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專利名稱：氣室的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種氣室，尤其涉及這樣一種氣室，其包含在氣體傳感器中，并適于借助于對具有一個或多個不同吸收頻率的光波進行光譜分析，來確定氣體和/或氣體混合物的存在，以及/或者該氣體和/或氣體混合物的濃度。
確定氣體混合物中多種氣體的存在也在本發明的范圍之內，這些種氣體中的每一種可以與一個或多個吸收頻率相對應。
該發明的氣室適于與電子電路作為一個單元共同工作，所述電路能夠驅動氣室光源，并能檢測在一個或多個光接收器上出現的信號。
各個光接收器均適于測定對應于一個或多個所選波長而出現的瞬時光強度，并適于測定一種或多種所選氣體的存在，和/或以此為基礎測定所述一種或多種氣體的濃度。
可以方便地將這些光接收器中的一個或多個用作參考信號。
顯示單元與電子電路連接，用于可視地顯示氣體的存在和/或氣體濃度。
這種氣室包括光反射裝置，該光反射裝置包括由壁限定的腔體，并旨在容納一定體積的所述氣體或氣體混合物，以用于化驗和測量目的。
這種氣室還包括光源，或與光源協作，優選的光源是，其產生和發出可見頻率范圍內的光，或在特定應用情況下產生和發出IR范圍內的光，并且該光源適于發出定向光束，以便在所述腔體的相對壁部分之間反射。
借助于必要的反射元件，該光束應該由發散光束或光線構成，發散光束或光線射到凹曲壁部分上，并被反射，以便能夠借助于所述壁部分，匯聚到一個或多個光接收器。
通過電子電路的介質，這樣的光接收器適于利用給定氣體有效波長的減少測定與所選一個或多個光吸收波長對應的光強度，其中所述減少就光譜分析而言是顯著的，而該所選光吸收波長在與所述氣體對應的光譜范圍內。
這種光接收器與電子電路連接，以使得能夠測量光譜的波長的強度，并且還測定與光源的光強度有關的參考波長的強度。
背景技術：
在本領域中，上述幾種不同類型的方法和設置是公知的。
利用根據美國專利公開US-A-5550375提出的紅外(IR)分光儀技術的一種氣體傳感器，其作為本發明技術背景的第一實例和本發明所屬的技術領域。
該現有公開說明和描述了一種裝置，在原理上，該裝置利用了在IR光譜儀的幫助下，通過確定特定的氣體吸收波長，以及測定紅外光譜范圍內氣體有效波長中的氣體強度，有選擇地檢測氣體和/或氣體濃度的可能性。
所述現有公開中說明的氣體傳感器尤其適于氣體流或充氣腔體的連續控制，其中傳感器或室體由一個單獨部分組成，并被制造成微觀結構體。
氣室中的腔體包括在紅外光的入口和出口之間與壁相聯的鏡光柵(wall-related mirror grating)。
根據

圖1B所示的實施例，具有發散光線的光束從光源(7)發出，通過開口(3)到達第一凹鏡面(5)上，從第一凹鏡面斜反射到平面柵格或柵表面(2)上，在柵表面上作為光波斜反射或斜衍射到鄰近的第二凹鏡面(8)上，以便能夠作為會聚光束穿過出口(4)。
可以由X射線、平板印刷蝕刻、電鍍和模制工藝，通過LIGA處理，來制造所示的體或氣室基板(1)。
在國際專利公開WO-A1-98/09152中示出和說明的氣體傳感器，是適用于本發明的技術背景和技術領域的另一個實例。
后一個現有公開說明了一種氣體傳感器(A)，適于測定包含在腔體(2)或氣室中的氣體樣本的組成。
該氣室以方塊的外形示出，其中腔體壁或腔體壁部分被認為具有很高的反光能力，并被指定為鏡面(11A，12A)。
腔體(2)包括用于光線進入的開口(2a)，光線在腔體中將反射預定次數，從而在從出口(6)離開之前，定義必要的測量路徑或末端。
更具體的，該現有公開講解了在氣室中，三個彼此相對的凹反光壁部分(11，12，13)的使用。
第一壁部分(11)具有半橢圓或橢圓形狀。
第二(12)和第三(13)所述壁部分具有相似的形狀，符合半橢圓或橢圓的一部分。

發明內容
當考慮到在這個特定領域中的技術人員為了對他/她遇到的一個或多個技術問題提供一種解決方案而必須進行的技術研究時，將會看到，起初必須實現為了上述目的而必須進行的測量和/或測量順序，并且還要實現解決一個或多個所述問題所需要的裝置。在這個基礎上，很明顯的是，以下所列技術問題與本發明的開發高度相關。
如上所述，考慮到該領域的當前狀況，將會看到，在實現創造氣室的有效性和實現與創造氣室相關的優點的能力中存在技術問題，其中該氣室包含在氣體傳感器中，或與氣體傳感器相連，該氣體傳感器可以包括引言中給出的規格，并可以具有十分緊湊的結構，同時仍能在該氣室的腔體之內提供足夠長的光測量路徑或末端，從而能夠借助于與給定氣體或某些所選氣體對應的一個或多個相關吸收波長，在電子電路的幫助下，進行精確的光譜分析。
創建簡單測量和簡單裝置條件，使得能夠根據需要，以高精度和高效率，測定一種或多種氣體和/或一種或多種氣體濃度，還將會看到的是，一種技術問題存在于創造這樣的簡單測量和簡單裝置條件中。
測量需要顯著地提高測量距離或路徑長度，并且主要為此目的使用相對于光源的反射器結構，還將會看到的是，一個技術問題存在于上述測量中。
首先利用出現在對光進行反射和衍射的氣體樣本腔體內的光測量路徑，其次利用在所述反射器結構中出現的另外光測量路徑，從而提供了有效性和優點，另外一個技術問題存在于實現這樣的有效性和優點的能力。
創造具有這樣的幾何形狀并包括氣體樣本和光反射腔體的氣室，該光反射腔體中能夠放置一個或多個光接收器，但是，該光接收器的位置在全向發射光源之前與側面相關，或在所反射虛的或虛擬的光源之前與側面相關，在所反射虛的或虛擬光源的一側，或稍微在所反射虛的或虛擬光源之后，那么，將該技術問題歸于能夠實現通過創造這樣一個氣室所提供的有效性和優點。
將所選數量(例如至少兩個)的光接收器置于反射器結構鄰近的位置，并在反射器結構之外，并且與經由該光源反射器發送的匯聚和/或發散光束鄰近并在該光束之外，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現上述有效性和優點的能力中。
調整腔體形成的凹壁部分，以將從光源接收的傾斜并稍微發散的入射光束反射到平的分布有柵(grating-allocated)的腔體壁部分上，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
通過使得平壁部分及其反射和衍射表面包括或被構造成已知的“利特羅(littrow)”配置，從而提供了有效性和優點，另一個技術問題存在于實現上述有效性和優點的能力中。
為彎曲的光反射表面提供一種形狀，該形狀與一部分拋物線的形狀和曲率一致，并由此實現，平的光反射且分布有柵的壁部分可以定義一個角，這個角創造了允許衍射波前被反射的條件，從而提供了有效性和優點，另一個問題存在于實現這樣的有效性和優點的能力。
在所述腔體創造條件，導致光束或波前以選擇的角度，即與指定給光柵的“閃耀”角接近的角度，落在所述平壁部分，從而提供了有效性和優點，另一個技術問題存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
使光束中存在的且與所選一個或多種氣體對應的一個或多個波長，被所述平壁部分在“直接”相反方向上反射或偏折，使得在所述曲面中將光作為衍射波前再一次反射，并且以此允許在朝向所述光源的方向對一個或多個所選波長進行反射，但是會稍微偏到光源的一側，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
通過使所述曲壁部分與由拋物線或拋物線弧形成的彎曲形狀的一部分一致，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
通過使所述彎曲形狀部分與拋物線的頂點很接近，并且與所述線的焦點也很接近，從而提供了有效性和優點，在這一點上，一個技術問題存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
通過與拋物線軸成直角且穿過與軸關聯的焦點定位一點或一段，為所述彎曲形狀的所述部分劃界，從而提供了有效性和優點，一個技術問題存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
通過反射器結構，使物理的光源的像實際上處于、或出現在、或接近于拋物線形狀的焦點或聚焦點，從而提供了有效性和優點，一個技術問題存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
使所述腔體的曲壁部分具有完全定位在拋物線形狀的軸的一側的一部分拋物線弧的形狀，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
使腔體的平的柵分布的壁部分包括具有閃耀角的柵結構，以在基本上直接相對的方向上提供反射和衍射，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
調整柵結構和其它的測量，以單獨地提供第一階的衍射光柵，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
選擇50°到60°之間的閃耀角，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
放置一個或多個光接收器，該光接收器適于位于物理的光源附近和/或虛光源附近的衍射波長，該光接收器的接收波瓣(receiving lobe)朝向在拋物線曲面之內關聯的表面部分，從而提供了有效性和優點，將會看到，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
通過創造條件，使得多個光接收器置于鄰近所述拋物線形狀的焦點或聚焦點的位置，從而提供了有效性和優點，另一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
由兩個基于聚合物的仿形形成所述腔體，該仿形已經被處理過，以使所選壁部分具有光反射特性，從而提供了有效性和優點，另一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
使用于構成非相干光源的光源產生IR范圍之內的波長光譜，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
使物理的光源或虛光源置于或鄰近與拋物線曲凹面關聯的焦點或聚焦點的位置，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
將一個或多個光接收器放置在分配給拋物線曲凹面的焦點附近的位置，或放置在所述焦點上，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
將物理的光源放置在橢圓形狀的焦點或聚焦點上，并將適合于該檢測器系統的濾光器放置在出現在第二焦點或第二聚焦點處的虛光源上、或靠近該虛光源放置，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
調整濾光器，以允許可用于該檢測器系統的自由光譜范圍之內的、與光相關的波長通過，從而提供了有效性和優點，一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
調整所述濾光器，以濾除或阻止某些波長，這些波長與可用于所選檢測器系統的自由光譜范圍之內同等的那些波長相比要短，從而提供了有效性和優點，然而另一個技術問題還存在于實現這樣的有效性和優點的能力中。
解決方案本發明以上述已知技術作為其出發點，其中，設計一個氣體傳感器，來確定一種或多種氣體的存在，和/或確定所述氣體的濃度。
該氣體傳感器需要使用包括腔體的氣室，該腔體由具有光反射特性的壁部分限定，并且該腔體旨在容納第一體積的所述要測量的氣體，并且該腔體還包括光源，該光源適于發出光束，該光束在所述腔體的相對壁部分之間反射，這里，所述光束尤其由在凹壁部分中反射的發散光線形成，并投向一個或多個光接收器，該光接收器通過電子電路這個媒介，測定與所述氣體對應的一個或多個有效吸收波長的產生光強度。
為了解決一個或多個上述技術問題，根據本發明，通過調整所述凹曲壁部分，以將從光源接收的傾斜光束反射到所述腔體的平的柵分布壁部分上，從而改進已知技術。
該平壁部分包括反射表面，該反射表面包含利特羅配置或構造成利特羅配置，這里，該光束旨在以接近光柵閃耀角的角度落在所述平壁部分上。
這樣就創造了條件，使得與所選氣體對應的光束中的一個或多個吸收波長，被所述平壁部分在“直接”相對方向上反射并衍射，以此在所述曲壁部分中，該衍射吸收波長作為一個或多個反射波長再一次被反射，并投向所述光接收器。
作為在本發明概念范圍之內所提出的實施例，建議該曲壁部分應該與適合于拋物線形狀的曲線形狀一致。
這使得物理的光源通過反射器或反射器結構看上去像是虛的，并且置于或接近于拋物線形狀的焦點或聚焦點上。
那么，該曲壁部分可以包括位于拋物線形狀的軸的一側的一部分拋物線弧。
更具體的，所提出的該平的柵分布的腔體壁部分包括具有閃耀角的柵結構，其用于在“直接”相對方向上的反射和/或衍射，這里，該柵結構和其它測量可以很方便地適合于第一階衍射光柵和可能的第二階衍射光柵。
還建議閃耀角在50°到60°之間。
根據本發明還提出，一個或多個光接收器可以置于靠近光源和/或靠近虛光源的位置，并且該所用光接收器的接收波瓣朝向該曲面。
更具體的，建議腔體由兩個基于聚合物的仿形構成，該仿形已經被處理過，以使所選壁部分具有光反射特性。
根據本發明還提出，光源應該包括非相干光源，以產生IR范圍之內的波長光譜。
根據本發明還提出，物理的光源或虛光源可以置于或接近于分配給凹曲面的焦點，并且一個或多個光接收器可以置于或接近于所述焦點。
根據本發明還提出，物理的光源可以置于橢圓形狀或橢圓體的一個焦點或聚焦點上，并且濾光器置于第二焦點或聚焦點上，并且虛光源出現在所述第二焦點或聚焦點處。
設計濾光器，以允許在應用于該檢測器系統的自由光譜范圍之內的、與光相關的波長通過，并且更具體的，所述濾光器適于濾除和阻止與在該自由光譜范圍內同等的波長相比要短的波長。
優點本發明特有的主要優點及其具體顯著的特有特征在于創造了條件，使得能夠以簡單的方式制造適應氣體的氣室，其中，腔體、光源和一個或多個光接收器被組合在一起，形成了一個緊湊的單元，并且相互之間直接調整，以測定一個或多個所選氣體和/或氣體混合物。
該腔體的拋物線曲形光反射壁部分的功能是，將進入的發散光束作為波前反射到平的柵分布壁部分上，之后，該柵分布壁部分將具有所選波長的衍射波前反射回該曲面上，之后，該曲面將衍射波長反射到一個或多個光接收器上，以在一個或多個所選吸收波長之內的評估光強度的幫助下，來確定一個或多個氣體的一個或多個濃度。
所附權利要求1的特征項定義了本發明特有的主要特征。
附圖簡述將參考附圖，結合實例描述包含本發明的顯著特征并且當前優選的實施例。
圖1以框圖的形式大體上說明了一個包括根據本發明的指示構造、且氣體可以通過其流動的氣室的氣體傳感器，其中該氣室包括一個光源和兩個與具有顯示單元的電子電路連接的光接收器；圖2是氣室放大圖像的俯視圖，示出了腔體結構、光源和兩個光接收器，然而沒有包括電子電路，用于驅動光源，并接收和測定與所選氣體相關的一個或多個相關吸收波長的光強度；圖3說明了所選系統的設計和閃耀角，其中，按照石英中具有的光柵結構選擇所述設計和角度；圖4更準確地說明了分配給平面的光反射和波長衍射壁部分的，所使用的利特羅(Littrow)裝置的實施例；圖5是圖2所示的氣室的俯視圖，圖中示出了氣室的光反射以及波長或光散射，該氣室適于確定二氧化碳氣體的存在及其當前濃度；圖6是表示與利特羅配置的波長相關的效率變化圖；圖7是表示檢測器與波長相關的接收同光源發射的百分比關系。
發明詳述首先指出的是，在對以下當前優選的、包括本發明的顯著典型特征的、并在附圖中說明的實施例的描述中，我們選擇使用本發明的專門名詞和術語，以使對于本發明概念的說明更加清楚。
然而，應該注意的是，不應該將這里選擇的表達方式看作僅限于說明書中使用的所選術語，并且應該將每個所選術語解釋為，包括所有的技術等價物，這些技術等價物以至少基本上相同的方式工作，以便實現相同的、或基本上相同的目的和/或技術效果。
因此，圖1示意性地并大體上說明了本發明的基本情況，其中，在當前優選的并且以下將更詳細描述的實施例中，本發明的顯著特征被具體化。
圖1所示的氣體傳感器1的基本結構在本領域中是公知的。
本發明主要包括氣室2，結合物理的光源3的特定方位，以及許多光接收器的特定組合來使用氣室2，其中，在所示實施例中示出了與側面相關的兩個光接收器4和5。
本領域技術人員會明白，根據所選一種或多種氣體，或根據所選氣體混合物以及根據氣室2中腔體的形狀，光接收器4、5的數量以及它們的物理位置可以變化。
因此只是為了簡單，就兩個與側面相關的光接收器來說明和描述提出的實施例，其中，對于與所選氣體對應的吸收波長來放置和調整光接收器4，同時，放置和調整光接收器5，用作參考波長。
結果是，可以將接收器4中的信號標準化，以便大體上與光源3的光強度變化無關，這種變化至少會當光源3老化時發生。
為此，圖1的氣室2包括互相相對的由腔體限定的具有光反射特性的壁部分。示意性說明的定義了腔體2′的壁部分包括第一側面相關壁部分2a、第二側面相關壁部分2b、第三側面相關壁部分2c和第四側面相關壁部分2d。
側面相關壁部分2a、2b、2c和2d與設置為互相平行的平底部分2e和平頂部分2f協作。
因此，已被處理成具有光反射特性的所有表面，例如參考標號為2a、2b的表面，被標示為2a′、2b′等，并且在以下說明中可以將這些表面稱作鏡面2a′、2b′等。
原則上，需要從光源3發出的光束“L”經過腔體2′，并在腔體2′中，以已知的方式由壁面或鏡面2b′反射，并轉向光接收器4(或5)上，并由光接收器4(或5)接收。光束“L”以此定義了一條在腔體內穿過所密閉氣體樣本(G)的光測量路徑。
不同的氣體和不同的氣體混合物需要長度或端點互不相同的光測量路徑。通過擴大腔體2′的尺寸，或通過創建條件使光源3和接收器4和5之間有多條反射路徑，可以滿足這種需要。
因此，圖1以框圖的形式，示意性地說明了氣室2，氣體“G”可以通過氣室2流動，并且氣室2可以容納要進行電子測定的氣體樣本(G)。
圖1和2中所示的該發明的氣室2，適于與電子電路6作為一個單元協作，以使與氣室關聯的光源3能夠借助于所述電子電路6進行操作，并檢測在一個或多個光接收器4、5上出現的信號，以此能夠測定與所選一個或多個吸收波長對應的、或作為選擇與所選一個或多個參考波長對應的瞬時光強度，以此測定所選氣體“G”的存在和/或該氣體的濃度。
顯示單元7與電子電路6連接，用于在顯示表面或顯示屏幕7′上，單獨地可視顯示氣體的存在或氣體濃度。
圖2是更詳細地示出了根據本發明的氣室2的俯視圖，以下更詳細地描述該氣室的幾何形狀和結構。
圖2中所示的氣室2具有十分復雜的構造，氣室2首先定義了腔體2′或容納要測量的氣體樣本(G)的空間，以下更詳細地描述所述腔體2′。
在第一實施例中，在指定為第二空間“K2”的空間中產生實際的光測量路徑。
腔體2′的所有內壁部分(但是壁部分3d、3e除外)，還有關聯的底部和頂部，用已知的方式進行表面處理，以提供高的光反射特性。
氣室2及其腔體2′被認為是薄結構，因為壁部分2a、2b、2c和2d極窄，還因為底部2e和頂部2f被很接近的放置在一起。
在圖2的實施例中，選擇高度，以對應于光源3所需高度，其可以是3到5毫米。
腔體2′被認為由兩個相互分開的空間組成，分別是第一空間“K1”，其包括物理的光源3和反射器或反射器結構，以及第二空間“K2”，其基本功能是限定了一個氣體樣本(G)測量室。
在這種情況下，腔體2′及其第二空間“K2”包括第一開口21，用作要測量氣體G的入口，以及第二開口22，用作已測量氣體樣本(G)的出口或輸出。
將第一空間“K1”構造成容納一個全向輻射(omniradiating)物理的光源3，該光源3適于發出會聚光束3a，會聚光束3a通過作為媒介的反射器或反射器結構3c，投射到開口3b，并穿過開口3b。
第一空間“K1”和反射器3c具有部分橢圓形或橢圓體的子部分(K1′)，和連接的錐形子部分(K1″)。
將全向輻射物理的光源3設置在橢圓腔體(K1′)的一個焦點或聚焦點F1上，以此，光源3發出的輻射光線將被反射器3c反射到第二焦點或聚焦點F2上，并在該點形成物理的光源的虛像(3′)。
在所說明的情況中，第二或連接的子部分(K1″)被兩個會聚的壁部分3d和3e界定。
光源3發出的光線，在屬于反射器3c的橢圓弧鏡表面中部分地反射到焦點F2，部分地從光源3直接發射到焦點F2上。
壁部分3d和3e形成相互會聚的形狀，以便定義第一空間“K1”的開口角“a”，并且應將壁部分3d和3e形成為或處理成避免光反射，或可選擇地，使壁部分3d和3e具有不足的反射特性。
在后邊的情況中，壁部分3d和3e可以是“鋸齒狀的”或“發黑的”。
現在可以認為具有發散角″a″的光束3a′，從所述聚焦點或焦點F2的點狀虛光源(3′)離開，并以此在第二空間“K2”中形成發散光束，該發散光束在包括處理過的壁面或鏡面2b′的凹壁部分2b內斜反射。發散光束3a′在凹鏡面2b′中完全反射，并以此適于作為“波前”投射到相對的第二平壁部分2g，第二平壁部分2g包括被處理成對接收的光線和波長進行衍射的壁鏡面2g′，以下詳細描述所述壁鏡面2g′具有的結構。
下文中將參考圖5、6和7以更加詳細的方式進行描述，盡管將一個或多個相應的吸收波長導向為照射一個或多個諸如光接收器4和5的光接收器，但是具有包括所選一個或多個波長的波前的衍射光從平壁鏡面2g′反射到凹壁面或鏡面2b′上，衍射光從凹壁面或鏡面2b′導向回到朝著虛光源(3′)的方向。
將光接收器4和使用的每個其它光接收器(例如光接收器5和其它未示出的光接收器)設計為接收和檢測與氣體樣本(G)對應的衍射吸收波長中的光強度，而剩余的光接收器以類似的方式，檢測與它們所分配的吸收波長對應的瞬時光強度。
平的柵分布的與腔體關聯的壁鏡面2g′提供了光反射以及光衍射或波長衍射表面，其中，對所述表面進行處理，并將其標示為2g″，以及將其構造為利特羅配置。
使包含平行光線并被壁鏡面2b′反射的完全光波3a″，以接近光柵閃耀角的入射角，投射到所述壁部分2g和所述壁鏡面2g′和2″上。
在Springer物理化學系列叢書，卷5，“Laser Spectroscopy(激光光譜學)”，132到134頁中定義了得到“利特羅”結構和設置“閃耀”角的條件。
對于空間“K2”和其中容納的氣體樣本(G)，光束3a′的光程，反射波前3a″的光程，衍射波前(3a″)，從在其它物體中的凹鏡面2b′到接收器4的反射和衍射光線，將構成穿過所容納的氣體樣本(G)的完全、有效的光測量路徑或末端。
根據提出的本發明氣室2的第二實施例，通過使氣體G也經過開口21′，并通過開口22′離開，使第一空間“K1”中也包括光測量路徑，可以提高測量路徑長度。
光束3a′和波前3a″中的每個所選波長，可以由所述平壁鏡面2g′和2g″在“直接”相對方向上進行反射和衍射，作為具有離散波長且標示為(3a″)的衍射光波前，并且之后，由曲鏡面2b′反射，波長相互獨立，并隨后被允許作為與吸收波長相關的光束3f，投向所述光接收器4。
“直接”相對方向指的是，微小的方向變化和僅僅稍微偏離“零”的反射角。
在這個方面，很重要的是，要測量的所選吸收波長不會在虛光源(3′)中出現或接近虛光源(3′)。
圖2中曲壁鏡面2b′的形狀與適用于數學拋物線方程的曲線形狀一致。
到達或來自反射器或反射器表面3c的光線通過會聚光束3a這個媒介，在焦點或聚焦點F2上會聚，以此示出虛光源(3′)，可以調整虛光源(3′)或優選的使其與曲壁鏡面2b′形成的拋物線的焦點或聚焦點F3很接近。
因此，曲壁鏡面2b′由壁部分(2b′)構成(見圖5)，壁部分(2b′)具有拋物線弧的形狀，并位于該拋物線形狀的軸2b″的一側。
與其它測量類似，在壁面2b′上的柵結構表面2g″，被調整為第一順序的衍射光柵。
閃耀角與所選吸收波長無關，并且實際上具有50°到60°之間的值。
在圖2實施例的情況中，兩個略微分開的光接收器4、5放置在第一空間“K1”的外部，并與虛光源(3′)十分接近，并且相應接收器的接收波瓣3f和3h指向曲鏡面2b′和所指示的壁部分(2b′)，以便能夠接收代表一種或多種氣體的不同的吸收波長。
更具體的，根據本發明提出，腔體2′可以由兩個基于聚合物的仿形形成，在單獨的過程中對該仿形進行處理，以使壁部分和壁鏡面具備很好的光反射特性。
光源3也由用于產生IR范圍內的波長光譜的不連貫光源組成，這種情況下，光源3可以具有由石英玻璃31包圍的白熾燈絲30這樣的形態。
圖2中的反射器3c沿著橢圓線3c′形成為平的橢圓形曲面，該曲面略微超過焦點F1一段距離，該距離與所述焦點F1和頂點“V1”之間選擇的值相對應。
曲橢圓形線3c′在兩個會聚的平壁部分3d和3e的末梢點終止，該點將曲線3c′與第二焦點F2聯系起來，以在所述第二焦點F2處留出一個小開口3g(3b)，例如大概1.2-0.3毫米的開口，例如0.6毫米。
壁部分3d和3e具有鋸齒狀的或鋸齒表面，以便能夠為光束3a′吸收或反射掉不需要的落在期望的開口角“a”之外的干擾光，光束3a′是由光源3，和/或通過返回橢圓曲鏡線3c′或橢圓曲鏡面3c上的入射光的反射而產生并投射的。
前述配置的橢圓形曲平面3c和會聚的壁部分3d和3e互相形成這樣的尺寸，以至于從安裝有濾光器3g′的開口3g離開的發散光束3a′將獲得30°到45°之間的發散角“a”，例如大概40°。
離開開口3g的光束3a′發散，其邊緣分布的光線標示為13a′、23a′。
將曲面2b和鏡面2b′調整為拋物線，該拋物線的起點在該拋物線頂點“V2”，軸2b″穿過或至少接近開口3g和聚焦點或焦點F2。
曲面2b和鏡面2b′形成了選擇的部分或局部(2b′)，其為具有標示為F3的焦點或聚焦點的拋物線的一半。
在本發明的一個實施例中，盡管在所說明的實施例中，這兩個焦點被顯示為沿軸2b″互相稍微分開放置，但是焦點F2和焦點F3可以方便地在同一位置，以下將更具體地進行描述。
在鏡面2b′中反射的波前3a″，被反射到柵表面2g″，并且被衍射，以致作為衍射波前(3a″)返回到鏡面2b′，并且由此作為具有各自吸收波長的兩個衍射光束3f和3h，與其它物質一起，反射到各自光接收器4和5上。
與光束3a′的第一邊緣相關的光線13a′的反射角“b”優選地在20°到40°之間，更優選的在25°到35°之間，例如30°。
與光束3a′的第二邊緣相關的光線23a′的反射角“C”優選地在40°到80°之間，更優選的在50°到70°之間，例如60°。
更具體地，盡管朝向拋物線頂點“V2”，聚焦點或焦點F2以及開口3g更靠近焦點F3放置，而用于接收器4的開口4a放置在焦點F3的另一側，其中接收器4接收在接收波瓣3f范圍內的光束。
調整接收器5及其開口5a，以接收在接收波瓣3h之內的所選頻率的選擇光線，這些選擇光線在電子電路6中用作參考信號。
根據上述圖2的實施例很顯然的是，可以將類似于接收器4和/或接收器5的多個其它光接收器在物理上分開，并按一定方式進行排布，以允許對與其它所選氣體相對應的，或關于其它所選氣體來說顯著的不同吸收波長或吸收頻率進行檢測。
盡管光接收器4和5被顯示為置于第一空間“K1”的下方，但是應該理解的是，所述接收器可選地可以置于該空間“K1”的上方。
根據圖3和4很顯然的是，為了使石英中的柵結構形成兩個不同的具有70.6°公共角的結晶面，可以利用該柵結構產生具有54.7°的自然閃耀角“d”的衍射柵，已經做出系統設計的選擇，以及平的柵分布的與腔體關聯的壁表面2g″的閃耀角和其它參數的選擇。
這使得工具制造所需的原型以廉價的并容易生產的方式產生，并且還提供了基于聚合物的仿形。
圖3中的參考標號X指出了保護層/氧化層的開口，參考標號Y指出了保護層/氧化層橋(bridge)。
在蝕刻處理期間，標號U的值等于Y/2，而標號D代表光柵常數的值。
圖4更詳細的說明了利特羅配置，所述圖形包括放大的包括柵結構2g″的平面2g′界定的子部分。
在利特羅配置中，允許輸入光波3a″落在與柵格的閃耀角接近的角度中。
光波3a″中具有由所選氣體樣本(G)確定的、以及對于本發明來說顯著的預定吸收波長，該光波3a″中的光線以很小的反射角、在基本上“直接”相對方向上被反射、衍射，由此產生實現最大效率的條件，如圖6所示。
在一階衍射光柵的情況下，波長等于函數“2Dsin55°”，其結果是，在該實施例的情況下效率接近100％，因為沒有發現更高階。
在這么高入射角度的情況下，也沒有負階。
因此，創造了這樣的條件，使得具有預定吸收波長的所有光在期望的方向上被反射，并進而被反射到各個光接收器4和5。
對于橢圓形狀的焦點F2和接收器4和5之內的與吸收波長相關的接收而言，不允許在同一位置放置接收器，而是接收器之間必須有一小段距離，通過在焦點F3的一側放置焦點F2，在焦點F3的另一側放置接收器4和5，有可能在所說明的實施例中控制這個小距離。
如果焦點F2與焦點F3在同一位置，必須在一定程度上改變平的柵表面2g″的角度或改變光柵常數D，以至于衍射光束(3a″)在鏡面2b′中被斜反射，并且各自的吸收波長投射到接收器4或接收器5上。
如果將接收器4或接收器5置于焦點F3上，必須將焦點F2置于焦點F3的一側。
因此，本發明使得光源3或可見光源(3′)能夠在或接近分配給凹曲面2b′的聚焦點或焦點F3處被方便地放置。
可選地，可以接近或直接在分配給凹曲鏡面2b′的焦點F3處，放置一個或多個光接收器4、5。
濾光器3g′適于在應用于該檢測器系統的自由光譜范圍內，允許與光相關的波長通過，其中，濾波器3g′適于濾除與該自由光譜范圍內同等的波長相比要短的波長。
自由光譜范圍指從計算的觀點、僅通過一個光譜階示出的光譜范圍，并因此不受其它階或多階比該范圍短的波長和重疊波長的約束。
更具體地，濾光器3g′應該屏蔽比所選最短波長還要短的波長。
倘若接收器4、5接收到基本頻率的高階頻率，應該將這些頻率理解為噪聲。因此，應該采取措施防止各高階頻率的出現。
參考圖5的應用對本發明進行更具體的說明，圖5中特別設計和修改的氣室2和氣體傳感器檢測具有正常氣體混合物的空氣中的二氧化碳含量。對于檢測和分析其它氣體，需要對氣室2及其腔體2′進行其它修改和其它設計。
氣體“G”經過入口21，經過腔體2′中的空間“K2”，以及經過出口22。
選擇白光源作為光源3，該光源包括表征CO2吸收波長的波長范圍，以及其它波長。
雖然建議了白熾燈或一些其它發熱光源3，但是本發明的方案也能夠使用發光二極管。
二氧化碳具有的4.25μm的特征吸收波長。使該波長發生衍射，并在接收器4中接收，而較短的波長，比方說3.9μm，在接收器5中被接收，并且用作參考信號。
二階波長為2.12μm，濾波器3g′旨在濾除這些波長以及更短的波長。
電子電路6計算接收器4和5中的光強度，并且通過對比較電路6a的介質與顯示在顯示表面7′上的氣體濃度一起進行比較的方法，確定CO2的存在。
圖5示出了可用于對腔體或空間“K2”中存在的氣體混合物中的CO2氣體進行測定的光譜和光測量路徑。
圖5還示出了所討論的波長的當前值。
白熾金屬絲30被石英玻璃31包圍著，定義上限為5.0μm。
由濾光器3g′定義下限尺寸，比方說3.0μm。
波前3a″被反射，并投射到包含利特羅配置表面2g″的平面2g′上，4.0-4.5μm和3.9μm波長在利特羅配置表面2g″被衍射(3a″)，并在由鏡面2b′反射后被各自接收器4和5接收。
圖6是表示與利特羅配置的波長相對應的效率變化的曲線圖，從圖中可以看到，對于所關心的波長而言，效率很高。
圖7是說明與波長相關的、接收器4和5的檢測器關于光源發射的接收百分比的曲線圖，所述曲線圖示出了對于4.0μm和4.5μm附近的波長的高接收。
從圖5還可以看到，曲面2b的有效子部分(2b′)或光線13a′和23a′之間的所述拋物線形狀應該被置于離開拋物線頂點“V2”一段距離的位置，并且應該在接近所述拋物線的焦點或聚焦點F3的附近。
將子部分(2b′)限定到一點或一部分，該點或部分朝向與拋物線或拋物線方程的軸2b″相關的直角或直角附近，其中軸2b″穿過與所述軸對應的焦點或聚焦點F3。
應該理解的是，本發明不限于上述示例性實施例，并且在所附權利要求中闡明的本發明概念范圍內可以進行各種修改。
權利要求
1.一種包含在氣體傳感器中的氣室，該氣室適于確定一種或多種氣體的存在，和/或適于確定這種氣體的濃度，其中，所述氣室包括腔體(2′)，該腔體(2′)由具有反光特性的壁部分限定，并且該腔體(2′)旨在容納一定體積的所述氣體((G))，其中，包括光源(3)，該光源(3)適于發出光束(3a′)，將該光束(3a′)導向為在與腔體關聯的壁部分和相對的壁部分之間反射，并且其中所述光束包括在凹壁部分(2b)中反射、并被導向一個或多個光接收器(4、5)的光線，該光接收器(4、5)適于檢測與所述氣體對應的一個或多個吸收波長中出現的光強度，其特征在于所述凹曲壁部分(2b)適于將傾斜地接收的來自光源((3′))的發散光束(3a′)反射(2b′)到平的分布有光柵的與腔體關聯的壁部分(2g′)上，該壁部分(2g′)的反射表面(2g″)呈現利特羅配置或構造的利特羅配置；其特征還在于，所述光束(3a″)適于以接近該光柵閃耀角的角度，落在所述平壁部分上；并且其特征在于，使得在所述光束(3a″)中與所選氣體對應的一個或多個吸收波長，由所述平壁部分(2g′)在直接相對的方向反射或衍射，使得衍射的波長在所述曲面(2b′)中反射，并且被導向所述光接收器(4、5)。
2.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，所述曲壁部分(2b′)與代表拋物線的彎曲形狀的一部分((2b′))一致。
3.根據權利要求2所述的氣室，其特征在于，所述光源(3)虛擬地出現在((3′))拋物線形狀的焦點(F3)處或與其臨近。
4.根據權利要求2或3所述的氣室，其特征在于，所述曲壁部分(2b)具有拋物線弧的形狀，朝向該拋物線形狀的軸(2b″)的一側。
5.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，所述平的分布有光柵的與腔體關聯的壁部分(2g′)包括光柵結構(2g″)，該光柵結構具有在相對方向上用于光線反射的閃耀角。
6.根據權利要求5所述的氣室，其特征在于，所述光柵結構適于產生只有第一階和/或第二階的衍射的光柵。
7.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，所述閃耀角在50°到60°之間。
8.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，將一個或多個光接收器接近虛光源放置，所述光接收器的接收波瓣朝向所述曲面(2b′)。
9.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，所述腔體由至少一個基于聚合物的仿形而形成，該仿形經過處理使得所述壁部分具備反光特性。
10.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，所述光源由用于產生IR范圍內波長光譜的非相干光源構成。
11.根據權利要求1或8所述的氣室，其特征在于，光源或虛光源置于或接近于所述凹曲面(2b)所配置的焦點(F3)。
12.根據權利要求1、8或11所述的氣室，其特征在于，一個或多個光接收器(4、5)置于所述凹曲面(2b)所配置的焦點(F3)的附近位置或被置于該焦點上。
13.根據上述權利要求中的任何一個所述的氣室，其特征在于，物理的光源置于橢圓形狀的一個焦點上，其特征還在于，虛光源((3′))在該第二焦點(F2)上出現，并位于包括濾光器(3g′)的開口(3g)中。
14.根據權利要求13所述的氣室，其特征在于，所述濾光器適于允許在應用于該檢測器系統的自由光譜范圍內的、與光相關的波長通過。
15.根據權利要求13或14所述的氣室，其特征在于，所述濾光器適于濾除比所述自由光譜范圍內等同的波長更短的波長。
16.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，所述腔體(2′)具有兩個空間(“K1”，“K2”)的形狀，其中一個空間(“K1”)包括物理的光源和反射器。
17.根據權利要求16所述的氣室，其特征在于，所述第二空間(“K2”)的功能是作為提供反光的測量室。
18.根據權利要求16所述的氣室，其特征在于，所述第一空間(“K1”)具有部分橢圓形狀的子部分(3c)。
19.根據權利要求18所述的氣室，其特征在于，末端的子部分((K1″))具有錐形。
20.根據權利要求19所述的氣室，其特征在于，所述子部分((K1″))由兩個匯聚的壁部分(3d，3e)限定。
21.根據權利要求20所述的氣室，其特征在于，所述壁部分(3d，3e)制備或形成為表現出缺乏反射特性。
22.根據權利要求20所述的氣室，其特征在于，所述匯聚的壁部分(3d，3e)對從所述光源(3，3′)發出的光束(3a′)定義了一個與發散角或孔徑角(“a”)對應的角度。
23.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，多個光接收器(4、5)配置在與腔體關聯的空間(“K1”)的一側。
24.根據權利要求23所述的氣室，其特征在于，多個光接收器配置在所述空間的互相相對的側面。
25.根據權利要求1所述的氣室，其特征在于，平的分布有光柵的與腔體關聯的壁部分(2g)具有一個方向，在該方向上，該壁部分(2g)的虛延伸與凹曲壁部分(2b)的所述頂點(“V2”)相連，或緊鄰該頂點(“V2”)通過。
26.根據權利要求1、16或17所述的氣室，其特征在于，通過利用在所述第一空間(“K1”)之內的光測量路徑，延長了所述測量室的測量路徑。
27.根據權利要求26所述的氣室，其特征在于，所述第一空間(“K1”)包括用于該待測量的氣體(G)的入口((21′)和出口(22′)。
全文摘要
本發明涉及一種包含在氣體傳感器中的氣室，該氣室適于確定氣體的存在，和/或適于確定氣體(G)的濃度，并包括腔體(2′)，該腔體(2′)由具有反光特性的壁部分限定，并且該腔體(2′)旨在容納一定所述氣體(G)，該氣室還包括適于發出光束(3a′)的光源(3)，該光束(3a′)導向為在與腔體關聯的壁部分和相對的壁部分之間反射，其中光束(3a″)包括在凹壁鏡面(2b′)中反射、并投射到一個或多個光接收器(4、5)上的光線，該光接收器(4、5)可檢測與該氣體樣本(G)對應的吸收波長。該凹曲壁鏡面(2b′)適于將傾斜接收的發散光束(3a′)從光源3反射到平的分布有光柵的與腔體關聯的壁部分(2g′)上，該壁部分(2g′)的反射表面包括或被構造成利特羅配置(2g″)。光束(3a″)適于以接近光柵閃耀角的角度落在所述平壁面(2g′)上，導致在該光束(3a″)中與所選氣體樣本(G)對應的吸收波長，被所述平壁面(2g′)在直接相對的方向上反射或衍射(3a″)，使得衍射波長在所述曲鏡面(2b′)中再次反射，并且投向并衍射到所述光接收器(4、5)中的每個。
文檔編號G01N21/31GK1739019SQ200480002241
公開日2006年2月22日 申請日期2004年1月15日 優先權日2003年1月15日
發明者漢斯·約蘭·埃瓦爾德·馬丁 申請人:森謝爾公司