包括光發射器單元和檢測器單元的光聲氣體傳感器模塊的制作方法
【專利摘要】本發明涉及光聲傳感器并且涉及光聲氣體傳感器模塊。所述光聲氣體傳感器包括:光發射器單元,其包括光發射器,所述光發射器被配置為發射具有預定的重復頻率和與待感測氣體的吸收頻帶相對應的波長的光脈沖的光束;以及檢測器單元,其包括麥克風;其中,所述光發射器單元被布置成使得所述光脈沖的光束橫穿被配置為容納所述氣體的區域,并且所述檢測器單元被布置成使得所述麥克風能夠接收以所述重復頻率振蕩的信號。
【專利說明】
包括光發射器單元和檢測器單元的光聲氣體傳感器模塊
技術領域
[0001 ] 本申請涉及光聲氣體傳感器并且涉及光聲氣體傳感器模塊。
【背景技術】
[0002]在過去,已開發許多類型的氣體檢測器件,以便檢測到大氣或環境包含潛在有害或危險的組分,并且如果可能,向人提供其警告。氣體檢測器的適當功能在許多應用中可能十分重要,尤其當這些檢測器用于確保工作人員的安全時。除此之外,當許多設備和儀器的大小持續變得更小時,氣體檢測器的空間消耗也變得越來越重要。小型化的這種總體趨勢產生對開發可容易并入到現有設備或儀器中的更緊湊氣體傳感器的需要。
【發明內容】
[0003]按照本發明,提出了一種光聲氣體傳感器,所述光聲氣體傳感器包括:光發射器單元,其包括光發射器,所述光發射器被配置為發射具有預定的重復頻率和與待感測氣體的吸收頻帶相對應的波長的光脈沖的光束;以及檢測器單元,其包括麥克風;其中,所述光發射器單元被布置成使得所述光脈沖的光束橫穿被配置為容納所述氣體的區域,并且所述檢測器單元被布置成使得所述麥克風能夠接收以所述重復頻率振蕩的信號。
[0004]根據本發明的一種有利的實施方式,所述檢測器單元包括檢測器單元殼體,其中,所述麥克風設置在所述檢測器單元殼體中并且參考氣體封閉在所述檢測器單元殼體中,所述參考氣體與所述待感測氣體具有相同種類。
[0005]根據本發明的一種有利的實施方式,所述重復頻率位于音頻范圍內。
[0006]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器單元被配置為發射具有預先選擇的波長的光。
[0007]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器包括寬帶發射范圍,并且所述光發射器單元包括設置在所述光發射器前方的光學濾波器,所述光學濾波器被配置為允許通過由所述光發射器發射的所述光中的具有預先選擇的波長的光。
[0008]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器包括黑體輻射體、燈、電阻器、二極管或激光器中的一者或多者。
[0009]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器單元包括可調諧的波長發射范圍。
[0010]根據本發明的一種有利的實施方式,所述待感測氣體是⑶2、N0x、H20、02、N2、CH4或乙醇中的一者。
[0011]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器單元包括光發射器單元殼體,其中所述光發射器設置在所述光發射器單元殼體中,并且所述光發射器單元殼體在其壁中包括光出口窗。
[0012]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器單元和所述檢測器單元設置在共同的襯底上。
[0013]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器單元和所述檢測器單元按面對面關系設置。
[0014]根據本發明的一種有利的實施方式,所述的光聲氣體傳感器還包括傳感器殼體,其中所述光發射器單元和所述檢測器單元設置在所述傳感器殼體中。
[0015]根據本發明的一種有利的實施方式,所述傳感器殼體包括具有內表面的壁,所述內表面對于由所述光發射器單元發射的光是反射性的。
[0016]根據本發明的一種有利的實施方式,所述壁包括橢圓形幾何形狀,其中所述光發射器和所述麥克風設置在所述橢圓形的相應焦點中。
[0017]根據本發明的一種有利的實施方式,所述傳感器殼體包括氣體入口開口。
[0018]根據本發明的一種有利的實施方式,所述氣體入口開口由多孔箔覆蓋,所述多孔箔被配置為能夠實現所述待感測氣體的穿透、但防止濕氣和顆粒中的一者或多者的穿透。
[0019]按照本發明,提出了一種光聲氣體傳感器模塊,所述光聲氣體傳感器模塊包括:光發射器,其被配置為發射將由氣體吸收的光脈沖的光束;以及麥克風,其被配置為接收以所述光脈沖的重復頻率振蕩的信號。
[0020]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光聲氣體傳感器模塊被配置成表面安裝器件。
[0021]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器被配置為發射具有與所述氣體的分子的旋轉或振動頻帶的能量相對應的波長的紅外光。
[0022]根據本發明的一種有利的實施方式,所述光發射器和所述麥克風安裝在陶瓷襯底上。
【附圖說明】
[0023]包含附圖以提供對實施例的進一步理解,并且附圖并入且構成此說明書的一部分。這些附圖示出實施例并且連同本描述一起用于解釋實施例的原理。將容易地意識到其它實施例和實施例的許多預期優點,因為其通過參考以下的【具體實施方式】變得更好理解。附圖中的元件未必相對于彼此按比例繪制。相似的附圖標記表示對應的類似部件。
[0024]圖1包括圖1A和圖1B并示出根據一示例的光聲氣體傳感器,還指示測量原理。
[0025]圖2包括圖2A和圖2B并示出根據第一方面的包括陶瓷襯底和傳感器殼體(示出為升高)的光聲氣體傳感器的不例(A)和根據第二方面的包括印刷電路板襯底和傳感器殼體(示出為升高)的光聲氣體傳感器的示例(B)的示意性橫截面側視圖表示。
[0026]圖3包括圖3A和圖3B并示出包括具有橢圓形內壁的殼體的根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的不例(A)和包括具有多邊形內壁的殼體的根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的示例(B)的示意性橫截面側視圖表示。
[0027]圖4包括圖4A和圖4B并示出包括具有橢圓形內壁的殼體的根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的不例(A)和包括具有多邊形內壁的殼體的根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的示例(B)的示意性橫截面側視圖表示。
[0028]圖5包括圖5A和圖5B并示出包括具有橢圓形內壁的傳感器殼體(示出為升高)的根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的示例(A)和具有附接至襯底的殼體并指示氣體流動的相同光聲氣體傳感器(B)的透視圖表不。
[0029]圖6示出包括傳感器殼體的根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的示例的透視圖表示,所述傳感器殼體具有覆蓋開口的保護蓋以供防止濕氣和/或顆粒的穿透并且能夠僅實現所定義氣體的穿透。
[0030]圖7包括圖7A-圖7C并示出包括具有橢圓形內壁的傳感器殼體(示出為升高)的根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的示例(A)和具有附接至襯底的殼體并指示氣體流動的相同光聲氣體傳感器(B)和具有覆蓋開口的保護蓋以供防止濕氣和/或顆粒的穿透并且能夠僅實現所定義氣體的穿透的根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的示例(C)的透視圖表不O
[0031]圖8包括圖8A-圖8D并示出根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中所述光發射器和所述檢測器各自安裝在單獨陶瓷襯底上,圖8A-圖8D分別為在被安裝在一起之前示出的模塊(A)、在已組裝狀態中示出的氣體傳感器(B)、檢測器模塊的透視圖表示(C)和示出氣體流動的傳感器的透視圖表示(D)。
[0032]圖9包括圖9A-圖9C并示出根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中所述檢測器設置在陶瓷襯底上并且所述發射器設置在另一襯底上,圖9A-圖9C分別為在安裝在一起之前示出的模塊(A)、在已組裝狀態中示出的氣體傳感器(B)和檢測器模塊的透視圖表示(C)。
[0033]圖10示出根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中所述檢測器設置在陶瓷襯底上并且所述發射器以其引線附接至該陶瓷襯底的封裝的形式來配置。
[0034]圖11包括圖1lA和圖1lB并示出根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中發射器和檢測器各自安裝在陶瓷襯底上并且兩個陶瓷襯底安裝在一板(board)上,并且其中在第一示例中,該板被配置成表面安裝器件(SMD)(A),并且其中在第二示例中,陶瓷襯底被配置成SMD器件(B)。
[0035]圖12包括圖12A和圖12B并示出根據所述第一方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示和對應頂視圖表示,其中檢測器安裝在陶瓷襯底上并且發射器和檢測器兩者都連接到中間襯底,并且其中在第一示例中,發射器被配置成經封裝的器件(A),并且其中在第二示例中,發射器安裝在陶瓷襯底上(B)。
[0036]圖13包括圖13A-圖13C并示出根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中發射器和檢測器彼此面對面布置并各自包括外部引線,其中在第一示例中,引線是連接到印刷電路板的通孔(A),并且其中在第二示例中,引線是連接到印刷電路板的表面安裝件(B),和所述示例中的任一者的透視圖表示(C)。
[0037]圖14包括圖14A和圖14B并示出根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中發射器模塊和檢測器模塊安裝在柔性襯底上,圖14A和圖14B分別示出在其組裝之前通過使所述柔性襯底彎曲并將其插入到剛性殼體中(A)和將焊球施用到該剛性殼體的開口中以形成球柵配置(B)。
[0038]圖15示出根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中所述發射器模塊和所述檢測器模塊以面對面配置安裝在包括導通孔和外部接觸區域的剛性殼體內以形成表面安裝器件(SMD)配置。
[0039]圖16包括圖16A和圖16B并示出根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中發射器模塊設置在所述檢測器模塊上方并且兩個模塊在通孔技術中借助其引線連接到襯底,其中在第一示例中,發射器模塊被配置為發射光通過插入其襯底中的窗(A),并且其中在第二示例中,所述發射器模塊被配置為發射光通過插入其殼體中的窗(B)。
[0040]圖17示出根據所述第二方面的光聲氣體傳感器的示例的示意性橫截面側視圖表示,其中發射器模塊和檢測器模塊設置在殼體內并且其中其光出口和光入口開口彼此背離,該殼體包括反射性內壁并在表面安裝器件(SMD)配置中連接到襯底。
【具體實施方式】
[0041]現參考附圖來描述這些方面和實施例,其中在通篇中通常利用相似附圖標記來指代相似元件。在以下描述中,出于解釋目的,闡述眾多具體細節,以便提供對實施例的一個或多個方面的透徹理解。然而,對于本領域技術人員來說可顯而易見,實施例的一個或多個方面可以在較小程度的具體細節的情況下實踐。在其它實例中,已知的結構和元件按示意性形式示出,以便有助于描述實施例的一個或多個方面。應當理解,可以利用其它實施例,并且可以在不脫離本發明的范圍的情況下作出結構或邏輯改變。應當進一步注意,附圖未按比例繪制或未必按比例繪制。
[0042]在以下【具體實施方式】中,參考了附圖,附圖形成以下【具體實施方式】的一部分,并且其中以圖解方式示出其中可實踐本發明的特定方面。對此,方向性術語(例如“頂部”、“底部”、“前部”、“背部”等)可參考所描述的圖的取向來使用。由于可以在若干不同的取向上放置所描述的器件的組件,因此該方向性術語可出于圖解目的使用并且決不是限制性的。應當理解,可以利用其它方面,并且可以在不脫離本發明的范圍的情況下作出結構或邏輯改變。因此,不將以限制性意義采用以下【具體實施方式】,并且本發明的范圍由所附權利要求加以限定。
[0043]應當理解,本文中所描述的各種示例性實施例的特征可以相互組合,除非另有明確說明。
[0044]如在此說明書中所采用的,術語“結合”、“附接”、“連接”、“耦合”和/或“電連接/電耦合”并不意味著意指元件或層必須直接接觸在一起;中間元件或層可以分別提供在“結合”、“附接”、“連接”、“親合”和/或“電連接/電耦合”的元件之間。然而,根據本公開內容,上述術語還可以可選地具有元件或層直接接觸在一起(即,無中間元件或層分別提供在“結合”、“附接”、“連接”、“耦合”和/或“電連接/電耦合”的元件之間)的特定意義。
[0045]此外,關于形成在或位于一表面“上方”的部件、元件或材料層使用的詞語“在……上方”在本文中可以用于意指部件、元件或材料層“間接”位于(例如放置、形成、沉積等在)隱式表面(implied surface) “上”,其中一個或多個額外部件、元件或層布置在隱式表面和部件、元件或材料層之間。然而,關于形成在或位于一表面“上方”的部件、元件或材料層使用的詞語“在……上方”還可以可選地具有部件、元件或材料層“直接”位于(例如放置、形成、沉積等在)隱式表面“上”(例如與隱式表面直接接觸)的特定意義。
[0046]另外,雖然可能針對數個實施方式中的僅一個實施方式公開了實施例的特定特征或方面,但此特征或方面可以如所期望并對任何給定或特定應用有利的與其它實施方式的一個或多個其它特征或方面進行組合。此外,就術語“包含”、“具有”、“帶有”或其其它變型用于【具體實施方式】或權利要求書中而言,此類術語旨在以類似于術語“包括”的方式具有包含性。可以使用術語“耦合”和“連接”以及派生詞。應當理解,這些術語可以用于指示兩個元件合作或相互作用,而不管其是直接物理或電氣接觸還是其并不相互直接接觸。此外,術語“示例性”僅意味著作為示例,而非最好或最優。因此,不將以限制性意義采用以下【具體實施方式】,并且本發明的范圍由所附權利要求加以限定。
[0047]本文中所描述的檢測器模塊的示例可以包括麥克風芯片。麥克風芯片可以由半導體芯片組成。半導體芯片可以基于特定半導體材料(例如S1、SiC、SiGe、GaAs、GaN、AlGaAs)來制造,但也可以基于任何其它半導體材料來制造,并且此外,可以包含不是半導體的無機和/或有機材料,諸如舉例來說絕緣體、塑料或金屬。麥克風芯片可以通過MEMS(微光機電)技術來制作。
[0048]光聲氣體傳感器的示例可以包括其中嵌入有所述芯片中的一者或多者的封裝劑或封裝材料。封裝材料可以是任何電絕緣材料,如(例如)任何種類的模制材料、任何種類的樹脂材料或任何種類的環氧材料。封裝材料還可以是聚合物材料、聚酰亞胺材料、熱塑性材料、硅樹脂材料、陶瓷材料和玻璃材料。封裝材料還可以包括上述材料中的任一者,并且還包含嵌入其中的填料材料,如(例如)導熱增加物。這些填料增加物可以例如由AlO或Al2O3、A1N、BN或SiN制成。此外,填料增加物可以具有纖維的形狀并且可以例如由碳纖維或納米管制成。
[0049]圖1包括圖1A和圖1B并在左側圖中示出光聲氣體傳感器的示例,左側圖連同右側圖一起示出光聲氣體傳感器的工作原理。圖1的光聲氣體傳感器10包括光發射器單元11,光發射器單元11包括光發射器11.1,光發射器11.1被配置為發射具有預定的重復頻率和與待感測氣體的吸收頻帶相對應的波長的光脈沖11.3的光束11.2。光聲氣體傳感器10還包括檢測器單元12,檢測器單元12包括麥克風12.1。光發射器單元11被布置成使得光脈沖11.3的光束11.2橫穿被配置為容納氣體的區域A,并且檢測器單元12被布置成使得麥克風12.1可以接收以重復頻率振蕩的信號。附圖標記12.2、12.3和12.4分別表示檢測器模塊殼體、參考氣體和光入口窗,這些元件是圖1的光聲傳感器10的可選元件。
[0050]利用重復頻率來調制的光脈沖將由氣體吸收并生成在麥克風中產生特性信號的局部壓力脈沖。吸收是氣體特有的,尤其是,其對應于其特性旋轉-振動譜帶中的特定過渡,使得通過施加適當的激發頻率,可以構建有選擇性的光聲氣體傳感器。特定挑戰是構造可以容易處理、輸送或安裝在不同種類的襯底上的緊湊、小型化光聲氣體傳感器。
[0051]根據圖1的光聲氣體傳感器10的示例,檢測器單元12包括檢測器單元殼體12.2,其中麥克風12.1設置在檢測器單元殼體12.2中,并且附圖標記12.3所指示的參考氣體封閉在檢測器單元殼體12.2中,參考氣體12.3與待感測氣體具有相同種類,其中后者提供在區域A中。根據其進一步示例,參考氣體12.3氣密密封在檢測器單元殼體12.2中,并且檢測器單元殼體12.2在面向發射器模塊的一側處包括光進入窗12.4,光進入窗12.4對由光發射器11.1發射的光具有透射性。氣密密封在殼體12.2中的氣體12.3可以因此表示為參考氣體,或檢測器單元殼體12.2的內部容積可以表示為參考容積。待感測氣體設置在區域A中,尤其是在發射器模塊11和檢測器模塊12之間的光路徑內。測量原理因此以如下方式配置:在區域A中(尤其是在發射器模塊11和檢測器模塊12的光進入窗12.4之間的光路徑中)不存在待感測氣體的情況下,光脈沖在無任何衰減的情況下進入到參考容積中,以使得由麥克風12.1測量和傳送的信號將是最大值,如在圖1A的時間圖中可見到的。另一方面,如果在區域A中(尤其是在發射器模塊11和檢測器模塊12的光進入窗12.4之間的光路徑中)存在待感測氣體,則光脈沖將衰減,以使得具有較小強度的光脈沖將進入參考容積,從而導致由麥克風12.1測量和傳送的信號的減小,如在圖1B的時間圖中所指示的。因此,在圖1中示出的測量變型中,以重復頻率振蕩并由麥克風檢測到的信號來自于參考氣體。在區域A中氣體的存在是通過由麥克風12.1檢測到的信號強度的減小來指示的。
[0052]根據光聲氣體傳感器的另一示例,無參考氣體封閉在檢測器模塊殼體中,而是相反,僅待感測氣體存在于區域A中,尤其是在發射器模塊和麥克風之間的光路徑中。在該情況下,如果在發射器模塊和檢測器模塊之間的光路徑中不存在待感測氣體,則麥克風將不會檢測到并輸出任何信號。另一方面,如果在區域A中(尤其是在發射器模塊和檢測器模塊之間的光路徑中)存在待感測氣體,則麥克風將檢測到并輸出強度取決于區域A中存在的氣體的量或密度的信號。因此,在該替代測量變型中,以重復頻率振蕩并由麥克風檢測到的信號來自于氣體自身。在區域A中氣體的存在是通過由麥克風12.1檢測到的信號強度的增加來指示的。因此在該替代變型中,在存在待感測氣體的情況下,將獲得正信號。
[0053]根據圖1的光聲氣體傳感器10的示例,光脈沖的重復頻率位于音頻范圍內或位于從IHz到1kHz(尤其是從IHz到IkHz)的頻率范圍內,其中典型頻率范圍是從IHz到10Hz,這對應于從0.0ls到Is的脈沖持續時間范圍。
[0054]根據圖1的光聲氣體傳感器10的不例,由光發射器11.1發射的光可以包括可見或不可見譜帶中的任何期望的波長或波長范圍。尤其是,光發射器單元11被配置為僅發射具有與待感測氣體的吸收頻帶相對應的預先選擇的波長的光。
[0055]根據圖1的光聲氣體傳感器1的不例,光發射器11.1包括寬帶發射器、窄帶發射器、相干光發射器、非相干光發射器、黑體福射體、燈、加熱電阻器、發光二極管(LED)或激光器(尤其是激光二極管)中的一者或多者。根據其示例,在光發射器11.1包括寬帶發射器的情況下,光發射器單元11可以包括設置在光發射器11.1前方的光學濾波器,光學濾波器被配置為允許通過由光發射器11.1發射的光中的具有預先選擇的波長的光。如果光發射器模塊11包括光發射器模塊殼體11.4和設置在光發射器單兀殼體11.4的壁中的光出口窗11.5,則光學濾波器可以施用到光出口窗11.5上或者其甚至可以與光出口窗11.5相同。
[0056]根據圖1的光聲氣體傳感器10的實施例,光發射器單元11包括可調諧的波長發射范圍。對所發射光脈沖的波長的調諧取決于所采用的光發射器11.1的種類。例如,如果光發射器11.1是窄帶光源(如發光二極管(LED)或激光二極管),則對發射波長的調諧可以通過直接控制光發射器11.1來完成。然而,如果光發射器11.1是寬帶光發射器,則所發射光脈沖由光學濾波器過濾,可以采用波長可調諧光學濾波器(如例如法布里-珀羅(Fabry-Perot)光學濾波器),以使得光學濾波器的傳輸頻帶可以由適當的單元調節。可調諧的波長發射范圍的一個優點在于,原則上可以檢測不同種類的氣體。
[0057]根據圖1的光聲氣體傳感器10的示例,光發射器單元11被配置為發射具有某一波長的紅外光的光脈沖的光束,該波長與待感測氣體的分子的旋轉或振動頻帶或者過渡的能量相對應。
[0058]根據圖1的光聲氣體傳感器1的示例,待感測氣體是CO2、NOx、H2O、O2、N2、CH4或乙醇中的一者。
[0059]根據圖1的光聲氣體傳感器10的示例,光發射器單元11包括光發射器單元殼體
11.4,其中光發射器11.1設置在光發射器單元殼體11.4中,并且光發射器單元殼體11.4在其壁中包括光出口窗11.5。如上文已概述,光出口窗11.5應具有允許通過由光發射器11.1發射的光的所期望波長的傳輸特性。根據其進一步示例,光出口窗11.5可以設計為用于過濾所期望波長的光學濾波器或此光學濾波器可以附接至光出口窗11.5。
[0060]根據圖1的光聲氣體傳感器10的示例,光發射器單元11和檢測器單元12設置在共同的襯底上。下文將進一步示出其具體示例。
[0061]根據圖1的光聲氣體傳感器10的示例,光發射器單元11和檢測器單元12按面對面關系設置,這意味著(例如)發射器模塊11的光出口窗11.5和檢測器模塊12的光入口窗12.4如圖1中所示按面對面關系設置。下文將進一步示出其進一步具體示例。
[0062 ] 根據圖1的光聲氣體傳感器1的不例,傳感器還包括傳感器殼體,其中光發射器單元和檢測器單元設置在傳感器殼體中或附接至傳感器殼體。根據其進一步示例,傳感器殼體包括具有內表面的壁,該內表面對于由光發射器單元發射的光是反射性的。根據其進一步示例,壁包括橢圓形幾何形狀,其中光發射器和麥克風設置在橢圓形的相應焦點中。下文將進一步示出其具體示例。
[0063]根據進一步示例,傳感器殼體包括氣體入口開口。根據其進一步示例,氣體入口開口由多孔箔覆蓋,多孔箔被配置為能夠實現待感測氣體的穿透、但防止濕氣和顆粒中的一者或多者的穿透。下文將進一步示出其具體示例。
[0064]根據圖1的光聲氣體傳感器10的示例,檢測器模塊12包括一個或多個另外的電子器件,如(例如)邏輯集成電路芯片、ASIC芯片等。下文將進一步示出其具體示例。
[0065]根據圖1的光聲氣體傳感器10的不例,光聲氣體傳感器被配置成光聲傳感器模塊,光聲傳感器模塊被配置成表面安裝器件或通孔安裝器件。下文將進一步示出其具體示例。
[0066]圖2包括圖2A和圖2B并示出光聲氣體傳感器模塊的兩個不同示例。
[0067]圖2A的光聲氣體傳感器模塊20包括發射器模塊21、檢測器模塊22和覆蓋光發射器模塊21和檢測器模塊22的傳感器殼體23。傳感器殼體23包括用于允許大氣氣體進入光聲氣體傳感器20的內部的開口(圖2中未示出,例如參見圖5)。發射器模塊21和檢測器模塊22安裝在共同的陶瓷襯底24上,襯底24包括設置在彼此上方的多個層以及與發射器模塊21和檢測器模塊22連接的電氣導通孔連接。發射器模塊21包括設置在腔21.2內的光發射器21.1,其中腔21.2包括形成在襯底24中的凹陷區域,凹陷區域由襯底24的側向封閉立面側向限制,該立面具有共面的上表面,在該共面的上表面上設置有光出口窗21.3。光發射器21.1可以是基于MEMS的電阻器、二極管、激光器、燈或者任何其它相干或非相干光源。其可以是完成的(即,經封裝)組件。此外,其可以在通孔或在表面安裝技術中安裝在襯底24上。檢測器22包括設置在腔22.2內的麥克風22.1。參考氣體22.3也設置在腔22.2內,參考氣體22.3與待感測氣體具有相同種類,并且參考氣體22.3設置在腔22.2內。腔22.2以與發射器模塊21的腔21.2類似的方式來形成并且包括形成于襯底24中的凹陷區域,其中該凹陷區域以與發射器21的凹陷區域相同的方式由襯底24的側向封閉立面限制。類似地,側向封閉立面包括上部共面的表面,在該上部共面的表面上設置有光進入窗22.4。光進入窗22.4以參考氣體22.3氣密密封在腔22.2內的這種方式來設置。麥克風22.1可以由MEMS-麥克風形成。麥克風22.1可以通過通孔或表面安裝技術安裝在襯底24的表面上。檢測器22可以包括另外的電子器件22.5,如(例如)邏輯集成電路芯片或ASIC芯片。殼體23可以包括內部反射壁23.1,其對于由光發射器21.1發射的光是高度反射性的。傳感器殼體23的內表面的幾何形狀可以具有橢圓形外形,其中光發射器21.1和麥克風22.1可以設置在橢圓的焦點中。
[0068]圖2B不出類似于圖2A的不例的光聲氣體傳感器的不例。圖2B的光聲氣體傳感器模塊30包括發射器模塊31和檢測器模塊32,兩者通過通孔技術安裝在襯底34上。發射器模塊31和檢測器模塊32兩者分別包括金屬性殼體31.1和32.1。發射器模塊31還包括形成于金屬性殼體31.1的上表面中的光出口窗31.2,并且檢測器模塊32包括形成于金屬性殼體32.1的上表面中的光入口窗32.2。圖2B的光聲氣體傳感器模塊30還包括傳感器殼體33,傳感器殼體33可以以與圖2A的光聲氣體傳感器模塊20的殼體23相同的方式來形成。尤其是,傳感器殼體33還可以包括內部反射壁33.1,內部反射壁33.1對于由發射器模塊31發射的光是高度反射性的。傳感器殼體33的內表面的幾何形狀可以具有橢圓形外形,其中發射器模塊31和檢測器模塊32可以設置在橢圓的焦點中。光聲氣體傳感器模塊30可以還包括另外的電子器件35,其可以是邏輯集成電路芯片或ASIC芯片。襯底34可以是多層印刷電路板(PCB)。
[0069]圖3包括圖3A和圖3B并示出殼體的兩個不同示例,可以采用殼體來有效地引導由光發射器發射的光。圖3A再次示出圖2A的光聲氣體傳感器模塊20,其中繪示由光發射器21.1發射的光的三個不同光路徑。其示出,由于將光發射器21.1和檢測器22放置在橢圓的焦點中,在由光發射器21發射的光的任何方向上,其將進入檢測器22的腔22.2并聚焦在麥克風22.1附近的區域中。圖3B示出光聲氣體傳感器模塊40,其不同于光聲氣體傳感器模塊20之處僅在于傳感器殼體的內壁的幾何形狀。圖3B的光聲氣體傳感器模塊40包括殼體43,殼體43包括內部反射壁43.1,內部反射壁43.1包括兩個相對傾斜壁區段,以使得由光發射器41發射的光在傾斜壁區段中的一者處反射,并且此后光束由傾斜壁區段中的另一者在檢測器42和麥克風42.1的方向上反射。圖3示出,光束分別進入檢測器模塊22或42的腔22.2或42.2,并不直接在麥克風22.1或42.1上方。應當注意,將僅需要的是,足夠大容積的參考氣體由光束激發,以使得來自于此容積的壓力脈沖可以到達麥克風。
[0070]圖4包括圖4A和圖4B,圖4A和圖4B對應于圖3A和圖3B,其中差別與圖2A和圖2B之間的差別相同。圖4B再次示出具有附接至襯底34的傳感器殼體33的圖2B的光聲氣體傳感器模塊30。由發射器模塊31發射的光束的光路徑對應于如圖3A中所示的光路徑。圖4B示出除殼體53以外類似于光聲氣體傳感器模塊30配置的光聲氣體傳感器模塊50,殼體53形成為如圖3B的光聲氣體傳感器模塊40的殼體43。附圖標記51和52分別表不發射器模塊和檢測器模塊。
[0071 ]包括圖5A和圖5B的圖5示出圖2A的光聲氣體傳感器模塊20的透視圖。透視圖使得可以看到,殼體23包括開口 23A,該開口 23A允許大氣氣體進入殼體23的內部并且因此將由光聲氣體傳感器模塊20感測。在如圖5中所不的不例中,開口23A包括橫截面,其沿(例如)殼體20的中心平面以與殼體20的橫截面相同的方式成形,即開口23A的橫截面具有半橢圓形的外形。這可以是殼體20包括僅一個開口 23A以使得大氣氣體可以進入殼體20的內部的情況。圖5B示出進一步變型,其中殼體包括兩個相對開口,以使得大氣氣體可以不僅從兩個相對側進入殼體23的內部,并且大氣氣體還可以通過進入位于一側上的開口并通過位于相對側上的另一開口離開而流過殼體23的內部。
[0072]圖6不出光聲氣體傳感器模塊的不例的透視圖。圖6的光聲氣體傳感器模塊60可以是第一方面或第二方面中的一者,其中在此示例中,焦點在于傳感器殼體63上。如在先前示例中,傳感器殼體63附接至襯底64,從而形成其中設置發射器(未示出)和檢測器(未示出)的內部空間。傳感器殼體63還包括氣體入口開口 63A,使得大氣氣體可以流入內部空間中,以便由如前所述的發射器和檢測器模塊的組合效果來感測。圖6的光聲氣體傳感器模塊60還包括箔63B,箔63B插入開口 63A中并且可以由任何材料(如例如金屬或塑料)制作。箔63B還可以具有多孔結構。箔63B的功能是防止濕氣和/或顆粒到模塊60的內部空間中的穿透和/或能夠僅實現所定義氣體到內部空間中的穿透,尤其是可以與設置在檢測器模塊中的參考氣體具有相同種類的一種特定氣體。箔63B因此實現被配置為過濾掉除了待感測特定氣體以外的任何其它東西的過濾器的功能。
[0073]圖7包括圖7A至圖7C并示出如已結合圖2B示出和解釋的光聲氣體傳感器模塊30。圖7中示出光聲氣體傳感器模塊30的方式類似于圖5,并且其同樣地示出殼體33包括氣體入口開口 33A,氣體入口開口 33A類似于或相同于圖5的光聲氣體傳感器模塊20的氣體入口開口 23A。氣體入口開口 33A可以提供在殼體33的相對側面上,如圖7B中所示并類似于圖5B。氣體入口開口 33A還可以如圖7C中所示設有箔33B,其中箔33B可以類似于圖6中所示的箔63B。
[0074]圖8包括圖8A-圖8D并不出光聲氣體傳感器模塊的不例。如圖8中所不,光聲氣體傳感器模塊70包括發射器和檢測器的面對面布置。光聲氣體傳感器模塊70的組裝從光發射器模塊71和檢測器模塊72的單獨建立開始,如圖8A中所繪示。光發射器模塊71包括襯底71.4,襯底71.4類似于圖2A的襯底24ο襯底71.4包括凹陷區域71.2,其中光發射器71.1設置在凹陷區域71.2的平坦最低表面上。凹陷區域71.2由襯底71.4的環狀封閉立面側向限制,此還允許光出口窗71.5緊固其上。光出口窗71.5可以密封連接到襯底71.4,如由箭頭所示。檢測器模塊72同樣地包括襯底72.4,襯底72.4類似于圖2A的襯底24,襯底72.4包括凹陷區域
72.2。凹陷區域72.2由襯底72.4的環狀封閉立面側向限制,此還允許光入口窗72.5緊固在其上。由襯底7 2.4的環狀立面和光入口窗72.5封閉的凹陷區域72.2填充有參考氣體7 2.3,為此,光入口窗72.5氣密密封到襯底72.4的環狀立面,如箭頭所指示的。凹陷區域72.2包括其上設置麥克風72.1的最低平面表面。至少一個其它電子器件72.6(如邏輯集成電路芯片或ASIC芯片)也設置在凹陷區域72.2的最低表面上。
[0075]圖SB示出經組裝的光聲傳感器模塊70,其中發射器模塊71和檢測器模塊72的環狀立面附接至彼此。為檢測環境大氣中存在的氣體,光出口窗71.5和光入口窗72.5之間的區域必須能訪問外部。此可以通過以下方式實現:以發射器模塊71和檢測器模塊72的立面的最高層并不形成為封閉環、而是留下至少一個開放側面或兩個相對開放側面(如圖SC(箭頭指示立面中的一者)和圖8D中所示)的方式來形成立面中的一者或兩者。
[0076]圖9包括圖9A-圖9C并不出光聲氣體傳感器模塊的不例。圖9的光聲氣體傳感器模塊80類似于圖8的光聲傳感器模塊70并且實質上以提供光發射器模塊的方式不同于后者,其中檢測器模塊類似于或相同于圖8的檢測器模塊。光聲氣體傳感器模塊80的光發射器模塊81包括襯底81.1,襯底81.1可以(例如)是其上安裝經封裝的光發射器器件81.2的PCB狀層壓制件(laminate)。光發射器器件81.2可以通過表面安裝技術(如圖9A中所繪示)或替代地通過通孔技術安裝在襯底81.1上。光發射器模塊81然后附接至檢測器模塊82的襯底82.4的抬高部分以形成經組裝的光聲氣體傳感器模塊80,如圖9B中所示。提供對光發射器模塊81和檢測器模塊82的光入口窗82.5之間的區域的訪問,可以與結合圖8解釋的相同方式(SP通過以襯底82.4的立面的上部層并不環狀封閉的方式(如圖9C中的箭頭所指示的)形成其)來完成。
[0077]圖10不出光聲氣體傳感器模塊90的不例,光聲氣體傳感器模塊90類似于如圖9B中所示的光聲氣體傳感器模塊80。圖10的光聲氣體傳感器模塊90并不包括其上附接光發射器模塊91的襯底。相反,光發射器模塊91包括外部引線元件91.1,外部引線元件91.1附接至檢測器模塊92的襯底92.4的抬高部分的上部平面表面并且電連接到設置在這些上部平面表面上的接觸區域。
[0078]包括圖1lA和圖1lB的圖11示出光聲氣體傳感器模塊100和110的示例。光聲氣體傳感器模塊100包括襯底101,襯底101可以是PCB或PCB狀層壓制件。在襯底101的上表面上,光發射器模塊102和檢測器模塊103按面對面配置安裝,S卩,使得光發射器模塊102的光出口窗102.5和檢測器模塊103的光入口窗103.5面向彼此。模塊102和103兩者都借助其側面安裝到襯底101的上表面上。尤其是,模塊102和103在其側面上包括接觸元件并且在表面安裝技術中借助這些接觸元件安裝在襯底101的上表面上的相應接觸區域上。此外,其它電子器件104(如例如經封裝的集成電路芯片)可以安裝在襯底101的上表面上并在其上與相應接觸區域連接。光聲氣體傳感器模塊100以如下方式被配置成表面安裝器件:電氣接觸區域被施加在襯底101的下表面上,使得光聲氣體傳感器模塊100作為整體可以在表面安裝技術中安裝在襯底(如PCB)上。
[0079]圖1lB的光聲氣體傳感器模塊110類似于圖1lA中所不的光聲氣體傳感器模塊并且還被配置成表面安裝器件。與圖1IA的模塊100的差別在于,電氣接觸區域遠離襯底111被施加在模塊112和113的側面上,使得模塊110可以借助模塊112和113的這些側面而非借助襯底111安裝在襯底(如PCB)上。附圖標記114表示類似于圖1lA的芯片104的另一芯片。
[0080]圖12包括圖12A和圖12B并分別在橫截面側視圖表不(左側圖片)且在頂視圖表不(右側圖片)中包括光聲氣體傳感器模塊的兩個不同示例。圖12A示出包括光發射器模塊121和檢測器模塊122的光聲氣體傳感器模塊120。該模塊類似于圖10的模塊90,除了在光發射器模塊121和檢測器模塊122之間插入中間襯底125(即,包括凹陷區域125A的中間襯底125),光發射器模塊121借助其外部引線電連接到中間襯底125的上表面上的電氣接觸區域,并且檢測器模塊122借助其立面上的電氣接觸區域連接到中間襯底125的下表面上的電氣接觸區域。如圖12A的頂視圖中可見到的,模塊121和122以其通過凹陷區域125A面向彼此的方式安裝在中間襯底125上。
[0081]圖12B的光聲氣體傳感器模塊130類似于圖8的模塊70并包括光發射器模塊131和檢測器模塊132。與圖8的模塊70的差別在于,以與關于模塊120相同的方式,中間襯底135設置在模塊131和132之間。這些模塊以與借助圖12A的模塊120示出和解釋相同的方式通過中間襯底135的凹陷區域135A面向彼此。
[0082]圖13包括圖13A-圖13C并示出光聲氣體傳感器模塊140和150的示例。光聲氣體傳感器模塊140包括光發射器模塊141和檢測器模塊142。模塊140類似于圖2B的模塊30,存在以下差別。光發射器模塊141和檢測器模塊142借助其引線在通孔技術中連接到襯底144,其中引線彎曲,使得模塊141和142彼此面對面地布置,這意味著光出口窗141.5和光入口窗142.5面向彼此。這意味著不需要殼體143的特定幾何形狀。殼體143可以被配置成簡單的矩形蓋板。如圖13C中所示,殼體143在其側面中的至少一者上應具有開口,以使得大氣氣體可以進入殼體143的內部。殼體143安裝到襯底144上。另外的電子器件145可以安裝在襯底144上。
[0083]圖13B的光聲氣體傳感器模塊150類似于模塊140,模塊150還包括處于面對面空間關系的光發射器模塊151和檢測器模塊152以及類似于殼體143的殼體153。與模塊140的差別在于,模塊151和152在表面安裝技術中以模塊151和152的引線的下部部分彎曲以使得其水平取向的方式安裝到襯底154上。借助這些水平部分,引線安裝在襯底154的內表面上的電氣接觸區域上。
[0084]圖14包括圖14A和圖14B并不出光聲氣體傳感器模塊160的不例。模塊160包括光發射器模塊161和檢測器模塊162。模塊161和162兩者都在通孔技術中安裝到柔性(PCB)襯底164。如箭頭所示出的,柔性襯底164可以以模塊161和162面向彼此(S卩,光出口窗161.5和光入口窗162.5面向彼此)的方式彎曲。然后,中間體可以插入到包括開口 165A的剛性襯底165中。最后,焊球166被施加到開口 165A中,焊球166與柔性襯底164的下表面處的電氣接觸區域連接在一起。已組裝模塊160可以借助焊球166安裝在襯底(如印刷電路板)上。
[0085]圖15示出光聲氣體傳感器模塊170的示例。模塊170包括光發射器模塊171和檢測器模塊172,光發射器模塊171和檢測器模塊172兩者都通過通孔技術安裝在剛性多層襯底174上。襯底174包括U形外形,其中模塊171和172緊固到U形的側桿(side bar)的內面。模塊170還包括位于水平部分的下表面上的電氣接觸區域,以便其可以借助表面安裝技術附接至PCB板。另外的電子器件175安裝在襯底174的內部水平表面上。
[0086]圖16包括圖16A和圖16B并示出光聲氣體傳感器模塊180和190的示例。圖16A的模塊180包括光發射器模塊181和檢測器模塊182,光發射器模塊181和檢測器模塊182以光發射器模塊181設置在檢測器模塊182上方并且兩個模塊都通過通孔技術電連接到襯底184的方式來布置。光發射器模塊181被配置為使得光被發射通過插入襯底181.1中的光出口窗
181.2。圖16B的模塊190類似于圖16的模塊180。差別在于,光發射器模塊191倒立地布置,以使得光被發射通過插入殼體191.1中的光出口窗191.2。模塊191和192兩者都在通孔技術中安裝在襯底194上。
[0087]圖17不出包括光發射器模塊201和檢測器模塊202的光聲氣體傳感器模塊200的不例。模塊201和202布置成使其光出口和光入口窗201.5和202.5背離彼此。模塊201和202安裝在殼體204內,殼體204包括覆蓋有反射層204.2的內壁204.1。模塊201和202在通孔技術中安裝在襯底205的直立部分205.3上。殼體204安裝到襯底205上。另外的電子器件206(如(例如)邏輯集成電路芯片或ASIC芯片)安裝在襯底205的下表面上。箭頭示出光束通過殼體204的內部的方式。模塊200的一個優點在于,如果與先前示出的示例相比,光束的路徑相當長。這種長路徑是有利的,因為光將由殼體的內部中的氣體更強地吸收,使得增加模塊200的靈敏度。
[0088]雖然本文中已示出并描述特定的實施例,但本領域普通技術人員將意識到,在不脫離本發明的范圍的情況下,多種替代和/或等效實施方式可以替代所示和所描述的特定實施例。本申請旨在涵蓋本文中所論述的特定實施例的任何改寫或變型。因此,意圖是本發明僅由權利要求及其等效內容加以限制。
【主權項】
1.一種光聲氣體傳感器,包括: 光發射器單元,其包括光發射器,所述光發射器被配置為發射具有預定的重復頻率和與待感測氣體的吸收頻帶相對應的波長的光脈沖的光束;以及檢測器單元,其包括麥克風; 其中,所述光發射器單元被布置成使得所述光脈沖的光束橫穿被配置為容納所述氣體的區域,并且所述檢測器單元被布置成使得所述麥克風能夠接收以所述重復頻率振蕩的信號。2.根據權利要求1所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述檢測器單元包括檢測器單元殼體,其中,所述麥克風設置在所述檢測器單元殼體中并且參考氣體封閉在所述檢測器單元殼體中,所述參考氣體與所述待感測氣體具有相同種類。3.根據權利要求1或2所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述重復頻率位于音頻范圍內。4.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述光發射器單元被配置為發射具有預先選擇的波長的光。5.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述光發射器包括寬帶發射范圍,并且所述光發射器單元包括設置在所述光發射器前方的光學濾波器,所述光學濾波器被配置為允許通過由所述光發射器發射的所述光中的具有預先選擇的波長的光。6.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述光發射器包括黑體福射體、燈、電阻器、二極管或激光器中的一者或多者。7.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述光發射器單元包括可調諧的波長發射范圍。8.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述待感測氣體是CO2、NOx、H2O、O2、N2、CH4或乙醇中的一者。9.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述光發射器單元包括光發射器單元殼體,其中所述光發射器設置在所述光發射器單元殼體中,并且所述光發射器單元殼體在其壁中包括光出口窗。10.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述光發射器單元和所述檢測器單元設置在共同的襯底上。11.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述光發射器單元和所述檢測器單元按面對面關系設置。12.根據前述權利要求中的任一項所述的光聲氣體傳感器,還包括: 傳感器殼體,其中所述光發射器單元和所述檢測器單元設置在所述傳感器殼體中。13.根據權利要求12所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述傳感器殼體包括具有內表面的壁,所述內表面對于由所述光發射器單元發射的光是反射性的。14.根據權利要求13所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述壁包括橢圓形幾何形狀,其中所述光發射器和所述麥克風設置在所述橢圓形的相應焦點中。15.根據權利要求12至14中的任一項所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述傳感器殼體包括氣體入口開口。16.根據權利要求15所述的光聲氣體傳感器,其中, 所述氣體入口開口由多孔箔覆蓋,所述多孔箔被配置為能夠實現所述待感測氣體的穿透、但防止濕氣和顆粒中的一者或多者的穿透。17.—種光聲氣體傳感器模塊,包括: 光發射器,其被配置為發射將由氣體吸收的光脈沖的光束;以及 麥克風,其被配置為接收以所述光脈沖的重復頻率振蕩的信號。18.根據權利要求17所述的光聲氣體傳感器模塊,其中, 所述光聲氣體傳感器模塊被配置成表面安裝器件。19.根據權利要求17或18所述的光聲氣體傳感器模塊,其中, 所述光發射器被配置為發射具有與所述氣體的分子的旋轉或振動頻帶的能量相對應的波長的紅外光。20.根據權利要求17至19中的任一項所述的光聲氣體傳感器模塊,其中, 所述光發射器和所述麥克風安裝在陶瓷襯底上。
【文檔編號】G01N21/17GK106066305SQ201610252273
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月21日 公開號201610252273.4, CN 106066305 A, CN 106066305A, CN 201610252273, CN-A-106066305, CN106066305 A, CN106066305A, CN201610252273, CN201610252273.4
【發明人】G·貝爾, S·貝爾, A·德厄, F·約斯特, S·科爾布, G·魯爾, R·M·沙勒, H·托伊斯
【申請人】英飛凌科技股份有限公司