CN101970339A - 压力、声压变化、磁场、加速、振动或气体组成的测量器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量压力、声压变化、磁场、加速度、振动或气体组成的传感器(1)和方法。该传感器(1)包括超声发射器(2)和布置成与之连接的腔(4)。根据本发明，传感器(1)包括位于腔(4)的与超声发射器(2)相对的端部处的无源传感器元件(3，3′)，其距超声发射器(2)的距离选择成使得在所用超声频率满足谐振条件，超声发射器(2)包括轻构造膜片振荡器(9)，其因此良好地连接到周围介质，且该传感器包括用于测量该超声发射器(2)与该腔(4)之间相互作用的器件。

Description

压力、声压变化、磁场、加速、振动或气体组成的测量器

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；

图2a和图2b示意性地示出根据本发明的传感器的电等效电路；

图3示出根据本发明的加速度传感器的构造的截面侧视图；

图4示出根据本发明的传感器的制造过程的细节的截面侧视图；

图5示出根据本发明的传感器的替代构造的截面侧视图；

图6示意性地示出根据本发明的传感器的电子器件。

具体实施方式

图1a和图1b示出根据本发明的超声传感器1的示意构造。在图1a中示出其中超声发射器2由单个腔形成的构造，且在图1b中示出使用若干平行振荡发射器2形成声音的情形。发射器2的膜片9在其上方的腔4中形成谐振超声。超声发射器2生成电串联和并联谐振。串联谐振的阻抗通常为1至10kΩ且并联谐振的阻抗为10至100倍更大，总是根据谐振器的品质因数。可推定：柔性上部膜片3将会使大部分声音往回反射、且仅小部分将在膜片3后方辐射出来。实际上，这表示串联谐振的阻抗减小。如果膜片向外辐射功率，那么腔的品质因数减小且分辨率降低。图1c示出在腔上方添加额外腔6的方式，其大小为波长的一半，且其覆盖物7优选地较厚且较刚硬以有效地往回向腔内反射超声波。

图2a给出超声发射器2的电等效电路。线圈23描绘了膜片9的质量、且电容24描绘了其弹簧常数、且电容20描绘了电容。电阻22表示膜片损失、且电阻21表示辐射损失。分量的值也取决于超声传感器上的电压。如果声腔的长度(例如)为λ/2，那么其将会放大超声的谐振。声波同相地到达超声膜片，这增加膜片移动。图2b示出带有腔4，当腔长度为λ/2，即，腔形成串联谐振时的电等效电路。应当指出的是腔的长度也可为波的四分之一或其多倍。腔4的阻抗替换图2a中的辐射电阻21。因此，腔的阻抗由谐振器4的有效线圈25、有效电容器26、和谐振器的损失27而形成。应当指出的是系统形成单个新的串联谐振。可将谐振认为是简并的(degenerating)以形成单个谐振。由腔4形成的有效电容26现小于超声发射器2的有效电容24、且如果腔4的电感25大于超声传感器的电感23，则传感器1(＝发射器2+腔4)的阻抗将几乎完全由腔4决定。实际上，情形并非如此理想化。此外，可假定超声发射器2的内部损失小于由腔4造成的损失。如果使用微机械发射器2则可实现这种情况。使用压电有源发射器则不能造成所讨论的该情形。优化需要：将本发明的超声发射器2的振荡膜片9的质量最小化且对弹簧常数(张力或刚度)加以优化从而实现所希望的谐振频率。此外，膜片9的表面积应合理设计尺寸以优化与气体的连接。优化取决于膜片是在活塞模式还是在柔性模式振荡。此外，发射器2的形状是重要的。膜片9也可由许多小的分立的超声膜片9而形成。这种情形在图1b中示出。一般而言，当膜片9的宽度大约为所用超声频率的波长时实现辐射最佳化，即，腔的自然尺寸通常为：宽度λ和高度λ/2。如果发射器由若干单独元件制成，宽度也可更大。上部膜片9的位置改变阻抗的相位，或者，换言之，其虚部。腔4的损失改变阻抗的实部。换言之，通过使用相敏检测器来测量虚部的值，则可确定膜片9的偏差。即，作为出发点，传感器1是测量位置或位置变化的传感器，但其也可用于测量若干不同变量。在下文中将把这种传感器一般地称作UtraSensor。

2.应用

作为出发点，传感器1测量膜片位置、或其位置变化。这意味着其可用于所有应用中，其中对表面位置的精确测量是至关重要的。换言之，UtraSensor可用于制成麦克风、压力传感器、加速度传感器或磁强计(magnetometer)。此外，该装置可用于测量音速和气体阻尼，即，其可用作气体传感器。如果腔的长度为波长的四分之一，且如果其被填充比空气更重的气体，那么其将在MEMS超声发射器与空气之间形成阻抗转换器。在下文中，评论各种传感器的特殊特点。

2.1位置传感器

这样的UtraSensor是测量位置、速度或加速度的传感器。通常通过将压电有源结构连接到金属表面以检测声波来测量声发射。在此应用中，UtraSensor可直接用于替换压电传感器。UtraSensor可具有以下优点：较小大小和较低价格以及在相同硅基片上集成若干接收器的可能性。当然，位置传感器可用作正常超声传感器和发射器，例如，在超声成像装置中。

2.2阻抗匹配的宽频带超声发射器和接收器

如果使腔的高度等于波的四分之一，且利用合适的气体混合物(例如，氩气和二氧化碳、氮气，......)来填充腔，则可调整气体密度使得微机械发射器的具体阻抗完全匹配空气。如果腔中气体密度大于空气密度的大约十倍，实际上会发生这种情形。实际上，可使用的气体为氩气和CO₂，其密度显著大于空气密度。也可使用苯。这种方案将会使得(例如)比现有雷达(例如，用于汽车的停车雷达)更佳的基于超声的雷达、气体速度计等成为可能。此外，由于可在距被测量的物体较远处安置电子器件，允许在困难条件(例如，300度的温度)下进行测量。目前，从MEMS源至空气的辐射效率合理地较好(1％至3％)，例如与压电有源晶体相比较。压电有源塑料几乎与MEMS一样好。通过添加根据本发明的气体转换器，效率可提高至大大超过10％且因此可显著地改进信噪比。举例而言，可借助于超声而使得对气体的流动测量显著更准确，因为可制造具有更宽广的频带和更大的相位稳定性的传感器。

2.3气体传感器

可使用传感器来测量声音在气体中的速度和阻尼。可基于这些来确定气体。当然，声音的速度和阻尼也取决于温度和湿度，使得准确测量需要对所述变量的测量。在气体传感器的情况下，传感器的分辨率并非瓶颈，而是由于机械应力、温度补偿等会引起重大误差。当然，重要的是指出传感器并不提供关于气体组成的明确信息。但是，如果也可在较高频率下使用传感器，则可使用声音的速度和阻尼的变化来获得关于气体组成的额外信息。众所周知，通过测量声音在很广频率范围上的速度和阻尼，例如可单独地确定空气湿度。

取决于所用功率，传感器腔中的气体将加热(1至3℃)。如果气体很湿，腔损失将增加且加热功率将增加以蒸发掉水分。另一方面，超声减小液滴的表面张力，其然后气化且并不留在表面上。换言之，该方法使得有可能影响腔中气体的湿度。

由于传感器并非特别选择性的，其最适合于检测个别气体。其可(例如)为汽车二氧化碳传感器，在未来可能为氢气传感器(如果氢气的使用在汽车中变得普遍)，或者作为建筑物或工业中的气体检测器。传感器特别适合用作阀中的泄露传感器。这是因为阀控制已知气体，且在关闭的空间中，传感器可紧邻着阀附近定位，其中在泄漏之前，气体含量几乎是不变的。在此应用中，同时进行的温度测量将足以补偿误差。当然，传感器可充当传感器系统的部件，其中具体地测量少数气体且可使用所描述的方法来测量缺失的气体。在气体传感器中，可使上部膜片很刚硬且很重，且因此可使超声从膜片的底表面良好地反射。举例而言，SOI基的腔非常适合于这个目的。关于气体传感器，使用名称UtraGas或UtraGas传感器。

2.4压力传感器

如果使用传感器来测量压力，腔应充满已知气体。优选地，充满具有低声音阻尼且造成较小有效电容和较大电感的气体。当然，应选择气体使得其将不易于与硅或氧化硅起反应，且将不易于从腔扩散出来。现有MEMS压力传感器的问题在于：弹簧常数必须设定合适尺寸，以使得腔高度对于最大压力足够刚硬、从而不造成膜片的过度偏转。必须保持腔高度较低，从而可使用低电压进行电容测量，而分辨率仍保持充分。在UtraSensor中，不会出现这种问题。换言之，通过设定膜片尺寸使之松弛，会增加灵敏度且因此使得装置对于(例如)由于基片扭转引起的问题不太敏感。当然，不利之处在于UltraSensor的有效弹簧常数在某种程度上取决于压力，根据以下方程式：

$k=k_m+\frac{\mathrm{pA}}{h}$

其中h是腔的高度，p是压力，且A是腔的截面积。通过替代该方程式中的典型值，应注意的是，当高度为100μm或更大时，机械弹簧常数决定有效弹簧常数。因此，弹簧常数的压力依赖性不会造成任何重大问题。

UtraSensor的较大动态基本上使之有别于目前电容MEMS传感器，其中，电极距彼此的距离仅为数微米。在这种构造中，所谓的电容非线性度增加，这当然可借助于反馈来改进。但是，反馈常常需要高的直流电压，这难以产生且造成表面充电和因此造成不稳定性。非线性度也由于弹簧的非线性度造成。我们称这种压力传感器为UtraPress。

尽管目前MEMS压力传感器合理地良好，但对于许多应用，UtraSensor可提供更便宜且更稳定的MEMS传感器。其较为便宜是因为灵敏度的升高允许制作更小的传感器，且另一方面，传感器并不需要特殊的封装技术，因为测量到低阻抗，IC无需位于传感器附近。其动态和线性度也优于目前的电容MEMS传感器。在压力传感器的情况下，也不分析其灵敏度，因为在任何情况下，其在实际应用中是充分的。如果灵敏度不足，也可使用根据图1c的构造来改进灵敏度。在图1c中，在传感器腔4上方形成第二腔，反射腔6，其借助于在反射性覆盖物7中做出的孔5连接到测量物。使用这种构造来消除超声穿透所述传感器结构到外部空气空间，其已经传透过膜片3。在压力传感器中主要由封装所造成的问题以及由系统误差来确定出测量不准确性。

2.5磁强计

如果在膜片顶部上制造线圈，直流电流或交流电流在线圈中行进，则使膜片作为外部磁场的函数而移动或振荡。在直流电流的情况下，装置以与压力或气体传感器确切相同的方式操作。测量出变化的阻抗。如果在一方面使用交流电流，且对上部膜片进行调谐以与此频率谐振，则形成阻抗调制，这表现为载波的边带或旁带。如果制成很开放的且呼吸式的膜片，则可使得低频谐振的Q值很大，且以此方式可最大化该装置的灵敏度。磁强计可与气体传感器或压力传感器组合。这种传感器的问题在于其呈简单的形式，仅测量磁场的一个分量。由于气体阻尼，耗散和通过它的噪声大于传统MEMS传感器的情形，但在另一方面可使得弹簧常数很小，且以此方式可最大化灵敏度。料想UtraSensor可制造成灵敏度可与目前磁强计的灵敏度竞争的产品。但是，由于其阻抗较低，电子器件可远离磁强计安置。这允许其在困难条件下使用，其中电子器件不能保持靠近测量物体。其可用于(例如)热核发电厂或聚变电站(fusion power plant)。对于磁强计和压力传感器同样如此：其具有宽动态范围。也可通过利用磁性材料制成上部膜片来制成磁强计。我们称此发明为UtraMag。

2.6加速度和振动传感器

如果该结构充分呼吸，且如果使上部膜片的质量较大，则可使用该方法来建置一种加速度传感器。借助于弹簧常数和质量，可调整传感器的灵敏度和上限频率。由于弹簧常数可很弱，则可制造比目前加速度传感器显著更灵敏的传感器。可从本公告中的方程式3来计算灵敏度。从方程式kx＝ma来确定运动，其中a是加速度。可使用膜片穿孔来调节上部膜片的阻尼。一般而言，加速度传感器的尺寸设为过度阻尼式的。

加速度传感器的最大益处在于UtraSensor的宽动态范围。在许多测量受试物中，存在大量不同频率和振幅的振动，或者高频“锐音(squeaking)”。由于电容非线性度，在目前的MEMS传感器中出现失真和互调失真(不同频率组分彼此混合)。这在后来不能消除。当然，非线性度也造成噪声折叠(foldover)。这在后来不能利用之后的过滤或计算来消除。图3示出具有高分辨率和宽动态的加速度或振动传感器。在这个方案中，质量32的底表面3′充当主要传感器元件。关闭的构造存在影响加速度传感器的湿气，且上部硬膜片3往回向腔4反射功率，从而提高传感器的灵敏度。传感器还对压力变化不敏感。通过使用若干超声发射器和对质量32进行合适图案化或布图(patterning)，也可测量横向移动，即，制成x和y方向加速度传感器。在此情况下，优选地，上部腔的长度为波的四分之一。我们称这种传感器为Utra Vib。图3还以简化形式示出适合于本发明的电子器件，其中在超声发射器2的电极30之间使用交流电源35，且若需要，直流电压偏压36与之并联或串联。在电极30之间使用块体34通过阻抗测量而获得所测量的变量，这在图6中更详细地示出。因此，使用块体34来测量超声发射器2的阻抗，这是借助于其输入电流和电压而实现的。

2.7麦克风

可能，UtraSensor的最重要的应用是麦克风。这是因为其提供比目前进行对膜片移动进行精确测量的方式显著更牢靠的方式。另一方面，其完全基于MEMS，且因此允许便宜的制作技术。就此而言，称之为UtraMic。

假定超声传感器至声音谐振器的连接较大，从而由谐振器的有效线圈、电容器、和腔损失来确定阻抗。如果使用相位测量来测量谐振电路的有效电容，则可以按下面的形式写出分辨率：

${\left(\frac{\mathrm{\Δx}}{x}\right)}^2=\left(\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\right)={\left(\frac{\mathrm{\ΔC}}{C}\right)}^2=\frac{1}{\mathrm{\ωQ}}\frac{2k_{B}T}{{\mathrm{CU}}^2}---\left(1\right)$

此处，k是波尔兹曼常数，Q是谐振电路的品质因数，T是气体温度，ω是超声的角频率，ω＝2πf，其中f是频率)，且U是在测量中所用的测量频率。应当指出的是C是有效电容，其描绘了存储于气体中的超声能量。从下面的方程式由直流电压来确定出由直流电压偏压的超声发射器的有效电容

$\frac{1}{C}=\frac{1}{k}{\left(\frac{U_0}{2{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2-\frac{1}{C_0}---\left(2\right)$

其中ω₀是机械谐振频率，k是弹簧常数，C₀是电容，且U₀是偏压电压。从下面的方程式相对应地获得电感，

$L=m{\left(\frac{U_0}{2{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2$

其中m是膜片质量。弹簧常数可自然地借助于质量和谐振频率如下描绘：

k＝(2πf_m)²m

(2)

膜片移动与膜片的压力和有效表面积成正比。现可以按分辨率的形式写出压力：

${\left(\mathrm{\Δp}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{k\Δx}}{A}\right)}^2=\frac{1}{\mathrm{\ωQ}}\frac{2k_{B}T}{{\mathrm{CU}}^2}{\left(\frac{k}{A}\right)}^2{x}^2=\frac{1}{\mathrm{\ωQ}}\frac{2k_{B}T}{{\mathrm{CU}}^2}{\left(\frac{{\left(2\mathrm{\π}{f}_m\right)}^{2}m}{A}\right)}^2{x}^2---\left(3\right)$

如果以谐振操作，x＝λ/2＝v/2f，其中v是空气中的音速(v＝340m/s)，可以下面的形式写出压力分辨率，

${\left(\mathrm{\Δp}\right)}^2=\frac{1}{\mathrm{\ωQ}}\frac{2k_{B}T}{{\mathrm{CU}}^2}{\left(2{\mathrm{\π}}^2{f}_m\mathrm{h\ηv}\right)}^2---\left(4\right)$

其中η是腔膜片的密度且h是其厚度。

应指出的是，从该方程式，可主要借助于音量(在此情况下U)、表面积和通过使膜片尽可能薄来调整分辨率。超声的角频率和谐振输入是恒定的，因为每单位长度的空气阻尼与频率成正比。有效电容C与腔的表面积成比例，从而使得腔的宽度为一种用以调整麦克风灵敏度的线性方式。若必须使宽度大于超声的波长，则更佳地将超声发射器分成若干腔，这将便于发射器的尺寸设定。由于麦克风频带的宽度必须为大约20kHz，可仅设定尺寸使之尽可能接近所需频带。在此情况下，噪声温度T为大约300K，因为放大器可容易地设计成使其噪声温度远低于室温。也可借助膜片密度η和厚度h写出该方程式，如该方程式所述若假定ωQ＝500x10⁵，f＝10kHz，C＝1.0pF，h＝1μm，η＝5x10²kg/m³且U＝3V，m＝作为压力分辨率获得30μP/Sqrt(Hz)。这对于实际麦克风是足够的。当然，这是一种理想情形，其中声音谐振器本身决定整个构造的损失。如果假定超声谐振器的阻抗为3kΩ，功率消耗将为大约1mW，这对于麦克风而言合理地较大，但却是可接受的。

在理想情形中，麦克风的分辨率是足够的，但实际上，可加宽该腔的表面积至大于波长，以便增加灵敏度。但是，可使用图1c所示的构造来减小超声损失。尽管UltraMic似乎允许实现足够敏感的麦克风，但必须很谨慎地执行优化。在优化之后，方程式仅陈述了：腔宽度增加或电压增加将会允许制成更敏感的麦克风。

本发明提出一种方法，借助于该方法，可使用微机械超声发射器来以很高的分辨率测量声压变化。该方案的优点在于其较小的大小，电子器件与传感器的独立性，以及耐湿性。另外，也无需保护该结构防止膜片粘附，且该结构可直接安置于电路卡上、而无需单独封装。对构造的挑战在于对制造参数的调整、灵敏度的温度依赖性、以及有所增加的功率消耗。对于本发明的应用，麦克风UtraMic令人想起光学麦克风，其中利用光学方法来测量膜片位置。但是在根据本发明的传感器和方法中，无需光学器件，因此并不存在对于变脏敏感的表面。本发明的另一挑战在于如何设计上部膜片以使得其并不向环境辐射超声，从而减小腔的品质因数。但可通过将新的可呼吸构造放置于上部膜片的顶部上来避免这种情况，其向腔往回反射功率，根据图1c。可使这种额外的构造的膜片7较硬，从而使之不能向外辐射超声功率。当然，这种构造在某种程度上增加了成本且使构件加厚。仅应在另外情形下分辨率不够高的情况中选择这个方案。

2.8组合传感器

可由UtraSensor制成前述组合。首先，由于无需将电子器件紧邻每个传感器放置，可在一个或单独的硅基底上制成若干传感器。可(例如)利用多路复用来读取传感器。也可将特定传感器组合起来，从而使得相同传感器读取两个变量。低频传感器(压力、气体、磁场传感器)可与高频传感器(麦克风、振动传感器和高频加速度传感器)组合。举例而言，如果，在根据图1c的传感器中，上部膜片7也为柔性的、且中间膜片3为反射性的，但也部分地能由超声穿透，则可将上部膜片7制成压力传感器、并将中部膜片3制成加速度传感器。可(例如)使气体传感器与加速度传感器等相组合。换言之，如果在相同位置需要若干不同测量变量，可通过合适地组合传感器来降低整个传感器模块的价格。

3.电子器件

参考图6描述了电子器件，其更详细地示出图3的模块34。由于使用微机械超声发射器2，则有可能利用直流电压36使发射器偏压、且借助于振荡器35而发出频率f的声音，或者可省略直流偏压、且通过使用频率f/2发出声音。这是因为该功率与电压的平方成比例。这是有利的，因为可有效地消除串音或串扰。在基础阻抗的测量中，可需要桥接电路、或补偿，从而可自第一放大器级得到充分的功率放大。由于声音谐振器的频率取决于温度，频率应是可调整的。这意味着可使用受电压控制的振荡器35，其借助于相敏检测器而得以锁定，使得阻抗是真实的。在麦克风的情况下，有利地使调节很缓慢(大约10Hz)，在此情况下，与相敏检测器的虚部成比例的信号在频率10Hz至20kHz将与膜片位置成正比。在气体传感器和压力传感器的情况下，所需调节电压将告知被测量的变量的值。在磁强计的情况下，可直接使用该调节电压，或者如果交流电流在线圈中行进，当磁场将与所生成的调制振幅成正比时，使调节器比交流电流的频率更缓慢。

因此，根据图6，来自MEMS电路1的信号通往电路34的放大器60，使用相敏检测器62和63来检测其输出。从输出检测到(正交检测)同相分量和90度相移分量。利用反相器61使相位检测器的第二分支的分量旋转90度。自检测器62和63获得的信号由控制电子器件65处理。也从控制电子器件65获得模拟输出66，其通往信号数字化模块67。从这个电路获得数字输出68。从控制电子器件65实施从频率控制69到振荡器35的反馈。

本发明的基本特点在于测量是对300Ohm至10kOhm阻抗的实部和虚部的正常测量，这可使用简单且便宜的IC电路容易地实施。仅在压力传感器的情况下，对温度的精确测量是至关重要的。在麦克风中，应补偿灵敏度对温度的依赖。气体传感器也将会需要温度测量，且在精确测量中也有可能测量湿度。如果使用f/2运行，则可使用直流电压来调整超声传感器的弹簧常数。这可在如果超声发射器自身谐振显著不同于声音谐振器自身谐振的情况是必需的。太大的差异可导致谐振分解成两个单独的谐振，且以此方式，对频率的调节可能未必起作用。分辨率也将显著地降低。

可通过串联或并联地放置线圈来消除并联电容。如果线圈串联，超声发射器上的电压升高，且可在不使用高电压的情况下提高超声发射器的功率。如果使用高电流或电压，必须做出无源或有源桥接，以便补偿所测量的信号。在有源补偿中，具有与前往传感器的信号相反相位的一种信号与来自传感器的信号叠加。

4.制作

图4示出制作根据本发明的一个构件的方式。超声发射器2基于SOI盘40，其氧化硅结构被局部地牺牲，通过对盘进行RIE蚀刻来做出通孔31。孔31最终充满多晶硅。发射器2的腔处于真空中，使得超声损失将仅由空气决定、或者在此情况下由声腔4的损失决定。在此情况下，通过在由RIE蚀刻做出的孔中生长多晶硅柱30来做出超声谐振器的电连接。在柱30生长之前，硅壁被氧化。可在盘结构中做出声腔4，其由多晶硅层41和膜片3形成。层41也可为氮化硅或无定形金属(amorphic metal)。可(例如)通过对结构41进行RIE蚀刻而做出腔4，在此情况下，蚀刻止于上部膜片3。可通过熔融结合而将盘40和41、3接合在一起。最后，例如通过锯切来切掉盘。如果需要呼吸孔，其可在上部膜片3、声腔的下表面、或者超声发射器的上表面9中做出。呼吸孔的大小决定下限频率、且应当很低，尤其是在麦克风中。在高速气体传感器中，其应足够大以实现快速响应时间。

图5示出一种传感器，其中通过将两个SOI盘40和80键合到彼此而形成超声腔4。腔4被蚀刻到上部SOI盘80内。然后将此覆盖硅抛光且在其中做出薄化凹槽81，以允许膜片3进行活塞状移动。因此，在上部SOI盘80中的上部硅3形成移动测量膜片，且下部SOI盘41形成气体腔4。

根据图7，根据本发明的传感器基于表面微机械构造，其中基础结构为硅盘72。在该构造中，氧化硅层70生长于硅盘顶部上，且薄氮化物膜片9生长于其顶部上，在薄氮化物膜片9中蚀刻出孔31。多孔多晶硅71生长于氮化物顶部上。通过多孔多晶硅71蚀刻氧化硅70，这生成腔2。之后，通过生长额外多晶硅来填充多孔多晶硅71。可在这个阶段确定发射器2的腔压力。膜片9的弹簧常数由氮化物的拉伸应力决定，且可通过更改过程参数来加以调整。通过穿过SOI盘40来蚀刻孔和在孔中生长绝缘氧化物以及导电多晶硅，来形成电连接。以与图3的SOI盘实例相同方式做出声腔4。

可以用许多不同方式制造该构造。举例而言，可通过以下步骤制成超声发射器：在硅和氧化硅顶部上生长多晶硅膜片，且然后通过在多晶硅中做出孔从特定区域蚀刻掉氧化硅。这允许制造小质量的超声发射器，在此情况下，可更容易使腔决定整个构造的有效损失。另一方面，超声传感器可由若干发射器(例如，六边形发射器)形成，由此可由个别元件的大小来调整合适的操作频率且确定腔的表面积。这种类型的构造是有利的，也是因为它允许实现其中频率较高且腔较宽的构造，且因此上部膜片也不易于通过腔的膜片将超声辐射出来从而降低分辨率。

图3示出加速度传感器，其中质量特别厚。在此实例中，使用很高频率(例如，2Mhz)，使得超声腔可很低且无需上腔。在所讨论的传感器中，当然，明智地将发射器分成若干部分(在图中未图示)。

本发明的所附描述仅展示本发明的某些特征性特点。显然，在权利要求书的范围内，本发明的实施例可广泛地改变。

因此，在本发明中，对超声发射器与连接到它的腔之间的相互作用进行测量。就此而言，腔通过其无源传感器膜片9、或包含于腔中的气体性质而对于被测量的变量敏感。

根据本发明，腔4可为装置壳的部分，例如在压力传感器应用中，潜水者手表的玻璃部分可为传输压力的元件。相对应地，在麦克风应用中，腔4可为电话外壳的部分，等等。下面这种壳体形式也是可能的：其中根据本发明的超声电路在电路卡上，且腔由壳形成，壳附连到电路卡。

Claims (33)

1.一种用于测量压力、声压变化、磁场、加速度、振动或气体组成的传感器(1)，所述传感器(1)包括：

超声发射器(2)，以及

腔(4)，其被布置成与所述超声发射器(2)连接，所述腔(4)在所用超声频率处于谐振模式，

其特征在于：

所述传感器(1)包括位于所述腔(4)的与所述超声发射器(2)相对的端部处的无源传感器元件(3，3′)，其距所述超声发射器(2)的距离被选择成满足谐振条件，

所述超声发射器(2)包括轻构造膜片振荡器(9)，其因此良好地连接到周围介质，以及

所述传感器包含用于测量所述超声发射器(2)与所述腔(4)之间相互作用的器件。

2.根据权利要求1所述的传感器(1)，其特征在于，用于测量所述超声发射器(2)与所述腔(4)之间相互作用的测量器件是功率测量器件。

3.根据权利要求1或2所述的传感器(1)，其特征在于，使用MEMS技术形成所述构造，使得在所述超声发射器(2)内存在高欠压。

4.根据权利要求1、2或3所述的传感器(1)，其特征在于，所述传感器是形成于SOI盘上的表面微机械结构。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的传感器(1)，其特征在于，在基本状态，所述超声发射器(2)与所述传感器元件(3，3′)之间的距离是所用超声频率的波长的四分之一、二分之一或这些的多倍。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述传感器元件(3，3′)在诸如移动电话或手表装置壳这样的装置壳的外表面上。

7.根据权利要求6所述的传感器(1)，其特征在于，连接到所述传感器的诸如移动电话或手表这样装置的装置壳的外表面形成所述传感器(1)的至少部分。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述腔(4)借助于可渗透气体的结构连接到环境，以便允许测量气体含量。

9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，额外质量(32)位于所述腔(4)中，用于测量加速度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，电流运输线圈位于无源膜片(3)中，用于测量磁场。

11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，反射器腔(6)布置于所述腔(4)的顶部上，以便增强所述传感器的灵敏度。

12.一种用于测量压力、声压变化、磁场、加速度、振动或气体组成的方法(1)，在所述方法中：

使用超声发射器(2)来在腔(4)中生成超声，其在所用超声频率处于谐振模式，

其特征在于，

无源传感器元件(3，3′)位于所述腔的与所述超声发射器(2)相对的端部处，选择所述无源传感器元件(3，3′)距所述超声发射器(2)的距离，以使得满足谐振条件，

使用其中存在着轻构造膜片振荡器(9)的一种构造作为超声发射器(2)，其因而良好地连接到周围介质，以及

使用所述超声发射器(2)与所述腔(4)之间的相互作用来确定所希望的变量。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过测量由所述超声发射器(2)消耗的功率来实施所述超声发射器(2)与所述腔(4)之间的相互作用。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，使用MEMS技术形成所述构造，使得在所述超声发射器(2)内存在高欠压。

15.根据权利要求12、12或14中任一项所述的方法，其特征在于，在SOI盘上形成所述构造。

16.根据前述方法项中任一项所述的方法，其特征在于，在基本状态，使用所述超声频率的波长的四分之一、二分之一或这些的多倍，来作为所述超声发射器(2)与所述传感器元件(3，3′)之间的距离。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器元件(3，3′)位于诸如移动电话的装置壳的外表面上，使得其可用作界面的部分。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，与所述传感器相连接的诸如移动电话或手表这样装置的装置壳的外表面用作所述传感器(1)的至少部分。

19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述腔(4)借助于可渗透被测量气体的结构而连接到环境，以便允许测量气体含量。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于测量加速度的额外质量(32)位于所述腔(4)中。

21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，运输电流的线圈位于所述无源膜片(3)中，以便测量磁场。

22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，反射器腔(6)布置于所述腔(4)的顶部上，以便提高所述传感器的灵敏度。

23.使用根据权利要求1所述的传感器用于测量气体含量。

24.使用根据权利要求1所述的传感器用于测量磁场。

25.使用根据权利要求1所述的传感器用于测量压力。

26.使用根据权利要求1所述的传感器用于测量距离。

27.使用根据权利要求1所述的传感器用作麦克风。

28.使用根据权利要求1所述的传感器用于测量加速度。

29.一种用于测量压力、声压变化、磁场、加速度、振动或气体组成的装置，其执行对300Ω至10k-Ω阻抗的实部和虚部的测量，其特征在于，在所述测量中使用基于微机械超声和微腔的测量。

30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于，在所述测量中使用集成式的MEMS构造。

31.根据权利要求29或30所述的装置，其特征在于，所述测量传感器基于硅基超声传感器，且在其顶部上设置为超声的波长、波长的四分之一、或者这些的多倍。

32.根据权利要求29、30或31所述的装置，其特征在于，测量所述超声的阻抗，且比较其上方的腔与前述长度的偏差。

33.根据权利要求29、30、31或32中任一项所述的装置，其特征在于，在超声的串联谐振中，所述发射器对较小变化的阻抗与所述腔的高度成正比、且所述谐振的宽度与所述腔中空气的阻尼成比例。

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