DE602004003778T2

DE602004003778T2 - Spektrophotometer mit optischen Filtern und elektrostatischen Verschlüssen

Info

Publication number: DE602004003778T2
Application number: DE602004003778T
Authority: DE
Inventors: Marco Pizzi
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2024-09-25
Also published as: EP1548414A3; EP1548414A2; EP1548414B1; DE602004003778D1; US20050134855A1; ITTO20031034A1; ES2277181T3; US7286233B2; ATE349002T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Spektrophotometer.
Das auf den Namen des vorliegenden Anmelders ausgestellte Dokument EP 1 243 902 A1 veranschaulicht ein Spektrophotometer, umfassend:

– eine Lichtquelle;
– Separatormittel, um das von der Quelle kommende Lichtbündel in unterschiedliche Komponenten zu trennen, die unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen;
– Selektormittel, um eine oder mehrere der Komponenten des Lichtbündels auszuwählen, die durch das genannte Separatormittel erzeugt sind; und
– Sensormittel, um die durch das genannte Selektormittel ausgewählte Komponente zu erhalten und um am Ausgang elektrische Signale auszusenden, die die Wellenlänge der erhaltenen Strahlung anzeigen.

Das aus dem genannten Dokument bekannte Spektrophotometer verwendet ein Separatorelement eines beliebigen bekannten Typs (beispielsweise ein Prisma oder ein Gitter), um das Lichtbündel am Ausgang von der Quelle in seine Komponenten zu trennen, die den unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen. Die Auswahl einer oder mehrerer der Komponenten des Lichtbündels, die mit Hilfe des Separatormittels getrennt werden, erfolgt mit Hilfe eines ausgerichteten Satzes oder eines Matrixarrays von elektrostatischen Mikroverschlüssen. Die mit Hilfe der elektrostatischen Mikroverschlüsse ausgewählte Strahlung wird veranlaßt, auf Sensormittel zu konvergieren, die von einem einzelnen Sensor gebildet werden, beispielsweise eine einzelne Photodiode, damit die hohen Kosten und Komplikationen bekannter Lösungen vermieden werden, die Sensormittel ins Auge fassen, die von einem Array von Photodioden gebildet werden.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Lösungsalternative zu der oben beschriebenen bekannten Lösung vorzuschlagen, die durch strukturelle Einfachheit, geringe Produktionskosten und extrem kleine Abmessungen gekennzeichnet ist, im Hinblick auf eine Begünstigung ihrer Verwendung beispielsweise bei Anwendungen wie etwa der Detektion der Zusammensetzung der Abgase des Motors eines Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines an Bord des Fahrzeugs vorgesehenen Spektrophotometers.
Ein Spektrophotometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der US-B1-6 191 860 bekannt.
Ein Spektrophotometer gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Charakteristik der Erfindung umfassen die oben genannten Selektormittel eine Mehrzahl von Mikroverschlüssen, die unabhängig voneinander betätigt werden können.
Jeder der oben genannten Mikrofilter ist mit einem jeweiligen Mikroverschluss verbunden, damit man eine extrem kompakte Baugruppe erhält, die in der Lage ist, die relevanten Wellenlängen ohne irgendeine Notwendigkeit für zusätzliche Elemente für das Aufteilen des Bündels in seine Komponenten auszuwählen, wie dies der Fall bei der bekannten Lösung ist. Bei einem Beispiel einer Ausführungsform sind die oben genannten optischen Filter vom Interferenztyp.
Es werden elektronische Steuermittel bereitgestellt, um die Signale am Ausgang von dem Sensormittel zu empfangen und zu verarbeiten und um die Stromversorgung zu den einzelnen elektrostatischen Mikroverschlüssen zu dem Zweck zu steuern, dass die Wellenlängen ausgewählt werden, die jeweils von Interesse sind.
Gemäß einer weiteren wichtigen Charakteristik der Erfindung werden Mittel bereitgestellt, um die Strahlung, die die optischen Filter verlässt, die mit Hilfe der Mikroverschlüsse ausgewählt werden, in Richtung des Sensormittels zu befördern. Die Leitermittel werden in einem ersten Ausführungsbeispiel von einer Reihe von optischen Fasern gebildet, die sich von den Ausgängen der Mikrofilter bis zu dem vorgenannten Sensormittel erstrecken. Es sind natürlich Kuppelmittel von einem beliebigen bekannten Typ zwischen den Enden der optischen Fasern und den optischen Mikrofiltern auf einer Seite und zwischen den Enden der optischen Fasern und dem Sensormittel auf der anderen Seite vorgesehen.
Bei einer alternativen Ausführungsform werden die vorgenannten Mittel zum Leiten von Strahlung von den ausgewählten Filtern zu dem Sensormittel durch ein Lichtleiterelement gebildet, das Phänomene der inneren Totalreflexion (T.I.R.) ausnutzt. Die gleiche Teilschicht könnte als ein Lichtleiter fungieren, wenn eine dielektrische Schicht mit einem entsprechenden Brechungsindex auf der Seite gegenüber der der Mikroverschlüsse angeordnet ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern des oben beschriebenen Spektrophotometers. Gemäß der Erfindung wird zwischen der Auswahl der beiden unterschiedlichen Mikrofilter, die mittels der Mikroverschlüsse ausgeführt wird, eine Dunkelphase eingeführt, in der alle Mikroverschlüsse geschlossen sind. Alternativ ist es möglich, ein und denselben Mikroverschluss mehrere Male zu öffnen und zu schließen, bevor zu dem nächsten weitergegangen wird. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, einen zusätzlichen Zerhacker zu verwenden, wie es bei den bekannten Lösungen erforderlich ist, die bestimmte Arten von Sensoren verwenden.
Weitere Charakteristiken und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die lediglich als nicht einschränkendes Beispiel vorgesehen sind. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Spektrophotometers gemäß der in EP 1 243 902 A1 dargestellten Art;
2 eine Teilquerschnittsansicht eines Details einer Ausführungsform des bekannten Spektrophotometers;
3 eine bekannte Variante des Spektrophotometers von 2;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des Spektrophotometers gemäß der Erfindung und
5 eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des Spektrophotometers gemäß der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 insgesamt ein Spektrophotometer von der im Dokument EP 1 243 902 A1 dargestellten Art. Das Spektrophotometer 1 umfasst eine Lichtquelle 2 und ein Separatorelement 3 von einem beliebigen bekannten Typ, das ausgelegt ist, um das die Quelle 2 verlassende Lichtbündel in seine Komponenten zu trennen, die den unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen. Stromabwärts von der Separatoreinrichtung 3 ist eine elektrostatische Mikroverschlusseinrichtung 4 angeordnet, die im Folgenden im Detail dargestellt ist. Die Einrichtung ist ausgelegt, um eine einzelne gewünschte Wellenlänge in dem von dem Separatorelement 3 ausgesendeten Bündel auszuwählen. Es wird dann von einem optischen Element 5 veranlasst, dass die ausgesendete Strahlung auf einen einzelnen Sensor 6 eines beliebigen bekannten Typs konvergiert, beispielsweise einen pyroelektrischen Sensor oder eine Photodiode, der dafür ausgelegt ist, am Ausgang ein elektrisches Signal auszusenden, das eine Funktion der erhaltenen Lichtenergie ist.
2 zeigt eine Ausführungsform der elektrostatischen Mikroverschlusseinrichtung 4. Gemäß der Ausführungsform wird eine ausgerichtete Menge von Mikroverschlüssen 7 mit beweglichen Lamellen bereitgestellt, die auf einem Substrat 8 angeordnet sind, beispielsweise von einem transparenten Material ausgebildet, wie etwa Germanium, Silizium, Quarz oder Glas, mit einer Dicke von einigen wenigen Millimetern oder Zentimetern. Auf dem Substrat 8 ist ein Film 9 aufgebracht, der aus transparentem leitendem Material hergestellt ist, beispielsweise Indium-Zinnoxid (ITO), der eine Dicke von einigen Dutzend oder Hunderten von Nanometern aufweist und beispielsweise mit Hilfe von Dampfabscheidung, Aufschleudern, Siebdruck oder Tauchen erhalten wird. Der Film 9 stellt eine erste Elektrode der Einrichtung dar, die für alle die Mikroverschlüsse gemeinsam ist. Er ist mit einer Schicht aus transparentem isolierendem Material 10 mit einer Dicke von beispielsweise der Größenordnung einiger weniger Mirometer beschichtet, die mit Techniken erreicht wird, die ähnlich denen sind, die für den Film 9 eingesetzt werden. Die Schicht 10 kann durch ein dielektrisches Material ausgebildet werden, bevorzugt Tantaloxid (Ta₂O₅) oder durch ein ferroelektrisches Material, beispielsweise Bleizircontitanat (PZT – lead zirconotitanate) oder dergleichen (z.B. Lanthanate). Auf der dielektrischen Schicht 10 ist in einer Ebene orthogonal zu der Richtung des Lichtbündels eine ausgerichtete Reihe oder ein Matrixarray aus beweglichen Lamellen 11 angeordnet, die jeweils beispielsweise von einem dielektrischen Film ausgebildet werden, auf dem eine als eine zweite Elektrode fungierende metallisierte Schicht 12 aufgetragen ist. Jede Lamelle weist ein an der Schicht 10 befestigtes Ende auf und nimmt in ihrem unverformten Zustand eine aufgewickelte Konfiguration derart an, dass der Durchtritt von Licht durch den jeweiligen Abschnitt des Substrats 8 ermöglicht wird. Die Einrichtung umfasst elektrische Stromversorgungsmittel zum Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 9 und der zweiten Elektrode 12 einer ausgewählten Lamelle 11. Nach dem Anlegen der Spannung dehnt sich die Lamelle über die Schicht 10 aus und haftet daran durch elektrostatischen Effekt und behindert folglich den Durchtritt von Licht durch den jeweiligen Abschnitt des Substrats. Durch Steuern der elektrischen Stromversorgung zu den elektrostatischen Mikroverschlüssen 7 ist es somit möglich, eine das Separatorelement 3 verlassende einzelne gewünschte Wellenlänge der Strahlung auszuwählen.
3 veranschaulicht eine Variante, bei der die Elektrode 9 aus preiswertem nichttransparentem Metallmaterial hergestellt sein kann, wobei dann ein Mikrofenster 13 in einer Position entsprechend jeder Lamelle 11 vorgesehen wird. Außerdem kann das Substrat 8 aus nichttransparentem Material hergestellt sein und eine Öffnung 14 in einer jeder Lamelle entsprechenden Position aufweisen. Schließlich weist auch die isolierende Schicht 10 bevorzugt ein den Öffnungen 13, 14 zugewandtes Loch 15 auf.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird eine erste Ausführungsform des Spektrophotometers gemäß der Erfindung beschrieben. Ein wichtiger Unterschied des Spektrophotometers gemäß der Erfindung im Vergleich zu dem in 1-3 dargestellten bekannten Spektrophotometer liegt in der Tatsache begründet, dass die Separation des die Quelle 2 verlassenden Lichtbündels in seine Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen unter Verwendung einer Mehrzahl optischer Mikrofilter erreicht wird, die jeweils so ausgelegt sind, dass sie den Durchtritt lediglich einer gegebenen Wellenlänge der Lichtstrahlung gestatten. Im Fall von 4 sind die mit der Bezugszahl 20 bezeichneten optischen Filter gemäß einer ausgerichteten Anordnung oder eines Matrixarrays innerhalb des gleichen Substrats 8 der Menge von elektrostatischen Mikroverschlüssen 7 angeordnet. Die Struktur der Mikroverschlüsse 7 kann insgesamt zu der in 2 dargestellten identisch sein, und somit sind in 4, 5 Teile, die den in 1-3 dargestellten entsprechen, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Die Mikroverschlüsse 7 weisen eine Anordnung auf, die identisch ist zu der der Mikrofilter 20 (ausgerichtete Menge oder Matrixarray), in einer Ebene orthogonal zu der Richtung des von der (in 4 und 5 nicht sichtbaren) Quelle kommenden Lichtbündels L. Bei der dargestellten Ausführungsform kann das Substrat aus einem nichttransparenten Material hergestellt sein, und gleiches gilt für die Schicht der Elektrode 9 und die isolierende Schicht 10 insoweit, als letztere die Öffnungen 13, 15 aufweisen und Mikrofenster an jedem Mikrofilter 20 entsprechende Positionen definieren. Wie bereits gesagt wurde, ist jedes Mikrofilter 20 innerhalb des Substrats 8 angeordnet, d.h. es ist in einer Position montiert, die einem durchgehenden Hohlraum entspricht, der in dem Substrat ausgebildet ist, wodurch eine extrem einfache und kompakte Struktur erzeugt wird. Die Ausgänge der optischen Mikrofilter 20 sind mit Hilfe von Kopplerelementen 31 eines beliebigen Typs an jeweilige Enden von optischen Fasern 22 angeschlossen, deren entgegengesetzte Enden in einem Optokopplerelement 33 konvergieren, das ebenfalls von einem beliebigen bekannten Typ ist, zum Koppeln mit Sensormitteln 24 eines beliebigen bekannten Typs, bevorzugt von einem einzelnen pyroelektrischen Sensor oder von einer einzelnen Fotodiode ausgebildet, deren Ausgangssignale an die Verarbeitungs- und Steuereinheit 25 geschickt werden, die auch Signale 26 zum Steuern der elektrischen Stromversorgung zu den verschiedenen Mikroverschlüssen 7 schickt, um eine Auswahl der gewünschten Wellenlängen zu ermöglichen, und Signale 27 zu nicht dargestellten Sichtanzeigemitteln zum Anzeigen der Ergebnisse der Verarbeitungsoperationen.
Beim Einsatz führt die Steuereinheit 25 die Aktivierung der Mikroverschlüsse 7 zu dem Zweck aus, jedesmal die gewünschten Wellenlängen auszuwählen. Nur der Mikroverschluss 7, der sich jedesmal in dem offenen Zustand befindet, ermöglicht einen Durchtritt von Licht L, das eine Filterung durch den entsprechenden Mikrofilter 20 erfährt. Die entsprechende optische Faser 22 leitet somit nur die Strahlung mit der gewünschten Wellenlänge zu dem Sensor 24. Die Signale am Ausgang von dem Sensormittel 24 werden an die Steuereinheit 25 gesendet, die die erhaltenen Ergebnisse anzeigt.
Wie bereits oben erwähnt, bleibt bevorzugt zwischen dem Öffnen der beiden unterschiedlichen Mikroverschlüsse 7 eine Dunkelphase, in der alle die Verschlüsse geschlossen sind. Alternativ ist es möglich, ein und denselben Mikroverschluss 7 mehrmals zu öffnen und zu schließen, bevor zu dem nächsten weitergegangen wird. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, einen zusätzlichen Zerhacker zu verwenden, wie von einigen Arten bekannter Sensoren gefordert.
5 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform, die von der von 4 nur durch die Weise differiert, wie die die Mikrofilter 20 verlassende Strahlung zu dem Sensor 24 geführt wird. In diesem Fall wird das optische-Faser-System 22 von 4 durch ein einzelnes Element 28 ersetzt, das einen Lichtleiter von an sich bekannter Art darstellt, der dafür ausgelegt ist, das Licht unter Ausnutzung von Phänomenen der totalen Innenreflexion (T.I.R.) weiterzuleiten. Der Sensor 24 ist in diesem Fall an einem Ende des optischen Leiters 28 angeordnet mit folglich weiterer Reduzierung der Abmessungen der Gesamteinrichtung. Zu Zwecken einer korrekten Ausnutzung der Phänomene der totalen Innenreflexion wird bevorzugt, dass das Lichtbündel (L) so in das Array von Mikroverschlüssen gelenkt wird, dass es eine Neigung bezüglich der Richtung orthogonal zu der Ebene des Arrays von Mikroverschlüssen aufweist, wie in 5 dargestellt.
Wie aus der vorausgegangenen Beschreibung deutlich hervorgeht, liegt der fundamentale Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu der oben beschriebenen bekannten Lösung in der Tatsache, dass die Notwendigkeit für ein Prismenelement stromaufwärts von dem Array von Mikroverschlüssen zum Aufteilen des Bündels in seine Komponenten vollständig eliminiert ist, wobei die von den Mikroverschlüssen vorgenommene Selektion dank der Verwendung der Mikrofilter bereits an spezifischen Wellenlängen der Strahlung erhalten wird, und zwar mit der Konsequenz einer Gesamtstruktur des Spektrophotometers, die einfacher und kompakter ist.
Natürlich können ohne Vorurteil gegenüber dem Prinzip der Erfindung die Details der Konstruktion und der Ausführungsformen bezüglich dessen stark variieren, was hier lediglich als Beispiel beschrieben und dargestellt worden ist, ohne dadurch von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Spektrophotometer, umfassend: – eine Lichtquelle (2); – Separatormittel (20), um das von der Quelle (2) kommende Lichtbündel in unterschiedliche Komponenten zu trennen, die unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen; – Selektormittel (7), um eine oder mehrere der Komponenten des Lichtbündels auszuwählen, die durch das genannte Separatormittel (20) erzeugt sind; – Sensormittel (24), um die durch das genannte Selektormittel (7) ausgewählte Komponente zu erhalten und um am Ausgang elektrische Signale auszusenden, die die Wellenlänge der erhaltenen Strahlung anzeigen; worin: – die genannten Separatormittel lediglich durch eine Mehrzahl optischer Filter (20) gebildet sind, welche unterschiedliche Wellenlängen auswählen können, und – die genannten Selektormittel eine Mehrzahl von Mikroverschlüssen (7), die unabhängig voneinander betätigt werden können, umfassen, mit denen die vorgenannten optischen Filter (20) jeweils verbunden sind, so dass das Lichtbündel in die unterschiedlichen Wellenlängen nicht stromaufwärts der Selektormittel aufgeteilt wird, – wobei genanntes Spektrophotometer dadurch gekennzeichnet ist, dass: – die genannten Mikroverschlüsse (7) elektrostatische Mikroverschlüsse sind, – die genannten elektrostatischen Mikroverschlüsse (7) umfassen: ein gemeinsames Substrat (8); eine elektrisch leitende Schicht (9), die als gemeinsame Elektrode fungiert, aufgebracht auf eine Seite des Substrates (8); eine isolierende Schicht (10), die auf der Oberseite der gemeinsamen Elektrode (9) angeordnet ist; und eine Mehrzahl gesonderter Dünnfilmelektroden (11), die jede mit einem Ende an der isolierenden Schicht (10) verankert sind und deren anderer Teil zwischen einem Ruhezustand, in dem die Elektrode (11) den Durchtritt des Lichtes (L) durch das Substrat (8) frei läßt, und einem aktivierten zustand bewegbar ist, wo sie am Substrat anhaftet, wobei der Durchtritt des Lichtes verhindert ist; – die genannten optischen Filter (20) innerhalb des vorgenannten Substrates (8) angeordnet sind, – das genannte Sensormittel aus einem einzelnen Sensor besteht, der beispielsweise aus einem pyro-elektrischen Sensor oder einer Photodiode besteht, – und dass Mittel vorgesehen sind, um die durch die genannten Mikrofilter (20) aufgeteilte Strahlung zu dem genannten einzelnen Sensor (24) hin zu leiten.
Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Leitermittel durch eine Reihe optischer Fasern (22) gebildet sind, die sich von den Ausgängen der optischen Filter (20) bis zum vorgenannten Sensormittel (24) erstreckt.
Spektrophotometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden sämtlicher optischer Fasern (22) Optokopplermittel (21, 23) vorgesehen sind, um mit einem optischen Filter (20) bzw. mit dem vorgenannten Sensormittel (24) zu koppeln.
Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Leitermittel durch ein Lichtleitelement (28) gebildet sind, welches das Phänomen der inneren Totalreflexion (T. I. R.) ausnutzt.
Spektrophotometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Lichtleitelement (28) die Form einer Platte hat, die parallel zu der und angrenzend an die Anordnung der vorgenannten optischen Filter (20) angeordnet ist, wobei das Sensormittel (24) an einem Ende der genannten Platte (28) angeordnet ist.
Spektrophotometer nach jedem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Filter (20) vom Interferenztyp sind.
Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine elektronische Steuereinheit (25) ins Auge faßt, um die Signale am Ausgang des genannten Sensormittels (24) zu empfangen und zu verarbeiten, um am Ausgang Signale (27) für eine Sichtanzeige der Ergebnisse der Signalverarbeitung sowie Steuersignale (26) für die Steuerung der elektrischen Versorgung für die elektrostatischen Mikroverschlüsse (7) abzugeben.