[发明专利]压力、声压变化、磁场、加速、振动或气体组成的测量器

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序所述的用于测量压力、声压变化、磁场、加速度、振动或气体组成的设备。

本发明还涉及用于测量压力、声压变化、磁场、加速度、振动或气体组成的方法。

背景技术

在微机械压力传感器、麦克风等中，以所谓的电容方式测量两个膜片之间的距离。这可通过测量移动引起的电压、或者通过测量高频情况下的电容来进行。由于膜片彼此非常靠近，这导致若干问题：膜片粘附到彼此，由于基底和构件的热膨胀造成移动等。除了机械问题之外，目前的构造还面临以下事实：在两个膜片之间的阻抗较高，且所有漏电都会造成问题。

在移动电话中，目前对微机械麦克风做出变换。MEMS压力传感器已变得普遍用于(例如)手表中。就MEMS构造而言，它们非常相似。它们的不同仅在于封装技术、材料选择、电子方案等，但仍基于相同的基本原理：对彼此靠近定位(1μm-3μm)的两个膜片之间的距离进行的测量。其被称作第一代MEMS麦克风和压力传感器。目前的新发明消除了第一代传感器的若干弱点且有可能使稳定的MEMS传感器用于测量若干变量，其可容易地附连到电路卡上。目前的气体传感器为化学的或光学的。化学传感器具有较差的稳定性，且光学传感器对于大规模应用而言较为昂贵。

从NO专利323259已知一种方案，其中使用MEMS技术制成的超声收发器位于调谐腔中。借助于该收发器，测量了气体中的音速，且基于音速来确定出气态物质的性质。该装置具有复杂构造的缺点，其要求与电路一起形成两个有源元件。复杂性增加了制造成本。

从公告“Modelling of an electroacoustic gas sensor”F.Granstedt，M.Folke，M.，B.和Y.，Sensors and ActuatorsB 104(2005)308-311，已知其中使用压电-超声发射器的气体传感器应用。

从公告“Gas sensor with electroacoustically coupled resonator” F.Granstedt，M.Folke，B.和Y.，Sensors and ActuatorsB 78(2001)161-165，已知其中使用压电-超声发射器的气体传感器应用。

由于压电-超声发射器是基于固定振荡器的辐射，其与气体的连接较弱，换言之，在气体或振荡腔室中发生的变化在超声发射器的输入阻抗中微弱地表现，或者相对应地作为其所消耗或抽取(draw)功率中的变化的函数。在所参考的文章中，仅测量腔室中气体的速度，并未提及基于单个有源构件对无源传感器膜片的位置的测量。

发明内容

本发明旨在消除现有技术的缺点且允许也使用相同的构造来基于声音的速度和阻尼而对气体进行测量，此外，传感器可用于测量磁场和加速度二者。

本发明的特征在于在权利要求的表征部分中所陈述的内容。

传感器基于超声发射器，其优选地包括呈膜片形式的轻振荡源和布置于其顶部的超声腔，超声腔的尺寸被布置成在超声发射器的操作频率处发生谐振。通常，腔的主要尺寸之一为超声波长尺寸的四分之一、一半或这些的多倍。

通过发射器的输入阻抗或输入功率来测量超声阻抗，将观察到阻抗在很大程度上取决于其上方的腔相对于前述长度的偏离。如果在超声的串联谐振中进行操作，发射器阻抗的较小变化将与腔的高度成正比，且谐振的宽度将与腔中的空气阻尼成比例。传感器的几何形状被布置成使得所测量的变量影响腔的长度。

更具体而言，根据本发明的传感器的特征在于在权利要求1的特征部分中所陈述的内容。

根据本发明的方法的特征在于权利要求12的特征部分所陈述的内容。

借助于本发明获得显著优点。与电容构造相比，电子器件可被有效地屏蔽，因为无需通往膜片或充当传感器元件的表面的电接触。因此，可使传感器与测量物体直接接触。在本发明的某些优选实施例中，甚至也有可能与所测量的表面进行机械接触。

与上文作为现有技术所描述的压电-晶体超声源相比，实现灵敏度的显著改进，因为根据本发明的轻膜片超声发射器大约好10倍地连接到被测量的介质，这在测量灵敏度方面更直接明显。与此同时，通过制造技术实现显著的成本优点，因为传感器结构可(例如)集成于同一SOI结构中。

与所描述的MEMS构造相比较，在装置简化方面实现显著的优点。仅需要一个有源元件，借助于该有源元件可形成大多数多样的测量元件。

附图说明

在下文中，借助于实例且参考附图研究了本发明。

图1a和图1b和图1c示出传感器的替代基本构造的截面侧视图；