專利名稱：具有背景補償?shù)墓饴晿颖咎綔y器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于探測樣本混合物中樣本濃度的光聲探測器，該光聲探測器包 括光源、光調制器、具有聲共振器的聲學腔、共振拾取元件和處理部分。光源產(chǎn)生用于激勵 樣本分子的光束。光調制器調制光束的強度以在樣本混合物中產(chǎn)生壓強變化，壓強變化的 幅度是樣本濃度的度量。聲共振器放大壓強變化。拾取元件將壓強變化轉換成探測器信號。 處理部分處理探測器信號以產(chǎn)生由壓強變化導致的樣本信號。本發(fā)明還涉及一種制造這種 光聲探測器的方法。
背景技術：
這種光聲探測器在工業(yè)中用于痕量氣體監(jiān)測，在將來也可以用于呼吸測試(哮 喘、酒精、胃病)或空氣污染測定。調幅光聲探測器的缺點是調制激光產(chǎn)生的背景信號與感 興趣的樣本信號在同一頻率上。這與波長調制形成對比，在波長調制中，在頻率f處調制激 光，在頻率2f處探測信號。然而，對于用藍光二極管激光器探測NO2而言，波長調制是不可 能的，這是因為N02在400nm的吸收光譜比激光二極管的波長調諧范圍寬得多。如果為了實 現(xiàn)最佳探測，音叉拾取元件位于光路中，那么調幅光的一部分可能導致音叉的直接激勵，并 由此產(chǎn)生可能比對應于探測極限的信號大幾個數(shù)量級的背景信號。因為背景信號和NO2信 號具有相同的頻率，所以不能利用高通濾波器濾除背景信號。使用背景扣除而不犧牲探測 極限需要非常穩(wěn)定且已知的背景和/或相對于NO2信號較小的背景。發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種背景補償?shù)玫礁纳频恼{幅光聲探測器。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過提供一種根據(jù)開口段落的光聲探測器實現(xiàn)這一目 的，其中處理部分被布置成處理探測器信號，以產(chǎn)生由壓強變化導致的樣本信號，以及由光 束直接激勵拾取元件導致的背景信號，且其中布置所述聲學腔和所述拾取元件，使得所述 背景信號和所述樣本信號之間的相位差接近90度。給出額外信號增強的共振拾取元件與聲共振器結合，相對于拾取元件中的光吸收 產(chǎn)生的背景信號導致壓力波信號的相移。這種機制與如下機制形成對照背景信號可以在 聲共振器的壁中產(chǎn)生并因此具有與光聲信號的相位接近的相位。例如，通過適當組合光束 直徑和聲共振器直徑，與拾取元件背景信號相比，可以使得壁背景信號較小。如果必要的 話，為此目的可以使利用共振拾取元件獲得的信號增強稍微減弱一些。與通過減除進行背景校正必需的振幅穩(wěn)定性相反，基于信號和背景間90°相位差 的方法僅需要相位穩(wěn)定性。由于背景信號與cos θ —樣取決于相對角，所以僅有背景相位 的大變化才會導致很大的背景信號。一旦獲得了樣本信號和背景信號間接近90°的相位 差，就可以利用相位敏感探測抑制背景信號，背景信號的變化將不再影響樣本濃度探測的 精確度。如下文所述，有幾種備選方法來調節(jié)樣本信號和背景信號之間的相位差。
背景相位變化主要由拾取元件的共振曲線決定，而光聲相位(PA相位)由拾取元 件和聲學共振兩者決定。結果，接近共振時，在背景和NOJf號之間有著恒定的相位差。在 制造過程中，通過調諧聲學共振頻率以匹配拾取元件共振頻率，可以實現(xiàn)背景和樣本信號 之間90度的相位差，從而減小背景的效應。或者，可以在制造之后由用戶將聲學腔調節(jié)到 拾取元件的共振頻率。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，拾取元件的共振頻率基本等于聲共振器的共振頻率。 在這兩個共振頻率相等時，相位差為90度。共振頻率取決于聲共振器和拾取元件的形狀。 例如，可以通過在制造過程期間仔細選擇或生產(chǎn)正確長度的音叉來建立拾取元件的共振頻率。優(yōu)選地，光聲探測器還包括用于調節(jié)相位差的相位調節(jié)模塊。例如，可以調節(jié)光束 在拾取元件表面上的光功率分布。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對于音叉而言，背景信號的相位非常靈敏地取決于金屬電極上的光 功率分布。在為了通過音叉的叉實現(xiàn)最大光功率傳輸進行優(yōu)化之后，光功率的量在電極上 有一定分布。與電極靈敏度一起，這導致了特定相位角的背景信號。通過調節(jié)激光束的準 直，可以調節(jié)背景信號的相位，使得處于樣本信號相位的背景信號為零。那么，背景相位相 對于樣本信號為90度?？梢詫崿F(xiàn)這一目的而僅有非常小的光傳輸損耗( 1 % )，于是不 會影響樣本信號強度?；蛘?，例如，可以通過改變聲學腔中緩沖容積的長度來調節(jié)聲共振器的共振頻率。 這使得制造商或用戶能夠使相位差接近90度并在例如制造過程導致聲共振器和拾取元件 共振性質變化時調節(jié)相位差。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造光聲探測器的方法，包括用樣本混合物 填充不包括樣本的所述聲學腔的步驟，調制所述光束的強度用于在所述樣本混合物中產(chǎn)生 壓強變化的步驟，從所述共振拾取元件采集所述探測器信號的步驟，以及布置所述聲學腔 和所述拾取元件的步驟，使得所述樣本信號最小化，所述背景信號最大化，以便獲得所述背 景信號和所述樣本信號之間接近90度的相位差。在樣本混合物具有樣本的零或接近零的濃度時，樣本信號應當為(接近)零，背景 信號應當占據(jù)探測器信號(的大部分)。如上所述，可以通過不同方式進行聲學腔和拾取元 件的布置。例如，仔細選擇正確長度的音叉，使得聲學共振頻率匹配拾取元件共振頻率，可 以獲得接近90度的相位差?；蛘?，可以調節(jié)光束在拾取元件表面上的光功率分布或可以為 聲學腔提供適當?shù)木彌_容積。參考下文描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將顯而易 見并得到闡述。


在附圖中圖1示出了光聲探測器的部分的透視圖；圖2示意性示出了具有緩沖容積的光聲探測器的實施例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的光聲探測器的方框圖；圖4示出了具有補償調制頻率漂移的模塊的光聲探測器的方框圖；以及圖5示出了具有用于補償傳感器靈敏度漂移的模塊的光聲探測器方框圖。
具體實施例方式圖1示出了光聲探測器的部分的透視圖。調幅激光束11穿過氣體混合物14。氣 體混合物14包括低濃度的樣本分子15。激光束11激勵樣本分子的一部分。樣本分子從受 激態(tài)返回到基態(tài)導致局部溫度升高。激光11的變化強度導致氣體混合物14中的壓力波。 可以利用共振拾取元件，例如以壓電音叉10的形式，將壓力波探測為聲波。音叉10可以是 石英音叉。聲共振器12放大聲波。音叉10將聲音信號轉換成探測器信號13，探測器信號 13被引導到處理單元，將參考圖3和4詳細描述處理單元。音叉10的優(yōu)點是在探測壓力波方面要靈敏和準確得多。使用音叉10而非擴音器 的缺點是激光束11直接激勵音叉10導致在與樣本信號相同的頻率下產(chǎn)生背景信號。根據(jù) 本發(fā)明，將來自音叉10的電信號13用于產(chǎn)生表示壓強變化的樣本信號和表示激光束11直 接激勵音叉10的背景信號。為了使處理部分能夠產(chǎn)生這兩個信號，布置光聲探測器，使得 背景信號和樣本信號之間的相位差接近90度。例如，可以使用聲共振器12和音叉10來實 現(xiàn)這一點，聲共振器12和音叉10的形狀和尺度使得其相應共振頻率基本相等。例如，在探 測器的制造過程中，調節(jié)音叉10的叉長度以獲得共振頻率非常接近聲共振器12的共振頻 率的音叉10。優(yōu)選地，光聲探測器包括用于在制造過程之后直接調節(jié)相位差的模塊?；蛘撸谑?用探測器時，稍后進行調節(jié)。圖2中示出了這種可調節(jié)探測器的一個示例并將在下文描述。 或者，可以通過如下校直激光束11來調節(jié)相位差，光束11在音叉10的表面上的光功率分 布使音叉10的共振頻率匹配聲共振器12的共振頻率。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，背景信號的相位非常 靈敏地取決于石英音叉的金屬電極上的光功率分布。圖2示意性示出了具有緩沖容積23的光聲探測器20的實施例。圖2中的光聲探 測器20包括上文已經(jīng)參考圖1所述的所有元件。原則上，也可以將共振拾取元件10配置 為結合了壓敏懸臂或膜的共振MEMS傳感器。光聲探測器20還包括兩個緩沖容積23，緩沖 容積23具有可調節(jié)側壁24、氣體入口 21和氣體出口 22。這種光聲探測器可以用于例如呼 吸分析。在用戶呼氣時，呼出的呼吸經(jīng)由氣體入口 21進入氣體腔。然后利用激光束11、拾 取元件10和聲共振器12分析呼吸，呼吸經(jīng)由氣體出口 22離開光聲探測器20。在聲共振 器12的兩側上都增加半徑大于聲共振器半徑的小型非共振容積23。容積23中的至少一 個的至少一個壁24的位置是可調節(jié)的。這些容積23例如可以連接到氣體入口 21和腔出 口 22。根據(jù)這些容積23的長度，它們將微弱地或稍微強些地耦合到聲共振器12。通過適 當選擇側壁24的位置，可以將聲共振頻率精細調諧到拾取元件的共振頻率(從而將相位差 設置為90度)。例如，對于長度接近或等于與光強的調幅頻率對應的聲波長一半的聲共振 器12，可以將額外容積23的長度調節(jié)到與調制頻率對應四分之一波長的長度左右。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的光聲探測器的方框圖。除了上文已經(jīng)論述的一些元件之 外，圖3還示出了用于產(chǎn)生光束11的光源33以及用于調制激光束11的強度的光調制器 31。光調制器包括用于驅動光源33的激光器驅動器311和用于向激光器驅動器311提供 所需頻率的頻率發(fā)生器312。圖3中所示的其他部分301-305表示光聲探測器20的處理部 分的結構和/或功能元件。要指出的是，圖3僅僅是根據(jù)本發(fā)明的光聲探測器示例性實施 例的示意圖。在其他實施例中，可以由備選模塊并以備選方式執(zhí)行類似功能。
在圖3所示的實施例中，放大器301放大由拾取元件10產(chǎn)生的電信號13。將放大 的信號引導到第一同步探測器302中。第一同步探測器302還具有調制頻率作為(來自頻 率發(fā)生器312的)輸入。第一同步探測器302用于探測器信號13的同相探測。因為背景 信號的相位有90度的偏移，所以第一同步探測器302的輸出信號僅取決于樣本濃度而不取 決于激光11對音叉10的直接激勵。使用90度移相器304和第二同步探測器305從探測 器信號13提取(異相)背景信號。可以在制造過程中使用來自同步探測器305的信號優(yōu) 化信號和背景的90度相位差。在正常運行期間，在圖3所示的實施例中將僅使用來自同步 探測器302的信號。圖4示出了具有補償功率調制頻率漂移的模塊的光聲探測器20的方框圖。由于 石英音叉拾取元件10的高品質因子，激光的功率調制頻率可以容易地從最佳調制頻率漂 移開?？梢杂欣貞卯愊嘈盘杹砜刂七@一頻率?？梢栽谶M行實際樣本測量之前在優(yōu)化例 程中或以持續(xù)活動電子控制循環(huán)的形式實施這一操作。首先，接近共振時，背景信號的相位強烈取決于調制頻率。在僅測量背景信號時， 可以將激光的調制頻率調諧到共振頻率，使得背景信號保持在恒定相位(從而相對于樣本 信號處于90度)?；蛘撸梢詮?異相)背景信號的最大化來確定最佳調制頻率。第二，可以如圖4所示實施穩(wěn)定的電子控制循環(huán)。由(音叉)共振頻率附近的第 二頻率發(fā)生器308調制用于激光功率調制的頻率(幾十kHz)，共振頻率處于頻率(幾Hz 到幾十Hz)，頻率調制幅度為幾Hz。音叉10應當具有充分“低”的Q，使其傳遞對頻率調制 的響應。應當將4000的典型Q減小到例如1000，以獲得適于10Hz調制的30ms響應時間。 在“同相”同步探測和低通濾波(以濾除之后獲得樣本信號。利用第一同步探測器302 之后的低通濾波器303，假設放大器301不向(減小的)信號和來自(較低Q)音叉10的 噪聲增加額外噪聲，則可以使信噪比返回到原來水平。在同步探測之后，利用第三同步探測 器307以作為參照對異相信號解調。恰在共振處，反饋信號在2*f\，信號在解調為零。 (來自第二低通濾波器306的)低通濾波的輸出為用作頻率發(fā)生器的輸入的DC基準電壓 309形成偏移電平。可以執(zhí)行這種測量，同時測量樣本濃度。圖5示出了具有用于補償傳感器靈敏度漂移的模塊的光聲探測器方框圖。圖5示 出了圖4的所有元件，此外還包括用于測量激光束11的功率的光探測器32和傳感器漂移 補償單元310。背景信號取決于音叉10的質量因數(shù)/拾取靈敏度以及光束強度。因此，可 以有利地將背景信號用于確定傳感器拾取漂移。傳感器拾取漂移補償單元310使用來自光 探測器32的探測激光功率來將背景信號歸一化到基準光功率。傳感器拾取漂移補償單元 然后在廠家校準期間將歸一化的背景信號除以初始背景信號(在參考光功率下)。于是，獲 得了能夠在樣本測量期間使用的補償因數(shù)。應當注意，上述實施例旨在對本發(fā)明進行舉例說明，而不是對其做出限制，并且本 領域技術人員能夠在不背離所附權利要求的范圍的情況下設計很多備選的實施例。在權利 要求中，不應將任何放置在括號內的附圖標記推斷為限制所述權利要求。動詞“包括”及其 詞性變化的使用不排除權利要求陳述的元件或步驟以外的元件或步驟的存在。元件前的冠 詞“一”或“一個”不排除存在復數(shù)個這樣的元件?？梢岳冒◣讉€分立元件的硬件，也 可以利用適當編程的計算機實現(xiàn)本發(fā)明。在枚舉了幾個模塊的裝置權利要求中，可以通過 同一件硬件體現(xiàn)這些機構中的幾個。在互不相同的從屬權利要求中陳述某些措施不表示不
6能有利地采用這些措施的組合。
權利要求
一種用于探測樣本混合物中的樣本的濃度的光聲探測器，所述光聲探測器包括光源，其用于產(chǎn)生激勵所述樣本的分子的光束，光調制器，其用于調制所述光束的強度以在所述樣本混合物中產(chǎn)生壓強變化，所述壓強變化的幅度是所述樣本的所述濃度的度量，具有聲共振器的聲學腔，所述聲共振器用于放大所述壓強變化，共振拾取元件，其用于將所述聲共振器內部的所述壓強變化轉換成探測器信號，處理部分，其用于處理所述探測器信號以產(chǎn)生由所述壓強變化導致的樣本信號，以及由所述光束直接激勵所述拾取元件導致的背景信號，布置所述聲學腔和所述拾取元件，使得所述背景信號和所述樣本信號之間的相位差接近90度。
2.根據(jù)權利要求1所述的光聲探測器，其中，所述拾取元件的共振頻率基本等于所述 聲共振器的共振頻率。
3.根據(jù)權利要求1所述的光聲探測器，還包括用于調節(jié)所述相位差的相位調節(jié)模塊。
4.根據(jù)權利要求3所述的光聲探測器，其中，所述相位調節(jié)模塊包括用于調節(jié)所述光 束在所述拾取元件表面上方的光功率分布的模塊。
5.根據(jù)權利要求3所述的光聲探測器，其中，所述相位調節(jié)模塊包括用于調節(jié)所述聲 共振器的共振頻率的模塊。
6.根據(jù)權利要求5所述的光聲探測器，其中，所述聲學腔還包括至少一個緩沖容積，并 且其中，布置用于調節(jié)所述聲共振器的所述共振頻率的模塊以調節(jié)所述至少一個緩沖容積 的長度。
7.根據(jù)權利要求1所述的光聲探測器，其中，布置所述處理部分以調節(jié)所述光調制器 的調制頻率，以便匹配所述拾取元件的共振頻率。
8.根據(jù)權利要求1所述的光聲探測器，包括用于確定所述光束的功率的功率傳感器， 并且其中，所述處理部分還被布置成基于所述光束的功率、所述背景信號以及針對所述光 束功率和所述背景信號的參考值確定所述音叉靈敏度隨時間的減小。
9.根據(jù)權利要求1所述的光聲探測器，其中，所述處理部分包括用于相位敏感探測以 產(chǎn)生所述樣本信號和所述背景信號的模塊。
10.根據(jù)權利要求1所述的光聲探測器，其中，所述共振拾取元件為壓電音叉。
11.一種制造根據(jù)前述權利要求的任一項所述的光聲探測器的方法，包括 用樣本混合物填充不包括所述樣本的所述聲學腔的步驟，調制所述光束的強度用于在所述樣本混合物中產(chǎn)生壓強變化的步驟， 從所述共振拾取元件采集所述探測器信號的步驟，以及布置所述聲學腔和所述拾取元件的步驟，使得所述樣本信號最小化且所述背景信號最 大化，以便獲得所述背景信號和所述樣本信號之間接近90度的相位差。
全文摘要
一種用于探測樣本混合物中的樣本的濃度的光聲探測器，所述光聲探測器包括光源，其用于產(chǎn)生激勵樣本的分子的光束；光調制器，其用于調制光束的強度以在樣本混合物中產(chǎn)生壓強變化，所述壓強變化的幅度是樣本的濃度的度量；具有聲共振器的聲學腔，所述聲共振器用于放大壓強變化。另外，光聲探測器具有共振拾取元件，其用于將聲共振器內部的壓強變化轉換成探測器信號；以及處理部分，其用于處理所述探測器信號以產(chǎn)生1)由壓強變化導致的樣本信號，以及2)由光束直接激勵所述拾取元件導致的背景信號。布置聲學腔和拾取元件，使得背景信號和樣本信號之間的相位差接近90度。
文檔編號G01N21/17GK101960290SQ200980107848
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權日2008年3月7日
發(fā)明者H·W·范克斯特倫, J·卡爾克曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司