光聲光譜學探測器和系統的製作方法

2023-05-10 15:54:16 2

專利名稱：光聲光譜學探測器和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及聲探測器，其用於探測通過流體對光的吸收而在光 聲光譜學系統中生成的聲信號，所述聲探測器包括傳感單元，所述 傳感單元在所述聲信號的頻率上或附近表現出結構共振。本發明還涉及光聲光譜學系統，其包括光源、根據本發明的聲 10 探測器和被配置為向用戶顯示來自所述探測器的信息的輸出裝置。技術領域在光聲光譜學(Photo-Acoustic Spectroscopy, PAS)中，對於在樣本內含有的特殊分子的吸收頻率處發光的光源，例如雷射器進行 15幅度或頻率調製。這一調製導致了含有樣本的測試單元內的周期性 壓力變化，其原因在於由樣本內光的吸收導致的溫度變化。可以通 過諸如傳聲器的聲探測器拾取這些周期性壓力變化，因而能夠獲得 有關吸收量的信息，所述吸收量與樣本內吸收分子的濃度成正比。 PAS是一項用於痕量氣體探測的已知技術，近來有人研究將其 20 應用於呼吸測試。呼吸測試應用的代表性例子為監視哮喘、呼吸酒精、腸胃紊亂 探測和急性器官排異反應。此外，早期的臨床試驗表明可能將其應 用於乳腺癌和肺癌的預篩查。一氧化氮(NO)是人體呼吸中一種最為重要的診斷氣體。例如， 25可以在哮喘病人體內發現NO濃度升高。在人體呼吸內發現的典型 呼出NO濃度水平處於十億分之幾(ppb)的範圍內，並且只有以化 學致發光或先進的光學吸收光譜法為基礎採用昂貴的大型設備才能因而需要一種小巧的低成本裝置來測量這些人的呼吸中諸如 30 NO的痕量氣體的極低的濃度。除了人的呼吸外，人們對於監測工業 過程氣體的純度方面的痕量氣體探測以及大氣和汽車尾氣中的汙染 氣體的探測也表現出了越來越高的興趣。常規PAS系統的缺陷在於需要大功率的、桌面尺寸的雷射器和 大型氣室。5 旨在減輕這一缺陷的一項最新進展表明，將尺寸可以和常規半導體雷射器比擬的紅外量子級聯雷射器用於PAS系統是可行的。在WO 03104767中，公開了另一項旨在實現更為緊湊的PAS 系統的最新進展。這裡，採用石英音叉作為PAS系統中的探測器， 例如，所述石英音叉可能應用於手錶中。在上述專利申請中，還將o 石英音叉與優選由不鏽鋼或玻璃製造的聲共振器或聲管結合。將這 一聲共振器布置為在所述共振器內形成駐波，並將音叉插入到共振 器內的波腹位置。因而放大了音叉股(prong)之間的壓力變化。這一布局的缺陷在於，必須對音叉精確定位，才能受益於放大 的聲信號。這樣可能導致耗時長，並且在採用測量系統之前要執行15 精密調整。考慮到現有技術的上述和其他缺陷，本發明的總體目的在於實 現一種對諸如人的呼吸的流體中的諸如痕量氣體的物質的濃度的改20 發明內容本發明的目的在於在PAS系統中提供一種改進的探測器。 本發明的另一 目的在於提供一種更為靈敏的PAS系統。 根據本發明的這些和其他目的是通過聲探測器實現的，所述聲 探測器用於探測在光聲光譜學系統中通過流體對光的吸收而生成的 25聲信號，氣包括傳感單元，所述傳感單元在所述聲信號的頻率上或 附近表現出結構共振，其中，所述傳感單元形成了空腔共振器的至 少一部分，將所述空腔共振器布置為能夠在所述空腔共振器內形成 壓力駐波(standing pressure waves)，其具有基本與傳感單元的結構 共振頻率一致的空腔共振頻率。 30 —般將"共振"定義為振蕩系統的一種現象，處於窄頻帶內的
微弱的周期性外部擾動(驅動力)能夠藉此導致振蕩系統幅度的顯著增大。所述幅度增大取決於驅動力的頻率，當外部擾動接近系統 的固有頻率時達到最大幅度。在本發明的PAS系統中，聲探測器為振蕩系統，流體內的壓力 5變化構成了外部擾動。在根據本發明的聲探測器中涉及兩種共振， 即結構共振和空腔共振，在將其有效結合後，二者能夠對探測器的 靈敏度提供進一步的提升。"空腔共振"是一種幾何學現象，其中，由空腔的尺寸和空腔 內的流體中的音速決定共振頻率。在聲波(壓力波)進入具有適當尺寸的空腔共振器時，在空腔共振器內形成駐波，從而在波腹處對聲波進行了放大，在波節處對其進行了抵消。"結構共振"是指實體結構的內部共振，其由材料特性和幾何 形狀決定。本發明以這樣一種認識為基礎，即，將聲探測器形成為空腔共 振器，通過選擇其尺寸使得探測器的空腔共振與探測器中包括的傳感單元的結構共振協作，從而實現對PAS系統中生成的聲信號的最佳放大，由此在PAS系統中獲得了聲探測器的增強靈敏度。 與現有技術相比，根據本發明的聲探測器具有幾種優點。 與現有技術相比，顯著提高了探測器的傳感面積以及探測器與音量之間的相互作用。實際上，採用在探測器內形成的壓力駐波的波腹中累積的能量激勵探測器中具有傳感單元的結構共振頻率之一的振動，由此極大提高了靈敏度。此外，由於能夠通過一個單元實現具有結構共振頻率的探測器和空腔共振器的功能，因而不需要對音叉傳感器和幾何聲放大管進行幾何調整，因而節省了時間。傳感單元優選可以包括諸如石英的壓電材料。 壓電材料是在受到電場作用時發生形變的材料。反之，在材料 發生形變時將在壓電材料的兩端生成電壓。通過形成聲探測器中包含的傳感元件使其包括諸如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT)或聚偏二氟乙烯(PVDF)的壓電材料，由此
能夠直接從探測器獲得具有電信號形式的輸出，而不是通過(例如) 對光路的調製(幹涉測量法)間接獲得所述輸出。為了在探測器的設計和製造中提供更多的自由度，並且能夠降 低成本，可以由兩種或更多材料形成所述傳感單元。 一種材料可以 5 是石英，另一種材料可以是塑料材料或金屬。可以基於其機械性能、 機械加工或模製簡便度以及成本選擇所述另一種材料。在另一個實施例中，可以將所述探測器配置為微型機電系統(MEMS)共振器， 其中，將周期性位置變化轉化為能夠以電的方式探測的電容變化。 根據本發明的探測器的一個實施例，所述傳感單元能夠形成空io 腔。通過提供具有空腔形式的傳感單元，所述傳感單元可以起到獨 立聲探測器的作用，其中，所述傳感單元的空腔共振頻率基本與所 述傳感單元的結構共振頻率一致。在根據本發明的探測器的另一實施例中，所述傳感單元可以包 15括管，所述管具有適於在由包括所述管的探測器形成的空腔內實現 空腔共振的內部尺寸，所述空腔共振的頻率基本與所述管的結構共 振頻率一致。例如，所述管可能具有圓柱形，並且具有長度、半徑和兩個末 端，所述末端可以是開口或閉合的。可以將兩端開口的管容易地放20到具有透明壁並且含有有待分析的樣本的氣室內。能夠容易地計算出管的空腔共振頻率，特別地，圓柱狀管的製造直接簡便。 根據本發明的探測器的另一實施例，上述管包括處於管的管殼內的至少一個狹縫，所述狹縫基本沿軸向延伸。如果將所述傳感管改造為在管的管殼內具有一個或幾個狹縫，25 那麼能夠對管的結構共振頻率細調，同時保持空腔共振頻率(在管 內產生駐波的頻率)基本不變。優選將所述傳感管內的至少一個狹縫布置為從所述管的第一末 端朝向所述管的第二末端延伸，其延伸超過半程。通過將管改造為具有基本沿管的長度方向延伸的一個或幾個狹 30 縫，能夠提高包括所述管的傳感單元的品質因數，並由此提高靈敏
度和SNR (信噪比)。
根據本發明的探測器的另一實施例，將所述傳感管沿軸向劃分 為至少兩個段，所述段通過連接機構結合起來，所述連接機構包括 形成於所述段之間的橋接條。 5 通過提供具有分段管的形式的傳感單元，基本將壓電材料的膨
脹和收縮定位至所述連接機構。由此，能夠獲得更大的信號，因為 由壓力波波腹施加的力將在所述連接機構內導致比在非分段管中更 大的膨脹。
通過連接一對管段的至少一個橋接條形成了用於壓電材料的局 io 部化膨脹和收縮的明確區域。可以將電極分別布置在橋接條的內側 (面對分段管的內部)和外側上。由此能夠獲得對應於橋接條的厚 度(沿徑向)的電壓。這一厚度與壓力波施加在管段上的力成反比。 通過這種方式，實現了更為靈敏的測量。
根據本發明的聲探測器的另一實施例，所述傳感單元可以是具
15 有附著於底座的兩個股的音叉。
通過將所述傳感單元形成為具有附著於底座的兩個股的音叉， 能夠利用音叉的高品質因數和窄結構共振，其中所述兩個股優選由 壓電材料構成。
上述探測器還可以優選包括空腔形成構件，將所述構件布置為
20 能夠形成由所述空腔形成構件以及所述音叉的股和底座包圍的空 腔。
通過這種方式對諸如板的空腔形成構件定位，從而形成以所述 板以及所述音叉的底座和兩股為壁的空腔，由此能夠形成空腔共振 器。通過適當配置這一空腔共振器的尺寸，能夠使所述空腔共振與 25 所述音叉的結構共振協同工作。優選使所述空腔形成構件的位置與 所述音叉股間隔小距離，但不與其接觸。
根據另一實施例，可以將所述音叉的股配置為形成處於所述股 之間的基本為管狀的空腔。
通過這種方式設計音叉股的形狀，使得所述股一起形成了實質 30 為管狀的空腔，可以使空腔內的空腔共振與音叉的結構共振協作，
由此實現從聲能到來自音叉的電信號的非常有效的轉化，所述音叉 可以具有壓電股和/或壓電底座。
根據本發明的探測器的另一實施例，將所述傳感單元形成為端
面開口盒(open-ended box)，其具有適於實現由所述探測器形成的 5 空腔的空腔共振的尺寸，所述空腔共振具有基本與所述端面開口盒 的結構共振頻率一致的頻率。
有利地，所述端面開口盒的兩面由壓電材料構成，所述面彼此 相對並且由兩個彼此相對的無源板結合起來。
通過這一布局，能夠容易地監視兩個壓電面的膨脹和收縮。當 io 包括端面開口盒的探測器的空腔共振與盒的壓電壁的結構共振一致 時，這些膨脹和收縮變得尤為強烈。通過根據上述說明將傳感單元 形成為端面幵口盒，能夠方便具有適當的結構共振頻率的空腔共振 器的設計。
優選將所述端面開口盒的所述無源板配置為在其間形成實質為
15 管狀的空腔。
根據另一實施例，本發明的探測器還包括信號增強機構，將所 述信號增強機構布置為與所述傳感單元協作，以形成具有適於實現 探測器的空腔共振的尺寸的空腔共振器，所述空腔共振具有基本與 所述傳感單元的結構共振頻率一致的頻率。
20 在某些情況下，採用尺寸可能不適於形成處於預期頻率範圍內
的空腔共振器的傳感單元可能是有利的。之後，仍然可以通過採用 所述信號增強機構使所述探測器的空腔共振與所述傳感單元的結構 共振頻率基本一致。優選將所述信號增強機構布置為儘可能接近所 述傳感單元，從而連同所述傳感單元一起形成空腔共振器。
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現在將參考示出了本發明的當前優選實施例的附圖更詳細地描 述本發明的這些和其他方面。
圖1是現有技術PAS系統的示意圖，其中，採用音叉作為聲探
30 測器。
圖2是包括根據本發明第一實施例的聲探測器的PAS系統的示 意圖。
圖3a是根據本發明第一實施例的聲探測器的例子的示意圖。 圖3b是圖3a中的傳感單元的電極設置(poling)構造的例子的 5 示意圖。
圖4a是根據本發明第二實施例的聲探測器的第一例子的示意圖。
圖4b是根據本發明第二實施例的聲探測器的第二例子的示意圖。
io 圖5是根據本發明第三實施例的聲探測器的示意圖。
圖6是根據本發明第四實施例的聲探測器的示意圖。 圖7a是根據本發明第五實施例的聲探測器的第一例子的示意圖。
圖7b是根據本發明第五實施例的聲探測器的第二例子的示意
15 圖。
圖8a是根據本發明第六實施例的探測器布局的第一例子的示意圖。
圖8b是根據本發明第六實施例的探測器布局的第二例子的示意圖。
20 圖8c是根據本發明第六實施例的探測器布局的第三例子的示意 圖。
具體實施例方式
在下文中，通過相同的附圖標記表示相同或類似的元件。
25 圖1以引用的方式示出了根據現有技術的PAS系統1。這裡，
含有具有所要探測的痕量氣體的樣本的流體室2圍繞石英音叉3。將 來自雷射器4的雷射束聚焦在處於音叉3的股5之間的中心位置， 該位置處於音叉開口之下的精確位置。將雷射器4調諧至流體室2 內含有的痕量氣體的吸收頻率，並以石英音叉3的結構性固有頻率 30的一半對其進行頻率調製，其導致了由於痕量氣體內的光吸收引起的周期性壓力變化，其頻率與石英音叉3的結構性固有頻率(可能 在30kHz左右) 一致。之後，由音叉3拾取這些壓力變化，並通過 適當的設備將其顯示給操作員。
圖2示意性地示出了根據本發明第一實施例的PAS系統1，其 5包括具有傳感單元11的聲探測器10。圖2所示的PAS系統1通常 由與圖1所示的現有技術系統相同的功能元件構成。但是， 一項基 本差異在於聲探測器10的構造，這裡，其設有具有管12的形式的 傳感單元ll，所述管12由諸如PZT、石英或類似物的壓電材料製造。 管12具有本徵頻率fs,n，即結構共振頻率，其由管的材料和尺寸決 io定，並且是該特定管12的特性。管12還具有內部半徑R和長度L。 管內空腔的尺寸，即參數R和L，連同管內存在的流體的屬性決定 了由管12形成的空腔共振器的一系列空腔共振頻率f，。為了利用 在管12的結構共振頻率附近獲得的放大以及空腔共振器的放大，如 此選擇管12的尺寸(R和/或L)使得管的空腔共振頻率f，之一基 15本與管的結構共振頻率f^之一一致。
圖3a示意性地示出了管11的尺寸的例子。可以選擇市場上可 買到的來自"Piezomechanik Dr. Lutz Pickelmann GmbH(D)"公司的 PZT管12。根據數據表，所選的管12具有下述數據
R = 5 mm 20 L = 36 mm
fsr = 65kHz (沿徑向)
從這一數據可以認識到，在與圖1類似的設置中，應當將雷射 器4的波長調製頻率調諧至65kHz/2=32.5kHz。對於光譜具有寬吸收 特徵並且具有快速馳豫時間的氣體，可以在65kHz處採用雷射幅度 25 調製以替代波長調製。接下來，確定是否照原樣使用管12或者必須 對其進行改造。通過下述表達式給出了開口管的空腔共振頻率
Icr,n _ =nvsound/2Leff
其中，Leff是在開口管中針對空腔共振的末端校正導致的有效長 度，其通過下述表達式計算formula see original document page 12
vsound = 344 + 0.6(T-20°C) m/s (空氣當中)
就當前例子的數據以及17°C的樣本室2內的溫度而言， Leff=42.13mm， fcr,4061.2nHz。
n=16時，f =64980Hz，其基本與所述的65kHz的固有頻率一致。 5 在上述例子中，還通過存在於管內的波腹進一步增強了在其呼
吸模式固有頻率下振蕩的聲探測器的靈敏度，並且不必對所選的管 進行任何改造。應當指出，來自數據表的有關結構共振頻率(固有 頻率)的信息不具有所要求的精確度，所採用的每種類型的管都應 當首先受到受控溫度下的掃頻，從而更為精確地確定管的結構共振 10 頻率。
通常，可以通過激勵使管進入幾種結構共振。材料特性、取向 和電極化方向均影響這些結構共振。
圖3b示出了有利的電極設置構造。藉助內部電極33和外部電 極32沿徑向為由鋯酸鉛/鈦酸鉛(PZT)製造的傳感管12提供電極。 15 可以將這些電極以(例如)鎳或銀構成的薄膜的形式施加到管的內 部和外部表面上。可以通過這一電極構造有效地拾取呼吸模式結構 共振，其中，所述管沿徑向振蕩。使電極32和33接觸，並通過連 接線35將電信號傳遞至適當的探測電子器件34。呼吸模式結構共振 與聲頻接近呼吸模式結構共振頻率(固有頻率)時由管12形成的處 20 於空腔共振器內的駐波圖案具有強耦合。
在圖4a-b中示出了根據本發明第二實施例的聲探測器11的例子 的示意圖。
圖4a的探測器設有具有經改造的管21的形式的傳感單元11， 在管21中形成了沿徑向彼此相對的兩條沿軸向延伸的狹縫22a和 2522b。通過按照這種方式修改所述管，從某種程度上降低了空腔共振 的效率，但是可以增強結構共振頻率處的放大，從而能夠提高探測
器的總放大Aae。ustJAstru加ra,。只要狹縫具有小寬度，那麼就能夠通過 改變所述狹縫的長度，在對空腔共振造成較低影響的同時調整結構 共振頻率。除了具有一個或多個局部狹縫的構造之外，具有沿管的 30 整個長度的一個狹縫的構造對於光聲探測器可能是有利的。除了通
過修改管的尺寸和結構來調諧結構共振之外，可以通過選擇材料成 分來獲得所需的結構共振頻率。
圖4b示出了以分段管31的形式提供的傳感單元ll的例子，將 管31沿圓柱軸進行分割，並通過兩個或更多的橋接條32a、 32b將 5其固定在一起。因而將由所要分析的痕量氣體內對雷射的吸收引起 的壓力變化導致的振動轉化為了將半圓柱片33a、 33b固定到一起的 橋接條32a、 32b的伸長。
圖5示出了根據第四實施例的聲探測器10，其中，所述聲探測 器由具有音叉50的形式的傳感單元11和具有板的形式的空腔形成
io 元件54形成。探測器10具有截面為矩形的聲腔51 。音叉50優選由 材料組合構成。這裡，股52a和52b由壓電材料構成，並且是有源 傳感構件。將兩個壓電板52a和52b固定到底座53上，以形成平面 音叉結構50。將這一組合結構固定到空腔形成構件54附近但仍然與 之分離，這裡，空腔形成構件具有額外的塊的形式，因而能夠獲得
15具有適當的空腔共振的空腔51。
在圖6中示出了根據本發明的第四實施例的聲探測器。在由傳 感單元11形成的情況下，聲探測器的外形表現為具有底座61和兩 個股62a和62b的音叉60的形式。在這一例子中，整個音叉60由 壓電材料構成。但是，應當指出，分別用於股62a、 62b和底座61
20 的材料組合可能是有利的。根據這一實施例，將股62a和62b配置 為形成處於股62a和62b之間的、實質為管狀的空腔63。靠近空腔 63的股之間的間隔64應當儘可能小。由於壓電材料的高度剛性，因 而股62a、 62b的振幅處於nm範圍，基於此優選採用處於微米範圍 的間隔。
25 圖7a-b示出了根據本發明的第五實施例的聲探測器的兩個例子。
根據圖7a示意性地示出的第一個例子，所述聲探測器由具有端 面開口盒70的形式的傳感單元11形成，所述端面開口盒70具有由 壓電材料構成的兩面71a、 71b，所述兩個面通過兩個形成了所述端 30面開口盒的其餘面的額外構件72a、 72b合併到一起。由端面開口盒 70形成了具有矩形截面的空腔73。通過選擇端面開口盒70的面71a、 71b、 72a、 72b的適當尺寸，能夠使空腔共振與傳感單元11的結構 共振協同工作，由此放大由聲探測器拾取的信號。
根據圖7b示意性地示出的第二個例子，使兩個半圓柱狀元件 574a、 74b附著於端面開口盒70的無源面72a、 72b。由傳感單元70 形成的空腔75由此將變得實質上為管狀。
圖8a-c示出了說明本發明的第六實施例的例子的聲探測器10， 除了傳感單元ll之外，它還包括很多用於支撐的，但就其自身而言 非感測信號的增強機構82a、 82b。
io 在圖8a中示出了第六實施例的第一個例子。這裡，將具有管12
的形式的傳感單元11與兩個由非壓電有源材料構成的管82a、 82b 結合。通過一種方式配置所有的管12、 82a、 82b的尺寸，使得存在 一種跨越三個管延伸的特定空腔共振。為了最佳地約束由三個管形 成的空腔共振器內的空腔共振模式，管部分之間的間隔83a、 83b應
15 當儘可能小。
在圖8b中示出了本發明的第六實施例的第二個例子。這裡，聲 探測器10包括具有音叉60 (參考圖6)的形式的傳感單元11和圓 柱狀非壓電信號增強機構82a、 82b。使信號增強管82a、 82b的位置 儘可能靠近音叉60，從而使間隔83a、 83b變小，並形成一個基本連
20 續的空腔共振器。在音叉60 (參考圖6)的股之間形成的空腔應當 支持空腔共振模式。可以通過將股之間的圓柱形空腔的半徑選擇為 與管狀信號增強機構82a、 82b的半徑一樣而實現這一目的。
在圖8c中示出了本發明的第六實施例的第三個例子。這裡，聲 探測器10包括具有端面開口盒70的形式的傳感單元11和非壓電信
25 號增強機構82a、 82b，所述端面開口盒70 (參考圖7b)圍住了基本 為管狀的空腔。使信號增強管82a、 82b的位置儘可能靠近端面開口 盒81，從而使間隔83a、 83b變小，並形成一個基本連續的空腔共振 器。形成於端面開口盒(參考圖7b)內的空腔應當支持空腔共振模 式。可以通過將端面開口盒內的圓柱形空腔的半徑選擇為與管狀信
30號增強機構82a、 82b的半徑一樣而實現這一 目的。本領域技術人員
應當認識到，本發明決不限於所述優選實施例，例如，其不限於開 口結構，也可以採用封閉或半封閉空腔共振器，只要光束能夠通過 各個面中的至少一個並且包含了用於流體交換的小孔即可。此外， 可以在管的管殼的任何部分內形成狹縫，例如，平行於管的末端， 5 並且可以將管劃分為具有任何形狀的段。管的截面未必一定為圓柱 形，其可以是，例如，矩形或橢圓形。
權利要求
1、一種聲探測器(10)，其用於探測通過流體對光的吸收而在光聲光譜學系統(1)內生成的聲信號，所述聲探測器(10)包括傳感單元(11)，所述傳感單元(11)在所述聲信號的頻率上或附近表現出結構共振，其特徵在於所述傳感單元(11)形成了空腔共振器的至少一部分，將所述空腔共振器布置為能夠在所述空腔共振器內形成壓力駐波，所述壓力駐波處於基本與所述傳感單元(11)的結構共振頻率一致的空腔共振頻率。
2、 根據權利要求1所述的探測器(10)，其中，所述傳感單元 (11)包括諸如石英的壓電材料。
3、根據權利要求1所述的探測器(10)，其中，所述傳感單元(11)包括管(12; 21; 31)，所述管具有適於在由所述探測器(10)形成的空腔內實現空腔共振的內部尺寸，所述空腔共振的頻率基本與所述管(12)的結構共振頻率一致。
4、根據權利要求3所述的探測器(10)，其中，所述結構共振頻率為所述管(12)的呼吸模式固有頻率。
5、 根據權利要求3所述的探測器(10)，其中，所述管(21) 包括至少一個處於所述管(21)的管殼內的狹縫(22a， 22b)，所述25狹縫(22a， 22b)基本沿軸向延伸。
6、 根據權利要求3所述的探測器(10)，其中，將所述管(31) 沿軸向劃分為通過連接機構(32a， 32b)結合起來的至少兩段(33a， 33b)，所述連接機構包括在所述段(33a， 33b)之間形成的橋接條30 (32a， 32b)。
7、 根據權利要求1所述的探測器(10)，其中，所述傳感單元 (11)為具有附著於底座(53; 61)上的兩個股(52a， 52b; 62a，62b)的音叉(50; 60)。
8、 根據權利要求7所述的探測器(10)，其中，將所述音叉(60) 的股(62a， 62b)配置為在所述股(62a， 62b)之間形成空腔(63)， 所述空腔(63)具有適於實現探測器(10)的空腔共振的尺寸，所 述空腔共振具有基本與所述音叉(60)的結構共振頻率一致的頻率。
9、 根據權利要求7所述的探測器(10)，還包括空腔形成構件 (54)，將所述構件布置為能夠形成由所述空腔形成構件(54)以及所述音叉(50)的所述股(52a， 52b)和底座(53)限定的空腔(51)， 所述空腔(51)具有適於實現所述探測器(10)的空腔共振的尺寸， 15所述空腔共振具有基本與所述音叉(50)的結構共振頻率一致的頻 率。
10、 根據權利要求1所述的探測器(10)，其中，將所述傳感單 元(11)形成為端面開口盒(70)，其具有適於實現所述探測器(10)的空腔共振的尺寸，所述空腔共振具有基本與所述端面開口盒(70) 的結構共振頻率一致的頻率。
11、 根據權利要求10所述的探測器(10)，其中，所述端面開 口盒的兩個面(71a， 71b)由壓電材料構成，所述面(71a， 71b)彼此相對，並且通過彼此相對的兩個無源元件(72a， 72b)結合起來。
12、 根據權利要求11所述的探測器(10)，其中，將所述端面 開口盒(70)的所述無源元件(72a， 72b)配置為在其之間形成基本為管狀的空腔(75)。
13、根據權利要求1所述的探測器(10)，還包括信號增強機構 (82a， 82b)，將所述信號增強機構(82a， 82b)布置為與所述傳感 單元(11)協作，以形成具有適於實現所述探測器(10)的空腔共 5振的尺寸的空腔共振器，所述空腔共振具有基本與所述傳感單元 (11)的結構共振頻率一致的頻率。
14、 一種光聲光譜學系統(1)，其包括光源(4)、根據權利要 求l-14中的任何一項所述的聲探測器(10)和被配置為向用戶顯示 io來自所述探測器(10)的信息的輸出裝置(34)。
全文摘要
一種聲探測器(10)，其用於探測通過流體對光的吸收而在光聲光譜學系統(1)內生成的聲信號，所述聲探測器(10)包括傳感單元(11)，所述傳感單元(11)在所述聲信號的頻率上或附近表現出結構共振。所述傳感單元(11)形成了空腔共振器的至少一部分，將所述空腔共振器布置為能夠在所述空腔共振器內形成壓力駐波，所述壓力駐波處於基本與所述傳感單元(11)的結構共振頻率一致的空腔共振頻率。本發明以這樣一種認識為基礎，即，將聲探測器形成為空腔共振器，通過選擇其尺寸使得探測器的空腔共振與探測器中包括的傳感單元的結構共振協作，從而實現對PAS系統中生成的聲信號的最佳放大，由此在PAS系統中獲得了聲探測器的增強靈敏度。
文檔編號H04R1/34GK101133314SQ200680006908
公開日2008年2月27日 申請日期2006年2月22日 優先權日2005年3月4日
發明者H·范克斯特倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司