專利名稱：壓力、聲壓變化、磁場、加速、振動或氣體組成的測量器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序所述的用于測量壓力、聲壓變化、磁場、加速 度、振動或氣體組成的設(shè)備。本發(fā)明還涉及用于測量壓力、聲壓變化、磁場、加速度、振動或氣體組成的方法。
背景技術(shù)：
在微機械壓力傳感器、麥克風(fēng)等中，以所謂的電容方式測量兩個膜片之間的距離。 這可通過測量移動引起的電壓、或者通過測量高頻情況下的電容來進行。由于膜片彼此非 ?？拷?，這導(dǎo)致若干問題膜片粘附到彼此，由于基底和構(gòu)件的熱膨脹造成移動等。除了機 械問題之外，目前的構(gòu)造還面臨以下事實在兩個膜片之間的阻抗較高，且所有漏電都會造 成問題。在移動電話中，目前對微機械麥克風(fēng)做出變換。MEMS壓力傳感器已變得普遍用于 (例如)手表中。就MEMS構(gòu)造而言，它們非常相似。它們的不同僅在于封裝技術(shù)、材料選 擇、電子方案等，但仍基于相同的基本原理對彼此靠近定位(lym-3ym)的兩個膜片之間 的距離進行的測量。其被稱作第一代MEMS麥克風(fēng)和壓力傳感器。目前的新發(fā)明消除了第 一代傳感器的若干弱點且有可能使穩(wěn)定的MEMS傳感器用于測量若干變量，其可容易地附 連到電路卡上。目前的氣體傳感器為化學(xué)的或光學(xué)的?；瘜W(xué)傳感器具有較差的穩(wěn)定性，且 光學(xué)傳感器對于大規(guī)模應(yīng)用而言較為昂貴。從NO專利323259已知一種方案，其中使用MEMS技術(shù)制成的超聲收發(fā)器位于調(diào)諧 腔中。借助于該收發(fā)器，測量了氣體中的音速，且基于音速來確定出氣態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)。該裝 置具有復(fù)雜構(gòu)造的缺點，其要求與電路一起形成兩個有源元件。復(fù)雜性增加了制造成本。從公告"Modelling of an electroacoustic gas sensor'T7. Granstedt,M. Folke,
M. Ekstrom, B. HokiB Y. Backlund, Sensors and ActuatorsB 104(2005)308-311，
已知其中使用壓電-超聲發(fā)射器的氣體傳感器應(yīng)用。從 公 告"Gas sensor with electroacousticalIy coupled resonator，， F. Granstedt, Μ. Folke, B. Hok 禾口 Y. Backlund, Sensors and ActuatorsB 78 (2001) 161-165，已知其中使用壓電-超聲發(fā)射器的氣體傳感器應(yīng)用。由于壓電-超聲發(fā)射器是基于固定振蕩器的輻射，其與氣體的連接較弱，換言之， 在氣體或振蕩腔室中發(fā)生的變化在超聲發(fā)射器的輸入阻抗中微弱地表現(xiàn)，或者相對應(yīng)地作 為其所消耗或抽取(draw)功率中的變化的函數(shù)。在所參考的文章中，僅測量腔室中氣體的 速度，并未提及基于單個有源構(gòu)件對無源傳感器膜片的位置的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在消除現(xiàn)有技術(shù)的缺點且允許也使用相同的構(gòu)造來基于聲音的速度和 阻尼而對氣體進行測量，此外，傳感器可用于測量磁場和加速度二者。本發(fā)明的特征在于在權(quán)利要求的表征部分中所陳述的內(nèi)容。
4
傳感器基于超聲發(fā)射器，其優(yōu)選地包括呈膜片形式的輕振蕩源和布置于其頂部的 超聲腔，超聲腔的尺寸被布置成在超聲發(fā)射器的操作頻率處發(fā)生諧振。通常，腔的主要尺寸 之一為超聲波長尺寸的四分之一、一半或這些的多倍。通過發(fā)射器的輸入阻抗或輸入功率來測量超聲阻抗，將觀察到阻抗在很大程度上 取決于其上方的腔相對于前述長度的偏離。如果在超聲的串聯(lián)諧振中進行操作，發(fā)射器阻 抗的較小變化將與腔的高度成正比，且諧振的寬度將與腔中的空氣阻尼成比例。傳感器的 幾何形狀被布置成使得所測量的變量影響腔的長度。更具體而言，根據(jù)本發(fā)明的傳感器的特征在于在權(quán)利要求1的特征部分中所陳述 的內(nèi)容。根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于權(quán)利要求12的特征部分所陳述的內(nèi)容。借助于本發(fā)明獲得顯著優(yōu)點。與電容構(gòu)造相比，電子器件可被有效地屏蔽，因為無 需通往膜片或充當傳感器元件的表面的電接觸。因此，可使傳感器與測量物體直接接觸。在 本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例中，甚至也有可能與所測量的表面進行機械接觸。與上文作為現(xiàn)有技術(shù)所描述的壓電-晶體超聲源相比，實現(xiàn)靈敏度的顯著改進， 因為根據(jù)本發(fā)明的輕膜片超聲發(fā)射器大約好10倍地連接到被測量的介質(zhì)，這在測量靈敏 度方面更直接明顯。與此同時，通過制造技術(shù)實現(xiàn)顯著的成本優(yōu)點，因為傳感器結(jié)構(gòu)可(例 如)集成于同一 SOI結(jié)構(gòu)中。與所描述的MEMS構(gòu)造相比較，在裝置簡化方面實現(xiàn)顯著的優(yōu)點。僅需要一個有源 元件，借助于該有源元件可形成大多數(shù)多樣的測量元件。


在下文中，借助于實例且參考附圖研究了本發(fā)明。圖Ia和圖Ib和圖Ic示出傳感器的替代基本構(gòu)造的截面?zhèn)纫晥D；圖2a和圖2b示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的電等效電路；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的構(gòu)造的截面?zhèn)纫晥D；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的制造過程的細節(jié)的截面?zhèn)纫晥D；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的替代構(gòu)造的截面?zhèn)纫晥D；圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的電子器件。
具體實施例方式圖Ia和圖Ib示出根據(jù)本發(fā)明的超聲傳感器1的示意構(gòu)造。在圖Ia中示出其中 超聲發(fā)射器2由單個腔形成的構(gòu)造，且在圖Ib中示出使用若干平行振蕩發(fā)射器2形成聲音 的情形。發(fā)射器2的膜片9在其上方的腔4中形成諧振超聲。超聲發(fā)射器2生成電串聯(lián)和 并聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振的阻抗通常為1至IOkQ且并聯(lián)諧振的阻抗為10至100倍更大，總是 根據(jù)諧振器的品質(zhì)因數(shù)?？赏贫ㄈ嵝陨喜磕て?將會使大部分聲音往回反射、且僅小部分 將在膜片3后方輻射出來。實際上，這表示串聯(lián)諧振的阻抗減小。如果膜片向外輻射功率， 那么腔的品質(zhì)因數(shù)減小且分辨率降低。圖Ic示出在腔上方添加額外腔6的方式，其大小為 波長的一半，且其覆蓋物7優(yōu)選地較厚且較剛硬以有效地往回向腔內(nèi)反射超聲波。圖2a給出超聲發(fā)射器2的電等效電路。線圈23描繪了膜片9的質(zhì)量、且電容24描繪了其彈簧常數(shù)、且電容20描繪了電容。電阻22表示膜片損失、且電阻21表示輻射損 失。分量的值也取決于超聲傳感器上的電壓。如果聲腔的長度(例如)為λ/2，那么其將 會放大超聲的諧振。聲波同相地到達超聲膜片，這增加膜片移動。圖2b示出帶有腔4，當腔 長度為λ/2，S卩，腔形成串聯(lián)諧振時的電等效電路。應(yīng)當指出的是腔的長度也可為波的四分 之一或其多倍。腔4的阻抗替換圖2a中的輻射電阻21。因此，腔的阻抗由諧振器4的有效 線圈25、有效電容器26、和諧振器的損失27而形成。應(yīng)當指出的是系統(tǒng)形成單個新的串聯(lián) 諧振?？蓪⒅C振認為是簡并的(degenerating)以形成單個諧振。由腔4形成的有效電容 26現(xiàn)小于超聲發(fā)射器2的有效電容24、且如果腔4的電感25大于超聲傳感器的電感23， 則傳感器1(=發(fā)射器2+腔4)的阻抗將幾乎完全由腔4決定。實際上，情形并非如此理想 化。此外，可假定超聲發(fā)射器2的內(nèi)部損失小于由腔4造成的損失。如果使用微機械發(fā)射 器2則可實現(xiàn)這種情況。使用壓電有源發(fā)射器則不能造成所討論的該情形。優(yōu)化需要將 本發(fā)明的超聲發(fā)射器2的振蕩膜片9的質(zhì)量最小化且對彈簧常數(shù)(張力或剛度)加以優(yōu)化 從而實現(xiàn)所希望的諧振頻率。此外，膜片9的表面積應(yīng)合理設(shè)計尺寸以優(yōu)化與氣體的連接。 優(yōu)化取決于膜片是在活塞模式還是在柔性模式振蕩。此外，發(fā)射器2的形狀是重要的。膜 片9也可由許多小的分立的超聲膜片9而形成。這種情形在圖Ib中示出。一般而言，當膜 片9的寬度大約為所用超聲頻率的波長時實現(xiàn)輻射最佳化，S卩，腔的自然尺寸通常為寬度 λ和高度λ/2。如果發(fā)射器由若干單獨元件制成，寬度也可更大。上部膜片9的位置改變 阻抗的相位，或者，換言之，其虛部。腔4的損失改變阻抗的實部。換言之，通過使用相敏檢 測器來測量虛部的值，則可確定膜片9的偏差。即，作為出發(fā)點，傳感器1是測量位置或位 置變化的傳感器，但其也可用于測量若干不同變量。在下文中將把這種傳感器一般地稱作 UtraSensor02.應(yīng)用作為出發(fā)點，傳感器1測量膜片位置、或其位置變化。這意味著其可用于所有應(yīng)用 中，其中對表面位置的精確測量是至關(guān)重要的。換言之，UtraSensor可用于制成麥克風(fēng)、壓 力傳感器、加速度傳感器或磁強計(magnetometer)。此外，該裝置可用于測量音速和氣體阻 尼，即，其可用作氣體傳感器。如果腔的長度為波長的四分之一，且如果其被填充比空氣更 重的氣體，那么其將在MEMS超聲發(fā)射器與空氣之間形成阻抗轉(zhuǎn)換器。在下文中，評論各種 傳感器的特殊特點。2. 1位置傳感器這樣的UtraSensor是測量位置、速度或加速度的傳感器。通常通過將壓電有源結(jié) 構(gòu)連接到金屬表面以檢測聲波來測量聲發(fā)射。在此應(yīng)用中，UtraSensor可直接用于替換壓 電傳感器。UtraSensor可具有以下優(yōu)點較小大小和較低價格以及在相同硅基片上集成若 干接收器的可能性。當然，位置傳感器可用作正常超聲傳感器和發(fā)射器，例如，在超聲成像 裝置中。2. 2阻抗匹配的寬頻帶超聲發(fā)射器和接收器如果使腔的高度等于波的四分之一，且利用合適的氣體混合物(例如，氬氣和二
氧化碳、氮氣，......)來填充腔，則可調(diào)整氣體密度使得微機械發(fā)射器的具體阻抗完全匹
配空氣。如果腔中氣體密度大于空氣密度的大約十倍，實際上會發(fā)生這種情形。實際上，可 使用的氣體為氬氣和CO2,其密度顯著大于空氣密度。也可使用苯。這種方案將會使得(例如)比現(xiàn)有雷達(例如，用于汽車的停車雷達)更佳的基于超聲的雷達、氣體速度計等成為 可能。此外，由于可在距被測量的物體較遠處安置電子器件，允許在困難條件(例如，300度 的溫度)下進行測量。目前，從MEMS源至空氣的輻射效率合理地較好(1%至3%)，例如與 壓電有源晶體相比較。壓電有源塑料幾乎與MEMS —樣好。通過添加根據(jù)本發(fā)明的氣體轉(zhuǎn) 換器，效率可提高至大大超過10%且因此可顯著地改進信噪比。舉例而言，可借助于超聲而 使得對氣體的流動測量顯著更準確，因為可制造具有更寬廣的頻帶和更大的相位穩(wěn)定性的 傳感器。2. 3氣體傳感器可使用傳感器來測量聲音在氣體中的速度和阻尼。可基于這些來確定氣體。當 然，聲音的速度和阻尼也取決于溫度和濕度，使得準確測量需要對所述變量的測量。在氣體 傳感器的情況下，傳感器的分辨率并非瓶頸，而是由于機械應(yīng)力、溫度補償?shù)葧鹬卮笳` 差。當然，重要的是指出傳感器并不提供關(guān)于氣體組成的明確信息。但是，如果也可在較高 頻率下使用傳感器，則可使用聲音的速度和阻尼的變化來獲得關(guān)于氣體組成的額外信息。 眾所周知，通過測量聲音在很廣頻率范圍上的速度和阻尼，例如可單獨地確定空氣濕度。取決于所用功率，傳感器腔中的氣體將加熱(1至;TC )。如果氣體很濕，腔損失將 增加且加熱功率將增加以蒸發(fā)掉水分。另一方面，超聲減小液滴的表面張力，其然后氣化且 并不留在表面上。換言之，該方法使得有可能影響腔中氣體的濕度。由于傳感器并非特別選擇性的，其最適合于檢測個別氣體。其可(例如)為汽車二 氧化碳傳感器，在未來可能為氫氣傳感器(如果氫氣的使用在汽車中變得普遍)，或者作為 建筑物或工業(yè)中的氣體檢測器。傳感器特別適合用作閥中的泄露傳感器。這是因為閥控制 已知氣體，且在關(guān)閉的空間中，傳感器可緊鄰著閥附近定位，其中在泄漏之前，氣體含量幾 乎是不變的。在此應(yīng)用中，同時進行的溫度測量將足以補償誤差。當然，傳感器可充當傳感 器系統(tǒng)的部件，其中具體地測量少數(shù)氣體且可使用所描述的方法來測量缺失的氣體。在氣 體傳感器中，可使上部膜片很剛硬且很重，且因此可使超聲從膜片的底表面良好地反射。舉 例而言，SOI基的腔非常適合于這個目的。關(guān)于氣體傳感器，使用名稱UtraGas或UtraGas 傳感器。2. 4壓力傳感器如果使用傳感器來測量壓力，腔應(yīng)充滿已知氣體。優(yōu)選地，充滿具有低聲音阻尼且 造成較小有效電容和較大電感的氣體。當然，應(yīng)選擇氣體使得其將不易于與硅或氧化硅起 反應(yīng)，且將不易于從腔擴散出來。現(xiàn)有MEMS壓力傳感器的問題在于彈簧常數(shù)必須設(shè)定合 適尺寸，以使得腔高度對于最大壓力足夠剛硬、從而不造成膜片的過度偏轉(zhuǎn)。必須保持腔高 度較低，從而可使用低電壓進行電容測量，而分辨率仍保持充分。在UtraSensor中，不會出 現(xiàn)這種問題。換言之，通過設(shè)定膜片尺寸使之松弛，會增加靈敏度且因此使得裝置對于(例 如)由于基片扭轉(zhuǎn)引起的問題不太敏感。當然，不利之處在于UltraSensor的有效彈簧常 數(shù)在某種程度上取決于壓力，根據(jù)以下方程式

權(quán)利要求
一種用于測量壓力、聲壓變化、磁場、加速度、振動或氣體組成的傳感器(1)，所述傳感器(1)包括超聲發(fā)射器(2)，以及腔(4)，其被布置成與所述超聲發(fā)射器(2)連接，所述腔(4)在所用超聲頻率處于諧振模式，其特征在于所述傳感器(1)包括位于所述腔(4)的與所述超聲發(fā)射器(2)相對的端部處的無源傳感器元件(3，3′)，其距所述超聲發(fā)射器(2)的距離被選擇成滿足諧振條件，所述超聲發(fā)射器(2)包括輕構(gòu)造膜片振蕩器(9)，其因此良好地連接到周圍介質(zhì)，以及所述傳感器包含用于測量所述超聲發(fā)射器(2)與所述腔(4)之間相互作用的器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器(1)，其特征在于，用于測量所述超聲發(fā)射器(2)與所 述腔(4)之間相互作用的測量器件是功率測量器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器(1)，其特征在于，使用MEMS技術(shù)形成所述構(gòu)造， 使得在所述超聲發(fā)射器(2)內(nèi)存在高欠壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的傳感器(1)，其特征在于，所述傳感器是形成于SOI盤 上的表面微機械結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的傳感器(1)，其特征在于，在基本狀態(tài)，所述超聲發(fā) 射器(2)與所述傳感器元件(3，3')之間的距離是所用超聲頻率的波長的四分之一、二分 之一或這些的多倍。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器(1)，其特征在于，所述傳感器元件(3， 3')在諸如移動電話或手表裝置殼這樣的裝置殼的外表面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器(1)，其特征在于，連接到所述傳感器的諸如移動電話 或手表這樣裝置的裝置殼的外表面形成所述傳感器(1)的至少部分。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器(1)，其特征在于，所述腔(4)借助于可滲 透氣體的結(jié)構(gòu)連接到環(huán)境，以便允許測量氣體含量。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器(1)，其特征在于，額外質(zhì)量(32)位于所 述腔(4)中，用于測量加速度。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器(1)，其特征在于，電流運輸線圈位于無 源膜片(3)中，用于測量磁場。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器(1)，其特征在于，反射器腔(6)布置于 所述腔(4)的頂部上，以便增強所述傳感器的靈敏度。
12.一種用于測量壓力、聲壓變化、磁場、加速度、振動或氣體組成的方法(1)，在所述 方法中使用超聲發(fā)射器(2)來在腔(4)中生成超聲，其在所用超聲頻率處于諧振模式，其特征在于，無源傳感器元件(3，3')位于所述腔的與所述超聲發(fā)射器(2)相對的端部處，選擇所 述無源傳感器元件(3，3')距所述超聲發(fā)射器(2)的距離，以使得滿足諧振條件，使用其中存在著輕構(gòu)造膜片振蕩器(9)的一種構(gòu)造作為超聲發(fā)射器(2)，其因而良好 地連接到周圍介質(zhì)，以及使用所述超聲發(fā)射器(2)與所述腔(4)之間的相互作用來確定所希望的變量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，通過測量由所述超聲發(fā)射器(2)消耗的 功率來實施所述超聲發(fā)射器(2)與所述腔(4)之間的相互作用。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，使用MEMS技術(shù)形成所述構(gòu)造，使 得在所述超聲發(fā)射器(2)內(nèi)存在高欠壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、12或14中任一項所述的方法，其特征在于，在SOI盤上形成所述 構(gòu)造。
16.根據(jù)前述方法項中任一項所述的方法，其特征在于，在基本狀態(tài)，使用所述超聲頻 率的波長的四分之一、二分之一或這些的多倍，來作為所述超聲發(fā)射器(2)與所述傳感器 元件(3，3')之間的距離。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述傳感器元件(3，3')位 于諸如移動電話的裝置殼的外表面上，使得其可用作界面的部分。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，與所述傳感器相連接的諸如移動電話 或手表這樣裝置的裝置殼的外表面用作所述傳感器(1)的至少部分。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述腔(4)借助于可滲透被 測量氣體的結(jié)構(gòu)而連接到環(huán)境，以便允許測量氣體含量。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，用于測量加速度的額外質(zhì)量 (32)位于所述腔(4)中。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，運輸電流的線圈位于所述無 源膜片(3)中，以便測量磁場。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，反射器腔(6)布置于所述腔 (4)的頂部上，以便提高所述傳感器的靈敏度。
23.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器用于測量氣體含量。
24.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器用于測量磁場。
25.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器用于測量壓力。
26.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器用于測量距離。
27.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器用作麥克風(fēng)。
28.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器用于測量加速度。
29.一種用于測量壓力、聲壓變化、磁場、加速度、振動或氣體組成的裝置，其執(zhí)行對 300 Ω至lOk-Ω阻抗的實部和虛部的測量，其特征在于，在所述測量中使用基于微機械超 聲和微腔的測量。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，在所述測量中使用集成式的MEMS構(gòu)造。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的裝置，其特征在于，所述測量傳感器基于硅基超聲傳 感器，且在其頂部上設(shè)置為超聲的波長、波長的四分之一、或者這些的多倍。
32.根據(jù)權(quán)利要求29、30或31所述的裝置，其特征在于，測量所述超聲的阻抗，且比較 其上方的腔與前述長度的偏差。
33.根據(jù)權(quán)利要求29、30、31或32中任一項所述的裝置，其特征在于，在超聲的串聯(lián)諧 振中，所述發(fā)射器對較小變化的阻抗與所述腔的高度成正比、且所述諧振的寬度與所述腔 中空氣的阻尼成比例。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測量壓力、聲壓變化、磁場、加速度、振動或氣體組成的傳感器(1)和方法。該傳感器(1)包括超聲發(fā)射器(2)和布置成與之連接的腔(4)。根據(jù)本發(fā)明，傳感器(1)包括位于腔(4)的與超聲發(fā)射器(2)相對的端部處的無源傳感器元件(3，3′)，其距超聲發(fā)射器(2)的距離選擇成使得在所用超聲頻率滿足諧振條件，超聲發(fā)射器(2)包括輕構(gòu)造膜片振蕩器(9)，其因此良好地連接到周圍介質(zhì)，且該傳感器包括用于測量該超聲發(fā)射器(2)與該腔(4)之間相互作用的器件。
文檔編號B81B3/00GK101970339SQ200880119367
公開日2011年2月9日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月5日
發(fā)明者H·塞帕, T·西蘭帕 申請人:芬蘭技術(shù)研究中心