本發(fā)明涉及一種用于測量盤形聲腔內(nèi)的氣體的特性的傳感器。

背景技術(shù)：

通過測量氣體混合物中的聲速來確定該混合物的成分的設(shè)備眾所周知。兩種最流行的聲學(xué)技術(shù)為飛行時(shí)間技術(shù)和共振腔技術(shù)。每種類型的設(shè)備的缺點(diǎn)和局限性已經(jīng)在ep0813060中被描述。

wo2013/083978涉及共振聲學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)，其中發(fā)射器(其被驅(qū)動(dòng))和接收器(其為被動(dòng)的)與盤形腔的相對端壁操作性關(guān)聯(lián)。由于這種幾何形狀，在運(yùn)行中，這種設(shè)備的發(fā)射器和接收器的機(jī)械剛度均良好地匹配腔中的盤形體積的流體的聲阻抗。此盤形的幾何形狀也優(yōu)選地用于實(shí)現(xiàn)發(fā)射器和接收器的位移輪廓和腔中的面內(nèi)(in-plane)流體壓力振蕩、優(yōu)選地為徑向流體壓力振蕩之間的良好的空間匹配。這些特性的組合能夠?qū)崿F(xiàn)通過發(fā)射器有效產(chǎn)生壓力振蕩和由接收器有效產(chǎn)生電輸出信號。

使用批量過程生產(chǎn)諸如wo2013/083978中描述的傳感器的小型機(jī)電設(shè)備通常是經(jīng)濟(jì)的，其中多個(gè)設(shè)備同時(shí)由共同的材料層被制造。設(shè)備然后在生產(chǎn)過程后期從同一批次被分離。這種方法使得生產(chǎn)步驟能夠在許多設(shè)備上并行執(zhí)行，減少生產(chǎn)時(shí)間和避免與處理小零件關(guān)聯(lián)的問題。簡單化地，能夠通過限制設(shè)備中使用的晶片數(shù)量而最小化設(shè)備的復(fù)雜性和成本。

以上描述的批量過程在微機(jī)電系統(tǒng)(mems)的生產(chǎn)中常見，其中層能夠被稱為晶片。mems的典型的小尺寸可對于氣體傳感器是可取的，以減少由于氣體擴(kuò)散至傳感器腔中的時(shí)間并由此減少傳感器響應(yīng)時(shí)間，因此批量過程中生產(chǎn)能夠提供經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和性能優(yōu)勢。

wo2013/083978中公開的傳感器包括位于相對端壁上的發(fā)射器和接收器。雖然發(fā)射機(jī)和接收器可包括相同類型的材料，但是，因?yàn)樗鼈儾还裁?，所以它們不能由共同的材料層形成。此外，發(fā)射器和接收器典型地需要與電路連接。將該發(fā)射器和接收器定位在相對的端壁上使得此電連接復(fù)雜化。因此，需要提供一種傳感器，其具有在wo2013/083978的傳感器中公開的類型的高性能特性，但是其能夠以較低成本被生產(chǎn)和為更簡單的構(gòu)造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，提供一種聲學(xué)傳感器，包括：側(cè)壁，在每個(gè)端部處由端壁封閉以形成腔，該腔在使用中包含流體；至少一個(gè)發(fā)射器和至少一個(gè)接收器，與所述端壁中的一個(gè)操作性關(guān)聯(lián)；其中所述腔的最大半寬度a和所述腔的高度h滿足以下不等式：a/h大于1.2；并且其中，在使用中，所述發(fā)射器引起所述端壁的與所述發(fā)射器操作性關(guān)聯(lián)的區(qū)域在大致垂直于所述端壁的平面的方向上的振蕩運(yùn)動(dòng)；從而所述端壁的垂直振蕩驅(qū)動(dòng)所述腔中的流體壓力的大致面內(nèi)振蕩(substantiallyin-planeoscillation)；并且所述流體壓力的大致面內(nèi)振蕩驅(qū)動(dòng)所述端壁的與所述接收器操作性關(guān)聯(lián)的區(qū)域的大致垂直振蕩運(yùn)動(dòng)，由此導(dǎo)致來自所述接收器的電信號。

利用本發(fā)明，通過將發(fā)射器和接收器提供在傳感器的端壁中的單個(gè)端壁上，能夠減少構(gòu)造傳感器所涉及的生產(chǎn)步驟，并且還能夠簡化與其的電連接。這導(dǎo)致傳感器能夠被更加成本有效地產(chǎn)生。

在使用中，發(fā)射器引起腔內(nèi)的流體壓力在端壁的平面內(nèi)的振蕩，流體壓力在端壁的平面內(nèi)的振蕩進(jìn)而使得接收器產(chǎn)生振蕩電信號。通過將用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的信號與由接收器產(chǎn)生的信號進(jìn)行比較，聲腔中的流體的特性能夠被確定。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的示例，其中：

圖1a為根據(jù)本發(fā)明的傳感器的側(cè)視剖視圖；

圖1b為圖1a的設(shè)備中的常規(guī)聲學(xué)模態(tài)(acousticmode)的平面圖；

圖1c示出圖1a的設(shè)備的腔中的壓力振蕩；

圖2示出圖1a的傳感器的相對于頻率而言的相位和增益特性；

圖3a至圖3c為根據(jù)本發(fā)明的另一示例傳感器的側(cè)視剖視圖；

圖4a至圖4d示出高階徑向聲學(xué)模態(tài)并示出采用這種高階徑向聲學(xué)模態(tài)的聲學(xué)傳感器的剖視圖；和

圖5示出能夠在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中采用的多個(gè)替代高階徑向聲學(xué)模態(tài)。

圖6示出用于聲學(xué)傳感器的實(shí)施例的擴(kuò)散速率和腔尺寸之間的關(guān)系。

圖7示出使用mems工藝制造的聲學(xué)傳感器的示例的方面。

圖8示出具有壓電換能器和靜電式換能器的聲學(xué)傳感器的示例的方面。

圖9示出制造過程的示例，其中許多mems氣體測量系統(tǒng)分享一個(gè)共同的晶片。

圖10示出具有測量溫度的裝置的mems氣體傳感器的示例的方面。

圖11示出呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施例。

圖12示出具有濕度補(bǔ)償?shù)暮粑O(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施例的方框圖。

具體實(shí)施方式

在下面若干例示性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，參照形成其一部分的附圖，在附圖中通過例示的方式示出特定的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明可在該特定的優(yōu)選實(shí)施例中被實(shí)施。這些實(shí)施例被描述得足夠詳細(xì)，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解可以利用其它實(shí)施例并且在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可以作出邏輯結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電學(xué)和化學(xué)上的變化。為了避免對于本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施在此描述的實(shí)施例而言為不必要的細(xì)節(jié)，描述可省略對于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的某些信息。因此，下面的詳細(xì)描述不是采用限制的意義，并且例示的實(shí)施例的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。

圖1a為穿過根據(jù)本發(fā)明的聲學(xué)傳感器的示例的直徑的剖視圖。腔10由端壁11和12以及側(cè)壁13限定。腔10在圖中示出為在端壁11、12的平面中具有圓形橫截面。雖然此示例具有的腔具有圓形橫截面，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是其它形狀能夠被使用。大致圓形橫截面形狀提供的優(yōu)點(diǎn)在于端壁的位移與腔中的流體在如wo2013/083978中討論的那樣共振時(shí)的振型之間有利的匹配。類似的形狀包括但不限于橫截面形狀為橢圓形、亞橢圓形或超橢圓形的腔分享這些優(yōu)點(diǎn)中的很多。具有方形橫截面的腔的聲學(xué)傳感器的示例具有的優(yōu)點(diǎn)在于使用包括晶片切割在內(nèi)的一些過程的生產(chǎn)的簡化；但是這些腔中存在更大數(shù)量的共振聲學(xué)模態(tài)，其可能減小傳感器的效能。

在圖1a的實(shí)施例中，發(fā)射器14和接收器15均包括附接至端壁11的壓電換能器。在此示例中，發(fā)射器14為環(huán)形形狀，其與盤形接收器15同心。發(fā)射器14和接收器15彼此機(jī)械地隔離，如虛線16表示的。將意識到，發(fā)射器14和接收器15不限于盤形或環(huán)形形狀。進(jìn)一步地，每個(gè)可包括復(fù)合換能器中的多個(gè)元件。盡管圖1具有用于發(fā)射器14和接收器15的壓電元件，但是能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)和將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的任何換能器可被使用。在本領(lǐng)域中已知許多這種換能器類型，例如磁換能器或靜電式換能器。

當(dāng)合適的電驅(qū)動(dòng)被應(yīng)用時(shí)，使得發(fā)射器14在大致垂直于腔10的平面的方向上(如由箭頭標(biāo)記的)振動(dòng)。發(fā)射器14的位置明顯地與腔中流體的徑向聲共振模態(tài)的波腹(觀察到最大振幅的區(qū)域)重疊。

當(dāng)腔的半徑a大于腔的高度h的1.2倍時(shí)，即a/h＞1.2時(shí)，腔中流體的最低頻率徑向振蕩模態(tài)具有與腔的任何縱向模態(tài)相比更小的頻率。通過限定a為最大半寬度，此限制能夠被更廣泛地應(yīng)用至具有非圓形橫截面的腔，最大半寬度在圓的情況下等于半徑。

以上公式設(shè)置了腔高度的上限，下限由共振腔中的聲損耗限定。為了避免由于腔中流體的高粘滯損失引起的低效率操作，腔的高度應(yīng)該為流體中的粘滯邊界層的厚度的至少兩倍：

其中μ為流體的粘度，ρ為流體的密度，c為流體中的聲速，k0為第一類一階貝塞爾函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的第一根，其描述最低頻率徑向模態(tài)壓力振蕩的形狀且為常數(shù)。重新整理上述表達(dá)式并代入密度和粘度的標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)腔中的流體為氣體時(shí)，h²/a應(yīng)該大于1×10^-7m，而當(dāng)腔中的流體為液體時(shí)，h²/a應(yīng)該大于4×10^-10m。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，存在由流體中的熱邊界層導(dǎo)致的類似的限制。

圖1b為相同的腔10中的此徑向聲學(xué)模態(tài)的平面圖。這里陰影區(qū)域17和無陰影區(qū)域18代表相反的壓力相位。發(fā)射器14的運(yùn)動(dòng)在腔10內(nèi)的流體中產(chǎn)生共振振蕩。當(dāng)流體以此模態(tài)振蕩時(shí)沿腔的直徑的腔的壓力在圖1c中示出。實(shí)曲線和箭頭表示在一時(shí)間點(diǎn)的壓力，而虛曲線表示半個(gè)周期之后的壓力。該壓力振蕩的徑向關(guān)系式p(r)近似于貝塞爾函數(shù)的形式：

其中p0為壓力振蕩的最大幅值，j0為第一類一階貝塞爾函數(shù)，k0為該函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的第一根，r為腔中的徑向位置，a為腔的半徑。

接收器15的位置明顯地與腔中流體的徑向聲共振模態(tài)的第二波腹重疊。在圖1中公開的實(shí)施例中，發(fā)射器14和接收器15的位置可互換。圖1c中所示的腔內(nèi)壓力振蕩驅(qū)動(dòng)接收器15的位移。接收器的位移使得產(chǎn)生電信號。通過將用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的信號與由接收器產(chǎn)生的信號相比，能夠確定聲腔中流體的特性，諸如二元?dú)怏w混合物的成分、已知流體的溫度、流體的密度或流體的粘度。

這里公開的聲學(xué)傳感器可被用于測量流體或流體混合物中的聲速。圖1中所示的壓力振蕩的共振頻率由以下表達(dá)式描述：

其中k0為第一類一階貝塞爾函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的第一根，c為腔中的聲速，a為腔的半徑。可通過觀察發(fā)射器與接收器之間的電振幅增益或電功率增益最大時(shí)的頻率確定壓力振蕩的共振頻率。實(shí)施此的一個(gè)方法常常為掃描到達(dá)發(fā)射器的電驅(qū)動(dòng)信號的頻率，記錄每個(gè)頻率時(shí)的增益。類似地，通過比較發(fā)射器的輸入信號的相位與接收器的輸出信號可以確定共振頻率。這可通過掃描驅(qū)動(dòng)信號的頻率并記錄發(fā)射器驅(qū)動(dòng)波形與接收器信號波形之間的相位差具有特定恒定值時(shí)的頻率。

圖2示出在此描述的傳感器的示例的發(fā)射器驅(qū)動(dòng)波形與接收器信號波形之間的相位差和電增益。通過準(zhǔn)確測量流體的聲速而實(shí)現(xiàn)的一個(gè)應(yīng)用為確定二元?dú)怏w混合物的成分。將二元?dú)怏w的成分與流體的聲速聯(lián)系起來的方程式是眾所周知的且在專利ep0813160中被概括。

圖3示出本發(fā)明的兩個(gè)示例，具有不同的機(jī)械隔離發(fā)射器和接收器的裝置。期望的是運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)從發(fā)射器傳送通過腔中的流體并傳送到接收器中-這代表傳感器的“信號”。不期望的是運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)通過任何其他裝置從發(fā)射器傳送至接收器—此運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生電響應(yīng)，其與傳感器的期望信號干涉。信噪比對于傳感器是關(guān)鍵的品質(zhì)因數(shù)。通過機(jī)械隔離發(fā)射器和接收器，噪聲能夠被減少。

圖3a為通過聲學(xué)傳感器的一示例的直徑的剖視圖，該聲學(xué)傳感器具有在當(dāng)?shù)刈柚苟吮?1運(yùn)動(dòng)、隔離發(fā)射器14和接收器15的剛性支撐結(jié)構(gòu)30。圖3b是通過聲學(xué)傳感器的一示例的直徑的剖視圖，該聲學(xué)傳感器具有端壁11的柔性段31，該柔性段31減少通過端壁11的運(yùn)動(dòng)傳輸、隔離發(fā)射器14和接收器15。圖3c為通過聲學(xué)傳感器的一實(shí)施例的直徑的剖視圖，該聲學(xué)傳感器具有橋接端壁11中的間隔、隔離發(fā)射器14和接收器15的柔性膜32。

填充有流體的、盤形腔可支持多個(gè)徑向聲學(xué)模態(tài)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)利用這些所謂的“高階”模態(tài)的聲學(xué)傳感器。圖4示出一示例。圖4a為聲學(xué)傳感器的盤形腔中的高階徑向聲學(xué)模態(tài)的平面圖。這里，陰影區(qū)域40和無陰影區(qū)域41代表相反的壓力相位。圖4b為圖4a的聲學(xué)傳感器沿線4-4截取的剖視圖。發(fā)射器42和接收器43的位置對應(yīng)于腔44的聲學(xué)模態(tài)的波腹。再一次地，發(fā)射器42和接收器43的位置可互換，并且它們彼此機(jī)械隔離45。圖4c為圖4a的聲學(xué)傳感器沿線4-4截取的剖視圖，其具有替代的發(fā)射器和接收器位置。這里，發(fā)射器42和接收器43被定位為對應(yīng)于圖4a中所示的聲學(xué)模態(tài)的外波腹。圖4c為圖4a的聲學(xué)傳感器沿線4-4截取的剖視圖，具有一個(gè)發(fā)射器42和三個(gè)接收器43，其被統(tǒng)稱為換能器。換能器的位置都對應(yīng)于圖4a中所示的聲學(xué)模態(tài)的波腹。假設(shè)換能器中的一個(gè)或多個(gè)作為發(fā)射器操作并且換能器中的一個(gè)或多個(gè)作為接收器操作，則它們的功能和位置可互換。

圖5示出多個(gè)另外的替代高階徑向聲學(xué)模態(tài)，其能夠被根據(jù)本發(fā)明的傳感器使用，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到換能器能夠被定位為利用這樣的這些模態(tài)。

如從以上描述中將意識到的，本發(fā)明提供一系列示例聲學(xué)傳感器，其能夠提供高度精準(zhǔn)的讀取和高水平的功能性和可靠性，而其易于以相對低的成本設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

在毫米或亞毫米長度尺度上形成以上描述的特征具有另外的益處，包括低功耗以及與較寬范圍的便攜式應(yīng)用兼容的體積和重量。在此長度尺度上操作的意想不到的益處在于傳感器的響應(yīng)時(shí)間能夠被顯著地提高。

這里描述的類型的氣體測量系統(tǒng)對于其周圍氣體的成分的改變的響應(yīng)時(shí)間受腔中氣體和周圍氣體之間的擴(kuò)散速率影響。多種參數(shù)影響擴(kuò)散速率，包括腔的尺寸；通向腔中的開口的數(shù)量和沉積；相對于腔的尺寸而言的開口的尺寸。

能夠支持高質(zhì)量因子聲學(xué)共振的腔對于以上描述的實(shí)施例是期望的，其中共振的頻率被用于確定腔中氣體的聲速。高質(zhì)量因子允許聲速的更精準(zhǔn)的確定。增加相對于腔的尺寸而言的腔中開口的尺寸或者腔中開口的數(shù)量會降低此質(zhì)量因子，因此其不可取。但是，對于相對于腔尺寸而言的給定的開口尺寸和開口的數(shù)量，減小腔的尺寸會提高此擴(kuò)散速率。

圖6示出描繪腔半徑和擴(kuò)散速率之間的關(guān)系的圖表。所示數(shù)據(jù)為來自市售有限元分析軟件的計(jì)算模型的結(jié)果。模型以在幾何形狀上類似于圖1中示出的幾何形狀的盤形腔開始，多個(gè)開口初始被填充空氣，由初始以二氧化碳填充的更加大的體積環(huán)繞。圖6的水平軸顯示時(shí)間，垂直軸顯示腔中二氧化碳的平均濃度。曲線的斜率顯示隨著時(shí)間流逝擴(kuò)散發(fā)生，并且腔中二氧化碳的濃度增加。

圖6中每個(gè)曲線代表不同的腔半徑。所有其他幾何參數(shù)相對于腔半徑成比例。濃度對于具有更小直徑的腔變化得更加快速。氣體測量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間通常由t90值描述，系統(tǒng)記錄到應(yīng)用的氣體濃度變化的90％所花費(fèi)的時(shí)間。對于許多潛在的應(yīng)用，要求t90小于1。參照圖4，氣體測量系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例將具有小于5mm的腔半徑。進(jìn)一步潛在的應(yīng)用、諸如呼吸監(jiān)測要求t90小于或等于100ms。具有小于2mm的腔直徑的實(shí)施例對于這種應(yīng)用是有利的。

圖7示出使用mems工藝制造的根據(jù)本發(fā)明的示例聲學(xué)傳感器的方面。為了使得能夠在毫米或亞毫米長度尺度上進(jìn)行實(shí)際制造，mems氣體測量系統(tǒng)的側(cè)壁、端壁、發(fā)射器和接收器包括不同材料的薄層的堆疊。此結(jié)構(gòu)與微機(jī)電系統(tǒng)(mems)制造方法兼容，其使得能夠進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

mems工藝包括微米尺度的3d結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。盡管具有與已建立的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝有重疊，mems通過生產(chǎn)具有機(jī)械變形能力的結(jié)構(gòu)而被區(qū)分。mems加工技術(shù)的范圍存在，其全部典型地應(yīng)用至平面的、盤形晶片的材料。工藝包括深反應(yīng)離子刻蝕(drie)、硅刻蝕、激光加工以及光刻、電鑄和注塑(liga)。mems技術(shù)被用于制造寬范圍的傳感器，包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)和麥克風(fēng)。

mems工藝良好地適于與這里描述的共振聲學(xué)傳感器中使用的幾何形狀類似的3d結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。例如，liga和drie均能夠在高達(dá)1mm厚的晶片上制造近似垂直的壁。這些壁的表面加工能夠通過操作過程參數(shù)而被調(diào)整，以提供其機(jī)械特性的精確控制。這些刻蝕結(jié)構(gòu)的總體輪廓通過在前的光刻工藝控制，由此提供制造包括圓筒形室和如在慣性傳感器中使用的更復(fù)雜的梳狀結(jié)構(gòu)在內(nèi)的一系列形狀的靈活性。

3d結(jié)構(gòu)典型地通過組裝和選擇性地結(jié)合晶片尺度的多層材料而被制造。這些可在其組裝之前或之后被刻蝕，由此對于所組裝的結(jié)構(gòu)的最終形狀提供進(jìn)一步的靈活性。晶片層的厚度可通過大量磨削過程被精確地控制。結(jié)合抵抗刻蝕的納米尺度的氧化物層，刻蝕結(jié)構(gòu)的厚度可被精確控制以匹配大塊晶片的厚度。這些氧化物層另外可被沉積在三維結(jié)構(gòu)上，以在隨后的刻蝕過程期間防止材料去除。

mems工藝的精確性使得能夠以優(yōu)于一微米的幾何公差制造亞毫米結(jié)構(gòu)。這些特征能夠被用于制造諸如那些在這里提出的腔結(jié)構(gòu)，該腔結(jié)構(gòu)在尺寸上用大尺度模制或機(jī)加工工藝不可行。直徑小于5mm的結(jié)構(gòu)因此良好地處于mems工藝的能力范圍內(nèi)。

多種材料與mems生產(chǎn)工藝兼容。硅、聚合物、金屬和陶瓷可使用以上描述的方法被加工，以及應(yīng)用涂層以影響其電特性或加工特性。此材料靈活性提供根據(jù)其期望的電性能和機(jī)械性能(例如，其對聲共振的響應(yīng))來選擇和組合材料的自由。

圖7a示出在本發(fā)明的制造中使用的材料的平面層的堆疊。第一材料的第一層73的上表面選擇性地被第二材料的圖案化層74掩蔽。第一層被堆疊在兩個(gè)其它層之上，該兩個(gè)其它層中的上層75具有不同于第一層的材料，該兩個(gè)其它層中的下層76具有相同的材料。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一材料為硅，第二材料為聚合物，且第三材料為氧化物。

圖7b示出刻蝕過程的結(jié)果，其從第一層的未掩蔽區(qū)域移除材料，留下將形成側(cè)壁的部分77的材料。下方的層75大致不受刻蝕過程影響。在優(yōu)選實(shí)施例中，化學(xué)品被用于刻蝕過程中，其與第一層高度反應(yīng)，但不與下方的層反應(yīng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，刻蝕劑包括氯漿。

若干結(jié)合過程被用于mems生產(chǎn)中。這些結(jié)合過程包括共晶結(jié)合，陽極結(jié)合和玻璃料結(jié)合。例如在結(jié)合兩個(gè)對稱室以產(chǎn)生中空、閉合的腔中，這些結(jié)合過程能夠用于若干目的。結(jié)合技術(shù)的選擇將受其機(jī)械特性影響，并且在必須密封閉合腔的場合，受其對包含在腔內(nèi)的氣體的擴(kuò)散阻抗影響。圖7c示出包括圖7b中示出的兩個(gè)結(jié)構(gòu)的示例，一個(gè)相對于另一個(gè)翻轉(zhuǎn)，以共晶結(jié)合78結(jié)合以形成腔79。

用于機(jī)械致動(dòng)和換能的若干技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)用于mems設(shè)備。這些技術(shù)中的許多適合于聲學(xué)共振的激發(fā)和檢測?？杀豢紤]用于此應(yīng)用的技術(shù)包括壓電致動(dòng)器、靜電式致動(dòng)器和電容式致動(dòng)器。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明的具有兩種不同的換能裝置的另外的聲學(xué)傳感器。圖8a描述具有圖7c中描述的相同的層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)傳感器的實(shí)施例，增加有結(jié)合至端壁的外邊緣的壓電材料層80。此構(gòu)造能夠提供所謂的“彎曲模式換能器”，其中橫穿壓電材料層的厚度產(chǎn)生的電場引起端壁的平面內(nèi)的材料的尺寸的變化。由于與端壁的結(jié)合，此尺寸變化導(dǎo)致端壁75垂直于端壁的平面的位移。

圖8b示出包括圖7c中描述的相同層結(jié)構(gòu)的另一聲學(xué)傳感器，增加有：用作第一電極的導(dǎo)電層81；由另一平面刻蝕層形成的絕緣或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)82，其在第一電極上方形成氣體填充或疏散腔83；和形成第二電極的第二導(dǎo)電層84。電位差被施加在第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極之間，導(dǎo)致端壁75在垂直于端壁的平面的方向上位移。

將特定用途集成電路(asic)作為較大的mems結(jié)構(gòu)合并至相同硅晶片基底上對于mems設(shè)備是常見的。這提供若干優(yōu)點(diǎn)，包括減小的整體尺寸和更低成本的可能性。

根據(jù)本發(fā)明的傳感器的功耗受換能器的重量影響，換能器的重量又與設(shè)備的幾何尺寸有關(guān)。由相同材料制造的較小的換能器具有較小的重量，因此需要較少的動(dòng)能以給定速度移動(dòng)。減小的功耗對于便攜式應(yīng)用是特別期望的，在便攜式應(yīng)用中，電源為電池或能量收集裝置。

mems設(shè)備能夠被成本有效地生產(chǎn)的一個(gè)主要原因在于許多設(shè)備可由單個(gè)材料晶片生產(chǎn)。以上描述的過程因此被并行地(批量地)應(yīng)用至許多設(shè)備，由此顯著地減少生產(chǎn)時(shí)間和成本。

圖9示出生產(chǎn)步驟的實(shí)施例，其中單個(gè)材料晶片90被用于多個(gè)傳感器91的制造中。

理想氣體的聲速c取決于其溫度t，如等式所示：

當(dāng)計(jì)算氣體成分時(shí)，因此必要的是準(zhǔn)確地監(jiān)測所測量的氣體的溫度。在聲學(xué)傳感器中，可能有利的是將溫度傳感器集成至使用mems或半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的相同部件中；這可在也形成共振聲腔的材料晶片上。

圖10a示出根據(jù)本發(fā)明的mems氣體測量系統(tǒng)的方面，其中溫度傳感器100被設(shè)置在形成聲學(xué)傳感器的腔的側(cè)壁的晶片101上，該聲學(xué)傳感器具有圖7c中描述的相同的層結(jié)構(gòu)。此實(shí)施例具有通向腔103的多個(gè)開口102，以允許腔103和周圍環(huán)境之間的氣體擴(kuò)散。

與以上的情況相反，在氣體的成分已知并且固定的場合，其聲速的測量能夠被用于確定氣體溫度。這可通過包含已知成分的參考?xì)怏w的共振聲腔的構(gòu)造而實(shí)現(xiàn)。這能夠被用作獨(dú)立溫度測量系統(tǒng)，或者被用作用于氣體測量系統(tǒng)的補(bǔ)償裝置。

參考和測量腔的一體化可被實(shí)現(xiàn)為使得，它們能夠密切熱接觸，并且已知參考?xì)怏w的溫度等于測量氣體的溫度。例如，這能夠通過腔分享共同的端壁而實(shí)現(xiàn)。小尺度的mems設(shè)備提供的優(yōu)點(diǎn)在于，其實(shí)現(xiàn)低熱質(zhì)量的傳感器，該低熱質(zhì)量的傳感器可快速達(dá)到與其周圍環(huán)境的熱平衡。

圖10b示出使用與圖7中的那些材料層類似的材料層形成的mems氣體測量系統(tǒng)的實(shí)施例的方面，其中具有多個(gè)開口102的第一聲腔103與包含已知?dú)怏w的密封參考腔105分享共同的端壁104。

圖11示出呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的示例，聲學(xué)傳感器安裝在呼吸氣體流中。圖11a示出在吊桿110上接近人患者的嘴部的傳感器。圖11b示出安裝在護(hù)口器類結(jié)構(gòu)上的傳感器110。箭頭表示進(jìn)出佩戴者的呼吸系統(tǒng)的氣流。圖11c示出安裝在面罩上的傳感器110。

呼吸氣體的監(jiān)測用于提供關(guān)于肺灌注、肺泡通氣量、呼吸模式和速率、以及co2產(chǎn)生和排出的信息。呼吸監(jiān)測還提供代謝和循環(huán)性能的間接信息。通過監(jiān)測呼出氣體提供的信息可被用于提高呼吸由通氣設(shè)備支持的嚴(yán)重患病患者(人和動(dòng)物)和處于麻醉的患者的療效。另一重要的急救護(hù)理應(yīng)用為評估正確的氣管插管放置。進(jìn)一步的應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)監(jiān)測；諸如哮喘和copd的慢性呼吸情況的監(jiān)測；肺活量的測量；使用鎮(zhèn)痛劑的患者的監(jiān)測。

這里描述的聲學(xué)傳感器的許多應(yīng)用中的一個(gè)是作為呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。許多呼吸監(jiān)測設(shè)備在整個(gè)呼吸周期測量氣體特性的變化(而不是測量單個(gè)樣本)。為此，時(shí)間分辨率是重要的，少于100ms的傳感器響應(yīng)時(shí)間是期望的。圖6示出腔半徑應(yīng)當(dāng)小于2mm以實(shí)現(xiàn)100ms的t90。

呼出氣中的水蒸氣改變氣體特性。在呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例中，出于水蒸氣的影響對mems氣體測量系統(tǒng)的輸出進(jìn)行補(bǔ)償。典型的低成本水蒸氣傳感器具有遠(yuǎn)慢于100ms的響應(yīng)時(shí)間。圖12示出描述呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的更優(yōu)選實(shí)施例的方塊圖，該呼吸監(jiān)測系統(tǒng)使用算法以估算在呼吸周期中排出氣體的水蒸氣含量。