微型光譜儀氣體分析器制造技術(shù)

一種用于確定氣體樣品中的多種氣體的相應(yīng)濃度或分壓的健壯、緊湊的光譜儀裝置，所述氣體樣品具有單個(gè)、以及多個(gè)、甚至重疊的吸收或出射光譜，這些譜跨越較寬的光譜范圍。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及用于有效且健壯地測(cè)量呼吸及麻醉氣體的氣體濃度/分壓的 方法和裝置。
技術(shù)介紹
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知非分光紅外(NDIR)型氣體分析器的工作原 理，即通過(guò)以下步驟來(lái)確定特定氣體的濃度(a)指引紅外輻射(IR)通 過(guò)氣體混合物的樣品，(b)對(duì)該紅外輻射分別濾波以最小化每個(gè)特定氣體 所吸收的頻帶以外的能量，(c)測(cè)量進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)探測(cè)設(shè)備上的已濾波 的輻射，以及(d)將每個(gè)氣體的紅外吸收的測(cè)量結(jié)果與其濃度關(guān)聯(lián)。可被 測(cè)量的氣體在紅外光譜的特定波長(zhǎng)處表現(xiàn)出增加的吸收(以及減少的透 射)，使得氣體濃度越大，吸收成比例得越大并且透射成比例得更低。這種 NDIR技術(shù)的擴(kuò)展使用連續(xù)的、線性帶通濾波器，在該濾波器后面緊接著線 性陣列的探測(cè)器。氣體分析器廣泛用于醫(yī)療應(yīng)用中，并且其特點(diǎn)在于可位于患者的呼吸 氣體的主路徑中(主流分析器)或者位于通常平行于主路徑的輔助路徑中 (側(cè)流分析器)。設(shè)置主流分析器使得受試者吸入或呼出的呼吸氣體通過(guò)分析器放置在其上的氣管接口 (airway adapter)。主流的設(shè)計(jì)要求光學(xué)和電子 元件與患者的氣管進(jìn)行接口，或者與呼吸電路進(jìn)行接口，所述呼吸電路與 患者進(jìn)行通信并位于與患者非常接近的位置。結(jié)果，為了能夠被臨床應(yīng)用 接受，主流氣體分析器必須設(shè)計(jì)成緊湊、重量輕但是健壯的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 不會(huì)受到與醫(yī)療保健設(shè)施的延長(zhǎng)使用相關(guān)的典型機(jī)械損傷(abuse)和溫度 變化的影響。盡管對(duì)于少量的特定、非重疊的光譜波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，常規(guī)的主流氣體分析 器是夠用的，但是其難以改變感興趣的波長(zhǎng)。如果存在2或3種感興趣的 波長(zhǎng)，則系統(tǒng)效率逐漸變低，并且提供明顯好于0.1微米，IR區(qū)域中的FWHM (半高寬度)的分辨率是非常困難和昂貴的。利用光柵光譜儀用于氣體分析是公知的。有兩種常見(jiàn)的光柵光譜儀結(jié) 構(gòu)攝譜儀，其最初將光譜分布一條照相底片上或線性陣列探測(cè)器上；以 及光譜儀，其使用設(shè)置在適當(dāng)位置或角度的單個(gè)探測(cè)器，以記錄具體的譜 元素。對(duì)于IR氣體測(cè)量而言，IR源提供了被準(zhǔn)直并通過(guò)氣體樣品單元的寬帶 能量。將在特定波長(zhǎng)處衰減的已準(zhǔn)直的寬帶能量被指引導(dǎo)衍射光柵，并在 光柵處發(fā)生衍射，擴(kuò)散成連續(xù)譜，并使用鏡聚焦到小探測(cè)器上。衍射光柵 圍繞與光柵線平行并基本與衍射光柵的面共軸的軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)衍射光柵旋轉(zhuǎn) 時(shí)，光譜被掃描通過(guò)單個(gè)探測(cè)器。由于衍射光柵旋轉(zhuǎn)與探測(cè)器讀取電子器 件是同步的，所以能夠隔離和記錄特定的，但是任意的光譜特征。不言自明，微型光譜儀應(yīng)該小且輕。例如，本專利技術(shù)設(shè)想將光譜儀制成 足夠小和輕，以直接用在患者氣管上，即，安裝在患者電路上的主流設(shè)計(jì) 中。然而，雖然光學(xué)器件通常可制造得足夠小以滿足該目的，但是難以將 驅(qū)動(dòng)衍射光柵的機(jī)構(gòu)，即光譜掃描器制造得足夠小以滿足該目的。目前可 用的太大和太重的電子-機(jī)械掃描器驅(qū)動(dòng)器件要求太高的功率，并且以這種 方式使用成本太高。例如，許多常規(guī)光譜儀使用某種電機(jī)和軸承組件來(lái)旋轉(zhuǎn)衍射光柵，通過(guò)電機(jī)來(lái)擺動(dòng)連桿以驅(qū)動(dòng)衍射光柵。盡管這樣的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的結(jié)果， 但是這樣的結(jié)構(gòu)相對(duì)較大、沉重且昂貴。其他常規(guī)光譜儀采用擺動(dòng)電機(jī)(有 時(shí)也稱為電流計(jì)驅(qū)動(dòng))來(lái)取代電機(jī)和連桿。這樣的結(jié)構(gòu)不是很昂貴，但是 仍然較大、沉重且相對(duì)昂貴。Chen等人的美國(guó)專利6，249，346 (2001 )， Wilke等人的美國(guó)專利 6,039，697(2000)以及Keilbach等人的美國(guó)專利5，931，161(1999)都公開(kāi)了相對(duì) 較小尺寸的光譜儀，但是其設(shè)計(jì)仍然過(guò)大且在某些場(chǎng)合較為復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
因此，本專利技術(shù)的目的是提供一種克服常規(guī)氣體分析設(shè)備的缺點(diǎn)的光譜 儀。該目的根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)，其提供了一種用于確定氣體 樣品中的多種氣體的各自濃度或分壓的健壯的光譜儀裝置，該多種氣體具 有單個(gè)、以及多個(gè)、甚至重疊的吸收或發(fā)射光譜，這些光譜跨越寬的光譜 范圍。本專利技術(shù)改進(jìn)光柵光譜儀以用于緊湊的呼吸氣體分析設(shè)備。具體而言， 本專利技術(shù)釆用掃描光譜儀，該掃描光譜儀掃描或掃過(guò)(sweep)固定探測(cè)器上 的光譜。從光學(xué)的觀點(diǎn)看，該裝置的特征在于變型的艾勃特(Ebert)掃描 單色儀。使用MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))制造工藝可以制造非常小的、廉價(jià)的 擺動(dòng)鏡(oscillating mirror)。利用添加到鏡表面的衍射光柵，這一結(jié)構(gòu)提供 了用于在線IR氣體分析設(shè)備的成本非常低、非常小、重量輕但是結(jié)實(shí)的掃 描器。 ，光譜分辨率主要與光柵尺寸、孔徑、線距(line pitch)、衍射級(jí)次和準(zhǔn) 直有關(guān)。在本專利技術(shù)中，所需要的光柵寬度的范圍是l至2mm，這非常適于 現(xiàn)有的MEMS技術(shù)。容易獲得或控制其它參數(shù)，至少足夠用于所需的精度。可以單獨(dú)形成衍射光柵并將其粘接到"鏡"表面，或者優(yōu)選地，可以 將衍射光柵在鏡的表面形成為MEMS制造工藝的部件。還可以使用全息型 光柵。使得鏡擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器件可以是磁的，其中所述鏡具有形成在背面的 平面線圈，或者所述鏡自身制成磁性的，或者所述鏡可被靜電驅(qū)動(dòng)。因?yàn)?需要的角幅值相對(duì)較小，所以目前優(yōu)選靜電驅(qū)動(dòng)。本專利技術(shù)的裝置還可以若干額外方式進(jìn)行配置。在一個(gè)示例中，可以去 除擺動(dòng)光柵并由掃描(擺動(dòng))鏡來(lái)替代。在該方法的實(shí)施例中，鏡使得入 射光在固定光柵上掃描，所述固定光柵分散出光譜。如上所述，通過(guò)鏡將 光譜聚焦到探測(cè)器平面。盡管該替代方法需要一個(gè)額外的元件，但是由于MEMS擺動(dòng)元件不需要在其表面上制造出光柵，因而制造成本可以更低。在又一替代實(shí)施例中，利用在氣體樣品單元與IR源同側(cè)的光柵和探測(cè) 器，可以定位擺動(dòng)鏡以將衰減的寬帶能量光束直接返回通過(guò)氣體樣品單元。 該設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是更高的靈敏度(由于兩次通過(guò)單元中的氣體)，以及一定程 度上更窄的封裝。或者，在兩次通過(guò)的配置中，鏡可以固定在與源相對(duì)的 一側(cè)，并且擺動(dòng)鏡/固定光柵(或擺動(dòng)光柵)以及探測(cè)器系統(tǒng)位于源側(cè)。這 些不同實(shí)施例可配置在單個(gè)平面中，或者擺動(dòng)鏡、掃描光柵或者聚焦鏡可 以按取向旋轉(zhuǎn)以將光束指引到不同的平面，從而可以容易地適應(yīng)不同的封 裝結(jié)構(gòu)。衍射光柵能夠提供若干級(jí)次的衍射光束。通常使用第一級(jí)次，+1或-1， 并且光柵中溝槽的形狀可以設(shè)計(jì)為增強(qiáng)所選的級(jí)次。然而，在更高級(jí)次上， 能夠可存在一些次級(jí)能量。結(jié)果是更短波長(zhǎng)的光譜區(qū)域可重疊第一級(jí)次的 光譜。如果需要，可以利用設(shè)置為切斷感興趣光譜區(qū)域以外的波長(zhǎng)的阻擋 濾波器來(lái)解決這一問(wèn)題。用于本專利技術(shù)裝置的數(shù)據(jù)處理電子設(shè)備與掃描元件的運(yùn)動(dòng)是同步的。一 種方法是從鏡驅(qū)動(dòng)器件中提取定時(shí)信號(hào)。或者，所述鏡可具有安裝在其上 的線圈或磁的，或壓電傳感器，以提供指示用于同步中的一部分鏡的基本 即時(shí)位置的信號(hào)。用于同步的另一感測(cè)技術(shù)是將輔助光束從鏡的前面或背 面反射至單獨(dú)的探測(cè)器。目前優(yōu)選的技術(shù)是使用所探測(cè)光譜的獨(dú)特特征， 如果這樣的特征是可用的或者已經(jīng)提供了這樣的特征。假設(shè)所述鏡是諧振 的，當(dāng)探測(cè)器未接收任何信號(hào)時(shí)，將存在相對(duì)較長(zhǎng)的周期。這是因?yàn)槿绻?掃描處于其更接近線性的那部分中，將更容易解讀該掃描，并且因?yàn)樽钃?濾波器將在感興趣的光譜區(qū)之前或之后去除所有信號(hào)。這樣，信號(hào)中緊接 著急劇上升的長(zhǎng)空白周期可用于向相位鎖環(huán)同步器提供合適的獨(dú)特標(biāo)記。 該空白周期還提供背景光情況，從而可以設(shè)置探測(cè)器零點(diǎn)(zero)。通過(guò)吸 收峰值之間的任何本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種光譜儀，包括：　紅外源（Ｓ），用于投射紅外光束；　氣體樣品單元（Ｇ，１０２），設(shè)置于所述紅外光束的路徑中；　具有衍射光柵（２２）的掃描鏡（１４，３２，４６，６０，６４，６８，１０６），所述衍射光柵包括多條平行線且位于所 述紅外光束通過(guò)所述氣體樣品單元之后的路徑中；　諧振掃描器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Ｐ，２０，２８），適于使所述掃描鏡圍繞與所述衍射光柵線平行的軸擺動(dòng)；　第一聚焦元件（１６，６２，６６，１０８），設(shè)置為對(duì)由所述衍射光柵衍射的紅外光束的至少一個(gè)感興 趣的頻帶進(jìn)行聚焦；　第一探測(cè)器（１８，Ｄ，１１０），設(shè)置為接收所述至少一個(gè)已聚焦的感興趣的頻帶；以及　第一探測(cè)器讀取電路，可操作地耦合至所述第一探測(cè)器以接收來(lái)自所述第一探測(cè)器的信號(hào)。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：JT拉塞爾，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：RIC投資有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：US[美國(guó)]