氣體傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于測(cè)量預(yù)定氣體的濃度的氣體傳感器包括：光源(2)，被配置為發(fā)出光脈沖；測(cè)量體(10)；檢測(cè)器(4)，被配置為接收已穿過(guò)測(cè)量體(10)的光；以及可適應(yīng)濾波器(6)，被設(shè)置在光源(2)與檢測(cè)器(4)之間。該氣體傳感器具有：測(cè)量狀態(tài)，其中，可適應(yīng)濾波器(6)傳遞被氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶；以及參考狀態(tài)，其中，所述波長(zhǎng)帶相對(duì)于該測(cè)量狀態(tài)而衰減。該可適應(yīng)濾波器(6)被配置為在每個(gè)脈沖期間至少一次地在所述測(cè)量狀態(tài)與所述參考狀態(tài)中的一個(gè)改變成另一個(gè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】氣體傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感器，具體涉及通過(guò)測(cè)量紅外光的吸收從而來(lái)測(cè)量氣體的濃度的傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]為了在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)(通常超過(guò)一年)操作依賴(lài)電池電源的氣體傳感器，能量消耗必須較低。減少能量消耗的一種方式是保持傳感器在大部分時(shí)間處于休眠或關(guān)機(jī)模式，并定期或不定期地將其打開(kāi)。連續(xù)供電的紅外線(xiàn)傳感器的典型電源要求大約為0.1-1ff0如果對(duì)于非連續(xù)操作的傳感器，一次測(cè)量要花費(fèi)一秒時(shí)間來(lái)完成，例如，并且所需的響應(yīng)時(shí)間為10s，則占空比變?yōu)?0%，能量消耗相應(yīng)地降低至10-100mW。在該范圍的下部，電池操作變?yōu)榭赡?。響?yīng)時(shí)間要求將針對(duì)不同應(yīng)用而不同。存在兩種操作模式，其會(huì)需要可以以較低占空比操作的氣體傳感器。首先是間歇性或零星的使用。這里，氣體傳感器可以根據(jù)需要不定期地啟動(dòng)。測(cè)量可手動(dòng)或通過(guò)第二傳感器觸發(fā)，該第二傳感器監(jiān)控環(huán)境的變化并估計(jì)可能存在氣體的概率。在該模式下，只要喚醒時(shí)間足夠短，則針對(duì)間歇傳感器的響應(yīng)時(shí)間可以與針對(duì)連續(xù)傳感器的響應(yīng)時(shí)間一樣短。
[0003]第二模式是循環(huán)(或獨(dú)立)使用的。對(duì)于循環(huán)測(cè)量，最大響應(yīng)時(shí)間將受到循環(huán)周期的限制。只要所需的周期/響應(yīng)時(shí)間比單個(gè)測(cè)量所需的時(shí)間長(zhǎng)，則循環(huán)模式就將要求更少的電力。再者，需要充分短的喚醒時(shí)間。
[0004]對(duì)于這些模式中有效的兩個(gè)，需要傳感器可以在比測(cè)量之間的通常時(shí)間少得多的時(shí)間間隔內(nèi)“冷啟動(dòng)”，并且在這樣短的起動(dòng)時(shí)間之后精確測(cè)量將是可用的。本發(fā)明的目的是提供一種傳感器和使其可能的方法。
[0005]簡(jiǎn)單的NDIR(非擴(kuò)散性紅外線(xiàn))氣體傳感器使用單個(gè)光源和單個(gè)檢測(cè)器來(lái)測(cè)量濃度。這些通常不適用于安全應(yīng)用或需要良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性而無(wú)需再校準(zhǔn)的應(yīng)用。
[0006]現(xiàn)有的可靠的氣體傳感器使用不同的方法和配置對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，例如兩個(gè)光源和一個(gè)檢測(cè)器，或兩個(gè)檢測(cè)器和一個(gè)光源，或兩者(加倍補(bǔ)償)。在最先進(jìn)的加倍補(bǔ)償傳感器中，一個(gè)源被設(shè)置有其中用于氣體吸收的“主動(dòng)(active) ”波長(zhǎng)帶的濾波器，并對(duì)另一個(gè)源進(jìn)行濾波處理，使得其發(fā)出“參考”波長(zhǎng)帶。源通常利用1-1OOHz的范圍內(nèi)的頻率進(jìn)行調(diào)制。參考檢測(cè)器監(jiān)控源強(qiáng)度，同時(shí)主要檢測(cè)器通過(guò)測(cè)量體測(cè)量從兩個(gè)源傳輸?shù)墓獠z測(cè)光是否被氣體吸收。該設(shè)定補(bǔ)償幾個(gè)誤差，諸如測(cè)量體中的光損耗以及源強(qiáng)度改變。然而，良好的補(bǔ)償取決于足夠(熱)穩(wěn)定的系統(tǒng)。當(dāng)源調(diào)制頻率較低時(shí)，或如果安裝兩個(gè)檢測(cè)器時(shí)，使得其看見(jiàn)源表面的不同區(qū)域是特別重要的。(熱紅外源表面是高度不均勻的)。在一些情況下，在測(cè)量誤差足夠低之前，需要幾分鐘的加溫時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]當(dāng)從第一方面觀察時(shí)，本發(fā)明提供了一種用于測(cè)量預(yù)定氣體的濃度的氣體傳感器，包括:光源，被配置為發(fā)出光脈沖；測(cè)量體(measurement volume);檢測(cè)器，被配置為接收已通過(guò)所述測(cè)量體的光；以及可適應(yīng)濾波器，被設(shè)置在所述光源與所述檢測(cè)器之間，并且所述氣體傳感器具有其中可適應(yīng)濾波器傳遞被氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶(wavelengthband)的測(cè)量狀態(tài)和所述波長(zhǎng)帶相對(duì)于測(cè)量狀態(tài)而衰減的參考狀態(tài)，其中，所述可適應(yīng)濾波器被配置為在每個(gè)脈沖期間至少一次地將在所述測(cè)量狀態(tài)和所述參考狀態(tài)中的一個(gè)改變成另一個(gè)。
[0008]本發(fā)明適用范圍擴(kuò)及一種無(wú)線(xiàn)的電池操作氣體檢測(cè)器單元，包括如上文所闡述的氣體傳感器。
[0009]當(dāng)從第二方面觀察時(shí)，本發(fā)明提供了一種測(cè)量預(yù)定氣體的濃度的方法，該方法包括:經(jīng)由被設(shè)置在光源與檢測(cè)器之間的可適應(yīng)濾波器將光脈沖通過(guò)測(cè)量體傳遞至檢測(cè)器，在每個(gè)脈沖中至少一次地將所述濾波器切換至其中所述濾波器傳遞被氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶的測(cè)量狀態(tài)和與測(cè)量狀態(tài)相比所述波長(zhǎng)帶衰減的參考狀態(tài)/在每個(gè)脈沖中至少一次從其中所述濾波器傳遞被氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶的測(cè)量狀態(tài)和與測(cè)量狀態(tài)相比所述波長(zhǎng)帶衰減的參考狀態(tài)切換所述濾波器，所述方法包括分別在所述測(cè)量狀態(tài)和所述參考狀態(tài)下從由檢測(cè)器所接收的光的差異來(lái)確定氣體的所述濃度。
[0010]因此，將認(rèn)識(shí)到根據(jù)本發(fā)明，可以使用來(lái)自單個(gè)光源的單個(gè)光脈沖和使用單個(gè)檢測(cè)器進(jìn)行完全參考的氣體濃度測(cè)量。這使得低功耗在較短的測(cè)量周期內(nèi)從冷狀態(tài)和可靠的精確測(cè)量中快速啟動(dòng)。因此，其開(kāi)啟了遠(yuǎn)程的、具有較長(zhǎng)電池壽命的電池供電無(wú)線(xiàn)傳感器單元的可能性，但是在優(yōu)選實(shí)施方式中，其可以具有加倍補(bǔ)償系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明，可適應(yīng)濾波器將來(lái)自源的光引導(dǎo)至檢測(cè)器上。通過(guò)改變其狀態(tài)，來(lái)改變其傳遞的光的波長(zhǎng)。優(yōu)選地，其包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。這些被制造以便能夠改變所傳遞的光的波長(zhǎng)。可以在小于一毫秒的時(shí)間尺度上執(zhí)行變化，這意味著可以使用短的光脈沖，同時(shí)仍然給出了測(cè)量時(shí)間段和參考時(shí)間段，由此限制與測(cè)量相關(guān)聯(lián)的功耗。MEMS可包括具有被配置為通過(guò)靜電電位移動(dòng)的多個(gè)光柵帶(grating band)的衍射光學(xué)元件。
[0012]具體地，MEMS解決方案便于“冷啟動(dòng)”傳感器系統(tǒng)并使用單個(gè)光脈沖執(zhí)行完整的測(cè)量。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)調(diào)制可以如此快以使得可以對(duì)漂移或低頻噪聲進(jìn)行濾波處理，并且因?yàn)椤爸鲃?dòng)”和“參考”波長(zhǎng)帶使用完全相同的光路徑來(lái)測(cè)量，故這可以被完成。漂移、非一致性和氣體誤差源將同樣影響兩次測(cè)量。
[0013]本發(fā)明不限于只具有兩個(gè)狀態(tài)的可適應(yīng)濾波器，其還可以具有三個(gè)或更多狀態(tài)。這可提供多個(gè)測(cè)量狀態(tài)/參考狀態(tài)，例如，以允許測(cè)量不同預(yù)定氣體的濃度或補(bǔ)償特定干擾氣體或另一種已知類(lèi)型的光譜干擾的存在。
[0014]因此，在一組實(shí)施方式中，可適應(yīng)濾波器包括多個(gè)測(cè)量狀態(tài)和針對(duì)每個(gè)測(cè)量的至少一個(gè)參考狀態(tài)，在所述多個(gè)測(cè)量狀態(tài)的每一個(gè)中其傳遞被氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶，并且在至少一個(gè)參考狀態(tài)下與測(cè)量狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)帶相對(duì)于所述測(cè)量狀態(tài)衰減。傳感器可以被配置使得在每個(gè)脈沖中使用每個(gè)測(cè)量狀態(tài)或可以在不同脈沖中使用不同的測(cè)量狀態(tài)，例如，可以在交替的光脈沖中測(cè)量不同的氣體。
[0015]可適應(yīng)濾波器例如可以包括具有多個(gè)位置的一體式結(jié)構(gòu)，或其可以包括多個(gè)濾波器元件，每個(gè)具有兩個(gè)或更多狀態(tài)并配置為給出所期望的整體狀態(tài)。在任何一種情況下，MEMS是優(yōu)選的。
[0016]如在本文中所使用的如應(yīng)用于光的術(shù)語(yǔ)“脈沖”旨在意味著臨時(shí)地在光輸出上發(fā)出或增加。不可推斷出特定脈沖形狀并且不一定是脈沖的外側(cè)不存在光發(fā)射的情況。脈沖的長(zhǎng)度可以被定義為時(shí)間長(zhǎng)度，光在該時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)在預(yù)定閾值以上。脈沖寬度在某些實(shí)施方式中可以在5毫秒與5秒之間，例如，在10毫秒與1000毫秒之間。
[0017]如前文所討論的，脈沖頻率可以是不規(guī)則的，測(cè)量是不定時(shí)的或按需的?？蛇x擇地，其可以是規(guī)則的，例如每次小于10秒、或每次小于每30秒、或每次小于一分鐘、或每次小于一小時(shí)或每次小于一天。
[0018]光源可以是諸如白熾燈或加熱膜的熱源，或諸如二極管的固態(tài)源。重要的是該源發(fā)出測(cè)量波長(zhǎng)帶和參考波長(zhǎng)帶的光。
[0019]可適應(yīng)濾波器可以在其參考狀態(tài)和測(cè)量狀態(tài)之間切換，反之亦然，每一脈沖僅此一次。優(yōu)選地，其在所述測(cè)量狀態(tài)和參考狀態(tài)之間定期切換，在每個(gè)脈沖期間進(jìn)行多次。在一些實(shí)施方式中，其可以每一脈沖多于10次的被切換，例如每一脈沖多于25次或多于50次。其切換的次數(shù)可以被控制以給出所期望的精確度水平。
[0020]在一組實(shí)施方式中，傳感器測(cè)量在沒(méi)有輸入時(shí)(也被稱(chēng)為檢測(cè)器的“暗電平”)來(lái)自檢測(cè)器的輸出隨時(shí)間改變的速率。這允許進(jìn)行更精確的氣體濃度測(cè)量，因?yàn)榻又梢詫?duì)這樣的改變進(jìn)行補(bǔ)償。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]現(xiàn)在將參照附圖僅通過(guò)實(shí)例的方式來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，附圖中:
[0022]圖1a和圖1b分別是示出了在干凈的空氣和大量預(yù)定氣體的測(cè)量期間的現(xiàn)有技術(shù)的加倍補(bǔ)償傳感器的示意圖；
[0023]圖2a和圖2b分別是示出了在干凈的空氣和大量預(yù)定氣體的測(cè)量期間根據(jù)本發(fā)明的傳感器的不意圖；
[0024]圖3是示出了濾波器元件的兩個(gè)狀態(tài)和它們與待測(cè)量的氣體的吸收光譜的關(guān)系的圖表；
[0025]圖4是示出了在不同情況下由檢測(cè)器注冊(cè)的輸出的示圖；
[0026]圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的組件的框圖；
[0027]圖6是MEMS自適應(yīng)濾波器的一部分的示圖；
[0028]圖7是濾波器的更詳細(xì)的截面圖；以及
[0029]圖8是示出了操作期間的某些參數(shù)的變型的一系列圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0030]首先轉(zhuǎn)向圖1和圖2，可以看出圖1a和圖1b中的現(xiàn)有技術(shù)加倍補(bǔ)償傳感器和圖2a和圖2b中的本發(fā)明的實(shí)施方式之間的比較。圖1a中所示的加倍補(bǔ)償系統(tǒng)通常在市場(chǎng)上可買(mǎi)到的檢測(cè)器中實(shí)施，以便用于安全應(yīng)用。在該加倍補(bǔ)償系統(tǒng)中，兩個(gè)光源A1，A2和兩個(gè)檢測(cè)器B1，B2確保測(cè)量例如受臟的光學(xué)器件、光源漂移、溫度的最小的影響。使用兩個(gè)不同的濾波器C1，C2。一個(gè)濾波器Cl傳輸被所測(cè)量的氣體吸收的波長(zhǎng)帶。另一個(gè)濾波器C2是傳輸附近的波長(zhǎng)帶的參考濾波器。
[0031 ] 如在圖1b中可以看出，來(lái)自一個(gè)紅外源A2的光穿過(guò)測(cè)量體D，然后到達(dá)分束器E，使得其碰擊兩個(gè)濾波器Cl和C2。如果感興趣的氣體存在，則其將吸收某些波長(zhǎng)的光。來(lái)自另一個(gè)紅外源Al的光不穿過(guò)測(cè)量體D，但直接入射到分束器E上，依次類(lèi)推至兩個(gè)濾波器Cl和C2上。
[0032]通過(guò)氣體吸收將導(dǎo)致由第一檢測(cè)器BI檢測(cè)到的信號(hào)的減少，但不會(huì)影響參考檢測(cè)器B2處的信號(hào)。在相應(yīng)的檢測(cè)器處的信號(hào)之間的差可以用于計(jì)算氣體的濃度。這樣的檢測(cè)器在高安全性應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境中總體來(lái)說(shuō)是有效的且是可靠的。然而，提供兩個(gè)源和兩個(gè)檢測(cè)器使它們的制造相對(duì)昂貴并且在操作中其需要相對(duì)大量的電力。同樣，其需要一定預(yù)熱時(shí)間以便達(dá)到可靠測(cè)量所需的均勻源溫度調(diào)制的穩(wěn)定狀態(tài)。
[0033]圖2a和圖2b中示出了本發(fā)明的實(shí)施方式。這里，僅存在單個(gè)紅外源2和單個(gè)檢測(cè)器4。光經(jīng)由反射鏡8和自適應(yīng)MEMS濾波器6從源2傳遞至檢測(cè)器4。圖2b示出了其兩次穿過(guò)測(cè)量體10，但是這不是必須的。在使用中，濾波器元件6在兩個(gè)不同的狀態(tài)之間重復(fù)切換，使得出射光具有與相應(yīng)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)可能的波長(zhǎng)之一。這些波長(zhǎng)中的一個(gè)在感興趣的氣體的吸收頻帶中而另一個(gè)不在。因此，如以前，氣體的濃度可以從與兩個(gè)相應(yīng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器4的輸出來(lái)計(jì)算。然而，不同與現(xiàn)有技術(shù)的配置，光路徑對(duì)于參考和主動(dòng)波長(zhǎng)這兩者來(lái)說(shuō)是相同的，并且不存在分束器。如果該源具有非均勻強(qiáng)度，光學(xué)表面上存在污垢，或檢測(cè)器對(duì)改變做出響應(yīng)，則這兩個(gè)測(cè)量都以相同的方式被影響。濾波器元件6是全息的(holographic)，因此所有光路徑都有助于主動(dòng)測(cè)量和參考測(cè)量這兩者。兩個(gè)狀態(tài)之間的切換是如此的快以至于可以容忍變化的/漂移的源。
[0034]圖3示出了在其兩個(gè)狀態(tài)下的濾波器元件6的反射光譜。實(shí)線(xiàn)12示出了在測(cè)量狀態(tài)期間的反射光譜。這里，將可以看出在該狀態(tài)下存在所傳遞的與烴類(lèi)氣體的吸收光譜14的峰(在圖3的頂部處示出了疊加)一致的單個(gè)中央峰的波長(zhǎng)。在測(cè)量狀態(tài)下，濾波器因此傳遞被氣體吸收的波長(zhǎng)的頻帶。因此，該波長(zhǎng)帶中的光被氣體的濃度影響，因?yàn)檫@將影響其多少被吸收。
[0035]當(dāng)濾波器元件被切換至其參考狀態(tài)時(shí)，如虛線(xiàn)16所示，濾波器特性被改變，使得光在吸收光譜14中的峰的任意側(cè)上的兩個(gè)頻帶中傳遞并且在測(cè)量狀態(tài)下事先傳遞的波長(zhǎng)帶(具有中央峰)與此狀態(tài)相比明顯衰減。因?yàn)閬?lái)自測(cè)量狀態(tài)的通頻帶在參考狀態(tài)下衰減，故這里所傳遞的光將不受氣體的濃度的顯著影響，因?yàn)樗鶄鬟f的光將不被氣體顯著吸收。
[0036]這里所示的吸收光譜14僅是示例性的并且對(duì)于不同氣體而言可以不同，例如，其可以具有一個(gè)以上的吸收峰。
[0037]圖4示出了針對(duì)不同情況的波長(zhǎng)帶強(qiáng)度(在左邊)和由光電檢測(cè)器4輸出的信號(hào)(在右邊)的簡(jiǎn)化圖。R頻帶是參考頻帶，而A頻帶是主動(dòng)頻帶。因此，當(dāng)空氣中不存在烴類(lèi)氣體時(shí)，主動(dòng)頻帶和參考頻帶相同并且光電檢測(cè)器信號(hào)通過(guò)濾波器元件6的切換而未進(jìn)行調(diào)制。
[0038]當(dāng)存在烴類(lèi)氣體時(shí)，主動(dòng)頻帶中的光與參考頻帶相比，通過(guò)氣體的吸收而減少。在與兩個(gè)狀態(tài)之間的切換相對(duì)應(yīng)的光電檢測(cè)器信號(hào)中這顯示作為調(diào)制?？梢允褂谜{(diào)制的振幅，與接通源時(shí)檢測(cè)器輸出中的差一起以計(jì)算氣體的濃度。
[0039]如果源或光學(xué)器件被弄臟，則光在兩個(gè)頻帶上的傳輸將同樣被減少并且在沒(méi)有調(diào)制的光電檢測(cè)器信號(hào)中存在恒定的減少。
[0040]如果源溫度在兩個(gè)測(cè)量之間改變，則這將給出不同的絕對(duì)檢測(cè)水平，但將再次不存在調(diào)制并因此避免錯(cuò)誤讀取。[0041]最后，如果由于故障源或阻塞光束而不存在信號(hào)，則參考頻帶和主動(dòng)頻帶將再次同樣被影響。
[0042]該系統(tǒng)在圖5中以框圖表示的形式被示出?！肮鈱W(xué)傳感器”區(qū)塊表示由微控制器控制的光學(xué)傳感器硬件。從源2發(fā)出的光通過(guò)窗口出射至測(cè)量單元10。在從測(cè)量單元10返回之后，其通過(guò)MEMS濾波器6 (濾波器模塊)來(lái)過(guò)濾并聚集到光電檢測(cè)器4上。左側(cè)上的端口連接至微控制器。
[0043]光經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)階段。第一階段為生成。源2發(fā)出具有由燈絲溫度給出的強(qiáng)度和光譜分布的寬帶輻射。透鏡(未示出)收集用于輸出至測(cè)量單元10的光。
[0044]第二階段為吸收。發(fā)射兩次穿過(guò)測(cè)量體10，在外部鏡8中反射之后返回至窗口和入口孔。任何碳?xì)浠衔飳⑹勾蠹s3.3μπι的波長(zhǎng)帶中的輻射衰減，同時(shí)其他氣體、污染物和弄臟的光學(xué)器件將在更廣的波長(zhǎng)范圍內(nèi)衰減。
[0045]第三階段為濾波。電壓控制的MEMS光學(xué)濾波器交替地選擇3.3μπι波長(zhǎng)測(cè)量頻帶，以及具有在3.3 μ m測(cè)量頻帶的任意一側(cè)上的峰的雙參考頻帶。
[0046]第四階段為檢測(cè)。光電檢測(cè)器4與濾波器調(diào)制同步測(cè)量經(jīng)過(guò)所濾波的光。該信號(hào)通過(guò)微控制器放大并取樣。
[0047]圖6和圖7示出了 MEMS自適應(yīng)濾波器的更多細(xì)節(jié)。濾波器元件4的光學(xué)表面是最初將光聚集在單個(gè)波長(zhǎng)帶內(nèi)的衍射光學(xué)元件(D0E)。為了從一個(gè)濾波器狀態(tài)改為另一個(gè)濾波器狀態(tài)，光學(xué)表面被分成可移動(dòng)303和靜止301表面的頻帶(其參照?qǐng)D7更詳細(xì)地描述)。這些表面之間的高度差確定衍射光的建設(shè)性或破壞性干擾的程度。830nm或λ/4的差對(duì)在3.3μπι的中心波長(zhǎng)處的破壞性干擾來(lái)說(shuō)是需要的。位移或高度差通過(guò)可移動(dòng)表面303的靜電致動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可移動(dòng)表面303連接至彈簧305并懸掛在襯底304上方。來(lái)自偏轉(zhuǎn)彈簧(deflected spring) 305的回復(fù)力平衡靜電力直至達(dá)到臨界位移并且將整個(gè)框架305拉向襯底304。然后，由此產(chǎn)生的高度差通過(guò)襯底中的蝕刻凹部來(lái)確定。
[0048]圖7示出了濾波器的截面圖。交替的靜態(tài)光束102和可移動(dòng)光束103提供了上文描述的靜止和可移動(dòng)表面。在每個(gè)光束的頂部，存在衍射光柵凸起101。靜態(tài)光束102借助例如熔融結(jié)合至氧化硅層106而附接至襯底105，同時(shí)可移動(dòng)光束103能夠倚靠止動(dòng)器108在蝕刻凹部107中移動(dòng)。
[0049]濾波器元件電氣等效于具有最初通常在IOOpF至300pF的范圍內(nèi)并隨著所施加的電壓增加的電容的電壓依賴(lài)性電容器。微控制器生成控制單級(jí)、雙擲開(kāi)關(guān)的數(shù)字方波，其輸出在OV與24V之間交替。24V通過(guò)升壓調(diào)節(jié)器生成。感測(cè)電阻器用于測(cè)量流入電容器和流出電容器的電流(出于自檢測(cè)目的)。因?yàn)槠湓试S在濾波器元件不工作時(shí)做出確定，故這是有益的。從安全的角度來(lái)看這是非常重要的，因?yàn)槿绻麨V波器在本文公開(kāi)的實(shí)施方式中不起作用，則將給出假陰性信號(hào)，甚至在氣體存在時(shí)也如此。
[0050]圖8示出了光學(xué)傳感器的操作。沿水平時(shí)間軸望去，在點(diǎn)I處，接通光學(xué)傳感器。在點(diǎn)I和點(diǎn)II之間的時(shí)間段期間，預(yù)加熱光源。在直到點(diǎn)III的下一階段期間，測(cè)量“暗的”電平和斜率。此后，直到點(diǎn)IV，加熱源。在從點(diǎn)IV至點(diǎn)V的最終階段，測(cè)量調(diào)制。
[0051]曲線(xiàn)A示出了光電檢測(cè)器信號(hào)。曲線(xiàn)標(biāo)記的α是不存在氣體時(shí)的信號(hào)。曲線(xiàn)標(biāo)記的β是存在所感測(cè)的高濃度氣體時(shí)接收的信號(hào)。曲線(xiàn)標(biāo)記的Y是外推暗信號(hào)，其用于計(jì)算S_SRC(接收信號(hào)的增加是由通過(guò)測(cè)量體從光傳輸導(dǎo)致的)和S_M0D (與測(cè)量模式下的氣體的光吸收對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)上的調(diào)制振幅)的校正值，將在下面進(jìn)一步解釋。
[0052]曲線(xiàn)B示出了由微控制器生成以控制濾波器元件的操作的信號(hào)。當(dāng)濾波器控制信號(hào)較高時(shí)，濾波器處于參考狀態(tài)，當(dāng)控制信號(hào)變低時(shí)，濾波器切換至測(cè)量狀態(tài)。
[0053]曲線(xiàn)C示出了信號(hào)取樣。首先，對(duì)暗信號(hào)取樣以便計(jì)算曲線(xiàn)A中所示的Y曲線(xiàn)的水平和斜率。然后，與濾波器切換同步對(duì)信號(hào)取樣。每個(gè)周期可能具有兩個(gè)以上的樣品，但是為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，每個(gè)周期僅示出了一對(duì)樣品。S_SRC和S_M0D的值從取樣電壓和外推暗信號(hào)來(lái)計(jì)算。S_SRC和S_M0D在圖中所示的測(cè)量期間是恒定的，但是如果源電力不是恒定的，則可以改變。如果使用S_SRC和S_M0D的平均值，則該變型對(duì)測(cè)量基本上沒(méi)有影響。
[0054]最后，曲線(xiàn)D示出了來(lái)自控制光源的微控制器的信號(hào)。首先，如上文所提及的，源被預(yù)加熱至足夠低以便不通過(guò)檢測(cè)器測(cè)量的溫度。預(yù)加熱階段縮短了點(diǎn)III與點(diǎn)IV之間的時(shí)間，時(shí)間傾斜上升，其有益于測(cè)量精度和功耗。在測(cè)量暗信號(hào)之后，源電壓步進(jìn)地或連續(xù)地改變，直至達(dá)到正確的源溫度。在這里所示的實(shí)例中，在調(diào)制測(cè)量期間施加恒定電壓。然而，原則上，在調(diào)制測(cè)量期間，可以控制源電力電壓。
[0055]為了計(jì)算氣體濃度，需要以下變量:光脈沖的強(qiáng)度(S_SRC)，和光調(diào)制的振幅(S_MOD)。另外，人們自然需要諸如測(cè)量體中的光學(xué)路徑長(zhǎng)度、調(diào)制濾波器的特性、近似源光譜和光電檢測(cè)器的光譜響應(yīng)的系統(tǒng)信息。系統(tǒng)信息部分通過(guò)設(shè)計(jì)給出，并且部分從校準(zhǔn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)。
[0056]從測(cè)量信號(hào)確定氣體濃度的優(yōu)選方法通過(guò)比率S_N0RM = S_M0D/S_SRC進(jìn)行。S_MOD的符號(hào)取決于其是否與曲線(xiàn)B中的濾波器控制信號(hào)同相。當(dāng)不存在氣體時(shí)，S_M0D (并且因此S_N0RM)接近于零。然后，校準(zhǔn)信號(hào)S_CAL被計(jì)算為S_CAL = GAIN_S (T) * (S_N0RM -S_0(T))，其中S_0(T)和GAIN_S(T)被用于補(bǔ)償濾波器之間的溫度漂移和各個(gè)變型。在溫度范圍內(nèi)，使用已知的氣體混合物從校準(zhǔn)測(cè)量確定系數(shù)。氣體濃度是S_CAL的非線(xiàn)性函數(shù)。
[0057]光電檢測(cè)器暗電平S_DET可以在測(cè)量期間大量地漂移，其將導(dǎo)致S_SRC和S_M0D出現(xiàn)測(cè)量誤差。為了補(bǔ)償該誤差，在該實(shí)施方式中，測(cè)量S_DET的變化率，并且當(dāng)計(jì)算S_SRC時(shí)使用外推值。
[0058]雖然在所描述的實(shí)施方式中，濾波器僅具有一個(gè)測(cè)量狀態(tài)，但是其可以具有多個(gè)這樣的狀態(tài)，從而允許測(cè)量多種氣體的濃度。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測(cè)量預(yù)定氣體的濃度的氣體傳感器，包括:光源，被配置為發(fā)出光脈沖；測(cè)量體；檢測(cè)器，被配置為接收已通過(guò)所述測(cè)量體的光；以及可適應(yīng)濾波器，被設(shè)置在所述光源與所述檢測(cè)器之間，并且所述可適應(yīng)濾波器具有:測(cè)量狀態(tài)，在所述測(cè)量狀態(tài)中，所述可適應(yīng)濾波器傳遞被所述氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶；以及參考狀態(tài)，在所述參考狀態(tài)中，所述波長(zhǎng)帶相對(duì)于所述測(cè)量狀態(tài)而衰減，其中，所述可適應(yīng)濾波器被配置為在每個(gè)脈沖期間至少一次地將所述測(cè)量狀態(tài)和所述參考狀態(tài)中的一個(gè)改變成另一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述可適應(yīng)濾波器包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體傳感器，其中，所述可適應(yīng)濾波器包括具有被配置為通過(guò)靜電電位移動(dòng)的多個(gè)光柵帶的衍射光學(xué)元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的氣體傳感器，其中，所述MEMS濾波器包括用于測(cè)量所述MEMS濾波器中的電容的改變以用于診斷目的的裝置。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的氣體傳感器，包括單個(gè)光源和單個(gè)檢測(cè)器。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的氣體傳感器，被配置為測(cè)量在沒(méi)有輸入時(shí)來(lái)自所述檢測(cè)器的輸出隨時(shí) 間改變的速率。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的氣體傳感器，其中，所述可適應(yīng)濾波器包括:多個(gè)測(cè)量狀態(tài)，在所述多個(gè)測(cè)量狀態(tài)中的每一個(gè)中，所述可適應(yīng)濾波器傳遞被所述氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶；以及用于每個(gè)測(cè)量的至少一個(gè)參考狀態(tài)，在所述至少一個(gè)參考狀態(tài)中，與所述測(cè)量狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的所述波長(zhǎng)帶相對(duì)于所述測(cè)量狀態(tài)而衰減。
8.一種無(wú)線(xiàn)的、電池操作的氣體檢測(cè)器單元，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的氣體傳感器。
9.一種測(cè)量預(yù)定氣體的濃度的方法，所述方法包括:經(jīng)由被設(shè)置在光源與檢測(cè)器之間的可適應(yīng)濾波器將光脈沖傳遞通過(guò)測(cè)量體至所述檢測(cè)器，在每個(gè)脈沖中至少一次地將所述濾波器切換至其中所述濾波器傳遞被所述氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶的測(cè)量狀態(tài)和其中與所述測(cè)量狀態(tài)相比所述波長(zhǎng)帶衰減的參考狀態(tài)/在每個(gè)脈沖中至少一次地從其中所述濾波器傳遞被所述氣體吸收的所述至少一個(gè)波長(zhǎng)帶的所述測(cè)量狀態(tài)和其中與所述測(cè)量狀態(tài)相比所述波長(zhǎng)帶衰減的所述參考狀態(tài)切換所述濾波器；所述方法包括分別在所述測(cè)量狀態(tài)和所述參考狀態(tài)下從由所述檢測(cè)器所接收到的光的差異來(lái)確定氣體的所述濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括從單個(gè)脈沖確定所述濃度。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，包括使用單個(gè)光源和單個(gè)檢測(cè)器來(lái)測(cè)量所述濃度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的方法，包括在每個(gè)脈沖期間多次地使所述濾波器在所述測(cè)量狀態(tài)與所述參考狀態(tài)之間重復(fù)地切換。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括使用由所述檢測(cè)器所檢測(cè)到的信號(hào)的調(diào)制振幅來(lái)測(cè)量所述濃度。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的方法，包括測(cè)量在沒(méi)有輸入時(shí)來(lái)自所述檢測(cè)器的輸出隨時(shí)間改變的速率。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述可適應(yīng)濾波器包括:多個(gè)測(cè)量狀態(tài)，在所述多個(gè)測(cè)量狀態(tài)的每一個(gè)中，所述可適應(yīng)濾波器傳遞被所述氣體吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)帶；以及用于每個(gè)測(cè)量的至少一個(gè)參考狀態(tài)，在所述至少一個(gè)參考狀態(tài)中，與所述測(cè)量狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的所述波長(zhǎng)帶相對(duì)于所述測(cè)量狀態(tài)而衰減，所述方法包括在每個(gè)脈沖期間至少一次地切換至所 述測(cè)量狀態(tài)中的每一個(gè)。
【文檔編號(hào)】G01N21/3504GK103975231SQ201280059698
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月5日
【發(fā)明者】哈康·薩格貝格, 布里塔·格倫貝格菲斯門(mén), 卡里·安妮·赫斯特內(nèi)斯巴克, 約恩·楚迪, 伊布-魯內(nèi)·約翰森, 克努特·貝羅·桑德文 申請(qǐng)人:燃?xì)獍踩煞萦邢薰?br>