CN105181794A

CN105181794A - 组合传感器

Info

Publication number: CN105181794A
Application number: CN201510333871.XA
Authority: CN
Inventors: 迪米特里·索科尔; 安妮丽·法勒平
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: CN105181794B; US20150362393A1; US9683968B2; EP2957905A1

Abstract

一个示例公开了一种组合传感器，包括：具有致动器的压力传感器，所述致动器具有第一谐振频率；腔体，与压力传感器耦合并且能够容纳物质；其中在不存在所述物质的情况下，所述腔体响应于致动器的激励而具有第二谐振频率；其中在存在物质的情况下，所述腔体响应于致动器的激励具有第三谐振频率；其中第一谐振频率与第二和第三谐振频率不同；以及传感器电路，所述传感器电路响应于腔体中的第三谐振频率输出检测到物质的信号。

Description

组合传感器

技术领域

本说明书通常涉及用于感测的物品和设备，并且在一个示例中涉及组合感测物品或设备。

发明内容

一种组合传感器，包括：具有致动器的压力传感器，所述致动器具有第一谐振频率；腔体，与所述压力传感器耦合并且能够容纳物质；其中在不存在所述物质的情况下，所述腔体响应于致动器的激励具有第二谐振频率；其中在存在所述物质的情况下，所述腔体响应于致动器的激励具有第三谐振频率；其中所述第一谐振频率与第二和第三谐振频率不同；以及传感器电路，所述传感器电路响应于所述腔体中的第三谐振频率输出检测到物质的信号。

一种制造物品，包括至少一个非瞬时有形机器可读存储介质，所述非瞬时有形机器可读存储介质包含用于操作组合传感器的可执行机器指令，所述指令包括：在一定范围的频率上激励与腔体耦合的压力传感器中的致动器；监测激励致动器所需的功率电平；在取决于腔体尺寸的预定频率处，将致动器功率电平与阈值功率电平进行比较；以及如果预定频率处所监测的致动器功率电平小于阈值等级，则输出检测到物质的信号。

以上发明内容并非意欲表示当前或未来权利要求书范围内的每个示例实施例。在以下附图和详细描述中讨论附加示例实施例。

附图说明

图1A、1B、1C、1D和1E示出了声速与多个参数的依赖性。

图2是第一组合传感器的侧视图的一个示例。

图3是第一组合传感器的顶视图的一个示例。

图4是第二组合传感器的侧视图的一个示例。

图5是与多个谐振频率相关联的物质的表格的一个示例。

图6是用于操作组合传感器的一组指令的一个示例。

图7是用于操作组合传感器的传感器电路的一个示例。

尽管本公开可修改为各种改进和替代形式，但是已经在附图中以示例形式示出了本公开的具体内容并且将详细描述。然而应该理解的是，超出所描述的具体实施例的其他实施例也是可能的。还覆盖了落入所附权利要求的精神和范围内的所有改进、等价和替代实施例。

具体实施方式

基于声速测量的传感器取决于声波通过其传播的物质(例如，介质、气体、液体、固体、等离子体等)。

如果物质是气体，则通常使用经典理想气体方程(见方程1，其中c是声速[m/s]，R＝8.314J/mol，K是通用气体常数，T是绝对温度[K]，γ是恒压力恒体积下的热容之间的比值，M_w是气体的摩尔质量[kg/mol])。

c = \sqrt{\frac{R T γ}{M_{w}}}

方程1

然而，对于其他物质，使用介质中声速的更通用的方程(见方程2，其中K是介质的体积模量[kg/(m²s²)]，ρ是介质的密度[kg/m³])。

c = \sqrt{\frac{K}{ρ}}

方程2

在气体的情况下，方程1示出了周围温度对声速具有直接影响，然而气压对声速不具有直接影响。

当考虑气体混合物(例如空气)时，理想气体定律预测将由相应组份的部分压力来对分子重量M_w和热容比率γ加权平均。因此，当气体组份改变时，因子γ和M_w均将改变。

以下表中示出了空气中主要气体组份的M_w、γ和γ/M_w的值。

该表示出了相对湿度(H₂O)的增加将使声速增大，而CO₂浓度的增加将使声速降低。N₂、O₂、或Ar的量的改变只具有有限的影响。

图1A、1B、1C、1D和1E呈现了示出基于多个参数计算的声速(米/秒)依赖性的曲线。图1A示出了对二氧化碳气体(CO2)的ppm的理论声速依赖性。图1B示出了对纯水(H2O)的ppm的理论声速依赖性。图1C示出了对温度的理论声速依赖性，每摄氏度c改变1.6910³ppm。图1D示出了对相对湿度百分比的理论声速依赖性。图1E示出了对于每克空气的μ克尘埃的理论声速依赖度。尘埃对于声速具有与增加CO₂浓度相似的作用，也就是声速随浓度增加而降低。当比较来自“尘埃”曲线的灵敏度数量与CO₂灵敏度时，+20微克/立方米的细尘埃与+33.5ppmCO₂具有相同的作用。

尽管方程1示出了c与比率γ/M_w之间的关系是非线性的，针对较小组分改变(对于H₂O灵敏度最高至3％)的良好线性拟合是可能的。每ppmCO₂的-0.30ppm变化的理论灵敏度以及每ppmH₂O的+0.16ppm变化的理论灵敏度也是可能的。用％RH表示，灵敏度将是每％RH+48ppm。例如，对于CO₂传感器，要求1.25％RH的RH分辨率以分辨200ppmCO₂步长。

声速、谐振频率和波长之间的关系在方程3中定义为：

c_空气＝fλ方程3

考虑到刚刚呈现的信息，可以使用谐振腔体来创建声速传感器。被驱使到腔体内的声波在由腔体尺寸(宽度、高度、长度)和腔体中物质的声速所确定的频率处创建声学谐振。

在理想情况下，谐振在开口腔体中在d＝n·λ/2处出现，而对于封闭腔体在d＝(2·n-1)·λ/4处出现(其中n是整数并且d是沿声波传播方向的尺寸参数)。它可以是长度、宽度或高度。腔体的目的是为了创建驻波。驻波的正常模式的位置取决于谐振器腔体(开口腔体对封闭腔体)中的“边界条件”。所包括的方程式可以用于计算对于已知激励频率(即，计算针对固定尺寸的最低可能频率)创建驻波所要求的尺寸。对于n＝1，将建立基模，也就是组合的最低频率-最小尺寸最佳。

现在讨论测量压力和声速以确定气体组分的组合传感器。词组“组合传感器”这里定义为执行两个或更多个感测功能的设备(例如，压力感测和物质检测)。传感器基于主动激励与声学谐振腔体组合的压力传感器。该传感器提供物理测量原理的益处，具有与加热的线-热传导传感器类似的灵敏度，而不是压力交叉-灵敏度。

组合传感器的示例实施例对无源(电容性)和有源(Q因子谐振)测量进行组合，允许仅用一个换能器对压力和气体成分(经由声速)两者的转换。如果组合传感器的实施例不包括温度传感器，可以通过用开口腔体和封闭腔体对两个MEMS致动器执行差分测量来校准温度差异。

在一个示例中，组合传感器是用连接腔体的改进压力传感器，其被调谐为声学传感器，用于识别两种或其他气体组分并且用于识别其他物质。

可以通过向压力传感器设计或封装流添加几个步骤来利用CMOS兼容流生产组合传感器。在温度校准和校正之后，所述传感器得益于它的物理换能机制而在较宽温度范围起作用。

在其他示例实施例中，组合传感器内置在由以下各项组成的组中的至少一个中：CO2监测系统、室内监测系统、食品质量监测系统、空气质量控制系统、湿度控制系统和移动设备。在另一个示例实施例中，组合传感器是气压传感器和二氧化碳等级传感器的组合，并且当二氧化碳在腔体内时，所述腔体206响应于由膜的激励而具有预定的谐振频率。

图2是第一组合传感器200的侧视图的一个示例，并且图3是第一组合传感器200的顶视图的一个示例。一起讨论图2和3。组合传感器200包括：具有致动器204的压力传感器202，所述致动器204具有第一谐振频率；与压力传感器202耦合并且能够容纳物质212的腔体206。在一个示例实施例中，致动器204是电容性压力传感器膜204。

腔体206具有包括宽度208、高度210和长度302的物理尺寸(参见图3)。在腔体206的制造期间，针对一组所需谐振频率来调谐腔体206的尺寸208、210和302。致动器204的激励在腔体206中产生波型，其依赖于目标物质212的存在可以是谐振频率或者可以不是谐振频率。致动器204既用于在腔体206中驱动振动，还用于读出谐振振动。

在一个示例中，在不存在物质212的情况下，腔体206响应于致动器204的激励具有第二谐振频率；以及在存在物质212的情况下，腔体206响应于致动器204的激励具有第三谐振频率。传感器电路214(以下进一步讨论)响应于腔体206中的第三谐振频率输出检测到物质212的信号216。

第二谐振频率取决于“空的”腔体206中的声速，并且第三谐振频率取决于当物质212在腔体206中时的声速。

为了增强物质检测灵敏度，致动器204的第一谐振频率被设计为与第二和第三谐振频率不同，其指示在腔体206内是否存在物质212。因此，谐振腔体206和压力传感器膜204可以被设计为具有它们自身的谐振频率。

致动器204的谐振频率(例如本征频率)取决于致动器204的硬度和尺寸。使用在致动器204旁边具有特定大小的腔体206，可以选择腔体206将谐振的频率。

一种大小的腔体206将放大致动器204的谐振频率，而不同大小的腔体206将在腔体206内存在目标物质时谐振。由此，将腔体206的谐振频率设计为与MEMS致动器204(例如，压力传感器膜的)的谐振频率(例如本征频率)强烈地不同，能够更好地区分腔体206谐振和压力传感器膜204谐振。声学腔体206谐振频率与MEMS致动器204谐振频率之间的差异越大，则能够更好地区分声学腔体206的谐振和压力传感器膜204的谐振，由此导致对声学腔体206中的目标物质212的更灵敏的检测。

另一种增加灵敏度的方式是将第一谐振频率(例如，致动器204的谐振频率)设计为比第二和第三谐振频率高。

在一个示例中，组合传感器200被设计为感测压力和检测到的CO2气体。相应的腔体206可以是在成型过程期间形成的、并且具有10kHz量级的谐振频率的开口腔体。可以使用具有圆直径～50μm的压力传感器膜204的压力传感器202来形成这种组合传感器200(参见图3)。膜204的谐振频率于是将处于1-10MHz的量级。因此，用于检测腔体206中谐振的膜204驱动频率将大约是10-100kHz的量级，并且腔体206的尺寸将在几毫米的范围内。采用这种设计，组合传感器200保持对空气中CO2的类似理论级别的灵敏度(以及类似的对T和H2O的交叉灵敏度)，但是对压力差异不敏感。

在一个示例中，组合传感器200至少部分地由以下各项组成的组中的至少一个形成：体晶片材料、晶片表面材料沉积、二次成型、封装、MEMS器件和CMOS器件。由于CMOS的兼容性，可以在CMOS电子设备上集成组合传感器200。

在一个示例中，传感器电路214包括驱动器模块、致动器功率电平监测器和检测模块。来自驱动器模块的功率激励致动器204，由此创建腔体206中的压力波。

一个示例中的驱动器模块包括频率发生器。频率发生器在一定范围的频率上激励致动器204。传感器电路214在一定范围的频率上激励致动器204，以便勾勒腔体206的轮廓并扫描物质212。

在特定实施例中，在致动器204也是压力传感器202的膜的情况下，在传感器电路214使用压力传感器202来监测腔体206中的压力时频率发生器不激励致动器204，原因在于对于两个功能均使用相同的压力传感器膜。

检测模块包括第一阈值功率电平，并且如果在第三谐振频率处监测的致动器204功率电平小于第一阈值功率电平，则输出检测到物质212的信号。检测模块还包括第二阈值功率电平，并且如果在第二谐振频率处监测的致动器204功率电平小于第二阈值功率电平，则输出没有检测到物质212的信号。因此，检测监测器检测所监测的致动器204功率电平接近最小值的频率。

在另一个示例实施例中，在扫描致动器204频率的同时跟踪致动器204的Q因子，以找到谐振频率进而找到腔体206中针对物质212的声速。在扫描期间，具有最小声学阻抗的频率识别目标物质的存在或不存在。对于目标物质的示例列表参见图5中的表格。具有最小声学阻抗节点的频率也从驱动器模块提取较少量的功率，并且因此能够电学地检测到。

组合传感器200作为目标的物质212可以是：气体、二氧化碳、液体、固体、等离子体、分子、病菌、微粒浓度、悬浮微粒、污染物以及上述物质的混合物。

一个非气体物质的示例应用是检测精细尘埃的空气质量。在该示例中，可以假设对于总体的空气+悬浮微粒的压缩率改变是可忽略的，因此主要的差异来自密度改变。

图1E示出了根据总尘埃颗粒质量改变而估计的声速(c)变化的曲线。预期的尘埃等级的一个示例：针对精细尘埃的欧洲空气质量标准为25毫克/立方米。根据计算，声速的改变等于35ppm的CO2浓度改变。这种方法可以适用于存在更重的悬浮微粒或颗粒加载的其他应用(例如，用于测量污染或烟雾)。

如果物质212是混合物，则腔体206中的声速将取决于混合物的平均密度。使用前对组合传感器200的校准可以帮助识别由其他非目标物质创建的“噪声”层的目标物质212。

图4是第二组合传感器400的侧视图的一个示例。该示例第二组合传感器400与第一组合传感器200基本类似，但是附加有耦合以覆盖所述腔体206的与压力传感器202实质上相对一侧的气体渗透膜402。

添加气体渗透膜402的至少两个原因包括：保护腔体206和压力传感器202，以及使得组合传感器400能够成型为封闭腔体206设备。

封闭腔体206组合传感器400导致了谐振频率中两个因素的差异。结果，可以减小腔体206的宽度208、高度210或长度302或其某些组合。这种减小需要较少的基底面积，并且在一些示例中可以降低设备制造成本。尽管开口404的大小(例如，渗透、贯穿孔、孔、气孔的程度等)将影响声速计算，将根据经验来判断效果(例如，可以针对所述效果来校正表5的条目)。

应当主要考虑腔体206高度，则腔体206还可以被制造为横向腔体206。

图5是与多个谐振频率相关联的物质212的表格500的一个示例。在某些示例实施例中，在传感器电路214中存储表格500。在其他示例实施例中，在传感器电路214可以访问的组件中存储表格500。组合传感器的其他实施例可以使用或者不使用表格500或者使用删节版本。表格500包括谐振频率或一定范围的谐振频率。表格500将所述谐振频率与多个物质相匹配。例如，F3至F4范围内的谐振频率指示各种摩尔浓度的二氧化碳(CO2)。在一些示例实施例中，可以在设备内制造多于一个组合传感器，以监测多个范围的谐振频率。

图6是用于操作组合传感器的一组指令的一个示例。按照一个示例执行顺序来呈现这组指令。在替代示例实施例中，可以按照多个其他顺序来执行这些指令。

在块602中，在一定范围的频率上激励与腔体耦合的压力传感器中的致动器。接下来，在块604中，监测激励致动器所要求的功率电平。在块606中，在取决于腔体尺寸的预定频率处，将致动器功率电平与阈值功率电平进行比较。然后在块608中，如果预定频率处所监测的致动器功率电平小于阈值功率电平，则输出检测到物质的信号。

然后，可以用以下指令中的一个或更多个来加强这些指令，按照非特定顺序呈现。

在块610中，测量致动器的阻抗。在块612中，识别所述范围内具有最小阻抗内的频率。在块614中，如果最小阻抗小于阈值阻抗电平，则输出检测到物质的信号。

图7是用于操作组合传感器200的传感器电路108的一个示例。传感器电路108包括输入/输出数据702接口，其与电子装置704交互作用。电子装置704包括处理器706、存储设备708和机器可读存储介质710。机器可读存储介质710包括指令712，其控制处理器706如何接收输入数据702，并且使用存储设备708内的数据将输入数据变换为输出数据702。参照以上图5讨论在机器可读存储介质710中存储的示例指令712。在替代示例实施例中，机器可读存储介质是计算机可读存储介质。

处理器(例如中央处理单元CPU、微处理器、专用集成电路(ASIC)等)控制存储设备(例如，用于临时数据存储的随机访问存储器(RAM)、用于永久数据存储的只读存储器(ROM)、固件、闪存、外部和内部硬盘驱动等)的整个操作。处理设备使用总线与存储设备和机器可读介质通信，并执行实现在机器可读存储介质中存储的一个或更多个块的操作和任务。在替代示例实施例中，机器可读存储介质是计算机可读存储介质。

除非明确陈述了特定顺序，否则可以用任意顺序执行包括以上附图中的流程的框。此外，本领域技术人员将认识到尽管现在仅讨论了一个示例实施例，说明书中的材料可以用各种方式组合，以得到其他示例。将在由这具体实施方式部分和其他部分所提供的上下文内理解接下来讨论的方法。

在本说明书中，已经按照所选的细节集合介绍了示例实施例。然而，本领域技术人员应该理解，可以实施包括这些细节的不同的选定集合的许多其它示例实施例。意图在于，所附权利要求书覆盖所有可能的示例实施例。

Claims

1.一种组合传感器，包括：

具有致动器的压力传感器，所述致动器具有第一谐振频率；

腔体，与所述压力传感器耦合并且能够容纳物质；

其中在不存在所述物质的情况下，所述腔体响应于致动器的激励具有第二谐振频率；

其中在存在所述物质的情况下，所述腔体响应于致动器的激励具有第三谐振频率；

其中所述第一谐振频率与所述第二和第三谐振频率不同；以及

传感器电路，所述传感器电路响应于所述腔体中的第三谐振频率输出检测到物质的信号。

2.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述第一谐振频率高于所述第二和第三谐振频率。

3.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述第二和所述第三谐振频率取决于所述物质中的声速。

4.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述腔体包括物理尺寸，使得所述第三谐振频率指示目标物质的存在。

5.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述物质是由以下各项组成的组中的至少一个：气体、二氧化碳、液体、固体、等离子体、分子、病菌、悬浮微粒、微粒浓度、污染物以及上述物质的混合物。

6.根据权利要求1所述的传感器：

其中能够响应于来自所述传感器电路的功率创建所述腔体中的压力波。

7.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述传感器电路包括致动器功率电平监视器和检测模块；

其中所述检测模块包括第一阈值功率电平，并且如果在第三谐振频率处所监测的致动器功率电平小于第一阈值功率电平，则输出检测到物质的信号。

8.根据权利要求7所述的传感器：

其中所述检测模块包括第二阈值功率电平，并且如果在第二谐振频率处所监测的谐振器功率电平小于第二阈值功率电平，则输出未检测到物质的信号。

9.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述传感器电路包括致动器功率电平监测器、检测模块和驱动器模块；

其中所述驱动器模块包括对致动器进行激励的频率发生器，并且包括能够在一定范围的频率上改变所述致动器的激励频率的电路；以及

其中所述检测模块包括用于检测所监测的致动器功率电平接近最小的频率的电路。

10.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述传感器电路包括频率发生器；

其中所述频率发生器对所述致动器进行激励；以及

其中在所述传感器电路正在使用压力传感器来监测腔体内的压力时所述频率发生器不会对所述致动器进行激励。

11.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述组合传感器至少部分地由以下各项组成的组中的至少一个形成：体晶片材料、晶片表面材料沉积、二次成型、封装、MEMS器件和CMOS器件。

12.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述压力传感器包括电容性压力传感器膜；以及

其中所述致动器是电容性压力传感器膜。

13.根据权利要求1所述的传感器：

还包括气体渗透膜，耦合用于覆盖所述腔体的与所述压力传感器实质上相对的一侧。

14.根据权利要求1所述的传感器：

其中所述组合传感器是由以下各项组成的组的至少一个的一部分：CO2监测系统、室内监测系统、食品质量监测系统、空气质量控制系统和移动设备。

15.一种组合气压传感器和二氧化碳等级传感器，包括：

腔体，与所述气体压力传感器耦合，并且耦合用于将所述腔体和所述压力传感器暴露于气体；

其中所述气压传感器包括膜；以及

其中当二氧化碳在所述腔体中时，所述腔体响应于膜的激励而具有预定的谐振频率。

16.一种制造物品，包括至少一个非瞬时有形机器可读存储介质，所非瞬时有形述机器可读存储介质包含用于操作组合传感器的可执行机器指令，所述指令包括：

在一定范围的频率上激励与腔体耦合的压力传感器中的致动器；

监测激励所述致动器所需的功率电平；

在取决于腔体尺寸的预定频率处，将致动器功率电平与阈值功率电平进行比较；以及

如果预定频率处所监测的致动器功率电平小于阈值等级，则输出检测到物质的信号。

17.根据权利要求16所述的指令：

其中所述监测包括：

测量所述致动器的阻抗；以及

识别所述范围内具有最小阻抗的频率；以及

其中输出包括：如果所述最小阻抗小于阈值阻抗等级，则输出检测到物质的信号。

18.根据权利要求16所述的指令：

其中所述物质是包含二氧化碳气体的混合物。

19.根据权利要求16所述的指令：

其中在所述腔体的谐振频率处，所监测的致动器功率电平小于所述阈值功率电平。