DE102018110689B4 - Photoaskustische Gassensoren und Verfahren zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors - Google Patents

Photoaskustische Gassensoren und Verfahren zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors Download PDF

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Abstract

Ein photoakustischer Gassensor (100), umfassend:ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse (110), das mit einem Referenzgas (101) gefüllt ist;ein Mikrofonsystem (120), das innerhalb des Gehäuses (110) angeordnet ist, wobei das Mikrofonsystem (120) ausgebildet ist, ein erstes Mikrofonsignal (121) zu erzeugen, das eine erste Signalkomponente bezogen auf eine photoakustische Anregung des Referenzgases (101) umfasst, und ein zweites Mikrofonsignal (122), das eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung umfasst; undeine Schaltung (130), die ausgebildet ist, ein Ausgangssignal (131) basierend auf dem ersten Mikrofonsignal (121) und dem zweiten Mikrofonsignal (122) zu erzeugen, durch destruktives Überlagern einer dritte Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals (121), bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors, und einer vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals (122), bezogen auf die mechanischen Schwingungen.

Description

  • GEBIET
  • Beispiele beziehen sich auf photoakustische Gassensoren und ein Verfahren zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors.
  • HINTERGRUND
  • Photoakustische Messsysteme nutzen eine modulierte Lichtquelle zum Emittieren von Infrarotlicht in Richtung eines mit Gas gefüllten Messpfads. Das Licht wird teilweise von dem Gas absorbiert und das übrige Licht tritt in eine Messzelle ein. Das übrige Licht wird von einem Referenzgas innerhalb der Messzelle absorbiert, wodurch das Referenzgas sich erwärmt und ausdehnt. Der so erzeugte Druckunterschied wird mit mittels eines Mikrofons gemessen, das innerhalb der Messzelle angeordnet ist (siehe z.B. Druckschriften DE 10 2016 205 024 A1 und US 2017 /0 212 036 A1 ). Jedoch sind herkömmliche photoakustische Messsysteme anfällig für Hintergrundstörungen wie Schwingungen oder Rauschen, die die Messung negativ beeinträchtigen.
  • Alternativ kann auf die Messzelle auch verzichtet werden und der Druck kann direkt im Gas gemessen werden (siehe z.B. Druckschriften DE 37 16 763 A1 und WO 2017/ 055 219 A1 ).
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es besteht ein Bedarf für ein photoakustisches Messsystem, das reduzierte Anfälligkeit für Hintergrundstörungen aufweist.
  • Der Bedarf kann durch den Gegenstand der angehängten Ansprüche erfüllt sein.
  • Ein Beispiel bezieht sich auf einen photoakustischen Gassensor. Der photoakustische Gassensor weist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse, das mit einem Referenzgas gefüllt ist, auf. Ferner weist der photoakustische Gassensor ein Mikrofonsystem auf, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Mikrofonsystem ist ausgebildet, ein erstes Mikrofonsignal, das eine erste Signalkomponente bezogen auf eine photoakustische Anregung des Referenzgases aufweist, und ein zweites Mikrofonsignal, das eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung aufweist, zu erzeugen. Der photoakustische Gassensor weist außerdem eine Schaltung auf, die ausgebildet ist, ein Ausgangssignal, das auf dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal basiert, zu erzeugen, durch destruktives Überlagern einer dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals, bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors, und einer vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen.
  • Ein Beispiel bezieht sich auf einen anderen photoakustischen Gassensor. Der photoakustische Gassensor weist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse, das mit einem Referenzgas gefüllt ist, auf. Ferner umfasst der photoakustische Gassensor eine erste Membran, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und eine zweite Membran, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die erste Membran umfasst eine erste Hauptoberfläche, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas zu empfangen, und eine zweite Hauptoberfläche gegenüber der ersten Hauptoberfläche. Die zweite Membran umfasst eine dritte Hauptoberfläche, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas zu empfangen, und eine vierte Hauptoberfläche gegenüber der dritten Hauptoberfläche. Die erste Membran und die zweite Membran sind so ausgerichtet, dass eine erste Richtung, die von der ersten Hauptoberfläche zu der zweiten Hauptoberfläche zeigt, einer zweiten Richtung gegenüberliegend ist, die von der dritten Hauptoberfläche zu der vierten Hauptoberfläche zeigt.
  • Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors, der ein Mikrofonsystem umfasst, das innerhalb eines hermetisch abgedichteten Gehäuses angeordnet ist. Das Gehäuse ist mit einem Referenzgas gefüllt. Das Verfahren weist ein Erzeugen eines ersten Mikrofonsignals unter Verwendung des Mikrofonsystems auf. Das erste Mikrofonsignal weist eine erste Signalkomponente bezogen auf eine photoakustische Anregung des Referenzgases auf. Ferner weist das Verfahren ein Erzeugen eines zweiten Mikrofonsignals unter Verwendung des Mikrofonsystems auf. Das zweite Mikrofonsignal weist eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung auf. Zusätzlich umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines Ausgangssignals, das auf dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal basiert, durch destruktives Überlagern einer dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals, bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors, und einer vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
    • 1 ein erstes Beispiel eines photoakustischen Gassensors darstellt;
    • 2a bis 2c ein Mikrofonsystem in verschiedenen Situationen darstellen;
    • 3 ein zweites Beispiel eines photoakustischen Gassensors darstellt
    • 4 ein drittes Beispiel eines photoakustischen Gassensors darstellt; und
    • 5 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
  • Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
  • Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig angegeben ist. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt, mutatis mutandis, für Kombinationen von mehr als 2 Elementen.
  • Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, umfassend", aufweist" und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente und/oder Komponenten derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben ausschließen.
  • Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung des Gebiets verwendet, zu dem die Beispiele gehören.
  • 1 stellt einen photoakustischen Gassensor 100 dar. Der photoakustische Gassensor 100 weist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 110 auf. Das Gehäuse 110 weist einen Gehäusekörper 111 und einen Gehäusedeckel 112 auf. Der Gehäusedeckel 112 schließt einen Hohlraum 113, der in dem Gehäusekörper 111 gebildet ist. Das Gehäuse 110 kann aus vielen unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Zum Beispiel kann der Gehäusekörper 111 aus Keramik oder Metall hergestellt sein. Der Gehäusedeckel 112 kann z.B. aus Keramik, Metall, Halbleitermaterial (z.B. Silizium), Saphir oder Glas hergestellt sein. Beispielsweise kann der Gehäusedeckel 112 ein Infrarotfenster sein oder eine Bandpasscharakteristik aufweisen. Das Gehäuse 110 ist hermetisch abgedichtet, d.h. der Gehäusedeckel 112 ist so an dem Gehäusekörper 111 angebracht, dass im Wesentlichen kein Gasaustausch zwischen dem Hohlraum 113 und der Gasatmosphäre, die das Gehäuse 110 umgibt, auftritt. Es wird darauf hingewiesen, dass, aufgrund üblicher Prozessschwankungen oder Prozesstoleranzen, ein vollständig gasdichtes Befestigen des Gehäusedeckels 112 an dem Gehäusekörper 111 nicht immer möglich ist. Dementsprechend deckt der Begriff „hermetisch abgedichtet“, wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, auch Befestigungen des Gehäusedeckels 112 an dem Gehäusekörper 111 ab, die ein gewisses (sehr geringes) Lecken in den Hohlraum 113 hinein oder aus dem Hohlraum 113 heraus zulassen. Beispielsweise kann der Gehäusedeckel 112 durch Schweißen (z.B. Nahtschweißen, Widerstandsschweißen oder Laserschweißen), Löten (mit oder ohne Verwendung von vorgeformten Lötkugeln) oder Glas-Fritt-Bonden an dem Gehäusekörper 111 befestigt werden.
  • Das Gehäuse ist mit einem Referenzgas 101 gefüllt. Das Referenzgas 101 ist ausgebildet, zumindest teilweise Licht einer oder mehrerer vordefinierter Wellenlängen zu absorbieren. Anders ausgedrückt interagiert das Licht mit dem Referenzgas und gibt zumindest einen Teil seiner Energie an das Referenzgas 101 ab. Das Referenzgas 101 kann z.B. CO2, CO, H2O, CH4, O3, NH4, NOx oder N2O sein. Es kann jedoch auch irgendein anderes Gas verwendet werden, das in der Lage ist, Photonen einer oder mehrerer vordefinierter Wellenlängen zu absorbieren. Das Licht, das via den Gehäusedeckel 112 in den Hohlraum 113 eintritt, wird bei der einen oder den mehreren vordefinierten Wellenlängen zumindest teilweise von dem Referenzgas 101 absorbiert, sodass sich das Referenzgas 101 erwärmt und ausdehnt. Ein Erwärmen des Referenzgases 101 in dem Hohlraum 113 mit konstantem Volumen bewirkt eine Druckveränderung innerhalb des Hohlraums 113, die als eine photoakustische Welle 102 wahrnehmbar ist. Anders ausgedrückt wird das Referenzgas 101 photoakustisch angeregt.
  • Die photoakustische Welle 102 (Druckveränderung) wird von einem Mikrofonsystem 120 gemessen, das innerhalb des Gehäuses 110 angeordnet ist. Das Mikrofonsystem 120 ist ausgebildet, ein erstes Mikrofonsignal 121, das eine erste Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung des Referenzgases 101 umfasst, und ein zweites Mikrofonsignal 122, das eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung des Referenzgases 101 umfasst, zu erzeugen.
  • Das Mikrofonsystem 120 ist ausgebildet, das erste Mikrofonsignal 121 basierend auf einer relativen Bewegung einer ersten Membran 123 im Hinblick auf eine erste Rückplatte zu erzeugen. Ferner ist das Mikrofonsystem 120 ausgebildet, das zweite Mikrofonsignal 122 basierend auf einer relativen Bewegung einer zweiten Membran 125 im Hinblick auf eine zweite Rückplatte zu erzeugen. Wie in 1 angezeigt ist, kann das Mikrofonsystem 120 z.B. ein erstes Mikrofon 127, das die erste Membran 123 aufweist, und ein zweites Mikrofon 128, das die zweite Membran 125 aufweist, aufweisen. Obgleich nicht dargestellt, kann das Mikrofonsystem 120 alternativ ein (einzelnes) Mikrofon sein, das in einem Halbleiterstück (z.B. einem Halbleiter-Die) implementiert ist, sodass das Mikrofon die erste Membran und die zweite Membran aufweist. Beispielsweise kann das Mikrofonsystem 120 als ein MEMS (Micro-ElectroMechanicalSystem; mikroelektromechanisches System) implementiert sein. Das Mikrofonsystem 120 kann z.B. elektronisch oder optisch abgelesen werden. Bei elektronischer Ablesung kann das erste Mikrofonsignal 121 beispielsweise auf einer Kapazitätsveränderung zwischen der ersten Membran 123 und der ersten Rückplatte basieren, aufgrund der relativen Bewegung der ersten Membran 123. Bei optischem Ablesen kann das erste Mikrofonsignal 121 z.B. auf einer Intensitätsveränderung eines von der ersten Membran 123 abgelenkten Lichtstrahls basieren.
  • Die erste Membran 123 umfasst eine erste Hauptoberfläche 123a, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas 101 (z.B. eine photoakustische Welle 102 oder eine akustische Welle 103) zu empfangen, und eine zweite Hauptoberfläche 123b gegenüber der ersten Hauptoberfläche 123a. Die zweite Hauptoberfläche 123b wird nicht dem Referenzgas 101 ausgesetzt. Somit werden die photoakustische Welle 102 und die akustische Welle 103 aus dem Referenzgas 101 nur via die erste Hauptoberfläche 123a empfangen und auf die erste Membran 123 übertragen. Die zweite Membran 125 umfasst eine dritte Hauptoberfläche 125a, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas 101 (z.B. eine photoakustische Welle 102 oder eine akustische Welle 103) zu empfangen, und eine vierte Hauptoberfläche 125b gegenüber der dritten Hauptoberfläche 125a. Die vierte Hauptoberfläche 125b wird nicht dem Referenzgas 101 ausgesetzt. Somit werden die photoakustische Welle 102 und die akustische Welle 103 aus dem Referenzgas 101 nur via die dritte Hauptoberfläche 125a empfangen und auf die zweite Membran 125 übertragen. Die erste Membran 123 und die zweite Membran 125 sind so ausgerichtet, dass eine erste Richtung 129a, die von der ersten Hauptoberfläche 123a zu der zweiten Hauptoberfläche 123b zeigt, einer zweiten Richtung 129b gegenüberliegend ist, die von der dritten Hauptoberfläche 125a zu der vierten Hauptoberfläche 125b zeigt.
  • Da die photoakustische Anregung des Referenzgases 101 nur dadurch verursacht wird, dass das Licht in das Gehäuse 110 eintritt, geben das erste Mikrofonsignal 121 und das zweite Mikrofonsignal 122 beide den Energiebetrag an, der von dem Licht auf das Referenzgas 101 übertragen wird. Jedoch können Hintergrundstörungen wie Schwingungen oder Lärm die Messung beeinträchtigen. Beispielsweise können Schwingungen einer Vorrichtung, an der der photoakustische Gassensor 100 befestigt ist (z.B. ein Fahrzeug) oder starke Hintergrundgeräusche mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 verursachen. Die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 verursachen eine oder mehrere zusätzliche akustische Wellen 103 innerhalb des Gehäuses 110. Auch die zumindest eine zusätzliche akustische Welle 103 wird von den Membranen des Mikrofonsystems 120 erfasst. Folglich umfassen das erste Mikrofonsignal 121 und das zweite Mikrofonsignal 122 nicht nur die gewünschten ersten und zweiten Signalkomponenten bezogen auf die photoakustischen Anregung des Referenzgases 101, sondern unerwünschte, zusätzliche Signalkomponenten, bezogen auf die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 110. Beispielsweise kann das erste Mikrofonsignal 121 eine dritte Signalkomponente bezogen auf die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 umfassen, und das zweite Mikrofonsignal 122 kann eine vierte Signalkomponente bezogen auf die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 umfassen.
  • Der photoakustische Gassensor 100 umfasst zusätzlich eine Schaltung 130, die ausgebildet ist, ein Ausgangssignal 131 basierend auf dem ersten Mikrofonsignal 121 und dem zweiten Mikrofonsignal 122 zu erzeugen, durch destruktives Überlagern der dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 und der vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122. Das heißt, die dritte Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 und die vierte Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 werden von der Schaltung 130 so kombiniert, dass Signalkomponenten bezogen auf die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100, zumindest in dem resultierenden kombinierten Ausgangssignal 131 reduziert werden, im Vergleich zu jedem von dem ersten Mikrofonsignal 121 und dem zweiten Mikrofonsignal 122. Anders ausgedrückt kombiniert die Schaltung 130 das erste Mikrofonsignal 121 und das zweite Mikrofonsignal 122 so, dass die dritte Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 die negativen Auswirkungen der vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 zumindest teilweise kompensiert, oder umgekehrt. Bei einigen Beispielen kann das destruktive Überlagern der dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 und der vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 es erlauben, das Ausgangssignal 131 mit einer kompensierten mechanischen Schwingungskomponente zu erzeugen, d.h. im Wesentlichen ohne irgendwelche Signalkomponenten bezogen auf die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100.
  • Um die vorangehend beschriebene Schwingungskompensation weiter darzulegen, stellen 2A bis 2c das Mikrofonsystem 120 in unterschiedlichen Situationen dar.
  • 2a stellt das Mikrofonsystem 120 in einer Ruhe- (neutralen) Position dar. Das erste Mikrofon 127 umfasst die erste Membran 123 und die erste Rückplatte 124, und das zweite Mikrofon 128 umfasst die zweite Membran 125 und die zweite Rückplatte 126. Die erste Membran 123 und die zweite Membran 125 sind einander zugewandt, sodass die erste Richtung 129a, die von der ersten Hauptoberfläche 123a zu der zweiten Hauptoberfläche 123b der ersten Membran 123 zeigt, einer zweiten Richtung 129b gegenüberliegend ist, die von der dritten Hauptoberfläche 125a zu der vierten Hauptoberfläche 125b der zweiten Membran 125 zeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel von 2a-c sind die erste und zweite Membran 123 und 125 so ausgerichtet, dass die zweite Hauptoberfläche 123b und die vierte Hauptoberfläche 125b einander zugewandt sind, während die erste Hauptoberfläche 123a und die dritte Hauptoberfläche 125a voneinander abgewandt sind.
  • Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann jedes der Mikrofone 123 und 125 derart umgedreht werden, dass die erste Hauptoberfläche 123a und die dritte Hauptoberfläche 125a einander zugewandt sind, während die zweite Hauptoberfläche 123b und die vierte Hauptfläche 125b voneinander abgewandt sind. Die erste Rückenplatte 124 und die zweite Rückenplatte 126 können dann einander zugewandt sein.
  • 2b stellt das Mikrofonsystem 120 dar, während das umgebende Referenzgas 101 photoakustisch angeregt wird, d.h. während sich eine photoakustische Welle 102 sich innerhalb des Hohlraums 113 des Gehäuses 110 ausbreitet. Bei der in 2b dargestellten Situation schwingt der photoakustische Gassensor nicht mechanisch. Aufgrund der Anordnung der Membranen 123 und 125 im Hinblick auf die Rückplatten 124 und 126 führen beide Membranen (im Wesentlichen) dieselbe relative Bewegung im Hinblick auf die jeweilige Rückplatte aus. Wie in 2b dargestellt ist, bewegt sich die erste Membran 123 von der ersten Rückplatte 124 weg und gleichzeitig bewegt sich die zweite Membran 125 von der zweiten Rückplatte 126 weg. Anders ausgedrückt bewegen sich die erste Membran 123 und die zweite Membran 125 ansprechend auf die photoakustische Anregung des Referenzgases 101 in entgegengesetzte (umgekehrte) Richtungen.
  • 2c stellt das Mikrofonsystem 120 während mechanischer Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 dar. Bei der in 2c dargestellten Situation ist das Referenzgas nicht photoakustisch angeregt. Die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 können als mechanische Schocks verstanden werden, die auf das Mikrofonsystem 120 wirken. Aufgrund der Trägheit der ersten und der zweiten Membran 123 und 125, sowie der Trägheit des umgebenden Referenzgases 101 bewirken die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 eine Bewegung der übrigen Teile der Mikrofone 127 und 128 anstelle einer Bewegung der ersten und der zweiten Membran 123 und 125.
  • 2c stellt eine Vibrationsbewegung 210 des photoakustischen Gassensors 100 von der linken Seite zu der rechten Seite dar, d.h. einen Schock, der sich von der linken Seite zu der rechten Seite ausbreitet. Da das Mikrofonsystem 120 an dem Gehäuse 110 des photoakustischen Gassensors 100 befestigt ist, bewegt sich der übrige Teil beider Mikrofone 127 und 128 von der linken Seite zu der rechten Seite, wohingegen die erste und zweite Membran 123 und 125 aufgrund ihrer Trägheit und der Trägheit des umgebenden Referenzgases 101 im Wesentlichen an ihren Positionen bleiben. Durch die Anordnung der Membranen 123 und 125 im Hinblick auf die Rückplatten 124 und 126 führen beide Membranen im Wesentlichen entgegengesetzte (umgedrehte) relative Bewegungen im Hinblick auf die jeweilige Rückplatte aus. Wie in 2c dargestellt ist, bewegt sich die erste Membran 123 von der ersten Rückplatte 124 weg und gleichzeitig bewegt sich die zweite Membran 125 in Richtung (nähert sich an) der zweiten Rückplatte 126. Anders ausgedrückt bewegen sich die erste Membran 123 und die zweite Membran 125 ansprechend auf die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 in dieselbe Richtung.
  • Daher führen die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 zu entgegengesetzten Signalpolaritäten der dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 und der vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122. Das heißt, während eine der dritten Signalkomponente und der vierten Signalkomponente zu den übrigen Signalkomponenten ihres Mikrofonsignals addiert, zieht die andere der dritten Signalkomponente und der vierten Signalkomponente von den restlichen Signalkomponenten ihres Mikrofonsignals ab. Beispielsweise während die dritte Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 eine positive Flanke aufweist, weist die vierte Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 eine negative Flanke auf und umgekehrt.
  • Bezugnehmend zurück auf 1 können die von dem Mikrofonsystem erzeugten Mikrofonsignale 121 und 122 wie folgt beschrieben werden, wenn das Referenzgas 101 photoakustisch angeregt ist und der photoakustische Gassensor 100 gleichzeitig mechanisch schwingt: M i c 1 = a 1 + a 3
    Figure DE102018110689B4_0001
     M i c 2 = a 2 − a 4
    Figure DE102018110689B4_0002
  • Mic1 bezeichnet das erste Mikrofonsignal 121, Mic2 bezeichnet das zweite Mikrofonsignal 122, a1 bezeichnet die erste Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121, a3 bezeichnet die dritte Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121, a2 bezeichnet die zweite Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 und a4 bezeichnet die vierte Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122.
  • Das Ausgangssignal 131, das von der Schaltung 130 basierend auf den Mikrofonsignalen 121 und 122 erzeugt wird, kann wie folgt beschrieben werden: O u t = a 1 + a 2 + ( a 3 − a 4 )
    Figure DE102018110689B4_0003
  • Out bezeichnet das Ausgangssignal 131.
  • Aus dem Ausdruck (3) ist ersichtlich, dass die gewünschte erste Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 und die gewünschte zweite Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 addiert werden, während sich die unerwünschte dritte Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 und die unerwünschte vierte Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 gegenseitig verringern. Anders ausgedrückt ist die Schaltung 130 ausgebildet, das Ausgangssignal 131 durch konstruktives Überlagern der ersten Signalkomponente und der zweiten Signalkomponente und durch destruktives Überlagern der dritten Signalkomponente und der vierten Signalkomponente zu erzeugen. Dementsprechend kann ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR; Signal-to-Noise Ratio) des Ausgangssignals 131 im Vergleich zu den Mikrofonsignalen 121 und 122 erhöht werden.
  • Unter der Annahme, dass die Absolutwerte der ersten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 und der zweiten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 identisch sind und dass die Absolutwerte der dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals 121 und der vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals 122 identisch sind, kann der Ausdruck (3) neu geschrieben werden als: O u t = 2 ⋅ a 1 = 2 ⋅ a 2
    Figure DE102018110689B4_0004
  • Das heißt, die Schaltung 130 kann das Ausgangssignal 131 im Wesentlichen ohne irgendwelche Signalkomponenten bezogen auf die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 erzeugen. Beispielsweise wenn beide Mikrofone 127 und 128 die gleiche akustische Performance aufweisen, können die Signalkomponenten bezogen auf die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100, durch die Schaltung 130 aufgehoben werden.
  • Basierend auf dem Ausgangssignal 131 kann die Konzentration eines auszuwertenden Gases 104 bestimmt werden. Das Gas 104 ist zwischen einer Lichtquelle 140 und dem Gehäuse 110 angeordnet. Die Lichtquelle 140 emittiert Licht in Richtung des Gases 104. Der Anteil des Lichts, der nicht von dem Gas 104 absorbiert wird, tritt via den Gehäusedeckel 112 in das Gehäuse ein und regt das Referenzgas 101 photoakustisch an. Wie vorangehend beschrieben ist, sind die Mikrofonsignale 121 und 122 beide anzeigend für den Energiebetrag, der aus dem Licht auf das Referenzgas 101 übertragen wird. Dementsprechend ist auch das Ausgangssignal 131 anzeigend für die Energie die aus dem Licht auf das Referenzgas 101 übertragen wird. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR; Signal-to-Noise Ratio) des Ausgangssignals 131 wird jedoch erhöht, verglichen mit den Mikrofonsignalen 121 und 122. Unter Berücksichtigung der bekannten Parameter der Lichtemission durch die Lichtquelle 140 kann die Konzentration des Gases 104 basierend auf dem Ausgangssignal 131 nach bekannten (Berech-nungs-)Verfahren bestimmt werden.
  • Die vorgeschlagene Architektur kann es daher erlauben, einen schwingungskompensierten photoakustischen Gassensor bereitzustellen.
  • Die Mikrofone/Membranen können nah beieinander angeordnet werden, um einen hohen Miniaturisierungsgrad zu erreichen und um eine Messung von akustischen Wellen an im Wesentlichen demselben Ort zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, kann, gemäß einigen Ausführungsbeispielen, eine Distanz zwischen der ersten Membran 123 und der zweiten Membran 125 weniger als das Zweifache eines maximalen Durchmessers von einer der ersten Membran 123 und der zweiten Membran 125 sein.
  • Das Mikrofonsystem 120 kann optional zusätzliche Membranpaare umfassen. Beispielsweise kann das Mikrofonsystem 120 ausgebildet sein, ein drittes Mikrofonsignal basierend auf einer relativen Bewegung einer dritten Membran (nicht dargestellt) im Hinblick auf eine dritte Rückplatte (nicht dargestellt) zu erzeugen, und um ein viertes Mikrofonsignal basierend auf einer relativen Bewegung einer vierten Membran (nicht dargestellt) im Hinblick auf eine vierte Rückplatte (nicht dargestellt) zu erzeugen. Die erste bis vierte Membran sind so ausgerichtet, dass eine erste virtuelle Gerade, die die Zentren der ersten Membran 123 und der zweiten Membran 125 verbindet, eine unterschiedliche räumliche Ausrichtung aufweist als eine zweite Gerade, die die Zentren der dritten Membran und der vierten Membran verbindet. Beispielsweise kann die erste Gerade senkrecht zu der zweiten Geraden sein. Anders ausgedrückt können unterschiedliche Membranpaare entlang unterschiedlicher räumlicher Achsen angeordnet sein.
  • Wie die erste und die zweite Membran 123 und 125, umfasst die dritte Membran eine fünfte Hauptoberfläche, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas 101 zu empfangen, und eine sechste Hauptoberfläche gegenüber der fünften Hauptoberfläche. Dementsprechend umfasst die vierte Membran eine siebte Hauptoberfläche, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas 101 zu empfangen, und eine achte Hauptoberfläche gegenüber der siebten Hauptoberfläche. Die dritte Membran und die vierte Membran sind so ausgerichtet, dass eine dritte Richtung, die von der fünften Hauptoberfläche zu der sechsten Hauptoberfläche zeigt, einer vierten Richtung gegenüberliegend ist, die von der siebten Hauptoberfläche zu der achten Hauptoberfläche zeigt.
  • Wie die ersten und zweiten Mikrofonsignale 121 und 122 können das dritte Mikrofonsignal und das vierte Mikrofonsignal zum Verringern von Signalkomponenten in dem Ausgangssignal, bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 in die Richtung der Raumachse verwendet werden, entlang der die dritte und vierte Membran angeordnet sind. Das heißt, die Schaltung 130 kann ferner ausgebildet sein, das Ausgangssignal 131 durch destruktives Überlagern einer fünften Signalkomponente des dritten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen, und einer sechsten Signalkomponente des vierten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen, zu erzeugen.
  • Ähnlich kann die Schaltung 130 ferner ausgebildet sein, das Ausgangssignal 131 zu erzeugen, indem eine siebte Signalkomponente des dritten Mikrofonsignals, bezogen auf die photoakustische Anregung des Referenzgases 101, und eine achte Signalkomponente des vierten Mikrofonsignals, bezogen auf die photoakustische Anregung des Referenzgases 101, konstruktiv überlagert werden.
  • Wie die erste und zweite Membran 123 und 125 können die weiteren Membranen in separaten Mikrofonen angeordnet sein oder in einem Halbleiterstück implementiert sein.
  • Da der photoakustische Gassensor 100 zumindest zwei Membranen zum Erfassen der photoakustischen Anregung des Referenzgases umfasst, kann der photoakustische Gassensor 100 als weniger anfällig für Ausfälle bereitgestellt sein. Zu diesem Zweck kann die Schaltung 130 ferner ausgebildet sein, zu bestimmen, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal 121 und dem zweiten Mikrofonsignal 122, ob das erste Mikrofonsignal 121 und das zweite Mikrofonsignal 122 konsistent sind. Die Schaltung 130 kann z.B. das erste Mikrofonsignal 121 und das zweite Mikrofonsignal 122 miteinander und/oder mit einem vorbestimmten erwarteten Signal (z.B. aus Testmessungen, Simulationen oder einer Kalibrierung) vergleichen. Beispielsweise wenn die Mikrofonsignale 121 und 122 um eine vorbestimmte Schwelle abweichen, kann die Schaltung 130 das Mikrofonsignal 121 und 122 mit einem vorbestimmten erwarteten Signal vergleichen. Dementsprechend kann die Schaltung 130 das Ausgangssignal 131 basierend auf nur einem von dem ersten Mikrofonsignal 121 und dem zweiten Mikrofonsignal 122 erzeugen, wenn es bestimmt wird, dass das andere des ersten Mikrofonsignals 121 und des zweiten Mikrofonsignals 122 nicht mit dem einen des ersten Mikrofonsignals 121 und des zweiten Mikrofonsignals 122 konsistent ist.
  • Selbst wenn es ein Problem mit einem der Mikrofonsignale gibt, ist der photoakustische Gassensor 100 möglicherweise immer noch in der Lage, korrekt zu funktionieren und Informationen über die Menge der Energie zu erhalten, die von dem einfallenden Licht auf das Referenzgas 101 via dem Ausgangssignal 131 übertragen wird, zum Ausgleich eines reduzierten SNR des Ausgangssignals 131.
  • Wie vorangehend beschrieben ist, umfasst der photoakustische Gassensor 100 die Lichtquelle 140 zum Emittieren von Licht in Richtung des Gases 104 und des Gehäuses 110. Beispielsweise kann die Lichtquelle 140 ausgebildet sein, steuerbar Licht zu emittieren, das geeignet ist, um das Referenzgas 101 photoakustisch anzuregen. Das Lichtquelle 140 ist ausgebildet, Licht einer oder mehrerer vordefinierter Wellenlängen zu emittieren. Beispielsweise kann die Lichtquelle 140 ein selektiver Emitter oder ein Breitbandemitter (z.B. ein Schwarz-Körper-Emitter (blackbody emitter) oder ein thermischer Emitter) sein. Die Lichtquelle 140 kann z.B. eine Leuchtdiode (LED; Light-Emitting Diode) oder ein Laser-Emitter sein. Das Licht kann z.B. Infrarotlicht (Wellenlänge von 780 nm bis 1 mm) und/oder sichtbares Licht (Wellenlänge von 380 nm bis 780 nm) umfassen. Das Licht kann periodisch moduliertes Licht (z.B. elektrisch, mechanisch oder optisch zerhacktes Licht) sein.
  • Während eines photoakustischen Messzeitintervalls wird die Lichtquelle 140 gesteuert, Licht zu emittieren. Außerhalb des photoakustischen Messzeitintervalls kann die Lichtquelle gesteuert werden, kein Licht zu emittieren. Die Mikrofonsignale 121 und 122 können dann zum Bestimmen von Informationen über die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 verwendet werden. Die Schaltung 130 kann z.B. ferner ausgebildet sein, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal 121 und dem zweiten Mikrofonsignal 122 Informationen zu bestimmen, die die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 anzeigen. Beispielsweise können durch die Analyse des ersten Mikrofonsignals 121 und des zweiten Mikrofonsignals 122 Informationen über zumindest eine Frequenz der mechanischen Schwingungen sowie entsprechende Amplituden erhalten werden. Die Informationen, die die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 anzeigen, können von dem photoakustischen Gassensor 100 ausgegeben werden (z.B. über das Ausgangssignal 131 oder ein anderes Signal).
  • Ferner können die Informationen, die die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 anzeigen, von dem Sensor zu dem Einstellen der Lichtquelle 140 verwendet werden. Beispielsweise kann die Schaltung 130 ferner ausgebildet sein, die Lichtquelle 140 zu steuern, um eine Modulationsfrequenz des Lichts zu ändern, wenn zumindest eine Frequenz der mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 in einem vorbestimmten Frequenzbereich ist. Der vorbestimmte Frequenzbereich kann eine oder mehrere Frequenzen umfassen. Beispielsweise kann der vorbestimmte Frequenzbereich die aktuelle Modulationsfrequenz des Lichts umfassen, das von der Lichtquelle 140 emittiert wird. Um Störungen während des Messens der photoakustischen Anregung des Referenzgases 101 zu reduzieren, kann die Schaltung 130 z.B. die Lichtquelle 140 steuern, um die Modulationsfrequenz des Lichts zu ändern, wenn die Frequenz der mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors 100 gleich oder nahe der Modulationsfrequenz des Lichts ist.
  • Obwohl die Schaltung 130 in 1 innerhalb des Gehäuses 110 dargestellt ist, kann die Schaltung 130 alternativ außerhalb des Gehäuses 110 angeordnet sein.
  • Im Folgenden werden alternative Anordnungen der ersten und zweiten Membran und des Inneren des Gehäuses im Hinblick auf die 3 und 4 beschrieben. Um langwierige Wiederholungen zu vermeiden, sind nachfolgend hauptsächlich die Unterschiede der in 3 und 4 dargestellten photoakustischen Gassensoren zu dem photoakustischen Gassensor 100 beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorangehende Beschreibung der Elemente des photoakustischen Gassensors 100 auch gleich für die entsprechenden Teile der in den 3 und 4 dargestellten photoakustischen Gassensoren gilt.
  • 3 stellt einen photoakustischen Gassensor 300 dar, der ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 310 mit einem Gehäusekörper 311 und einem Gehäusedeckel 312 umfasst. Im Gegensatz zu dem Gehäusekörper 111 ist der Gehäusekörper 311 derart strukturiert, dass die zwei Mikrofone 127 und 128 des Mikrofonsystems 120 entlang zwei gegenüberliegenden horizontalen Abschnitten des Gehäusekörpers 311 angeordnet sein können. Ein Gehäusedeckel 312 ist dementsprechend angepasst. Daher ist die erste Membran 123 in vertikaler Richtung unterhalb der zweiten Membran 125 angeordnet. Die erste Membran 123 und die zweite Membran 125 befinden sich im Wesentlichen an derselben horizontalen Position.
  • Wieder sind die erste Richtung 129a, die von der ersten Hauptoberfläche 123a zu der zweiten Hauptoberfläche 123b der ersten Membran 123 zeigt, einer zweiten Richtung 129b gegenüberliegend, die von der dritten Hauptoberfläche 125a zu der vierten Hauptoberfläche 125b der zweiten Membran 125 zeigt. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen von 1 und 2a-c sind die erste und zweite Membran 123 und 125 jedoch so angeordnet, dass die erste Hauptoberfläche 123a und die dritte Hauptoberfläche 125a einander zugewandt sind.
  • 4 stellt einen anderen photoakustischen Gassensor 400 dar. Im Vergleich zu dem photoakustischen Gassensor 300 ist die erste Membran 123 im Vergleich zur zweiten Membran 125 horizontal verschoben. Das heißt, die erste Membran 123 ist auch unterhalb der zweiten Membran 125 in vertikaler Richtung angeordnet, aber die erste Membran 123 und die zweite Membran 125 sind an unterschiedlichen horizontalen Positionen.
  • Wieder sind die erste Richtung 129a, die von der ersten Hauptoberfläche 123a zu der zweiten Hauptoberfläche 123b der ersten Membran 123 zeigt, einer zweiten Richtung 129b gegenüberliegend, die von der dritten Hauptoberfläche 125a zu der vierten Hauptoberfläche 125b der zweiten Membran 125 zeigt. Dementsprechend sind entweder die erste Membran 123 und die zweite Membran 125 oder die Rückplatten der Mikrofone 127 und 128 einander zugewandt.
  • Der Klarheit halber ist die Schaltung 130 nicht in 4 dargestellt.
  • Zum Darstellen des Betriebs des photoakustischen Gassensors zeigt 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors mit einem Mikrofonsystem, das innerhalb eines hermetisch abgedichteten Gehäuses angeordnet ist. Wie vorangehend beschrieben wurde, ist das Gehäuse mit einem Referenzgas gefüllt. Das Verfahren 500 weist ein Erzeugen 502 eines ersten Mikrofonsignals unter Verwendung des Mikrofonsystems auf. Das erste Mikrofonsignal weist eine erste Signalkomponente bezogen auf eine photoakustische Anregung des Referenzgases auf. Weiterhin weist das Verfahren 500 ein Erzeugen 504 eines zweiten Mikrofonsignals unter Verwendung des Mikrofonsystems auf. Das zweite Mikrofonsignal weist eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung auf. Zusätzlich umfasst das Verfahren 500 ein Erzeugen 506 eines Ausgangssignals, das auf dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal basiert, durch destruktives Überlagern einer dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals, bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors, und einer vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen.
  • Weitere Einzelheiten und Aspekte des Verfahrens 500 sind in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren beispielhaften Ausführungsbeispielen, die vorangehend beschrieben sind (z. B. 1 bis 4), dargelegt. Das Verfahren kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts oder einem oder mehreren der vorangehend beschriebenen Beispiele entsprechen.
  • Die Beispiele, wie sie hierin beschrieben sind, können wie folgt zusammengefasst werden:
    • Einige Beispiele beziehen sich auf einen photoakustischen Gassensor. Der photoakustische Gassensor weist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse, das mit einem Referenzgas gefüllt ist, auf. Ferner weist der photoakustische Gassensor ein Mikrofonsystem auf, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Mikrofonsystem ist ausgebildet, ein erstes Mikrofonsignal, das eine erste Signalkomponente bezogen auf eine photoakustische Anregung des Referenzgases umfasst, und ein zweites Mikrofonsignal, das eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung umfasst, zu erzeugen. Der photoakustische Gassensor weist außerdem eine Schaltung auf, die ausgebildet ist, ein Ausgangssignal, das auf dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal basiert, zu erzeugen, durch destruktives Überlagern einer dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals, bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors, und einer vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen.
  • Bei einigen Beispielen ist das Mikrofonsystem so angeordnet, dass die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors zu entgegengesetzten Signalpolaritäten der dritten Signalkomponente und der vierten Signalkomponente führen.
  • Gemäß einigen Beispielen ist die Schaltung ausgebildet, das Ausgangssignal durch konstruktives Überlagern der ersten Signalkomponente und der zweiten Signalkomponente zu erzeugen.
  • Bei einigen Beispielen ist das Mikrofonsystem ausgebildet, das erste Mikrofonsignal basierend auf einer relativen Bewegung einer ersten Membran im Hinblick auf eine erste Rückplatte zu erzeugen. Ferner ist das Mikrofonsystem ausgebildet, das zweite Mikrofonsignal basierend auf einer relativen Bewegung einer zweiten Membran im Hinblick auf eine zweite Rückplatte zu erzeugen.
  • Gemäß einigen Beispielen sind entweder die erste Membran und die zweite Membran oder die erste Rückplatte und die zweite Rückplatte einander zugewandt.
  • Bei einigen Beispielen weist das Mikrofonsystem ein erstes Mikrofon, das die erste Membran aufweist, und ein zweites Mikrofon, das die zweite Membran aufweist, auf. Alternativ ist das Mikrofonsystem ein Mikrofon, das in einem Halbleiterstück implementiert ist und die erste Membran und die zweite Membran aufweist.
  • Gemäß einigen Beispielen ist eine Distanz zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran weniger als das Zweifache eines Durchmessers von einer der ersten Membran und der zweiten Membran.
  • Bei einigen Beispielen ist das Mikrofonsystem ferner ausgebildet, ein drittes Mikrofonsignal basierend auf einer relativen Bewegung einer dritten Membran im Hinblick auf eine dritte Rückplatte zu erzeugen. Zusätzlich ist das Mikrofonsystem ausgebildet, ein viertes Mikrofonsignal basierend auf einer relativen Bewegung einer vierten Membran im Hinblick auf eine vierte Rückplatte zu erzeugen. Die erste bis vierte Membran sind so ausgerichtet, dass eine erste virtuelle Gerade, die die Zentren der ersten Membran und der zweiten Membran verbindet, eine unterschiedliche räumliche Ausrichtung aufweist als eine zweite Gerade, die die Zentren der dritten Membran und der vierten Membran verbindet.
  • Gemäß einigen Beispielen ist die erste Gerade senkrecht zu der zweiten Geraden.
  • Bei einigen Beispielen ist die Schaltung ausgebildet, das Ausgangssignal durch destruktives Überlagern einer fünften Signalkomponente des dritten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen, und einer sechsten Signalkomponente des vierten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen, zu erzeugen.
  • Gemäß einigen Beispielen ist die Schaltung ferner ausgebildet, zu bestimmen, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal, ob das erste Mikrofonsignal und das zweite Mikrofonsignal konsistent sind. Zusätzlich ist die Schaltung ausgebildet, das Ausgangssignal basierend auf nur einem von dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal erzeugen, wenn es bestimmt wird, dass das andere des ersten Mikrofonsignals und des zweiten Mikrofonsignals nicht mit dem einen des ersten Mikrofonsignals und des zweiten Mikrofonsignals konsistent ist.
  • Bei einigen Beispielen umfasst der photoakustische Gassensor ferner eine Lichtquelle, die ausgebildet ist, steuerbar Licht zu emittieren, das zum photoakustischen Anregen des Referenzgases geeignet ist. Wenn die Lichtquelle gesteuert wird, nicht Licht zu emittieren, ist die Schaltung ferner ausgebildet, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal Informationen zu bestimmen, die die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors anzeigen.
  • Gemäß einigen Beispielen umfassen die Informationen, die die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors anzeigen, Informationen über zumindest eine Frequenz der mechanischen Schwingungen.
  • Bei einigen Beispielen ist die Schaltung ferner ausgebildet, die Lichtquelle zu steuern, um eine Modulationsfrequenz des Lichts zu ändern, wenn die zumindest eine Frequenz der mechanischen Schwingungen in einem vorbestimmten Frequenzbereich ist.
  • Weitere Beispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors, der ein Mikrofonsystem umfasst, das innerhalb eines hermetisch abgedichteten Gehäuses angeordnet ist. Das Gehäuse ist mit einem Referenzgas gefüllt. Das Verfahren weist ein Erzeugen eines ersten Mikrofonsignals unter Verwendung des Mikrofonsystems auf. Das erste Mikrofonsignal weist eine erste Signalkomponente bezogen auf eine photoakustische Anregung des Referenzgases auf. Weiterhin weist das Verfahren ein Erzeugen eines zweiten Mikrofonsignals unter Verwendung des Mikrofonsystems auf. Das zweite Mikrofonsignal weist eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung auf. Zusätzlich umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines Ausgangssignals, das auf dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal basiert, durch destruktives Überlagern einer dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals, bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors, und einer vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen.
  • Einige Beispiele beziehen sich auf einen anderen photoakustischen Gassensor. Der photoakustische Gassensor weist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse, das mit einem Referenzgas gefüllt ist, auf. Ferner umfasst der photoakustische Gassensor eine erste Membran, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und eine zweite Membran, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die erste Membran umfasst eine erste Hauptoberfläche, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas zu empfangen, und eine zweite Hauptoberfläche gegenüber der ersten Hauptoberfläche. Die zweite Membran umfasst eine dritte Hauptoberfläche, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas zu empfangen, und eine vierte Hauptoberfläche gegenüber der dritten Hauptoberfläche. Die erste Membran und die zweite Membran sind so ausgerichtet, dass eine erste Richtung, die von der ersten Hauptoberfläche zu der zweiten Hauptoberfläche zeigt, einer zweiten Richtung gegenüberliegend ist, die von der dritten Hauptoberfläche zu der vierten Hauptoberfläche zeigt.
  • Gemäß einigen Beispielen ist eine Distanz zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran weniger als das Zweifache eines Durchmessers von einer der ersten Membran und der zweiten Membran.
  • Bei einigen Beispielen umfasst der photoakustische Gassensor ferner eine dritte Membran, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und eine vierte Membran, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die erste bis vierte Membran sind so ausgerichtet, dass eine erste virtuelle Gerade, die die Zentren der ersten Membran und der zweiten Membran verbindet, eine unterschiedliche räumliche Ausrichtung aufweist als eine zweite Gerade, die die Zentren der dritten Membran und der vierten Membran verbindet.
  • Gemäß einigen Beispielen umfasst die dritte Membran eine fünfte Hauptoberfläche, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas zu empfangen, und eine sechste Hauptoberfläche gegenüber der fünften Hauptoberfläche. Die vierte Membran umfasst eine siebte Hauptoberfläche, die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas zu empfangen, und eine achte Hauptoberfläche gegenüber der siebten Hauptoberfläche. Die dritte Membran und die vierte Membran sind so ausgerichtet, dass eine dritte Richtung, die von der fünften Hauptoberfläche zu der sechsten Hauptoberfläche zeigt, einer vierten Richtung gegenüberliegend ist, die von der siebten Hauptoberfläche zu der achten Hauptoberfläche zeigt.
  • Die vorgeschlagenen photoakustischen Gassensoren und das vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors können Immunität gegen Hintergrundstörungen wie Schwingungen, Lärm, Veränderungen der Umgebungstemperatur, der Feuchtigkeit oder des barometrischen Drucks bieten. Durch das nahe Aneinanderbringen von z.B. zwei Mikrofonen kann ein hoher Miniaturisierungsgrad erreicht werden, während die gleiche akustische Performance, bei der die mechanischen Schwingungen aufgefangen und eliminiert werden, für beide Mikrofone beibehalten wird. Folglich können die vorgeschlagenen photoakustischen Gassensoren im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren kleinere Formfaktoren erlauben. Die vorgeschlagenen Sensoren, die einen abgedichteten Akustikkammer-Hohlraum und zwei Mikrofone zur Geräuschunterdrückung umfassen, können eine hohe Immunität gegenüber der Umgebung bereitstellen. Der kleine und abgedichtete akustische Hohlraum, der aus z.B. Keramik- oder Metall-Material hergestellt ist und z.B. ein Infrarotfenster oder einen Bandpassfilter umfasst, kann akustische Hintergrundgeräusche dämpfen. Die gestapelten Mikrofone erfassen das aktive photoakustische Signal und können den Effekt der mechanischen Schwingungen aufheben. Die Überlagerung von zwei Mikrofonen, die in einem einzigen versiegelten Gehäuse gehäust sind, kann es erlauben, Probleme zu lösen, die sich aus akustischen Anregungen und Schwingungsanregungen ergeben. Dementsprechend können photoakustische Gassensoren, die eine hohe Immunität gegen mechanische Schwingungen aufweisen, bereitgestellt sein. Ferner kann das Bereitstellen von zwei Mikrofonen für das System die Sicherheit erhöhen, da die Grundfunktionalität auch selbst dann bereitgestellt sein kann, wenn eines der Mikrofone aufhört zu funktionieren.
  • Die vorgeschlagenen photoakustischen Gassensoren können es erlauben, die Beeinträchtigung von Gassensoren durch mechanische Schwingungen in Anwendungen wie Automobilanwendungen, Klimatechnik- (HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning)) Anwendungen oder motorbasierten Lüftungssystemen zu überwinden.
  • Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
  • Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur darstellenden Zwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben sollen deren Entsprechungen umfassen.
  • Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein detailliertes Schaltungsdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
  • Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
  • Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.

Claims (20)

  1. Ein photoakustischer Gassensor (100), umfassend: ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse (110), das mit einem Referenzgas (101) gefüllt ist; ein Mikrofonsystem (120), das innerhalb des Gehäuses (110) angeordnet ist, wobei das Mikrofonsystem (120) ausgebildet ist, ein erstes Mikrofonsignal (121) zu erzeugen, das eine erste Signalkomponente bezogen auf eine photoakustische Anregung des Referenzgases (101) umfasst, und ein zweites Mikrofonsignal (122), das eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung umfasst; und eine Schaltung (130), die ausgebildet ist, ein Ausgangssignal (131) basierend auf dem ersten Mikrofonsignal (121) und dem zweiten Mikrofonsignal (122) zu erzeugen, durch destruktives Überlagern einer dritte Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals (121), bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors, und einer vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals (122), bezogen auf die mechanischen Schwingungen.
  2. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 1, wobei das Mikrofonsystem (120) so angeordnet ist, dass die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors zu entgegengesetzten Signalpolaritäten der dritten Signalkomponente und der vierten Signalkomponente führen.
  3. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Schaltung (130) ausgebildet ist, das Ausgangssignal (131) durch konstruktives Überlagern der ersten Signalkomponente und der zweiten Signalkomponente zu erzeugen.
  4. Der photoakustische Gassensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mikrofonsystem (120) ausgebildet ist zum: Erzeugen des ersten Mikrofonsignals (121) basierend auf einer relativen Bewegung einer ersten Membran (123) im Hinblick auf eine erste Rückplatte (124); und Erzeugen des zweiten Mikrofonsignals (122) basierend auf einer relativen Bewegung einer zweiten Membran (125) im Hinblick auf eine zweite Rückplatte (126).
  5. Der photoakustischer Gassensor gemäß Anspruch 4, wobei entweder die erste Membran (123) und die zweite Membran (125) oder die erste Rückplatte (124) und die zweite Rückplatte (126) einander zugewandt sind.
  6. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei das Mikrofonsystem (120) ein erstes Mikrofon (127), das die erste Membran (123) umfasst, und ein zweites Mikrofon (128), das die zweite Membran (125) umfasst, umfasst.
  7. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei das Mikrofonsystem (120) ein in einem Halbleiterstück implementiertes Mikrofon ist, und die erste Membran (123) und die zweite Membran (125) umfasst.
  8. Der photoakustische Gassensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei eine Distanz zwischen der ersten Membran (123) und der zweiten Membran (125) weniger als das Zweifache eines Durchmessers von einer der ersten Membran (123) und der zweiten Membran (125) ist.
  9. Der photoakustische Gassensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Mikrofonsystem (120) ferner ausgebildet ist zum: Erzeugen eines dritten Mikrofonsignals basierend auf einer relativen Bewegung einer dritten Membran im Hinblick auf eine dritte Rückplatte; und Erzeugen eines vierten Mikrofonsignals basierend auf einer relativen Bewegung einer vierten Membran im Hinblick auf eine vierte Rückplatte, wobei die erste bis vierte Membran so ausgerichtet sind, dass eine erste virtuelle Gerade, die die Zentren der ersten Membran (123) und der zweiten Membran (125) verbindet, eine unterschiedliche räumliche Ausrichtung aufweist als eine zweite Gerade, die die Zentren der dritten Membran und der vierten Membran verbindet.
  10. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 9, wobei die erste Gerade senkrecht zu der zweiten Geraden ist.
  11. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei die Schaltung (130) ausgebildet ist, das Ausgangssignal (131) durch destruktives Überlagern einer fünften Signalkomponente des dritten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen, und einer sechsten Signalkomponente des vierten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen, zu erzeugen.
  12. Der photoakustische Gassensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Schaltung (130) ferner ausgebildet ist zum: Bestimmen, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal (121) und dem zweiten Mikrofonsignal (122), ob das erste Mikrofonsignal (121) und das zweite Mikrofonsignal (122) konsistent sind; und Erzeugen des Ausgangssignals (131) basierend auf nur einem von dem ersten Mikrofonsignal (121) und dem zweiten Mikrofonsignal (122), wenn bestimmt wird, dass das andere des ersten Mikrofonsignals (121) und des zweiten Mikrofonsignals (122) nicht mit dem einen des ersten Mikrofonsignals (121) und des zweiten Mikrofonsignals (122) konsistent ist.
  13. Der photoakustische Gassensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der photoakustische Gassensor ferner eine Lichtquelle (140) umfasst, die ausgebildet ist, steuerbar Licht zu emittieren, das zum photoakustischen Anregen des Referenzgases (101) geeignet ist, und wobei, wenn die Lichtquelle (140) gesteuert wird, nicht Licht zu emittieren, die Schaltung (130) ferner ausgebildet ist, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal (121) und dem zweiten Mikrofonsignal (122) Informationen zu bestimmen, die die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors anzeigen.
  14. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 13, wobei die Informationen, die die mechanischen Schwingungen des photoakustischen Gassensors anzeigen, Informationen über zumindest eine Frequenz der mechanischen Schwingungen umfassen.
  15. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 14, wobei die Schaltung (130) ferner ausgebildet ist, die Lichtquelle (140) zu steuern, um eine Modulationsfrequenz des Lichts zu ändern, wenn die zumindest eine Frequenz der mechanischen Schwingungen in einem vorbestimmten Frequenzbereich ist.
  16. Ein Verfahren (500) zum Betreiben eines photoakustischen Gassensors umfassend ein Mikrofonsystem, das innerhalb eines hermetisch abgedichteten Gehäuses angeordnet ist, wobei das Gehäuse mit einem Referenzgas gefüllt ist, das Verfahren umfassend: Erzeugen (502) eines ersten Mikrofonsignals unter Verwendung des Mikrofonsystems, wobei das erste Mikrofonsignal eine erste Signalkomponente bezogen auf eine photoakustische Anregung des Referenzgases umfasst; Erzeugen (504) eines zweiten Mikrofonsignals unter Verwendung des Mikrofonsystems, wobei das zweite Mikrofonsignal eine zweite Signalkomponente bezogen auf die photoakustische Anregung umfasst; und Erzeugen (506) eines Ausgangssignals, das auf dem ersten Mikrofonsignal und dem zweiten Mikrofonsignal basiert, durch destruktives Überlagern einer dritten Signalkomponente des ersten Mikrofonsignals, bezogen auf mechanische Schwingungen des photoakustischen Gassensors, und einer vierten Signalkomponente des zweiten Mikrofonsignals, bezogen auf die mechanischen Schwingungen.
  17. Ein photoakustischer Gassensor, umfassend: ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse (110), das mit einem Referenzgas (101) gefüllt ist; eine erste Membran (123), die innerhalb des Gehäuses (110) angeordnet ist; und eine zweite Membran (125), die innerhalb des Gehäuses (110) angeordnet ist; wobei die erste Membran (123) eine erste Hauptoberfläche (123a), die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas (101) zu empfangen, und eine zweite Hauptoberfläche (123b) gegenüber der ersten Hauptoberfläche (123a) umfasst, wobei die zweite Membran (125) eine dritte Hauptoberfläche (125a), die ausgebildet ist, Schallwellen aus dem Referenzgas (101) zu empfangen, und eine vierte Hauptoberfläche (125b) gegenüber der dritten Hauptoberfläche (125a) umfasst, wobei die erste Membran (123) und die zweite Membran (125) so ausgerichtet sind, dass eine erste Richtung (129a), die von der ersten Hauptoberfläche (123a) zu der zweiten Hauptoberfläche (123b) zeigt, einer zweiten Richtung (129b) gegenüberliegend ist, die von der dritten Hauptoberfläche (125a) zu der vierten Hauptoberfläche (125b) zeigt.
  18. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 17, wobei eine Distanz zwischen der ersten Membran (123) und der zweiten Membran (125) weniger als das Zweifache eines Durchmessers von einer der ersten Membran (123) und der zweiten Membran (125) ist.
  19. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 17 oder Anspruch 18, ferner umfassend: eine dritte Membran, die innerhalb des Gehäuses (110) angeordnet ist; und eine vierte Membran, die innerhalb des Gehäuses (110) angeordnet ist, wobei die erste bis vierte Membran so ausgerichtet sind, dass eine erste virtuelle Gerade, die die Zentren der ersten Membran (123) und der zweiten Membran (125) verbindet, eine unterschiedliche räumliche Ausrichtung aufweist als eine zweite Gerade, die die Zentren der dritten Membran und der vierten Membran verbindet.
  20. Der photoakustische Gassensor gemäß Anspruch 19, wobei die dritte Membran eine fünfte Hauptoberfläche, die zum Empfangen von Schallwellen aus dem Referenzgas (101) ausgebildet ist, und eine sechste Hauptoberfläche gegenüber der fünften Hauptoberfläche umfasst, wobei die vierte Membran eine siebte Hauptoberfläche, die zum Empfangen von Schallwellen aus dem Referenzgas (101) ausgebildet ist, und eine achte Hauptoberfläche gegenüber der siebten Hauptoberfläche umfasst, wobei die dritte Membran und die vierte Membran so ausgerichtet sind, dass eine dritte Richtung, die von der fünften Hauptoberfläche zu der sechsten Hauptoberfläche zeigt, einer vierten Richtung gegenüberliegend ist, die von der siebten Hauptoberfläche zu der achten Hauptoberfläche zeigt.
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