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
技術領域：
本發明涉及根據權利要求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備。本發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：
在微機械壓力傳感器、麥克風等中，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 常靠近，這導致若干問題膜片粘附到彼此，由于基底和構件的熱膨脹造成移動等。除了機 械問題之外，目前的構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構造而言，它們非常相似。它們的不同僅在于封裝技術、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麥克風和壓力傳感器。目前的新發明消除了第 一代傳感器的若干弱點且有可能使穩定的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的或光學的。化學傳感器具有較差的穩定性，且 光學傳感器對于大規模應用而言較為昂貴。從NO專利323259已知一種方案，其中使用MEMS技術制成的超聲收發器位于調諧 腔中。借助于該收發器，測量了氣體中的音速，且基于音速來確定出氣態物質的性質。該裝 置具有復雜構造的缺點，其要求與電路一起形成兩個有源元件。復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-超聲發射器的氣體傳感器應用。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-超聲發射器的氣體傳感器應用。由于壓電-超聲發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生的變化在超聲發射器的輸入阻抗中微弱地表現，或者相對應地作 為其所消耗或抽取(draw)功率中的變化的函數。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件對無源傳感器膜片的位置的測量。
發明內容
本發明旨在消除現有技術的缺點且允許也使用相同的構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。本發明的特征在于在權利要求的表征部分中所陳述的內容。
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傳感器基于超聲發射器，其優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射器的操作頻率處發生諧振。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。如果在超聲的串聯諧振中進行操作，發射器阻 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，根據本發明的傳感器的特征在于在權利要求1的特征部分中所陳述 的內容。根據本發明的方法的特征在于權利要求12的特征部分所陳述的內容。借助于本發明獲得顯著優點。與電容構造相比，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 本發明的某些優選實施例中，甚至也有可能與所測量的表面進行機械接觸。與上文作為現有技術所描述的壓電-晶體超聲源相比，實現靈敏度的顯著改進， 因為根據本發明的輕膜片超聲發射器大約好10倍地連接到被測量的介質，這在測量靈敏 度方面更直接明顯。與此同時，通過制造技術實現顯著的成本優點，因為傳感器結構可(例 如)集成于同一 SOI結構中。與所描述的MEMS構造相比較，在裝置簡化方面實現顯著的優點。僅需要一個有源 元件，借助于該有源元件可形成大多數多樣的測量元件。
在下文中，借助于實例且參考附圖研究了本發明。圖Ia和圖Ib和圖Ic示出傳感器的替代基本構造的截面側視圖；圖2a和圖2b示意性地示出根據本發明的傳感器的電等效電路；圖3示出根據本發明的加速度傳感器的構造的截面側視圖；圖4示出根據本發明的傳感器的制造過程的細節的截面側視圖；圖5示出根據本發明的傳感器的替代構造的截面側視圖；圖6示意性地示出根據本發明的傳感器的電子器件。
具體實施例方式圖Ia和圖Ib示出根據本發明的超聲傳感器1的示意構造。在圖Ia中示出其中 超聲發射器2由單個腔形成的構造，且在圖Ib中示出使用若干平行振蕩發射器2形成聲音 的情形。發射器2的膜片9在其上方的腔4中形成諧振超聲。超聲發射器2生成電串聯和 并聯諧振。串聯諧振的阻抗通常為1至IOkQ且并聯諧振的阻抗為10至100倍更大，總是 根據諧振器的品質因數。可推定柔性上部膜片3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，這表示串聯諧振的阻抗減小。如果膜片向外輻射功率， 那么腔的品質因數減小且分辨率降低。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優選地較厚且較剛硬以有效地往回向腔內反射超聲波。圖2a給出超聲發射器2的電等效電路。線圈23描繪了膜片9的質量、且電容24描繪了其彈簧常數、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，腔形成串聯諧振時的電等效電路。應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。應當指出的是系統形成單個新的串聯 諧振。可將諧振認為是簡并的(degenerating)以形成單個諧振。由腔4形成的有效電容 26現小于超聲發射器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，可假定超聲發射器2的內部損失小于由腔4造成的損失。如果使用微機械發射 器2則可實現這種情況。使用壓電有源發射器則不能造成所討論的該情形。優化需要將 本發明的超聲發射器2的振蕩膜片9的質量最小化且對彈簧常數(張力或剛度)加以優化 從而實現所希望的諧振頻率。此外，膜片9的表面積應合理設計尺寸以優化與氣體的連接。 優化取決于膜片是在活塞模式還是在柔性模式振蕩。此外，發射器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.應用作為出發點，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用 中，其中對表面位置的精確測量是至關重要的。換言之，UtraSensor可用于制成麥克風、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超聲發射器與空氣之間形成阻抗轉換器。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 構連接到金屬表面以檢測聲波來測量聲發射。在此應用中，UtraSensor可直接用于替換壓 電傳感器。UtraSensor可具有以下優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，則可調整氣體密度使得微機械發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。通過添加根據本發明的氣體轉 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，而是由于機械應力、溫度補償等會引起重大誤 差。當然，重要的是指出傳感器并不提供關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 器系統的部件，其中具體地測量少數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，腔應充滿已知氣體。優選地，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，應選擇氣體使得其將不易于與硅或氧化硅起 反應，且將不易于從腔擴散出來。現有MEMS壓力傳感器的問題在于彈簧常數必須設定合 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。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 現這種問題。換言之，通過設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 數在某種程度上取決于壓力，根據以下方程式
權利要求
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)包括超聲發射器(2)，以及腔(4)，其被布置成與所述超聲發射器(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′)，其距所述超聲發射器(2)的距離被選擇成滿足諧振條件，所述超聲發射器(2)包括輕構造膜片振蕩器(9)，其因此良好地連接到周圍介質，以及所述傳感器包含用于測量所述超聲發射器(2)與所述腔(4)之間相互作用的器件。
2.根據權利要求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.根據權利要求1或2所述的傳感器(1)，其特征在于，使用MEMS技術形成所述構造， 使得在所述超聲發射器(2)內存在高欠壓。
4.根據權利要求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 上的表面微機械結構。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的傳感器(1)，其特征在于，在基本狀態，所述超聲發 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.根據前述權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.根據權利要求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.根據前述權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 透氣體的結構連接到環境，以便允許測量氣體含量。
9.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器(1)，其特征在于，額外質量(32)位于所 述腔(4)中，用于測量加速度。
10.根據前述權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.根據前述權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')距所述超聲發射器(2)的距離，以使得滿足諧振條件，使用其中存在著輕構造膜片振蕩器(9)的一種構造作為超聲發射器(2)，其因而良好 地連接到周圍介質，以及使用所述超聲發射器(2)與所述腔(4)之間的相互作用來確定所希望的變量。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，通過測量由所述超聲發射器(2)消耗的 功率來實施所述超聲發射器(2)與所述腔(4)之間的相互作用。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其特征在于，使用MEMS技術形成所述構造，使 得在所述超聲發射器(2)內存在高欠壓。
15.根據權利要求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 構造。
16.根據前述方法項中任一項所述的方法，其特征在于，在基本狀態，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，來作為所述超聲發射器(2)與所述傳感器 元件(3，3')之間的距離。
17.根據前述權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.根據權利要求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.根據前述權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 測量氣體的結構而連接到環境，以便允許測量氣體含量。
20.根據前述權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量 (32)位于所述腔(4)中。
21.根據前述權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.根據前述權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.使用根據權利要求1所述的傳感器用于測量氣體含量。
24.使用根據權利要求1所述的傳感器用于測量磁場。
25.使用根據權利要求1所述的傳感器用于測量壓力。
26.使用根據權利要求1所述的傳感器用于測量距離。
27.使用根據權利要求1所述的傳感器用作麥克風。
28.使用根據權利要求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.根據權利要求29所述的裝置，其特征在于，在所述測量中使用集成式的MEMS構造。
31.根據權利要求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，且在其頂部上設置為超聲的波長、波長的四分之一、或者這些的多倍。
32.根據權利要求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.根據權利要求29、30、31或32中任一項所述的裝置，其特征在于，在超聲的串聯諧 振中，所述發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)包括超聲發射器(2)和布置成與之連接的腔(4)。根據本發明，傳感器(1)包括位于腔(4)的與超聲發射器(2)相對的端部處的無源傳感器元件(3，3′)，其距超聲發射器(2)的距離選擇成使得在所用超聲頻率滿足諧振條件，超聲發射器(2)包括輕構造膜片振蕩器(9)，其因此良好地連接到周圍介質，且該傳感器包括用于測量該超聲發射器(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 優先權日2007年12月5日
發明者H·塞帕, T·西蘭帕 申請人:芬蘭技術研究中心