專利名稱：用于光聲檢測(cè)器的振蕩器元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用在光聲檢測(cè)器中的振蕩器元件，其用于在樣本混合物中檢測(cè)樣本的濃度，該光聲檢測(cè)器使用光束以激發(fā)振蕩器元件的激發(fā)區(qū)域附近的樣本的分子，這種激發(fā)導(dǎo)致該振蕩器元件的共振，該振蕩器元件包括用于在其機(jī)械地扭曲時(shí)產(chǎn)生電壓的壓電材料，和至少部分地覆蓋振蕩器的表面以用于寄存所產(chǎn)生電壓的電極。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括這種振蕩器元件的光聲檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
這種振蕩器元件還用在美國(guó)專利申請(qǐng)US2005/0117155中所描述的光聲示蹤氣體檢測(cè)器中。該光聲示蹤氣體檢測(cè)器使用激光束來激發(fā)氣體混合物中的示蹤氣體的分子。這種對(duì)示蹤氣體分子的激發(fā)導(dǎo)致溫度和壓力增加。該激光束的波長(zhǎng)或振幅被調(diào)制以用于在氣體混合物中產(chǎn)生壓力變化。在根據(jù)US2005/0117155的光聲示蹤氣體檢測(cè)器中，石英音叉檢測(cè)壓力變化。在被前置放大器放大之后，鎖相放大器將該音叉信號(hào)與參考信號(hào)混合以獲得輸出信號(hào)。為檢測(cè)壓力變化使用的石英音叉實(shí)現(xiàn)了相對(duì)緊湊的光聲示蹤氣體檢測(cè)器。
光聲示蹤氣體檢測(cè)器的 一 個(gè)重要應(yīng)用是呼吸檢測(cè)。呼吸檢測(cè)是有前途的醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域。呼吸檢測(cè)是無創(chuàng)的、用戶友好的和低成本的。呼吸檢測(cè)的主要實(shí)例是哮喘的監(jiān)測(cè)、酒精呼吸檢測(cè)以及胃病和急性器官排斥的檢測(cè)。第一個(gè)臨床試驗(yàn)表明可以應(yīng)用在乳腺癌和肺癌的預(yù)先篩選方面。這些揮發(fā)性的生物標(biāo)志物具有在十億分之一 (ppb)的范圍內(nèi)的典型的濃度。 一氧化氮(NO)是人類呼吸中最重要的示蹤氣體之一，并且在津喘病人中可能發(fā)現(xiàn)濃度升高的NO。目前，呼出的濃度水平為ppb的NO只能使用基于化學(xué)發(fā)光或光學(xué)吸收光譜的昂貴且龐大的裝置來測(cè)量。緊湊的、低成本的NO傳感器形成令人感興趣的設(shè)備，該設(shè)備可以用于診斷和監(jiān)測(cè)氣道炎癥并且可以用在醫(yī)生辦公室中以及在家中用于藥物控制。
為了在呼出氣體中檢測(cè)NO，已經(jīng)選擇了一種途徑，其中NO被化學(xué)轉(zhuǎn)換為N02,隨后用合并了藍(lán)色半導(dǎo)體激光器的光聲傳感器來檢測(cè)該N02。 N02具有在藍(lán)色波長(zhǎng)范圍內(nèi)的寬的吸收光譜，并且因此波長(zhǎng)調(diào)制不是用于檢測(cè)冊(cè)2的優(yōu)選的調(diào)制方法。不幸的是，激光器功率的振幅調(diào)制導(dǎo)致較大的背景信號(hào)，其容易支配與N02相關(guān)的較小的光聲信號(hào)。根據(jù)US2005/0117155的光聲示蹤氣體檢測(cè)器的問題在于，測(cè)量的準(zhǔn)確性不夠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)開篇段的振蕩器元件，該振蕩器元件改進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)的光聲檢測(cè)器的狀態(tài)準(zhǔn)確性。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該目的可以通過將激發(fā)區(qū)域以這樣的方式布置來實(shí)現(xiàn)使得避免在激發(fā)區(qū)域中電極被光束加熱。
本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識(shí)現(xiàn)有技術(shù)的光聲檢測(cè)器的檢測(cè)器信號(hào)受到對(duì)音叉拾音元件的強(qiáng)烈的直接激發(fā)的負(fù)面影響，這種激發(fā)使得檢測(cè)小光聲信號(hào)變得困難。在光聲檢測(cè)中，光束聚焦在樣本混合物處，其非?？拷袷幤髟?，從而使得振蕩器元件可以檢測(cè)壓力變化。由于激光束的光的散射、較小的對(duì)準(zhǔn)誤差和強(qiáng)度分布的寬度，該激光束不僅激發(fā)樣本分子，而且直接激發(fā)部分振蕩器元件，從而導(dǎo)致加熱并產(chǎn)生背景信號(hào)。貫穿本文，激發(fā)光點(diǎn)的樣本分子鄰近的區(qū)域被稱為激發(fā)區(qū)域，當(dāng)使用光聲檢測(cè)器時(shí)該區(qū)域也被激光束加熱。激發(fā)區(qū)域的加熱導(dǎo)致振蕩器元件的膨脹和機(jī)械扭曲，這導(dǎo)致電壓變化，該電壓變化經(jīng)電極被拾取。通過以這樣的方式布置該激發(fā)區(qū)域使得避免振蕩器元件被入射到激發(fā)區(qū)域的光束加熱，來提高樣本濃度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
在根據(jù)本發(fā)明的振蕩器元件的優(yōu)選實(shí)施例中，電極沒有覆蓋激發(fā)區(qū)域中的振蕩器元件的表面。通過在其表面的金屬電極對(duì)光的吸收造成振蕩器元件的直接激發(fā)，從而導(dǎo)致電極和在電極后面的壓電材料的局部加熱。當(dāng)電極沒有覆蓋檢測(cè)區(qū)域中的振蕩器元件的表面時(shí)，光束將不會(huì)加熱電極。壓電材料本身的吸收是小的并且不會(huì)產(chǎn)生背景信號(hào)。被電極覆蓋的區(qū)域的減少導(dǎo)致來自振蕩器元件的輕微減小的電信號(hào)，但是這種影響被任何背景信號(hào)的缺失大大地補(bǔ)償。優(yōu)選地，為了防止當(dāng)所述輻射已經(jīng)穿過通常透明的壓電材料時(shí)在中斷的區(qū)域的背面上的吸收，電極材料也在背面被中斷。在背面中斷電極的另一個(gè)原因是，由向前和向后穿過該單元的光束來實(shí)現(xiàn)光聲檢測(cè)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，電極具有對(duì)所述光束的某一波長(zhǎng)的光的高反 射系數(shù)。對(duì)入射光的高反射性導(dǎo)致低吸收，從而導(dǎo)致振蕩器元件的最 小的溫度增加。例如，當(dāng)藍(lán)色光用于光聲檢測(cè)時(shí)，可以選擇在該波長(zhǎng) 范圍中具有高反射性的金屬，例如銀或鋁。金和銅對(duì)于該波長(zhǎng)不太有 利。
所述低吸收/高反射性還可以通過用涂層覆蓋電極以用于獲得高 反射系數(shù)來獲得。例如，可以使用適當(dāng)厚度的介電層或介電疊層，從 而獲得高反射性涂層。
可替代地，至少在激發(fā)區(qū)域，電極由透明的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
在優(yōu)選實(shí)施例中，壓電材料是石英。眾所周知，石英振蕩器是精 確的振蕩元件。優(yōu)選地，壓電材料被定形作為音叉。
在實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在音叉的叉子的末端附近獲得最大光聲信號(hào)
和最小背景信號(hào)。所以，優(yōu)選實(shí)施例是這樣的一個(gè)實(shí)施例其中激發(fā) 區(qū)域位于音叉的兩個(gè)叉子的末端。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種包括根據(jù)本發(fā)明的振蕩器元件 的光聲檢測(cè)器。
參照下面所描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將被闡明并 變得顯然。


在附圖中
圖1示出光聲示蹤氣體檢測(cè)器的一部分，
圖2示出實(shí)施為音叉的現(xiàn)有技術(shù)的振蕩器元件的前視圖，
圖3a和3b示出音叉的截面圖，
圖4a和4b示出被光束照射的音叉的截面圖，
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的振蕩器元件的前視圖，
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的振蕩器元件的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出光聲檢測(cè)器的一部分。這里所描述的光聲示蹤氣體檢測(cè) 器檢測(cè)氣體混合物中的氣體濃度，但是本發(fā)明還可以應(yīng)用于在其他樣
5本混合物中檢測(cè)組織、流體或固體樣本。示蹤氣體檢測(cè)器包括被置于
氣體混合物14中的振蕩器元件10。氣體混合物l4包含在氣室中。在 典型的呼吸分析裝置中，所述氣室包括進(jìn)氣口和出氣口，以使得人能 夠通過氣室呼吸空氣。在該實(shí)施例中，振蕩器元件10是音叉，但是也 可以使用其他形狀的振蕩器元件10。高強(qiáng)度光束ll (優(yōu)選地為激光束 11)穿過氣體混合物14并且聚焦在振蕩器元件10附近。優(yōu)選地，激 光束11恰好聚焦在音叉10的兩個(gè)叉子之間。如果激光束11的光具有 正確的波長(zhǎng)，則它會(huì)被示蹤氣體15的分子吸收。當(dāng)激發(fā)的分子退回其 原始狀態(tài)時(shí)，氣體混合物14的溫度增高。溫度的增高導(dǎo)致壓力增加。 通過在音叉10的共振頻率處調(diào)制光束11的振幅，重復(fù)的壓力變化造 成音叉10共振。更高的示蹤氣體濃度導(dǎo)致音叉10的更大的振動(dòng)。在 該實(shí)施例中，提供一種聲室12，以用于放大聲波并提高音叉的響應(yīng)。 可以將振蕩器信號(hào)13發(fā)送到ADC或其他電子電路以用于進(jìn)一步處理。
圖2示出被實(shí)施為音叉10的現(xiàn)有技術(shù)的振蕩器元件。所述音叉由 諸如石英、磷酸鎵(GaPO,)或鋯鈦酸鉛(Pb (ZrTi) 03)的壓電材料 20組成。壓電性是晶體響應(yīng)于所施加的機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生電壓的能力。 壓電效應(yīng)是可逆的，因?yàn)楫?dāng)該壓電晶體受到外部所施加的電壓時(shí)可以 少量地改變形狀。在壓電材料20的表面上的電極21-24收集源于機(jī)械 應(yīng)力的電荷。電極21-24由導(dǎo)電的金屬構(gòu)成。為了對(duì)音叉的共振的最 大的電子響應(yīng)，電極21-24覆蓋壓電材料的幾乎整個(gè)表面。
在圖2所示的實(shí)施例中，第一叉子的前和后電極21連接到第二叉 子的側(cè)電極24。第二叉子的前和后電極23連接到第一叉子的側(cè)電極 22。在如圖3a所示的音叉10的截面圖中也示出了該電極配置。
如圖3b所示，該電極配置檢測(cè)并激發(fā)所述叉子相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)一個(gè)叉子發(fā)生偏斜時(shí)，它將產(chǎn)生電荷分離，該分離又產(chǎn)生電壓并且 在相對(duì)的方向上使另一個(gè)叉子發(fā)生偏斜。該電極配置的優(yōu)點(diǎn)在于，從 遠(yuǎn)距離發(fā)射的聲波不激發(fā)音叉10，該聲波趨于在兩個(gè)叉子上施加相同 方向的力。
圖4a和4b示出被光束11照射的音叉10的截面圖。在光聲示蹤 氣體檢測(cè)期間，通常光11的一小部分落到叉子上，并且如果光11在 音叉10共振處或其附近進(jìn)行振幅調(diào)制，則音叉10的叉子開始振動(dòng)。 所述光照導(dǎo)致組合的側(cè)向和后向-前向振動(dòng)模式。所述后一種振動(dòng)的頻率相對(duì)于側(cè)向運(yùn)動(dòng)輕微地偏移。當(dāng)固定頻率用于光束11的振幅調(diào)制時(shí)，
該頻率偏移作為被檢測(cè)信號(hào)13中的相移而被檢測(cè)。這些效應(yīng)干擾光聲 信號(hào)并且應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地被抑制或被阻止。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的振蕩器元件10的前視圖。發(fā)明人已經(jīng)觀察 到，在音叉10激發(fā)的機(jī)制是在音叉10的表面上的金屬電極21-24對(duì) 光11的吸收，導(dǎo)致了電極21-24和在電極21-24后面的壓電材料20 的局部加熱。該加熱導(dǎo)致壓電材料20的膨脹和機(jī)械扭曲，這可以經(jīng)由 壓電效應(yīng)和電極21-24電子地拾取。通過以這樣的方式布置電極使 得避免電極21-24被光束11加熱，來提高示蹤氣體檢測(cè)的靈敏性和準(zhǔn) 確性。
在圖5所示的實(shí)施例中，在區(qū)域25中缺少電極結(jié)構(gòu)，其中激光束 11的旁瓣落入叉子上。當(dāng)電極21-24沒有覆蓋激發(fā)區(qū)域中音叉的表面 時(shí)，光束將不會(huì)加熱電極21-24。在壓電材料10本身中的吸收可被忽 略并且不會(huì)產(chǎn)生背景信號(hào)。電極的修改將導(dǎo)致來自振蕩叉子的電信號(hào) 13的輕微減少，但這個(gè)效應(yīng)將由背景信號(hào)的缺失大大地進(jìn)行補(bǔ)償。中 斷的電極可以在叉子的其他部分上被連接，或者可以這樣選擇中斷的 尺度使得不是全部電極被中斷。為了防止當(dāng)輻射已經(jīng)穿過透明的壓 電材料20時(shí)在中斷的區(qū)域25的背側(cè)上的吸收，電極材料必須也在該 背側(cè)中斷。除了中斷電極之外，還可以使用例如由氧化銦錫(ITO)構(gòu) 成的透明電極。
在實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在叉子的末端的附近獲得了最大的光聲信號(hào) 和最小的背景信號(hào)。所以優(yōu)選實(shí)施例是這樣的一個(gè)實(shí)施例其中在叉 子末端部分缺少電極結(jié)構(gòu)。
在可替代實(shí)施例中，為了最小的吸收而優(yōu)化電極21-24的材料。 例如，當(dāng)藍(lán)色光用于光聲檢測(cè)時(shí)，可以選擇在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高反 射性的金屬，例如銀或鋁。金和銅不太有利于該波長(zhǎng)范圍，但是對(duì)于 其他波長(zhǎng)可能是優(yōu)選的。當(dāng)用具有適當(dāng)厚度的介電層或介電疊層涂覆 金屬時(shí)可以獲得進(jìn)一步的減少，從而獲得高反射性涂層。該涂層可以 應(yīng)用到整個(gè)電極或僅僅應(yīng)用到激發(fā)區(qū)域的部分或靠近激發(fā)區(qū)域的部 分。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的振蕩器元件10的優(yōu)點(diǎn)。該圖示出實(shí)驗(yàn)的結(jié) 果，其中聚焦的、振幅調(diào)制的激光點(diǎn)掃過音叉電極結(jié)構(gòu)，并且使用鎖相檢測(cè)方案拾取對(duì)應(yīng)的電子信號(hào)13。當(dāng)所述激光點(diǎn)掃過電極被中斷的 區(qū)域25時(shí)，背景信號(hào)降為零.
應(yīng)當(dāng)注意，上述實(shí)施例說明而非限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人 員將能夠設(shè)計(jì)許多可替代實(shí)施例而不脫離所附權(quán)利要求的范圍。在權(quán) 利要求中，動(dòng)詞"包括"及其變化的使用不排除在權(quán)利要求中所聲明 的元件或步驟之外的元件或步驟的存在。元件前面的冠詞"一，，不排 除多個(gè)這樣的元件的存在?？梢酝ㄟ^包括若干個(gè)離散元件的硬件并且 通過適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在列舉了若干個(gè)裝置的權(quán)利要求中， 這些裝置的幾個(gè)可以由同一項(xiàng)硬件實(shí)施。在相互不同的從屬權(quán)利要求 中列舉某些措施，這個(gè)起碼的事實(shí)不表示這些措施的組合不能被有利 地使用。
權(quán)利要求
1. 一種用在光聲檢測(cè)器中的振蕩器元件(10)，其用于檢測(cè)樣本混合物中樣本(15)的濃度，該光聲檢測(cè)器使用光束(11)來激發(fā)振蕩器元件(10)的激發(fā)區(qū)域(25)鄰近的樣本(15)的分子，所述激發(fā)導(dǎo)致該振蕩器元件(10)的共振，該振蕩器元件(10)包括-壓電材料(20)，用于在其被機(jī)械地扭曲時(shí)產(chǎn)生電壓，以及-電極(21-24)，至少部分地覆蓋振蕩器(10)的表面以寄存所產(chǎn)生的電壓，該振蕩器元件(10)的特征在于-所述激發(fā)區(qū)域(25)以這樣的方式被布置使得避免激發(fā)區(qū)域(25)中的電極(21-24)被所述光束(11)加熱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器元件(10)，其中電極(21-24)沒有覆蓋激發(fā)區(qū)域(25)中的振蕩器元件(10)的表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器元件(10)，其中電極(21-24)對(duì)于處于光束(11)的某一波長(zhǎng)的光具有高反射系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的振蕩器元件(10),其中電極(21-24)被涂層覆蓋以獲得高反射系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器元件(10)，其中電極(21-24)至少部分地由透明的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器元件(10)，其中壓電材料(20)是石英。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器元件(10)，其中壓電(20)材料被定形為音叉。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的振蕩器元件(10)，其中激發(fā)區(qū)域(25)位于音叉的兩個(gè)叉子的末端。
9. 一種包括如權(quán)利要求1所述的振蕩器元件(10)的光聲檢測(cè)器。
全文摘要
提供了一種用在光聲檢測(cè)器中的振蕩器元件(10)，其用于檢測(cè)樣本混合物中樣本的濃度。該光聲檢測(cè)器使用光束(11)來激發(fā)振蕩器元件(10)的激發(fā)區(qū)域(25)附近的樣本(15)的分子。這種激發(fā)導(dǎo)致該振蕩器元件(10)的共振。該振蕩器元件(10)包括壓電材料(20)，用于在其被機(jī)械地扭曲時(shí)產(chǎn)生電壓；和電極(21-24)，其至少部分地覆蓋振蕩器(10)的表面以用于寄存所產(chǎn)生的電壓。所述激發(fā)區(qū)域(25)以這樣的方式被布置避免在激發(fā)區(qū)域(25)中的電極(21-24)被光束(11)加熱。
文檔編號(hào)G01N29/02GK101535801SQ200780041805
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者H·W·范克斯特倫, I·F·赫爾韋根, J·卡爾克曼 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司