TWI735466B - 雜波消除偵測器 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種光學式氣體偵測器，用於偵測已知波長的氣體吸收光，其中氣體偵測器包括兩實質上相同的平行薄膜，該等平行薄膜於其間界定一容積，該容積容納要研究的氣體，且氣體偵測器包括調變式第一光源，調變式第一光源以選擇的頻率發射該已知波長的光至該容積中，偵測器適於偵測該等薄膜之間的相對運動，且該等運動具有頻率係對應於脈衝光源的速率或速率的倍數，且其中該容積具有至少一開口，至少一開口允許該氣體不受限制地流動或擴散至該容積中。

Description

雜波消除偵測器
本發明係關於一種光學式氣體偵測器，用於偵測已知波長的氣體吸收光。
吸收型氣體感測器為眾所皆知的，其中光傳輸通過氣體混合物而朝向偵測器，其中特定氣體吸收特定特徵波長的光，且若傳輸的光譜與偵測的光譜兩者都已知，則可以知道氣體的濃度。但是，量測出傳輸光的光譜是複雜的處理，並且亦難以併入於精小、低成本的設備中，例如用於量測酒精含量的裝置。
已經開發出一些替代的解決方案，其中可利用氣體中的特定波長的吸收，因為該吸收會導致氣體中的溫度升高或壓力波動。已經證實，Brüel與Kjær發明的光聲式氣體偵測器（US 4,818,882）可偵測非常低位準的氣體。光聲式氣體偵測器的智慧型感測器（hart）為Brüel與Kjær所製作的非常良好的電容式麥克風。電容式麥克風的低頻靈敏度受限於薄膜所需的預應力。需要此預應力來避免電容式力量拉動薄膜至背板中。本發明將改良這部分，亦即，藉由使用光學讀出，允許薄膜製作得更加柔軟（較小的應力）。此外，Brüel與Kjær電容式麥克風具有全向響應。全向（或無方向性）麥克風的響應通常視為三維空間中的完美球體（參見https://en.wikipedia.org/wiki/Microphone）。這表示，電容式麥克風會從所有方向拾取雜波。本發明以數種方式對此進行改良，如同稍後解釋的。此外，Brüel與Kjær發明的光聲式氣體偵測器需要使氣體在封閉的容積內，以正常地工作。這表示，氣體感測器需要泵來輸送氣體至封閉的容積中，並且需要閥來密封該容積。本發明不需要泵或閥。
另一種光聲式偵測方法敘述於US2005/117155（US7245380）中，其中應用了脈衝光源。此發明最吸引人的一個特徵在於，它不需要像標準的光聲式方法使用泵或閥。脈衝光由流體吸收，並且在樣品流體中產生聲波，此聲波可藉由共振叉形晶體來偵測，由此可讀取所產生的信號。吸收的能量累積在晶體叉中，且晶體叉在共振頻率時作用如同機械濾波器。晶體叉較佳地由石英製成，石英適合用於液體中，但是在氣體中具有受限的耦合效率。脈衝速率受到晶體叉的共振頻率的限制，且這需要對於激發頻率的非常良好控制，以及用於補償共振頻率變化的方法，共振頻率變化係因為溫度、晶體叉的質量的變化（亦即，塵埃顆粒）或其他外部的影響。
因此，本發明的目的為提供一種精小且便宜的光聲式氣體感測器，對於外部振動具有低靈敏度，同時具有高靈敏度的氣體偵測。這可利用光學式氣體偵測器來獲得，其特徵如同所附申請專利範圍中所述的。
根據本發明的較佳實施例，氣體偵測器因此基於監測兩平行薄膜之間的距離，兩平行薄膜之間界定一容積。氣體將受偵測為從薄膜之間的容積向外傳播的波/脈衝的壓力或速度，因此推動兩薄膜朝向相反方向分開。來自環境的振動與外部聲學雜波將移動薄膜於相同的方向中，因此維持薄膜之間的距離，且因此將不會被偵測器偵測。
電容式麥克風因為封閉的後容積而具有全向響應，並且將從所有三個方向拾取雜波。沒有後容積的麥克風（就像基本的帶狀麥克風）會偵測雙向（亦稱為八字形）形態的聲音，因為帶狀麥克風在兩側都為打開的。因此，單一薄膜不夠靈敏來聽取來自側部的聲音，並且在垂直於薄膜的方向中具有主要的靈敏度。在本發明中，使用兩個單一薄膜，且它們仍然不夠靈敏來聽取來自側部的聲音或振動。垂直於薄膜的外部聲音或振動將移動兩薄膜，且因為我們正在量測兩薄膜之間的相對運動，所以來自外部來源的貢獻將顯著減少，且原則上為完全去除的，若來自外部來源的波長相較於兩薄膜之間的距離為長的。薄膜之間的氣體的吸收所產生的信號將推動薄膜分開，並且將不會消除。
可提供數種不同的機構來量測運動，例如使用如同WO2011/033028中所示的具有壓電環的對稱薄膜，壓電環電性連接，以在若薄膜移動於相同方向中時移除信號。使用壓阻式或電容式感測器方法，可做出類似的設計。
較佳地，使用干涉量測法來光學地量測薄膜之間的距離，亦即，採用WO 2003/046498中論述的量測系統。根據較佳實施例，薄膜因此構成法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer)中的反射鏡，根據薄膜之間的距離改變共振。
如同第1圖所示，氣體偵測器1實質上係相關於氣體容積2，氣體容積2由來自光源3的脈衝光束8照射。當光被吸收時，氣體容積膨脹並且利用力F推動兩薄膜4a、4b分開。如同圖式中所示，薄膜4a、4b之間的距離D將隨時間t變化，且D的變化振幅將相關於樣品中的目標氣體的濃度。氣體容積2不位於密閉的容器中，但是實質上自由移動或擴散至量測容積中，因此使得泵或用於獲得流動的其他機構為不必要的，雖然這將取決於所打算之感測器的用途與操作。氣體容積可簡單地由薄膜的位置界定，沒有任何其他壁部或容納的部件。
來自氣體激發的聲音的非常簡化模型為聲點源，產生球面波。來自球面波的聲壓的降低係正比於傳播距離r（參考“Elektroakustikk”，Jens JørgenDammerud，第四版，2013，第100頁），且聲音強度的降低係正比於r2 。這表示，若從聲點源至薄膜內部的距離為1mm，且從點源至薄膜外部的距離為10mm，則聲壓在外部為10倍低，且薄膜的運動由內部的直接路徑主導。
如同第1圖所示，氣體樣品中產生的聲信號可圍繞著薄膜4a、4b流動5，且因此可選擇薄膜的尺寸與脈衝頻率來避免負反饋，而且同時保持容積打開，以使氣體自由流動通過該容積。藉由正確地選擇薄膜的尺寸，外部處的壓力可具有薄膜4a、4b之間的壓力的相反相位，且因此增加信號強度。藉由產生20kHz的聲波脈衝，聲音的波長為17mm。若從容積至薄膜背側的傳播路徑為17mm，則後側與前側為同相的，且薄膜的運動減小或甚至消除。但是，若傳播路徑為17/2=8.5mm，則薄膜背側上的聲音為反相的，這會增加薄膜運動的振幅，且因此改良偵測器的信號。因此，薄膜與氣體容積的最佳尺寸可根據氣體中的聲速而變化。但是，只要運動並未完全消除，就會獲得量測值。
在第2圖中，偵測器包括聲學共振器6，聲學共振器6包圍第一與第二薄膜4a、4b，且當匹配於光源的脈衝速率時，聲學共振器6可放大振動，且因此放大信號。
在第3圖中，繪示了示意的例示，其中氣體7引入至薄膜4a、4b之間的空間中，薄膜4a、4b界定氣體容積2，且來自紅外線寬頻帶光源的光8照射氣體容積2，氣體容積2吸收特徵波長的光。薄膜4a、4b之間的距離係使用干涉量測機構來量測，亦即，採用WO 2003/046498中敘述的方法。為了獲得此量測，薄膜具有至少部分反射的表面，使得薄膜之間的空腔構成法布里-珀羅干涉儀，具有共振頻率係取決於薄膜之間的距離。一（或更多個）窄頻帶光源15(亦即，二極體雷射)用於傳輸監測光14通過薄膜4a與4b，並且至一或數個偵測器16上。一種替代的配置為讀出從薄膜反射的信號。光源15與偵測器16(包括用於聚焦或準直光的任何光學機構)通常放置成離薄膜大於0.1mm，較佳地數mm，以避免任何形式的擠壓薄膜效應產生雜波。為了獲得儘可能靈敏的感測器，薄膜中的應力應該儘可能低，通常在5與50MPa之間。
第4a圖與第4b圖例示了照射兩薄膜4a、4b之間的氣流7之光源。第4a圖從一側例示根據本發明的氣體偵測器，而第4b圖例示從上方看到的氣體偵測器。光源可為寬頻帶IR光源10，發射相當寬範圍波長的光。光由透鏡11準直並且傳輸通過法布里-珀羅干涉儀12，以選擇要偵測的氣體的特徵波長的至少一者。第二透鏡13用於將光聚焦在氣體樣品2處。此光源單元可設置在不同的實施例中，取決於要偵測的氣體與工作波長，且透鏡可為折射與衍射的。可使用WO2006/110041與WO2006/110042中敘述的CO量測濾波器於該光源。針對其他氣體，可使用WO2011/033028中敘述的濾波器於該光源。
可選擇將光聚焦在氣體容積處的第二透鏡13的焦距，以界定出窄錐體(至少在薄膜之間的方向中)，使得薄膜可以儘可能地靠近彼此而不會阻擋光。藉由聚焦光8，量測的容積2亦限制在聚焦區域中，類似於上述的聲點源。如同在第4b圖中可看到的，聚焦的光束並未傳播通過氣體樣品容積2附近的任何窗或其他材料，這是有利的，因為不會發生可能影響樣品中的狀況之額外的吸收，但是最重要的，未使用窗可避免聲信號的產生，這通常在光聲光譜測定法中為主要的限制。當沒有氣體存在時，窗的移除可允許零信號，而窗的使用通常賦予需要減去的基線信號，且此基線信號將隨時間變化，並且因此成為感測器精度的限制。
光源的調變可藉由打開與關閉光源來執行，但是這可能影響發射的光譜。另一種替代方式為以選擇的速率阻擋光束，例如使用旋轉輪或LCD。根據較佳的實施例，可使用法布里-珀羅干涉儀來來回掃描特徵波長，使得吸收以根據光具有正確波長時的速率發生。通常，若光源利用頻率f來進行波長調變，則信號可在1f、2f或3f處解調，且在一些情況中，使用較高階的諧波來解調。
為了避免聲波從所研究的氣體容積傳播至薄膜的背側，調變頻率必須相對高。若法布里-珀羅干涉儀以例如10kHz的速率掃描，則聲頻將為20kHz，這代表17mm的聲波長。第4a圖、第4b圖中所示的範例係基於1mm×0.2mm光源，傳輸光通過具有3mm直徑的F-P濾波器並且更遠至薄膜之間，且使用透鏡13來聚焦來自光源的光於薄膜之間。薄膜之間的距離通常可在0.3mm與5mm之間，取決於光源的尺寸。薄膜的尺寸通常可在1與25mm之間，且薄膜的厚度通常可在10與1000nm之間。利用直徑5mm的薄膜與厚度100nm的氮化矽薄膜，已經獲得良好的結果。
對於使用電容式麥克風或駐極體麥克風的任何系統來說，僅100nm的薄膜厚度為非常有利的，因為這些麥克風通常具有3000nm或更大的薄膜厚度。這表示，僅因為薄膜的重量，本發明對於外部振動的靈敏度可降低30倍。此外，伴隨而來的是量測兩薄膜之間的相對距離之優勢。
由法布里-珀羅干涉儀產生的響應曲線將取決於薄膜的反射，且低反射將得到類似餘弦的響應。無論如何，重要的是，監測在響應曲線上靈敏度為高的位置上之薄膜的運動。我們可稱此位置為感測器工作點。工作點可藉由調整兩薄膜之間的距離來獲得。藉由使用靜電致動器、壓電致動器或熱致動器，可做到這部分。或者，用於監測薄膜之間的相對位移之光源的波長可調整成匹配於工作點。
獲得合理工作點的第三種方式為藉由在薄膜中使用多個凹部，如同WO2014/202753中所述的。法布里-珀羅干涉儀所產生的干涉量測信號通常將隨著薄膜之間的距離每增加半波長而重複。針對具有低反射的薄膜，法布里-珀羅信號可近似於餘弦波形。若我們僅使用兩薄膜之間的干涉，工作點可在餘弦曲線的頂部或底部處，且靈敏度將非常低。改良此點的好方法為引入第二區域，其中薄膜之間的距離為90°異相（或90°+/- nx180°，n=0,1,2,3 ...）。當薄膜之間的距離改變時，我們現在將具有正弦與餘弦曲線，且我們能夠計算正確的距離變化。第二區域可利用薄膜中的凹部來製作。從實際的觀點來看，僅90°的相移有時可能難以用來計算正確的距離，因為運動方向中的變化周圍的模糊性。若我們再多使用一個凹部並且產生具有干涉信號的0°、120°與240°相位偏移（或n x 120°+ m x 360°，n=0,1,2，m = 0,1,2,3，..）之三個區域，則有較高的信心水準可以計算出正確的信號振幅。在一些情況中，甚至多於兩個凹部會是有利的。細節論述在WO2014/202753中，藉由引用將其併入本文。
本發明特別適用於微型化的氣體感測器系統。小於數cm3 的感測器可容易地製成，且可調式光源與雜波消除光聲偵測方法的組合可使此感測器非常適於多種不同應用，包括用於酒精鎖（alco-lock）的感測器、證據式酒測器、冰箱氣體、麻醉氣體等。
因此，本發明的較佳實施例係關於光學式氣體偵測器，用於偵測至少一已知波長的氣體吸收光。氣體偵測器包括兩實質上相同的平行薄膜，平行薄膜於其間界定一容積，該容積容納要研究的氣體，且氣體偵測器包括調變式第一光源，調變式第一光源以選擇的頻率發射該已知波長的光至該容積中。
偵測器適於偵測該等薄膜之間的相對運動，且運動的頻率係為該脈衝光源的頻率或頻率的倍數，以偵測氣體容積2中的脈衝光的吸收所導致的運動。這樣，導致薄膜在相同方向中運動的外部雜波將不會干擾量測。
此外，允許氣體不受限制地流動或擴散進與出偵測器，使得外部影響(例如溫度變化)將不會引起容積中的壓力的變化，以及因此薄膜之間的相對運動。
藉由監測兩薄膜之間的距離，可偵測該等運動，例如藉由在實質上垂直於薄膜的方向中傳輸監測光。若薄膜為部分反射的，且薄膜的至少一者對於傳輸光為部分透光的，則可獲得法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer)，且藉由監測來自法布里-珀羅干涉儀的傳輸或反射強度，可量測距離D的變化。
另外，可併入多個凹部至薄膜中，凹部的深度係最佳化，以給予相關的相位變化。藉由監測凹部產生的信號，可校正信號的振幅。
或者，薄膜之間的距離可藉由來自監測系統的反饋來調整，以獲得合理的工作點，或者藉由來自監測系統的反饋來調整監測光的波長，以獲得合理的工作點。
根據本發明的另一實施例，脈衝光通過薄膜中或薄膜之間的開口而傳輸至氣體容積中，例如，相同於氣體流動所使用的開口。標準的光聲感測器具有窗，這將導致聲信號(不管所選擇的材料為何)。因此，根據本發明的較佳實施例，並未使用光學窗來包圍該容積內的氣體，避免窗上的吸收所產生的任何信號。
光源可包括可調式法布里-珀羅濾波器，用於選擇波長及/或執行波長的調變，或者可使用可調式雷射，以選擇波長及/或執行波長的調變。
作為光學量測的替代方式，可使用壓阻式、壓電式或電容式機構，來監測薄膜之間的相對運動或距離。
光脈衝的脈衝速率與薄膜的尺寸係選擇成使得產生的振動的波長(取決於氣體的聲速與光束的脈衝速率)小於薄膜的直徑的一半，以避免薄膜的運動的消除。另外，氣體容積的總尺寸較佳地小於4cm3 ，以允許短的響應。
1‧‧‧氣體偵測器 2‧‧‧氣體容積 3‧‧‧光源 4a、4b‧‧‧薄膜 5‧‧‧流動 6‧‧‧聲學共振器 7‧‧‧氣體 8‧‧‧脈衝光束 10‧‧‧寬頻帶IR光源 11‧‧‧透鏡 12‧‧‧法布里-珀羅干涉儀 13‧‧‧第二透鏡 14‧‧‧監測光 15‧‧‧窄頻帶光源 16‧‧‧偵測器 D‧‧‧距離 F‧‧‧力 r‧‧‧傳播距離 t‧‧‧時間
下面將參見附圖來論述本發明，藉由範例的方式來例示本發明。
第1圖例示位於兩薄膜之間的氣體樣品。
第2圖例示本發明的實施例，其中氣體感測器設有共振器。
第3圖例示具有光學讀出的感測器。
第4a圖、第4b圖例示本發明的較佳實施例，提供薄膜之間的距離的光學量測。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
(請換頁單獨記載) 無
1‧‧‧氣體偵測器
2‧‧‧氣體容積
3‧‧‧光源
4a、4b‧‧‧薄膜
5‧‧‧流動
8‧‧‧脈衝光束

Claims (13)

  1. 一種雜波消除光學式氣體偵測器，用於偵測吸收一已知波長的光的一氣體，該光學式氣體偵測器包括：兩個相同的平行薄膜，該等平行薄膜於其間界定一容積，該容積容納要研究的該氣體；一調變式光源，該調變式光源以一選擇的調變頻率發射該已知波長的光至該容積中；其中該光學式氣體偵測器適於偵測由該氣體中的該光的吸收導致該容積內的該氣體中的壓力波動而造成之該等薄膜之間的運動，該等壓力波動導致該等兩個薄膜的運動因而具有相同量且相反方向並具有一頻率，該頻率係對應於該調變式光源的該速率或該速率的一倍數；其中該氣體容積允許該氣體不受限制地流動或擴散至該容積中；且其中對運動的該等偵測是藉由使用光學量測，而適於監測該等兩個薄膜之間的距離來提供。
  2. 如請求項1所述之光學式氣體偵測器，其中藉由使用光學干涉量測法來提供該等運動偵測。
  3. 如請求項2所述之光學式氣體偵測器，其中該等薄膜為部分反射的，且該等薄膜的至少一者對於 該傳輸光為部分透光的，因此提供一法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer)，藉由在垂直於該等薄膜的一方向中傳輸監測光，且藉由監測來自該法布里-珀羅干涉儀的該傳輸或反射強度，來光學式監測該距離。
  4. 如請求項3所述之光學式氣體偵測器，其中多個凹部併入至至少一薄膜中，該等凹部的該深度係最佳化，以在該傳輸與反射光中給予一選定的相位變化，以對該等薄膜之間的該距離的該監測變化提供一修正。
  5. 如請求項3所述之光學式氣體偵測器，其中該等薄膜之間的監測的該距離係藉由來自一監測機構的反饋來調整，以獲得一工作點。
  6. 如請求項3所述之光學式氣體偵測器，其中該監測光具有一波長，該波長係藉由來自該監測距離量測的反饋來調整，以獲得一工作點。
  7. 如請求項1所述之光學式氣體偵測器，其中未使用光學窗來封閉該容積內的該氣體，避免藉由在該等窗上的吸收所產生的任何信號。
  8. 如請求項1所述之光學式氣體偵測器，其中使用一可調式法布里-珀羅濾波器，來選擇波長及/或執行該波長的調變。
  9. 如請求項1所述之光學式氣體偵測器，其中使用一可調式雷射，來進行選擇波長及執行該波長的調變中的至少一者。
  10. 如請求項1所述之光學式氣體偵測器，其中該等薄膜的該調變頻率與尺寸係選擇成使得該氣體中所產生的該振動的該波長係小於該等薄膜的該直徑的一半，該氣體中所產生的該振動的該波長係取決於該氣體的聲速。
  11. 如請求項1所述之光學式氣體偵測器，其中該容積的總尺寸小於4cm3。
  12. 一種光學式氣體偵測器，用於偵測吸收一已知波長的光的一氣體，該氣體偵測器包括：兩個相同的平行薄膜，該等平行薄膜於其間界定一容積，該容積容納要研究的該氣體；一調變式光源，該調變式光源以一選擇的調變頻率發射該已知波長的光至該容積中；其中該光學式氣體偵測器適於偵測由該氣體中的該光的吸收導致該容積內的該氣體中的壓力波動而造成之該等薄膜之間的相對運動，該等壓力波動導致薄膜和該等兩個薄膜的該等運動因而具有相反方向且具有一頻率，該頻率係對應於該調變式光源的該速率或該速率的一倍數； 其中該氣體容積被允許不受限制地流動或擴散至該容積中；且其中對運動的該等偵測是藉由使用光學量測，而適於監測該等兩個薄膜之間的距離來提供；其中藉由使用光學干涉量測法來提供對運動的該等偵測；其中該等薄膜為部分反射的，且該等薄膜的至少一者對於該傳輸光為部分透光的，因此提供一法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer)，藉由在垂直於該等薄膜的一方向中傳輸監測光，且藉由監測來自該法布里-珀羅干涉儀的該傳輸或反射強度，來光學式監測該距離；且其中多個凹部併入至至少一薄膜中，該等凹部的該深度係最佳化，以在該傳輸與反射光中給予一選定的相位變化，以對該等薄膜之間的該距離的該監測變化提供一修正。
  13. 一種光學式氣體偵測器，用於偵測吸收一已知波長的光的一氣體，該光學式氣體偵測器包括：兩個相同的平行薄膜，該等平行薄膜於其間界定一容積，該容積容納要研究的該氣體；一調變式光源，該調變式光源以一選擇的調變頻率發射該已知波長的光至該容積中； 其中該光學式氣體偵測器適於偵測由該氣體中的該光的吸收導致該容積內的該氣體中的壓力波動而造成之該等薄膜之間的相對運動，該等壓力波動導致薄膜和該等兩個薄膜的該等運動因而具有相反方向且具有一頻率，該頻率係對應於該調變式光源的該速率或該速率的一倍數；其中該氣體容積被允許不受限制地流動或擴散至該容積中；其中對運動的該等偵測是藉由使用光學量測，而適於監測該等兩個薄膜之間的距離來提供；且其中該等薄膜的該調變頻率與尺寸係選擇成使得該氣體中所產生的該振動的該波長係小於該等薄膜的該直徑的一半，該氣體中所產生的該振動的該波長係取決於該氣體的聲速。
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