Claims (27)
1. Устройство для анализа вещества, содержащее:1. A device for analyzing a substance, comprising:
- измерительный элемент (1, 1a), который имеет измерительную поверхность (2) и выполнен с возможностью связываться, по меньшей мере, частично с веществом (3) в области измерительной поверхности для осуществления измерения, в частности, выполнен с возможностью связываться непосредственно или посредством среды, в частности жидкости, или может быть приведен в контакт непосредственно или также посредством среды,- a measuring element (1, 1a), which has a measuring surface (2) and is configured to communicate at least partially with the substance (3) in the region of the measuring surface to carry out the measurement, in particular, is configured to communicate directly or via media, in particular liquids, or can be brought into contact directly or also via a medium,
- источник возбуждающего луча, который выполнен с возможностью генерировать свет или возбуждающий луч с разными длинами волн, в частности, лазерное устройство (4), в частности, с квантово-каскадным лазером (ККЛ), настраиваемым ККЛ и/или с лазерным массивом, предпочтительно, представляет собой массив ККЛ, для генерации одного или более возбуждающих лучей (10) с различными длинами волн, предпочтительно в инфракрасной или средней инфракрасной области спектра, который направлен на вещество (3), когда измерительный элемент (1, 1a) в области измерительной поверхности (2) связан и/или находится в контакте с веществом (3), и- an excitation beam source that is configured to generate light or an excitation beam with different wavelengths, in particular a laser device (4), in particular with a quantum cascade laser (QCL), a tunable QCL and/or a laser array, preferably , is an array of QCLs, for generating one or more excitation beams (10) with different wavelengths, preferably in the infrared or mid-infrared region of the spectrum, which is directed at the substance (3) when the measuring element (1, 1a) is in the region of the measuring surface (2) is bound and/or in contact with the substance (3), and
- детекторное устройство (5, 6, 7), которое, по меньшей мере, частично интегрировано в измерительный элемент (1, 1a) или связано с ним, и включает в себя следующее:- a detector device (5, 6, 7) which is at least partially integrated in or associated with the measuring element (1, 1a) and includes the following:
источник (5) детекторного света, предпочтительно когерентного детекторного света (11), а также a source (5) of detector light, preferably coherent detector light (11), and
подключенную или выполненную с возможностью подключения к упомянутому источнику детекторного света первую световодную структуру (6), которая направляет детекторный свет, и показатель преломления которой по меньшей мере на участках зависит от температуры и/или давления, причем первая световодная структура содержит, по меньшей мере, один участок (9), на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света в по меньшей мере части первой световодной структуры (6) вследствие изменения температуры или давления.a first light guide structure (6) connected or configured to be connected to said detector light source, which directs the detector light and whose refractive index at least in sections depends on temperature and/or pressure, the first light guide structure comprising at least one area (9), in which the light intensity depends on the phase shift of the detector light in at least part of the first light guide structure (6) due to changes in temperature or pressure.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, участок проекции первой световодной структуры (6) в направлении нормалей к измерительной поверхности (2) перекрывается с этой измерительной поверхностью (2).2. The device according to claim 1, characterized in that at least the portion of the projection of the first light guide structure (6) in the direction normal to the measuring surface (2) overlaps with this measuring surface (2).
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что для модуляции интенсивности возбуждающего луча (10) предусмотрено устройство (8) модуляции.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a modulation device (8) is provided for modulating the intensity of the exciting beam (10).
4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что оно содержит измерительное устройство (7) для прямого или косвенного определения интенсивности света в первой световодной структуре (6), в частности на участке (9), на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света в по меньшей мере части первой световодной структуры вследствие изменения температуры или давления.4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that it comprises a measuring device (7) for directly or indirectly determining the light intensity in the first light guide structure (6), in particular in the area (9) in which the light intensity depends on the phase shift of the detector light in at least a portion of the first light guide structure due to a change in temperature or pressure.
5. Устройство по пп.1, 2, 3 или 4, отличающееся тем, что детекторное устройство содержит интерферометрическое устройство, в частности интерферометр (12) и/или резонансный элемент световода, в частности резонансное кольцо (13) или резонансный корпус.5. Device according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the detector device comprises an interferometric device, in particular an interferometer (12) and/or a resonant element of the light guide, in particular a resonant ring (13) or a resonant housing.
6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что первая световодная структура (6), в частности интерферометрическое устройство первой световодной структуры, включает в себя по меньшей мере один стекловолоконный световод (14), который по меньшей мере участками прочно соединен с измерительным элементом (1).6. The device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the first light guide structure (6), in particular the interferometric device of the first light guide structure, includes at least one glass fiber light guide (14), which is at least in sections firmly connected to the measuring element (1).
7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что световод (15, 16) первой световодной структуры (6), в частности интерферометрическое устройство первой световодной структуры, интегрирован в подложку (1а) измерительного элемента или соединен с подложкой, при этом первая световодная структура (6), в частности, содержит, по меньшей мере, один кремниевый оптический световод, который соединен с изолирующей подложкой или встроен в изолирующую подложку, и причем, в частности, кремниевый оптический световод по меньшей мере частично покрыт изолятором, в частности SiO2.7. Device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the light guide (15, 16) of the first light guide structure (6), in particular the interferometric device of the first light guide structure, is integrated in the substrate (1a) of the measuring element or connected to the substrate, wherein the first light guide structure (6) in particular comprises at least one silicon optical light guide, which is connected to the insulating substrate or embedded in the insulating substrate, and moreover, in particular, the silicon optical light guide is at least partially covered with an insulator, in particular SiO 2 .
8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) проходит через материал измерительного элемента (1, 1а), в частности, в области измерительной поверхности измерительного элемента или в области, прилегающей к измерительной поверхности (2) или в области, непосредственно граничащей с измерительной поверхностью, причем измерительный элемент или область, проходимая возбуждающим лучом (10), является прозрачной для возбуждающего луча. 8. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation beam (10) passes through the material of the measuring element (1, 1a), in particular in the area of the measuring surface of the measuring element or in the area adjacent to the measuring surface (2) or in the area directly adjacent to the measuring surface, wherein the measuring element or the area traversed by the exciting beam (10) is transparent to the exciting beam.
9. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) направляется внутри измерительного элемента (1, 1а) или на измерительный элемент через вторую световодную структуру (17).9. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation beam (10) is directed inside the measuring element (1, 1a) or onto the measuring element through the second light guide structure (17).
10. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) проходит в непрерывной выемке (18) измерительного элемента между лазерным устройством (4) и веществом (3), подлежащим измерению, причем выемка заканчивается, в частности, на удалении от измерительной поверхности или проходит через измерительную поверхность (2), или расположена в области, которая непосредственно примыкает к измерительной поверхности и/или граничит с ней.10. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation beam (10) passes in a continuous recess (18) of the measuring element between the laser device (4) and the substance (3) to be measured, the recess ending in particular at distance from the measuring surface or passes through the measuring surface (2), or is located in the area that is directly adjacent to the measuring surface and/or adjoins it.
11. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 1а) выполнен в виде плоского корпуса, в частности, в виде плоскопараллельного тела в форме пластины, причем, в частности, толщина измерительного элемента в направлении, перпендикулярном к измерительной поверхности (2), составляет менее 50% наименьшей протяженности измерительного элемента в направлении, проходящем в измерительной поверхности, в частности, менее чем 25%, еще в частности менее чем 10%.11. The device according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring element (1, 1a) is made in the form of a flat body, in particular in the form of a plane-parallel body in the form of a plate, and, in particular, the thickness of the measuring element in the direction perpendicular to measuring surface (2) is less than 50% of the smallest extent of the measuring element in the direction passing in the measuring surface, in particular less than 25%, still in particular less than 10%.
12. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 1а) имеет или несет зеркальное устройство (19) для отражения возбуждающего луча (10), испускаемого лазерным устройством (4), на измерительную поверхность (2).12. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring element (1, 1a) has or carries a mirror device (19) for reflecting the exciting beam (10) emitted by the laser device (4) onto the measuring surface (2).
13. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) направлен параллельно измерительной поверхности (2) или под углом менее 30 градусов, в частности, менее 20 градусов, более конкретно, менее 10 градусов, или менее 5 градусов к измерительной поверхности в измерительном элементе (1, 1a), причем возбуждающий луч отклоняется или отводится в направлении измерительной поверхности, причем возбуждающий луч проходит, в частности через измерительную поверхность или через воображаемое продолжение измерительной поверхности в области непрерывной выемки (18) в измерительном элементе.13. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation beam (10) is directed parallel to the measuring surface (2) or at an angle of less than 30 degrees, in particular less than 20 degrees, more specifically less than 10 degrees, or less than 5 degrees to the measuring surface in the measuring element (1, 1a), wherein the excitation beam is deflected or retracted in the direction of the measuring surface, the excitation beam passing, in particular, through the measuring surface or through an imaginary continuation of the measuring surface in the region of a continuous recess (18) in the measuring element.
14. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что в измерительном элементе (1, 1a), при рассмотрении от измерительной поверхности (2) позади и/или рядом с детекторным устройством (5, 6, 7), в частности первой световодной структурой (6), в частности, примыкая к ней и в тепловом контакте размещен по меньшей мере один охладитель (20) в виде твердого тела или материала, причем, в частности удельная теплоемкость и/или удельной теплопроводность упомянутого твердого тела или материала охладителя превышает удельную теплоемкость и/или удельную теплопроводность материала детекторного устройства (5, 6, 7) и/или первой световодной структуры и/или подложки (1а) первой световодной структуры (6) и/или других материалов, из которых состоит измерительный элемент (1, 1a), и/или предусмотрен барьер (30, 40, 41) в измерительном элементе (1, 1a), что по меньшей мере, частично предотвращает воздействие тепловой волны и/или волны давления на часть детекторного устройства, в частности, на часть первой световодной структуры (6), далее. в частности на опорное плечо интерферометра, и/или первая световодная структура (6) детекторного устройства содержит по меньшей мере два измерительных участка (15а, 16а), которые расположены, в частности, в разных плечах интерферометра, и в которых показатель преломления изменяется в зависимости от давления и/или изменений температуры, в частности, от тепловой волны и/или волны давления, так что фазовый сдвиг проходящего через измерительные участки детекторного света и, как следствие, изменение интенсивности детекторного света, происходит на следующем участке в зависимости от изменений давления и/или температуры, причем два измерительных участка расположены в измерительном элементе таким образом, что через них один за другим во времени, в частности, в смещенных во времени временных промежутках или с интервалом времени проходит волна давления и/или тепловая волна, которая от измерительной поверхности (2), в частности от области измерительной поверхности, в которой через нее проходит возбуждающий луч, распространяется в измерительном элементе.14. The device according to any of the preceding claims, characterized in that in the measuring element (1, 1a), when viewed from the measuring surface (2) behind and/or next to the detector device (5, 6, 7), in particular the first light guide structure (6), in particular, adjacent to it and in thermal contact, at least one cooler (20) is placed in the form of a solid body or material, and, in particular, the specific heat capacity and / or specific thermal conductivity of the said solid body or coolant material exceeds the specific heat capacity and/or thermal conductivity of the material of the detector device (5, 6, 7) and/or the first light guide structure and/or the substrate (1a) of the first light guide structure (6) and/or other materials that make up the measuring element (1, 1a ), and/or a barrier (30, 40, 41) is provided in the measuring element (1, 1a), which at least partially prevents the effect of a thermal wave and/or a pressure wave on a part of the detector device, in particular, on a part of the first light guide structure (6), further. in particular on the reference arm of the interferometer, and/or the first light guide structure (6) of the detector device comprises at least two measuring sections (15a, 16a), which are located, in particular, in different arms of the interferometer, and in which the refractive index varies depending on on pressure and/or temperature changes, in particular on a heat wave and/or pressure wave, so that a phase shift of the detector light passing through the measuring sections and, as a result, a change in the intensity of the detector light, occurs in the next section depending on pressure changes and /or temperature, wherein two measuring sections are located in the measuring element in such a way that through them one after the other in time, in particular in time intervals shifted in time or with a time interval, a pressure wave and/or a heat wave passes, which from the measuring surface (2), in particular from the area of the measuring surface in which air passes through it excitation beam propagates in the measuring element.
15. Датчик, в частности для устройства по любому из предшествующих пунктов, с измерительным элементом (1, 1a), который имеет измерительную поверхность (2) и в области измерительной поверхности для измерения температурной волны и/или волны давления, по меньшей мере, частично связан с веществом (3), в частности, приведен в контакт,15. A sensor, in particular for a device according to any one of the preceding claims, with a measuring element (1, 1a), which has a measuring surface (2) and in the region of the measuring surface for measuring a temperature wave and/or a pressure wave, at least partially associated with the substance (3), in particular, brought into contact,
и с детекторным устройством (5, 6, 7), которое, по меньшей мере, частично интегрировано в измерительный элемент (1, 1a) или соединено с ним и которое включает следующее:and with a detector device (5, 6, 7) which is at least partially integrated in or connected to the measuring element (1, 1a) and which includes the following:
источник (5) когерентного детекторного света (11), а такжеa source (5) of coherent detector light (11), and
первую световодную структуру (6), которая может быть связана или связана с источником детекторного света и которая направляет детекторный свет, причем показатель преломления упомянутой первой световодной структуры, по меньшей мере, на участках, зависит от температуры и/или давления,a first light guide structure (6) which can be coupled or coupled to a detector light source and which guides the detector light, wherein the refractive index of said first light guide structure, at least in sections, depends on temperature and/or pressure,
по меньшей мере, один участок (9), на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света по меньшей мере в части первой световодной структуры (6) вследствие изменения температуры или давления, причем первая световодная структура содержит интерферометрическое устройство, в частности, интерферометр (12) и/или резонансное кольцо (13) световода или другой резонансный элемент световода, а такжеat least one area (9), in which the light intensity depends on the phase shift of the detector light, at least in part of the first light guide structure (6) due to changes in temperature or pressure, and the first light guide structure contains an interferometric device, in particular, an interferometer ( 12) and/or the resonant ring (13) of the light guide or another resonant element of the light guide, as well as
измерительное устройство (7) для определения интенсивности света в интерферометрическом устройстве или на нем.a measuring device (7) for determining the light intensity in or on the interferometric device.
16. Способ управления устройством по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что модулированный возбуждающий луч (10), в частности, через измерительный элемент, направляют на вещество (3), которое необходимо проанализировать, при этом посредством детекторного устройства определяют профиль интенсивности света или периодическое изменение интенсивности света, причем его регистрируют для множества длин волн возбуждающего луча путем измерения изменения интенсивности света в первой световодной структуре или путем измерения интенсивности света из первой световодной структуры, и из зарегистрированных данных получают спектр поглощения анализируемого вещества.16. A method for operating a device according to any one of the preceding claims, characterized in that the modulated excitation beam (10), in particular through the measuring element, is directed to the substance (3) to be analyzed, wherein the light intensity profile is determined by means of the detector device or periodic change in light intensity, which is recorded for a plurality of wavelengths of the excitation beam by measuring the change in light intensity in the first light guide structure or by measuring the light intensity from the first light guide structure, and from the recorded data an absorption spectrum of the analyte is obtained.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что измерение проводят для разных частот модуляции возбуждающего луча (10), причем определяют скорректированный спектр поглощения из комбинации полученных спектров поглощения. 17. The method according to claim 16, characterized in that the measurement is carried out for different modulation frequencies of the excitation beam (10), and the corrected absorption spectrum is determined from the combination of the obtained absorption spectra.