ES2966309T3 - Espectroscopio foto acústico con estructura vibratoria como detector de sonido - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere, en un primer aspecto, a un espectroscopio fotoacústico para el análisis de gases, que comprende un emisor de infrarrojos (3) modulable, un volumen de análisis (1) rellenable con gas y un detector de presión sonora. El detector de presión sonora comprende una estructura (5) capaz de vibrar, un actuador y una unidad de medición, en donde el actuador está configurado para excitar activamente la vibración de la estructura (5) capaz de vibrar y la unidad de medición puede medir las propiedades de vibración de la estructura (5) capaz de vibrar, cuya medida depende de la formación de las ondas de presión sonora. En un aspecto adicional, la invención se refiere a un método para analizar gases, que comprende la provisión de un espectroscopio fotoacústico para analizar gases, irradiando el gas con radiación infrarroja, modulada por una frecuencia de modulación, para generar ondas de presión sonora, excitando la estructura (5) capaz de vibrar a una frecuencia de excitación, medir las propiedades de vibración de la estructura (5) capaz de vibrar, cuya medición depende de la presión sonora, y determinar la presión sonora del gas en base a las propiedades de vibración medidas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Espectroscopio foto acústico con estructura vibratoria como detector de sonido
En un primer aspecto, la invención se refiere a un espectroscopio foto acústico para analizar gas, que comprende un emisor de infrarrojos modulable, un volumen de análisis rellenado con gas y un detector de presión sonora. El detector de presión sonora comprende una estructura capaz de vibrar, un actuador y una unidad de medición, en donde el actuador se configura para excitar activamente la vibración de la estructura capaz de vibrar y la unidad de medición puede medir las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar cuya medición depende de la formación de las ondas de presión sonora.
En un aspecto adicional, la invención se refiere a un método para analizar gas, que comprende la provisión de un espectroscopio foto acústico para analizar gas, que irradia el gas con radiación infrarroja, modulada por una frecuencia de modulación, para generar ondas de presión sonora, que excita la estructura capaz de vibrar a una frecuencia de excitación, medir las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar, cuya medición depende de la presión sonora, y determinar la presión sonora del gas en base a las propiedades de vibración medidas.
Antecedentes y técnica anterior
La espectroscopia foto acústica (PAS) permite la detección de las concentraciones más finas de gases y tiene una pluralidad de aplicaciones. Un ejemplo es la detección de CO<2>, que desempeña un papel en la investigación y la climatización. De esta forma puede medirse, por ejemplo, la concentración de gases de escape en el aire. También son relevantes las aplicaciones militares en las que se pueden detectar las concentraciones más pequeñas de gas venenoso.
En la espectroscopia foto acústica se usa radiación infrarroja de intensidad modulada en frecuencias del espectro de absorción de una molécula que se va a detectar en un gas. Si esta molécula está presente en la trayectoria del haz, se produce una absorción modulada, lo que conduce a procesos de calentamiento y enfriamiento, cuyas escalas de tiempo reflejan la frecuencia de modulación de la radiación. Los procesos de calentamiento y enfriamiento hacen que el gas se expanda y contraiga, que provoca ondas sonoras en la frecuencia de modulación. Luego, estos pueden medirse mediante detectores de sonido, como micrófonos o sensores de flujo.
Para las aplicaciones mencionadas se usan distintos emisores como fuentes de radiación, con diferentes ventajas y desventajas. Preferentemente se usan emisores de infrarrojos (IR). Por ejemplo, pueden usarse fuentes láser de banda estrecha en el intervalo de infrarrojos. Estos permiten el uso de altas intensidades de radiación y pueden modularse a altas frecuencias mediante el uso de componentes estándar, por ejemplo, para espectroscopia foto acústica. Sin embargo, debido al estrecho espectro del láser, en base al espectro de absorción sólo pueden detectarse moléculas que coincidan exactamente. Los láseres también son relativamente caros. Si se quieren detectar moléculas diferentes, debe usarse el número correspondiente de láseres.
También se conocen emisores térmicos de banda ancha. Estos tienen la ventaja de un amplio espectro, que puede seleccionarse aún más mediante el uso de filtros (sintonizables) y, a menudo, costos más bajos. Sin embargo, se limita la frecuencia de modulación de estos emisores; se limita la modulación directa mediante variación del suministro de energía debido a las constantes de tiempo térmicas y suele estar en el intervalo de unos pocos Hz a aproximadamente 100 Hz.
El ruido propio de los componentes de detección de los micrófonos es muy alto, particularmente en este intervalo de unos pocos Hz a aproximadamente 100 Hz y conduce a una relación señal/ruido reducida. El ruido de los detectores también puede amplificarse mediante señales térmicas del emisor, que se registran directamente como ruido en el detector. La tecnología de microsistemas se usa hoy en día en muchos campos de aplicación para producir dispositivos mecánico-electrónicos compactos. Los microsistemas (sistemas micro electromecánicos, MEMS) que pueden producirse de esta manera son muy compactos (intervalo micrométrico) con una excelente funcionalidad y costes de fabricación cada vez más bajos. Los voladizos piezoeléctricos son una técnica anterior, incluso si se diseñan como MEMS. También se sabe que las presiones pueden medirse mediante el uso de voladizos piezoeléctricos [1]. Para ello se mide, por ejemplo, eléctricamente la amortiguación del voladizo en funcionamiento resonante.
En la técnica anterior, a veces se describe la excitación activa de transductores de sonido para mejorar la calidad de la señal.
El documento US 2012/151994 A1 describe un sensor foto acústico basado en MEMS con un diodo láser como emisor IR, que se dirige a una cámara de resonancia rellenado con el gas de análisis, cuyas vibraciones se detectan por medio de un detector. El documento US 2012/151994 A1 propone colocar un transductor de sonido, por ejemplo, un micrófono MEMS que funciona en modo de resonancia activa por medio de un circuito de control, en los alrededores (0,1-10 pm) de la cámara de resonancia. En este caso se prefiere armonizar la modulación del láser y la frecuencia de excitación del transductor de sonido con la frecuencia de resonancia de la cámara. El detector, preferentemente un lazo de bloqueo de fase (PLL), detecta una resonancia foto acústica como un cambio en la amplitud o frecuencia del oscilador compuesto por el circuito de control y el transductor de sonido.
El documento US 2019/017966 A1 se refiere a un espectroscopio foto acústico mejorado con cuarzo (QEPAS), preferentemente para uso en pozos, que comprende un láser sintonizable que irradia hacia una cámara de muestra rellenado con el gas de análisis. Dentro de la cámara de muestra, hay una horquilla mejorada con cuarzo (QTF) con el que pueden detectarse las ondas sonoras generadas. En una modalidad, la horquilla (QTF) se opera activamente con una señal periódica para aumentar la relación señal-ruido. Para ello, la frecuencia de modulación del láser se adapta a la frecuencia de resonancia de la horquilla (QTF) o a sus frecuencias subarmónicas.
El documento US 2011/072886 A1 describe un espectroscopio foto acústico que tiene un resonador en una cámara de análisis sobre la que irradia un láser. Las ondas sonoras resultantes se miden con una horquilla, que sobresale parcialmente hacia la cavidad interior del resonador. La horquilla se comprende preferentemente de materiales piezoeléctricos y de altas frecuencias de resonancia en el intervalo de los kilohercios. Para una mayor sensibilidad, se prefiere sintonizar con éstas la frecuencia natural del resonador y la frecuencia de la modulación láser.
El documento EP 2543 987 A1 propone un sensor foto acústico basado en MEMS que se forma sobre una oblea SOI y comprende un resonador capaz de vibrar. La luz láser puede guiarse por medio de una fibra óptica hasta la cavidad del sensor para excitar un gas que se encuentra allí. La frecuencia de la luz láser se adapta a la frecuencia de resonancia del resonador. El resonador es preferentemente un haz piezoeléctrico, cuya vibración se detecta mediante tiras sensoras piezoeléctricas.
En los sistemas mencionados anteriormente se usan transductores de sonido oscilatorios con frecuencias de resonancia en el intervalo de los kilohercios, en donde la modulación del emisor IR a las frecuencias de resonancia para aumentar la sensibilidad. Por lo tanto, como emisores IR se usan preferentemente láseres o diodos láser con una alta capacidad de modulación en el intervalo de los kilohercios. La influencia de las señales perturbadoras y del ruido en el intervalo de baja frecuencia se debe minimizar mediante el uso de emisores IR modulados de alta frecuencia y, en caso necesario, transductores de sonido excitados activamente con altas frecuencias de resonancia.
Hasta el momento no se conoce el uso de estructuras de alta frecuencia capaces de vibrar, excitadas en el intervalo de kHz, por ejemplo, voladizos, como detectores en sensores PAS con el uso simultáneo de emisores IR con capacidad de modulación lenta, como por ejemplo emisores IR térmicos.
Objetivos de la invención
El objetivo de la invención es proporcionar un espectroscopio foto acústico y un método para el análisis de gas sin las desventajas de la técnica anterior. Particularmente, un objetivo de la invención era proporcionar un espectroscopio foto acústico mejorado que tuviera una precisión y tolerancia al ruido mejoradas y la opción de medir otras variables medidas y al mismo tiempo se caracterizara por una estructura simple, económica y compacta. Resumen de la invención
Este objetivo se consigue con las características de las reivindicaciones independientes. Las modalidades preferidas se describen en las reivindicaciones dependientes.
En un primer aspecto, la invención se refiere a un espectroscopio foto acústico para analizar gas, que comprende - un emisor de infrarrojos modulable,
- un volumen de análisis que se puede rellenado con gas, y
- un detector de presión sonora,
en donde el emisor de infrarrojos, el volumen de análisis y el detector de presión sonora se disponen de manera que la radiación infrarroja que se puede emitir de forma modulable desde el emisor de infrarrojos puede excitar el gas en el volumen de análisis para formar ondas de presión sonora que pueden medirse mediante el uso del detector de presión sonora, en donde el detector de presión sonora comprende una estructura capaz de vibrar, un actuador y una unidad de medición, en donde el actuador se configura para para excitar activamente la vibración de la estructura capaz de vibrar y la unidad de medición puede medir las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar, cuya medición depende de la formación de las ondas de presión sonora. La frecuencia de modulación del emisor de infrarrojos está preferentemente entre 1 Hz y 200 Hz, mientras que la frecuencia de excitación de la estructura capaz de vibrar está entre 1 kHz y 200 kHz.
El espectroscopio foto acústico de acuerdo con la invención se caracteriza porque el detector de presión sonora se excita activamente para que vibre y vibra a una frecuencia claramente mayor que las ondas de presión sonora a medir del gas a analizar, en donde las propiedades de vibración también se miden en el intervalo de esta frecuencia más alta. El detector de presión sonora se relaciona con el gas y sus propiedades de vibración, por ejemplo, la amplitud de vibración, la frecuencia de vibración y/o la fase de la vibración en comparación con la excitación periódica influenciada por las ondas de presión sonora del gas. Esta influencia se debe, por ejemplo, a una amortiguación modificada de la estructura excitada a vibrar debido a las condiciones cambiantes de presión en el gas debido a las ondas de presión sonora, que interactúan directamente con la estructura. Esta influencia puede medirse particularmente bien en la región de la frecuencia de resonancia de la estructura vibratoria, por lo que ésta se excita preferentemente de forma resonante o casi resonante.
Debido a que la medición de las propiedades de vibración y, por tanto, preferentemente la amortiguación, se realiza en una banda de frecuencia claramente mayor que el intervalo de frecuencia preferido de las ondas de presión sonora, puede suprimirse el ruido mejor que con los métodos de medición convencionales, por ejemplo, mediante el uso de un micrófono, ya que este ruido preferentemente tiene un intervalo de frecuencia similar al de las propias ondas sonoras. Además, pueden usarse técnicas de medición que permitan un filtrado de banda estrecha de la señal de medición y, por lo tanto, también puedan suprimir el ruido. Esto es particularmente cierto para ruido térmico. Otra ventaja del espectroscopio y del detector de presión sonora es que la propia presión se puede medir a lo largo del tiempo, y no sólo la respuesta de presión del gas excitado por la radiación IR modulada como en la técnica anterior. De esta manera puede obtenerse información adicional sobre el gas analizado, por ejemplo, sobre su comportamiento de relajación tras la excitación de una vibración acústica.
El experto en la técnica conoce las características básicas o componentes esenciales de un espectroscopio foto acústico para analizar gas. Un emisor modulable de radiación electromagnética en el intervalo de longitudes de onda infrarrojas se dispone y configura preferentemente de tal manera que la radiación infrarroja emitida por el emisor de infrarrojos incide sustancialmente o al menos parcialmente en el gas a analizar en el volumen de análisis. Si la irradiación modulada se produce en una longitud de onda infrarroja que corresponde al espectro de absorción de una molécula en el gas, se produce una absorción modulada, lo que conduce a procesos de calentamiento y enfriamiento, cuyas escalas de tiempo reflejan la frecuencia de modulación de la radiación. De acuerdo con el efecto foto acústico, los procesos de calentamiento y enfriamiento conducen a la expansión y contracción del gas, de manera que el gas puede excitarse para formar ondas de presión sonora sustancialmente a la frecuencia de modulación. Estos pueden ser medidos por el detector de sonido. La energía de las ondas sonoras es preferentemente directamente proporcional a la concentración del gas absorbente.
Las ondas sonoras se miden en el PAS de la técnica anterior mediante el uso de micrófonos u otras estructuras que las ondas sonoras pueden hacer vibrar pasivamente, por ejemplo, membranas. Por lo tanto, este tipo de detector de sonido vibra sustancialmente con la frecuencia del sonido generado. El detector de presión acústica usado aquí es también una estructura capaz de vibrar, pero que es provocada activamente por un actuador, preferentemente mediante excitación periódica. Preferentemente, la frecuencia de vibración se encuentra claramente por encima de la frecuencia de las ondas sonoras a medir y preferentemente corresponde sustancialmente a la frecuencia de excitación. Particularmente, la estructura se excita en el intervalo de su frecuencia de resonancia, en donde la estructura preferentemente tiene una frecuencia de resonancia adecuada mediante la elección del material, las dimensiones, la suspensión y/o el tipo de excitación vibratoria. Un experto promedio en la técnica conoce las interacciones de las propiedades anteriores y otras de la estructura en su frecuencia de resonancia o puede calcularlas, por ejemplo, mediante simulaciones tales como métodos de elementos finitos (FEM).
La unidad de medición mide preferentemente las propiedades de vibración de la estructura que se hace vibrar, por ejemplo, la amplitud de vibración, la frecuencia de vibración y/o la fase en comparación con la excitación de la estructura capaz de vibrar, preferentemente a lo largo del tiempo, por ejemplo, mediante una medición de impedancia si la estructura comprende un material cuya impedancia depende de una o más de las propiedades de vibración antes mencionadas. Preferentemente, la estructura está en interacción directa con un gas a analizar. Si el gas se excita para que vibre mediante la radiación infrarroja modulada debido a sus propiedades de absorción, que se influyen preferentemente por su composición, las ondas de presión sonora generadas interactúan con la estructura capaz de vibrar, de manera que las propiedades de vibración, preferentemente su amplitud, frecuencia, y/o la fase se influyen en comparación con la excitación (por ejemplo, mediante la atenuación).
El gas a analizar se encuentra en un volumen de análisis que puede rellenado con gas. Se trata preferentemente de un volumen al menos parcialmente cerrado o que se puede cerrar hacia el exterior, en el que se encuentra el gas o en el que se puede introducir, por ejemplo, a través de una abertura que puede cerrarse en forma de cierre y/o válvula y/o a través de una línea de suministro. Particularmente, se trata de un volumen completamente cerrado o que puede cerrarse, que presenta al menos una, preferentemente dos, aberturas que pueden cerrarse para introducir y/o descargar el gas a analizar. De este modo puede localizarse muy bien el gas a analizar, particularmente en un intervalo del haz de radiación infrarroja.
Además, la composición y/o concentración exacta del gas puede mantenerse por medio de un volumen cerrado y puede reducirse la mezcla con un gas que rodea el volumen. Los volúmenes cerrados también ofrecen la ventaja de estar mejor protegidos contra fuentes de sonido externas perturbadoras y, por lo tanto, permiten mediciones con errores reducidos. Por volumen cerrado se entiende aquí preferentemente un volumen cuyo contenido no puede mezclarse sustancialmente con un gas de otro volumen fuera del volumen de análisis. Preferentemente, cerrado también puede referirse a temperaturas y/o presiones controlables con precisión dentro del volumen, que además son sustancialmente independientes de temperaturas y/o presiones fuera del volumen de análisis.
Otra ventaja de un volumen cerrado o al menos parcialmente cerrado es que puede diseñarse particularmente bien para la generación y detección de ondas sonoras. El volumen se puede construir, por ejemplo, de tal manera que se favorezca una resonancia acústica en el intervalo de la frecuencia de modulación y, con ello, una posible formación de ondas de presión sonora, preferentemente mediante un volumen en forma de resonador. Igualmente, el arreglo espacial del volumen y del detector entre sí se puede configurar de manera que el detector se disponga de manera particularmente favorable en relación con las ondas sonoras del gas que pueden generarse en el volumen, por ejemplo, que el detector y las ondas sonoras, por ejemplo, tener el área de proyección común más grande posible y/o el detector se disponga cerca de un área preferida de origen de ondas sonoras que pueden generarse mediante radiación infrarroja modulada.
Preferentemente, el volumen de análisis también puede estar al menos parcialmente abierto. De este modo puede medirse particularmente una atmósfera de gas que rodea el espectroscopio, a la que el volumen de análisis está al menos parcialmente abierto, y puede comprobarse su composición. Esto es particularmente interesante para aplicaciones en el campo de la medición de contaminantes, pero también, por ejemplo, para aplicaciones militares o para la lucha contra el terrorismo, por ejemplo, mediante un ataque con gas venenoso. Sin embargo, en este caso también es ventajoso que el volumen de análisis esté bien definido, de manera que el emisor de infrarrojos, el volumen de análisis y el detector de sonido se dispongan de tal manera que la radiación infrarroja que puede ser modulada por el emisor de infrarrojos pueda excitar el gas en el volumen de análisis para formar ondas de presión sonora que se pueden medir mediante el uso del detector de presión sonora.
La radiación infrarroja a través del emisor de infrarrojos se dirige preferentemente desde fuera a una región preferida del volumen de análisis. Si es necesario irradiar a través de una pared exterior del volumen para excitar un gas en el interior, preferentemente esta pared puede ser sustancialmente transparente a la radiación IR, al menos en esta región.
Términos tales como "sustancialmente", "aproximadamente", "alrededor", "ca.", etc. describen preferentemente un intervalo de tolerancia de menos de ± 40 %, preferentemente menos de ± 20 %, particularmente de manera preferente menos de ± 10 %, aún con mayor preferencia de menos de ± 5 % y particularmente menos de ± 1 %. El término 'de manera similar' describe preferentemente tamaños que son aproximadamente iguales. "Parcialmente" describe preferentemente al menos el 5 %, particularmente de manera preferente al menos el 10 % y particularmente al menos el 20 %, en algunos casos al menos el 40 %. Si arriba, por ejemplo, se dice que una región es sustancialmente transparente a un haz infrarrojo, esto significa que se permite que toda la intensidad de un haz o haz parcial pase a través de esta región dentro de los intervalos de tolerancia mencionados anteriormente.
Preferentemente, el volumen de análisis puede ser rellenado con gas. Esto significa que para el llenado existe una abertura preferentemente que puede cerrarse, incluso en el caso de un volumen al menos parcialmente cerrado o que puede cerrarse. Preferentemente también puede implementarse un flujo de gas en el que el volumen de análisis presente, por ejemplo, una entrada y una salida. Por lo tanto, puede implementarse un flujo de gas continuo en el volumen o un flujo de gas discontinuo, en donde puede realizarse un llenado o un intercambio del gas en el volumen de análisis durante una fase de llenado o de intercambio de gas. En una fase de análisis se interrumpe preferentemente el flujo de gas para que pueda tener lugar el PAS. Si se deben analizar diferentes gases en diferentes momentos, esto puede conseguirse preferentemente mediante una estructura de este tipo. Preferentemente puede suministrarse un gas de limpieza para limpiar el volumen de posibles residuos de gas entre dos gases a analizar.
En el caso de un volumen de análisis que está al menos parcialmente abierto y que, por lo tanto, permite preferentemente un intercambio de gas permanente con el entorno, el volumen de análisis se llena mediante interacción con una atmósfera gaseosa del entorno.
Un volumen de análisis puede comprender preferentemente una cámara de muestra y una cámara de referencia, que se unen o pueden unirse mediante un canal de conexión.
Por emisor de infrarrojos modulable se entiende preferentemente un dispositivo que emite radiación electromagnética. Esta radiación tiene preferentemente un intervalo de longitud de onda en el intervalo de infrarrojos (IR), particularmente entre aproximadamente 700 nanómetros (nm) y 1 milímetro (mm). La frecuencia correspondiente de la radiación emitida puede estar en el intervalo de aproximadamente 300 gigahercios (GHz) a 400 terahercios (THz). El espectro también puede representarse preferentemente mediante el uso del número de onda m-1 o centímetros-1, como es habitual en el campo de la espectroscopia. Un experto en la técnica sabe cómo convertir entre estas unidades.
El espectro se selecciona particularmente de modo que corresponda al campo de aplicación preferido del emisor, específicamente, espectroscopia infrarroja y, particularmente, espectroscopia foto acústica. Particularmente la excitación de vibraciones de las moléculas de gas a analizar espectroscópicamente y/o a detectar, que correspondan en dependencia de las moléculas de gas a un intervalo espectral preferido. Por ejemplo, para la excitación de CO es adecuado un intervalo espectral de aproximadamente 2,4 micrómetros (pm)2 moléculas. Los intervalos de longitud de onda particularmente preferidos de la radiación infrarroja son de 700 nm a 10 pm, preferentemente de 1 a 10 pm, particularmente de manera preferente de 2 pm a 10 pm.
Para generar la radiación infrarroja se proporciona energía térmica preferentemente en forma de un elemento de calentamiento. Se prefiere particularmente un (micro)elemento de calentamiento. Por microelemento calefactor se entiende preferentemente un elemento de calentamiento con dimensiones del orden de los micrómetros (pm). El elemento de calentamiento comprende una capa calentable hecha de un material conductor que produce calor Joule cuando una corriente eléctrica fluye a través de ella. El calor producido muestra preferentemente una dependencia de la resistencia óhmica del elemento y del cuadrado del amperaje o del cuadrado de la tensión aplicada y la resistencia óhmica inversa, en dependencia de si se usa una fuente de corriente o de tensión. Una fuente térmica de radiación infrarroja tiene propiedades ventajosas para el PAS, tales como una emisión de banda ancha, mediante la cual con una sola fuente de luz pueden excitarse una pluralidad de átomos o moléculas de gas diferentes. Al mismo tiempo, un emisor IR térmico es particularmente económico, fácil de fabricar y tiene una larga vida útil.
En estado de equilibrio, el calor producido es igual a las pérdidas de calor por conducción, convección y radiación térmica (sinónimos: radiación térmica, radiación infrarroja), que se desprende en las interfaces exteriores de la capa calentable a través de la cual fluye la corriente. Como sabe el experto en la técnica, el calor generado provoca, entre otras cosas, una radiación térmica, particularmente mediante un movimiento térmico de partículas, que provoca, por ejemplo, una aceleración de los portadores de carga y/o momentos dipolares vibratorios. De este modo puede generarse radiación infrarroja de forma selectiva mediante una capa calentable a través de la cual fluye corriente. La capa calentable está hecha preferentemente de metal, como por ejemplo tungsteno o platino. La aplicación de una tensión adecuada y el flujo de corriente resultante generan calor Joule y, en última instancia, radiación infrarroja. El espectro de radiación de un cuerpo calentado puede aproximarse preferentemente mediante la ley de radiación de Planck, en donde un experto en la técnica conoce las diferencias de una capa calentable real en comparación con un cuerpo negro, tales como la emisividad o la desviación real de un equilibrio térmico del cuerpo. A pesar de estas desviaciones, el espectro generado y su intensidad se describen sustancialmente mediante la temperatura y la superficie radiante de acuerdo con la ley de radiación de Planck.
De este modo, un experto en la técnica puede conseguir un espectro preferido con una distribución de intensidad preferida mediante un diseño específico del (micro)elemento de calentamiento. Además del material y la configuración geométrica del elemento de calentamiento, son decisivos preferentemente la energía eléctrica disponible y la magnitud de las pérdidas de calor del elemento de calentamiento, además de la radiación térmica. La magnitud de estas pérdidas de calor se determinan, por ejemplo, por la conductividad térmica entre el elemento de calentamiento y los materiales y/o fluidos adyacentes, así como también por su capacidad calorífica y el tamaño de la(s) interfaz(es).
Un emisor IR en forma de elemento de calentamiento es particularmente económico y robusto; al mismo tiempo, debido al ancho espectral de la emisión, puede detectarse una gran cantidad de moléculas de gas en el PSA. En caso necesario, pueden seleccionarse preferentemente espectros más estrechos a partir del amplio espectro de emisión por medio de un filtro de paso de banda, preferentemente sintonizable.
La radiación infrarroja puede generarse preferentemente también mediante un diodo emisor de luz (LED) que emite en el intervalo espectral de infrarrojos deseado y/o un láser. Particularmente, un láser tiene preferentemente un espectro de emisión estrecho, de manera que preferentemente sólo pueden excitarse y detectarse líneas de absorción de átomos o moléculas de gas que se ajusten exactamente a este espectro. Por lo tanto, un láser es ventajoso si sólo deben detectarse determinadas moléculas de gas, en donde la importancia de la detección con respecto a la presencia de estas moléculas es particularmente alta, ya que otras moléculas, preferentemente con un alto grado de seguridad, no pueden excitarse mediante el estrecho espectro del láser.
La emisión del emisor IR es preferentemente un haz orientado en una dirección preferida en forma de línea recta. Más abajo se pretende describir por haz la parte preferentemente agrupada de la radiación a lo largo de la dirección preferida del haz, que se emite por el emisor, en donde particularmente define el haz las zonas de mayor intensidad a lo largo de esta dirección. La intensidad se define preferentemente como densidad de energía superficial y preferentemente tiene la unidad de vatios por metro cuadrado o, para abreviar, W/m2.
Componentes adicionales, como lentes, que garantizan una agrupación o colimación del haz, pueden integrarse en el emisor o fijarse externamente. El experto en la técnica sabe cómo formar el perfil de emisión de la fuente de radiación mediante el diseño del emisor IR y mediante el uso de otros componentes, de manera que se obtenga un perfil de haz deseado y una dirección de haz deseada. Preferentemente, el emisor IR modulable puede prescindir de lentes adicionales o estar presente como un sistema que comprende una fuente de radiación y al menos una lente para colimar el rayo.
El emisor puede modularse, lo que significa que la intensidad de la radiación emitida, preferentemente la intensidad del haz, puede cambiarse de manera controlable a lo largo del tiempo. Preferentemente, la modulación debería provocar un cambio de intensidad en el tiempo como variable mensurable. Esto significa, por ejemplo, que la intensidad en el tiempo entre la intensidad más débil medida dentro del período de medición y la intensidad más fuerte medida dentro del mismo período de tiempo es mayor que la sensibilidad de un dispositivo típicamente usado para el espectro de radiación y la aplicación para medir o determinar la intensidad. Preferentemente, la diferencia es significativamente mayor que un factor de 2, con mayor preferencia de 4, 6 u 8 entre la intensidad ajustable más fuerte y la más débil. Se prefiere particularmente que la intensidad del haz modulado se module para una o más longitudes de onda de resonancia predeterminadas.
Preferentemente, particularmente en el caso de un emisor térmico, puede realizarse una modulación directa mediante la variación del suministro de energía. Esto también es particularmente fácil y económico de implementar. En los espectroscopios foto acústicos conocidos, la desventaja de usar emisores IR con elementos de calentamiento es su lenta capacidad de modulación. En efecto, una modulación de este tipo normalmente se limita a un intervalo específica de un espectro de modulación debido a constantes de tiempo térmicas, por ejemplo, en un orden de magnitud de hasta 100 Hz. En la técnica anterior, la modulación lenta se asociaba a menudo con una mala relación señal-ruido debido al ruido inherente de los componentes de detección. Esta desventaja puede eliminarse en la presente invención porque el detector de presión acústica representa una estructura capaz de vibrar que, con la ayuda de un actuador, se excita activamente para que vibre a frecuencias preferentemente significativamente más altas. La detección real de las ondas de presión sonora para el PAS se produce mediante una modulación de esta vibración debido a la influencia de las ondas de presión sonora sobre las propiedades de vibración de la estructura, por ejemplo, la amortiguación. Aunque las propias ondas de presión acústica tienen una frecuencia baja debido a la frecuencia de modulación del emisor IR, la detección real de las propiedades de vibración de la estructura, que se influencia por las ondas de presión acústica, tiene lugar en cambio en las frecuencias de vibración más altas de la estructura y, por lo tanto, sustancialmente fuera del intervalo de frecuencia del ruido típico del detector.
La excitación activa de la estructura capaz de vibrar prevista de acuerdo con la invención permite ventajosamente conseguir una relación señal/ruido significativamente mejorada, incluso cuando se usan emisores IR lentamente modulables. Esto permite el suministro de PAS basado en MEMS compacto y rentable con una excelente calidad de detección.
Preferentemente, el emisor de infrarrojos también puede modularse mediante modulación externa, por ejemplo, mediante el uso de una rueda picadora giratoria y/o un modulador electroóptico. Ventajosamente, también en este caso no es necesaria una modulación de alta frecuencia en el intervalo de los kilohercios para garantizar una buena relación señal/ruido.
El detector de presión sonora comprende una estructura capaz de vibrar, por ejemplo, una membrana montada vibratoria y/o vibratoriamente, una válvula montada vibratoriamente y/o vibratoria y/o un voladizo o haz flexible montada vibratoriamente.v En este contexto, 'capaz de vibrar ' significa particularmente que la estructura puede excitarse a vibraciones mecánicas durante un largo período de tiempo mediante un accionamiento adecuado en forma de un actuador, sin cambios estructurales (daños) en la estructura.
La vibración puede comprender una vibración simple sustancialmente a lo largo de una dimensión espacial y/o alrededor de un eje unidimensional, pero también puede ser una vibración o modo de vibración espacialmente multidimensional más complejo. Al mismo tiempo, las vibraciones deberían ser preferentemente lo suficientemente grandes como para que ellas o sus propiedades puedan medirse con una unidad de medición. Esto significa particularmente que a partir de la medición de la vibración puede generarse una señal eléctrica medible y procesable electrónicamente, señal que puede contener ventajosamente información sobre la vibración y sus propiedades, como amplitud de vibración, frecuencia de vibración, fase de la vibración, preferentemente en comparación con una señal de referencia y/o intensidad de vibración.
La frecuencia de la vibración está preferentemente bien definida en un intervalo entre 1 Hz y 100 kHz; particularmente, la vibración tiene una frecuencia que se diferencia significativamente de otras frecuencias de otros procesos esenciales que pueden ocurrir en el espectroscopio, por ejemplo, de procesos de ruido (térmicos) conocidos y/o frecuencias de modulación de la radiación IR. Particularmente, la frecuencia de vibración es significativamente mayor que estas frecuencias. Preferentemente, la vibración tiene una frecuencia de vibración sustancialmente constante o un espectro de vibración estrecho.
Preferentemente se entiende por vibración una fluctuación temporal repetida debido a la desviación espacial de la estructura o regiones de la estructura. Particularmente, la vibración es sustancial o al menos parcialmente periódica, lo que significa sobre todo que es regular en el tiempo.
Las vibraciones periódicas, especialmente si se consideran durante varios períodos, pueden describirse preferentemente mediante el modo de vibración de la vibración. El modo de vibración es preferentemente una forma de descripción de propiedades específicas de una vibración que son estacionarias en el tiempo. Los diferentes modos de vibración se diferencian particularmente en la distribución espacial de la intensidad de vibración, en donde la forma de los modos de vibración es determinada preferentemente por las condiciones límite bajo las cuales se propaga la vibración. Estas condiciones límite pueden establecerse mediante el material, las dimensiones y/o el montaje de la estructura capaz de vibrar y al menos un vector de fuerza que actúa sobre la estructura (que comprende preferentemente el tamaño nominal y/o la dirección de la fuerza que actúa).
En el caso de un voladizo vibratorio pueden existir varios modos de vibración de flexión, en los que el voladizo se hunde en una dirección preferida, por ejemplo, perpendicular a un plano de suspensión del voladizo, que pueden diferir particularmente en la frecuencia de vibración, la amplitud máxima de vibración, y en su ocurrencia espacial. Un modo de vibración de flexión es caracterizado porque particularmente la vibración incluye un proceso de flexión dinámico en la dirección sustancialmente de una normal al plano principal del voladizo o de la estructura capaz de vibrar. Sin embargo, también pueden existir otros modos de vibración, como por ejemplo un modo de torsión, que describe una vibración en forma de un movimiento de torsión periódico de la estructura a lo largo de un eje. También son posibles modos más complejos y/o modos que representan superposiciones de otros modos. Una vibración se produce preferentemente en modo de vibración. Un ejemplo de un modo de vibración complejo es el modo de vibración en forma de teja, por ejemplo, de un voladizo, en el que el voladizo oscila hacia adelante y hacia atrás entre estados de deformación similares a tejas.
Además de la estructura, el actuador también debe ser adecuado para excitar tales vibraciones, ya que se configura para excitar activamente vibraciones en la estructura. Preferentemente, el actuador se destina a excitar una vibración forzada en la estructura capaz de vibrar. El actuador debe ser capaz de transmitir una fuerza generada por él a la estructura, por ejemplo, comunicándose con la estructura de una manera que permita la transmisión de fuerza. Preferentemente, la estructura también puede incluir al menos parcialmente el actuador. La fuerza misma debe adecuarse para desencadenar las vibraciones, lo que significa particularmente que la fuerza es periódica y preferentemente tiene sustancialmente la frecuencia de las vibraciones de la estructura que se va a generar y es adecuada para hacer que la estructura vibre, preferentemente en un modo de vibración.
El experto en la técnica conoce las interacciones, a veces complejas, entre una estructura vibratoria y un accionamiento de la vibración forzada, que preferentemente resulta, entre otras cosas, de frecuencias de resonancia (o frecuencias naturales) de la estructura, propiedades amortiguadoras de la estructura y el fluido (gas) en su entorno, y el tamaño y dirección de la fuerza impulsora a lo largo del tiempo, y pueden ser localmente diferentes dentro de la estructura. Una acción de fuerza periódica y fácil de describir en una dirección también puede generar patrones de vibración significativamente más complejos de lo que se esperaría sin tener en cuenta estas interacciones.
Puede preferirse en este caso que la estructura tenga propiedades elásticas que soporten vibraciones particularmente a lo largo de al menos una dirección y/o al menos en un lugar o región de la estructura. Estas propiedades elásticas pueden describirse preferentemente mediante al menos una constante elástica. Preferentemente, la estructura también presenta una masa que codetermina las propiedades de vibración. Puede ocurrir, por ejemplo, que el actuador genere sólo una fuerza activa periódica para una desviación en una dirección y la estructura provoque la desviación en la dirección opuesta debido a su fuerza de recuperación, de cuyas fuerzas en conjunto se origina la vibración. Preferentemente, un actuador convierte particularmente una señal de control eléctrica en un movimiento. Un actuador puede ser, por ejemplo, un actuador piezoeléctrico y generar una fuerza periódica para excitar vibraciones debido al efecto piezoeléctrico cuando se aplica periódicamente al actuador una señal de control eléctrica en forma de tensión eléctrica, por ejemplo. El actuador puede ser preferentemente un elemento externo que transmite mecánicamente una fuerza de excitación a la estructura; pero el actuador también puede ser integral a la estructura y generar la fuerza para la excitación de vibración mecánica dentro de esta estructura, por ejemplo.
Preferentemente, la unidad de medición es adecuada para medir las propiedades de vibración y particularmente para medir el perfil de tiempo de las propiedades de vibración. Preferentemente se puede extraer información de estas propiedades de vibración de la estructura o de su perfil de tiempo, lo que preferentemente también permite afirmaciones sobre las propiedades del gas que rodea la estructura. Estas propiedades de vibración se refieren preferentemente a la amplitud de vibración, la frecuencia de vibración, el modo de vibración, la fase de vibración (por ejemplo, en comparación con la fuerza de excitación periódica aplicada por el actuador), la intensidad de vibración, la amortiguación de la vibración, etc. Sin embargo, se prefiere particularmente que las propiedades de amortiguación puedan determinarse a partir de las (otras) propiedades de vibración, ya que las propiedades de amortiguación incluyen, además de un componente de amortiguación inherente a la estructura (y preferentemente constante o conocido y/o calculable), una componente de amortiguación externo, que se produce particularmente por una interacción de la estructura con el gas ambiental y sobre todo con la presión del gas ambiental. Este componente se media principalmente por colisiones de las moléculas de gas con la estructura, en donde la presión (fuerza por área) sobre la estructura causada por las colisiones depende de la presión del gas.
Dado que la estructura se encuentra preferentemente dentro o sobre el volumen de análisis e interactúa (directamente) con un gas a analizar que se introduce en el volumen de análisis, de esta manera se puede obtener información sobre el propio gas, particularmente sobre su presión. Por ejemplo, para un gas que absorbe la radiación IR modulada y por tanto genera ondas de presión sonora, puede obtenerse información sobre las ondas de presión sonora y su amplitud en el tiempo, lo que, como sabe un experto promedio en PAS, permite sacar conclusiones sobre la composición del gas, como la presencia de moléculas de gas específicas y su concentración dentro del volumen.
Se prefiere particularmente que la amortiguación de la estructura, particularmente a través de la interacción con el gas a analizar, y su curva de tiempo puedan determinarse mediante la medición de las propiedades de vibración, la amplitud de vibración, la frecuencia de vibración y/o la fase de vibración de la estructura en comparación con la excitación periódica, particularmente a lo largo del tiempo. La interacción se produce particularmente mediante colisiones entre la estructura y las moléculas del gas. La resistencia y/o frecuencia de los impactos depende de la presión del gas. Si la absorción de la radiación IR modulada hace vibrar las moléculas de PAS y, por lo tanto, se generan preferentemente ondas de presión sonora en el volumen de análisis, estas ondas de presión sonora transmiten preferentemente una presión proporcional a las ondas sobre la estructura y, por lo tanto, influyen en las propiedades de vibración y/o o su amortiguación. Este efecto puede medirse preferentemente mediante la medición de la amplitud de vibración, la intensidad de vibración, la fase de vibración en relación con la excitación periódica y/o la frecuencia de vibración, particularmente en el tiempo. Por ejemplo, una superposición de la vibración activa (preferentemente rápida) de la estructura con las ondas de presión que actúan sobre la estructura (que vibran preferentemente más lentamente) puede influir en la amplitud de vibración y/o la intensidad de vibración, de modo que una envolvente de la amplitud de vibración de la vibración de la estructura, que sigue al menos parcialmente el perfil de presión, se produce con el tiempo, particularmente por la amortiguación variable debida a las fluctuaciones de presión.
Igualmente, una amortiguación variada por las ondas de presión sonora puede generar preferentemente un cambio de fase en la vibración de la estructura con respecto a la frecuencia de excitación, que también puede medirse, por ejemplo, mediante la medición de la amplitud de vibración de la estructura a lo largo del tiempo y comparándola con la señal de entrada preferentemente periódica o la señal de control del actuador para la excitación periódica de la estructura.
Se prefiere particularmente una medición en el intervalo de frecuencia de las vibraciones resonantes de la estructura. Por ejemplo, puede preferirse que la frecuencia de resonancia se desplace mediante la amortiguación preferentemente variable debida a las ondas de presión sonora del gas. Esto puede medirse, por ejemplo, mediante la medición de la amplitud de vibración de la estructura y al mismo tiempo el actuador sintoniza la frecuencia de la excitación periódica en un intervalo de frecuencia, por ejemplo, en el intervalo de una frecuencia natural de la estructura. Por tanto, la frecuencia de resonancia de todo el sistema vibratorio puede medirse preferentemente mediante la medición de la amplitud de vibración, en donde la amplitud de vibración es preferentemente máxima en la región de resonancia. La frecuencia de resonancia del sistema global se desplaza preferentemente mediante la variación de la amortiguación en comparación con el sistema con amortiguación constante. Medir el cambio o el perfil temporal del cambio, por ejemplo, permite extraer conclusiones sobre las ondas de presión sonora.
Las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar incluyen preferentemente la amplitud de vibración. La amplitud de vibración depende preferentemente de la formación de las ondas de presión sonora en el volumen de análisis. Las ondas de presión sonora en el volumen de análisis influyen particularmente en la amortiguación de la estructura capaz de vibrar (de forma conocida, medible y/o calculable), en donde la amortiguación influye en la amplitud de vibración. Dado que la influencia de la amortiguación sobre la amplitud de vibración también es ventajosamente conocida, calculable y/o mensurable, de su medición pueden extraerse conclusiones con respecto a las ondas de presión sonora y, por tanto, sobre el gas y su composición. Particularmente, pueden sacarse conclusiones sobre las propiedades de las ondas de presión sonora. También puede preferirse que sea conocida, calculable y/o mensurable una relación directa entre las ondas de presión sonora y la amplitud de vibración y, por tanto, las propiedades de las ondas de presión sonora puedan inferirse directamente a partir de una medición de la amplitud de vibración.
Las propiedades de las ondas de presión sonora incluyen preferentemente al menos una frecuencia de vibración de la onda de presión sonora, la amplitud de la onda de presión sonora, la fase de la onda de presión sonora en relación con la modulación periódica de la radiación IR estimulante, la vibración intensidad de la onda de presión sonora, así como también preferentemente las propiedades mencionadas a lo largo del tiempo, de manera que se incluye, por ejemplo, una disminución de la onda de presión sonora. La amplitud de vibración de la estructura puede medirse preferentemente mediante la medición de la deflexión de la estructura al menos en un lugar y/o al menos una región de la estructura.
Las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar incluyen preferentemente la frecuencia de vibración. La frecuencia de vibración depende preferentemente de la formación de ondas de presión sonora en el volumen de análisis. Las ondas de presión sonora en el volumen de análisis influyen particularmente en la amortiguación de la estructura capaz de vibrar (de forma conocida, medible y/o calculable), en donde la amortiguación influye en la frecuencia de vibración. Dado que la influencia de la amortiguación sobre la amplitud de vibración también es ventajosamente conocida, calculable y/o mensurable, de su medición pueden sacarse conclusiones con respecto a las ondas de presión sonora y, por tanto, al gas y su composición. Particularmente, pueden sacarse conclusiones sobre las propiedades de las ondas de presión sonora. También puede preferirse que sea conocida, calculable y/o mensurable una relación directa entre las ondas de presión sonora y la frecuencia de vibración y, por tanto, las propiedades de las ondas de presión sonora puedan inferirse directamente a partir de una medición de la amplitud de vibración.
La frecuencia de vibración de la estructura se mide preferentemente mediante la medición de la deflexión de la estructura al menos en un lugar y/o al menos de una región de la estructura, en donde la deflexión se considera durante al menos un período de vibración, preferentemente una pluralidad de periodos de vibración, de forma conocida por un experto en la técnica proporciona información sobre la frecuencia de vibración de la estructura capaz de vibrar.
Las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar incluyen preferentemente al menos una frecuencia de vibración resonante o frecuencia de resonancia wo de la estructura. Puede preferirse que la estructura tenga varias frecuencias de resonancia para preferentemente múltiples modos de vibración. La frecuencia de resonancia depende preferentemente de la formación de las ondas de presión sonora en el volumen de análisis. Las ondas de presión sonora en el volumen de análisis influyen particularmente en la amortiguación de la estructura capaz de vibrar (de forma conocida, medible y/o calculable), en donde la amortiguación influye en la frecuencia de resonancia. Dado que la influencia de la amortiguación sobre la frecuencia de resonancia también es ventajosamente conocida, calculable y/o mensurable, de su medición pueden sacarse conclusiones con respecto a las ondas de presión sonora y, por tanto, al gas y su composición. Particularmente, pueden sacarse conclusiones sobre las propiedades de las ondas de presión sonora. También puede preferirse que sea conocida, calculable y/o mensurable una relación directa entre las ondas de presión sonora y la amplitud de vibración y, por tanto, las propiedades de las ondas de presión sonora puedan inferirse directamente a partir de una medición de la frecuencia de resonancia.
La frecuencia de resonancia de la estructura se mide preferentemente mediante la medición de la deflexión de la estructura al menos en un lugar y/o al menos de una región de la estructura, en donde la deflexión se considera durante al menos un período de vibración, preferentemente una pluralidad de períodos de vibración, de una manera conocida por un experto en la técnica proporciona información sobre la frecuencia de vibración actual de la estructura capaz de vibrar. En este caso se considera preferentemente como frecuencia la frecuencia de resonancia que presenta una máxima amplitud de desviación o vibración. En este caso, el actuador ajusta preferentemente diferentes frecuencias de excitación dentro de al menos un intervalo de frecuencia para medir o detectar la frecuencia de resonancia.
Las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar incluyen preferentemente la fase de vibración en comparación con la excitación (periódica) de la estructura por el actuador. La fase de vibración describe preferentemente la fase de vibración en comparación con la excitación (periódica) de la estructura. La fase de vibración depende preferentemente de la formación de ondas de presión sonora en el volumen de análisis. Las ondas de presión sonora en el volumen de análisis influyen particularmente en la amortiguación de la estructura capaz de vibrar (de forma conocida, medible y/o calculable), en donde la amortiguación influye en la fase de vibración en comparación con la excitación periódica. Puesto que la influencia de la amortiguación sobre la fase de vibración también es ventajosamente conocida, calculable y/o mensurable, de su medición pueden sacarse conclusiones con respecto a las ondas de presión sonora y, por tanto, al gas y su composición. Particularmente, pueden sacarse conclusiones sobre las propiedades de las ondas de presión sonora. También puede preferirse que sea conocida, calculable y/o mensurable una relación directa entre las ondas de presión sonora y la fase de vibración y, por tanto, las propiedades de las ondas de presión sonora puedan inferirse directamente a partir de una medición de la amplitud de vibración.
La fase de vibración de la estructura se mide preferentemente mediante la medición de la deflexión de la estructura al menos en un lugar y/o al menos de una región, en donde la deflexión se considera durante al menos un período de vibración, preferentemente una pluralidad de períodos de vibración, y la comparación con el perfil temporal de la frecuencia de excitación de una manera conocida por un experto en la técnica, proporciona información sobre la frecuencia de vibración de la estructura capaz de vibrar.
Las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar incluyen preferentemente la amortiguación de la vibración de la estructura, particularmente la parte de la amortiguación influenciada por las ondas de presión sonora. El término atenuación describe particularmente la parte de la atenuación influenciada por las ondas de presión sonora. La atenuación depende preferentemente de forma conocida, medible y/o calculable de la formación de las ondas de presión sonora en el volumen de análisis. Por lo tanto, ventajosamente pueden sacarse conclusiones de la medición de la amortiguación con respecto a las ondas de presión sonora y, por tanto, con respecto al gas y su composición. Particularmente, pueden sacarse conclusiones sobre las propiedades de las ondas de presión sonora. La amortiguación de la estructura puede medirse preferentemente mediante la medición de la deflexión de la estructura al menos en un lugar y/o al menos una región y comparándola con una medición de una deflexión o vibración no amortiguada por ondas de presión sonora.
Las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar incluyen preferentemente el factor de calidad y/o el factor Q de la vibración de la estructura. Esto se mide preferentemente mediante la medición de la frecuencia de resonancia y el semiancho de la resonancia Aw y particularmente es Q = w<o>/Au>, en donde el ancho medio se define preferentemente como la separación de frecuencia entre las dos frecuencias en las que la amplitud de vibración es 1/V2 de la amplitud de vibración máxima (en resonancia), o donde la intensidad de vibración es la mitad de la intensidad de vibración máxima (en resonancia). El factor de calidad depende preferentemente de forma conocida, medible y/o calculable de la formación de las ondas de presión sonora en el volumen de análisis. Por lo tanto, ventajosamente pueden sacarse conclusiones de la medición del factor de calidad con respecto a las ondas de presión sonora y, por tanto, al gas y su composición. Particularmente, pueden sacarse conclusiones sobre las propiedades de las ondas de presión sonora.
Las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar dependen particularmente de la formación de las ondas de presión sonora, lo que significa preferentemente que las propiedades de las ondas de presión sonora pueden medirse mediante la medición de las propiedades de vibración. Las propiedades de las ondas de presión sonora incluyen particularmente la frecuencia, amplitud, intensidad y/o fase en relación con la excitación IR modulada de las ondas de presión sonora, preferentemente a lo largo del tiempo. Particularmente, una medición de las propiedades de vibración permite medir la composición del gas (con absorción de la radiación IR) del gas en el volumen de análisis (o en el volumen de muestra), como es habitual en el PAS.
Preferentemente, las propiedades de vibración, particularmente las propiedades de vibración mencionadas anteriormente, también pueden medirse a lo largo del tiempo y, por ejemplo, incluyen una serie temporal (ordenada cronológicamente de acuerdo con el momento de la medición) de las mediciones de las propiedades en el momento de la medición respectiva. Preferentemente, a partir del perfil de tiempo de las propiedades de vibración pueden extraerse conclusiones sobre otras propiedades del gas analizado, como por ejemplo el comportamiento de caída de las ondas sonoras tras la excitación mediante radiación IR.
La medición de las propiedades de vibración no sólo permite conocer las propiedades de las ondas de presión sonora, sino también sobre una presión constante sin la presencia de ondas de presión sonora debido a la absorción modulada de las moléculas de gas. Particularmente, puede medirse el comportamiento transitorio al inicio de la absorción y/o el comportamiento de relajación después de la absorción modulada.
Las propiedades de vibración pueden medirse preferentemente mediante la técnica de bloqueo mediante el uso de un amplificador de bloqueo. Dado que particularmente la medición de las propiedades de vibración preferentemente se lleva a cabo sustancialmente a la frecuencia de excitación de la estructura capaz de vibrar o la señal de medición se modula mediante la frecuencia de la excitación, puede aplicarse un filtro de paso de banda de banda estrecha a la medición mediante el uso de un amplificador de bloqueo o una técnica de bloqueo, y de esta manera puede minimizarse el ruido, particularmente el ruido térmico.
También puede ser preferible usar la técnica de bloqueo descrita para filtrar sólo señales en el intervalo de la frecuencia de modulación de la radiación IR modulada en una banda estrecha y minimizar de esta manera el ruido de la medición.
Preferentemente, la información sobre la densidad y/o viscosidad del gas también puede obtenerse directamente a través de la interacción de la estructura vibratoria capaz de vibrar con el gas y, por lo tanto, ventajosamente junto con las ondas de presión sonora generadas por el PAS, y así proporcionar una imagen más completa de la composición del gas en el volumen de análisis, particularmente en el volumen de muestra, y/o aumentar la precisión del PAS, preferentemente de forma sinérgica [2].
Un espectroscopio foto acústico preferido de acuerdo con esta descripción puede diseñarse de manera muy compacta y robusta en su diseño debido a la simplicidad y capacidad de miniaturización de los componentes y, por ejemplo, integrarse o integrarse en un teléfono inteligente u otro dispositivo portátil.
El espectroscopio inventivo ofrece la ventaja particular de desacoplar las frecuencias de excitación de la radiación IR modulada de una frecuencia de medición por el detector de presión sonora, en que el detector de presión sonora comprende una estructura capaz de vibrar excitada activamente por el actuador y una medición de las ondas de presión sonora generadas por la unidad de medición también incluyen a esta frecuencia la estructura capaz de vibrar. Esta frecuencia puede ser preferentemente mayor que la frecuencia de la radiación IR modulada y de las ondas de presión sonora a detectar, de manera que en la detección del sonido pueden reducirse y/o excluir fuentes de ruido particularmente específicas que se encuentran en la frecuencia (preferentemente más baja) de las ondas de presión sonora y/o causadas por la propia radiación IR modulada. Un ruido ilustrativo que puede reducirse es el ruido térmico, el ruido 1/f y/o el ruido 1/f<2>ruido.
En una modalidad preferida de la invención, el espectroscopio comprende una unidad de control que se configura para excitar la estructura capaz de vibrar mediante el uso de una frecuencia de excitación y para controlar el emisor de infrarrojos modulable de tal manera que emita radiación infrarroja modulada con una frecuencia de modulación, en donde la frecuencia de modulación del emisor de infrarrojos es menor que la frecuencia de excitación del sistema vibratorio en un factor de 5, preferentemente 10 o más. La frecuencia de modulación del emisor de infrarrojos está preferentemente entre 1 Hz y 200 Hz, mientras que la frecuencia de excitación de la estructura capaz de vibrar es superior a 1 kHz, preferentemente entre 1 kHz y 200 kHz.
Preferentemente es adecuada una unidad de control para emitir señales de control eléctricas que, por un lado, activan el actuador y, por otro lado, el emisor de infrarrojos modulable. Para ello, la unidad de control puede presentar preferentemente al menos dos salidas de señales, en donde una salida está preferentemente conectada con una entrada de señales del actuador y la otra salida con una entrada de señales del emisor de infrarrojos. Las señales emitidas aquí se denominan preferentemente señales de accionamiento o señales de control. La señal presente en la entrada de señal del actuador debería diseñarse preferentemente de tal manera que el actuador excite la estructura capaz de vibrar para que vibre mediante el uso de una frecuencia de excitación. Para ello se adapta la señal de la unidad de control en el tiempo, por ejemplo, con respecto a una amplitud y una forma de onda de la tensión eléctrica.
Preferentemente se trata de una señal periódica que tiene una frecuencia que corresponde sustancialmente a la frecuencia de excitación. De manera análoga, la señal de la unidad de control, que se aplica a la entrada de señal del emisor de IR, se ajusta con el tiempo, por ejemplo, con respecto a una amplitud y una forma de onda preferentemente de la tensión eléctrica para generar una radiación IR emitida con la frecuencia de modulación. Preferentemente es una señal periódica que tiene una frecuencia que corresponde sustancialmente a la frecuencia de modulación. Pero preferentemente las frecuencias de ambas señales difieren. Particularmente, la frecuencia de modulación del emisor de infrarrojos es preferentemente menor que la frecuencia de excitación del sistema vibratorio en un factor de 2, preferentemente 5, 10 o más. La señal para la frecuencia de modulación puede derivarse preferentemente de la señal para la frecuencia de excitación, por ejemplo, mediante un divisor de frecuencia aplicado a la señal de la frecuencia de excitación y/o mediante un procesamiento adicional de la señal. Esto tiene lugar preferentemente en la unidad de control.
Sin embargo, ambas señales también se pueden generar preferentemente entre sí. Particularmente, puede preferirse modular adicionalmente la señal para la frecuencia de modulación de una manera específica para aumentar la detectabilidad posterior cuando se detecta una onda de presión sonora. Si la frecuencia de excitación es un múltiplo entero de la frecuencia de modulación, también puede preferirse que la unidad de control genere una fase fija pero ajustable entre las dos señales. Preferentemente, la unidad de control presenta al menos una entrada, a través de la cual se pueden transmitir a la unidad de control comandos externos para ajustar las señales de salida. Una unidad de control es preferentemente al menos un circuito integrado que puede recibir y/o generar señales eléctricas digitales y/o analógicas, preferentemente para los fines mencionados anteriormente. Las señales de control son preferentemente señales analógicas que pueden ajustarse con respecto a las propiedades de la señal (amplitud, frecuencia, fase, preferentemente en el tiempo) para optimizar el PAS. La unidad de control es preferentemente al menos un ordenador, un microprocesador, una serie de puertas programables en campo (FPGA) y/o algún otro circuito electrónico y puede incluir, por ejemplo: convertidores de digital a analógico, convertidores de analógico a la digital, memorias y/o amplificadores (de señal).
Si una frecuencia de modulación del emisor de infrarrojos es menor que la frecuencia de excitación de la estructura capaz de vibrar en un factor de 2, preferentemente 5, 10 o más, las ondas de presión sonora, que sustancialmente tienen la frecuencia de modulación, preferentemente pueden medirse sustancialmente en el intervalo de la frecuencia de excitación. La señal de medición provocada por las ondas de presión sonora puede modularse preferentemente con la señal de la frecuencia de excitación, ya que ésta corresponde sustancialmente a la frecuencia de la estructura capaz de vibrar tras la excitación. De este modo pueden excluirse y/o filtrarse ventajosamente ruidos en el intervalo de las bajas frecuencias y, particularmente, en la zona de la frecuencia de modulación, y se puede mejorar el PAS. Otra desventaja del PAS de la técnica anterior es que la propia radiación infrarroja modulada puede generar una señal (de ruido) en el detector de sonido. Dado que en este caso la medición se realiza en frecuencias aproximadamente al menos 2 veces mayores, particularmente esta fuente de interferencias puede filtrarse y/o excluirse de las mediciones. Como resultado, puede lograrse una mejora de la medición dentro de una relación específica entre las dos frecuencias, preferentemente con un aumento del factor.
En una modalidad preferida, la frecuencia de modulación del emisor de infrarrojos está preferentemente entre 1 Hz y 200 Hz, mientras que la frecuencia de excitación de la estructura capaz de vibrar está entre 1 kHz y 200 kHz. Estas frecuencias demuestran ser particularmente efectivas para garantizar una alta relación señal-ruido. Además, estas frecuencias de modulación son particularmente adecuadas para implementar un emisor IR térmico modulado eléctricamente y económico, que, debido a la inercia térmica, está preferentemente limitado a un intervalo de frecuencias de modulación de este orden de magnitud. Por otra parte, puede implementarse de manera particularmente sencilla, robusta y económica una estructura mecánicamente vibratoria accionada por un actuador a estas frecuencias de excitación.
En esta modalidad, se prefiere que la unidad de control sea adecuada para generar señales de control electrónicas de estos dos órdenes de magnitud. Por lo tanto, la unidad de control debería presentar preferentemente un ancho de banda eléctrico adecuado dentro de los respectivos intervalos de frecuencia. Preferentemente, el emisor de infrarrojos o, en su caso, un modulador externo, debería ser adecuado para modular la radiación infrarroja a esta frecuencia. De manera similar, el actuador debe ser adecuado para excitar la estructura capaz de vibrar a estas frecuencias, y la propia estructura debe ser adecuada para vibrar en al menos un modo de vibración al menos a una de estas frecuencias. La estructura tiene preferentemente una frecuencia de resonancia en al menos un modo de vibración en al menos una frecuencia dentro del intervalo de frecuencia preferido.
En una realización modalidad preferida de la invención, la frecuencia de excitación de la estructura capaz de vibrar corresponde a una frecuencia de resonancia de la estructura capaz de vibrar. Como ya se describió anteriormente, el funcionamiento de la estructura capaz de vibrar en un intervalo de o en la frecuencia de resonancia es particularmente adecuado para medir las ondas de presión sonora o sus propiedades. Particularmente, la amplitud de vibración del respectivo modo de vibración se encuentra preferentemente en máxima resonancia, de manera que preferentemente puede mejorarse la medición de las propiedades de vibración.
En otra modalidad preferida de la invención, el espectroscopio comprende una serie de detectores de presión sonora. Una serie de detectores de presión acústica comprende preferentemente múltiples detectores de presión acústica, por ejemplo 2, 3, 4, 5, 10, 20 o 50 detectores de presión acústica, que se disponen espacialmente entre sí. Particularmente, una serie de este tipo comprende múltiples estructuras capaces de vibrar que pueden excitarse mediante al menos un actuador y cuyas propiedades de vibración pueden medirse mediante al menos un dispositivo de medición. Particularmente de manera preferente, cada estructura que puede vibrar tiene su propio actuador y/o su propio dispositivo de medición. Preferentemente, un arreglo puede configurarse en la forma de una matriz de varias filas (detectores dispuestos horizontalmente a lo largo de una línea) y/o columnas (detectores dispuestos verticalmente a lo largo de una línea) de detectores de presión acústica. De este modo puede realizarse ventajosamente una medición espacialmente resuelta de las ondas de presión sonora. De este modo puede obtenerse, por ejemplo, información adicional sobre la distribución espacial de un gas a medir.
En el caso de una modalidad de un volumen de análisis que tiene una cámara de muestra y una cámara de referencia (ver más abajo), puede preferirse tener al menos un detector de presión sonora en cada cámara para medir por separado en cada cámara y así poder excluir preferentemente después de la medición fuentes de interferencias, por ejemplo, ondas de presión sonora externas que no provengan de la radiación IR absorbida en la cámara de muestra. En el caso de una serie de detectores de presión acústica, cada detector puede presentar preferentemente diferentes propiedades de vibración, particularmente incluso sin la acción de ondas de presión acústica. Las propias estructuras pueden tener diferentes propiedades y/o pueden excitarse de diferentes maneras (amplitud, frecuencia, fase). Una modalidad preferida de una serie puede comprender, por ejemplo, múltiples detectores de presión sonora, particularmente múltiples estructuras capaces de vibrar que se disponen, por ejemplo, en una disposición de matriz (por ejemplo, en un área de 9 mm x 9 mm) encerrada en una carcasa compatible con placa de circuito de acuerdo con un componente electrónico estándar, por ejemplo, en construcción DIP (empaque en línea dual) de 24 pines [2].
En otra modalidad preferida de la invención, el actuador es un actuador MEMS, preferentemente seleccionado del grupo que comprende actuadores electrostáticos, actuadores piezoeléctricos, actuadores electromagnéticos y/o actuadores térmicos. Preferentemente, un actuador MEMS es un actuador que se produce mediante el uso de métodos de producción convencionales de la tecnología de microsistemas y que también presenta ventajosamente dimensiones del orden de micras. Un actuador de este tipo es particularmente compacto, robusto, requiere poco mantenimiento y puede producirse de forma sencilla y económica. Particularmente, la estructura capaz de vibrar, que es excitada para vibrar por el actuador, también puede ser un elemento MEMS, es decir, preferentemente, que la estructura y el actuador pueden producirse preferentemente en una etapa de fabricación con el actuador MEMS y son compacto. Es conveniente que puede usarse partes del mismo sustrato para la producción. Esto simplifica la producción y la hace más económica.
Los actuadores antes mencionados son particularmente adecuados para excitar un gran número de vibraciones rápidas y requieren poca energía, particularmente debido a su diseño compacto. Ventajosamente también el intervalo de vibraciones que puede alcanzarse es muy alto debido a la construcción compacta y a los bajos valores de inercia.
En otra modalidad preferida de la invención, la estructura capaz de vibrar comprende una curvadora, una válvula y/o una membrana.
La estructura capaz de vibrar se monta preferentemente de manera que pueda vibrar y/o se diseña para poder vibrar a las frecuencias deseadas en dependencia del grosor y/o de la elección del material. Esto se aplica particularmente a las modalidades antes mencionadas de la estructura que puede vibrar. La estructura capaz de vibrar, particularmente la de flexión, la membrana y/o la válvula, está presente particularmente en una superficie límite exterior del volumen de análisis y/o de la cámara de muestra. Puede ser particularmente ventajoso que la estructura capaz de vibrar se disponga dentro de un canal de conexión entre la cámara de muestra y la cámara de referencia, como se describe más abajo. En este caso, la estructura capaz de vibrar forma o comprende particularmente un tabique entre las dos cámaras que es al menos parcial o sustancialmente estanco a la presión.
Un voladizo, o también una de flexión, es preferentemente un elemento espacialmente extendido, particularmente alargado, que se monta de manera vibratoria a lo largo de al menos un lado y, preferentemente se separa de cualquier otra manera. Un voladizo puede tener, por ejemplo, la forma de un paralelepípedo plano y alargado, cuyo grosor es claramente menor en comparación con la extensión transversal y longitudinal, en donde la extensión transversal está preferentemente más pequeña que la extensión longitudinal. Sin embargo, también puede preferirse una de flexión montada de forma orientable por ambos lados o por varios lados.
Una membrana es preferentemente una estructura delgada y plana con una circunferencia sustancialmente redonda y/o poligonal, por ejemplo. Preferentemente, la membrana se monta de manera que pueda vibrar al menos en algunas zonas a lo largo de una de las circunferencias. Preferentemente, una membrana puede ser sustancialmente estanca a la presión con respecto a un gas en la cámara de análisis. Si la membrana se encuentra en una superficie límite exterior de la cámara de análisis y/o de la cámara de muestra, la membrana igualmente puede estar preferentemente estanca a la presión frente a un gas que se encuentre en el otro lado de la membrana.
Una válvula es particularmente un componente para cerrar o controlar el flujo de fluidos, sobre todo gases. Una parte de cierre (por ejemplo, placa, cono, bola, membrana y/o aguja) preferentemente se mueve aproximadamente paralela a la dirección del flujo del fluido y, en dependencia de la posición, puede permitir o no al menos un flujo parcial. El flujo se interrumpe, por ejemplo, mediante la presión de la parte de cierre con una superficie de sellado contra una zona de borde de una abertura con la forma adecuada. Una válvula puede configurarse preferentemente de tal manera que, si la presión está por encima de un valor umbral en al menos un lado de la válvula, la válvula se abre al menos parcialmente por la presión y un flujo al menos parcial de un gas, preferentemente en la dirección de la presión decreciente, está habilitada. Ventajosamente, una válvula se sitúa en una región exterior del volumen de análisis y/o de la cámara de muestra, por ejemplo, en un canal de conexión, y se dispone de manera que puede moverse o hacer vibrar mediante ondas de presión acústica provocadas por la radiación IR modulada.
En otra forma de modalidad preferida de la invención, el detector de presión acústica comprende un haz piezoeléctrico, que se dispone preferentemente en voladizo en el volumen de análisis. Una piezoeléctrica es preferentemente una de flexión que comprende un actuador piezoeléctrico. Esto significa particularmente que el haz de flexión comprende al menos un material piezoeléctrico que, debido a sus propiedades y/o arreglo dentro del voladizo, con un accionamiento eléctrico adecuado mediante una señal de control eléctrica, permite una vibración excitada piezoeléctricamente controlada por esta señal para permitir el detector de presión sonora como se describe en la presente descripción.
El haz piezoeléctrico presenta preferentemente al menos un contacto para el control mediante la señal de control eléctrica, particularmente en forma de al menos un electrodo al que se aplica una señal de control eléctrica. Particularmente, un haz piezoeléctrico tiene al menos dos electrodos. El experto promedio en la técnica sabe cómo puede conseguirse un actuador piezoeléctrico que genere las propiedades de vibración deseadas del haz de flexión excitada activamente, por ejemplo, mediante una selección adecuada del material, un arreglo adecuada del material y/o un accionamiento eléctrico adecuado mediante una señal de control eléctrico. Una silla voladiza es, particularmente, un haz plegable que se monta por un lado para balancearse y, de cualquier otra manera, se separa.
Un material piezoeléctrico es preferentemente un material que sea adecuado para exhibir un efecto piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico describe preferentemente la deformación de un material cuando se aplica una tensión eléctrica y/o un campo eléctrico (efecto piezoeléctrico inverso), mediante la cual puede ejercerse una fuerza, particularmente por parte del material. El efecto piezoeléctrico también describe preferentemente la modificación de la polarización eléctrica y, por tanto, preferentemente la aparición de una tensión eléctrica y/o una modificación de la impedancia en un cuerpo sólido al deformarse elásticamente (efecto piezoeléctrico directo).
La deformación de una estructura piezoeléctrica depende preferentemente particularmente de la polarización eléctrica dentro de la estructura y preferentemente puede influenciarse, entre otras cosas, por el arreglo de los electrodos. De esta manera puede influirse preferentemente en el modo de vibración de la estructura.
La barra puede ser preferentemente un voladizo unimórfico o monomórfico, que comprende preferentemente una capa activa y una capa inactiva o pasiva. Por capa activa se entiende aquí preferentemente una capa piezoeléctrica, en la que se activa una fuerza o una deformación mediante un campo eléctrico aplicado, particularmente mediante la aplicación de una tensión de control eléctrica. Esta fuerza o deformación genera preferentemente una flexión y/o deformación del haz, que puede desencadenar preferentemente una vibración activa por medio de una señal de control eléctrica periódica. La capa inactiva comprende preferentemente un material no piezoeléctrico. Se prefiere que la capa activa y la capa inactiva interactúen de tal manera que se genere una fuerza resultante debido a la tensión de control aplicado, lo que provoca una desviación de la barra, que preferentemente provoca una vibración cuando la señal eléctrica es periódica. También puede preferirse que la capa inactiva comprende además un material piezoeléctrico, que, sin embargo, no esté en contacto eléctricamente y/o se accione por una señal de control, al que ventajosamente no se aplica ninguna señal de control eléctrica, y que particularmente no experimenta un campo externo eléctrico, que desencadene una fuerza interna y/o una deformación debido al efecto piezoeléctrico indirecto de la capa inactiva.
Igualmente, el voladizo puede ser preferentemente un voladizo bimórfico, que comprende preferentemente al menos dos capas activas. Preferentemente puede estar presente una capa inactiva entre al menos dos capas activas. Se prefiere que, si se aplica una tensión eléctrica, una capa activa se contrae mientras que la segunda capa activa se expande, de manera que ventajosamente se logra la flexión del voladizo, que se amplifica particularmente en comparación con un voladizo unimórfico, por lo que tiene una mayor amplitud con el el mismo voltaje aplicado, por ejemplo.
En una modalidad ilustrativa, el voladizo tiene una longitud de 1,511 pm, una anchura de 1,268 pm y un grosor de 45 |jm y se monta para vibraciones, particularmente a lo ancho, y se separa de cualquier otra manera. El voladizo comprende preferentemente un material piezoeléctrico, particularmente nitruro de aluminio (AlN) y comprende electrodos que se optimizan, por ejemplo, para la excitación de un modo de vibración en forma de teja, por ejemplo mediante dos pares de electrodos, en donde cada electrodo cubre preferentemente la mitad del sensor y el material piezoeléctrico se pueden configurar en diferentes modos de vibración pares e impares mediante excitación eléctrica paralela o antiparalela mediante los electrodos [2].
Además del material y la forma geométrica del voladizo, el modo de vibración de un voladizo se determina preferentemente mediante un arreglo de electrodos y/o mediante la señal de control eléctrica aplicada.
En otra modalidad ilustrativa, el voladizo puede tener una longitud de 1000 pm y un ancho de 250 pm y también puede contener AIN. Por ejemplo, puede disponerse un electrodo en una superficie superior del voladizo y dividirse en dos tiras aproximadamente iguales, en donde una tira actúa como un electrodo de excitación al que se aplica preferentemente una señal de control eléctrica y la otra tira se usa para una medición eléctrica de las propiedades de vibración como se describe más abajo.
En una modalidad preferida de la invención, el haz de flexión piezoeléctrica tiene dos electrodos y una capa intermedia piezoeléctrica hecha de un material seleccionado del grupo que contiene titanato de circonato de plomo (PZT), nitruro de aluminio (AlN) u óxido de zinc (ZnO).
Estos materiales presentan propiedades piezoeléctricas particularmente ventajosas. Los haces de flexión piezoeléctricas pueden controlarse eléctricamente de forma particularmente sencilla mediante el uso de dos electrodos y pueden hacerse vibrar mediante el uso de una señal de control eléctrica. Los dos electrodos pueden colocarse preferentemente sobre una superficie del voladizo, por ejemplo, pueden disponerse en la parte superior o en la parte inferior, entre sí y/o en la parte superior o en la parte inferior en superficies opuestas del voladizo. En el interior también puede disponerse al menos un electrodo, por ejemplo, en una capa intermedia del voladizo. El material y/o el arreglo de los electrodos se seleccionan preferentemente según las propiedades de vibración deseadas o el modo de vibración deseado en el caso de una excitación activa con y/o sin interacción con ondas de presión sonora.
En otra modalidad preferida de la invención, el volumen de análisis comprende una cámara de muestra y una cámara de referencia, en donde el emisor de infrarrojos se dispone de tal manera que irradia la cámara de muestra y no la cámara de referencia, y existe un canal de conexión entre la cámara de muestra y cámara de referencia en la que se ubica la estructura capaz de vibrar. Esta modalidad se caracteriza por un PAS particularmente libre de errores o pasivo a fallos, ya que durante la medición y/o la evaluación de la medición se excluyen o no se incluyen particularmente los sonidos provenientes de fuentes sonoras no deseadas. En una modalidad particularmente preferida, el volumen de análisis comprende un volumen de muestra y un volumen de referencia, que presentan preferentemente al menos aproximadamente las mismas dimensiones, particularmente idénticas. Ventajosamente existe una zona de transición entre el volumen de muestra y el volumen de referencia, en la que se encuentra preferentemente el detector de sonido. El volumen de muestra y el volumen de referencia también pueden denominarse preferentemente cámara de muestra y cámara de referencia, y la zona de transición entre ellos también puede denominarse canal de conexión. Preferentemente, sólo el volumen de la muestra está expuesto a la radiación IR modulada. A través de la absorción de la radiación modulada en el volumen de muestra pueden desarrollarse otras condiciones de presión debido a las ondas de presión sonora generadas, que se superponen a condiciones de presión que se refieren preferentemente tanto al volumen de muestra como al volumen de referencia y que pueden surgen de una presión estadística dentro del volumen de análisis, así como también de ondas de presión sonora, preferentemente no deseadas, provenientes de fuentes de ruido externas. De este modo puede implementarse preferentemente un método de medición diferencial, en el que preferentemente se excluyen o no se miden presiones perturbadoras y/o fluctuaciones de presión y las ondas de presión sonora generadas debido a la radiación modulada absorbida permanecen como magnitud de medición.
Preferentemente, el detector de sonido como estructura puede separar los volúmenes de muestra y de referencia directamente entre sí (preferentemente de manera sustancialmente estanca a la presión) y comprende una membrana separadora vibratoria y/o una válvula entre estas áreas así como también una válvula parcialmente permeable o membrana, que sin embargo reacciona sensiblemente a las diferencias de presión entre ambos volúmenes, porque por ejemplo sólo permite una compensación retardada de la presión y, por lo tanto, las fuerzas mediadas por la presión pueden actuar preferentemente sobre la estructura.
Preferentemente, el detector de sonido también puede ser completamente impermeable al gas o gases en ambos lados de la estructura, en donde la membrana preferentemente es una capa vibratoria delgada, que puede influenciarse por diferencias de presión que varían dinámicamente durante una vibración.
También puede ser preferible que la zona de transición sea al menos parcialmente permeable al gas presente en los volúmenes, en donde se dispone el detector de sonido en la zona de transición, pero preferentemente no representa un elemento de separación espacial completo entre los dos volúmenes, sino que al mismo tiempo reacciona de forma particularmente sensible a las diferencias de presión entre los dos volúmenes y su comportamiento de vibración puede afectarse.
Se prefiere que el mismo gas se ubique en el volumen de muestra y en el volumen de referencia.
También puede preferirse que se incluya un gas diferente en el volumen de muestra y en el volumen de referencia, en donde un gas con propiedades conocidas esté presente en el volumen de referencia y un gas a analizar esté presente en el volumen de muestra.
Mediante el uso de dos volúmenes y al menos un detector de presión acústica, puede mejorarse ventajosamente la eliminación de fuentes de error, como por ejemplo ondas sonoras no deseadas, porque éstas actúan sobre ambos volúmenes y el detector de presión acústica dispuesto entre los volúmenes preferentemente sólo detecta sustancialmente las ondas de presión acústica en el volumen de muestra causadas por la radiación IR relevante para el PAS como señal diferencial entre el volumen de muestra y el volumen de referencia.
En una modalidad preferida, cada uno de los dos volúmenes comprende al menos un detector de presión sonora, de manera que el detector de presión sonora preferentemente solo mide fluctuaciones de presión no deseadas causadas por fuentes (sonoras) externas en el volumen de referencia y en el volumen de muestra, la presión sonora además de las fluctuaciones de presión no deseadas se detectan ondas provocadas por la modulación si se absorbe la radiación IR modulada. En esta forma de modalidad, las señales no deseadas pueden excluirse ventajosamente durante un procesamiento (electrónico) adicional de las señales de medición, que forma particularmente la diferencia.
En otra modalidad preferida de la invención, la unidad de medición del detector de sonido es una unidad de medición óptica, que comprende preferentemente un emisor de fotones para generar un haz de fotones y un fotodetector, en donde el emisor de fotones se alinea con la estructura capaz de vibrar de manera que las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar, preferentemente la amplitud de una vibración de la estructura capaz de vibrar, puedan medirse por medio del fotodetector.
En esta modalidad, el emisor de fotones se alinea con la estructura capaz de vibrar, es decir, particularmente, que un haz de luz o de fotones emitido por el emisor de fotones se alinea con la estructura capaz de vibrar y su radiación es reflejada sustancial o parcialmente por la estructura. Para ello puede adaptarse preferentemente el espectro de emisión del emisor de fotones y/o la superficie de la estructura en la que se produce la reflexión, de manera que el rayo se refleje sustancialmente o al menos parcialmente. El emisor de fotones, el fotodetector y/o la estructura se alinean preferentemente entre sí de tal manera que el rayo reflejado por la estructura se absorbe sustancial o parcialmente en una superficie de detección del detector de fotones y preferentemente el detector lo convierte en una señal medible y/o señal eléctrica o electrónica legible que permita afirmar sobre las propiedades de vibración de la estructura.
Se prefiere particularmente que la unidad de medición óptica comprenda otros elementos ópticos, como por ejemplo un divisor de haz, y que el emisor de fotones sea un láser, de manera que la unidad de medición óptica pueda leer las propiedades de vibración de la estructura mediante una medición interferométrica. Particularmente, un haz parcial reflejado sobre la estructura se superpone a un haz parcial no reflejado desde la estructura, en donde ambos haces parciales son sustancial o parcialmente coherentes entre sí e interfieren entre sí. Mediante la medición de la interferencia constructiva o destructiva resultante de los haces parciales, se conoce preferentemente las distancias recorridas por los haces parciales cuando se reflejan desde una estructura no vibratoria, pueden hacerse declaraciones sobre las diferencias relativas en las longitudes de trayectoria de los haces parciales y/o la posición actual de la estructura, en donde las declaraciones sobre las propiedades de vibración de la estructura pueden hacerse particularmente en base a mediciones a lo largo del tiempo.
En otra modalidad preferida de la invención, la unidad de medición del detector de sonido es una unidad de medición eléctrica, preferentemente para medir las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar, particularmente la amplitud de una vibración de la estructura capaz de vibrar, principalmente por medio de una medida de impedancia y/o una medida capacitiva.
Una impedancia describe particularmente la relación entre una tensión eléctrica y una corriente eléctrica, en donde se usan tensiones y corrientes sinusoidales como base y la impedancia incluye preferentemente información sobre la relación de las amplitudes de las tensiones y corrientes, así como también su relación de fase entre sí. Particularmente en el caso de una estructura que comprende al menos un material piezoeléctrico, la impedancia puede medirse preferentemente en la estructura, particularmente en los electrodos, lo que está en dependencia de las propiedades de vibración debido a la deformación de la estructura y sus propiedades piezoeléctricas. Preferentemente, esta impedancia también puede leerse en los electrodos a los que se aplica una señal de control eléctrica para excitar la vibración. En este caso, a la tensión de la señal de control se le superpone preferentemente una tensión o corriente que puede medirse mediante las propiedades de deformación y/o vibración y su influencia sobre la impedancia.
Esta tensión y/o esta corriente presenta preferentemente una amplitud y/o una fase diferente en relación con la señal de control, que puede medirse particularmente mediante el uso de la técnica de bloqueo con ayuda de un amplificador de bloqueo. Preferentemente, puede aplicarse una señal eléctrica proporcional a la señal de control eléctrica como referencia en la entrada del amplificador de bloqueo, y la impedancia de la estructura capaz de vibrar puede medirse en comparación con la señal de referencia mediante el amplificador de bloqueo, preferentemente mediante el uso de otros componentes electrónicos. De esta manera pueden hacerse declaraciones particularmente sobre la relación de fase de la impedancia con respecto a la señal de referencia y/o la amplitud de la impedancia, lo que permite determinar las propiedades de vibración de la estructura.
También puede preferirse aplicar la señal de modulación eléctrica para modular la radiación IR como señal de referencia en la entrada de un amplificador lock-in, de manera que sólo se filtren durante la medición las modulaciones de las propiedades de vibración sustancialmente a esta frecuencia.
También puede ser preferible medir una impedancia en electrodos adicionales a los que no se les aplica ninguna señal de control eléctrica al mismo tiempo. Particularmente, gracias al efecto piezoeléctrico directo puede medirse allí una corriente y/o una tensión que es adecuada para medir las propiedades de vibración de la estructura.
Mediante el uso de la tecnología Lock-in puede realizarse una medición particularmente silenciosa con una alta relación señal/ruido.
Una medida de las propiedades eléctricas de la estructura, preferentemente una corriente que fluye y/o una tensión aplicada y particularmente una impedancia, que son preferentemente punteados en los electrodos de la estructura, puede preferentemente usarse también para medir las propiedades de vibración, si la vibración de la estructura no se excita en base a un efecto piezoeléctrico. En este caso, la estructura puede comprender particularmente un material piezoeléctrico y/o piezoresistivo, cuyas propiedades eléctricas se miden y que cambian debido a la deformación debida a las propiedades de vibración.
Preferentemente puede usarse una unidad de medición eléctrica para una medición capacitiva de la estructura capaz de vibrar. Una medición capacitiva incluye particularmente una medición de una capacitancia eléctrica. Preferentemente, la estructura puede presentar al menos un electrodo para tal medición, por ejemplo, en donde una capacitancia se mide entre este electrodo y un electrodo que no resuena con la estructura y que está preferentemente instalado de forma fija en el volumen de análisis. La capacitancia de los electrodos o una tensión que puede medirse entre los electrodos y/o una impedancia del capacitor formado por los electrodos cambia, particularmente debido a una distancia entre los electrodos que cambia debido a las propiedades de vibración, particularmente una desviación instantánea de la estructura, cuyas variables pueden medirse, por ejemplo, mediante la aplicación de una corriente alterna y/o una tensión alterna.
En otra modalidad preferida de la invención, el emisor de infrarrojos modulable comprende un elemento calefactor, en donde el elemento de calentamiento comprende un sustrato sobre el cual se aplica al menos parcialmente una capa calentable hecha de un material conductor, cuyo sustrato comprende contactos para una corriente y/o fuente de tensión, en donde el sustrato se selecciona preferentemente de un grupo que comprende silicio, silicio monocristalino, polisilicio, dióxido de silicio, carburo de silicio, silicio germanio, nitruro de silicio, nitruro, germanio, carbono, arseniuro de galio, nitruro de galio y/o fosfuro de indio y/o el material conductor para formar la capa calentable se selecciona preferentemente de un grupo que comprende platino, tungsteno, óxido de estaño (dopado), silicio monocristalino, polisilicio, molibdeno, titanio, tantalio, aleación de titanio-tungsteno, siliciuro metálico, aluminio, grafito, y/o cobre.
El elemento de calentamiento comprende una capa calentable hecha de un material conductor que produce calor Joule cuando una corriente eléctrica fluye a través de ella. Particularmente, el elemento de calentamiento comprende un sustrato sobre el cual está presente la capa calentable. El sustrato forma preferentemente la base del elemento de calentamiento. En este caso, el sustrato también puede comprender al menos parcialmente otros elementos del emisor IR, como por ejemplo el elemento base y/o los elementos de carcasa. Ventajosamente, el sustrato puede moldearse adecuadamente mediante etapas de proceso establecidas, particularmente a partir de la fabricación de semiconductores y/o microsistemas. Los materiales mencionados anteriormente son particularmente fáciles y económicos de procesar en la producción de semiconductores y/o microsistemas y también son muy adecuados para la producción en masa. Estos materiales también son particularmente adecuados para dopar y/o recubrir para conseguir las propiedades eléctricas, térmicas y/o de radiación deseadas en determinadas zonas.
En otra modalidad preferida del emisor de infrarrojos modulable, el material conductor para formar la capa calentable se selecciona del grupo que comprende platino, tungsteno, óxido de estaño (dopado), silicio monocristalino, polisilicio, molibdeno, titanio, tantalio, aleación de titanio-tungsteno siliciuro metálico, aluminio, grafito y/o cobre. Estos materiales presentan por un lado las propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas y/o de radiación deseadas y además son particularmente fáciles y económicos de procesar.
Preferentemente, el (micro)elemento de calentamiento está al menos parcialmente separado y permite, por ejemplo, expansiones térmicas dentro del emisor de IR debido a fuertes cambios de temperatura y movimientos de traslación. Parcialmente separado significa que al menos parcialmente no está conectado por fricción y/o positivamente a otros elementos del emisor en las interfaces y por lo tanto tiene un grado de libertad de movimiento en una dirección sustancialmente perpendicular a la interfaz.
En una modalidad preferida de la invención, el dispositivo de control se configura para regular la temperatura del elemento de calentamiento en un intervalo entre 50 °C y 1000 °C, preferentemente entre 100 °C y 1000 °C.
Preferentemente, un dispositivo de control de este tipo puede proporcionar al elemento de calentamiento de una energía eléctrica adecuada. Particularmente, la temperatura debería poder ajustarse, mantenerse constante y/o modularse con suficiente precisión. Para ello puede usarse un mecanismo de control con un circuito de retroalimentación. Para medir la temperatura actual del elemento calefactor puede integrarse, por ejemplo, al menos un sensor de temperatura en un punto adecuado del elemento de calentamiento.
Puede ser particularmente preferido modular la temperatura en el intervalo mencionado para modular la radiación IR. La temperatura se modula preferentemente entre una temperatura máxima y una temperatura mínima, en donde al menos la temperatura máxima está dentro del intervalo de temperatura mencionado anteriormente.
En otro aspecto, la invención se refiere a un método para analizar gas, que comprende
a. Provisión de un espectroscopio foto acústico para analizar gas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores
b. Irradiación del gas con radiación infrarroja modulada a una frecuencia de modulación para generar ondas de presión sonora
c. Excitación de la estructura capaz de vibrar con una frecuencia de excitación
d. Medición de las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar, que depende de la presión sonora e. Determinación de la presión sonora del gas en función de las propiedades de vibración medidas.
El experto promedio en la técnica reconoce que las características técnicas, definiciones y ventajas de las modalidades preferidas del espectroscopio foto acústico de acuerdo con la invención también se aplican al método de acuerdo con la invención.
En una modalidad preferida de la invención se determina el perfil de tiempo de las ondas de presión sonora generadas por medio de la radiación infrarroja modulada. Particularmente, las ondas de presión sonora pueden medirse en el tiempo mediante la medición de una serie temporal de las propiedades de vibración, lo que permite ventajosamente conocer más sobre el gas a analizar, por ejemplo, sobre el comportamiento de relajación después de la excitación mediante radiación IR modulada. En este caso, dentro del gas pueden medirse preferentemente no sólo ondas de presión sonora, sino también una presión constante o que cambia lentamente. De este modo, preferentemente también pueden medirse las propiedades del gas cuando se inician y/o disminuyen ondas de presión sonoras, particularmente un comportamiento de relajación del gas.
Descripción detallada
La invención se explicará más detalladamente más abajo mediante el uso de ejemplos, sin limitarse a ellos.
Medición sencilla de la presión de un gas ambiental con una estructura que puede vibrar:
Más abajo se explicarán a modo de ejemplo los fundamentos teóricos para la medición de la presión de un gas ambiente.
En el contexto de estructuras que vibran resonantemente, especialmente estructuras MEMS, el factor Q (abreviado de factor de calidad) es un parámetro importante [1]. El factor Q (también llamado factor de calidad) se define preferentemente como 2n veces la relación entre la energía almacenada en la estructura vibratoria y la pérdida de energía durante un período de vibración. La pérdida de energía se debe particularmente a la amortiguación de las vibraciones. La amortiguación se debe preferentemente tanto a pérdidas por fricción internas dentro de la estructura como a pérdidas externas, por ejemplo, por colisiones de la estructura vibrante con moléculas de gas del gas ambiente, preferentemente también denominada amortiguación viscosa. Por lo tanto, preferentemente se produce una interacción de la estructura vibratoria con el entorno gaseoso, particularmente a través de las condiciones de presión del entorno gaseoso, particularmente a lo largo del tiempo, que incluye ventajosamente también la interacción con ondas de presión sonoras. Por ejemplo, el comportamiento dinámico del sistema que vibra mecánicamente se influencia por la amortiguación viscosa del gas ambiente, preferentemente debido a las condiciones de presión del gas, por ejemplo, mediante un cambio en la frecuencia de resonancia y/o un cambio en la amplitud de vibración. Para sistemas vibratorios tales como la estructura vibratoria capaz de vibrar, que preferentemente puede describirse sustancialmente mediante una ecuación diferencial de segundo orden, existe la siguiente dependencia de la resonancia o frecuencia natural (preferentemente sin amortiguación) del sistema con amortiguación preferentemente débil (preferentemente amortiguación entre 0 y 1) del sistema
u 0 = (K/M)1/2,
en donde K es preferentemente la constante elástica que describe la estructura capaz de vibrar y M es preferentemente la masa de la estructura. Debido a la influencia de la amortiguación en el comportamiento vibratorio de la estructura, la frecuencia de resonancia real con amortiguación Wd preferentemente cambios en comparación con uto como sigue:
W<d>= u<o>(<H 2>)<1/2>,
en donde ^describe la relación de amortiguación.
Por lo tanto, la relación de amortiguación puede medirse o estimar ventajosamente mediante el uso de la frecuencia de resonancia medida Wn,medidas y el factor de calidad medido Qmedir:
^= C<n>/(2m W<n, medida>),
en donde m es preferentemente la masa de la estructura y C<n es>preferentemente el coeficiente de amortiguación, que se define preferentemente como sigue:
C<n>= m W<n,medida>/Q<medida>.
Q<medición>se mide preferentemente mediante la medición de la frecuencia de resonancia W<n,mediciones>y la mitad del ancho de la resonancia Au y es particularmente Q<medición>= W<n,mediciones>/Aw, en donde el ancho medio se define preferentemente como la separación de frecuencia entre las dos frecuencias en las que la amplitud de vibración es 1/V2 de la amplitud de vibración máxima (en resonancia), o donde la intensidad de vibración es la mitad de la vibración máxima. intensidad (en resonancia). Esto se aplica preferentemente al menos a presiones por encima de una presión negativa y/o una presión de vacío, preferentemente por encima de 0,01 mbar, particularmente de manera preferente por encima de 0,1 mbar, con mayor preferencia por encima de 1 mbar, particularmente por encima de 10 mbar, en donde mbar son preferentemente milibares, es decir, preferentemente 10<-3>bares, en donde 1 bar corresponde particularmente a 10<5>Pascal (abreviado: Pa).
En estos intervalos de presión existe preferentemente una relación medible y/o calculable entre la amortiguación de la estructura capaz de vibrar y la presión del gas ambiente, presión que intercepta particularmente la formación de ondas de presión sonora. De este modo, la presión y, particularmente, las ondas de presión sonora pueden medirse preferentemente con precisión por medio de una estructura capaz de vibrar.
Fabricación de un voladizo piezoeléctrico:
Más abajo se describe a modo de ejemplo [1] un método de fabricación de un voladizo piezoeléctrico hecho de AlN. Para ello, en una primera etapa se oxida por ambos lados una oblea de silicio dopada con p (100) de 4'' y 450 pm de grosor para su pasivación en atmósfera seca a 1000 °C. La capa SO<2>formada tiene preferentemente un espesor de aproximadamente 130 nm, en donde el sustrato de silicio tiene preferentemente una resistencia específica baja (<0,1 ohm cm) y forma un electrodo inferior del voladizo. En una segunda etapa, una capa Si<3>N<4>de 400 nm de espesor se deposita en la parte inferior de la oblea, preferentemente mediante deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD), para actuar como una capa de máscara para el grabado con KOH (KOH: hidróxido de potasio) de silicio. A continuación, el SiO<2>y las capas Si<3>N<4>se retiran preferentemente desde arriba para exponer tanto el electrodo inferior como el haz o voladizo suspendido. Igualmente, se retiran estas capas de la parte inferior donde se va a colocar el haz suspendida, preferentemente mediante el uso de ácido fluorórico (HF) (etapa 3). En un cuarto etapa se separa reactivamente una película de AlN de 1000 nm de espesor de un objetivo de aluminio (Al) en una atmósfera de nitrógeno puro en un dispositivo de pulverización catódica (por ejemplo, Von Ardenne). Preferentemente, el sustrato está nominalmente sin calentar. La presión ambiental se establece preferentemente a aproximadamente 4 * 10<-3>mbar para lograr una buena película delgada de AIN orientada a C con una d efectiva<33>= 3 pm/V. En estas condiciones de separación, la velocidad de pulverización es preferentemente de aproximadamente 20 nm/min a 1000 W. Se usa preferentemente un fotorresistente convencional (AZ1518) como máscara para la eliminación química húmeda de AIN de la región del electrodo inferior y de la región de la membrana de silicio, que luego se graba en un lugar adecuado para producir la estructura suspendida unilateralmente del voladizo (etapa 5). Con los parámetros mencionados, la velocidad de grabado de AlN es preferentemente de aproximadamente 10 nm s-1. En una sexta etapa se forman un electrodo superior y un punto de contacto para el cuerpo de silicio usado como electrodo inferior mediante pulverización catódica y posterior estructuración de una capa de oro (Au) de aproximadamente 500 nm de espesor en agua regia (preferentemente ácido clorhídrico concentrado (HCl) y ácido nítrico concentrado (HNO 3) en una relación de 3 a 1). Como capa de adhesión entre AlN y Au se usa preferentemente una fina capa de cromo (Cr) (grosor preferentemente de aproximadamente 20 nm), en donde un grabador de Cr convencional se usa preferentemente para la estructuración. Una vez finalizada la estructuración del electrodo superior, se usa preferentemente hidróxido de potasio (KOH) al 38% a 85 °C para estructurar el sustrato en estas zonas con un grosor residual de 20 pm (etapa 7). Para fabricar las estructuras suspendidas, la exposición del lado frontal del actuador de AlN del voladizo a base de silicio para su libre oscilación se lleva a cabo preferentemente mediante el uso de un método de Bosch (etapa 8).
Breve descripción de los dibujos
Figura 1 Volumen de análisis que comprende una cámara de muestra y una cámara de referencia, así como también un detector de presión sonora con una estructura capaz de vibrar en el canal de conexión entre las dos cámaras.
Figuran 2 Progresión temporal de la presión de una onda de presión sonora (parte superior), así como también de la amplitud o intensidad de la vibración, una vez sin el efecto amortiguador de una onda de presión sonora (centro) y otra con la influencia de la onda de presión sonora (parte inferior).
Figura 3 a influencia de una presión ambiental sobre las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar, particularmente sobre la frecuencia de resonancia.
Descripción detallada de las figuras
La Figura 1 muestra el volumen de análisis 1 que comprende una cámara de muestra 7 y una cámara de referencia 9 así como también un detector de presión sonora con una estructura capaz de vibrar 5 en el canal de conexión 11 entre las dos cámaras. En esta modalidad ilustrativa ambas cámaras contienen el mismo gas a analizar, en donde se expone únicamente la cámara de muestra a la radiación IR modulada 3. La estructura capaz de vibrar 5, en este caso un haz curvada o un voladizo en el canal de conexión 11 entre las dos cámaras, se excita a una vibración activa por el actuador (no mostrado), y la unidad de medición (no mostrada) mide las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar, por ejemplo, amplitud de vibración, frecuencia de vibración, fase de la vibración con respecto a la excitación y/o frecuencia de resonancia de la estructura capaz de vibrar 5. Estas propiedades de vibración dependen de la formación de las ondas de presión sonora que experimenta la estructura capaz de vibrar 5. Estos también pueden contener, además de las ondas de presión acústica debidas a una absorción de la radiación IR modulada 3 del gas a analizar en la cámara de muestras 7, también ondas de presión acústica procedentes de fuentes sonoras no deseadas. Dado que las ondas de presión sonora no deseadas llegan preferentemente tanto a la cámara de referencia 9 como a la cámara de muestra, actúan preferentemente en ambos lados del voladizo en la misma medida, en donde las ondas de presión sonora del PAS de la cámara de muestra 7 sólo sobre la estructura capaz de vibrar 5 desde la dirección de esta cámara de muestra 7 y por lo tanto puede medirse por ella sustancialmente sin una medición de las ondas de presión sonora no deseadas.
La parte superior de la Figura 2 muestra un ejemplo de una curva de tiempo de una presión a medir de una onda de presión sonora debido a una excitación PAS de moléculas de gas. La parte central de la figura muestra las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar 5 excitada por el actuador sin la influencia externa debida a la onda de presión sonora. Particularmente, se representa la amplitud de vibración o la intensidad de vibración en el tiempo, cuya periodicidad, sin embargo, permite sacar conclusiones sobre la frecuencia de vibración. La parte inferior de la figura muestra la resultante si las ondas de presión sonora de la parte superior de la figura interactúan con una vibración de la estructura capaz de vibrar 5 desde la parte central de la figura. La ilustración muestra esquemáticamente cómo las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar 5 se influencian por las ondas de presión sonora, lo que permite sacar conclusiones directas sobre la formación de las ondas de presión sonora y, por tanto, sobre la composición del gas en el volumen de muestra de acuerdo con la Figura 1. Particularmente, puede observarse cómo se influye en la amplitud de vibración o en la intensidad de vibración de la estructura capaz de vibrar 5, particularmente que modula la envolvente de la vibración.
La Figura 3 muestra la influencia de una presión ambiental sobre las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar 5, particularmente sobre la frecuencia de resonancia [1] de la estructura capaz de vibrar y la respectiva amplitud de vibración. Durante esta medición, la presión se varió estadísticamente y se midieron la frecuencia de resonancia y su amplitud de vibración a diferentes presiones estáticas. Particularmente a presiones en el intervalo de la presión atmosférica, es visible una fuerte dependencia de la frecuencia de resonancia de la presión ambiental de la estructura capaz de vibrar 5, debido a una amortiguación de la vibración a través de impactos de la estructura 5 con las moléculas de gas del ambiente. Con una velocidad de muestreo suficientemente alta, esta medición a presiones estáticas también puede usarse para variaciones de presión dinámicas debidas a ondas de presión sonoras que son causadas por la absorción de radiación IR modulada por las moléculas de gas. A presiones bajas, a partir de aproximadamente 10 mbar, sólo se muestra una menor influencia de la presión ambiental sobre las propiedades de vibración de la estructura capaz de vibrar 5. A presiones tan bajas, la influencia de la amortiguación intrínseca de la estructura 5 generalmente supera la de la amortiguación externa debida a la presión del gas circundante. Sin embargo, también a estas bajas presiones pueden hacerse afirmaciones preferentemente en base a una medición de las propiedades de vibración, si por ejemplo se aumentara la resolución de la medición de la frecuencia y la amplitud de vibración o la intensidad de vibración.
Lista de números de referencia
I volumen de análisis
3 radiación infrarroja modulada
5 estructura capaz de vibrar
7 cámara de muestra
9 cámara de referencia
I I canal de conexión
Referencias
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Claims (15)
1. Un espectroscopio foto acústico para analizar gas, que comprende
- un emisor de infrarrojos modulable,
- un volumen de análisis (1) que puede llenarse con gas, y
- un detector de presión sonora,
en donde el emisor de infrarrojos, el volumen de análisis (1) y el detector de presión sonora se disponen de manera que la radiación infrarroja que pueda emitirse de forma modulable desde el emisor de infrarrojos pueda excitar el gas en el volumen de análisis para formar ondas de presión sonora que puedan medirse mediante el uso del detector de presión sonora,
en donde el detector de presión sonora comprende una estructura (5) capaz de vibrar, un actuador y una unidad de medición, en donde el actuador se configura para excitar activamente la vibración de la estructura (5) capaz de vibrar y la unidad de medición se configura para medir la propiedad de vibración de la estructura (5) capaz de vibrar, cuya medición depende de la formación de las ondas de presión sonora, caracterizado porque la frecuencia de modulación del emisor de infrarrojos está preferentemente entre 1 Hz y 200 Hz, mientras que la frecuencia de excitación de la estructura (5) capaz de vibrar está entre 1 kHz y 200 kHz.
2. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con la reivindicación anterior,
caracterizado porque
el espectroscopio comprende una unidad de control que se configura para excitar la estructura (5) capaz de vibrar mediante el uso de una frecuencia de excitación y para controlar el emisor de infrarrojos modulable de tal manera que emita radiación infrarroja (3) modulada con una frecuencia de modulación, en donde la frecuencia de modulación del emisor de infrarrojos es menor que la frecuencia de excitación de la estructura (5) capaz de vibrar en un factor de 5, preferentemente 10 o más.
3. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
la frecuencia de excitación de la estructura (5) capaz de vibrar corresponde a una frecuencia de resonancia de la estructura (5) capaz de vibrar.
4. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
el espectroscopio comprende una serie de detectores de presión sonora.
5. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
el actuador es un actuador MEMS, preferentemente seleccionado del grupo que comprende actuadores electrostáticos, actuadores piezoeléctricos, actuadores electromagnéticos y/o actuadores térmicos.
6. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
la estructura (5) capaz de vibrar comprende un haz de flexión, una válvula y/o una membrana.
7. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
el detector de presión sonora comprende un haz piezoeléctrico que se dispone preferentemente como un voladizo en el volumen de análisis, en donde el haz de flexión piezoeléctrico comprende preferentemente dos electrodos y una capa intermedia piezoeléctrica hecha de un material seleccionado del grupo que contiene titanato de circonato de plomo (PZT), nitruro de aluminio (AlN) u óxido de zinc (ZnO).
8. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
el volumen de análisis (1) comprende una cámara de muestra (7) y una cámara de referencia (9), en donde el emisor de infrarrojos se dispone de tal manera que irradia la cámara de muestra (7) y no la cámara de referencia (9), y en donde está presente un canal de conexión (11) entre la cámara de muestra (7) y la cámara de referencia (9), en cuyo canal está ubicada la estructura (5) capaz de vibrar.
9. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
la unidad de medición del detector de sonido es una unidad de medición óptica, que comprende preferentemente un emisor de fotones para generar un haz de fotones y un fotodetector, en donde el emisor de fotones se alinea con la estructura (5) capaz de vibrar de tal manera que las propiedades de vibración de la estructura (5) capaz de vibrar pueden medirse por medio del fotodetector.
10. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
la unidad de medición del detector de sonido es una unidad de medición eléctrica, preferentemente para medir las características de vibración de la estructura (5) capaz de vibrar mediante una medida de impedancia y/o una medida capacitiva.
11. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
el emisor de infrarrojos modulable comprende un elemento de calentamiento, en donde preferentemente el elemento de calentamiento comprende un sustrato sobre el cual se aplica al menos parcialmente una capa calentable de un material conductor, cuyo sustrato comprende contactos para una fuente de corriente y/o tensión.
12. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con la reivindicación anterior,
caracterizado porque el sustrato se selecciona de un grupo que comprende silicio, silicio monocristalino, polisilicio, dióxido de silicio, carburo de silicio, germanio de silicio, nitruro de silicio, nitruro, germanio, carbono, arseniuro de galio, nitruro de galio y/o fosfuro de indio y/o el material conductor para formar la capa calentable se selecciona preferentemente de un grupo que comprende platino, tungsteno, óxido de estaño (dopado), silicio monocristalino, polisilicio, molibdeno, titanio, tantalio, aleación de titanio-tungsteno, siliciuro metálico, aluminio, grafito y/o o cobre.
13. El espectroscopio foto acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
el dispositivo de control se configura para regular la temperatura del elemento de calentamiento en un intervalo entre 50 °C y 1000 °C, preferentemente entre 100 °C y 1000 °C.
14. Un método para analizar gas, que comprende
a. Provisión de un espectroscopio foto acústico para analizar gas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores
b. Irradiación del gas con radiación infrarroja (3) modulada a una frecuencia de modulación para generar ondas de presión sonora
c. Excitación de la estructura (5) capaz de vibrar con una frecuencia de excitación
d. Medición de las propiedades de vibración de la estructura (5) capaz de vibrar, que depende de la presión sonora
e. Determinación de la presión sonora del gas en función de las propiedades de vibración medidas.
15. El método para analizar gas de acuerdo con las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque
se determina el perfil de tiempo de las ondas de presión sonora generadas por medio de la radiación infrarroja modulada (3).
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