JP2022528805A - 光音響ガスセンサデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
ガス中の成分の存在又は濃度を示す値を決定するための光音響ガスセンサデバイスは、基板と、基板の第1の側に配置された測定セル本体とを備える。基板及び測定セル本体は、測定容積を囲む測定セルを規定する。測定セルは、ガスが測定セルに入るためのアパーチャを備える。一実施形態では、アパーチャは、測定容積と測定セルの周囲との間のガス交換を可能にする。本デバイスは、電磁放射を放出するための電磁放射源と、成分による電磁放射の吸収に応答して、成分によって生成される音波を測定するためのマイクロフォンとをさらに備える。電磁放射源及びマイクロフォンは、基板の第1の側上及び測定容積中に配置される。マイクロフォンは、基板に面する底部ポートを有し、測定容積は、底部ポートに連通結合されている。
詳細な説明は、添付の図面を参照する。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
[1] ガス中の成分の存在又は濃度を示す値を決定するための光音響ガスセンサデバイスであって、
-基板(1)と、
-前記基板(1)の第1の側(11)に配置された測定セル本体(2)と、ここで、前記基板(1)及び前記測定セル本体(2)は、測定容積(3)を囲む測定セルを規定し、前記測定セルは、ガスが前記測定容積(3)に入るためのアパーチャ(4)を備え、
-電磁放射(8)を放出するための電磁放射源(7)と、
-前記成分による電磁放射(8)の吸収に応答して、前記成分によって生成される音波(9)を測定するためのマイクロフォン(6)とを備え、
前記電磁放射源(7)及び前記マイクロフォン(6)は、前記基板(1)の前記第1の側(11)上であって前記測定容積(3)中に配置され、
前記マイクロフォン(6)は、前記基板(1)に面する底部ポート(61)を有し、
前記測定容積(3)は、前記底部ポート(61)に連通結合されている、光音響ガスセンサデバイス。
[2] 前記測定セルの寸法は、2×2×2cm 3 よりも小さく、好ましくは1×1×1cm 3 よりも小さい、[1]に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[3] 前記測定セルの内面は、70%を超える、好ましくは80%を超える、より好ましくは90%を超える反射率を有し、
特に、前記測定セル本体(2)は、金属薄板又はプラスチックで作成される、[1]又は[2]に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[4] 前記測定セル本体(2)の内面及び/又は前記基板(1)の一部が、70%を超える、好ましくは80%を超える、より好ましくは90%を超える反射率を有する反射コーティング(21)でコーティングされており、
特に、前記反射コーティング(21)は金属から作成されている、[1]から[3]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[5] 70%未満の反射率を有する前記測定セルの内面に対する70%超の反射率を有する前記測定セルの内面の比は、20超、好ましくは50超、より好ましくは100超である、[1]から[4]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[6] 前記測定容積(3)に面する前記マイクロフォン(6)の上面(64)は、反射性材料で作られているか、又は前記反射コーティング(21)でコーティングされている、[4]に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[7] 前記測定容積(3)と前記マイクロフォン(6)の前記底部ポート(61)との間の開口部(63)は、10μmを超える、好ましくは50μmを超える、好ましくは10μmと100μmとの間である、より好ましくは50μmと100μmとの間である、前記基板(1)の前記第1の側(11)に垂直な寸法を有する、[1]から[6]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[8] 前記測定容積(3)と前記マイクロフォン(6)の前記底部ポート(61)との間の開口部(63)は、前記マイクロフォン(6)と前記基板(1)との間のはんだ(62)又はスペーサによって横方向に規定される、[1]から[7]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[9] -前記電磁放射源(7)を制御するように構成されたコントローラ(14)をさらに備え、
前記コントローラ(14)は、変調周波数で変調するために前記電磁放射(8)の強度を制御するように構成され、
前記変調周波数は、1Hzと100kHzとの間、好ましくは10Hzと200Hzとの間、より好ましくは20Hzと60Hzとの間であり、
特に、前記電磁放射源(7)は赤外線源であり、
特に、前記赤外線源のヒータ(73)、レーザ又はLEDのうちの1つは、前記変調周波数で切り替えられる、[1]から[8]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[10] 前記コントローラ(14)は、前記マイクロフォン(6)から測定信号を受信し、前記測定信号に応じて、特に前記測定信号の振幅に応じて、前記成分の存在又は濃度を示す値を決定するように構成され、
特に、前記測定信号は、変調周波数のあたりで帯域通過フィルタリングされる、[9]に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[11] -前記アパーチャ(4)をカバーするガス透過性膜(5)をさらに備え、
前記ガス透過性膜(5)は、前記測定容積(3)と前記測定セルの周囲との間のガス交換のために透過性であり、
特に、前記ガス透過性膜(5)は、以下の材料:焼結金属、セラミック、プラスチックのうちの1つ以上で作成される、[1]から[10]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[12] 前記電磁放射源(7)は赤外線源であり、
前記赤外線源(7)は、
-帯域外の赤外放射を除去する波長選択帯域通過フィルタ(74)によってカバーされる広帯域源、
-メタ表面共振器を備える狭帯域源、のうちの1つである、[1]から[11]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[13] -前記基板(1)上に配置されるか又は前記基板(1)に組み込まれる、温度、湿度、圧力、ガス中の1つ以上の異なる成分、のうちの1つ以上を感知するための第2のセンサ(13)をさらに備え、
特に、前記第2のセンサ(13)は、測定セルの内部に位置付けられる、[1]から[12]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[14] 前記コントローラ(14)は、前記第2のセンサ(13)の測定値に応じて、前記成分の存在又は濃度を示す前記値を補償するように構成され、
特に、前記コントローラ(14)は、前記基板(1)上に配置されるか、又は前記基板(1)に一体化される、[9]に従属する[13]に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[15] 前記電磁放射源(7)及び前記マイクロフォン(6)は、表面実装によって前記基板(1)の前記第1の側(11)上に配置され、
好ましくは、全ての電子コンポーネントは、表面実装によって前記基板(1)の前記第1の側(11)上に配置される一方、前記第1の側(11)の反対側の前記基板(1)の第2の側(12)は、前記光音響ガスセンサデバイスに電気的に接続するための接点のみを含む、[1]から[14]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
[16] 前記電磁放射源(7)は赤外線源であり、
赤外放射(8)の帯域は、4.3μmの波長を中心とし、
特に、前記帯域は、0.5μm未満の半値全幅を有する、CO 2 センサとして使用するための、[1]から[15]のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
Claims (16)
- ガス中の成分の存在又は濃度を示す値を決定するための光音響ガスセンサデバイスであって、
-基板(1)と、
-前記基板(1)の第1の側(11)に配置された測定セル本体(2)と、ここで、前記基板(1)及び前記測定セル本体(2)は、測定容積(3)を囲む測定セルを規定し、前記測定セルは、ガスが前記測定容積(3)に入るためのアパーチャ(4)を備え、
-電磁放射(8)を放出するための電磁放射源(7)と、
-前記成分による電磁放射(8)の吸収に応答して、前記成分によって生成される音波(9)を測定するためのマイクロフォン(6)とを備え、
前記電磁放射源(7)及び前記マイクロフォン(6)は、前記基板(1)の前記第1の側(11)上であって前記測定容積(3)中に配置され、
前記マイクロフォン(6)は、前記基板(1)に面する底部ポート(61)を有し、
前記測定容積(3)は、前記底部ポート(61)に連通結合されている、光音響ガスセンサデバイス。 - 前記測定セルの寸法は、2×2×2cm3よりも小さく、好ましくは1×1×1cm3よりも小さい、請求項1に記載の光音響ガスセンサデバイス。
- 前記測定セルの内面は、70%を超える、好ましくは80%を超える、より好ましくは90%を超える反射率を有し、
特に、前記測定セル本体(2)は、金属薄板又はプラスチックで作成される、請求項1又は2に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - 前記測定セル本体(2)の内面及び/又は前記基板(1)の一部が、70%を超える、好ましくは80%を超える、より好ましくは90%を超える反射率を有する反射コーティング(21)でコーティングされており、
特に、前記反射コーティング(21)は金属から作成されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - 70%未満の反射率を有する前記測定セルの内面に対する70%超の反射率を有する前記測定セルの内面の比は、20超、好ましくは50超、より好ましくは100超である、請求項1から4のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
- 前記測定容積(3)に面する前記マイクロフォン(6)の上面(64)は、反射性材料で作られているか、又は前記反射コーティング(21)でコーティングされている、請求項4に記載の光音響ガスセンサデバイス。
- 前記測定容積(3)と前記マイクロフォン(6)の前記底部ポート(61)との間の開口部(63)は、10μmを超える、好ましくは50μmを超える、好ましくは10μmと100μmとの間である、より好ましくは50μmと100μmとの間である、前記基板(1)の前記第1の側(11)に垂直な寸法を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
- 前記測定容積(3)と前記マイクロフォン(6)の前記底部ポート(61)との間の開口部(63)は、前記マイクロフォン(6)と前記基板(1)との間のはんだ(62)又はスペーサによって横方向に規定される、請求項1から7のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
- -前記電磁放射源(7)を制御するように構成されたコントローラ(14)をさらに備え、
前記コントローラ(14)は、変調周波数で変調するために前記電磁放射(8)の強度を制御するように構成され、
前記変調周波数は、1Hzと100kHzとの間、好ましくは10Hzと200Hzとの間、より好ましくは20Hzと60Hzとの間であり、
特に、前記電磁放射源(7)は赤外線源であり、
特に、前記赤外線源のヒータ(73)、レーザ又はLEDのうちの1つは、前記変調周波数で切り替えられる、請求項1から8のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - 前記コントローラ(14)は、前記マイクロフォン(6)から測定信号を受信し、前記測定信号に応じて、特に前記測定信号の振幅に応じて、前記成分の存在又は濃度を示す値を決定するように構成され、
特に、前記測定信号は、変調周波数のあたりで帯域通過フィルタリングされる、請求項9に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - -前記アパーチャ(4)をカバーするガス透過性膜(5)をさらに備え、
前記ガス透過性膜(5)は、前記測定容積(3)と前記測定セルの周囲との間のガス交換のために透過性であり、
特に、前記ガス透過性膜(5)は、以下の材料:焼結金属、セラミック、プラスチックのうちの1つ以上で作成される、請求項1から10のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - 前記電磁放射源(7)は赤外線源であり、
前記赤外線源(7)は、
-帯域外の赤外放射を除去する波長選択帯域通過フィルタ(74)によってカバーされる広帯域源、
-メタ表面共振器を備える狭帯域源、のうちの1つである、請求項1から11のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - -前記基板(1)上に配置されるか又は前記基板(1)に組み込まれる、温度、湿度、圧力、ガス中の1つ以上の異なる成分、のうちの1つ以上を感知するための第2のセンサ(13)をさらに備え、
特に、前記第2のセンサ(13)は、測定セルの内部に位置付けられる、請求項1から12のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - 前記コントローラ(14)は、前記第2のセンサ(13)の測定値に応じて、前記成分の存在又は濃度を示す前記値を補償するように構成され、
特に、前記コントローラ(14)は、前記基板(1)上に配置されるか、又は前記基板(1)に一体化される、請求項9に従属する請求項13に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - 前記電磁放射源(7)及び前記マイクロフォン(6)は、表面実装によって前記基板(1)の前記第1の側(11)上に配置され、
好ましくは、全ての電子コンポーネントは、表面実装によって前記基板(1)の前記第1の側(11)上に配置される一方、前記第1の側(11)の反対側の前記基板(1)の第2の側(12)は、前記光音響ガスセンサデバイスに電気的に接続するための接点のみを含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。 - 前記電磁放射源(7)は赤外線源であり、
赤外放射(8)の帯域は、4.3μmの波長を中心とし、
特に、前記帯域は、0.5μm未満の半値全幅を有する、CO2センサとして使用するための、請求項1から15のいずれか一項に記載の光音響ガスセンサデバイス。
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