NO20151618A1

NO20151618A1 - Optisk trykksensor

Info

Publication number: NO20151618A1
Application number: NO20151618A
Authority: NO
Inventors: Ib-Rune Johansen
Original assignee: Tunable Infrared Tech As
Priority date: 2015-11-29
Filing date: 2015-11-29
Publication date: 2017-05-30
Also published as: CN108291849B; US20180321103A1; NO343314B1; EA034405B1; DK3380822T3; JP6783869B2; US10739220B2; BR112018010157A2; WO2017089624A1; JP2019500625A; BR112018010157B1; EA201890993A1; CA3004523A1; EP3380822B1; EP3380822A1; CN108291849A

Description

Inntil nylig har trykksensorer slik som mikrofoner vært basert på kapasitive strukturer og impe-dansmålinger. Dette har et antall ulemper forbundet med følsomhet, forspenning med høye spenninger, plassering av membran i forhold til bakelektrode, støy generert av squeeze-film-effekt mellom bakelektrode og membran, høye krav til forforsterkere og krav om at membranen må være så oppspent at forspenningen ikke drar membranen ned til bakelektroden. Disse ulempene bidrar til at løsningen blir kostbare og kompliserte.

I den senere tid har det kommet en del forskjellige løsninger som benytter optisk utlesning. I US2004130728 benyttes det et modulerbart gitter til å lese ut membranforflytningen. I US2005018541 beskrives en forbedring hvor en fokuserende diffraktiv struktur med moduler-bar diffraksjonseffektivitet benyttes til måling av blant annet trykk. I US2005105098 beskrives en Fabry-Perot-struktur med integrert detektor i den ene overflaten og membranen som den andre overflaten, og US5832157 og US7359067 beskriver hvordan en kan benytte en bølge-lengdestyrt laser i forbindelse med Fabry-Perot-sensor, og hvordan bølgelengden kan styres til å gi optimal respons. Styring av bølgelengde krever som regel kontroll av både temperatur og strøm på en diodelaser, og inkluderer ofte ekstra elementer som for eksempel Peltier-elementer, temperaturmålere, samt elektronikk for kontroll og regulering.

Felles for løsningen ovenfor er at de enten krever ekstremt nøyaktig prosessering og mange prosesstrinn for å produsere sensorelementet, eller at det kreves omfattende metodikk for kontroll og regulering. I tillegg er sensorprinsippene slik at de er følsomme for ekstern vibrasjon. Der er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å forbedre løsningene som er beskrevet ovenfor.

Oppfinnelsen omhandler en optisk trykksensor, for eksempel en mikrofon, som består av to membraner, men hvor lyden ikke treffer normalt på membranen, men kommer inn fra siden, som vist på Figur 1. Membranen kan være parallelle som i en Fabry-Perot, eller svakt uparallelle som i et Air-wedge shearing interferometer https:// en. wikipedia. org/ wiki/ Air- wedge shearing interferometer

Ved en trykkendring endrer avstanden mellom membranene seg, og avstandsendringen leses ut optisk. Dersom membranene er like tykke og like store, og har samme stress (mykhet), vil eksterne vibrasjoner påvirke begge membranene tilnærmet like mye i samme retning, og dersom en leser ut relativ avstand mellom membranene, vil en slik sensor være mindre påvirket av eksterne vibrasjoner og ekstern støy. Dette er en fordel i en rekke anvendelser, som ved deteksjon av svært svake signaler eller ved anvendelse i omgivelser med støy og vibrasjon. En slik anvendelse er fotoakustisk deteksjon i forbindelse med gass-sensorer, og hvor en ønsker å måle så svake signaler som mulig, men hvor eksterne vibrasjoner og ekstern støy ofte er begrensende. Ved fotoakustisk deteksjon benyttes ofte lave frekvenser, og denne oppfinnelsen er godt egnet til å fremskaffe sensorer med stor følsomhet på lave frekvenser. Membranene kan lages svært myke (lavt stress), og således bli svært følsomme for lave trykk ved lave frekvenser. Dersom en hadde forsøkt med myke membraner i en kapasitiv mikrofon, ville membranen bli trukket inn i bakelektrode, og mikrofonen ville ikke fungert. Siden denne oppfinnelsen ikke har en membran som blokkerer inngangen, slik som de aller fleste mikrofoner, har en mulighet til å trekke en gass-prøve inn mellom membranene. Dette medfører at en også kan integrere en adsorbsjonsenhet i tilknytning til membranene, slik at det er mulig å oppkonsentrere en gassprøve og siden frigjøre gassen inne i det lille volumet som er definert av membranene. Dette medfører at det er mulig å måle svært lave gasskonsentrasjoner med en relativt enkel sensor. Ved å anvende semipermeable membraner, for eksempel et sinteret filter med porer på mellom 0.1 og 50 mikrometer, og hvor tykkelsen av filteret kan være mellom 0.1 mm og 3 mm, kan en lage et akustisk filter som slipper inn gassen samtidig som det filtrer ut lavfrekvent støy fra utenomverden, og hindrer det fotoakustiske signalet fra å legge ut. Denne teknikken er kjent fra blant annet US4818882 og CH689925. Ved å kombinere denne kjente teknikken med denne oppfinnelsen, har en til sammen et system som er svært godt egnet til å undertrykke støy og vibrasjoner uten-fra, samtidig som en kan detektere svært svake signaler fra den fotoakustiske prosessen. Dette kan imidlertid forbedres ved å ytterligere legge til aktive eller passive filtre som fjerner ekstern støy på de eller den frekvensen som den fotoakustiske sensoren benytter.

Siden det anvendes et interferometrisk utlesningsprinsipp mellom to reflekterende overflater, kan avstanden mellom overflatene gjøres stor, og i praksis vil en ønske at avstanden er større enn 10 mikrometer, slik at en ikke er begrenset av squeeze-film effekter som demper det mekaniske utslaget, eller at det genereres støy. En praktisk avstand mellom membranene vil kunne være fra 10 mikrometer og opp mot 10 mm.

I et parallelt interferometer kan en tune inn arbeidspunktet ved å tune bølgelengden på lyset. Arbeidspunkter vil som regel være i nærheten av der sensoren er mest følsom, eller der hvor responsen er mest lineær, eller der hvor høyest en oppnår høyest dynamisk område, eller et kompromiss mellom disse egenskapene. Lyskilden er typisk en diodelaser (1), og bølgelengden kan tunes med å endre temperatur og/eller strøm gjennom diodelasere. En kan også tune arbeidspunktet ved å endre avstanden mellom membranene, f.eks med et PZT element, elektrostatiske krefter, termisk ekspansjon, og annet. En kan også endre arbeidspunktet ved å endre vinkelen på det kollimerte lyset relativt til membranene, f.eks ved flytte laserchipen relativt til linsen, eller endre vinkelen på membranchipen relativt til det kollimerte lyset.

Dersom membranen er svakt uparallelle, vil kollimert lys gjennom membranene frembringe et interferensmønster, for eksempel et linjemønster, og en kan så detektere dette mønsteret på et ID eller 2D array. Alternativt kan en oppnå et interferensmønster ved å la laserlyset ikke være 100 % kollimert, med å la det divergere eller konvergere svakt, og så detektere dette mønsteret på et array av detektorer. Eller, en kan innarbeide et antall recesser i membranene (eller flate, parallelle fordypninger), slik at det dannes flere forskjellige avstander i interferome-teret, men hvor hver avstand er lokalisert til et område, slik at det er mulig å lese ut hver avstand på sin respektive detektor. En kan med fordel tilpasse avstandene slik at en oppnår eller tilnærmet oppnår et faseskift på interferens-signalet 0° og 90°, eller 0°, 120° og 240°, eller 0°, 60° og 120°, eller annen kombinasjon som enkelt kan anvendes til å oppnå god følsomhet eller dynamikk. I sin enkleste form kan en sample inn flere kanaler og velge den som har best egnet arbeidspunkt, eller en kan benytte flere kanaler til å linearisere signalet og/eller utvide sensorens dynamiske område. Et alternativ til en recess vil være å legge på et materiale på den samme posisjonen, slik at den optiske veilengden endres, og en kan frembringe de ønskede faseskift på interferens-signalene.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer i detalj nedenfor, med referanse til de vedlagte tegningene, som illustrere oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Hvor

Figur 1 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen.

Figur 2 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender konvergerende

lys.

Figur 3 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender divergerende

lys.

Figur 4 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender skråstilt mem bran. Figur 5 illustrerer tverrsnittet av en annen utførelse av oppfinnelsen som anvender skråstilt

membran.

Figur 6 illustrerer tverrsnittet av tredje utførelse av oppfinnelsen som anvender skråstilt

membran.

Figur 7 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender recesser for

forskjellige avstander på forskjellige posisjoner.

Figur 8 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender en utbuling på

membranen for å generere forskjellige avstander på forskjellige posisjoner.

Figur 9 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender recesser for å

generere forskjellige avstander på forskjellige posisjoner.

Figur 10 illustrerer en typisk plassering av recessene i midten av membranen.

Figur 11 illustrere hvordan en kan generere 3 eller 4 høyder med kun en recess per mem bran. Figur 12 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender en aktiv trykk-kilde for å endre arbeidspunktet.

Figur 13 illustrerer tverrsnittet av en mulig fremstillingsmåte på silisiumskive.

Figur 14 illustrerer komponenten fra Figur 13 påmontert en semipermeable membran.

Figur 15 illustrerer en måte å fremstille en skråstilt membran på en silisiumskive.

Figur 16 illustrerer en mulig fremstillingsmetode for en stressrelaksert membran, inkludert

recesser.

Figur 17 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen anvendt som fotoakustisk

gassdetektor.

Figur 18 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen anvendt som fotoakustisk

gassdetektor, men med aktiv støyreduksjon.

Figur 19 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen anvendt som fotoakustisk

gassdetektor, hvor det anvendes et passivt filter for å undertrykke støy.

Figur 20 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen anvendt som fotoakustisk gassdetektor, men hvor gassen eksiteres i et rom som er koblet sammen med membranene. Figur 21 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen anvendt som fotoakustisk gassdetektor, hvor det er inkludert en adsorbsjonsenhet. Figur 1 viser en utførelse av oppfinnelsen. Vi har her en optisk trykksensor, for eksempel i form av en optisk mikrofon, bestående av to membraner (3 og 4), men hvor lydkilden (10) kommer inn fra siden i forhold til membranene. Membranen er montert på en bærestruktur (5), og et avstandsstykke (6) separer membranene med en ønsket avstand. Membranene, bærestrukturene, avstandsstykket og huset (8) som omslutter sensoren, utgjør til sammen tett eller nesten tett enhet for de frekvenser som vi ønsker å måle. Dersom det er en absolutt trykkmåler, må enheten være helt tett, men for en mikrofon anvendes det som regel en lekkasjekanal som står for trykkutjevning, og denne lekkasjekanalen har typisk en tidskonstant på mellom 0.01 og 10 sekunder.

En trykkøkning vil medføre at avstanden mellom membranene endres. Membranene (3 og 4) er typisk laget av et materiale som er delvis reflekterende og delvis transmitterende, slik at de to membranene til samme utgjør et interferometer. Hvis membranene er tilnærmet parallelle, vil de tilsammen danne et Fabry-Perot interferometer. Ved å sende lys med tilstrekkelig lang koherenslengde gjennom membranene, kan en lese ut endring av den relative posisjonen mellom membranene på en detektor (7) eller et detektor array (7). Typisk vil lyskilden (1) være en laser eller en smalbåndet LED. Dersom en ønsker at lyset skal være kollimert eller delvis kollimert, kan en anvende et optisk element (2). Dette kan typisk være en linse, som oftest refraktiv eller diffraktiv, eller reflektiv optikk. I Figur 1 sendes lyset relativt normalt inn på membranene. I enkelte tilfeller vil en unngå at lyset reflekteres tilbake inn i lyskilden, og en vil da velge å sende lyset litt på skrå igjennom membranene.

Avstandsstykket (6) har som primær oppgave å besørge at avstanden mellom bærestrukturene er relativt fiksert, men avstandsstykket kan også lages av et materiale som endrer avstanden, for eksempel PZT, som endrer avstanden ved påført spenning. Et slik materiale som endrer avstand ved ytre påvirkning, kan anvendes til å styre avstanden mellom membranene, og derved optimalisere arbeidspunktet for den interferometriske utlesingen. Arbeidspunktet kan også op-timaliseres ved å endre bølgelengden til lyskilden(l). Figur 2 viser hvordan en kan anvende konvergerende laserlys til å lage et interferensmønster (9). De forskjellige vinklene av lyset får forskjellig gangvei, og genererer et interferensmønster. Interferensmønsteret vil være avhengig av hvordan linsen (2) er utformet. Linsen kan kollimere lyset i den ene retningen, mens det konvergerer svakt i den andre, noe som innebærer en vanlig linse kombinert med sylinderoptikk. I moderne optikk er det mulig å generere omtrent de linsefunksjoner en ønsker. Interferensmønsteret kan så leses ut med et ID eller 2D detektorarray, eller en detektor med ringsegmenter, eller deler av ringsegmenter. Figur 3 viser hvordan en kan anvende konvergerende laserlys til å lage et interferensmønster (9). De forskjellige vinklene av lyset får forskjellig gangvei, og genererer et interferensmønster. Interferensmønsteret vil være avhengig av hvordan linsen (2) er utformet. Linsen kan kollimere lyset i den ene retningen, mens det divergerer svakt i den andre, noe som innebærer en vanlig linse kombinert med sylinderoptikk. Linsen kan lages av vanlig refraktiv optikk eller diffraktiv optikk. Interferensmønsteret kan så leses ut med et ID eller 2D detektorarray, eller en detektor med ringsegmenter, eller deler av ringsegmenter.

Dersom en velger å lage denne trykksensoren ved hjelp av metoder for mikromaskinering av halvledere, som for eksempel silisium, er det relativt enkelt å oppnå membraner som er parallelle. Det kan derimot være utfordrende å lage en membran med en kontrollert vinkel.

Figur 4 viser hvordan en kan sammenstille membraner som ikke er parallelle ved hjelp av et avstandsstykke (12). Lyset gjennom membranene kan være kollimert, divergerende eller

konvergerende. Dersom lyset er kollimert, og membranene er parallelle i den ene retningen, og svakt uparallelle i den andre retningen, vil det genereres et linjemønster som kan detekteres på et ID array. Avstandsstykket kan eventuelt være styrbart, slik at avstanden endres ved å tilføre

foreksempel spenning. En kan da anvende bare et enkelt detektor-element, men regulere høyden på avstandsstykket slik at en oppnår et anvendbart arbeidspunkt.

En annen metode å oppnå u-parallelle membraner er vist i Figur 5. Membranen kan være mikromaskinert, og laget på en slik måte at membranen blir u-parallell, enten ved at en

mikromaskinerer en høydeforskjell på den ene siden og lager en membran som er forankret på toppen på den ene siden og nede på høydeforskjellen på den andre siden, eller ved at en lager membranene på en wedged wafer. I begge tilfeller kan en benytte et avstandsstykke 6 som er svært parallelt, og samtidig oppnå en kontrollert vinkel mellom membranene.

Figur 6 viser en annen metode for å oppnå en vinkel mellom membranene. En kan lage uparallelle membraner ved å dra i den ene siden av membranen (11), for eksempel med elektrostatiske krefter. Avhengig av materialer og spenning, er det enkelte ganger mulig å få membranen til å sitte fast permanent, slik at det ikke er nødvendig å anvende spenningen permanent. Prinsippet kan anvendes til å stramme opp en membran som har for lavt stress, eller å styre avstanden mellom membranene slik at en oppnår et optimalt arbeidspunkt. Figur 7 viser hvordan en kan lage forskjellig optisk veilengde på forskjellige områder. Interferensmønstret mellom to membraner, belyst med kollimert lys, vil variere med avstanden, og dette mønsteret vil typisk gjenta seg for hver halve bølgelengde. Dersom refleksjonen er relativt lav, typisk under 50%, varierer interferensmønsteret langsomt, slik at det vil være mulig å kunne finne en avstand som representerer et område med god følsomhet og anvendbar linearitet (et optimalt eller nær optimalt arbeidspunkt). Dersom en lager en membran med flere forskjellige høyder, kan en finne et område som er egnet som arbeidspunkt, og anvende dette. Eller en kan lage et antall vel kontrollerte avstander, og benytte dette til å rekonstruere membranens bevegelse over flere perioder. Figur 8 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender en utbuling på membranen for å generere forskjellige avstander på forskjellige posisjoner. Denne utbulingen kan for eksempel være svakt kuleformet for å generere et ringmønster, eller trekantformet eller sagtannformet. Poenget er å fremskaffet et interferensmønster som varierer nok til å kunne finne et anvendbart arbeidspunkt eller eventuelt måle relativ posisjonsendring over flere inter-ferensperioder. Figur 9 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen som anvender recesser for å generere forskjellige avstander på forskjellige posisjoner. Ved å lage en recess(29) (fordypning) i membranen kan en generere to forskjellige høyder(24,25) mot en flat membran. Dersom den andre membranen også har en recess(28), kan en generere fire forskjellige høyder(24,25,26 og 27)hvis recessene 28 og 29 har forskjellig høyde, og tre forskjellige høyder dersom recessene 28 og 29 har samme høyde. Figur 10 illustrerer hvordan recessene kan plasseres i midten av membranen, slik at en ved å benytte en kollimert laser som belyser hele de aktuelle området, kan posisjonere en 2x2 detektor rett under membranene, uten ytterligere optikk. Plassering i midten av membranen vil som regel gi størst avstandsendring ved en trykkøkning. Figur 11 illustrere hvordan en kan generere 3 eller 4 høyder med kun en recess per membran. Dersom en lager silisiumskiver med mange membraner, kan en lage en halvmåneformet recess (25 og 27) som er rotert 45 grader. Dersom en tar to slike skiver ( en med recess 25 og en med recess 27), og legger dem mot hverandre med samme side inn eller med samme side ut, kan en generere tre høyder med bare ett skivedesign hvis recessene er like høye (25 =27), eller 4 høyder dersom recessene har forskjellig høyde. Typisk vil en lage for eksempel 10 x 10 slike membraner på en silisiumskive, og så bonde 2 slike skiver sammen, men med toppside mot toppside, eller bunnside mot bunnside.

Recessene kan være halvmåneformede eller rektangulære, eller det kan lages to mindre recesser ved siden av hverandre slik at de ligger innenfor området beskrevet av for eksempel recessen (25) eller (27). Fordelen med to små recesser er at forholdet mellom sidevegg og areal i recessen gjør at de små recessene blir stivere og holder formen sin bedre enn en stor recess, når membranen er fri.

Figur 12 viser en alternativ metode for å fremskaffe et anvendbart arbeidspunkt. Ved å benytte en høyttaler (34), primært med lukket bakvolum, kan en generere et kontrollert trykk på innsiden av mikrofonenes bakvolum, slik at avstanden mellom membranene er i nærheten eller på et optimalt arbeidspunkt. Denne metoden er uegnet for en sensor som må fungere kontinuer-lig, siden eksternt trykk og temperatur vil medføre at høyttalerens dynamikk blir utilstrekkelig, men metoden vil være godt egnet der hvor det er tilstrekkelig å holde et optimalt arbeidspunkt for et begrenset tidsrom.

En mulig fremstillingsmåte av oppfinnelsen er å lage både boksen på utsiden (34) med sine IR-transmitterende vinduer og membranene (30) på en og samme silisium-skive, som illustrert i

Figur 13. En kan da for eksempel benytte våtets til å lage en f.eks 400 u.m recess(32) på den ene siden av en 600 u.m tykk silisium-skive (31). På samme siden av skiven kan en lage en lavere recess (33), f.eks 50 u.m tykk, og forbinde denne til recessen 32 med en kanal. En kan så legge på et materiale som siden skal frietses og bli til membranen(30). En kan så lage to identiske skiver med de samme recessene, og så bonde dem sammen som vist over. Til slutt kan en ved hjelp av våtets frigjøre membranen, ved å etse ned recessene 35 fra ytterside. En kan så lese ut membranbevegelsen med en av metodene tidligere omtalt. Gassprøven som skal analyseres diffunderer eller pumpes inn måleområdet (34), og gassen blir så utsatt for relevante bølgelengder av lys i måleområdet(34) slik at det dannes et akustisk signal. Det akustiske signalet transporteres via kanalen og sørger for bevegelse av membranene.

Dersom en ikke aktivt fjerner silisumnitriden fra yttersiden av «boksen»(34), kan silisiumnitri-den fungere som antirefleksbelegg både på innsiden og utsiden av silisiumen.

Silisium-nitrid har brytningsindeks ca 2, og er således godt egnet for å kunne benyttes som an-tirefleks-belegg på silisium som har brytningsindeks på ca 3.4. Tykkelsen på denne antirefleks-belegget kan i enkelte tilfeller være omtrent det samme som tykkelsen på nitridmembranen (30), altså mellom 50 og 200 nm.

I Figur 13 viser vi hvordan to i hovedsak like deler (31) med membraner settes sammen til en enhet. Delene kan være laget på hver sin silsiumskive hvor resessene (32) og (33), samt kanalen etses først, hvorpå membran-materialet deponeres if orm av f.eks silisliumnitrid, silsiumok-synidtrid, diamantlignende carbonmaterialer, eller andre egnede membran-materialer. Når membran-materialet er pådeponert vil en som regel ønske å bonde skivene sammen. En kan da anvende mere avanserte bondemetoder som benytter overflateaktuering, og bonde skivene sammen uten å fjerne membranmaterialet på de flatene som skal bondes sammen, eller en kan fjerne membranmaterialet og et eventuelt oksidlag som ofte brukes til å beskytte overflaten og bonde skiven sammen med fusion bonding. Alternativt kan man benytte en tredje skive mellom de to andre. Dette kan være en pyrex-skive med gjennomgående hull der hvor membraner (30) og hulrom (34) er, og pyrex-skiven kan så bondes fast i de to andre ved hjelp av anodisk bonding.

Figur 14 illustrerer komponenten fra Figur 13 påmontert en semipermeabel membran. Ved å plassere en semipermeabel stiv membran (14), f.eks et sintret filter av metall eller aluminium-oksyd, på hver side av måleområdet (34), kan en lage et måleområde som er akustisk tett for

den frekvensen en måler med, mens f.eks gassen kan strømme langsomt inn i måleområdet. En slik semipermeabel stiv membran vil fungere som et akustisk lavpassfilter, som sørger for at det akustiske signalet fra den fotoakustiske målingen ikke lekker ut. Membranen (14) kan byttes ut med andre akustiske filtre som gir samme funksjon. Figuren viser en slik komponent laget av f.eks et halvledermateriale(31) som silisium, med en membran (30) av f.eks silisiumnitrid, og

hvor et sinterfilter er påmontert på sidene. Ved bruk av silisium som materiale, vil en kunne anvende silisiumet som IR-vindu.

Dersom recessene overlapper, kan en oppnå en total eller delvis stressrelaksasjon av membranen, ved at lengden på membranen blir lengre. For anvendelse i en mikrofon vil delvis stressre-aksjon være optimalt, for eksempel redusere stress i en silisiumnitridmembran fra 1 GPa og ned til 10-20 MPa.

Figur 15 viser en metode for å redusere stress i en membran. Ved å frietse membranen på en slik måte at den store recessen (35) er litt skjevstilt i forhold til membranen, vil en kunne oppnå å etse litt lengre ned (36) på den ene siden av membranen. Siden en membran ofte har høyt stress, og er utstrekt som et trommeskinn, vil membranen strekke seg ut til å bli tilnærmet rett, slik som illustrert med den stiplede membranen 37. En silisiumnitrid membran kan ha et stress på i størrelsesorden 1 GPa, og da er membranen ganske oppspent og ganske stiv. Bevegelsen av membranen blir da relativ liten ved et gitt lydtrykk. Dersom stresset i membranen reduseres til f.eks 10 MPa, vil membranen bli mye mykere (tilnærmet 100 ganger) og mye mer følsom ved det samme lydtrykket. En skråstilt membran laget etter prinsippet ovenfor vil gi to fordeler: mye lavere stress og større følsomhet, og de to membranene sammen skaper et skråstilt interferometer som gir ut et linjemønster dersom vi belyser det med en kollimert laser. Ved å plassere et detektor array i dette linjemønstret, kan en detektere de områdene som er mest følsomme for endring i avstand, og en kan også rekonstruere det akustiske signalet over flere perioder, dersom arrayet er langt nok til å dekke minst en periode av interferens-mønsteret.

Metoden med å redusere stress i en membran ved å frietse en endekant (36) kan selvfølgelig gjøres tilnærmet symmetrisk ved å frieste endekanten på begge sider like mye, eller på alle 4 sider. En kan da kombinere denne membranen med en av de andre metodene for å lese ut bevegelse på membranen. En kan også velge om sidekantene skal frietses eller ikke. Dersom sidekantene frietses blir membranen mykere.

Figur 16 illustrerer en mulig fremstillingsmetode for en helt eller delvis stressrelaksert membran, inkludert recesser. En mulig fremstillingsmetode for en helt eller delvis stressrelaksert membran, er å etse groper(40) uten skarpe vinkler eller kanter i f.eks en silisiumskive (42). Disse gropene kan være trekantformet eller mere avrundede, avhengig av type ets som anvendes. En kan så deponere på silisiumnitrid i en gitt tykkelse, f.eks 100 nm, og så kan en frietse membranen ved å fjerne silisiumskiven i det aktuelle området. Siden vanlig silisiumnitrid har høyt stress, vil groper uten skarpe vinkler typisk strekkes ut, og membranen blir relativt flat som illustrert nederst. Ved å dimensjonere dybde og form, eventuelt anvende flere groper ved siden av hverandre, kan en oppnå et ønsket stress og ønsket mykhet på membranen. I enkelte tilfeller ønsker en en recess med en gitt høyde, men en ønsker ikke at recessen også skal glattes ut og bli flat. Ved å etse en recess (38) med relativt skarpe vinkler, vil den pådeponerte membranen typisk legge seg tykkere i hjørnene, og membranen vil i hjørnene fungere litt som en falset plate, som jo typisk er stivere enn en ufalset plate. En kan videre forsterke denne metoden ved å lage en ytterligere recess (39) på yttersiden av den første (38). Denne nye recessen kan være smalere og dypere enn den første. Dybden bidrar til ytterligere avstiving, og er den tilstrekkelig smal, kan den fylles med et materiale. En mulighet er for eksempel å fylle den med polysilisium, og så siden etse polysilisiumen fra toppen, slik at den blir igjen nede i recessen 39, og avstiver denne. Poenget med denne avstivingen er å beholde området ved recessen 38 ganske flatt, slik at det egner seg for optisk utlesing. Videre kan en lage flere recesser ved siden av hverandre og med forskjellig dybde, slik en kan oppnå tilstrekkelig informasjon til å rekonstruere signalet over flere perioder og med godt signal-til-støy-forhold. Dersom en innfører en høyde forskjell som gir faseskift på 90 grader og eventuelt fortegnsendring mellom 2 signaler, er det mulig å rekonstruere signalet. Bedre resultater oppnås som regel med tre signaler med faseforskjell på 60 og 120 grader og eventuelle fortegnsendringer, da en unngår divisjon på null, og har ikke får problemer med å finne ut om signalet har snudd på toppen av en sinus. Det er fullt mulig å benytte mer enn tre høydeforskjeller. Videre kan en lage recessene slik at de har mønster som et detektor array på f.eks 2x2 detektorer eller 1x3, men det er også mulig å plassere detektorene en og en på et kretskort, og da kan en for eksempel anvende 3 enkeltdetektorer plassert under hver sin respektive recess eller høydeforskjell.

En slik sensor som vi nå har omtalt har en rekke anvendelser, og den er spesielt godt egnet til fotoakustisk deteksjon på grunn høy følsomhet og robusthet mot vibrasjoner og ekstern støy.

Figur 17 viser en mulig sammenstilling av en fotoakustisk detektor. Et sinterfilter, et flamme filter eller en semi-transmitterende/semi-permeabel membran (14) slipper gass inn i mikrofonen, og en lysstråle (15) eksiterer gassen inne i volumet, og genererer et fotoakustisk signal. Det semi-permeable filteret fungere som et akustisk lavpassfilter som slipper gassen inn, og reduserer ekstern lyd på den frekvensen som lyskilden moduleres på, og på eventuelle overharmoniske. På deteksjonsfrekvensen vil det semi-permeable filteret fungere som et lavpassfilter som ikke slipper ut trykkøkningen som genereres av den fotoakustiske prosessen.

Det er et poeng å benytte så tynne membraner som mulig, da massen til membranen da blir svært liten, og dermed lite påvirket av vibrasjoner. Det er videre et poeng å benytte så tynne membraner som mulig, da eksitert gass som treffer membranen vil avgi energi til denne, og membranen vil så avgi energien tilbake til gassen i form av varme og en trykkøkning. Jo tynnere membraner er og jo dårligere varmeledning denne har, jo mer vil gå til trykkøkning.

Lysstrålen (15) kan være alle typer elektromagnetisk stråling som kan absorberes av et medium eller en gass. Typisk anvendes UV, synlig eller IR-lys, men millimeterbølger og typiske radarbøl-ger absorberes også av gasser. Lysstrålen vil typisk være filtrert at et optisk filter, et elektronisk styrbart filter, et interferometrisk filter som en Fabry-Perot eller et Michelson-interferometer, eller en styrbar laser. Lysstrålen vil som regel være modulert, for eksempel pulset eller bølge-lengdemodulert.

Figur 18 viser hvordan ytterligere støyreduksjon kan oppnås ved å benytte aktiv støyreduksjon med motlyd, ved å bruke en ekstern mikrofon (16) og et høyttalerelement (17). Siden vi her kun snakker om å redusere ekstern støy på bare en frekvens, eller et smalt frekvensområde, er oppgaven mye enklere enn ved aktiv støyreduksjon på øretelefoner, mobiler etc. Det målte fotoakustiske signalet mellom membranene kan også trekke fra det målte signalet på mikrofon(16) etter dette er skalert med den målte reduksjonen gjennom det semi-permeable

filteret. Prinsippet er omtalt i US2012279280. En kan også måle styrken på ekstern støy ute ved mikrofonen 16 på den frekvensen som benyttes til den fotoakustiske målingen, og siden en vet hvor mye lyden dempes gjennom det semi-permeable filteret, kan en beregne om den eksterne støyen vil redusere signal—til-støy-forholdet (SNR). Dersom støyamplituden vil redusere SNR, vil kan en velge å ikke la den delen av signalet inngå i beregningen av gasskonsentrasjonen. I prinsippet kan en gjøre dette for hver enkelt puls fra den optiske kilden som genererer det fotoakustiske signalet. En kan lage en algoritme som integrerer opp amplituden for hver enkelt puls, og så forkaste de enkeltpulsene som vil ha støy som bidrar negativt, og så midle de øvrige målingene for å oppnå forbedre SNR.

Aktiv støyreduksjon ble oppfunnet allerede i 1933, US2043416, og det finnes en rekke modifika-sjoner og forbedringer av det opprinnelige designet. I et slikt design som i Figur 18 vil en semipermeabel membran (14) i form av et sinteret filter med 1 til 20 mikrometer porer, og en tykkelse mellom 0,1 og 6 mm, typisk ha en tidskonstant på flere sekunder, og vil da fungere som et akustisk lavpassfilter og kunne dempe eksternt støy med i størrelsesorden 40 dB ved en modu-lasjonsfrekvens på 100 Hz på lyskilden som skal eksitere gassen (15). En mikrofon(16) på yttersiden av dette akustiske lavpassfilteret kan måle støy fra omgivelsene, og en kan benytte høytta-lerelementet (17) til å sette opp et akustisk motfelt. I den enkleste form måler en amplituden på støyen, og sender det samme tilbake gjennom høyttaleren, men med motsatt fortegn, og skalerer amplitude for å fjerne så mye av støyen som mulig. Ofte er det lurt å begrense bånd-bredden rundt den aktuell frekvensen for deteksjon, men en bør sørge for at fasen på signalet ikke er endret vesentlig. Ved en frekvens på ca 100 Hz er den akustiske bølgelengden omtrent 3.3 meter, og hvis en ønsker at fasefeilen skal være mindre enn 1%, så må den relative avstanden mellom høyttaler og mikrofon være mindre enn 1 % for den gitte bølgelengde, altså 0.033 meter = 3.3 cm. Videre vil det være fordelaktig å plassere høyttaleren (17) så nært det akustiske lavpassfilteret som mulig, og mikrofonen (16) så langt unna som mulig, men primært med en fasefeil på mindre enn 1% for den aktuelle bølgelengden for deteksjon av det fotoakustiske signalet. Hvis den akustiske bølgen brer seg i et fritt rom, reduserer lydintensiteten seg med kvad-ratet av avstanden, og lydtrykket reduseres proporsjonalt med avstanden. Det er derfor være mulig å lage et lydfelt som er tilnærmet null ved den semipermeable membranen (14), samtidig som at lydfeltet ved mikrofonene er tilstrekkelig forskjellig, slik at et differanse signal kan genereres. Moderne støykansellerende hodetelefoner klarer typisk å redusere støyen med mellom 20 og 40 dB.

Bruk av et akustisk notchfilter som i Figur 19 er velkjent fra litteraturen. Volumet til et notchfilter (19) er ganske stort for lave frekvenser, og ved bruk i en gassdetektor vil gassvolumet i notchfilteret påvirke tidsresponsen til gassdetektoren. Dersom en gasskonsentrasjon tilføres, vil det medføre at gassvolumet inne i notchfilteret vil tynne ut den tilførte gasskonsentrasjonen, og således må gassvolumet inne i det akustiske notchfilteret også byttes ut før sensoren kan måle riktig konsentrasjon. Dette problemet kan løses med å anvende en myk membran (18). Membranen (18) medfører at gassen ikke fortynnes i volumet i notchfilteret, slik at tidsresponsen til gassdetektoren ikke reduseres, samtidig som at membranen er såpass myk at notchfilte-rets funksjon ikke påvirkes. En myk membran(18) gjør at det akustiske notchfilteret fungerer på i hvert fall de lave frekvensene, samtidig som tidsresponsen til gassdetektoren ikke reduseres ved at gassen i notchfilteret må byttes ut. I forbindelse med membranen (18) kan det anvendes en lekkasjekanal som bidrar til trykkutjevning mellom membranens for og bakside, slik at membranen ikke blir oppspent på grunn av trykkforskjeller. Videre vil det ved anvendelse ved lave temperaturer være en fordel om membranen er oppvarmet, slik at is eller annet påvirker membranens funksjon.

En kan også anvende en boks på utsiden, hvor det semi-permeable filteret (14) slipper gassen inn i boksen, og hvor boksen har 2 eller 4 vinduer (20), slik at det er mulig å anvende 4 uavhengige lyskilder, altså oversiden, undersiden, inn og ut av planet. Dette er illustrert i Figur 20. Fordelen med denne konfigurasjonen er at det er enklere å anvende lyskilder med størrelse fra 1 mm og opp. Boksen er koblet sammen med membranene, slik at et fotoakustisk signal som genereres i boksen overføres til membranene.

Ved å inkludere en adsorbs]onsenhet(21) tett ved det fotoakustiske målevolumet som vist i

Figur 21, og så anvende et filter(22) for å forhindre at gassen diffunderer ut av målevolumet, kan en oppkonsentrere gassen. Målevolumet er koblet til en suge eller pumpemekaniske via et rør(23). Adsorbsjonsenheten er typisk tilpasset den gassen vi ønsker å måle. Gassen trekkes gjennom adsorbsjonsenheten og avsettes i denne. Gassen kan så frigjøres ved å raskt varme opp adsorbsjonsenheten, og så kan gass-konsentrasjonen måles før den rekker å diffundere ut igjennom de semi-permeable membranene (14) og (22).

I en mikrofon eller en trykksensor må det finnes et volum bak membranen slik at membranen kan bevege seg når den blir utsatt for en trykkøkning. Spesielt for mikrofoner er dette viktig, da gassvolumet på baksiden av membranen (bakvolumet) vil kunne komprimeres så mye at det skapes en motkraft som begrenser mikrofonens følsomhet. Bakvolumet må derfor være stort nok til at det ikke begrenser membranens utslag. I vår utførelse, benytter vi to motstående membraner som er montert parallelt eller tilnærmet parallelt. For at en trykkøkning skal med-føre en endring av avstanden mellom membranene, må membranen ha et bakvolum som for-hindrer trykkøkningen i å påvirke baksiden av membranen med like stor kraft som forsiden. Bakvolumet må altså bestå av en tett eller tilnærmet tett innkapsling, og innkapslingen må minst være tett eller tilnærmet tett på den eller de aktuelle frekvensene som sensoren skal måle på. 1 vår utførelse benytter de to membranene et felles bakvolum. Dette gir flere fordeler. En fordel er at det er enklere å utforme og produsere en enhet med ett bakvolum enn å måtte produsere 2 bakvolumer, da det totale antall komponenter for sammenstilling blir færre. En mikrofon benytter typisk en lekkasjekanal fra omverden og inn til bakvolumet. Denne lekkasjekanalen be nyttes for å gi en trykkutjevning mellom omverden og bakvolumet, og uten denne ville endringer i statisk trykk inne i bakvolumet medføre at membranen typisk vil presses ut av det området hvor den er mest følsom. Lekkasjekanalen slipper altså inn f.eks luft, men lekkasjekanalen slipper kun inn lave frekvenser, slik at frekvensresponsen til mikrofonen ikke skal ødelegges. Med felles bakvolum trenges det kun en felles lekkasjekanal. En annen fordel er at lyskilde, detektor og membraner kan sammenstilles, og så kan det hele monteres inn i en felles innkapsling som også utgjør bakvolumet.

Innen gasskromatografi (GC) og masse-spektrometri er det vanlig å oppkonsentrere gassen.

Dette gjøres ved å sende gassen gjennom en adsorbent eller en sorbent, slik at sorbenten suger til seg den gassen vi er interessert i, tilsvarende en svamp. Når gassen er blitt adsorbert over et gitt tidsrom, eller et gitt volum av gass har blitt presset gjennom, lukkes volumet rundt sorbenten, og en frigjør gassen. Dette kan for eksempel gjøres ved å tilføre varme som frigjør gassen, eller redusere trykket slik at gassen damper av. En kan blant annet tilføre kjemikalier, gasser, lys, ultralyd eller elektromagnetisk stråling for å frigjøre den adsorberte gassen, og i enkelte tilfeller ønsker en at gassen skal endres, og da kan en kombinere sorbenten med en katalysator. Katalysatoren kan være en egen komponent, eller den kan legges på sorbenten. Slike sorbenter og sampling-systemer er kommersielt tilgjengelig fra leverandørene av GC og MS systemer. Slike sorbenter er ofte laget av porøs silisium(di)oksyd eller alumina, eventuelt andre keramer eller zeolitter med stor overflate.

Typisk for slike sorbenter som anvendes til gassmåling er at de adsorbere store molekyler, mens små molekyler som 02 og N2 slipper igjennom.

Vi ønsker å etterape nesen til en hund. Inne i hundens nese et det en rekke følsomme sensorer, reseptorer. Disse brukes til å detektere gassen og til å gjenkjenne gasstypen. Men det som gjør hundens nese så følsom er det avanserte samplingssystemet. En stor mengde luft dras inn i nesen, og molekylene fester seg til de fuktige slimhinnene inne i nesen. I tillegg er geometrien inne i hundens nese slik at det er stor sannsynlighet for at luktmolekylet fester seg på slimhinnene ved reseptorene. En hund snuser, med andre ord trekker den luft inn i analysatoren, så holder den luften i ro, og analyserer. Dette skal vi etterape så godt vi kan.

Vi klarer ikke enkelt å lage et system hvor vi har en fuktig slimhinne som gassen setter seg fast på. Vi kan derimot belegge en overflate med en sorbent, og opp-konsentrere gassen på denne, og siden frigjøre den. Det mest effektive vil være dersom en pumper gassen gjennom sorbenten, og er i stand til å frigjøre denne raskt. Dette kan gjøres ved å lage en membran med hull i eller en finmasket netting, og hvor membranen eller nettingen kan varmes opp raskt ved å sende strøm gjennom. Membranen belegges så med en sorbent med stor overflate, f.eks porøs alumina. I tillegg kan sorbenten gjøres aktiv ved hjelp av en katalysator eller andre kjemiske eller biologiske substanser som kan øke innfangningen av de relevante molekylene.

I enkelte tilfeller lønner det seg å benytte en viss temperatur på sorbenten og katalysatoren for å øke innfangningen, for så å øke den for å frigjøre gassen eller konvertere gassen til en annen som er enklere å detektere. Dette kan for eksempel anvendes til å detektere sprengstoff som inneholder nitrogen, hvor sprengstoffmolekylet adsorberes på en sorbent belagt med en katalysator, og hvor sorbenten raskt varmes opp og konverterer sprengstoffmolekylet til mange N20 (lystgass) molekyler.

En måte å lage et slikt membran er å mikro-maskinere en tynn membran i silisium, for eksemp-let med en tykkelse mellom 4 og 20 mikrometer, og dope denne membranen slik at den får en motstandsverdi som er egnet for rask oppvarming med tilgjengelige spenninger, og så lage en rekke hull i membranen for eksempel ved hjelp av tørretsing (DRIE). Hullene bør typisk ha en diameter på mellom 2 og 20 mikrometer. En kan så belegge den hullete membranen med en sorbent, f.eks ved hjelp av dippcoating med en løsning inneholdende porøs alumina i pulver-form, eller en kan legge på aluminium oksyd ved hjelp av sputtering eller PLD (Pulsed Laser de-position). Til slutt kan membranen belegges med en egnet katalysator, for eksempel ved å dyppe den i en løsning som inneholder katalysatoren.

Alternativt kan en benytte en netting av et motstandsmateriale. Dette kan for eksempel være en netting av FeCrAI legering, NiCr legering eller et annet motstandsmateriale som tåler ekspo-nering til luft. Nettingen kan være en forhåndsvevd netting som kontakteres på hver side, og hvor en så sender strømmen gjennom nettingen, eller den kan lages som en slags flatklemt spole. Poenget er at nettingen skal være delvis transmitterende for luften som suges igjennom, slik at den gassen vi er ute etter adsorberes på overflaten av sorbenten og katalysatoren.

En mulighet for å lage en kunstig slimhinne er å montere sorbenten på et kjøle-element, og så redusere temperaturen ned til under duggpunktet slik at det legger seg et tynt lag med vann på overflaten, og så sample gass over et lengre tidsrom, og siden varme opp sorbente/vannfilmen, og frigjøre gassen.

I det følgende vil vi kalle en enhet laget for å fange og frigjøre gass en adsorbsjonsenhet. En slik enhet kan være laget en membran, netting, motstands-tråd, kjøle eller varme-elementer, sorbenter, katalysatorer, kjemikalier osv.

Ved å plassere en adsorbsjonsenhet inne i den fotoakustiske sensoren, kan en gjøre volumet som gassen frigjøres inn i lite. Ved å plassere adsorbsjonenheten der hvor den tette veggen 6 er, og på utsiden av denne plassere et nytt sinterfilter, kan en lage et volum hvor gassen kun kan diffusere langsomt ut av. Alternativt kan en etter adsorbsjonsenheten benytte en kanal som er lang og tynn nok til at gassen ikke kan diffunderer raskt ut av målevolumet. En gasskanal med f.eks 1 mm diameter og 50 mm lengde vil ha en tidsrespons på gasskonsentrasjonsreduk-sjon på flere sekunder. Gasskanalen eller det semi-permeable filteret må dimensjoneres slik at gassen slipper langsomt nok ut til at vi rekker å måle den, samtidig må de også være tett nok til at det fotokaustiske signalet ikke lekker ut eller reduseres for mye.

I en utførelse vil vi anvende typisk anvende to akustiske detektorer og to adsorbsjonsenheter, og vekselvis dra gass inn i den ene sensoren og adsorbere gassen, mens en samtidig slår av gassgjennomstrømningen i den andre sensoren, frigjør den aktuelle gassen og gjennomfører gassmålingen i denne andre sensoren. Siden vil en veksle, slik at den andre sensoren adsorberer gass, mens den første analyserer. Typisk vil en slik cykel ta fra 2 to 60 sekunder, men cykeltiden kan gjørs både raskere og langsommere. En slik utførelse vil blant annet være godt egnet deteksjon av sprengstoff eller narkotika, hvor en cykeltid på ca 5 sekunder vil være praktisk. En slik sensor vil altså måle hele tiden, men vil kunne oppkonsentrere gassen 170 ganger hvis volumet i målecella er 0.5 ml, og gassen suges gjennom med 1 liter per minutt (1000 ml/60 sek = 17).

Til den optiske utlesingen av membran-forflytningene kan det typisk anvendes en laser eller en diodelaser som kilde. Dersom avstanden mellom membranene er kort nok, kan en LED eller en annen kilde med tilstrekkelig lang koherenslengde anvendes. I enkelte tilfeller er det ikke nød-vendig å anvende en linse, med andre ganger kan det være formålstjenlig å kollimere lyset ut fra kilden. Diodelasere i NIR og synlig er per i dag rimeligst, og detektorer av silisium kan anvendes dersom membranene er laget av materialer som transmitterer mellom 200nm og 1200 nm. Lyskilde og detektorer må tilpasses transmisjonen i det aktuelle membranmaterialet.

Claims

1. En optisk trykksensor hvor det benyttes interferometrisk utlesning, bestående av to membraner med essensielt like mekaniske egenskaper, hvorav minst en av membranene er både delvis transmitterende og delvis reflekterende, og hvor den andre membranen er minst delvis reflekterende, membranene er separert av et hulrom definert av et avstandsstykke, der avstanden mellom membranene er variabel for derved å tilveiebringe en forskyvningsfølsom Fabry-Perot resonator, og hvor de to membranene har et felles bakvolum, og hvor det felles bakvolumet er tett eller delvis tett på de frekvensene hvor en ønsker å måle, og hvor en trykkøkning medfører at avstanden mellom membranene endres med motsatt retning.

2. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, hvor en trykkøkning medfører at avstanden mellom membranene endres med tilnærmet lik avstand for begge membranene.

3. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, hvor trykkøkningen medfører en økt avstand mellom membranene.

4. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, hvor det benyttes minst en lyskilde og en detektor for å lese ut avstandsendringen, og hvor disse er plassert inne i det felles bakvolumet for membranene.

5. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, anvendt som mikrofon.

6. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, hvor sensoren er mest følsom når membranene er posisjonert parallelt eller tilnærmet parallelt til trykkbølgens retning.

7. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, hvor det benyttes et optisk element (for eksempel en linse), og hvor dette gir ut lys som er litt konvergerende eller litt divergerende, slik at det dannes et interferensmønster etter at lyset er har samvirket med de to membranene, og hvor minst deler av mønsteret treffer mer enn en detektor.

8. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, hvor en av membranene er skråstilt i forhold til den andre, slik at det dannes et interferensmønster etter at lyset har samvirket med de to membranene, og hvor minst deler av mønsteret treffer mer enn en detektor.

9. En optisk trykksensor i henhold til krav 8, og hvor membranene er fremstilt på silisiumskiver, og hvor skråstillingen oppnås ved å maskinere/etse inn en høydeforskjell på den ene side, deponere på membranmaterialet, og til slutt etse fri membranen fra baksiden av skiven, hvorpå stresset i membranmaterialet strekker membranen ut slik at en får en membran som er skrå i forhold til skivens opprinnelige overflate.

10. En optisk trykksensor i henhold til krav 8, og hvor membranene er fremstilt på silisiumskiver, og hvor skråstillingen oppnås ved å dra deler av membranen ned ved hjelp av elektrostatiske krefter.

11. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, og hvor membranene er fremstilt på silisiumskiver, men hvor det maskineres eller etses inn en eller flere resesser i silisiumskiven før membranmaterialet deponeres på, og hvor disse resessene gir endringer i formen til den frietsede membranen, slik at det er oppstår flere forskjellige avstander mellom de to membranene, og hvor disse kan leses ut optisk.

12. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, og hvor membranene er fremstilt på silisiumskiver, men det maskineres eller etses inn en resess som kan være halvmåneformet eller rektangulær, og hvor denne resessen er plassert i det midtre området at membranen, deponerer membranmaterialet og friestser membranen slik at resessen blir stående igjen, hvorpå en tar to slike silisiumskiver, snur den ene skiven og montere dem sammen slik at resessen på den ene skiven samvirker med resessen på den andre skiven slik at det dannes minst tre høydeforskjeller, og disse kan så leses ut optisk.

13. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, og hvor membranene er fremstilt på silisiumskiver, og hvor det lages en eller flere grøfter med skarpe vinkler i bunn og topp, og disse legges rundt resessen som skal gi høydeforskjellen, og på den måten stiver opp området rundt resessen slik at området med høydeforskjell blir relativt flatt.

14. En optisk trykksensor i henhold til krav 13, hvor grøfta er fylt med et materiale for å oppnå ytterligere avstivning.

15. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, og hvor membranene er fremstilt på silisiumskiver, og hvor det etses groper uten skarpe vinkler eller kanter innenfor området som er avsatt til membran, slik at når membranmaterialet deponeres og membranen så frietses, så vil gropene i membranen strekkes ut og det oppstår en reduksjon i membranets stress.

16. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, anvendt som en fotoakustisk gassdetektor, hvor en elektromagnetisk kilde anvendes til å generere en trykkendring.

17. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, anvendt til å måle gasser og fluider med magnetiske egenskaper, f.eks oksygen.

18. En optisk trykksensor i henhold til foregående 16 og 17, hvor en semipermeabel membran anvendes som et akustisk lavpassfilter som slipper gassen igjennom, med redusere akustisk støy inn til sensoren, samt reduserer lekkasjen av det fotoakustiske signalet ut til omgivelsene.

19. En optisk trykksensor i henhold til krav 18, hvor det lages et deteksjonsvolum mellom den semipermeable membranen og trykksensoren, og hvor dette deteksjonsvolumet utstyres med flere vinduer, slik at det er mulig å benytte flere elektromagnetiske strålingskilder på samme gassprøve.

20. En optisk trykksensor i henhold til krav 19, hvor deteksjonsvolumet er laget i samme silisiumskive som trykksensoren, men hvor deteksjonsvolumet er knyttet til sensorvolumet med en kanal, og hvor veggene i deteksjonsvolumet transmittere den aktuelle elektromagnetiske strålingen som anvendes for analysen av gassen.

21. En optisk trykksensor i henhold til krav 18, hvor det plasseres en mikrofon og en høyttaler på utsiden av den semipermeable membranen, og hvor aktiv støyreduksjon ved membranen utføres ved å sette opp motlyd, slik at lydamplituden ved den semipermeable membranen reduseres, primært ved den frekvens som anvendes til den fotoakustiske deteksjon av gass.

22. En optisk trykksensor i henhold til krav 18, hvor det plasseres et akustisk notch-filter på yttersiden av den semipermeable membranen, og hvor åpningen inn til resonatorvolumet i det passive notch-filteret er dekket med en gasstett membran som er tynn og myk nok til å ikke påvirke det akustiske signalet, og som sørger for at gassen ikke diffunderer inn i resonatorvolumet.

23. En optisk trykksensor i henhold til krav 22, hvor membranen er oppvarmet, slik at sensoren kan anvendes ved lave temperaturer uten at det akustiske filteret endrer respons.

24. En optisk trykksensor i henhold til krav 18, hvor den semi-permeable membranen også slipper inn gass til bakvolumet, slik at det oppstår trykkutjevning for statisk trykk og for frekvenser mye lavere enn deteksjonsfrekvensen.

25. En optisk trykksensor i henhold til krav 24, hvor den semi-permeable membranen slipper igjennom tilnærmet like mye trykk til bakvolumet som til hulrommet mellom membranene, slik at ekstern støy bidrar like mye på begge sider av hver membran, og således reduseres bidraget fra ekstern støy, spesielt på deteksjonsfrekvensen.

26. En optisk trykksensor i henhold til krav 16, hvor en adsorbsjonsenhet er integrert i volumet som anvendes til gassdeteksjon, og hvor det pumpes eller suges luft gjennom adsorbsjonsenheten for en gitt tid, hvorpå gjennomstrømningen slåes av, og den adsorberte gassen frigjøres, og hvorpå det gjennomføres en analyse av den frigjorte gassen.

27. En optisk gassdetektor i henhold til foregående krav, hvor to slike gass-sensorer benyttes i parallell, men hvor den ene analyserer gassen uten gjennomstrømning, mens den andre adsorberer gass fra gjennomstrømningen, og etter en gitt tid bytter de modus, og den første adsorberer mens den andre analyserer.

28. En optisk trykksensor i henhold til krav 1, hvor en anvender en enhet for å aktivt justere trykket i sensorens bakvolum, slik at avstanden mellom membranene justeres og gir ønsket arbeidspunkt.