称为“光”，其包括可见光谱范围、紫外(UV)光谱范围和红外(IR)光谱范围。术语“紫外光谱”是指具有1nm至380nm、优选100nm至380nm的波长的电磁辐射，而术语“可见光”是指380nm至760nm的波长。进一步地，术语“红外”是指760nm至1000μm的波长，其中，760nm至1μm的波长通常表示为“近红外”或“NIR”，1μm至15μm的波长表示为“中红外”或“MidIR”，以及15μm至1000μm的波长表示为“远红外”或“FIR”。对于本发明，特别是对于气体感测应用，可以使用MidIR光谱范围内的照射，优选具有5μm至15μm的波长。照射可以从至少一个照射源发出，但是可替代地或另外，可以源自至少一种物质本身。
在优选实施例中，光学检测器可包括单个照射源。照射源可以是或包括已知在IR光谱范围内，尤其是提供在NIR或MidIR光谱范围中的至少一者中的足够发射的任何类型的照射源。特别地，照射源可以选自以下各项中的至少一项：热辐射器，具体是白炽灯或热红外发射器；环境光源，诸如太阳；焰源；热源；激光器，特别是激光二极管，尽管也可以使用其他类型的激光器；发光二极管，特别是具有磷光体转换器或具有2D材料(诸如二硫化钼(MoS2))的发光二极管；有机光源，特别是有机发光二极管；霓虹灯；结构化光源。可替代地或另外，其他照射源可用于本发明的目的。如通常所使用的，术语“白炽灯”是指具有由灯泡限制的体积的装置，特别是具有玻璃和熔融石英，其中，可以具体包括钨的线灯丝发射期望的光学辐射。如本文进一步使用的，术语“热红外发射器”是指微加工的热发射装置，其包括被配置为发射期望的光学辐射的辐射发射表面。热红外发射器可作为来自Axetris AG、Schwarzenbergstrasse 10、CH-6056Switzerland的“emirs50”，作为来自LASERCOMPONENTS GmbH、Werner-von-Siemens-Str.15 82140Olching、Germany的“热红外发射器(thermal infrared emmitters)”，或者作为来自Hawkeye Technologies、181ResearchDrive#8、Milford CT 06460、United States的“红外发射器(infra-red emitters)”而获得。然而，其他类型的热红外发射器也可能是可行的。
在进一步的实施例中，光学检测器可包括至少两个单独的照射源。在本文中，优选地，至少两个单独的照射源可以是相同的，或者作为替代，可以彼此不同。在本文中，至少两个单独的照射源尤其可以从如上文更详细描述的照射源中选择。在该进一步的实施例中，可以特别优选的是，可以使用调制，具体地周期性调制来操作至少两个单独的照射源。在本文中，至少两个单独的照射源的周期性调制可以优选彼此不同。如通常所使用的，术语“周期性调制”是指照射的总功率的最大值和最小值之间的照射的连续变化。在本文中，最小值可以是0，但也可以>0，使得举例来说，不必实现完全调制。优选地，可以通过调制至少一个照射源本身来实现调制，以便产生期望的调制照射。出于该目的，照射源本身可以提供调制的强度和/或总功率，尤其是周期性调制的总功率，特别是通过实现脉冲照射源，具体地作为脉冲激光二极管。可替代地或另外，可以使用单独的调制装置，具体地基于电光效应和/或声光效应的调制装置。进一步地，评估装置可以附加地被配置为在可以使用不同调制频率的情况下区分至少两个单独的传感器信号。
另外，光学检测器可包括至少一个光学滤波器。优选地，至少一个光学滤波器可以被放置在至少一个照射源与至少一个第一光学传感器之间的第一照射的路径中。如本文所使用的，术语“光学滤波器”是指具有带通宽度的光学带通滤波器，其中仅具有可以在由带通宽度指示的公差内的波长的照射能够穿过特定光学滤波器。在可以存在至少两个单独照射源的上文所描述的实施例中，单独的光学滤波器可以被放置在每个单独的照射源与至少一个第一光学传感器之间的第一照射的路径中。在本文中，每个单独的光学滤波器可以优选彼此不同。在该实施例中，其中可以存在至少两个单独的照射源，每个单独的照射源可包括相同类型的照射源，但可以以不同的调制频率操作和/或可以将产生的第一照射引导到不同的光学滤波器。
包括至少两个单独照射源的该特定实施例可以尤其用于多气体感测。在本文中，包括特定波长或波长范围的第一照射的份额可以被提供给每个气体种类，以便由每个气体种类的至少一个对应的吸收带过滤。通过使用每个单独照射源的不同调制频率处的调制，传感器信号可以被分配给每个气体种类，并且因此，对于至少一个第一光学传感器和至少一个第二光学传感器，特别是通过使用本领域技术人员公知的快速傅立叶变换(FFT)来分离传感器信号。然而，评估可能源自不同照射源中的一者的传感器信号的其他方式也可以是可行的。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于确定至少一种物质的至少一个特性的方法。该方法包括以下步骤a)至d)，其可以以给定顺序执行，然而不同的顺序在一定程度上可以是可能的。进一步地，可以提供未列出的附加方法步骤。除非另外明确指明，方法步骤中的两个或两个以上或甚至全部可以至少部分地同时执行。进一步地，方法步骤中的两个或两个以上或甚至全部可以重复地执行两次或甚至超过两次。
用于确定至少一种物质的至少一个特性的方法包括以下步骤：
a)提供根据前述权利要求中的任一项所述的光学检测器；
b)将所述至少一种物质引入位于至少一个第一光学传感器与至少一个第二光学传感器之间的被指定用于接收所述至少一种物质的体积中，其中，所述至少一个第一光学传感器被配置为使第一照射的份额透射到所述体积中用于分析所述至少一种物质；
c)以所述第一照射的份额通过所述至少一个第一光学传感器、随后行进通过包括所述至少一种物质的体积的方式，将所述第一照射的份额引导到体积中用于分析所述至少一种物质，由此，其被修改为随后入射在所述至少一个第二光学传感器上的第二照射；以及
d)根据取决于如由所述至少一个第一光学传感器所包括的至少一个第一传感器层的第一照射的至少一个第一传感器信号和取决于如由所述至少一个第二光学传感器所包括的至少一个第二传感器层的第二照射的至少一个第二传感器信号，确定所述至少一种物质的至少一个特性。
根据步骤a)，提供了在本文中如上文或下文更详细描述的光学检测器。
根据步骤b)，将待分析的至少一种物质引入位于至少一个第一光学传感器与至少一个第二光学传感器之间的体积中，其中，该体积被指定用于接收至少一种物质。在本文中，至少一个第一光学传感器被配置为使第一照射的份额透射到体积中用于分析至少一种物质。
根据步骤c)，第一照射的份额被引导到体积中用于分析至少一种物质。出于该目的，第一照射的份额通过至少一个第一光学传感器，随后通过包括至少一种物质的体积，由此其被修改为随后入射在至少一个第二光学传感器上的第二照射。
根据步骤d)，根据取决于由至少一个第一光学传感器所包括的至少一个第一传感器层的照射的至少一个第一传感器信号和取决于由至少一个第二光学传感器所包括的至少一个第二传感器层的照射的至少一个第二传感器信号来确定至少一种物质的至少一个特性。
方法可以优选用于操作根据本发明的至少一个光学检测器，诸如根据如本文档中所公开的任一实施例的至少一个光学检测器。对于方法的进一步的细节和可选实施例，可以参考光学检测器及其各种实施例的描述。
在本发明的进一步的方面中，公开了一种根据本发明的检测器的用途。其中，出于使用的目的的检测器的用途选自包括以下各项的组：红外检测应用；光谱学应用；排气监测应用；燃烧过程监测应用；污染监测应用；工业过程监测应用；混合或混配过程监测；化学过程监测应用；食品加工过程监测应用；食品制备过程监测；水质监测应用；空气质量监测应用；质量控制应用；温度控制应用；运动控制应用；排气控制应用；气体感测应用；气体分析应用；运动感测应用；化学感测应用；移动应用；医疗应用；移动光谱学应用；食品分析应用；农业应用，诸如土壤、青贮饲料、饲料、作物或农产品的特征，监测植物健康；塑料标识和/或回收应用；压力控制应用。然而，进一步的用途可能仍然是可想象的。
上文所描述的光学检测器和用于确定至少一种物质的至少一个特性的方法与现有技术相比具有相当大的优点。首先，它们允许在与样品相互作用之前直接测量第一照射的强度I0，由此，可以仅考虑透射通过至少一个第一光学传感器的至少一个透明部分的入射照射的份额与由至少一个第二光学传感器的至少一个不透明部分吸收的入射照射的剩余份额之间的关系，尤其是比例，具体是商。进一步地，单个光学滤波器可以是优选的，其中，单个光学滤波器尤其可以用于待分析的物质的至少一个对应的吸收带。另外，本光学检测器也可适用于多气体感测，尤其通过使用至少两个单独的光学滤波器，优选地与不同调制的照射源相结合，如下文更详细地描述的。进一步地，不要求附加的光学传递元件(诸如光束分离器)来照射两种光学传感器，即至少一个参考传感器和至少一个测量传感器，的传感器层。作为优点，光学检测器的光学稳定性可以较少地受到由IR照射源产生的光谱辐射偏移的影响。作为进一步的优点，所要求的空间的量可以最小化，特别地，因为这两种光学传感器都可以被提供为平面，该平面已经用作指定用于接收样品的体积的边界。另外，进一步的优点是可以想象的。
如本文所使用的，术语“具有”、“包括”或“包含”或其任何语法变体以非排他性的方式使用。因此，这些术语可以指本上下文描述的实体中除了由这些术语引入的特征之外不存在其它特征的情形，也可以指还存在一个或多个其它特征的情形。作为示例，表述“A具有B”、“A包括B”和“A包含B”可以指A中除了B之外不存在其它要素(即，A仅仅且排他地由B组成)的情形，也可以指实体A中除了B之外还存在一个或多个其它要素(例如要素C、要素C和D、或甚至其它要素)的情形。
此外，如本文所使用的，术语“优选地”、“更优选地”、“特别地”、“更特别地”、“具体地”、“更具体地”或类似的术语与可选特征结合使用，而不限制替代可能性。因此，由这些术语引入的特征是可选的特征，并不旨在以任何方式限制权利要求的范围。如本领域的技术人员将认识到的，本发明可通过使用替代特征来执行。类似地，由“在本发明的实施例中”或类似表述引入的特征旨在为可选的特征，而对本发明的替代实施例没有任何限制，对本发明的范围没有任何限制，并且对组合以此方式引入的特征与本发明的其它可选的或非可选的特征的可能性没有任何限制。
总结，在本发明的上下文中，以下实施例被认为是特别优选的：
实施例1：一种用于确定至少一种物质的至少一个特性的光学检测器，包括：
-至少一个第一光学传感器，其包括至少一个第一传感器层，其中，
所述至少一个第一光学传感器被配置为取决于照射所述至少一个第一传感器层的至少一部分的第一照射来产生至少一个第一传感器信号；
-至少一个第二光学传感器，其包括至少一个第二传感器层，其中，
所述至少一个第二光学传感器被配置为取决于照射所述至少一个第二传感器层的至少一部分的第二照射来产生至少一个第二传感器信号；
其中，所述至少一个第一光学传感器和所述至少一个第二光学传感器以这样的方式彼此间隔开：所述至少一个第一光学传感器和所述至少一个第二光学传感器之间的体积被指定用于接收至少一种物质，其中，所述至少一个第一光学传感器被配置为使所述第一照射的份额透射到所述体积中；以及
-至少一个评估单元，其被配置为通过评估所述至少一个第一传感器信号和所述至少一个第二传感器信号来产生关于所述至少一种物质的至少一个特性的至少一项信息。
实施例2：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述至少一个第一传感器层是或包括至少一个半透明传感器层。
实施例3：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述至少一个半透明传感器层具有能够使所述第一照射的份额透射到所述体积中的厚度。
实施例4：根据前述两个实施例中的任一个所述的光学检测器，其中，所述至少一个半透明传感器层是或包括结构化层。
实施例5：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述结构化层包括至少一个透明部分和至少一个不透明部分。
实施例6：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述至少一个透明部分和所述至少一个不透明部分位于透明衬底上。
实施例7：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述至少一个透明部分和所述至少一个不透明部分以交替的方式位于透明衬底上。
实施例8：根据前述实施例中的任一个所述的光学检测器，其中，所述至少一个第一传感器层包括至少一种光导材料的至少一个层。
实施例9：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述至少一种光导材料包括至少一种硫属化合物，其中，所述至少一种硫属化合物选自包括以下各项的组：硫化物硫属化合物、硒化物硫属化合物、碲化物硫属化合物、三元硫属化合物、四元硫属化合物、更高元硫属化合物、和其固溶体和/或掺杂变体。
实施例10：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述硫属化合物选自包括以下各项的组：硫化铅(PbS)、铜铟硫(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、铜锌锡硫(CZTS)、硒化铅(PbSe)、铜锌锡硒(CZTSe)、碲化镉(CdTe)、碲镉汞(HgCdTe)、碲锌汞(HgZnTe)、硫硒化铅(PbSSe)、硫硒铜锌锡(CZTSSe)、二硫化钼(MoS2)、以及其固溶体和/或掺杂变体。
实施例11：根据前述实施例中的任一个所述的光学检测器，还包括至少一个照射源。
实施例12：根据前述实施例中的任一个所述的光学检测器，还包括至少一个光学滤波器。
实施例13：根据前述实施例中的任一个所述的光学检测器，还包括至少两个单独的照射源。
实施例14：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，每个照射源通过如由每个照射源产生的所述第一照射的周期性调制而彼此不同。
实施例15：根据前述两个实施例中的任一个所述的光学检测器，还包括至少两个单独的光学滤波器。
实施例16：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，每个光学滤波器被配置为使如由每个照射源产生的所述第一照射的不同波长或波长范围通过。
实施例17：根据前述实施例中的任一个所述的光学检测器，包括被设计为承载所述至少一个第一光学传感器的电路载体装置。
实施例18：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述电路载体装置是印刷电路板(PCB)。
实施例19：根据前述两个实施例中的任一个所述的光学检测器，其中，所述电路载体装置包括开口，其中，所述开口被配置为使所述第一照射透射到所述至少一个第一传感器层。
实施例20：根据前述实施例中的任一个所述的光学检测器，其中，所述光学检测器被配置为检测至少红外光谱范围的分区内的至少一个波长，所述红外光谱范围从760nm至1000μm。
实施例21：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述光学检测器被配置为检测至少近红外光谱范围的分区内的至少一个波长，所述近红外光谱范围从760nm至1μm，或者中红外光谱范围，所述近红外光谱范围从1μm至15μm。
实施例22：根据前一实施例所述的光学检测器，其中，所述光学检测器被配置为检测5μm至15μm的至少一个波长。
实施例23：一种用于确定至少一种物质的至少一个特性的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供根据前述实施例中的任一个所述的光学检测器；
b)将所述至少一种物质引入位于至少一个第一光学传感器与至少一个第二光学传感器之间的用于接收所述至少一种物质的体积中，其中，所述至少一个第一光学传感器被配置为使第一照射的份额透射到所述体积中用于分析所述至少一种物质；
c)以所述第一照射的份额通过所述至少一个第一光学传感器、随后行进通过包括所述至少一种物质的体积的方式，将所述第一照射的份额引导到所述体积中用于分析所述至少一种物质，由此，其被修改为随后入射在所述至少一个第二光学传感器上的第二照射；以及
d)根据取决于如由所述至少一个第一光学传感器所包括的至少一个第一传感器层的第一照射的至少一个第一传感器信号和取决于如由所述至少一个第二光学传感器所包括的至少一个第二传感器层的第二照射的至少一个第二传感器信号，确定所述至少一种物质的至少一个特性。
实施例24：根据前一实施例所述的方法，其中，所述至少一种物质的所述至少一个特性选自引入所述体积中的所述至少一种物质的消光系数ε和浓度c中的至少一者。
实施例25：根据前述两个实施例中的任一个所述的方法，其中，所述至少一个第一传感器层是或包括至少一个半透明传感器层。
实施例26：根据前一实施例所述的方法，其中，所述至少一个半透明传感器层是或包括结构化层。
实施例27：根据前一实施例所述的方法，其中，所述结构化层包括至少一个透明部分和至少一个不透明部分。
实施例28：根据前一实施例所述的方法，其中，步骤c)以这样的方式执行：如引导到所述体积中的第一照射的所述份额仅通过所述至少一个第一光学传感器的所述至少一个透明部分。
附图说明
通过以下结合从属权利要求对优选示例性实施例的描述，本发明的其他可选细节和特征将显而易见。在该上下文中，特定特征可以单独或者与特征组合来实现。本发明不限于示例性实施例。在附图中示意性地示出了示例性实施例。各个附图中相同的参考标号是指相同的元件或具有相同功能的元件，或者在其功能方面彼此对应的元件。
具体地，在图中：
图1示意性地示出了根据本发明的用于确定至少一种物质的至少一个特性的光学检测器的优选示例性实施例；
图2示意性地示出了如现有技术中已知的用于确定至少一种物质的至少一个特性的光学检测器；
图3示意性地示出了根据本发明的用于确定至少一种物质的至少一个特性的光学检测器内的第一光学传感器的优选示例性布置；
图4A至4F各自示意性地示出了如由第一光学传感器所包括的第一传感器层的优选示例性实施例；
图5示意性地示出了根据本发明的用于确定至少一种物质的至少一个特性的光学检测器的另一优选示例性实施例；以及
图6示意性地示出了根据本发明的用于确定至少一种物质的至少一个特性的方法的优选示例性实施例。
具体实施方式
图1以高度示意性的方式在示意性俯视图中示出了根据本发明的用于确定至少一种物质112的至少一个特性的光学检测器110的示例性实施例。出于该目的，作为优选，光学检测器110可以被设计为红外检测器，特别是对于MidIR光谱范围，尤其对于5μm至15μm的波长的气体感测应用。然而，光学检测器110也可以被指定用于其他波长。
因此，光学检测器110包括具有第一传感器层116的第一光学传感器114。在本文中，第一光学传感器114被配置为取决于第一传感器层116或其至少一部分的照射118的来产生至少一个第一传感器信号。进一步地，光学检测器110包括具有第二传感器层122的第二光学传感器120。在本文中，第二光学传感器120被配置为取决于第二传感器层122或其至少一部分的照射124来产生至少一个第二传感器信号。如图1示意性描绘的，第一光学传感器114和第二光学传感器120可以以如上文所定义的堆叠的形式沿着光学检测器110的光轴126布置。具体地，光轴126可以是光学检测器110的布置的对称轴和/或旋转轴。
如图1示意性地所示的，照射118可以由照射源128提供。如上文已经更详细地描述的，照射源128可以是或包括已知在IR光谱范围，尤其NIR和/或MidIR光谱范围内，优选地1μm至5μm，特别是1μm至3μm的波长提供足够发射的任何类型的光源。在本文中，照射源128可以选自以下各项中的至少一项：热辐射器，具体是白炽灯或热红外发射器；环境光源，诸如太阳；焰源；热源；激光器，特别是激光二极管，尽管也可以使用其他类型的激光器；发光二极管，特别是具有磷光体转换器或具有2D材料(诸如二硫化钼(MoS2))的发光二极管；有机光源，特别是有机发光二极管；霓虹灯；结构化光源。然而，另一类型的照射源128也可以是可行的。
如图1进一步示意性所示的，第一光学传感器114和第二光学传感器120彼此间隔开距离130。由于该特定布置，在第一光学传感器114与第二光学传感器120之间产生体积132，该体积132被指定用于接收至少一种物质112。优选地，第一光学传感器114和第二光学传感器120可以以可以获得立方体形状的方式以固定机械连接的形式布置。在优选实施例中，体积132还可充当用于液槽(此处未描绘)的容器，该液槽被设计为用于容纳包括至少一种物质112的液体样品。在本文中，液槽可以具体地包括具有允许将液槽插入体积132中的空间尺寸的壁。如那里进一步所示，如上面观看的示例性立方体形状的体积132由四个边界134、134’、134”、134”’限制，其中，如所描绘的，两个相对的边界134、134’由第一光学传感器114和第二光学传感器120形成，其中，如上文或下文更详细地描述的，由第一光学传感器114形成的边界134是半透明边界，该半透明边界使得照射118的一部分能够穿过第一光学传感器，以便随后与体积132中的至少一种物质112相互作用。
以这种方式，至少一种物质112的至少一个特性可以通过根据等式(1)使用众所周知的比尔-朗伯定律来确定，
(1)
因此，第一光学传感器114被指定为在给定波长处确定在与至少一种物质112相互作用之前照射118的强度I0，而第二光学传感器120被指定为在给定波长处确定在与至少一种物质112相互作用之后照射124的强度I1。进一步地，d表示第一光学传感器114与第二光学传感器120之间的距离130，其对应于照射124的可以穿过体积132的路径的长度。在本文中，距离d可以分别通过液槽的壁来减小。进一步地，ε和c中的每一个表示与至少一种物质112的特性相关的量，即消光系数ε和浓度c。由于照射124的穿过体积132的路径的长度d通常是已知的，因此可以确定两个量的积，即体积132中的至少一种物质112的消光系数ε和至少一种物质112的浓度c的积。作为替代方案，如果另一个量是已知的，则可以确定体积132内的至少一种物质112的消光系数ε或至少一种物质112的浓度c。
如图1进一步示意性所示的，光学检测器110包括评估单元136，该评估单元136被配置为产生关于至少一种物质112的至少一个特性的至少一项信息。出于该目的，至少一个第一传感器信号和至少一个第二传感器信号经由电连接138、138’以无线或有线方式发送到评估单元136，该评估单元136在图1中示意性地描绘为智能电话。然而，如上文更详细地描述的，评估单元136可包括一个或多个电子装置和/或一个或多个软件组件，以便从至少一个第一传感器信号和至少一个第二传感器信号评估传感器信号。
进一步根据本发明，第一光学传感器114被配置为使照射118部分地透射到体积132中，特别地，以便使能对如位于体积132内的至少一种物质112和第二光学传感器120进行后续照射124。该特征特别地与用于确定至少一种物质112的至少一个特性的现有技术光学检测器140形成对比，该现有技术光学检测器140在图2中以可比较的示意性俯视图示出。
如图2中所描绘的，此处可以仅使用体积132的第一部分体积142来容纳至少一种物质112，而体积132的第二部分体积144必须保持没有至少一种物质112，以便能够在与至少一种物质112相互作用之前使照射118透射到第一光学传感器114，如上文所指示的，第一光学传感器114被指定为确定在与至少一种物质112相互作用之前照射118的强度I0。由于该布置，在现有技术光学检测器140中仅可以使用第一部分体积142来确定至少一种物质112的至少一个特性，而第二部分体积144可以被认为是浪费的空间。
另外，如上面观看，形成现有技术光学检测器140的立方体形状体积132的四个边界134、134’、134”、134”’中的仅边界134’可以由布置成线的第一光学传感器114和第二光学传感器120的组合形成，其中，如图2中所描绘的，要求相对边界134由附加窗口146形成。仅该特定布置允许照射118穿过附加窗口146，一方面，在通过第一部分体积142之后直接入射在第一光学传感器114上，并且另一方面，在入射在第二光学传感器120之前与第二部分体积144中的至少一种物质112相互作用。另外，可能要求第一部分体积142与第二部分体积144之间的附加边界148，尤其是在至少一种物质112可包括液体或气体组成的典型情况下。在本文中，附加边界148可以由液槽的壁提供。因此，与现有技术光学检测器140相比较，根据本发明的光学检测器110具有各种优点。
图3示意性地示出了根据本发明的光学检测器110内的第一光学传感器114的优选示例性布置。如上文已经指示的，第一光学传感器114包括传感器层116，传感器层116使得第一光学传感器114能够取决于第一传感器层116或其至少一部分的照射118来产生至少一个第一传感器信号。如图3中所描绘的，传感器层116直接施加于衬底150，其中，衬底150可以优选是或包括绝缘衬底。然而，间接施加也可以是可行的，特别是通过在衬底150与第一传感器层116之间插入附加层，尤其是结合层(此处未描绘)。第一传感器层116可以优选包括至少一种光导材料。在本文中，光导材料可以是或包括至少一种硫属化合物，优选选自包括以下各项的组：硫化物硫属化合物、硒化物硫属化合物、碲化物硫属化合物、和三元硫属化合物。特别地，光导材料可以是或包括：硫化物，优选地硫化铅(PbS)；硒化物，优选地硒化铅(PbSe)；或三元硫属化合物，优选地硫硒化铅(PbSSe)。然而，其他种类的光导材料，特别是如上文所指出的光导材料，也可以是可行的。
如图3进一步所示，第一光学传感器114可以优选包括至少两个单独的电接触152、152’，其中，每个电接触152、152’被设计为向第一传感器层116提供相应的电接触。出于该目的，电接触152、152’可以以某种方式设计和布置以经由电接触152中的一个将电流引导通过第一传感器层116到达另一电接触152’或反之亦然，或者通过使用电接触152、152’跨第一传感器层116施加电压。在本文中，电接触152、152′可以彼此电隔离，而两个电接触152、152’直接连接第一传感器层116。如图3中进一步描绘的，电接触152、152’尤其可以通过对应的线结合154、154’连接到外部电路。
如图3进一步所示，第一光学传感器114可以优选包括盖156，其中，盖156可以至少部分、优选完全覆盖第一传感器层116的所有可及表面。特别地，盖156可以被指定为为如由第一传感器层116所包括的光导材料提供封装，特别地，作为气密封装，以避免光导材料的退化，尤其通过外部影响，诸如湿度和/或氧气。如图3中示意性描绘的，盖156可以优选地分别完全覆盖第一传感器层116和衬底150的所有可及表面。特别地，盖156可以直接接触传感器层116的顶部和侧面以及衬底124的侧面。因此，盖156可以防止第一传感器层116与第一光学传感器114周围的气氛之间的直接接触，从而避免如由第一传感器层16所包括的光导材料的退化。
如图3进一步所示，衬底150可以优选，具体经由粘合剂的薄膜158、158’，附接到电路载体装置160，特别是附接到印刷电路板(PCB)162。出于该目的，线结合154、154’可以被配置为将电接触152、152’结合到位于电路载体装置160的表面上的接触垫164、164’，该表面面向电接触152、152’。在如图3所示的特别优选的实施例中，电接触152、152’是通过盖156可结合的。该特征可以特别地改进盖156的封装功能，并且因此，向电接触152、152’提供稳定性。
为了使照射118透射到如由第一传感器层116所包括的光导材料，盖116或衬底124中的至少一者在诸如如上文所描述的期望的波长范围内是光学透明的。如图3进一步描绘的，电路载体装置160，特别是印刷电路板(PCB)162，可以包括开口166。在如那里所示的示例性布置中，开口166可以被设计为用于接收照射118并且用于将照射118经由光学透明衬底150引导到第一传感器层116。在本文中，电路载体装置160的后侧168，特别是印刷电路板(PCB)162，可以以其可以有助于保护体积132免受周围大气影响的方式布置。
对于关于第一光学传感器114或其任何组件的进一步细节，特别是衬底150、光导材料、盖156、电接触152、152’、线结合154、154’或电路载体160，具体是印刷电路板162，可以参考WO 2016/120392 A1、WO 2018/019921A1、WO 2018/077870 A1或WO 2020/148381中的至少一者。
进一步地，此处指示，第二光学传感器120可以以与第一光学传感器114类似的方式布置，尤其如图3中所描绘的，特别是在希望第一光学传感器114可以是部分透明的光学传感器的实施例中。可替代地，第二光学传感器120可以是透明的光学传感器。在该特定实施例中，第二光学传感器120可以是或包括进一步的光敏元件，特别是选自CCD芯片、CMOS芯片、热电元件、测辐射热元件、热电堆元件或FIP传感器。
图4A至4F各自示意性示出了如由第一光学传感器114所包括的第一传感器层116的优选示例性实施例。如那里所示，第一传感器层116可以是或包括半透明传感器层170，该半透明传感器层170被设计为衰减照射118。出于该目的，半透明传感器层170可以以这样的方式布置：照射118的份额可以由半透明传感器层170透射，而照射118的剩余份额可以由半透明传感器层170吸收。
如图4A至4F所描绘的，出于该目的，半透明传感器层170可以是或包括结构化层172，其中，结构化层172包括至少一个透明部分174、174’、...和至少一个不透明部分176、176’、...，每一者位于衬底150上。如图4A至4F所示的示例性实施例相对于彼此不同之处在于：相应的透明部分174、174’、...和对应的不透明部分176、176’、...的布置、取向或面积中的至少一者。然而，进一步的示例性实施例也可以是可想象的。
通过结构化半透明传感器层170，可以调整透射通过至少一个透明部分174、174’、...的照射118的份额与由至少一个不透明部分176、176’、...吸收的照射118的剩余份额之间的关系，尤其是比例，具体是商。可以通过移除如沉积在衬底上的至少一个第一传感器层116的一部分来提供结构化层172。可替代地或另外，具有不完全覆盖衬底150的尺寸的至少一个部分传感器层可以沉积在衬底150上，从而产生至少一个透明部分174、174’、...和至少一个不透明部分176、176’、...。
在可替代实施例中，第一传感器层116，诸如图3中所描绘的，可以是通过具有被指定为部分透射照射118的减少的厚度的半透明传感器层170。如上文更详细地指示的，光导材料可以用于该目的。因此，可以增加照射118经由光导材料层的透射等级。
图5示意性地示出了根据本发明的光学检测器110的另一优选示例性实施例。如那里所描绘的，光学检测器110的该进一步的实施例与如图1所示的光学检测器110的实施例不同，特别地，不同之处在于使用多个照射源128、128’、128”。在本文中，每个照射源128、128’、128”可以优选是相同的，但可以通过使用不同种类的周期性调制178、178’、178”来操作，其中，周期性调制，特别是178、178’、178”彼此以不同的调制频率而不同。在本文中，周期性调制可以优选通过调制每个照射源128、128’、128”来实现，以便产生期望的调制，尤其相对于每个照射源128、128’、128”的周期性调制总功率。出于该目的，每个照射源128、128’、128”可以具体是或包括脉冲照射源，具体是作为脉冲激光二极管。
如图5进一步描绘的，评估装置136可以附加地被配置为：一方面，特别是经由以无线或有线方式的其他电连接180、180’、180”，实现对每个照射源128、128’、128”的调制，并且另一方面，通过使用它们相应不同的调制频率，特别是通过应用快速傅立叶变换(FFT)，来区分来自每个照射源128、128’、128”的不同传感器信号。
如图5进一步所示的，每个照射源128、128’、128”可包括壳体182、182’、182”，特别是为了使杂散光最小化，以便将如由每个照射源128、128’、128”产生的更多第一照射118引导到第一光学传感器114。如那里进一步描绘的，光学滤波器184、184’、184”可以优选放置在每个照射源128、128’、128”的输出与第一光学传感器114之间。在本文中，如特别优选的，光学滤波器184、184’、184”可以彼此不同。尽管在该特定实施例中，每个照射源128、128’、128”可包括相同类型的照射源，但是所产生的第一照射118可以不仅通过不同的周期性调制178、178’、178”而且通过不同的波长或波长范围而彼此不同，作为由每个照射源128、128’、128”产生的第一照射118通过不同的光学滤波器184、184’、184”的结果。该特定实施例可以特别地用于多气体感测，尤其通过向每个气体种类提供具有特定波长或波长范围的照射，其中，特定波长或波长范围可以优选对应于每个气体种类的至少一个吸收带。
图6示意性地示出了根据本发明的用于确定至少一种物质112的至少一个特性的方法210的优选示例性实施例。
在根据步骤a)的提供步骤212中，提供如上文所描述的光学检测器110。
在根据步骤b)的引入步骤214中，至少一种物质112被引入到位于第一光学传感器114与第二光学传感器120之间的体积132中，其中，体积132被指定用于接收至少一种物质112。如上文已经描述的，第一光学传感器114被配置为使照射118部分地透射到体积132中，用于分析至少一种物质112。
在根据步骤c)的引导步骤216中，以照射118通过第一光学传感器114、随后通过包括至少一种物质112的体积132的方式，将照射118引导到体积132中用于分析至少一种物质112，由此，照射118被修改为照射124，该照射124随后入射在第二光学传感器120上。
在根据步骤d)的确定步骤218中，根据取决于如由第一光学传感器114所包括的第一传感器层116的照射118的至少一个第一传感器信号和取决于如由第二光学传感器120所包括的第二传感器层122的照射124的至少一个第二传感器信号来确定至少一种物质112的至少一个特性220。出于该目的，优选地，可以使用如上文更详细地描述的评估单元136。
参考标记列表
110 光学检测器
112 物质
114 第一光学传感器
116 第一传感器层
118 第一照射
120 第二光学传感器
122 第二传感器层
124 第二照射
126 光轴
128、128’、...照射源
130 距离
132 体积
134、134’、...边界
136 评估单元
138、138’ 电连接
140 现有技术光学检测器
142 第一部分体积
144 第二部分体积
146 附加窗口
148 附加边界
150 衬底
152、152’ 电接触
154、154’ 线结合
156 盖
158 膜(粘合剂的)
160 电路载体装置
162 印刷电路板
164,164’ 接触垫
166 开口
168 后侧
170 半透明传感器层
172 结构化层
174、174’...透明部分
176、176’...不透明部分
178、178’、...周期性调制
180、180’、…进一步的电连接
182、182’、...壳体
184、184’、...光学滤波器
210 用于确定至少一种物质的至少一个特性的方法
212 提供步骤
214 引入步骤
216 引导步骤
218 确定步骤
220 特性(至少一种物质的)

Claims (15)

1.一种用于确定至少一种物质(120)的至少一个特性(220)的光学检测器(110)，包括：
-至少一个第一光学传感器(114)，其包括至少一个第一传感器层(116)，其中，所述至少一个第一光学传感器(114)被配置为取决于照射所述至少一个第一传感器层(116)的至少一部分的第一照射(118)来产生至少一个第一传感器信号；
-至少一个第二光学传感器(120)，其包括至少一个第二传感器层(122)，其中，所述至少一个第二光学传感器(120)被配置为取决于照射所述至少一个第二传感器层(122)的至少一部分的第二照射(124)来产生至少一个第二传感器信号；
其中，所述至少一个第一光学传感器(114)和所述至少一个第二光学传感器(120)以所述至少一个第一光学传感器(114)和所述至少一个第二光学传感器(120)之间的体积(132)被指定用于接收至少一种物质(120)的方式彼此间隔开，其中，所述至少一个第一光学传感器(114)被配置为使所述第一照射(118)的份额透射到所述体积(132)中；
-至少两个单独照射源(128，128’，128”)，其中，每个照射源(128，
128’，128”)通过如由每个照射源(128，128’，128”)产生的所述第一照射(118)的周期性调制(178，178’，178”)而彼此不同；以及
-至少一个评估单元(136)，其被配置为通过评估所述至少一个第一传感器信号和所述至少一个第二传感器信号来产生关于所述至少一种物质(112)的至少一个特性(210)的至少一项信息。
2.根据前一权利要求所述的光学检测器(110)，其中，所述至少一个第一传感器层(116)是或包括至少一个半透明传感器层(170)。
3.根据前一权利要求所述的光学检测器(110)，其中，所述至少一个半透明传感器层(170)具有能够使所述第一照射(118)的份额透射到所述体积(132)中的厚度。
4.根据前述两个权利要求中的任一项所述的光学检测器(110)，其中，所述至少一个半透明传感器层(170)是或包括结构化层(172)，其中，所述结构化层(172)包括至少一个透明部分(174，174’，…)和至少一个不透明部分(176，176’，…)。
5.根据前一权利要求所述的光学检测器(110)，其中，所述至少一个透明部分(174，174’，...)和所述至少一个不透明部分(176，176’，...)以交替的方式位于透明衬底(150)上。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的光学检测器(110)，其中，所述至少一个第一传感器层(116)包括至少一种光导材料的至少一个层。
7.根据前一权利要求所述的光学检测器(110)，其中，所述至少一种光导材料包括至少一种硫属化合物，其中，所述至少一种硫属化合物选自包括以下各项的组：硫化物硫属化合物、硒化物硫属化合物、碲化物硫属化合物、三元硫属化合物、四元硫属化合物、更高元硫属化合物、和其固溶体和/或掺杂变体。
8.根据前一权利要求所述的光学检测器(110)，其中，所述硫属化合物选自包括以下各项的组：硫化铅(PbS)、铜铟硫(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、铜锌锡硫(CZTS)、硒化铅(PbSe)、铜锌锡硒(CZTSe)、碲化镉(CdTe)、碲镉汞(HgCdTe)、碲锌汞(HgZnTe)、硫硒化铅(PbSSe)、硫硒铜锌锡(CZTSSe)、二硫化钼(MoS2)、以及其固溶体和/或掺杂变体。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的光学检测器(110)，其中，每个周期性调制(178，178’，178”)具有分配给特定气体种类的不同调制频率，从而将用于所述至少一个第一光学传感器(114)的所述至少一个第一传感器信号与用于所述至少一个第二光学传感器(120)的所述至少一个第二传感器信号分离。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的光学检测器(110)，还包括至少两个单独光学滤波器(184，184’，184”)，其中，每个光学滤波器(184，184’，184”)被配置为使如由每个照射源(128，128’，128”)产生的所述第一照射(118)的不同波长或波长范围通过。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的光学检测器(110)，包括被设计为承载所述至少一个第一光学传感器(114)的电路载体装置(160)，其中，所述电路载体装置(1160)包括开口(166)，其中，所述开口(166)被配置为使所述第一照射(118)透射到所述至少一个第一传感器层(116)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光学检测器(110)，其中，所述光学检测器(110)被配置为检测至少红外光谱范围的分区内的至少一个波长，所述红外光谱范围从760nm至1000μm。
13.一种用于确定至少一种物质(112)的至少一个特性(220)的方法(210)，所述方法(210)包括以下步骤：
a)提供根据前述权利要求中的任一项所述的光学检测器(110)；
b)将所述至少一种物质(112)引入位于至少一个第一光学传感器(114)与至少一个第二光学传感器(120)之间的被指定用于接收所述至少一种物质(112)的体积(132)中，其中，所述至少一个第一
光学传感器(114)被配置为使第一照射(118)的份额透射到所
述体积(132)中用于分析所述至少一种物质(132)；
c)以所述第一照射(118)的所述份额通过所述至少一个第一光学传
感器(114)、随后行进通过包括所述至少一种物质(112)的所述体积(132)的方式，将所述第一照射(118)的所述份额引导到所述体积(132)中用于分析所述至少一种物质(112)，由此，其被修改为随后入射在所述至少一个第二光学传感器(120)上的第二照射(124)；以及
d)根据取决于如由所述至少一个第一光学传感器(114)所包括的至少一个第一传感器层(116)的所述第一照射(118)的至少一个第
一传感器信号和取决于如由所述至少一个第二光学传感器(120)
所包括的至少一个第二传感器层(122)的所述第二照射(124)的
至少一个第二传感器信号，确定所述至少一种物质(112)的至少
一个特性(220)。
14.根据前一权利要求所述的方法(210)，其中，所述至少一种物质(112)的所述至少一个特性(220)选自引入所述体积(132)中的所述至少一种物质(112)的消光系数ε和浓度c中的至少一者。
15.根据前述两项权利要求中的任一项所述的方法(142)，其中，所述至少一个第一传感器层(116)是或包括至少一个半透明传感器层(170)，其中，所述至少一个半透明传感器层(170)是或包括结构化层(172)，其中，所述结构化层(172)包括至少一个透明部分(174，174’，…)和至少一个不透明部分(176，176’，…)，其中，步骤c)以这样的方式执行：如引导到所述体积(132)中的第一照射(118)的所述份额仅通过所述至少一个第一光学传感器(114)的所述至少一个透明部分(174，174’，...)。
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