DE69720242T2

DE69720242T2 - Photoakustischer infrarotdetektor

Info

Publication number: DE69720242T2
Application number: DE69720242T
Authority: DE
Inventors: Ralph Bernstein; Alain Ferber
Original assignee: Leiv Eiriksson Nyfotek AS
Current assignee: SINVENT TRONDHEIM NO AS
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2017-09-04
Also published as: AU3954897A; NO301854B1; WO1998012522A1; NO963924A; NO963924D0; EP0939886A1; US6222190B1; EP0939886B1; DE69720242D1; ATE235676T1; DK0939886T3

Description

Photoakustische Techniken beruhen auf der Wärmewirkung, die als der photothermische Effekt bekannt ist. Diese Techniken machen von dem Prinzip Gebrauch, daß absorbierte Strahlungsenergie, insbesondere von Infrarot (IR)-Strahlung zu Druckvariationen in einem konstanten Gasvolumen führt, wobei die Druckvariationen proportional zur absorbierten Energiemenge sind. Diese Druckvariationen können dann mit Hilfe eines empfindlichen Drucksensors detektiert werden.
Diese Erfindung bezieht sich auf einen photoakustischen Infrarot (IR)-Detektor, der eine Kammer zum Aufnehmen eines Gases oder einer Gasmischung, ein Fenster für gepulste oder modulierte IR-Strahlung in die Kammer und einen Drucksensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, Druckänderungen in der Kammer als Ergebnis von absorbierter IR-Strahlung zu detektieren oder zu messen. Bei der praktischen Verwendung eines solchen Detektors kann die Frage existieren, Infrarotstrahlung im allgemeinen zu messen oder zu detektieren, ein besonderes und wichtiges Verwendungsgebiet bezieht sich jedoch auf die Detektion oder Messung von Gas oder Gasmischungen, z. B. in Bezug auf Luftqualität oder Luftverunreinigung.
Beispiele solcher Verwendungen solcher photoakustischen Techniken werden unter anderem in der Patentveröffentlichung US-H651 und in einem Artikel von C. F. Dewey Jr., R. D. Kamm und C. E. Hackett: Acoustic amplifier for detection of at mospheric pollutants (akustische Verstärker für die Detektion von atmosphärischen Schadstoffen), Appl. Phys. Lett., Band 23, Nr. 11, Dezember 1973 gefunden. Dokument GB 2 218 198 A offenbart auch einen photoakustischen Detektor.
Die vorliegende Erfindung zielt auf wesentliche Verbesserungen in einem photoakustischen Detektor, wie er oben erwähnt wurde. Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Detektorkonstruktion, die auf einfache und rationale Weise hergestellt werden kann, unter anderem, indem Standardkomponenten verwendet werden, die in der Halbleitertechnik und in der Elektronik im allgemeinen verwendet werden. Es ist möglich, photoakustische Detektoren, die auf der Erfindung beruhen, in Miniaturausführungen herzustellen, die auf der Konstruktion des tatsächlichen Drucksensorelements mit Hilfe von Silizium oder ähnlichen Materialien beruhen, die z. B. in der Halbleitertechnik verwendet werden.
Bei einer Hauptausführungsform weist der photoakustische Infrarotdetektor der Erfindung besondere Merkmale, wie sie im unabhängigen Anspruch 1 aufgeführt sind, in Form eines allgemein plattenförmigen Hauptteils, der eine Ausnehmung oder Bohrung hat, um im wesentlichen die Kammer zu bilden, wobei das Fenster die Kammer an einer Seite des Hauptteils verschließt und wobei der Drucksensor vom Miniaturtyp ist und an der gegenüberliegenden Seite des Hauptteils in Bezug auf diese eine Seite angeordnet ist, so daß der Drucksensor mit der Kammer in Verbindung steht und die Kammer an der gegenüberliegenden Seite mit Ausnahme eines Lüftungskanals für die Kammer verschließt, und eine Kappe auf, die an der gegenüberliegenden Seite des Hauptteils vorgesehen ist, so daß sie den Drucksensor umschließt und einen Gasraum bildet, der mit der Kammer durch den Lüftungskanal in Verbindung steht und im wesentlichen größer ist als das Gasvolumen der Kammer. Abhängige Ansprüche definieren zusätzliche Ausführungsformen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors ist der Drucksensor aus Silizium in Planar-Technik hergestellt, d. h. einer Technik, die gut bekannt und gut entwickelt innerhalb des Halbleitergebiets ist.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen der Hauptteil und die Kappe in Form von Komponenten vor, die an sich für Standardeinkapselung bekannt sind, wobei der Hauptteil durch den Boden der Standardkapsel gebildet wird. In einem solchen Boden kann die Kammer auf verschiedene Weisen ausgebildet werden, z. B. als eine Öffnung, die durch den Boden hindurch gebohrt ist.
Normalerweise wird der Drucksensor eine Membranstruktur mit Sensorelementen sein, die darin eingebaut sind oder daran angelegt werden. Um ein Meßsignal zu erzeugen, das den Membranschwingungen entspricht, die von Druckänderungen in der Kammer herrühren, können verschiedene Sensorprinzipien in Erwägung gezogen werden, z. B. ein piezo-resistives oder kapazitives Meßprinzip. In der beispielhaften Ausführungsform, die unten deutlicher beschrieben werden wird, sind piezo-resistive Sensorelemente vorgesehen. Solche Prinzipien und Techniken sind in Verbindung mit Siliziumdrucksensoren und Mikrofonen u. ä. wohlbekannt und sollen hier nicht näher diskutiert werden.
Die Konstruktion und Herstellung von photoakustischen Infrarot- und Gassensoren, die auf Silizium-Mikromechanik beruhen, bringen mehrere wesentliche Vorteile mit sich. Diese Gassensoren sind bei der Herstellung billig und können vorteilhafterweise verwendet werden, um hochminiaturisierte photoakustische Detektoren zu schaffen.
In der folgenden Beschreibung soll die Erfindung näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, die sehr stark vereinfacht und schematisch, aber in einem wesentlich vergrößerten Maßstab einen Querschnitt durch einen Detektor aufzeigen, der auf der Erfindung beruht, in drei unterschiedlichen Ausführungsformen. Es zeigen:
1 eine erste und gewöhnlich bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors;
3 in entsprechender Weise eine dritte Ausführungsform; und
4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors.
Der Detektoraufbau in 1 kann z. B. auf einer Standardeinkapselung des Typs TO-8 beruhen, wobei die Ziffer 8 bei dieser Art Bezeichnung den Durchmesser der tatsächlichen Kappe oder Kapsel in mm andeutet. Die Erfindung wird auch imstande sein, kleinere Kappendurchmesser zu verwenden, wie z. B. 6 mm oder sogar 4 mm, was entsprechend der gegenwärtigen Technik als ein Minimum für die Infrarotdetektoren, die hier von Interesse sind, angesehen werden muß.
Die Figur der Zeichnungen zeigt eine Absorptionskammer 1, die in einem Hauptteil 5 ausgebildet ist, der die Bodenplatte in der Standardkapselkomponente ist. In dem Hauptteil oder Boden 5 ist also ein Durchgangsloch 5A gebohrt, das einen Durchmesser von z. B. 3,4 mm bei einer Bodenplattendicke von z. B. 1,5 mm haben kann. An einer Seite des Hauptteils 5 ist die Kammer 1 durch ein Fenster 6 begrenzt und geschlossen, das für die betreffende IR-Strahlung transparent ist, wie dies durch Pfeile 2 in der Zeichnung dargestellt ist. Das Fenster 6 kann geeigneterweise aus Saphir mit einer Dicke von ungefähr 1 mm hergestellt sein. Es ist ein Vorteil, eine Antireflexionsbeschichtung auf dem Fenster 6 anzubringen.
An der anderen Seite des Hauptteils 6, d. h. an der oberen Seite gemäß der Zeichnung, ist ein Drucksensor angeordnet, der allgemein mit 3 bezeichnet ist, so daß die Kammer 1 vollständig geschlossen sein wird mit Ausnahme eines Lüftungskanals 9, der in oder in Verbindung mit dem Drucksensor 3 vorgesehen ist.
Darüber hinaus ist an der oberen Seite des Hauptteils 5 eine Kappe 7 gezeigt, die entsprechend dem Hauptteil oder der Bodenplatte 5 vorzugsweise in Form einer Standardkomponente vorliegt, wie dies oben erklärt wurde. In einer gemeinsamen oder standardisierten Weise kann die Kappe 7 fest an der oberen Seite des Hauptteils 5 angebracht sein. Demgemäß wird der Drucksensor 3 vollständig durch die Kappe 7 umschlossen werden, mit einem verhältnismäßig großen Gasraum 10, der durch die Kappe 7 um den Drucksensor 3 umgeben ist. Diese Kammer 1 steht also in Verbindung mit dem Gasraum 10 durch den Lüftungskanal 9.
Für Beispielszwecke des Messens von hohen Konzentrationen von CO₂ in Gebäuden, d. h. für Gründe des Wohlfühlens oder des Komforts, ist es bei diesem besonderen Beispiel angebracht, den Gasraum 10 mit einer Gasmischung von 15% CO₂ in Argon zu füllen. Während des Abdichtens der Kappe 7 auf dem Hauptteil 5 wird diese Gasmischung vom Raum 10 in die Absorptionskammer 1 durch den Lüftungskanal 9 lecken, so daß die gewünschte Gasmischung auch die Kammer 1 füllen wird.
Damit der beschriebene Detektoraufbau mit dem damit verknüpften Drucksensor 3 die beabsichtigte Funktion durch Absorbieren von gepulster oder modulierter Infrarotstrahlung 2 haben soll, die in die Kammer 1 durch das Fenster 6 eintritt, darf der Gasraum 10 keinen Einfluß auf die dynamischen Änderungen im Gasvolumen in der Kammer 1 als Ergebnis der einfallenden pulsierenden Strahlung haben. Demgemäß ist der Lüftungskanal 9 so dimensioniert und angeordnet, daß er eine Zeitkonstante im Bezug auf Druckveränderungen hat, die mehrere Male länger ist als die Modulationsperiode der IR-Strahlung. Vorzugsweise ist die Zeitkonstante des Lüftungskanals wenigstens zehn mal größer als die Strahlungsperiode.
In diesem Fall ist der Drucksensor 3 aus Silizium aufgebaut und beruht auf piezo-resistiven Detektorelementen. Der Sensor 3 besteht aus zwei Siliziumgliedern 3A und 3B, die im wesentlichen plattenförmig sind. Das Glied 3B ist ein Tragglied, das an der oberen Seite des Hauptteils 5 z. B. durch Kleben, Schweißen, Löten oder Bonden angebracht ist. Ähnliche Techniken können ebenfalls verwendet werden, um das Fenster 6 an der Unterseite des Hauptteils 5 anzubringen. Das obere Siliziumglied 3A ist in ähnlicher Weise mit Glied 3B verbunden und weist die mehrfunktionalen Gesichtspunkte des Drucksen sors 3 auf. So ist im Glied 3A eine Membran 4 mit piezo-resistiven Elementen 8A und 8B vorgesehen. Es ist offensichtlich, obwohl nur zwei solche Elemente in der Zeichnung gezeigt sind, daß dort üblicherweise in der Praxis mehrere resistive Elemente eingeschlossen sein werden, z. B. vier solche Elemente in einer Brückenkopplung oder ähnlichem. Bei der Herstellung der Siliziumglieder 3A und 3B in den gezeigten Formen kann anisotropes Ätzen verwendet werden, wie dies aus der Halbleitertechnik bekannt ist. Dies gilt insbesondere für die Membran 4 und den Lüftungskanal 9. In diesem Zusammenhang ist es klar, daß die relativen Abmessungen in der tatsächlichen Praxis beträchtlich von dem abweichen können, was in der Zeichnung als ein Beispiel schematisch gezeigt ist, wobei zum Beispiel die Membran 4 sehr dünn bei vielen praktischen Anwendungen sein wird.
Es ist aus der Zeichnung ersichtlich, daß mit Ausnahme der Innenseite des Fensters 6 die innere Kammer 1 mit einer reflektierenden Aluminiumbeschichtung 4A beschichtet ist, wobei eine solche reflektierende Schicht wenigstens den inneren Oberflächenteil des Sensors 3 bedeckt, der durch die Membran 4 gebildet wird. Die Beschichtung 4 dient dazu, einfallende IR-Strahlung 2 zurück und durch das Fenster 6 heraus zu reflektieren.
Als Alternative zu dieser Rückreflexion der IR-Strahlung können sowohl der Drucksensor 3 als auch die Kappe 7 wenigstens teilweise aus einem Material hergestellt werden, das für IR-Strahlung transparent ist, so daß diese im Stande sein wird, direkt durch den Detektor von der Unterseite und an der Oberseite heraus (in der Zeichnung nicht dargestellt) für die beabsichtigte Absorption in der Klammer 1 hindurchzudringen.
Die entgegengesetzte Strahlungsrichtung wird normalerweise nicht praktisch sein aufgrund der Tatsache, daß die Absorption sozusagen nutzlos ist, die im Gasraum 10 stattfinden wird. Was den Drucksensor 3 betrifft, so wird es insbesondere die Membran 4 sein, die für die durchgehende Strahlung von Interesse ist, wenn ein transparentes Material im Sensor 3 verwendet wird.
Bei der abgewandelten Ausführungsform der 2 sind ebenfalls im Prinzip die Hauptmerkmale des Aufbaus vorhanden, wie sie in 1 gezeigt sind, unter anderem, indem ein umschlossener Gasraum um den tatsächlichen Drucksensor 13 gezeigt wird. Dieser ist an der Oberseite des Hauptteils 15 vorgesehen, der an seiner Unterseite mit einem Fenster 16 wie bei der Ausführungsform von 1 versehen ist. Die Kammer 11 in 2 ist aber nicht ebenso wie die Kammer 1 in 1 durch eine volle Durchgangsöffnung oder Bohrung im Hauptteil 15 erhalten, sondern in Form einer Ausnehmung, die durch ein kleineres Loch 11A mit einem kleineren Raum vor der Membran im Sensor 13 in Verbindung steht. Ansonsten zeigt 2 eine elektrische Leitung 18 und einen damit verknüpften Kontaktstift 19 für eines der piezo-resistiven Elemente im Sensor 13. Entsprechende Elemente sind auch in den 1 und 3 gezeigt.
Bei der weiteren Ausführungsform oder Variante, die in 3 gezeigt ist, hat der Hauptteil 25 ebenfalls eine nicht durchgehende Ausnehmung, um eine Kammer 21 zu bilden. An der Unterseite ist diese mit einem Fenster 26 verschlossen, und steht nach oben durch einen Durchlaß 21A mit einem Raum 29 vor der Membran im Drucksensor 23 in Verbindung. Der Raum 29 wird teilweise durch eine kleinere Ausnehmung 22 gebildet, die von der oberen Seite des Hauptteils 25 gebildet ist. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen, wo Fenster und Drucksensor im wesentlichen direkt einander gegenüberstehen, zeigt 3 eine gegeneinander verschobene Beziehung zwischen Fenster 26 und Drucksensor 23. Obwohl diese Ausführungsform in mehreren Hinsichten etwas komplizierter sein wird als die beiden vorhergehenden Ausführungsformen, kann sie einen Aufbau darstellen, der in der tatsächlichen Praxis geeignet ist.
Die besondere Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, weist Hauptelemente auf, die den vorstehenden Ausführungsformen entsprechen, d. h. einen Hauptteil 35, ein Fenster oder Filter 36, einen Drucksensor 33, eine Kammer 31, einen Gasraum 30 und einen Lüftungskanal 29, der es dem Gasraum ermöglicht, mit der Kammer in Verbindung zu stehen. Was besonders bei der Ausführungsform der 4 ist, ist, daß gewisse Wandbereiche der Kappe, wie dies bei 37B dargestellt ist, dazu ausgebildet sind, Gasdiffusion zwischen dem Gasraum 30 und der umgebenden Atmosphäre zu erlauben. Die Kappwandbereiche 37B, die zylindrisch um die gesamte Kapsel herum verlaufen können, sind so mit einer Perforation dargestellt, und auf der Außenseite dieses Wandbereiches ist ein Diffusionsmaterial 34 angebracht, das dazu dient, gegen Eindringen von Staub und anderen Teilchen in den Raum 30 zu schützen. Dieses Diffusionsmaterial 34 kann unter erhältlichen Filtermaterialien ausgewählt werden, zum Beispiel solchen Materialien, die in Kohlenfiltern verwendet werden, oder sie können auf Filz beruhen. Kohlenfiltermaterialien können auch einen vorteilhaften Einfluß in Bezug darauf haben, das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Filz ist andererseits ein geeignetes Material, wenn trockene Luft oder Gas betroffen ist.
Mit der Konstruktion, wie sie als Beispiel in 4 dargestellt ist, wird das Gas, das einer Messung ausgesetzt werden soll, im Stande sein, von der umgebenden Atmosphäre durch Diffusion durch die Kappenwandbereiche 37B mit Diffusionsmaterial 34 und dann vom Gasraum 30 durch den Lüftungskanal 39 in die tatsächliche Detektions- oder Messkammer 31 einzudringen. In vielen Fällen kann eine solche Ausführungsform vorteilhafter sein als die oben beschriebenen Ausführungsformen, wo die Kappe um den Gasraum diesen in dichtender Weise abschließen soll. Diese Gasdurchdringung kann durch „natürliches" passives Lüften oder als Ergebnis einer erzwungenen aktiven Gasströmung stattfinden. Darüber hinaus ist es offensichtlich, daß Diffusion in beiden Richtungen durch die Wandbereiche 37B stattfinden kann.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Abwandlungen ist es klar, daß zum Beispiel das Füllen von Gas oder einer Gasmischung beträchtlich in Abhängigkeit davon variieren kann, für welche besonderen Verwendungen der Detektor beabsichtigt ist. Der tatsächliche Druck im Gasraum 10 (1) und dadurch der statische Druck in der Absorptionskammer 1 kann ebenfalls wie gewünscht eingestellt werden, unter anderem, indem ein Druck verwendet wird, der niedriger ist als der Atmosphärendruck, zum Beispiel 1/3 des Atmosphärendrucks.

Claims

Photoakustischer (IR) Detektor, der eine Kammer (1) zum Aufnehmen eines Gases oder einer Gasmischung, ein Fenster (6) zum Einlassen von gepulster oder modulierter IR-Strahlung (2) in die Kammer und einen Drucksensor (3) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Druckänderungen in der Kammer (1) als Ergebnis von absorbierter IR-Strahlung zu detektieren oder zu messen, gekennzeichnet durch einen allgemein plattenförmigen Hauptteil (5), der eine Ausnehmung oder Bohrung (5A), um im wesentlichen die Kammer (1) zu bilden, aufweist, wobei das Fenster (6) die Kammer (1) an einer Seite des Hauptteiles (5) verschließt, und wobei der Drucksensor (3) vom Miniaturtyp ist und in Bezug auf die eine Seite an der gegenüberliegenden Seite des Hauptteiles (5) angeordnet ist, so daß der Drucksensor (3) mit der Kammer in Verbindung steht und diese an der gegenüberliegenden Seite verschließt, mit Ausnahme eines Lüftungskanals (9) für die Kammer (1), und eine Kappe (7), die an der gegenüberliegenden Seite des Hauptteiles (5) angeordnet ist, so daß sie den Drucksensor (3) einschließt und einen Gasraum (10) bildet, der mit der Kammer (1) durch den Lüftungskanal (9) in Verbindung steht und wesentlich größer ist als das Gas volumen in der Kammer (1).
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der miniaturisierte Drucksensor (3) aus Silizium in Planar-Technik hergestellt ist.
Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil (5) und die Kappe (7) die Form von an sich bekannten Komponenten für eine Standardeinkapselung haben, wobei der Hauptteil (5) den Boden der Standardkapsel bildet.
Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (7) den Gasraum (10) in dichtender Weise gegen die umgebende Atmosphäre abdichtet.
Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (37A) Wandbereiche (37B) aufweist, die die Ausbreitung von Gas, aber nicht von Staub und anderen Teilchen zwischen dem Gasraum (30) und der umgebenden Atmosphäre ermöglichen.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüftungskanal (9) so dimensioniert und ausgebildet ist, daß er eine Zeitkonstante in Bezug auf Druckveränderungen hat, die mehrfach länger und vorzugsweise wenigstens zehn Mal größer ist als die Modulationsperiode der IR-Strahlung.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberflächenbereich des Drucksensors (3) innerhalb der Kammer (1) mit einer reflektie renden Beschichtung (4A) versehen ist, um so einfallende IR-Strahlung (2) zurück aus dem Fenster (6) heraus zu reflektieren.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (3) und die Kappe (7) wenigstens teilweise aus einem Material bestehen, das für IR-Strahlung transparent ist, so daß IR-Strahlung aus der Kammer durch das transparente Material hinausgelangen kann.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung oder Bohrung die Form einer Durchgangsöffnung (5A) im Hauptteil (5) hat, der vorzugsweise das Fenster (6) und den Drucksensor (3) einander direkt gegenüberliegend angeordnet aufweist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung oder Bohrung für die Kammer (11, 21) von der einen Seite des Hauptteils (15, 20) gebildet ist und mit dem Drucksensor (13, 23) durch ein Loch (11A) oder einen Durchlaß (21A) in Verbindung steht.
Detektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (26) und der Drucksensor (23) auf beiden Seiten des Hauptteiles (25) gegeneinander versetzt sind und daß der Durchlaß (21A) hauptsächlich quer in der Ebene des Hauptteiles ausgerichtet ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (3, 13, 23) aus zwei hauptsächlich plattenförmigen Gliedern (3A, 3B) aus Silizium aufgebaut ist, die vorzugsweise durch anodisches Bonden miteinander verbunden sind.
Detektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüftungskanal (9) in der Verbindungsoberfläche eines der Glieder (3A, 3B) gebildet ist.