CN107110822A - 声学传感器 - Google Patents

Abstract

一种声学传感器，包括侧壁，该侧壁在每个端部处由端壁封闭以形成腔，该腔在使用中包含流体。至少一个发射器和至少一个接收器与所述端壁中的一个操作性关联。所述腔的最大半宽度a和所述腔的高度h满足以下不等式：a/h大于1.2。在使用中，所述发射器引起所述端壁的与所述发射器操作性关联的区域在大致垂直于所述端壁的平面的方向上的振荡运动，从而所述端壁的垂直振荡驱动所述腔中的流体压力的大致面内振荡。所述流体压力的大致面内振荡驱动所述端壁的与所述接收器操作性关联的区域的大致垂直振荡运动，由此导致来自所述接收器的电信号。

Description

声学传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量盘形声腔内的气体的特性的传感器。

背景技术

通过测量气体混合物中的声速来确定该混合物的成分的设备众所周知。两种最流行的声学技术为飞行时间技术和共振腔技术。每种类型的设备的缺点和局限性已经在EP0813060中被描述。

WO2013/083978涉及共振声学传感器的设计，其中发射器(其被驱动)和接收器(其为被动的)与盘形腔的相对端壁操作性关联。由于这种几何形状，在运行中，这种设备的发射器和接收器的机械刚度均良好地匹配腔中的盘形体积的流体的声阻抗。此盘形的几何形状也优选地用于实现发射器和接收器的位移轮廓和腔中的面内(in-plane)流体压力振荡、优选地为径向流体压力振荡之间的良好的空间匹配。这些特性的组合能够实现通过发射器有效产生压力振荡和由接收器有效产生电输出信号。

使用批量过程生产诸如WO2013/083978中描述的传感器的小型机电设备通常是经济的，其中多个设备同时由共同的材料层被制造。设备然后在生产过程后期从同一批次被分离。这种方法使得生产步骤能够在许多设备上并行执行，减少生产时间和避免与处理小零件关联的问题。简单化地，能够通过限制设备中使用的晶片数量而最小化设备的复杂性和成本。

以上描述的批量过程在微机电系统(MEMS)的生产中常见，其中层能够被称为晶片。MEMS的典型的小尺寸可对于气体传感器是可取的，以减少由于气体扩散至传感器腔中的时间并由此减少传感器响应时间，因此批量过程中生产能够提供经济优势和性能优势。

WO2013/083978中公开的传感器包括位于相对端壁上的发射器和接收器。虽然发射机和接收器可包括相同类型的材料，但是，因为它们不共面，所以它们不能由共同的材料层形成。此外，发射器和接收器典型地需要与电路连接。将该发射器和接收器定位在相对的端壁上使得此电连接复杂化。因此，需要提供一种传感器，其具有在WO2013/083978的传感器中公开的类型的高性能特性，但是其能够以较低成本被生产和为更简单的构造。

发明内容

根据本发明，提供一种声学传感器，包括：侧壁，在每个端部处由端壁封闭以形成腔，该腔在使用中包含流体；至少一个发射器和至少一个接收器，与所述端壁中的一个操作性关联；其中所述腔的最大半宽度a和所述腔的高度h满足以下不等式：a/h大于1.2；并且其中，在使用中，所述发射器引起所述端壁的与所述发射器操作性关联的区域在大致垂直于所述端壁的平面的方向上的振荡运动；从而所述端壁的垂直振荡驱动所述腔中的流体压力的大致面内振荡(substantially in-plane oscillation)；并且所述流体压力的大致面内振荡驱动所述端壁的与所述接收器操作性关联的区域的大致垂直振荡运动，由此导致来自所述接收器的电信号。

利用本发明，通过将发射器和接收器提供在传感器的端壁中的单个端壁上，能够减少构造传感器所涉及的生产步骤，并且还能够简化与其的电连接。这导致传感器能够被更加成本有效地产生。

在使用中，发射器引起腔内的流体压力在端壁的平面内的振荡，流体压力在端壁的平面内的振荡进而使得接收器产生振荡电信号。通过将用于驱动发射器的信号与由接收器产生的信号进行比较，声腔中的流体的特性能够被确定。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的示例，其中：

图1A为根据本发明的传感器的侧视剖视图；

图1B为图1A的设备中的常规声学模态(acoustic mode)的平面图；

图1C示出图1A的设备的腔中的压力振荡；

图2示出图1A的传感器的相对于频率而言的相位和增益特性；

图3A至图3C为根据本发明的另一示例传感器的侧视剖视图；

图4A至图4D示出高阶径向声学模态并示出采用这种高阶径向声学模态的声学传感器的剖视图；和

图5示出能够在根据本发明的传感器中采用的多个替代高阶径向声学模态。

图6示出用于声学传感器的实施例的扩散速率和腔尺寸之间的关系。

图7示出使用MEMS工艺制造的声学传感器的示例的方面。

图8示出具有压电换能器和静电式换能器的声学传感器的示例的方面。

图9示出制造过程的示例，其中许多MEMS气体测量系统分享一个共同的晶片。

图10示出具有测量温度的装置的MEMS气体传感器的示例的方面。

图11示出呼吸监测系统的实施例。

图12示出具有湿度补偿的呼吸监测系统的实施例的方框图。

具体实施方式

在下面若干例示性实施例的详细描述中，参照形成其一部分的附图，在附图中通过例示的方式示出特定的优选实施例，本发明可在该特定的优选实施例中被实施。这些实施例被描述得足够详细，以使本领域技术人员能够实施本发明，并且应当理解可以利用其它实施例并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以作出逻辑结构、机械、电学和化学上的变化。为了避免对于本领域技术人员实施在此描述的实施例而言为不必要的细节，描述可省略对于本领域技术人员已知的某些信息。因此，下面的详细描述不是采用限制的意义，并且例示的实施例的范围仅由所附权利要求书限定。

图1A为穿过根据本发明的声学传感器的示例的直径的剖视图。腔10由端壁11和12以及侧壁13限定。腔10在图中示出为在端壁11、12的平面中具有圆形横截面。虽然此示例具有的腔具有圆形横截面，但是对于本领域技术人员明显的是其它形状能够被使用。大致圆形横截面形状提供的优点在于端壁的位移与腔中的流体在如WO2013/083978中讨论的那样共振时的振型之间有利的匹配。类似的形状包括但不限于横截面形状为椭圆形、亚椭圆形或超椭圆形的腔分享这些优点中的很多。具有方形横截面的腔的声学传感器的示例具有的优点在于使用包括晶片切割在内的一些过程的生产的简化；但是这些腔中存在更大数量的共振声学模态，其可能减小传感器的效能。

在图1A的实施例中，发射器14和接收器15均包括附接至端壁11的压电换能器。在此示例中，发射器14为环形形状，其与盘形接收器15同心。发射器14和接收器15彼此机械地隔离，如虚线16表示的。将意识到，发射器14和接收器15不限于盘形或环形形状。进一步地，每个可包括复合换能器中的多个元件。尽管图1具有用于发射器14和接收器15的压电元件，但是能够将电能转化为运动和将运动转化为电能的任何换能器可被使用。在本领域中已知许多这种换能器类型，例如磁换能器或静电式换能器。

当合适的电驱动被应用时，使得发射器14在大致垂直于腔10的平面的方向上(如由箭头标记的)振动。发射器14的位置明显地与腔中流体的径向声共振模态的波腹(观察到最大振幅的区域)重叠。

当腔的半径a大于腔的高度h的1.2倍时，即a/h＞1.2时，腔中流体的最低频率径向振荡模态具有与腔的任何纵向模态相比更小的频率。通过限定a为最大半宽度，此限制能够被更广泛地应用至具有非圆形横截面的腔，最大半宽度在圆的情况下等于半径。

以上公式设置了腔高度的上限，下限由共振腔中的声损耗限定。为了避免由于腔中流体的高粘滞损失引起的低效率操作，腔的高度应该为流体中的粘滞边界层的厚度的至少两倍：

其中μ为流体的粘度，ρ为流体的密度，c为流体中的声速，k₀为第一类一阶贝塞尔函数的导数的第一根，其描述最低频率径向模态压力振荡的形状且为常数。重新整理上述表达式并代入密度和粘度的标准值，当腔中的流体为气体时，h²/a应该大于1×10^-7m，而当腔中的流体为液体时，h²/a应该大于4×10^-10m。本领域技术人员将意识到，存在由流体中的热边界层导致的类似的限制。

图1B为相同的腔10中的此径向声学模态的平面图。这里阴影区域17和无阴影区域18代表相反的压力相位。发射器14的运动在腔10内的流体中产生共振振荡。当流体以此模态振荡时沿腔的直径的腔的压力在图1C中示出。实曲线和箭头表示在一时间点的压力，而虚曲线表示半个周期之后的压力。该压力振荡的径向关系式p(r)近似于贝塞尔函数的形式：

其中p₀为压力振荡的最大幅值，J₀为第一类一阶贝塞尔函数，k₀为该函数的导数的第一根，r为腔中的径向位置，a为腔的半径。

接收器15的位置明显地与腔中流体的径向声共振模态的第二波腹重叠。在图1中公开的实施例中，发射器14和接收器15的位置可互换。图1C中所示的腔内压力振荡驱动接收器15的位移。接收器的位移使得产生电信号。通过将用于驱动发射器的信号与由接收器产生的信号相比，能够确定声腔中流体的特性，诸如二元气体混合物的成分、已知流体的温度、流体的密度或流体的粘度。

这里公开的声学传感器可被用于测量流体或流体混合物中的声速。图1中所示的压力振荡的共振频率由以下表达式描述：

其中k₀为第一类一阶贝塞尔函数的导数的第一根，c为腔中的声速，a为腔的半径。可通过观察发射器与接收器之间的电振幅增益或电功率增益最大时的频率确定压力振荡的共振频率。实施此的一个方法常常为扫描到达发射器的电驱动信号的频率，记录每个频率时的增益。类似地，通过比较发射器的输入信号的相位与接收器的输出信号可以确定共振频率。这可通过扫描驱动信号的频率并记录发射器驱动波形与接收器信号波形之间的相位差具有特定恒定值时的频率。

图2示出在此描述的传感器的示例的发射器驱动波形与接收器信号波形之间的相位差和电增益。通过准确测量流体的声速而实现的一个应用为确定二元气体混合物的成分。将二元气体的成分与流体的声速联系起来的方程式是众所周知的且在专利EP 0813160中被概括。

图3示出本发明的两个示例，具有不同的机械隔离发射器和接收器的装置。期望的是运动应当从发射器传送通过腔中的流体并传送到接收器中-这代表传感器的“信号”。不期望的是运动应当通过任何其他装置从发射器传送至接收器—此运动将产生电响应，其与传感器的期望信号干涉。信噪比对于传感器是关键的品质因数。通过机械隔离发射器和接收器，噪声能够被减少。

图3A为通过声学传感器的一示例的直径的剖视图，该声学传感器具有在当地阻止端壁11运动、隔离发射器14和接收器15的刚性支撑结构30。图3B是通过声学传感器的一示例的直径的剖视图，该声学传感器具有端壁11的柔性段31，该柔性段31减少通过端壁11的运动传输、隔离发射器14和接收器15。图3C为通过声学传感器的一实施例的直径的剖视图，该声学传感器具有桥接端壁11中的间隔、隔离发射器14和接收器15的柔性膜32。

填充有流体的、盘形腔可支持多个径向声学模态。本发明实现利用这些所谓的“高阶”模态的声学传感器。图4示出一示例。图4A为声学传感器的盘形腔中的高阶径向声学模态的平面图。这里，阴影区域40和无阴影区域41代表相反的压力相位。图4B为图4A的声学传感器沿线4-4截取的剖视图。发射器42和接收器43的位置对应于腔44的声学模态的波腹。再一次地，发射器42和接收器43的位置可互换，并且它们彼此机械隔离45。图4C为图4A的声学传感器沿线4-4截取的剖视图，其具有替代的发射器和接收器位置。这里，发射器42和接收器43被定位为对应于图4A中所示的声学模态的外波腹。图4C为图4A的声学传感器沿线4-4截取的剖视图，具有一个发射器42和三个接收器43，其被统称为换能器。换能器的位置都对应于图4A中所示的声学模态的波腹。假设换能器中的一个或多个作为发射器操作并且换能器中的一个或多个作为接收器操作，则它们的功能和位置可互换。

图5示出多个另外的替代高阶径向声学模态，其能够被根据本发明的传感器使用，并且本领域技术人员将意识到换能器能够被定位为利用这样的这些模态。

如从以上描述中将意识到的，本发明提供一系列示例声学传感器，其能够提供高度精准的读取和高水平的功能性和可靠性，而其易于以相对低的成本设计和生产。

在毫米或亚毫米长度尺度上形成以上描述的特征具有另外的益处，包括低功耗以及与较宽范围的便携式应用兼容的体积和重量。在此长度尺度上操作的意想不到的益处在于传感器的响应时间能够被显著地提高。

这里描述的类型的气体测量系统对于其周围气体的成分的改变的响应时间受腔中气体和周围气体之间的扩散速率影响。多种参数影响扩散速率，包括腔的尺寸；通向腔中的开口的数量和沉积；相对于腔的尺寸而言的开口的尺寸。

能够支持高质量因子声学共振的腔对于以上描述的实施例是期望的，其中共振的频率被用于确定腔中气体的声速。高质量因子允许声速的更精准的确定。增加相对于腔的尺寸而言的腔中开口的尺寸或者腔中开口的数量会降低此质量因子，因此其不可取。但是，对于相对于腔尺寸而言的给定的开口尺寸和开口的数量，减小腔的尺寸会提高此扩散速率。

图6示出描绘腔半径和扩散速率之间的关系的图表。所示数据为来自市售有限元分析软件的计算模型的结果。模型以在几何形状上类似于图1中示出的几何形状的盘形腔开始，多个开口初始被填充空气，由初始以二氧化碳填充的更加大的体积环绕。图6的水平轴显示时间，垂直轴显示腔中二氧化碳的平均浓度。曲线的斜率显示随着时间流逝扩散发生，并且腔中二氧化碳的浓度增加。

图6中每个曲线代表不同的腔半径。所有其他几何参数相对于腔半径成比例。浓度对于具有更小直径的腔变化得更加快速。气体测量系统的响应时间通常由T90值描述，系统记录到应用的气体浓度变化的90％所花费的时间。对于许多潜在的应用，要求T90小于1。参照图4，气体测量系统的优选实施例将具有小于5mm的腔半径。进一步潜在的应用、诸如呼吸监测要求T90小于或等于100ms。具有小于2mm的腔直径的实施例对于这种应用是有利的。

图7示出使用MEMS工艺制造的根据本发明的示例声学传感器的方面。为了使得能够在毫米或亚毫米长度尺度上进行实际制造，MEMS气体测量系统的侧壁、端壁、发射器和接收器包括不同材料的薄层的堆叠。此结构与微机电系统(MEMS)制造方法兼容，其使得能够进行实际生产。

MEMS工艺包括微米尺度的3D结构的构造。尽管具有与已建立的半导体生产工艺有重叠，MEMS通过生产具有机械变形能力的结构而被区分。MEMS加工技术的范围存在，其全部典型地应用至平面的、盘形晶片的材料。工艺包括深反应离子刻蚀(DRIE)、硅刻蚀、激光加工以及光刻、电铸和注塑(LIGA)。MEMS技术被用于制造宽范围的传感器，包括加速度计、陀螺仪、磁力计和麦克风。

MEMS工艺良好地适于与这里描述的共振声学传感器中使用的几何形状类似的3D结构的生产。例如，LIGA和DRIE均能够在高达1mm厚的晶片上制造近似垂直的壁。这些壁的表面加工能够通过操作过程参数而被调整，以提供其机械特性的精确控制。这些刻蚀结构的总体轮廓通过在前的光刻工艺控制，由此提供制造包括圆筒形室和如在惯性传感器中使用的更复杂的梳状结构在内的一系列形状的灵活性。

3D结构典型地通过组装和选择性地结合晶片尺度的多层材料而被制造。这些可在其组装之前或之后被刻蚀，由此对于所组装的结构的最终形状提供进一步的灵活性。晶片层的厚度可通过大量磨削过程被精确地控制。结合抵抗刻蚀的纳米尺度的氧化物层，刻蚀结构的厚度可被精确控制以匹配大块晶片的厚度。这些氧化物层另外可被沉积在三维结构上，以在随后的刻蚀过程期间防止材料去除。

MEMS工艺的精确性使得能够以优于一微米的几何公差制造亚毫米结构。这些特征能够被用于制造诸如那些在这里提出的腔结构，该腔结构在尺寸上用大尺度模制或机加工工艺不可行。直径小于5mm的结构因此良好地处于MEMS工艺的能力范围内。

多种材料与MEMS生产工艺兼容。硅、聚合物、金属和陶瓷可使用以上描述的方法被加工，以及应用涂层以影响其电特性或加工特性。此材料灵活性提供根据其期望的电性能和机械性能(例如，其对声共振的响应)来选择和组合材料的自由。

图7A示出在本发明的制造中使用的材料的平面层的堆叠。第一材料的第一层73的上表面选择性地被第二材料的图案化层74掩蔽。第一层被堆叠在两个其它层之上，该两个其它层中的上层75具有不同于第一层的材料，该两个其它层中的下层76具有相同的材料。在优选实施例中，第一材料为硅，第二材料为聚合物，且第三材料为氧化物。

图7B示出刻蚀过程的结果，其从第一层的未掩蔽区域移除材料，留下将形成侧壁的部分77的材料。下方的层75大致不受刻蚀过程影响。在优选实施例中，化学品被用于刻蚀过程中，其与第一层高度反应，但不与下方的层反应。在优选实施例中，刻蚀剂包括氯浆。

若干结合过程被用于MEMS生产中。这些结合过程包括共晶结合，阳极结合和玻璃料结合。例如在结合两个对称室以产生中空、闭合的腔中，这些结合过程能够用于若干目的。结合技术的选择将受其机械特性影响，并且在必须密封闭合腔的场合，受其对包含在腔内的气体的扩散阻抗影响。图7C示出包括图7B中示出的两个结构的示例，一个相对于另一个翻转，以共晶结合78结合以形成腔79。

用于机械致动和换能的若干技术已经被开发用于MEMS设备。这些技术中的许多适合于声学共振的激发和检测。可被考虑用于此应用的技术包括压电致动器、静电式致动器和电容式致动器。

图8示出根据本发明的具有两种不同的换能装置的另外的声学传感器。图8A描述具有图7C中描述的相同的层结构的声学传感器的实施例，增加有结合至端壁的外边缘的压电材料层80。此构造能够提供所谓的“弯曲模式换能器”，其中横穿压电材料层的厚度产生的电场引起端壁的平面内的材料的尺寸的变化。由于与端壁的结合，此尺寸变化导致端壁75垂直于端壁的平面的位移。

图8B示出包括图7C中描述的相同层结构的另一声学传感器，增加有：用作第一电极的导电层81；由另一平面刻蚀层形成的绝缘或半导体结构82，其在第一电极上方形成气体填充或疏散腔83；和形成第二电极的第二导电层84。电位差被施加在第一导电电极和第二导电电极之间，导致端壁75在垂直于端壁的平面的方向上位移。

将特定用途集成电路(ASIC)作为较大的MEMS结构合并至相同硅晶片基底上对于MEMS设备是常见的。这提供若干优点，包括减小的整体尺寸和更低成本的可能性。

根据本发明的传感器的功耗受换能器的重量影响，换能器的重量又与设备的几何尺寸有关。由相同材料制造的较小的换能器具有较小的重量，因此需要较少的动能以给定速度移动。减小的功耗对于便携式应用是特别期望的，在便携式应用中，电源为电池或能量收集装置。

MEMS设备能够被成本有效地生产的一个主要原因在于许多设备可由单个材料晶片生产。以上描述的过程因此被并行地(批量地)应用至许多设备，由此显著地减少生产时间和成本。

图9示出生产步骤的实施例，其中单个材料晶片90被用于多个传感器91的制造中。

理想气体的声速c取决于其温度T，如等式所示：

当计算气体成分时，因此必要的是准确地监测所测量的气体的温度。在声学传感器中，可能有利的是将温度传感器集成至使用MEMS或半导体生产工艺的相同部件中；这可在也形成共振声腔的材料晶片上。

图10A示出根据本发明的MEMS气体测量系统的方面，其中温度传感器100被设置在形成声学传感器的腔的侧壁的晶片101上，该声学传感器具有图7C中描述的相同的层结构。此实施例具有通向腔103的多个开口102，以允许腔103和周围环境之间的气体扩散。

与以上的情况相反，在气体的成分已知并且固定的场合，其声速的测量能够被用于确定气体温度。这可通过包含已知成分的参考气体的共振声腔的构造而实现。这能够被用作独立温度测量系统，或者被用作用于气体测量系统的补偿装置。

参考和测量腔的一体化可被实现为使得，它们能够密切热接触，并且已知参考气体的温度等于测量气体的温度。例如，这能够通过腔分享共同的端壁而实现。小尺度的MEMS设备提供的优点在于，其实现低热质量的传感器，该低热质量的传感器可快速达到与其周围环境的热平衡。

图10B示出使用与图7中的那些材料层类似的材料层形成的MEMS气体测量系统的实施例的方面，其中具有多个开口102的第一声腔103与包含已知气体的密封参考腔105分享共同的端壁104。

图11示出呼吸监测系统的示例，声学传感器安装在呼吸气体流中。图11A示出在吊杆110上接近人患者的嘴部的传感器。图11B示出安装在护口器类结构上的传感器110。箭头表示进出佩戴者的呼吸系统的气流。图11C示出安装在面罩上的传感器110。

呼吸气体的监测用于提供关于肺灌注、肺泡通气量、呼吸模式和速率、以及CO₂产生和排出的信息。呼吸监测还提供代谢和循环性能的间接信息。通过监测呼出气体提供的信息可被用于提高呼吸由通气设备支持的严重患病患者(人和动物)和处于麻醉的患者的疗效。另一重要的急救护理应用为评估正确的气管插管放置。进一步的应用包括运动表现监测；诸如哮喘和COPD的慢性呼吸情况的监测；肺活量的测量；使用镇痛剂的患者的监测。

这里描述的声学传感器的许多应用中的一个是作为呼吸监测系统。许多呼吸监测设备在整个呼吸周期测量气体特性的变化(而不是测量单个样本)。为此，时间分辨率是重要的，少于100ms的传感器响应时间是期望的。图6示出腔半径应当小于2mm以实现100ms的T90。

呼出气中的水蒸气改变气体特性。在呼吸监测系统的优选实施例中，出于水蒸气的影响对MEMS气体测量系统的输出进行补偿。典型的低成本水蒸气传感器具有远慢于100ms的响应时间。图12示出描述呼吸监测系统的更优选实施例的方块图，该呼吸监测系统使用算法以估算在呼吸周期中排出气体的水蒸气含量。

Claims (32)

1.一种声学传感器，包括：

侧壁，在每个端部处由端壁封闭以形成腔，该腔在使用中包含流体；

至少一个发射器和至少一个接收器，与所述端壁中的一个操作性关联；

其中所述腔的最大半宽度a和所述腔的高度h满足以下不等式：

a/h大于1.2；并且

其中，在使用中，所述发射器引起所述端壁的与所述发射器操作性关联的区域在大致垂直于所述端壁的平面的方向上的振荡运动；

从而所述端壁的垂直振荡驱动所述腔中的流体压力的大致面内振荡；并且

所述流体压力的大致面内振荡驱动所述端壁的与所述接收器操作性关联的区域的大致垂直振荡运动，由此导致来自所述接收器的电信号。

2.根据权利要求1或2所述的声学传感器，其中h²/a大于4×10^-10m。

3.根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中所述腔中的流体为气体，并且其中比率h²/a大于1×10^-7m。

4.根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中所述发射器和所述接收器的位置对应于所述腔的径向声学模态的波腹。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的声学传感器，具有腔，该腔具有大致圆形横截面。

6.根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，具有腔，该腔在所述端壁的平面内具有椭圆形横截面。

7.根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中所述流体压力的面内振荡为径向压力振荡。

8.根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中发射器和接收器彼此机械隔离。

9.根据权利要求8所述的声学传感器，其中所述发射器与所述接收器借助与它们的端壁关联的刚性支撑件隔离。

10.根据权利要求8所述的声学传感器，其中所述发射器与所述接收器借助与它们的端壁关联的柔性元件隔离。

11.一种MEMS气体测量系统，包括：

声学传感器，包括：

侧壁，在每个端部处由端壁封闭以形成大致圆筒形的腔，该大致圆筒形的腔在使用中包含流体；

与至少两个换能器操作性关联的两个端壁，所述至少两个换能器中的至少一个为发射器，并且所述至少两个换能器中的至少一个为接收器；

其中所述腔的最大宽度的一半a和所述腔的高度h满足以下不等式：

a/h大于1.2；并且

其中，在使用中，所述发射器引起所述第一端壁的与所述发射器操作性关联的区域在大致垂直于所述端壁的平面的方向上的振荡运动；

从而所述端壁的垂直振荡驱动所述腔中的流体压力的大致面内振荡；并且

所述流体压力的大致面内振荡驱动所述第一端壁的与所述接收器操作性关联的区域的垂直振荡运动，由此导致来自所述接收器的电信号；

驱动电路，被操作性地连接至所述发射器，被配置为供应振荡信号；和

测量电路，被操作性地连接至所述接收器，被配置为提供指示所述传感器对所述腔内气体改变的响应的信号；

其中所述侧壁、所述端壁、所述发射器和所述接收器包括一个或多个厚度小于1mm的材料的大致平面层；并且

其中a小于5mm。

12.根据权利要求11所述的MEMS气体测量系统，其中至少一个平面层为晶片的一部分，并且该晶片在制造过程中为多个声学设备所共用。

13.根据权利要求11所述的MEMS气体测量系统，其中a小于或等于2mm。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的MEMS气体测量系统，其中所述侧壁和所述端壁由对于刻蚀剂具有化学反应性的材料和对相同的刻蚀剂具有化学惰性的材料形成。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的MEMS气体测量系统，其中所述侧壁和所述端壁分别包括硅层和氧化物层。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的MEMS气体测量系统，其中所述侧壁由通过共晶结合被接合的两层晶片材料组成。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的MEMS气体测量系统，其中所述发射器和/或所述接收器包含压电材料层。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的MEMS气体测量系统，其中所述发射器和/或所述接收器包含电容式换能器或静电式换能器。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的MEMS气体测量系统，其中所述驱动电路和/或测量电路被集成在与所述声学传感器共用的层上。

20.根据权利要求11至19中任一项所述的MEMS气体测量系统，其中温度测量装置被集成在与所述声学传感器共用的层上。

21.根据权利要求20所述的MEMS气体测量系统，其中所述温度测量装置包括第二声学传感器，该第二声学传感器对密封在该第二声学传感器的腔内的气体的温度改变作出响应。

22.根据权利要求21所述的MEMS气体测量系统，其中所述第一声学传感器和所述第二声学传感器分享共同的端壁。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的MEMS气体测量系统，其中所述温度传感器用于补偿所述MEMS气体测量系统的输出。

24.一种呼吸监测系统，包括

如前述权利要求中的任一项所述的声学传感器或MEMS气体监测系统；和

用于大致在呼吸气流内支撑所述MEMS气体测量系统的装置。

25.根据权利要求24所述的呼吸监测系统，其中所述腔的半径小于2mm。

26.根据权利要求24至25中任一项所述的呼吸监测系统，进一步包括：用于测量呼吸气体的温度的装置；和算法，用以由所述呼吸气体的温度估算整个呼吸周期中的所述呼吸气体的水蒸气含量。

27.根据权利要求24至26中任一项所述的呼吸监测系统，进一步包括电源，其中所述系统为独立的并且足够紧凑和轻量，以被安装在使用者的头部。

28.根据权利要求27所述的呼吸监测系统，其中所述呼吸监测系统具有小于30g的重量。

29.根据权利要求27至28中任一项所述的呼吸监测系统，其中所述电源包括从所述呼吸气体或环境收集能量的装置。

30.根据权利要求24至29中任一项所述的呼吸监测系统，进一步包括无线发射器。

31.根据权利要求24至30中任一项所述的呼吸监测系统，进一步包括防止液体或固体进入所述腔和/或阻止空气向所述腔中扩散的装置。

32.一种温度测量系统，包括根据权利要求1至23中任一项所述的声学传感器或MEMS气体测量系统，其中所述腔包含已知的参考气体。