DE102017124825B4

DE102017124825B4 - Photoakustischer gasdetektor

Info

Publication number: DE102017124825B4
Application number: DE102017124825.0A
Authority: DE
Inventors: David Tumpold; Alfons Dehe; Christoph Glacer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: US10302599B2; DE102017124825A1; CN108008008B; CN108008008A; US20180120266A1

Abstract

Photoakustischer Gasdetektor (100), umfassend:eine Gaskammer (102), die zum Empfangen eines darin zu analysierenden Gases konfiguriert ist;ein Anregungselement (108), das zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer (102) empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch akustische Wellen erzeugt werden;einen Sensor (110), der zum Detektieren von durch das Anregungselement (108) erzeugten akustischen Wellen konfiguriert ist; undeine Pumpe (112), die zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) konfiguriert ist,wobei der Sensor (110) und die Pumpe (112) als eine Erfassungs-Pump-Einheit (120) konfiguriert sind, die in einem Erfassungsmodus und in einem Pumpmodus betreibbar ist,wobei die Erfassungs-Pump-Einheit (120) im Erfassungsmodus zum Detektieren von durch das Anregungselement (108) erzeugten akustischen Wellen und im Pumpmodus zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) konfiguriert ist, undwobei die Erfassungs-Pump-Einheit (120) eine verschiebbare Membran (122) umfasst,die im Erfassungsmodus durch zu detektierende akustische Wellen verschoben werden kann und im Pumpmodus aktiv verschoben werden kann, um Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) zu pumpen.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen allgemein einen photoakustischen Gasdetektor und ein Verfahren des Betriebs eines photoakustischen Gasdetektors.
Photoakustische Gasdetektoren stellen eine einfache Weise zum Analysieren der Zusammensetzung von Gasen bereit. Da die Analyse der Zusammensetzung von Umgebungsluft, z. B. aufgrund von Verschmutzung, zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist ein photoakustischer Gasdetektor wünschenswert, der zum Überwachen der Konzentration der Bestandteile eines Gases mit einer sich schnell verändernden Zusammensetzung konfiguriert ist.
US 5 616 826 A offenbart eine photoakustische Vorrichtung zur Analyse von Flüssigkeiten. WO 2016/ 105 920 A1 offenbart eine Gassensorvorrichtung. US 7 958 771 B2 offenbart einen photoakustischen Sensor.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist ein photoakustischer Gasdetektor bereitgestellt. Der photoakustische Gasdetektor weist Folgendes auf: eine Gaskammer, die zum Empfangen eines darin zu analysierenden Gases konfiguriert ist, ein Anregungselement, das zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch Druckdifferenzen wie etwa akustische Wellen erzeugt werden, einen Sensor, der zum Detektieren von durch das Anregungselement erzeugten Druckdifferenzen konfiguriert ist, und eine Pumpe, die zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer konfiguriert ist, wobei der Sensor und die Pumpe als eine Erfassungs-Pump-Einheit konfiguriert sind, die in einem Erfassungsmodus und in einem Pumpmodus betreibbar ist, wobei die Erfassungs-Pump-Einheit im Erfassungsmodus zum Detektieren von durch das Anregungselement erzeugten akustischen Wellen und im Pumpmodus zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer konfiguriert ist, und wobei die Erfassungs-Pump-Einheit eine verschiebbare Membran umfasst, die im Erfassungsmodus durch zu detektierende akustische Wellen verschoben werden kann und im Pumpmodus aktiv verschoben werden kann, um Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer zu pumpen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist ein Verfahren des Betriebs eines photoakustischen Gasdetektors bereitgestellt, wobei der photoakustische Gasdetektor Folgendes umfasst: eine Gaskammer, die zum Empfangen eines darin zu analysierenden Gases konfiguriert ist; ein Anregungselement, das zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch akustische Wellen erzeugt werden; einen Sensor, der zum Detektieren von durch das Anregungselement erzeugten akustischen Wellen konfiguriert ist; und eine Pumpe, die zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer konfiguriert ist, wobei der Sensor und die Pumpe als eine Erfassungs-Pump-Einheit konfiguriert sind, die eine verschiebbare Membran umfasst, wobei im Erfassungsmodus eine Verschiebung der verschiebbaren Membran, die durch akustische Wellen bewirkt wird, erfasst wird und im Pumpmodus die verschiebbare Membran aktiv verschoben wird, um Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer zu pumpen. Das Verfahren beinhaltet Folgendes: Betreiben des photoakustischen Gasdetektors in einem Erfassungsmodus, in dem der Sensor ausgelesen wird, um Charakteristiken von zu detektierenden Druckdifferenzen zu bestimmen, und Betreiben des photoakustischen Gasdetektors in einem Pumpmodus, in dem die Pumpe betrieben wird, so dass Gas zwischen der Gaskammer und der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors gepumpt wird.
In den Zeichnungen verweisen gleiche Bezugszeichen allgemein auf die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird allgemein Wert auf eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Ansicht eines photoakustischen Gasdetektors darstellt;
2 eine schematische Ansicht einer Erfassungs-Pump-Einheit des in 1 dargestellten photoakustischen Gasdetektors im Erfassungsmodus darstellt;
3 eine schematische Ansicht der in 2 dargestellten Erfassungs-Pump-Einheit im Pumpmodus darstellt;
4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens des Betriebs des in den 1 bis 3 dargestellten photoakustischen Gasdetektors darstellt.

Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezielle Einzelheiten und Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann.
Das Wort „beispielhaft“ wird hier mit der Bedeutung „als ein Beispiel, eine Instanz oder eine Veranschaulichung dienend“ verwendet. Eine beliebige Ausführungsform oder eine beliebige Gestaltung, die hier als „beispielhaft“ beschrieben ist, darf nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Gestaltungen ausgelegt werden.
1 stellt eine schematische Ansicht eines photoakustischen Gasdetektors 100 dar. Der photoakustische Gasdetektor 100 kann eine Gaskammer 102 beinhalten, die zum Empfangen eines darin zu analysierenden Gases konfiguriert ist. Die Gaskammer 102 kann durch eine Gaskammerwand 104 abgegrenzt sein. Die Gaskammerwand 104 kann mehrere darin ausgebildete Durchgangslöcher 104a, 104b, 104c beinhalten, die jeweils einen Gasdurchgang zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 bereitstellen.
Der photoakustische Gasdetektor 100 kann ferner ein Anregungselement 108 (z. B. ein optisches Anregungselement), das zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer 102 empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch Druckdifferenzen wie etwa akustische Wellen erzeugt werden, einen Sensor 110, der zum Detektieren von durch das Anregungselement 108 erzeugten Druckdifferenzen konfiguriert ist, und eine Pumpe 112, die zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 konfiguriert ist, beinhalten.
Das Anregungselement 108 kann zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer 102 empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert sein. Das Anregungselement 108 kann zum Induzieren eines spezifischen atomaren oder molekularen Übergangs in Gasmolekülen des zu detektierenden Typs und/oder zum Anregen verschiedener Vibrations- und/oder Rotationsmoden der Gasmoleküle konfiguriert sein. Während der anschließenden Entregung der so angeregten Moleküle wird Wärme erzeugt, was zu einer lokalen Ausdehnung des Gases führt, was einen positiven Druckimpuls bewirkt.
Die auf diese Weise erzeugte überschüssige Wärme wird anschließend in einen Kühlkörper abgeleitet, was zu einer Kontraktion des Gases führt, was einen negativen Druckimpuls bewirkt. Ein Kühlkörper kann durch einen Halter bereitgestellt werden, der sich in physischem Kontakt mit dem photoakustischen Gasdetektor 100 befindet. Die thermische Modulationstiefe (thermische Modulationsamplitude) kann mittels der thermischen Kopplung mit dem Kühlkörper oder der Wärmekapazität des Kühlkörpers beeinflusst werden.
Da die Gasmoleküle des zu detektierenden Typs auf eine zeitlich veränderliche Weise, z. B. periodisch, angeregt werden, wird eine zeitlich veränderliche, z. B. periodische, Druckschwankung im Gas, d. h. akustische Wellen, erzeugt, die durch den Sensor 110 detektiert werden kann.
Der photoakustische Gasdetektor 100 kann zum Überwachen der Zusammensetzung von Umgebungsluft verwendet werden, z. B. zum Ermitteln des CO₂- und/oder Giftgasgehalts, wie etwa CO in der Umgebungsluft. Die Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft kann auch auf diese Weise ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der photoakustische Gasdetektor 100 als ein Atemanalysator konfiguriert sein und dazu verwendet werden, den Alkohol- und/oder Acetongehalt zu messen, der den Blutzuckerspiegel angibt.
Das Anregungselement 108 kann als eine Strahlungsquelle 114 konfiguriert sein oder diese enthalten, die zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung konfiguriert ist, die zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer 102 empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise ausgelegt ist. Die Strahlungsquelle 114 kann zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren und/oder ultravioletten Frequenzbereich konfiguriert sein. Infrarotlicht eignet sich zum Anregen von molekularen Vibrationsmoden. Beispielsweise eignet sich Infrarotlicht mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 4170 bis etwa 4370 µm oder von etwa 14 µm bis etwa 16 µm zum Anregen von Vibrationsmoden eines CO₂-Moleküls.
Die Strahlungsquelle 114 kann als ein Schwarzer Strahler und/oder ein Laser und/oder eine Photodiode konfiguriert sein oder diesen bzw. diese beinhalten. Ein Schwarzer Strahler ist zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung gemäß dem Planckschen Gesetz konfiguriert, was bedeutet, dass sein Emissionsspektrum durch seine Temperatur, aber nicht durch seine Form oder Zusammensetzung bestimmt wird. Eine Strahlungsquelle 114, die als ein Schwarzer Strahler konfiguriert ist oder diesen beinhaltet, kann als ein elektrisch erwärmbarer Körper, wie etwa eine Membran, konfiguriert sein. Im Betrieb kann der erwärmbare Körper elektrisch auf Temperaturen von höher als 450°C erwärmt werden.
Die Strahlungsquelle 114 kann innerhalb einer Anregungskammer 116 positioniert sein, die von der Gaskammer 102 durch ein Fenster 118, das zum Übertragen von durch die Strahlungsquelle 114 emittierter Strahlung konfiguriert ist, getrennt ist. Die Anregungskammer 116 kann gasdicht von der Gaskammer 102 abgedichtet sein und kann mit einem Inertgas wie etwa Stickstoff und/oder einem Edelgas gefüllt sein. Durch das Inertgas kann die Oxidation einer Strahlungsquelle 114, die als ein elektrisch erwärmbarer Schwarzer Strahler konfiguriert ist oder diesen beinhaltet, verhindert werden.
Das Fenster 118 kann als ein Filter konfiguriert sein oder dieses beinhalten, das zum selektiven Übertragen von durch die Strahlungsquelle 114 emittierter elektromagnetischer Strahlung konfiguriert ist. Auf diese Weise kann das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle 114 zu einem schmalen Energieband eingeschränkt werden, um eine ungewollte Anregung von Molekülen anderer Typen, die nicht im zu analysierenden Gas detektiert werden sollen, zu vermeiden. Auf diese Weise kann die Messselektivität im Vergleich zu einem photoakustischen Gasdetektor, der kein Filter beinhaltet, verbessert werden. Das Filter kann als ein plasmonisches Filter und/oder ein Bragg-basiertes Laminarfilter und/oder ein Fabry-Perot-Interferometer wie etwa ein Fabry-Perot-Etalon konfiguriert sein oder dieses beinhalten.
Die Gaskammer 102 kann mittels eines der in der Gaskammerwand 104 ausgebildeten Durchgangslöcher 104a, 104b, 104c in permanenter Gasströmungskommunikation mit der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 stehen. Auf diese Weise kann Gas durch Diffusion kontinuierlich zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 strömen, so dass die Zusammensetzung von z. B. der Umgebungsluft kontinuierlich überwacht werden kann. Die Diffusionszeit wird hauptsächlich durch die Strömungsflächen der jeweiligen Gasdurchgänge bestimmt und kann von wenigen Sekunden bis zu mehreren Minuten andauern. Folglich wird die Konzentration von Molekülen eines bestimmten Typs möglicherweise in einem Fall, bei dem sich die Zusammensetzung eines Gases außerhalb des photoakustischen Gasdetektors 100 schnell verändert, d. h. in einem Zeitraum kürzer als die Diffusionszeit, nicht genau bestimmt werden.
Die Gasaustauschrate zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 kann erhöht werden, indem Gas mittels der Pumpe 112 aktiv zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 gepumpt wird.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Sensor 110 und die Pumpe 112 als eine Erfassungs-Pump-Einheit 120 konfiguriert, die in einem Erfassungsmodus und einem Pumpmodus betreibbar ist. Im Erfassungsmodus ist die Erfassungs-Pump-Einheit 120 zum Detektieren von Druckdifferenzen wie etwa akustischen Wellen konfiguriert, die im in der Gaskammer 102 empfangenen Gas durch das Anregungselement 108 erzeugt werden. Im Pumpmodus ist die Erfassungs-Pump-Einheit 120 zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 konfiguriert. Durch das Bereitstellen der Erfassungs-Pump-Einheit 120, die zum Detektieren von Druckdifferenzen und zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 konfiguriert ist, wird ein photoakustischer Gasdetektor 100 mit einer kompakten Struktur bereitgestellt.
Es soll nicht ausgeschlossen werden, dass zusätzliche Pumpmittel separat von der Erfassungs-Pump-Einheit 120 bereitgestellt sein können, die auch zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 konfiguriert sind. Ein beispielhaftes Pumpmittel 121, das separat von der Erfassungs-Pump-Einheit 120 ausgebildet ist, ist in 1 dargestellt. Das Pumpmittel 121 ist angrenzend zu einem in der Gaskammerwand 104 bereitgestellten Durchgangsloch 104c bereitgestellt, um Gas durch das Durchgangsloch 104c zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 zu pumpen.
Der photoakustische Gasdetektor 100 kann während einer Erfassungsperiode im Erfassungsmodus betrieben werden und kann während einer Pumpperiode, die sich von der Erfassungsperiode unterscheidet, im Pumpmodus betrieben werden. Im Betrieb kann der photoakustische Gasdetektor 100 wiederholt zwischen den beiden Modi geschaltet werden. Im Pumpmodus kann das Pumpmittel 121 gleichzeitig mit der Pumpe 112 betrieben werden, um die Gasaustauschrate zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 zu erhöhen.
Wie in 1 dargestellt, kann die Erfassungs-Pump-Einheit 120 in einer überlappenden Beziehung mit einem in der Gaskammerwand 104 ausgebildeten Durchgangsloch 104a positioniert sein. Auf diese Weise kann Gas effizienter zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 gepumpt werden. Zusätzlich dazu kann die Erfassungs-Pump-Einheit 120 auch als ein Mikrofon eingesetzt werden, das zum Detektieren von akustischen Wellen, die außerhalb des photoakustischen Gasdetektors 100 erzeugt werden, konfiguriert ist. Folglich kann der photoakustische Gasdetektor 100 in einer Sprachübertragungseinrichtung wie etwa einem Mobiltelefon eingesetzt werden.
Wie in 1 angegeben und ausführlicher in den 2 und 3 dargestellt, kann die Erfassungs-Pump-Einheit 120 eine verschiebbare Membran 122 beinhalten, die im Erfassungsmodus durch Druckdifferenzen wie etwa zu detektierende akustische Wellen verschiebbar ist und im Pumpmodus aktiv verschiebbar ist, um Gas zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 zu pumpen.
Die Erfassungs-Pump-Einheit 120 kann ferner eine feste Membran 124 beinhalten, die im Betrieb im Wesentlichen nicht verschiebbar ist. Jede der Membranen 122, 124 kann zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material wie etwa einem Metall ausgebildet sein. Die verschiebbare Membran 122 und die feste Membran 124 können einen Kondensator definieren, dessen Kapazität durch eine Verschiebung der verschiebbaren Membran 122 bezüglich der festen Membran 124, die durch zu detektierende akustische Wellen bewirkt wird, verändert werden kann. Wie in 2 angezeigt, kann die Kapazität des Kondensators, der durch die verschiebbare Membran 122 und die feste Membran 124 gebildet wird, im Erfassungsmodus durch eine Ausleseschaltung 126 ausgelesen werden. Die Ausleseschaltung 126 kann im photoakustischen Gasdetektor 100 integriert sein und kann eine Verarbeitungseinheit 128 beinhalten, die dazu konfiguriert ist, die Kapazität des Kondensators zu bestimmen und/oder daraus Charakteristiken der zu detektierenden akustischen Wellen, wie etwa den akustischen Druck und/oder die akustische Frequenz, zu ermitteln. Die Verarbeitungseinheit 128 kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit - ASIC) beinhalten oder als diese konfiguriert sein.
Die verschiebbare Membran 122 und die feste Membran 124 können elektrisch mit einer Leistungsquelle 130 verbunden sein, die zum Anlegen einer elektrischen Spannung V an die Membranen 122, 124 konfiguriert ist. Im Erfassungsmodus wird eine definierte feste Erfassungsspannung Vs durch die Leistungsquelle 130 an die Membranen 122, 124 angelegt. Die Erfassungsspannung Vs ist niedriger als eine elektrische Spannung, die für einen vollständigen Hub der verschiebbaren Membran 122 benötigt wird, d. h., damit die verschiebbare Membran 122 in physischen Kontakt mit der festen Membran 124 gebracht wird. Die für einen vollständigen Hub der verschiebbaren Membran 122 benötigte elektrische Spannung wird im Folgenden als eine Anzugspannung V_PullIn bezeichnet. Daher ist die an den Membranen 122, 124 angelegte Erfassungsspannung Vs im Erfassungsmodus geringer als die Anzugspannung (V_S<V_PullIn).
Wie in 3 angezeigt, wird im Pumpmodus eine elektrische Pumpspannung V_P durch die Leistungsquelle 130 an die verschiebbare Membran 122 und die feste Membran 124 angelegt. Dies bewirkt eine Verschiebung der verschiebbaren Membran 122 bezüglich der mechanisch festen Membran 124. Die Pumpspannung V_P kann auch geringer als die Anzugspannung V_PullIn sein. Da jedoch die Pumpeffizienz in hohem Ausmaß vom Hub der verschiebbaren Membran 122 abhängt, kann die Pumpspannung V_P größer als die Anzugspannung V_PullIn sein, was bedeutet, dass die Membranen 122, 124 mittels der elektrostatischen Kraft, die durch die angelegte Pumpspannung V_P erzeugt wird, in gegenseitigen physischen Kontakt miteinander gebracht werden.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die verschiebbare Membran 122 zur festen Membran 124 hin verschoben. Auf diese Weise wird das Gas innerhalb der Gaskammer 102 temporär unter Druck gesetzt, was im Gegenzug bewirkt, dass das Gas aus der Gaskammer 102 herausströmt. Anschließend kann die an den Membranen 122, 124 angelegte elektrische Pumpspannung V_P verringert werden, was im Gegenzug die anziehende elektrostatische Kraft zwischen den Membranen 122, 124 verringert, was bewirkt, dass sich der Abstand zwischen diesen erhöht, z. B. aufgrund der Elastizität der verschiebbaren Membran 122, die die verschiebbare Membran 122 zu ihrer neutralen Ruhestellung ausrichtet, in der keine elektrostatische Kraft an den Membranen 122, 124 ausgeübt wird. Dies bewirkt, dass der Gasdruck innerhalb der Gaskammer 102 bezüglich des äußeren Gasdrucks abnimmt, was bewirkt, dass das Gas von der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 in die Gaskammer 102 strömt. Der oben beschriebene Zyklus des Erhöhens und Verringerns der an den Membranen 122, 124 angelegten elektrischen Pumpspannung V_P kann im Pumpmodus mehrere Male wiederholt werden, um einen effizienten Gasaustausch zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 bereitzustellen. Folglich kann die an den Membranen 122, 124 angelegte elektrische Spannung im Pumpmodus größer als die Erfassungsspannung Vs sein. Zusätzlich dazu ist die Pumpspannung V_P im Gegensatz zur Erfassungsspannung Vs nicht feststehend, sondern zeitlich veränderlich.
In 3 ist die durch die elektrische Pumpspannung V_P zwischen den Membranen 122, 124 erzeugte elektrostatische Kraft anziehend. Alternativ dazu kann eine abstoßende Kraft zwischen den Membranen 122, 124 erzeugt werden, indem elektrische Spannungen mit den gleichen Polaritäten daran angelegt werden. Auf diese Weise wird der Gasdruck in der Gaskammer 102 durch eine Verschiebung der verschiebbaren Membran 122 bezüglich der festen Membran 124 verringert, was bewirkt, dass Gas von der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 in die Gaskammer 102 strömt, solange ein Druckgradient zwischen der Gaskammer 102 und der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 vorhanden ist. Sobald die an den Membranen 122, 124 angelegten elektrischen Spannungen verringert sind, kehrt die verschiebbare Membran 124 zu ihrer Ruhestellung zurück, wodurch der Gasdruck innerhalb der Gaskammer 102 erhöht wird, was zu einer Gasströmung aus der Gaskammer 102 führt. Der oben beschriebene Zyklus des Erhöhens und Verringerns der an den Membranen 122, 124 angelegten elektrischen Spannungen kann im Pumpmodus mehrere Male wiederholt werden, um einen effizienten Gasaustausch zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 bereitzustellen.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, können sowohl die verschiebbare Membran 122 als auch die feste Membran 124 mit Durchgangslöchern 122a, 122b, 122c und 124a, 124b, 124c ausgestattet sein, die als Gasdurchgänge dienen. Die feste Membran 124 kann erheblich mehr Durchgangslöcher im Vergleich zur verschiebbaren Membran 122 beinhalten. Auf diese Weise kann die feste Membran 124 im Wesentlichen akustisch transparent gestaltet werden, so dass sie im Wesentlichen nicht durch zu detektierende akustische Wellen verschoben werden kann. Diese Durchgangslöcher können permanent geöffnet sein. Mindestens eine der Membranen 122, 124, z. B. die verschiebbare Membran 122, kann ferner ein Durchgangsloch 122d beinhalten, das mit einem Gasventil 132 ausgestattet ist, das zum Variieren der Strömungsfläche des Durchgangslochs 122d konfiguriert ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein in der Gaskammerwand 104 bereitgestelltes Durchgangsloch 104b mit einem Gasventil 134 ausgestattet sein, das zum Variieren der Gasströmungsfläche des entsprechenden Durchgangslochs 104b konfiguriert ist. Wie in 1 angezeigt, kann das Gasventil 134 dazu konfiguriert sein, das Durchgangsloch 104b vollständig zu schließen (Position des Gasventils 134, die durch die durchgehenden Linie gezeichnet ist). In 1 ist das Gasventil 134 in einer offenen Position durch eine gestrichelte Linie gezeichnet.
Die Gasventile 132, 134 können so betrieben werden, dass sie die entsprechenden Durchgangslöcher 122d, 104b in einem Zustand schließen, in dem es im Wesentlichen keinen Unterschied zwischen dem Gasdruck in der Gaskammer 102 und der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 gibt, und die entsprechenden Durchgangslöcher 122d, 104b in einem Zustand öffnen, in dem es einen wesentlichen Unterschied zwischen dem Gasdruck in der Gaskammer 102 und der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors 100 gibt. Auf diese Weise kann die Gasströmungsfläche zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 erhöht werden, wodurch ein schnellerer Gasaustausch zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 ermöglicht wird.
Wie in 1 dargestellt, kann die Erfassungs-Pump-Einheit 120, d. h. die verschiebbare Membran 122 und die feste Membran 124, innerhalb der Gaskammer 102 positioniert sein. Auf diese Weise kann ein photoakustischer Gasdetektor 100 mit einer kompakten Struktur bereitgestellt werden.
Bei einer modifizierten Ausführungsform kann der photoakustische Gasdetektor 100 mit Erwärmungsmitteln ausgestattet sein, die im Pumpmodus zum Erwärmen des Gases innerhalb der Gaskammer 102 auf eine zeitlich veränderliche Art und Weise konfiguriert sind. Auf diese Weise kann der Gasdruck innerhalb der Gaskammer 102 bezüglich des Gasdrucks außerhalb des photoakustischen Gasdetektors 100 erhöht werden, um Gas zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 zu pumpen.
In 4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 200 des Betriebs des in 1 dargestellten photoakustischen Gasdetektors 100 abgebildet. Das Verfahren 200 kann Folgendes beinhalten:
Schalten des photoakustischen Gasdetektors 100 in den Erfassungsmodus (202);
Messen der Kapazität des Kondensators, der durch die verschiebbare Membran 122 und die feste Membran 124 gebildet wird, durch eine Ausleseschaltung 126 während einer vorbestimmten Erfassungsperiode (204);
Schalten des photoakustischen Gasdetektors 100 in den Pumpmodus nach dem Verstreichen der Erfassungsperiode (206);
Anlegen einer Pumpspannung V_P an die verschiebbare Membran 122 und die feste Membran 124, um dadurch die verschiebbare Membran 122 bezüglich der festen Membran 124 zu verschieben (208);
Öffnen der Gasventile 132, 134, um die Gasströmungsflächen des in der verschiebbaren Membran 122 bereitgestellten Durchgangslochs 122d und des in der Gaskammerwand 104 bereitgestellten Durchgangslochs 104b zu erhöhen (210);
Abschalten der Pumpspannung V_P, die an der verschiebbaren Membran 122 und der festen Membran 124 angelegt ist, um die Ruhestellung der verschiebbaren Membran 122 bezüglich der festen Membran 124 wiederherzustellen (212); und
Schließen der Gasventile 132, 134 (214).
Bei dem obigen beispielhaften Verfahren des Betriebs des photoakustischen Gasdetektors 100 wird nur ein Pumpzyklus beschrieben. Dieser Pumpzyklus kann natürlich mehrere Male während der Pumpperiode wiederholt werden, um einen effizienten Gasaustausch zwischen der Gaskammer 102 und der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 bereitzustellen. Die Wiederholungsrate der Pumpzyklen sowie der Pumpzyklus selbst können basierend auf dem Druck im photoakustischen Gasdetektor 100 und dem Druck außerhalb von diesem variiert werden.
Bei einer modifizierten Ausführungsform kann die Erfassungs-Pump-Einheit 120 ein piezoelektrisches Glied beinhalten, das an der verschiebbaren Membran 122 bereitgestellt ist. Das piezoelektrische Glied kann im Erfassungsmodus zum Erzeugen einer elektrischen Spannung infolge einer Verschiebung der verschiebbaren Membran 122, die durch akustische Wellen induziert wird, konfiguriert sein. Die somit erzeugte elektrische Spannung kann Charakteristiken der akustischen Wellen angeben. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Glied kann die verschiebbare Membran 122 verschoben werden, um im Pumpmodus Gas zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 zu pumpen.
Bei noch einer anderen modifizierten Ausführungsform kann die Erfassungs-Pump-Einheit 120 ein festes erstes elektromagnetisches Interaktionsglied und ein verschiebbares zweites elektromagnetisches Interaktionsglied, das an der verschiebbaren Membran 122 befestigt ist, beinhalten. Im Erfassungsmodus kann das erste oder das zweite elektromagnetische Interaktionsglied zum Induzieren einer elektrischen Spannung in dem jeweils anderen des ersten und zweiten elektromagnetischen Interaktionsglieds durch eine Verschiebung der verschiebbaren Membran 122 konfiguriert sein. Das erste und das zweite elektromagnetische Interaktionsglied können dazu konfiguriert sein, einzeln ein Magnetfeld zu erzeugen, um die verschiebbare Membran 122 aktiv zu verschieben, damit im Pumpmodus Gas zwischen der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 und der Gaskammer 102 gepumpt wird.
Das erste und das zweite elektromagnetische Interaktionsglied können als jeweilige Spulen konfiguriert sein oder diese beinhalten. Auf diese Weise kann eine der Spulen im Erfassungsmodus als ein Elektromagnet betrieben werden, der zum Induzieren einer elektrischen Spannung in der jeweiligen anderen Spule mittels der Verschiebung der verschiebbaren Membran 122, die durch zu detektierende akustische Wellen induziert wird, konfiguriert ist. Die somit induzierte elektrische Spannung kann Charakteristiken der zu detektierenden akustischen Wellen angeben. Im Pumpmodus können beide Spulen als Elektromagneten betrieben werden, um jeweilige Magnetfelder zu erzeugen, mit denen eine anziehende oder abstoßende Kraft zwischen den Membranen 122, 124 erzeugt werden kann, um Gas zwischen der Gaskammer 102 und der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 zu pumpen.
Alternativ dazu kann das erste oder das zweite elektromagnetische Interaktionsglied als ein Permanentmagnet konfiguriert sein und das jeweils andere kann eine Spule beinhalten, in der eine elektrische Spannung durch den Permanentmagneten auf die oben beschriebene Weise im Erfassungsmodus induziert werden kann. Im Pumpmodus kann die Spule als ein Elektromagnet betrieben werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das mit dem durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld interagiert, so dass die verschiebbare Membran 122 aktiv verschoben wird, um Gas zwischen der Gaskammer 102 und der Außenseite 106 des photoakustischen Gasdetektors 100 zu pumpen.
Im Folgenden werden verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht:
Vergleichsbeispiel 1 ist ein photoakustischer Gasdetektor. Der photoakustische Gasdetektor kann Folgendes beinhalten: eine Gaskammer, die zum Empfangen eines darin zu analysierenden Gases konfiguriert ist, ein Anregungselement, das zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch Druckdifferenzen wie etwa akustische Wellen erzeugt werden, einen Sensor, der zum Detektieren von durch das Anregungselement erzeugten Druckdifferenzen, wie etwa akustischen Wellen, konfiguriert ist, und eine Pumpe, die zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer konfiguriert ist.
In Vergleichsbeispiel 2 kann der Gegenstand von Vergleichsbeispiel 1 optional ferner beinhalten, dass der Sensor und die Pumpe als eine Erfassungs-Pump-Einheit konfiguriert sind, die in einem Erfassungsmodus und in einem Pumpmodus betreibbar ist. Die Erfassungs-Pump-Einheit kann im Erfassungsmodus zum Detektieren von durch das Anregungselement erzeugten Druckdifferenzen und im Pumpmodus zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer konfiguriert sein.
Beispiel 1 ist ein ein photoakustischer Gasdetektor gemäß Vergleichsbeispiel 2, der ferner aufweist, dass die Erfassungs-Pump-Einheit eine verschiebbare Membran beinhaltet, die im Erfassungsmodus durch zu detektierende Druckdifferenzen verschoben werden kann und im Pumpmodus aktiv verschoben werden kann, um Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer zu pumpen.
In Beispiel 2 kann der Gegenstand von Beispiel 1 optional ferner beinhalten, dass die verschiebbare Membran mindestens ein dadurch ausgebildetes Durchgangsloch beinhaltet, das einen Gasdurchgang bereitstellt.
In Beispiel 3 kann der Gegenstand von Beispiel 2 optional ferner beinhalten, dass die verschiebbare Membran mit einem Gasventil ausgestattet ist, das zum Variieren der Gasströmungsfläche von mindestens einem in der verschiebbaren Membran ausgebildeten Durchgangsloch konfiguriert ist.
In Beispiel 4 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1 bis 3 optional ferner beinhalten, dass die Erfassungs-Pump-Einheit eine feste Membran beinhaltet, die nebenliegend zur verschiebbaren Membran positioniert ist. Der photoakustische Gasdetektor kann ferner Folgendes beinhalten: eine Ausleseschaltung, die im Erfassungsmodus zum Messen der Kapazität zwischen der verschiebbaren und der festen Membran konfiguriert ist, wobei die Kapazität durch eine Verschiebung der verschiebbaren Membran bezüglich der festen Membran, die durch akustische Wellen bewirkt wird, verändert werden kann und eine Änderung in der Kapazität Charakteristiken der zu detektierenden akustischen Wellen angibt, und eine Leistungsquelle, die im Pumpmodus zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die verschiebbare und die feste Membran konfiguriert ist, um eine elektrostatische Kraft zwischen den Membranen zu erzeugen, so dass die verschiebbare Membran bezüglich der festen Membran verschoben wird, um eine Pumpkraft zu erzeugen.
In Beispiel 5 kann der Gegenstand von Beispiel 4 optional ferner beinhalten, dass die feste Membran mindestens ein dadurch ausgebildetes Durchgangsloch beinhaltet, das einen Gasdurchgang bereitstellt.
In Beispiel 6 kann der Gegenstand von Beispiel 5 optional ferner beinhalten, dass die feste Membran mit mindestens einem Gasventil ausgestattet ist, das zum Variieren der Gasströmungsfläche von mindestens einem in der festen Membran ausgebildeten Durchgangsloch konfiguriert ist.
In Beispiel 7 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1 bis 6 optional ferner beinhalten, dass die Gaskammer durch eine Gaskammerwand abgegrenzt wird, die mindestens ein dadurch ausgebildetes Durchgangsloch beinhaltet, wobei das Durchgangsloch einen Gasdurchgang zwischen der Gaskammer und der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors bereitstellt.
In Beispiel 8 kann der Gegenstand von Beispiel 7 optional ferner beinhalten, dass die Gaskammerwand mit mindestens einem Gasventil ausgestattet ist, das zum Variieren der Gasströmungsfläche von mindestens einem in der Gaskammerwand ausgebildeten Durchgangsloch konfiguriert ist.
In Beispiel 9 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 7 oder 8 und einem der Beispiele 1 bis 6 optional ferner Pumpmittel, die sich von der Erfassungs-Pump-Einheit unterscheiden, beinhalten. Die Pumpmittel können zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer durch mindestens ein in der Gaskammerwand ausgebildetes Durchgangsloch konfiguriert sein.
In Beispiel 10 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 7 bis 9 und einem der Beispiele 1 bis 6 optional ferner beinhalten, dass sich die verschiebbare Membran und ein in der Gaskammerwand ausgebildetes Durchgangsloch gegenseitig überlappen.
In Beispiel 11 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1 bis 10 optional ferner beinhalten, dass die verschiebbare Membran innerhalb der Gaskammer positioniert ist.
In Beispiel 12 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 4 bis 11 optional ferner beinhalten, dass die feste Membran innerhalb der Gaskammer positioniert ist.
In Beispiel 13 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1 bis 12 optional ferner Erwärmungsmittel beinhalten, die zum Erwärmen des Gases in der Gaskammer auf eine zeitlich variierende Art und Weise konfiguriert sind.
In Beispiel 14 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1 bis 13 optional ferner beinhalten, dass das Anregungselement als eine Strahlungsquelle konfiguriert ist oder diese beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, die zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich variierende Art und Weise konfiguriert ist, wodurch akustische Wellen erzeugt werden.
In Beispiel 15 kann der Gegenstand von Beispiel 14 optional ferner beinhalten, dass die Strahlungsquelle zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren und/oder ultravioletten Frequenzbereich konfiguriert ist.
In Beispiel 16 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1 bis 15 optional ferner beinhalten, dass das Anregungselement innerhalb der Gaskammer oder in einer Anregungskammer, die von der Gaskammer getrennt ist, positioniert ist.
In Beispiel 17 kann der Gegenstand von Beispiel 16 und einem der Beispiele 14 oder 15 optional ferner beinhalten, dass die Anregungskammer von der Gaskammer durch ein Fenster getrennt ist, das zum Übertragen von durch die Strahlungsquelle emittierter elektromagnetischer Strahlung konfiguriert ist.
In Beispiel 18 kann der Gegenstand von Beispiel 17 optional ferner beinhalten, dass das Fenster ein Filter beinhaltet oder als dieses konfiguriert ist, das zum selektiven Übertragen von durch die Strahlungsquelle emittierter elektromagnetischer Strahlung konfiguriert ist.
In Beispiel 19 kann der Gegenstand von Beispiel 18 optional ferner beinhalten, dass das Filter ein plasmonisches Filter und/oder einen Bragg-Spiegel und/oder ein Fabry-Perot-Interferometer wie etwa ein Fabry-Perot-Etalon beinhaltet oder als dieses bzw. dieser konfiguriert ist.
Beispiel 20 ist eine Mobileinrichtung, die einen photoakustischen Gasdetektor nach einem der Beispiele 1 bis 19 beinhaltet.
In Beispiel 21 kann die Mobileinrichtung von Beispiel 20 optional als ein Mobiltelefon konfiguriert sein.
Vergleichsbeispiel 3 ist ein Verfahren des Betriebs eines photoakustischen Gasdetektors nach Vergleichsbeispiel 1 oder Vergleichsbeispiel 2 und Beispiel 22 ist ein Verfahren des Betriebs eines photoakustischen Gasdetektors nach einem der Beispiele 1 bis 19. Das Verfahren des Vergleichsbeispiels 3 oder des Beispiels 22 kann jeweils Folgendes beinhalten: Betreiben des photoakustischen Gasdetektors in einem Erfassungsmodus, in dem der Sensor ausgelesen wird, um Charakteristiken von zu detektierenden akustischen Wellen zu bestimmen, und Betreiben des photoakustischen Gasdetektors in einem Pumpmodus, in dem die Pumpe betrieben wird, so dass Gas zwischen der Gaskammer und der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors gepumpt wird.
In Beispiel 23 kann der Gegenstand von Vergleichsbeispiel 3 oder Beispiel 22 optional ferner beinhalten, dass der photoakustische Gasdetektor während einer Erfassungsperiode im Erfassungsmodus und während einer Pumpperiode, die sich von der Erfassungsperiode unterscheidet, im Pumpmodus betrieben wird.
In Beispiel 24 kann der Gegenstand von Beispiel 22 oder 23 optional ferner beinhalten, dass die Erfassungs-Pump-Einheit ferner eine feste Membran beinhaltet, die mit der verschiebbaren Membran einen Kondensator definiert, dessen Kapazität durch eine Verschiebung der verschiebbaren Membran verändert werden kann. Das Verfahren kann ferner Folgendes beinhalten: Messen der Kapazität des Kondensators im Erfassungsmodus und Anlegen einer zeitlich variierenden elektrischen Spannung an die verschiebbare und die feste Membran, um die verschiebbare Membran bezüglich der festen Membran aktiv zu verschieben, so dass Gas zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer gepumpt wird.
In Beispiel 25 kann der Gegenstand von Vergleichsbeispiel 3 oder einem der Beispiele 22 bis 24 optional ferner beinhalten, dass der photoakustische Gasdetektor ferner einen Gasdurchgang zwischen der Außenseite des photoakustischen Gasdetektors und der Gaskammer beinhaltet. Der Gasdurchgang kann mit einem Gasventil ausgestattet sein, das zum Variieren der Gasströmungsfläche und/oder des Strömungswiderstands des Gasdurchgangs konfiguriert ist. Das Verfahren kann ferner Variieren der Gasströmungsfläche und/oder des Strömungswiderstands des Gasdurchgangs mittels des Gasventils im Pumpmodus beinhalten.
In Beispiel 26 kann der Gegenstand von Vergleichsbeispiel 3 oder einem der Beispiele 22 bis 25 optional ferner beinhalten, dass der photoakustische Gasdetektor Erwärmungsmittel beinhaltet, die zum Erwärmen des Gases in der Gaskammer auf eine zeitlich variierende Art und Weise konfiguriert sind. Das Verfahren kann ferner Erwärmen des Gases in der Gaskammer im Pumpmodus auf eine zeitlich variierende Art und Weise beinhalten.
Obwohl die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden ist, sollte ein Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen an Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die anliegenden Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung wird daher von den anhängenden Ansprüchen angegeben, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind daher einzuschließen.

Claims

Photoakustischer Gasdetektor (100), umfassend: eine Gaskammer (102), die zum Empfangen eines darin zu analysierenden Gases konfiguriert ist; ein Anregungselement (108), das zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer (102) empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch akustische Wellen erzeugt werden; einen Sensor (110), der zum Detektieren von durch das Anregungselement (108) erzeugten akustischen Wellen konfiguriert ist; und eine Pumpe (112), die zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) konfiguriert ist, wobei der Sensor (110) und die Pumpe (112) als eine Erfassungs-Pump-Einheit (120) konfiguriert sind, die in einem Erfassungsmodus und in einem Pumpmodus betreibbar ist, wobei die Erfassungs-Pump-Einheit (120) im Erfassungsmodus zum Detektieren von durch das Anregungselement (108) erzeugten akustischen Wellen und im Pumpmodus zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) konfiguriert ist, und wobei die Erfassungs-Pump-Einheit (120) eine verschiebbare Membran (122) umfasst, die im Erfassungsmodus durch zu detektierende akustische Wellen verschoben werden kann und im Pumpmodus aktiv verschoben werden kann, um Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) zu pumpen.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, wobei die verschiebbare Membran (122) mindestens ein dadurch ausgebildetes Durchgangsloch (122a, 122b, 122c, 122d) umfasst, das einen Gasdurchgang bereitstellt.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 2, wobei die verschiebbare Membran (122) mit einem Gasventil (132, 134) ausgestattet ist, das zum Variieren der Gasströmungsfläche und/oder des Strömungswiderstands von mindestens einem in der verschiebbaren Membran (122) ausgebildeten Durchgangsloch (122a, 122b, 122c, 122d) konfiguriert ist.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, wobei die Erfassungs-Pump-Einheit (120) eine feste Membran (124) umfasst, die nebenliegend zur verschiebbaren Membran (122) positioniert ist, wobei der photoakustische Gasdetektor (100) ferner Folgendes umfasst: eine Ausleseschaltung (126), die im Erfassungsmodus zum Messen der Kapazität zwischen der verschiebbaren und der festen Membran (122, 124) konfiguriert ist, wobei die Kapazität durch eine Verschiebung der verschiebbaren Membran (122) bezüglich der festen Membran (124), die durch akustische Wellen bewirkt wird, verändert werden kann, wobei eine Änderung in der Kapazität Charakteristiken der zu detektierenden akustischen Wellen angibt; und eine Leistungsquelle (130), die im Pumpmodus zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die verschiebbare und die feste Membran (122, 124) konfiguriert ist, um eine elektrostatische Kraft zwischen den Membranen (122, 124) zu erzeugen, so dass die verschiebbare Membran (122) bezüglich der festen Membran (124) verschoben wird, um eine Pumpkraft zu erzeugen.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 4, wobei die feste Membran (124) mindestens ein dadurch ausgebildetes Durchgangsloch (124a, 124b, 124c, 124d) umfasst, das einen Gasdurchgang bereitstellt.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 5, wobei die feste Membran (124) mit mindestens einem Gasventil (132, 134) ausgestattet ist, das zum Variieren der Gasströmungsfläche und/oder des Strömungswiderstands von mindestens einem in der festen Membran (124) ausgebildeten Durchgangsloch (124a, 124b, 124c, 124d) konfiguriert ist.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, wobei die Gaskammer (102) durch eine Gaskammerwand (104) abgegrenzt wird, die mindestens ein dadurch ausgebildetes Durchgangsloch (104a, 104b, 104c) umfasst, wobei das Durchgangsloch (104a, 104b, 104c) einen Gasdurchgang zwischen der Gaskammer (102) und der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) bereitstellt.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 7, wobei die Gaskammerwand (104) mit mindestens einem Gasventil (132, 134) ausgestattet ist, das zum Variieren der Gasströmungsfläche und/oder des Strömungswiderstands von mindestens einem in der Gaskammerwand (104) ausgebildeten Durchgangsloch (104a, 104b, 104c) konfiguriert ist.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, wobei die Gaskammer (102) durch eine Gaskammerwand (104) abgegrenzt ist, die mindestens ein dadurch ausgebildetes Durchgangsloch (104a, 104b, 104c) umfasst, wobei der photoakustische Gasdetektor (100) ferner Pumpmittel (121) umfasst, die sich von der Erfassungs-Pump-Einheit (120) unterscheiden, wobei die Pumpmittel (121) zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) durch mindestens ein in der Gaskammerwand (104) ausgebildetes Durchgangsloch (104a, 104b, 104c) konfiguriert sind.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, wobei die verschiebbare Membran (122) innerhalb der Gaskammer (102) positioniert ist.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 4, wobei die feste Membran (124) innerhalb der Gaskammer (102) positioniert ist.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, der ferner Erwärmungsmittel umfasst, die zum Erwärmen des Gases in der Gaskammer (102) auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert sind.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, wobei das Anregungselement (108) als eine Strahlungsquelle (114) konfiguriert ist oder diese umfasst, die dazu konfiguriert ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, die zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer (102) empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch akustische Wellen erzeugt werden.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 13, wobei die Strahlungsquelle (114) zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren und/oder ultravioletten Frequenzbereich konfiguriert ist.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, wobei das Anregungselement (108) innerhalb der Gaskammer (102) oder in einer Anregungskammer (116), die von der Gaskammer (102) getrennt ist, positioniert ist.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 15, wobei das Anregungselement (108) als eine Strahlungsquelle (114) konfiguriert ist oder diese umfasst, die dazu konfiguriert ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, die zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer (102) empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch akustische Wellen erzeugt werden, wobei die Anregungskammer (116) von der Gaskammer (102) durch ein Fenster (118) getrennt ist, das zum Übertragen von durch die Strahlungsquelle (114) emittierter elektromagnetischer Strahlung konfiguriert ist.
Photoakustischer Gasdetektor (100) nach Anspruch 16, wobei das Fenster (118) ein Filter umfasst oder als dieses konfiguriert ist, das zum selektiven Übertragen von durch die Strahlungsquelle (114) emittierter elektromagnetischer Strahlung konfiguriert ist.
Verfahren des Betriebs eines photoakustischen Gasdetektors (100), wobei der photoakustische Gasdetektor (100) Folgendes umfasst: eine Gaskammer (102), die zum Empfangen eines darin zu analysierenden Gases konfiguriert ist; ein Anregungselement (108), das zum selektiven Anregen von Gasmolekülen eines spezifischen Typs, der im in der Gaskammer (102) empfangenen Gas detektiert werden soll, auf eine zeitlich veränderliche Weise konfiguriert ist, wodurch akustische Wellen erzeugt werden; einen Sensor (110), der zum Detektieren von durch das Anregungselement (108) erzeugten akustischen Wellen konfiguriert ist; und eine Pumpe (112), die zum Pumpen von Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) konfiguriert ist, wobei der Sensor (110) und die Pumpe (112) als eine Erfassungs-Pump-Einheit (120) konfiguriert sind, die eine verschiebbare Membran (122) umfasst, wobei im Erfassungsmodus eine Verschiebung der verschiebbaren Membran (122), die durch akustische Wellen bewirkt wird, erfasst wird und im Pumpmodus die verschiebbare Membran (122) aktiv verschoben wird, um Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) zu pumpen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Betreiben des photoakustischen Gasdetektors (100) in einem Erfassungsmodus, in dem der Sensor (110) ausgelesen wird, um Charakteristiken von zu detektierenden akustischen Wellen zu bestimmen; und Betreiben des photoakustischen Gasdetektors (100) in einem Pumpmodus, in dem die Pumpe (112) betrieben wird, so dass Gas zwischen der Gaskammer (102) und der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der photoakustische Gasdetektor (100) während einer Erfassungsperiode im Erfassungsmodus betrieben wird und während einer Pumpperiode, die sich von der Erfassungsperiode unterscheidet, im Pumpmodus betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Erfassungs-Pump-Einheit (120) ferner eine feste Membran (124) umfasst, die mit der verschiebbaren Membran (122) einen Kondensator definiert, dessen Kapazität durch eine Verschiebung der verschiebbaren Membran (122) verändert werden kann, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Messen der Kapazität des Kondensators im Erfassungsmodus und Anlegen einer zeitlich variierenden elektrischen Spannung an die verschiebbare und die feste Membran (122, 124), um die verschiebbare Membran (122) bezüglich der festen Membran (124) aktiv zu verschieben, so dass Gas zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der photoakustische Gasdetektor (100) ferner einen Gasdurchgang zwischen der Außenseite (106) des photoakustischen Gasdetektors (100) und der Gaskammer (102) umfasst, wobei der Gasdurchgang kann mit einem Gasventil (132, 134) ausgestattet ist, das zum Variieren der Gasströmungsfläche und/oder des Strömungswiderstands des Gasdurchgangs konfiguriert ist, wobei das Verfahren ferner Variieren der Gasströmungsfläche und/oder des Strömungswiderstands des Gasdurchgangs mittels des Gasventils (132, 134) im Pumpmodus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der photoakustische Gasdetektor (100) Erwärmungsmittel umfasst, die zum Erwärmen des Gases in der Gaskammer (102) auf eine zeitlich variierende Art und Weise konfiguriert sind, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Erwärmen des Gases in der Gaskammer (102) im Pumpmodus auf eine zeitlich variierende Art und Weise.