NO300078B1 - Fotoakustisk gassdetektor - Google Patents

Description

Fotoakustisk teknikk er basert på en varmevirkning som er kjent som den fototermiske effekt. Disse teknikker utnyt-ter det prinsipp at absorbert strålingsenergi, særlig fra infrarød (IR-)stråling resulterer i trykkvariasjoner i et fast gassvolum, idet trykkvariasjonene er proporsjonale med den absorberte energimengde. Disse trykkvariasjoner kan så detekteres ved hjelp av en følsom trykksensor.

Denne oppfinnelse er rettet mot en fotoakustisk gassdetektor omfattende et kammer til å oppta den aktuelle gass eller gassblanding, en vei for pulset eller modulert IR-stråling inn i, gjennom og ut av kammeret, og en trykksensor innrettet til å registrere trykkendringer i kammeret bevirket av påtrykket IR-stråling.

Eksempler på kjente anvendelser av slik fotoakustisk teknikk er bl.a. å finne i patentpublikasjonen US-H651 og i en artikkel av C. F. Dewey Jr, R. D. Kamm, og C. E. Hackett: Acoustic amplifier for detection of atmospheric pollutants, Appl. Phys. Lett., Vol. 23, No. 11, desember 1973.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på vesentlige for-bedringer ved en fotoakustisk gassdetektor som nevnt ovenfor, ved å ta utgangspunkt i en konstruksjon basert på halvledermaterialer, særlig silisium- eller kvartselementer som f.eks. vanlig anvendt innen halvlederteknikken. Det nye og særegne ved gassdetektoren ifølge oppfinnelsen består således i første rekke i at kammeret for gassen eller gassblandingen, er dannet ved sammenføyning av i det minste to halvlederelementer, særlig silisium- eller kvarts-elementer fremstilt i planar-teknikk, hvorav i det minste et første element fra en hovedoverflate har en etset fordypning som utgjør en vesentlig del av kammerets volum, og at i det minste et av elementene er forsynt med en membran for trykksensoren, idet rommet foran membranen kommuniserer med kammeret.

For å frembringe et målesignal svarende til membran-svingningene som følge av trykkendringene i kammeret, kan flere forskjellige prinsipper tenkes anvendt, f.eks. et kapasitivt måleprinsipp. Slike prinsipper og teknikker er velkjente i forbindelse med silisium-trykksensorer og mikro-foner e.l., og skal ikke omtales nærmere her.

Konstruksjon og fremstilling av fotoakustiske gasssen-sorer på grunnlag av silisium- eller kvarts-mikromekanikk innebærer flere vesentlige fordeler. Slike gassensorer blir billige i produksjon og kan med fordel ha en eller flere membraner tildannet som en integrert struktur i et eller flere av de elementer som er sammenføyet for dannelse av gasskammeret. Planarteknikken vil i de fleste utførelser ifølge oppfinnelsen bli optimalt utnyttet når hvert av elementene har en i det vesentlige platelignende form.

Silisium og kvarts er velegnede materialer for fremstilling av fotoakustiske gassensorer bl.a. på grunn av at de er gjennomsiktige for IR-stråling. Kvarts har noe varierende transmisjonsegenskaper for IR-stråling avhengig av dennes bølgelengde. Det kan også tenkes benyttet andre halvledermaterialer, f.eks. halvledermaterialer av typen III-V-halv-ledere, i gassdetektorer ifølge foreliggende oppfinnelse.

En annen fordel ligger i de små dimensjoner som en slik gassdetektor kan ha, slik at kammervolumet for gassen kan gjøres meget lite. Dermed blir detektorens følsomhet for-bedret. Videre vil de små kammerdimensjoner også innebære at det blir lett å holde kontroll på temperaturen og trykket i gassen i kammeret. Ikke mindre viktig i en del anvendelser er dette forhold når de gasser som skal håndteres og måles er giftige eller av andre grunner bare bør eller kan foreligge i mindre mengder for den her aktuelle måling.

Den omtalte planarteknikk som-utgjør en vesentlig forut-setning for oppfinnelsen, muliggjør generelt dannelsen eller pålegning av diverse skikt eller belegg i gassdetektor-konstruksjonen med tanke på forskjellige virkninger og formål slik det vil fremgå også av den følgende beskrivelse.

I tillegg til anvendelsen for gassmåling, som først og fremst er omtalt ovenfor, kan en slik fotoakustisk gassdetektor også anvendes som låseinnretnihg for en laserlinje, f.eks. i avanserte kommunikasjonsystemer basert på optiske f ibre.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 i skjematisk tverrsnitt viser et eksempel på en første utførelsesform av gassdetektoren ifølge

oppfinnelsen,

fig. 2 viser på tilsvarende måte et eksempel på en annen utførelsesform av gassdetektoren ifølge oppfinnelsen, og

fig. 3 viser et tredje eksempel på en utførelsesform av gassdetektoren ifølge oppfinnelsen.

Det skal innledningsvis understrekes at tegningsfigurene er rent prinsipielle og skjematiske idet spesielt de relative dimensjoner som er vist, kan avvike til dels meget betydelig fra dimensjonsforholdene i tilsvarende praktisk fremstilte gassdetektorer.

Utførelsen på fig. 1 er basert på sammenføyning av to silisium- eller kvartselementer 4A og 4B som fortrinnsvis har en utpreget plateform med ytre overflater som i det vesentlige er belagt med et anti-reflekterende belegg 6A resp. 6B. Plateelementet 4A har også en motsatt eller indre hovedoverflate 9A innrettet til å ligge an mot og sammenføyes med en tilsvarende indre hovedoverflate 9B på plateelementet 4B. Ved denne sammenføyning blir det oppnådd en hermetisk forsegling mellom elementene 4A og 4B rundt hele omkretsen av komponen-ten. Metoder for slik sammenføyning er velkjente inne planarteknikken.

De indre hulrom som dannes ved sammenføyningen av de to plateelementer 4A og 4B omfatter først og fremst et kammer 1 innrettet til å oppta den aktuelle gass eller gassblanding, som er innrettet til å påvirkes av pulset eller modulert IR-stråling 2 som i dette eksempel tenkes påtrykket direkte gjennom tykkelsen av gassdetektoren slik at en betydelig eller vesentlig del av gassen i kammeret 1 blir påvirket av IR-strålingen for ved absorbsjon av denne å undergå trykk-varias joner svarende til pulsingen eller moduleringen av IR-strålingen.

Kammeret 1 er fremkommet ved etsing på kjent måte fra de respektive hovedoverf later 9A og 9B på plateelementene 4A og 4B før sammenføyningen av disse.

På tilsvarende måte er det dannet et felles rom 7 i tilknytning til membraner 3A og 3B som tjener til å omdanne trykkvariasjonene i gassen under måling eller deteksjon, til fortrinnsvis elektriske utgangssignaler for videre utnyttelse i vedkommende målesystem eller lignende. Rommet 7 innenfor membranene 3A og 3B kommuniserer med kammeret 1 gjennom en passasje 5 som også kan være tildannet ved etsing fra den indre overflate på et eller begge plateelementer 4A og 4B, på tilsvarende måte som kammeret 1 og rommet 7.

Ifølge en fordelaktig utførelse er de to membraner 3A og 3B ved utnyttelse av planarteknikken tildannet som integrerte strukturer i det tilhørende plateelement 4A resp. 4B. En slik integrert fremstilling av hensiktsmessige strukturer ligger vel til rette for planarteknikken, slik det vil være klart for fagfolk på området. Denne fremstillingsmåte innebærer ytterligere en fordelaktig utnyttelse av planarteknikken for å produsere gassdetektor-komponenter ifølge oppfinnelsen, på en rasjonell og effektiv måte. Dermed blir det også oppnådd en robust konstruksjon som samtidig kan dimensjoneres meget nøyaktig og dessuten ligger vel til rette for kapasitiv eller annen omvandling av membranutsvingene til ønskede måle- eller utgang ssignaler.

Det er klart at bare en membran kunne være tilstrekkelig i en slik gassdetektor, for å oppnå det ønskede målesignal. En konstruksjon med to motsatt vendende membraner 3A og 3B som på fig. 1, vil imidlertid som i og for seg er kjent kunne ha en gunstig utbalanserende virkning på ekstern støy som måtte forekomme, idet slik ekstern mekanisk støy gjennom sensorstrukturen vil påvirke de to membraner på ulik måte, mens trykkvariasjonene fra kammeret 1 vil innvirke likt på de to membraner.

Som vist på tegningen vil det normalt ikke være hensik-tsmessig å anbringe et anti-reflekterende belegg på de to membraner 3A og 3B. Derimot vil det i noen tilfeller kunne være fordelaktig å benytte anti-refleksjonsbelegg ikke bare utvendig som ved 6A og 6B på fig. 1, men også på enkelte flater i de innvendige hulrom 1, 5. eventuelt 7 i en slik gassdetektor.

Som i og for seg kjent fra den innledningsvis nevnte artikkel, kan det være en fordel at kammeret 1 med den aktuelle gass eller gassblanding opptatt i dette, er innrettet til å utgjøre et akustisk resonanskammer, idet den påtrykte IR-stråling 2 moduleres med frekvenser sammenfallende med kammerets egenfrekvenser. Det vil innsees at såvel volum og form av selve kammeret 1 samt passasjen 5 og rommet 7 som kommuniserer med kammeret, er med på å bestemme denne akustiske resonans, d.v.s egenfrekvensene i kammeret.

Som et alternativ eller tillegg til slik kammerresonans, er det mulig og fordelaktig i visse utførelser å konstruere membranen eller membranene 3A og 3B slik at denne eller disse oppviser resonans, idet den påtrykte IR-stråling helt tilsvarende det som er omtalt umiddelbart foran, moduleres med frekvenser sammenfallende med en av membran-egenfrekvensene.

Utførelsen på fig. 2 adskiller seg fra den på fig. 1 først og fremst ved at den er oppbygget med tre plateelementer 14A,14B og 14C, idet elementene 14A og 14B kan ansees å tilsvare de respektive elementer 4A og 4B på fig. 1, mens elementet 14C er et mellomliggende plateelement som i første rekke virker til relativ økning av volumet av kammeret 11. Som det fremgår av fig. 2 har således plateelementet 14C en fullt gjennomgående åpning for kammeret 11, og elementene 14A og 14B har tilsvarende fordypninger etset ut som i elementene 4A og 4B på fig. 1. Det resulterende, forholdsvis større kammer 11 kommuniserer med relativt mindre, separate rom 17A og 17B foran respektive membraner 13A og 13B på hvert sitt plateelement 14A og 14B. Rommet 17A kommuniserer med kammeret 11 gjennom en forholdsvis trang passasje 15A, mens rommet 17B tilsvarende kommuniserer med kammeret 11 gjennom en passasje 15B. Passasjene 15A resp. 15B kan her med fordel være etset ut fra den indre hovedoverflate 19A på elementet 14A, henholdsvis hovedoverflaten 19B på elementet 14B. Dermed blir fremstillingen av det mellomliggende plateelement 14C noe forenklet. På tilsvarende måte som i utførelsen på fig. 1 er de tre plateelementer her sammenføyet ved de indre hovedover-flater, henholdsvis 19A/19C1 og 19B/19C2. Også i denne ut-førelsen er det påført anti-refleksjonsbelegg 16A og 16B. Virkemåten av denne form for gassdetektor ifølge oppfinnelsen vil i høy grad være analog med den som er omtalt i forbindelse med fig. l, herunder eventuelle resonansvirkninger. Fordelen med utførelsen på fig. 2 er i første rekke at rom-mene 17A og 17B foran membranene kan tildannes med relativt mindre volumer, slik at trykkvariasjonene i kammeret 11 mer effektivt kan bevirke tilsvarende membranutslag. I denne forbindelse er det også av betydning at passasjene 15A og 15B er forholdsvis trange, d.v.s. opptar små gassvolumer. På den annen side er det klart at uførelsen på fig. 2 er noe mer komplisert og kostbar enn den på fig. 1.

I den tredje utførelsesform som er vist på fig. 3, inngår det igjen to plateelementer 24A og 24B, og et kammer 21 er her tildannet utelukkende ved etsing av en fordypning i plateelementet 24B. Denne utførelse er velegnet for laser-IR-kilder med lite stråletverrsnitt. Videre er bare plateelementet 24A forsynt med membran 23, med et rom eller en passasje 27 foran membranen, slik at full forbindelse med kammeret 21 blir oppnådd, med sikte på at trykkvariasjoner i dette skal påvirke membranen 23. Uttagningen for passasjen 27 er etset i plateelementet 24 fra dettes indre hovedoverflate 29A. Langs kantene er denne hovedoverflate sammenføyet med den indre hovedoverflate 29B på elementet 24B. Den ytre overflate på elementet 24A er forsynt med et anti-refleksjonsbelegg 26.

I denne utførelse er veien for IR-stråling 22 gjennom gassdetektoren, d.v.s. kammeret 21 anordnet noe annerledes enn på fig. 1 og 2, idet to reflekterende partier 25 og 28 innvendig i kammeret 21 tjener til å avbøye strålingen slik at denne får et forløp 22D gjennom kammeret 21 og trer ut av dette ved 22E slik som illustrert. En slik strålegang kan i visse tilfeller være praktisk fordelaktig. Det er klart at et slikt kammer 21 kan utformes på flere andre måter med mulig-het for varierende anbringelse av slike innvendige reflekterende partier eller belegg, for å oppnå ønskede veier eller forløp av den påtrykte IR-stråling. På fig. 3 er de skrå-flater som er forsynt med speilbeleggene 25 og 28, arrangert i passende vinkler, fremkommet ved etsingen av fordypningen for kammeret 21 i elementet 24B. I den forbindelse kan vinkler på 45° eller 54,7° være aktuelle i praksis.

I forbindelse med utførelsene på fig. 1 og 2 er det ikke angitt noe om hvordan de beskrevne kamre 1 og 11 fylles med den aktuelle gass eller gassblanding. Det er imidlertid klart

-Ol

at ved fremstillingen av gassdetektorene eller når disse skal klargjøres for aktuell måling, må gassfylling kunne skje, f.eks. gjennom passende åpninger, som så vil kunne forsegles slik at vedkommende gass blir permanent opptatt i detektoren. Dette er en bruksmåte som er av interesse når vedkommende gassdetektor er beregnet for måling eller deteksjon av en spesiell gass eller gassblanding. I andre anvendelser kan det være av betydning å la den aktuelle gass eller gassblanding strømme gjennom gassdetektoren mer eller mindre kontinuerlig. Rent skjematisk er det på fig. 3 vist en innføringsåpning 31 for dette formål. Det er klart at en tilsvarende utløpsåpning også må være tilstede for at gjennomstrømning skal kunne skje.

Den ovenfor gitte beskrivelse i tilknytning til tegningsfigurene tjener i det vesentlige til å forklare den prinsipielle oppbygning av gassdetektorer ifølge oppfinnelsen, på en temmelig skjematisk og elementær måte. I praktiske utførelser av slike detektorkomponenter vil det kunne tenkes en rekke varianter og detaljer som kan være hensiktsmessige for de enkelte anvendelser som kommer på tale. Således kan forskjellige typer lyskilder anvendes, såsom laser, termiske kilder og LED-lyskilder. Slike lyskilder vil også kunne anbringes direkte på gassdetektorens overflate mer eller mindre som en integrert del av den totale struktur. Videre vil disse utførelser kunne ha et særskilt vindu eller vinduer for den påtrykte IR-stråling, selv om hovedmaterialene silisium eller kvarts samt de omtalte anti-reflekterende belegg, er gjennomsiktige for IR-stråling.

Innfallsvinkelen for strålingen kan også varieres i forhold til det normale innfall som er illustrert på tegningsfigurene, idet hovedhensynet i så måte vanligvis er at mest mulig av IR-strålingen fra kilden skal tre inn i detektoren og gjennom gasskammeret i denne. For dette lys- eller strålingspåtrykk kan eventuelt også Brewstervinkelen utnyt-tes.

Som en ytterligere detalj i forbindelse med strålegan-gen, kan det være anordnet en særskilt deteksjonsinnretning for den IR-stråling som trer ut av gassdetektoren. Formålet med en slik deteksjon kunne være kontroll av strålegjennom-gangen og/eller utførelse av kalibrering.

Vedrørende membranene er det ovenfor nevnt et kapasitivt prinsipp for å oppnå et elektrisk utgangssignal, og her skal ytterligere nevnes piezoresistiv eventuelt piezoelektrisk og optisk effekt eller "tunnell"-effekt, som også kan benyttes.

Som en aktuell forseglingsmetode for sammenføyningen av de beskrevne plateelementer, er anodisk forsegling velegnet. Med sikte på langtids-stabilitet av den ferdige gassdetektor med fylling av en gass eller gassblanding, kan det benyttes passende og kjente belegningsteknikker for behandling av særlig de innvendige flater som omgir de beskrevne hulrom hvor selve gasskammeret utgjør et vesentlig volum.

I praktiske utførelser av gassdetektoren vil det kunne dreie seg om temmelig små dimensjoner, såsom en total tyk-kelse av de sammensatte plateelementer av størrelsesorden 1 mm, idet flateutstrekningen av elementene kan være vesentlig større. Eksempelvis kan de beskrevne membraner ha et overflateareal på 3 x 3 mm. Disse dimensjonsforhold er helt naturlige og problemfrie når konstuksjonen er basert på planarteknikk slik som beskrevet.

Claims (11)

1. Foto-akustisk gassdetektor omfattende et kammer (1.11.21) til å oppta den aktuelle gass eller gassblanding, en vei for pulset eller modulert IR-stråling (2,12,22) inn i, gjennom og ut av kammeret, og en trykksensor (3A-B,13A-B,23) innrettet til å registrere trykkendringer i kammeret bevirket av påtrykket IR-stråling (2.12.22) , karakterisert ved at kammeret (1,11,21) er dannet ved sammenføyning av i det minste to halvlederelementer, særlig silisium- eller kvarts-elementer (4A-B,14A-C,24A-B) fremstilt i planar-teknikk, hvorav i det minste et første element (4A-B,14A-B,24B) fra en hovedoverflate (9A-B,19A-B,29B) har en etset fordypning som utgjør en vesentlig del av kammerets (1,11,21) volum, og at i det minste et av elementene (4A-B,14A-B,24A) er forsynt med en membran (3A-B,13A-B,23) for trykksensoren, idet rommet (7,17A-B,27) foran membranen kommuniserer med kammeret (1,11,21).

2. Gassdetektor ifølge krav 1, karakterisert ved hvert av de nevnte elementer (4A-B,14A-C,24A-B) har en i det vesentlige platelignende form.

3. Gassdetektor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at membranen (3A-B,13A-B,23) er tildannet som en integrert struktur i et element (4A-B,14A-B,24A).

4. Gassdetektor ifølge krav 1, 2 eller 3, og forsynt med bare en membran karakterisert ved at et annet element (24A) enn det første element (24B) som har den etsede fordypning, er forsynt med membranen (23), og at rommet (27) foran membranen kommuniserer med kammeret (21) gjennom en passasje eller uttagning (27) etset fra en hovedoverflate (29A) av det annet element (24A) som er sammenføyet med den nevnte hovedoverf late (29B) av det første element (24B).

5. Gassdetektor ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at kammeret (1,11,21) er innrettet til å lukkes etter å være fylt med en gass, særlig med sikte på deteksjon eller måling av samme type gass i et rom utenfor kammeret.

6. Gassdetektor ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at kammeret (21) har åpninger (31) for gjennomstrømning av den gass som skal detekteres eller måles.

7. Gassdetektor ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at den er forsynt med i det minste ett reflekterende parti (25,28) innrettet til å innvirke på den IR-stråling (22) som påtrykkes.

8. Gassdetektor ifølge krav 7, karakterisert ved at det reflekterende parti (25,28) er tildannet på minst en innvendig overflate i kammeret (21).

9. Gassdetektor ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at det er tildannet ett eller flere anti-refleksjonsbelegg (6A-B,16A-B,26) utvendig på i det minste ett element (4A-B,14A-B,24A) og/eller innvendig i kammeret.

10. Gassdetektor ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at kammeret (1,11,21) med den aktuelle gass eller gassblanding opptatt i dette, er innrettet til å oppvise akustisk resonans med sikte på at den påtrykte IR-stråling (2,12,22) moduleres med frekvenser sammenfallende med den akustiske resonans i kammeret (1,11,21) .

11. Gassdetektor ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at membranen (3A-B,13A-B,23) med den aktuelle gass eller gassblanding opptatt i kammeret (1,11,21), er innrettet til å oppvise resonans, med sikte på at den påtrykte IR-stråling (2,12,22) moduleres med frekvenser sammenfallende med resonansen i membranen.