CN108225203B - 一种两维物理量并行检测的mems传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种两维物理量并行检测的MEMS传感器，所述两维物理量为微音和温度，所述MEMS传感器包括：微音传感器和温度传感器；两传感器并联；所述微音传感器为悬臂梁数目大于一的微音传感器。本发明提供的MEMS传感器，采用多梁结构悬臂梁更有利于光声光谱长期稳定的工作，可利用不同灵敏度悬臂梁的强度和硬度不同的特性，当灵敏度较高的悬臂梁因声压太大发生断裂时，依然可以选择其他悬臂梁作为微音器继续检测，实现传感器灵敏度和可靠性的统一；融合了温度传感器有利于消除温度对悬臂梁微音器检测的误差，提高了光声光谱检测的精度。
Description
技术领域
本发发明涉及一种传感器，具体讲涉及一种两维物理量并行检测的MEMS传感器。
背景技术
21世纪以来，随着全球能源互联网的发展和人民生活水平的不断提高，电网的规模和供用电电压等级越来越高，尤其是随着高压工程的应用，变压器的容量也在不断扩大，从而导致变压器的故障率和修复时间也在不断增加。因此，对变压器状态进行监测十分重要。研究表明变压器绝缘油中溶解气体的检测是分析电力变压器诊断故障类型的最有效方法之一，因此对变压器绝缘油中气体进行实时检测从而分析变压器故障类型，对于降低变压器的故障几率，确保电力系统的供电可靠性具有重要意义。
光声光谱技术可用于多种物理量的检测，并且能够实现真正意义的连续、实时在线测量，因此，近年来光声光谱技术已成为变压器绝缘油中溶解气体的在线监测的首选技术方案之一，也是目前用于分析其变压故障类型的一种最有效和高精确的检测方式之一。光声光谱是一种基于光声效应发展起来的光谱技术，它通过测量物质由吸收光能转变为声场强度，来进行物质的定性定量分析。与传统的在线监测技术相比，光声光谱不仅避免了对被测样品和载气的消耗，而且也不需要较复杂的气路控制系统和气体组分分离过程。在对变压器油溶气体检测时，光声池内的气体吸收调制光能，将其转化为声波，再由安装在光声池壁上的微音器检测声信号。因此，光声光谱气体检测系统的灵敏度与微音器性能有密切关系。
微音器是光声光谱技术中的主要传感器件，也是光声光谱的核心部件，其传感精度和稳定性直接影响光声光谱设备的准确性和可靠性。传统的微音器主要为电容式微音器。电容式微音器发生振动时，弹性薄膜随压力变化产生径向拉伸，因而位移响应并非严格线性。随着MEMS技术的发展，微悬臂梁式微音器应运而生。相比电容式微音器，悬臂梁微音器受到时变的压力时，其自身极薄的硅悬臂只发生弯曲，而不被拉伸，因此在相同压力下，悬臂梁微音器中悬臂自由端的位移幅度比电容式微音器中薄膜的位移幅度大两个量级。并且当悬臂位移小于10μm时，其位移呈严格线性变化，且具有较大的动态范围。因此，选用悬臂梁微音器更有利于系统灵敏度的提高。但是悬臂梁微音器多采用单梁结构，其精度、灵敏度及可靠性均受单梁影响，如果在检测气体的过程中，气流导入速度过快或流量过大，将使悬臂梁发生断裂并最终终止检测，从而影响检测的精度和稳定性。此外，光声腔中存在着温度、声音、气体等复杂的多物理量，其中温度的变化同样能使悬臂梁产生形变，从而影响着光声光谱技术检测的灵敏度和稳定性。
发明内容
要解决现有技术的不足，本发明提供了下述技术方案来实现的：提供一种两维物理量并行检测的MEMS传感器，所述两维物理量为微音和温度，
所述MEMS传感器包括：微音传感器和温度传感器；
两传感器并联；
所述微音传感器为悬臂梁数目大于一的微音传感器。
优选的，所述微音传感器与所述温度传感器间依次设有粘附层、反光层和绝缘层。
优选的，所述微音传感器包括座和梁。
优选的，所述座的上端设有纵向竖直设置的所述梁，所述座下部外侧设有所述温度传感器。
优选的，所述梁为不均等的梁，其长宽比为[4,10]；
两相邻所述梁间的距离相等。
优选的，所述微音传感器由单晶硅构成；
所述粘附层为钛膜；
所述反光层为金膜；
所述绝缘层为二氧化硅膜；
所述温度传感器为热电阻式温度传感器，由PT100铂电阻构成。
优选的，所述温度传感器的电阻和温度的关系包括：
当-200℃<t<0℃时，Rt＝R0[1+At+Bt+Bt2+C(t-100)t3]；
当0℃<t<850℃时，Rt＝R0(1+At+Bt+Bt2)；
式中，Rt：在t℃时的电阻值；R0：在0℃时的电阻值；A＝3.9083×10-3℃-1；B＝-5.775×10-7℃-1；C＝-4.183×10-12℃-1；t：温度。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1、本申请提供的技术方案，采用多梁结构悬臂梁更有利于光声光谱长期稳定的工作，可利用不同灵敏度悬臂梁的强度和硬度不同的特性，当灵敏度较高的悬臂梁因声压太大发生断裂时，依然可以选择其他悬臂梁作为微音传感器继续检测，实现传感器灵敏度和可靠性的统一。
2、本申请提供的技术方案，采用多梁结构微音传感器的检测范围比目前单梁结构微音传感器更广，同时可通过多个梁结构的定制化设计，开发出具有多种灵敏度选择的传感结构。
3、本申请提供的技术方案，融合了温度传感器有利于消除温度对悬臂梁微音传感器检测的误差，提高了光声光谱检测的精度。
4、本申请提供的技术方案，采用反光层和粘附层的设计，其中金膜反光层用于增加悬臂梁表面的反光性，便于光声光谱中迈克尔逊干涉仪或光杠杆法测量悬臂梁弯曲量，而钛膜则作为金膜和顶层硅间的粘附层，保证结构的稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的MEMS传感器的主视图；
图2为本发明提供的图1的A-A剖面图；
图3为本发明提供的MEMS传感器的俯视图；
其中，1—微音传感器；1-1—梁；1-2—块；2—温度传感器；3—粘附层；4—反光层；5—绝缘层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1至图3所示，本实施例提供的MEMS传感器，所述两维物理量为微音和温度，
所述MEMS传感器包括：微音传感器和温度传感器；两传感器并联；所述微音传感器为悬臂梁数目大于一的微音传感器；所述微音传感器与所述温度传感器间依次设有粘附层、反光层和绝缘层；微音传感器与粘附层相连、粘附层与反光层相连、反光层与绝缘层相连、绝缘层与温度传感器相连；所述微音传感器包括座和梁；所述座的上端设有纵向竖直设置的所述梁，所述座下部外侧设有所述温度传感器；所述梁为不均等的梁，整体尺寸不均等，长宽高其中一项不均等即为不均等的梁，其长宽比为[4,10]；两相邻所述梁间的距离相等；所述微音传感器由单晶硅构成；所述粘附层为钛膜；所述反光层为金膜；所述绝缘层为二氧化硅膜；所述温度传感器为热电阻式温度传感器，由PT100铂电阻构成；所述温度传感器的电阻和温度的关系包括：
当-200℃<t<0℃时，Rt＝R0[1+At+Bt+Bt2+C(t-100)t3]；
当0℃<t<850℃时，Rt＝R0(1+At+Bt+Bt2)；
式中，Rt：在t℃时的电阻值；R0：在0℃时的电阻值；A＝3.9083×10-3℃-1；B＝-5.775×10-7℃-1；C＝-4.183×10-12℃-1；t：温度。
如图1至3所示，本发明提供的MEMS传感器包括悬臂梁微音器和温度传感器，其中，微音器用于检测光声池内的声音信号，其检测原理是当周围气压变化时，悬臂梁微音器会感应这一变化并产生形变，此时，通过激光和微型迈克尔逊激光干涉仪对悬臂梁的形变进行检测，从而可以分析故障气体是否存在及并确定其含量。同时，该微音器为多梁结构的悬臂梁，其中多个悬臂梁可根据需求设计相同或不同的尺寸，图1中仅给出了一种四根梁的尺寸配合，悬臂梁微音器不限于这一种悬臂梁组合，可根据需要增加悬臂梁数量或改变尺寸，开发出具有多种灵敏度选择的传感结构，从而得到各种组合的多梁结构悬臂梁微音器，保证多梁结构悬臂梁具有多种灵敏度和比单梁更广的检测范围。此外，利用不同灵敏度悬臂梁的强度和硬度不同的特性，当灵敏度较高的悬臂梁因声压太大发生断裂时，依然可以选择其他悬臂梁作为微音器继续检测，实现传感器灵敏度和可靠性的统一，从而使多梁结构悬臂梁更有利于光声光谱长期稳定的工作。
由于温度的变化能同样使悬臂梁产生变形，从而会对悬臂梁微音器检测气压信号时产生一些误差，所以本申请在悬臂梁末端部分融合了温度传感器，所用的温度传感器属于热电阻式温度传感器，其测温原理是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来实现温度测量，热电阻可采用PT100铂电阻，其阻值和温度的关系为：
(a)-200℃<t<0℃
Rt＝R0[1+At+Bt+Bt2+C(t-100)t3]
(b)0℃<t<850℃
Rt＝R0(1+At+Bt+Bt2)
其中，Rt为在t℃时的电阻值，R0为在0℃时的电阻值，A＝3.9083×10-3℃-1，B＝-5.775×10-7℃-1，C＝-4.183×10-12℃-1，t为温度。
利用温度传感器可分析温度变化对悬臂梁形变的影响，并分析各个温度下悬臂梁形变的误差值，从而在悬臂梁微音器实际测量过程中消除这个误差，提高了光声光谱检测的精度。
如图1至3所示，本实施例提供的悬臂梁微音器，其基础材料为具有理想的弹性、导热性、稳定性、适用于多种复杂环境和MEMS加工技术的硅基材料，硅基材料可采用单晶硅，同时，利用MEMS加工工艺，典型如光刻，刻蚀，沉积等，对硅基材料进行微纳米加工形成多梁结构的硅基悬臂梁。此外，多梁结构硅基悬臂梁表面设计了一层钛膜和金膜，钛膜和金膜可通过薄膜沉积法沉积，典型如物理气相沉积、化学气相沉积法等，其中金膜用于增加悬臂梁表面的反光的反光层，便于光声光谱中迈克尔逊干涉仪或光杠杆法测量悬臂梁弯曲量，而钛膜则作为金膜和顶层硅间的粘附层，保证结构的稳定性。
如图1至3所示，本实施例提供的温度传感器，其设计在微音器的悬臂梁末端部分，传感器为薄膜结构，形状和尺寸可根据不同的需要自由变换，可采用长方形；同时，为了使温度传感器与悬臂梁微音器互不干扰，在温度传感器与悬臂梁微音器之间沉积了一层SiO2薄膜绝缘层。此外，温度传感器为热电阻式温度传感器，其中用于制造温度传感器的热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率、输出最好呈线性、物理化学性能稳定和复线性好等特点，其材料可采用PT100铂；同时，PT100铂电阻的铂薄膜可通过薄膜沉积法沉积，典型如物理气相沉积、化学气相沉积法等。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种两维物理量并行检测的MEMS传感器，其特征在于，
所述两维物理量为微音和温度，所述MEMS传感器包括：微音传感器和温度传感器；
两传感器并联；
所述微音传感器为悬臂梁数目大于一的微音传感器；
所述微音传感器与所述温度传感器间依次设有粘附层、反光层和绝缘层；
所述微音传感器包括座和梁；
所述座的上端设有纵向竖直设置的所述梁，所述座下部外侧设有所述温度传感器；
所述梁为不均等的梁，其长宽比为[4,10]；
两相邻所述梁间的距离相等；
所述微音传感器由单晶硅构成；
所述粘附层为钛膜；
所述反光层为金膜；
所述绝缘层为二氧化硅膜；
所述温度传感器为热电阻式温度传感器，由PT100铂电阻构成。
2.如权利要求1所述的一种两维物理量并行检测的MEMS传感器，其特征在于，
所述温度传感器的电阻和温度的关系包括：
当-200℃<t<0℃时，Rt＝R0[1+At+Bt+Bt2+C(t-100)t3]；
当0℃<t<850℃时，Rt＝R0(1+At+Bt+Bt2)；
式中，Rt：在t℃时的电阻值；R0：在0℃时的电阻值；A＝3.9083×10-3℃-1；B＝-5.775×10-7℃-1；C＝-4.183×10-12℃-1；t：温度。
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