DE102017205974A1 - Optical sensor device for measuring a fluid concentration and using the optical sensor device - Google Patents
Optical sensor device for measuring a fluid concentration and using the optical sensor device Download PDFInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensorvorrichtung zum Messen einer Fluidkonzentration und Verwendungen der optischen Sensorvorrichtung. Die optische Sensorvorrichtung ist ausgebildet mit einem zumindest teilweise geschlossenen Probenraum (PB) zum Aufnehmen eines zu analysierenden Fluids; einer Strahlungsquelle (Q) zum Aussenden von einem Messstrahl in den Probenraum (PB); und einer Detektoreinrichtung (D) zum Detektieren des Messstrahl nach Durchqueren des Probenraums (PB); und einer zwischen der Strahlungsquelle (Q) und der Detektoreinrichtung (D) angeordneten beweglichen steuerbaren Strahlablenkeinrichtung (MS), durch die der Messstrahl derart ablenkbar ist, dass er mehrere unterschiedliche Absorptionswege (AS1, AS2) im Probenraum (PB) durchqueren kann. The present invention provides an optical sensor device for measuring fluid concentration and uses of the optical sensor device. The optical sensor device is formed with an at least partially closed sample space (PB) for receiving a fluid to be analyzed; a radiation source (Q) for emitting a measurement beam into the sample space (PB); and a detector device (D) for detecting the measuring beam after passing through the sample space (PB); and a movable controllable beam deflection device (MS) arranged between the radiation source (Q) and the detector device (D), by means of which the measuring beam can be deflected in such a way that it can traverse several different absorption paths (AS1, AS2) in the sample space (PB).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung zum Messen einer Fluidkonzentration und eine Verwendung der optischen Sensorvorrichtung.The present invention relates to an optical sensor device for measuring a fluid concentration and a use of the optical sensor device.
Stand der TechnikState of the art
Optische Sensorvorrichtungen zum Messen von Fluidkonzentrationen, also Flüssigkeits- oder Gaskonzentrationen, z.B. der Konzentration von Kohlendioxidgas, haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise zur Überwachung der Luftgüte oder in der Sicherheitstechnik. In der optischen Spektroskopie sind inzwischen Sensorvorrichtungen verfügbar, die sehr kompakt und kosteneffizient realisiert werden können.Optical sensor devices for measuring fluid concentrations, ie liquid or gas concentrations, e.g. The concentration of carbon dioxide gas, have a variety of applications, for example, to monitor the air quality or in safety technology. In optical spectroscopy, sensor devices are now available which can be realized in a very compact and cost-efficient manner.
In
Dabei ist der Absorptionsbereich A ein fester optischer Pfad mit definierter optischer Weglänge. Diese optische Weglänge wird gemäß der jeweiligen Applikationsanforderung bezüglich Art und Auflösung der zu untersuchenden Fluide ausgelegt. Müssen beispielsweise unterschiedliche Stoffe mit unterschiedlicher Konzentration gemessen werden, so werden dazu zwei unterschiedliche feste optische Pfade und entsprechende Sensorkomponenten benötigt.In this case, the absorption area A is a fixed optical path with a defined optical path length. This optical path length is designed in accordance with the respective application requirement with regard to the type and resolution of the fluids to be examined. If, for example, different substances with different concentrations have to be measured, then two different solid optical paths and corresponding sensor components are required.
Starre Optiken mit festen optischen Pfaden erlauben nur eine bedingte Feinjustage der Empfindlichkeit (Absorptionsparameter) einer derartigen optischen Sensorvorrichtung. Weiterhin wird typischerweise ein deutlich größerer Bauraum benötigt, um mehrere optische Pfade mit zugehörigen optischen Komponenten zu realisieren.Rigid optics with fixed optical paths only allow a conditional fine adjustment of the sensitivity (absorption parameter) of such an optical sensor device. Furthermore, a significantly larger space is typically required to realize multiple optical paths with associated optical components.
Soll eine derartige optische Sensorvorrichtung in Verbindung mit einem linearen Filter verwendet werden, welcher typischerweise mehrere Quadratmillimeter groß ist, wobei ein wellenlängenselektives Sensorarray verwendet wird, muss die Leistung der optischen Quelle über die gesamte Fläche verteilt werden. Damit ist typischerweise eine Quelle mit einem hohen Öffnungswinkel und einer hohen Leistung notwendig bzw. sind mehrere Lichtquellen notwendig, um diese notwendige optische Leistung über alle Messpixel des Sensorarrays zur Verfügung zu stellen.When such an optical sensor device is to be used in conjunction with a linear filter which is typically several square millimeters in size, using a wavelength-selective sensor array, the power of the optical source must be distributed over the entire area. This typically requires a source with a high aperture angle and high power, or multiple light sources are necessary to provide this necessary optical power across all the sensing pixels of the sensor array.
Aus der
Die
Weitere optische Sensorvorrichtungen zum Messen einer Fluidkonzentration mit festen optischen Pfaden unter Verwendung von Reflektoren sind aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung offenbart eine optische Sensorvorrichtung zum Messen einer Fluidkonzentration mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Verwendungen der optischen Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.The present invention discloses an optical sensor device for measuring a fluid concentration having the features of
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee basiert auf der Verwendung eines beweglichen Mikrospiegels, welcher in die Absorptionsstrecke einer optischen Sensorvorrichtung angebracht ist, um damit unterschiedliche optische Wege bzw. Strahlengänge mit damit verbundenen unterschiedlichen Absorptionslängen zu realisieren. Durch die Bewegung des Spiegels wird durch entsprechende Reflexionen an entsprechenden Reflektoroberflächen im Strahlengang die effektive Weglänge im zu detektierenden Fluid variiert. Damit wird das Absorptions- bzw. Transmissionsverhalten des Fluids variiert. Das Absorptions- bzw. Transmissionsverhalten wird in einfachster Form durch das Lambert-Beer-Bouguer-Gesetz beschrieben, welches beispielsweise für CO2 in der Luft folgenden Zusammenhang für die wegabhängige Intensität beschreibt:
Die Variabilität des Strahlengangs wird erfindungsgemäß durch ein oder mehrere bewegliche Reflexions- bzw. Transmissionselemente im Strahlengang der optischen Sensorvorrichtung realisiert. Diese beweglichen Elemente können entweder direkt oder in Verbindung mit weiteren optischen Reflexions- bzw. Transmissionsflächen die Einstellung der optischen Länge im Fluid erlauben. Dabei können viele Variationen für die unterschiedlichen Anwendungen realisiert werden.The variability of the beam path is realized according to the invention by one or more movable reflection or transmission elements in the beam path of the optical sensor device. These movable elements may allow adjustment of the optical length in the fluid either directly or in conjunction with other optical reflection or transmission surfaces. Many variations can be realized for the different applications.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine flexible Auslegung des Strahlengangs bzw. optischen Pfades einer optischen Sensorvorrichtung zum Messen einer Fluidkonzentration, wobei ein optischer Pfad mit einem beweglichen Element genügt, um unterschiedliche Anforderungen an Stoffart und Messauflösung umsetzen zu können.In particular, the invention enables a flexible design of the optical path or optical path of an optical sensor device for measuring a fluid concentration, wherein an optical path with a movable element is sufficient to be able to implement different requirements for material type and measurement resolution.
Die optischen Pfade können auch dynamisch und je nach Bedarf verändert werden, wobei beispielsweise bei Verwendung eines linearen Filters die Wellenlänge durch die entsprechende Position des optischen Pfades gewählt werden kann.The optical paths can also be changed dynamically and as required, wherein, for example, when using a linear filter, the wavelength can be selected by the corresponding position of the optical path.
Weiterhin können Selbstdiagnosefunktionen realisiert werden, welche mit festen optischen Pfaden nicht möglich sind. Dazu wird der nichtlineare Zusammenhang des Lambert-Beer-Bouguer-Gesetzes ausgenutzt. So können zusätzliche Stützstellen für die Selbstdiagnose geschaffen werden. Bewegliche Mikrospiegel können schnelle und präzise Pfadänderungen herbeiführen, für die es jeweilige Pfadkalibriermöglichkeiten gibt. Durch Verwendung von teilreflektierenden bzw. teiltransmittierenden Oberflächen können mehrere optische Pfade gleichzeitig umgesetzt werden.Furthermore, self-diagnostic functions can be realized, which are not possible with fixed optical paths. For this purpose, the nonlinear relationship of the Lambert-Beer-Bouguer law is exploited. Thus, additional support points for the self-diagnosis can be created. Moving micromirrors can provide fast and accurate path changes for which there are respective path calibration options. By using partially reflecting or partially transmitting surfaces, a plurality of optical paths can be implemented simultaneously.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im Probenraum eine erste feststehende Reflektoreinrichtung angeordnet, von der von der Strahlungsquelle ausgesandte Messstrahl auf die Detektoreinrichtung reflektierbar ist und wobei die bewegliche Strahlablenkeinrichtung derart gestaltet ist, dass sie den Messstrahl auf mehrere unterschiedliche Oberflächenbereiche auf der ersten feststehenden Reflektoreinrichtung entsprechend den mehreren unterschiedlichen Absorptionswege richten kann. So können kontinuierliche oder diskrete optische Pfade realisiert werden, wobei für die unterschiedlichen Pfade ein sehr kompakter Aufbau ermöglicht wird.According to a preferred embodiment, a first fixed reflector device is arranged in the sample chamber, from the emitted from the radiation source measuring beam is reflected on the detector device and wherein the movable beam deflector is designed such that it the measuring beam to a plurality of different surface areas on the first fixed reflector device corresponding to the plurality can direct different absorption paths. Thus, continuous or discrete optical paths can be realized, whereby a very compact structure is made possible for the different paths.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste feststehende Reflektoreinrichtung eine gekrümmte Oberfläche auf, auf der eine Reflexionsbeschichtung angeordnet ist und die die mehreren unterschiedlichen Oberflächenbereiche festlegen. So lassen sich die optischen Pfade kontinuierlich variieren.According to a further preferred embodiment, the first fixed reflector device has a curved surface on which a reflection coating is arranged and which define the several different surface areas. This allows the optical paths to be varied continuously.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die gekrümmte Oberfläche derart gestaltet, dass der Messstrahl unabhängig vom Oberflächenbereich auf die Detektoreinrichtung richtbar ist. So lässt sich eine kompakte Detektoreinrichtung realisieren.According to a further preferred embodiment, the curved surface is designed such that the measuring beam can be directed onto the detector device independently of the surface area. Thus, a compact detector device can be realized.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste feststehende Reflektoreinrichtung eine gekrümmte Oberfläche mit stufenförmigen Aussparungen mit dazwischenliegenden gekrümmten Abschnitten auf, auf denen die Reflexionsbeschichtung angeordnet ist und die die mehreren unterschiedlichen Oberflächenbereiche festlegen. So lassen sich die optischen Pfade diskret variieren.According to a further preferred embodiment, the first fixed reflector device has a curved surface with step-shaped recesses with intermediate curved sections on which the reflection coating is arranged and which define the several different surface regions. This allows the optical paths to be discreetly varied.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste feststehende Reflektoreinrichtung einen Hohlraum auf, wobei der Messstrahl auf einen im Hohlraum liegenden Oberflächenbereich derart richtbar ist, dass eine Mehrfachreflexion des Messstrahls an weiteren Oberflächenbereichen im Hohlraum auftritt, bevor der Messstrahl zur Detektoreinrichtung gelangt. So lässt sich der optische Pfad stark vergrößern.According to a further preferred embodiment, the first stationary reflector device has a cavity, wherein the measuring beam can be directed onto a surface region lying in the cavity such that a multiple reflection of the measuring beam occurs on further surface regions in the cavity before the measuring beam reaches the detector device. Thus, the optical path can be greatly increased.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Probenraum mindestens eine zweite feststehende Reflektoreinrichtung angeordnet, wobei der Messstrahl derart auf die mehreren unterschiedlichen Oberflächenbereiche richtbar ist, dass eine Mehrfachreflexion des Messtrahls an der mindestens einen zweiten feststehenden Reflektoreinrichtung und an mindestens einem weiteren Oberflächenbereich der ersten feststehenden Reflektoreinrichtung auftritt, bevor der Messstrahl zur Detektoreinrichtung gelangt. Auch dies erhöht die Länge des optischen Pfades, wobei die Kompaktheit beibehalten werden kann.In accordance with a further preferred embodiment, at least one second fixed reflector device is arranged in the sample space, wherein the measurement beam can be directed to the plurality of different surface regions such that a multiple reflection of the measurement beam occurs at the at least one second fixed reflector device and at at least one further surface region of the first stationary reflector device before the measuring beam reaches the detector device. This also increases the length of the optical path, wherein the compactness can be maintained.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die bewegliche Strahlablenkeinrichtung im Probenraum abgeordnet, wobei die Detektoreinrichtung ein Detektorarray aufweist, welches mit dem Messstrahl mittels der beweglichen Strahlablenkeinrichtung entsprechend den mehreren unterschiedlichen Absorptionswege scannbar ist. So lässt sich ein Detektorarry implementieren, ohne dass die Leistung des Messstrahls erhöht werden muss.According to a further preferred embodiment, the movable beam deflection device is seconded in the sample space, wherein the detector device has a detector array which can be scanned with the measurement beam by means of the movable beam deflection device corresponding to the several different absorption paths. Thus, a detector array can be implemented without the power of the measuring beam having to be increased.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein wellenlängenselektives Filter, insbesondere ein linear variables Filter, auf dem Detektorarray aufgebracht. Dabei kann der bewegliche Mikrospiegel das Problem der Leistungsverteilung über die Fläche eines linearen wellenlängenselektiven Filters lösen. In diesem Fall wird mit dem Mikrospiegel die Fläche des Filters gescannt und damit die Leistung punktuell nach Bedarf verteilt, ohne dass die ganze Fläche mit der gleichen Leistung beaufschlagt werden muss. Weiterhin kann dieses Scannen die optischen Parameter des Systems verbessern und neue Optionen bei der Detektion mehrerer Eigenschaften des zu detektierenden Fluids ermöglichen.According to a further preferred embodiment, a wavelength-selective filter, in particular a linearly variable filter, is applied to the detector array. In this case, the movable micromirror can solve the problem of power distribution over the surface of a linear wavelength-selective filter. In this case, the micromirror is used to scan the area of the filter and thus distribute the power selectively as needed, without having to apply the same power to the entire surface. Furthermore, this scanning can improve the optical parameters of the system and allow new options in the detection of multiple properties of the fluid to be detected.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Strahlungsquelle und der beweglichen Strahlablenkeinrichtung eine zweite feststehende Reflektoreinrichtung angeordnet, welche den von der Strahlungsquelle ausgesandten Messstrahl auf der beweglichen Strahlablenkeinrichtung bündelt. So lässt sich der Messstrahl effizient bündeln.According to a further preferred embodiment, a second fixed reflector device is arranged between the radiation source and the movable beam deflection device, which bundles the measuring beam emitted by the radiation source on the movable beam deflection device. This allows the measuring beam to be bundled efficiently.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die bewegliche Strahlablenkeinrichtung eine MEMS-Mikrospiegeleinrichtung. So lässt sich eine sehr kompakte bewegliche Strahlablenkeinrichtung realisieren.According to a further preferred embodiment, the movable beam deflection device is a MEMS micromirror device. This makes it possible to realize a very compact movable beam deflection device.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlungsquelle und die Detektoreinrichtung in einem Trägersubstrat angeordnet, welches durch ein optisches Fenster vom Probenraum getrennt ist. So sind die Strahlungsquelle und die Detektoreinrichtung vor dem zu analysierenden Fluid geschützt.According to a further preferred embodiment, the radiation source and the detector device are arranged in a carrier substrate which is separated from the sample space by an optical window. Thus, the radiation source and the detector device are protected from the fluid to be analyzed.
Figurenlistelist of figures
Es zeigen:
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1a ), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
4 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
5 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
6 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer beispielhaften optischen Sensorvorrichtung.
-
1a b) are schematic cross-sectional views for explaining an optical sensor device according to a first embodiment of the present invention; -
2 a schematic cross-sectional view for explaining an optical sensor device according to a second embodiment of the present invention; -
3 a schematic cross-sectional view for explaining an optical sensor device according to a third embodiment of the present invention; -
4 a schematic cross-sectional view for explaining an optical sensor device according to a fourth embodiment of the present invention; -
5 a schematic cross-sectional view for explaining an optical sensor device according to a fifth embodiment of the present invention; and -
6 a schematic cross-sectional view for explaining an exemplary optical sensor device.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In
Eine Strahlungsquelle Q, beispielsweise eine Laserstrahlungsquelle, und eine Detektoreinrichtung D sind in einem Trägersubstrat S angeordnet, welches durch ein optisches Fenster F vom Probenraum PB getrennt ist.A radiation source Q, for example a laser radiation source, and a detector device D are arranged in a carrier substrate S, which is separated from the sample space PB by an optical window F.
Die Strahlungsquelle Q dient zum Aussenden von einem Messstrahl in den Probenraum PB, und die Detektoreinrichtung D dient zum Detektieren des Messstrahls nach Durchqueren des Probenraums PB.The radiation source Q is used to emit a measurement beam into the sample space PB, and the detector device D is used to detect the measurement beam after passing through the sample space PB.
Zwischen der Strahlungsquelle Q und einer beweglichen Strahlablenkungseinrichtung MS in Form eines MEMS-Mikrospiegels ist eine Reflektoreinrichtung in Form eines starren Spiegels S1 angeordnet, welche den von der Strahlungsquelle Q ausgesandten Messstrahl auf die bewegliche Strahlablenkeinrichtung MS bündelt. Ebenfalls im Substrat S vorgesehen ist die bewegliche, durch eine Antriebseinrichtung MA steuerbare Strahlablenkeinrichtung MS, durch die der Messstrahl durch einen Eintrittsbereich EF des optischen Fensters F in den Probenraum PB ablenkbar ist. Im Probenraum PB befindet sich eine feststehende Reflektoreinrichtung R, von der der Messstrahl auf die Detektoreinrichtung D reflektierbar ist, wobei der Messstrahl den Probenraum durch einen Austrittsbereich AF des optischen Fensters verlässt.Between the radiation source Q and a movable beam deflection device MS in the form of a MEMS micromirror is a reflector device in the form of a rigid mirror S1 arranged, which bundles the emitted from the radiation source Q measuring beam to the movable beam deflection device MS. Also provided in the substrate S is the movable, controllable by a drive device MA beam deflection device MS, through which the measuring beam is deflected through an entrance region EF of the optical window F in the sample chamber PB. A fixed reflector device R, from which the measuring beam can be reflected onto the detector device D, is located in the sample space PB, the measuring beam leaving the sample space through an exit area AF of the optical window.
Bezugszeichen AS1 bezeichnet einen Absorptionsweg, der zwischen dem Eintrittsbereich EF und dem Austrittsbereich AF liegt, innerhalb dessen das zu analysierende Fluid Energie des Messstrahls absorbieren kann. Der Absorptionsweg AS1 entspricht einer ersten Stellung der beweglichen steuerbaren Strahlablenkeinrichtung MS. In
Die feststehende Reflektoreinrichtung R weist eine gekrümmte Oberfläche auf, auf der eine Reflexionsbeschichtung RB angeordnet ist. Die bewegliche steuerbare Strahlablenkeinrichtung MS kann die gekrümmte Oberfläche mit der Reflexionsbeschichtung RB scannen, wobei durch die Krümmung der Oberfläche der Absorptionsweg variabel ist, hier schematisch dargestellt durch den Absorptionsweg AS1 in
Insbesondere trifft der Messstrahl gemäß
Die Krümmung der Oberfläche der Reflektoreinrichtung R ist dabei so gestaltet, dass der Messstrahl unabhängig von dem Oberflächenbereich O1, O2 auf die Detektoreinrichtung D richtbar ist.The curvature of the surface of the reflector device R is designed such that the measuring beam can be directed onto the detector device D independently of the surface region O1, O2.
Wie aus
Die Krümmung der feststehenden Reflektoreinrichtung S1 und der beweglichen steuerbaren Strahlablenkeinrichtung MS können derart gewählt werden, dass die optische Leistung des Messstrahls möglichst effizient gebündelt ist.The curvature of the fixed reflector device S1 and the movable controllable beam deflection device MS can be chosen such that the optical power of the measuring beam is bundled as efficiently as possible.
Der Betrieb der optischen Sensorvorrichtung
Die Auswertung des Absorptionsverhaltens erfolgt entweder in einer (nicht dargestellten) Auswerteeinrichtung, welche z.B. in der Detektoreinrichtung vorgesehen ist oder welche ein separates Bauteil ist.The evaluation of the absorption behavior is carried out either in an evaluation device (not shown), which comprises e.g. is provided in the detector device or which is a separate component.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch eine unterschiedliche Ausgestaltung der feststehenden Reflektoreinrichtung R' innerhalb des Probenraums PB. Die optische Sensorvorrichtung ist hier mit Bezugszeichen la bezeichnet.The second embodiment differs from the first embodiment by a different configuration of the fixed reflector device R 'within the sample space PB. The optical sensor device is denoted by reference numeral la.
Die feststehende Reflektoreinrichtung R' weist bei der zweiten Ausführungsform eine gekrümmte Oberfläche mit vier stufenförmigen Aussparungen A1, A2, A3, A4 auf, wobei gekrümmte Abschnitte zwischen jeweils zwei Aussparungen liegen. Zumindest auf den gekrümmten Abschnitten ist die Reflexionsbeschichtung RB vorgesehen. Die gekrümmten Abschnitte legen die Oberflächenbereiche O1', O2', O3', O4' fest, auf die der Messstrahl durch die bewegliche steuerbare Strahlablenkeinrichtung MS in Form des MEMS-Mikrospiegels richtbar ist. Damit entstehen mehrere unterschiedliche Absorptionswege AS2, AS2', AS2" und AS2"', welche quasi voneinander getrennt sind. Trifft der Messstrahl auf einen Bereich der Aussparung A1, A2, A3, A4, wird er nicht oder zumindest nicht auf die Detektoreinrichtung D reflektiert, wie hier durch einen schematisch angedeuteten Fehlstrahl FS angedeutet.The fixed reflector device R 'in the second embodiment has a curved surface with four stepped recesses A1, A2, A3, A4, wherein curved portions lie between each two recesses. At least on the curved portions, the reflection coating RB is provided. The curved sections define the surface areas O1 ', O2', O3 ', O4' to which the measuring beam can be directed by the movable controllable beam deflection device MS in the form of the MEMS micromirror. This results in several different absorption paths AS2, AS2 ', AS2 "and AS2"', which are quasi separated. If the measuring beam strikes a region of the recess A1, A2, A3, A4, it is not reflected, or at least not reflected, on the detector device D, as indicated here by a schematically indicated error beam FS.
Somit wird die zweite Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung la gemäß
Wie auch bei der ersten Ausführungsform lassen sich somit Absorptionswege AS2, AS2', AS2", AS2'" definieren, welche eine unterschiedliche Länge aufweisen.As with the first embodiment, it is therefore possible to define absorption paths AS2, AS2 ', AS2 ", AS2'", which have a different length.
Die dritte Ausführungsform, bei der die optische Sensorvorrichtung mit Bezugszeichen
Bei dieser Ausführungsform ist der Messstrahl einerseits auf die gekrümmten Abschnitte wie bei der zweiten Ausführungsform richtbar und andererseits auf einen in einem Hohlraum H der Reflektoreinrichtung R" liegenden Oberflächenbereich
Ein gekrümmter Bereich entsprechend einem ersten Absorptionsweg AS3 ist mit Bezugszeichen O1" bezeichnet.A curved region corresponding to a first absorption path AS3 is designated by reference O1 ".
Der Absorptionsweg AS3' verläuft über den im Hohlraum H liegenden Oberflächenbereich
Bei dieser Ausführungsform kann eine Kombination aus kurzen Absorptionswegen AS3 und langen Absorptionswegen AS3' realisiert werden. Diese Kombination ist bei Gassensoren vorteilhaft, um eine hohe und eine niedrige Gaskonzentration mit hoher Genauigkeit zu messen und auflösen zu können. Diese Funktion ist u.a. bei einem CO2-Gassensor notwendig, welcher sowohl für Sicherheitsfunktionen, wie Leck- oder Branderkennung (Messbereich bis 100 % CO2), und gleichzeitig für eine Komfortfunktion (Messbereich
Bei der vierten Ausführungsform, bei der die Sensoreinrichtung allgemein mit Bezugszeichen
Bei der vierten Ausführungsform ist eine weitere feststehende Reflektoreinrichtung in Form zweier ebener Spiegel S2, S3 im optischen Fenster F zwischen Trägersubstrat S und Probenraum PB vorgesehen. Der Messstrahl ist derart auf die Oberflächenbereiche O1"', O2'" etc. der feststehenden Reflektoreinrichtung R'" richtbar, dass eine Mehrfachreflexion des Messstrahls an der feststehenden Reflektoreinrichtung S2, S3 in Form der Spiegel und an mindestens einem weiteren Oberflächenbereich O1"'a bzw. 02"'a auftritt, bevor der Messstrahl durch den Austrittsbereich AF bzw. AF' zur Detektoreinrichtung D gelangt.In the fourth embodiment, a further fixed reflector device in the form of two planar mirrors S2, S3 is provided in the optical window F between the carrier substrate S and the sample space PB. The measuring beam can be directed onto the surface areas O1 ", O2 '" etc. of the fixed reflector device R' "such that a multiple reflection of the measuring beam at the stationary reflector device S2, S3 in the form of the mirrors and at at least one further surface region O1" 'a or 02 "'a occurs before the measuring beam passes through the exit region AF or AF' to the detector device D.
Die verschieden langen Absorptionswege AS4 und AS4' entsprechen den Oberflächenbereichen O1"' bzw. O2'" der feststehenden Reflektoreinrichtung R'". Bei dieser dritten Ausführungsform kann der Absorptionsweg durch die Mehrfachreflexion effektiver ausgebildet werden, beispielsweise kann damit der Abstand zwischen Detektoreinrichtung D und Strahlungsquelle Q besser genutzt werden, wobei zusätzlich die gesamten Dimensionen der Sensorvorrichtung
Bei der fünften Ausführungsform, bei der die optische Sensorvorrichtung mit Bezugszeichen
Zusätzlich können bei dieser Ausführungsform Optionen für eine Selbstdiagnose realisiert werden, z.B. Referenzierung auf eine Wellenlänge durch Selektion eines bestimmten Referenzbereichs, in dem eine bestimmte Stelle des Detektorarrays bzw. Filters F angesteuert wird.In addition, in this embodiment, options for self-diagnosis can be realized be, for example, referencing to a wavelength by selecting a specific reference range in which a particular point of the detector array or filter F is driven.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto but is modifiable in a variety of ways.
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Strahlungsquelle und die Detektoreinrichtung im Trägersubstrat befindlich dargestellt wurden, können bei entsprechenden Anwendungen diese bzw. sämtliche Komponenten auch innerhalb des Probenraums angeordnet sein.Although in the embodiments described above, the radiation source and the detector device have been shown in the carrier substrate, in appropriate applications, these or all components can also be arranged within the sample space.
Obwohl die obigen Ausführungsformen hinsichtlich eines CO2-Gassensors beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern für beliebige Fluidsensoren bzw. Mehrfachfluidsensoren geeignet., wobei als Fluide auch Flüssigkeiten in Betracht kommen. Denkbar ist auch ein Einsatz mit Feststoffzusätzen, welche in Transmissionsverfahren gemessen werden können.Although the above embodiments have been described in terms of a CO 2 gas sensor, the invention is not limited thereto, but suitable for any fluid or multi-fluid sensors. Fluids may also be liquids. It is also conceivable use with solid additives, which can be measured in transmission methods.
Auch die Geometrie der Reflektoreinrichtung ist nur beispielhaft und beliebig variierbar, wie auch die Anzahl und Ausgestaltung möglicher weiterer Strahlkomponenten.The geometry of the reflector device is only exemplary and arbitrarily variable, as well as the number and design of possible other beam components.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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