CN112113910A - 光声气体传感器和压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS光声气体传感器和压力传感器，该光声气体传感器包括第一膜和与第一膜相对且通过感测体积与第一膜隔开的第二膜。MEMS光声气体传感器包括电磁源，并且与感测体积通信以偏转第一膜和第二膜。

Description

光声气体传感器和压力传感器
技术领域
本公开涉及一种MEMS光声气体传感器和MEMS压力传感器。本公开还涉及一种双膜光声光谱仪(PAS)传感器。
背景技术
随着移动装置、家庭自动化和汽车行业的发展，环境参数(诸如噪声、声音、温度和气体)的感测变得越来越重要。有害气体浓度可能是由于污染和特定装置的故障而造成的。同时，空气质量对幸福感的影响很大。因此，利用廉价、易得且可连接的传感器进行气体检测是即将到来的课题。
发明内容
因此，实施例的目的是提供允许精确测量环境参数的装置。
根据一个实施例，一种微机电系统(MEMS)光声气体传感器包括第一膜和第二膜，第二膜与第一膜相对并且通过感测体积与第一膜隔开。MEMS光声气体传感器包括与感测体积通信的电磁源。通过使用具有两个膜的膜结构，这两个膜都适于移动或偏转，其中在相反方向上引导移动，使得膜朝向彼此或彼此远离移动，可以获得高信号幅度，这允许通过光声气体传感器精确地确定环境参数。
实施例提供了一种MEMS压力传感器，其包括第一膜和第二膜，第二膜与第一膜通过感测体积隔开。该MEMS压力传感器包括被配置为测量第一膜和第二膜之间的电容的电路。同样，通过具有在相反方向上偏转的两个可偏转膜，可以精确测量环境参数，即压力。
本公开还定义了进一步的实施例。
附图说明
本文参考附图描述实施例，其中：
图1示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器的示意性框图；
图2a示出了根据一个实施例的除了前体积之外还具有后体积的MEMS光声气体传感器的一部分的示意性侧视图；
图2b示出了图2a的MEMS光声气体传感器的部分受到通过前体积到达的干扰的示意性侧视图；
图3示出了根据一个实施例的具有所谓底部端口配置的MEMS光声气体传感器的示意性侧视图；
图4示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器的示意性侧视图，其中电磁源由半导体衬底支撑；
图5示出了根据一个实施例的包括背板结构的MEMS光声气体传感器的部分的示意性侧视图；
图6示出了根据一个实施例的另一MEMS光声气体传感器的部分的示意性侧视图；
图7示出了根据一个实施例的包括至少第三膜的MEMS光声气体传感器的示意性侧视图；
图8示出根据一个实施例的MEMS光声气体传感器的一部分的示意性侧视图，其被实施以独立地测量膜相对固定背板结构的偏转；以及
图9示出了根据一个实施例的包括电路的MEMS光声气体传感器的一部分的示意性侧视图。
具体实施方式
相同或等效元件或具有相同或等效功能的元件在以下描述中用相同或等效的参考标号表示，即使它们出现在不同附图中。
在以下描述中，阐述了多个细节以提供对实施例更彻底的解释。然而，本领域技术人员应理解，实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免混淆实施例，以框图形式而不是详细示出已知结构和装置。此外，除非另有特别说明，否则下文描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
在下文中，参考测量环境参数。一些实施例涉及测量特定气体的浓度和/或气体中的特定物质或材料的存在。这种测量可通过使用实施为光声气体传感器的微机电系统(MEMS)来执行。这也可以称为光声光谱仪(PAS)传感器。这种传感器可用于气体感测，并且可以包括后体积、感测体积和其间的两个膜。布置在感测体积中的特定类型的气体(至少具有浓度或作为纯气体)可通过使用辐射进行激发，从而动态地导致膜的偏转。这种偏转可以被评估，并且可与特定气体相关联。即，不同气体或其中的不同浓度可导致膜的不同行为，不同行为被测量，并由此推断膜之间的气体或其浓度。
图1示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器10的示意框图。MEMS光声气体传感器10可包括衬底12，其可至少部分地通过使用半导体材料形成。例如，衬底12可包括硅材料。备选地或附加地，衬底12可包括不同的半导体材料，诸如砷化镓等。衬底12可通过使用加法工艺(例如，生长对应结构)形成或成形。备选地或附加地，可使用减法工艺(例如，蚀刻工艺)，使得衬底12的结构从较大主体保留。
MEMS光声气体传感器包括第一膜141以及与第一膜141相对的第二膜142。膜141和142可通过感测体积16彼此隔开。感测体积16可允许气体或其粒子从感测体积16外的前体积18移动到感测体积16中，例如基于扩散和/或基于前体积18与感测体积16之间气体的缓慢交换，其中“缓慢”是指被理解为非声学的速度。
MEMS光声气体传感器10包括与感测体积16通信的电磁源22。电磁源可被配置为生成和/或向感测体积16发射能量24，从而激励感测体积16中的气体和/或粒子。即，电磁源可被配置和/或布置为使第一膜141和/或第二膜142偏转。两个膜141和142都可相对于衬底偏转，例如沿着同一方向z。通过激励感测体积16，可产生膜141和142的彼此相对的移动。例如，膜141可沿负z方向偏转，而同时，由于感测体积16内的膨胀，膜142沿正z方向偏转。备选地，膜141可沿正z方向移动，而同时，膜142沿负z方向移动。
电磁源22可被配置为动态地发射能量24，以便产生膜141和142的动态移动，使得所描述的移动可被理解为膜141和142的振动，其中生成相应的振动以显示关于相应其它膜141或142的反向。
评估相对的移动(例如，通过评估膜141和142之间的电压或电容)可允许通过具有较高幅度的相对移动(与仅一个可移动或可偏转膜关于定子电极的移动相比)来对感测体积16进行精确测量。同时，该结构允许对例如可通过前体积18传播到膜布置141和142的声学噪声具有高鲁棒性。这种声学噪声(例如，声压)可导致膜141和142沿着同一方向偏转，由此会容易与由电磁源22生成的移动区分开来，这允许进行简单补偿。
膜141和142可包括半导体材料，例如硅材料，例如晶体或多晶硅。半导体材料可以是掺杂半导体材料，以便获得允许将该结构用作电极的导电特性。备选地或附加地，导电层可布置在半导体材料处，例如包括金属材料(例如，金、银、铝、铜等)的层。
电磁源22可被配置为生成和/或发射能量24作为电磁能量。例如，电磁源22可实施为被配置为将能量24发射为红外信号的红外源。例如，电磁源22可以是加热器。电磁源22可包括导电材料(例如，掺杂硅材料或布置在衬底材料表面处的导电材料)，其被配置为响应于电流而提高温度。
图2a示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器20的一部分的示意性侧视图，与MEMS光声气体传感器10相比，除了前体积18之外，其还具有后体积26。前体积18和后体积26之间的区别在于，待测量的流体或气体以及干扰可到达前体积18处的膜141和142，同时通过后体积26被大量或完全阻塞(至少部分地)。加热器22是MEMS光声气体传感器20的一部分，但未在图2a中示出。
在图2a中，膜141和142还示为处于偏转状态14'1和14'2，这可通过电磁源22的激励而获得。
为了避免后体积26中的高压，形成后体积26的衬底12可包括允许气流的一个或多个开口。
换句话说，光声信号可在感测体积16内生成压力。这会导致膜朝相反方向移动。
图2b示出了图2a的MEMS光声气体传感器20的部分受到通过前体积18到达的干扰28的示意性侧视图。干扰28可包括外部压力，例如声压等。干扰28可导致膜141和142沿同一方向(例如，正z)的偏转14'1和14'2。与图2a中的相反移动相比，这种移动可保持对膜141和142之间的测量信号32的测量值没有显著影响。例如，与图2a相比时，图2b中的移动可使膜141和142之间的电容保持不变或者会导致微小变化，其中图2a的移动会导致可在测量信号32中容易确定的显著变化。
也就是说，本文描述的MEMS光声气体传感器的具体设计可用于消除噪声。实施例涉及所谓的开放系统PAS传感器概念，并降低这种系统对声学噪声的灵敏度。
根据一个实施例，MEMS光声气体传感器20被修改，使得膜141的机械刚度和膜142的机械刚度以不同方式实施，即，两者的机械刚度可相对于彼此变化。例如，可以选择机械刚度，使得声学信号(例如，从前体积28经过感测体积16到后体积26的干扰28)导致膜141和膜142在例如±10％、±7％或±5％的公差范围内的相同偏转幅度。例如，可以容易地确定膜141和减少膜142上的机械力的感测体积16对声学信号的衰减，并且可以通过选择膜141和/或142的机械刚度来进行考虑，以便至少对于参考力幅度具有相同的偏转(至少在公差范围内)。
换句话说，声学信号的压力可导致膜在同一方向上移动。可容易区分光声信号和声学信号。
图3示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器30的示意性侧视图。感测体积可布置在体积18和26之间，体积18和26例如示为所谓的底部端口配置，即，前体积18分别布置在后体积26、感测体积16下方。应注意，如左、右、下或上的表述仅用于解释，通过旋转装置，可以容易地改变这种描述的含义。例如，可以对MEMS光声气体传感器30进行修改以在前体积18的区域中闭合壳体34，并且通过打开壳体34，使得气体和/或干扰可通过后体积26到达膜141和142，从而将配置变为顶部端口配置并互换前体积和后体积的含义。
备选地或附加地，膜141和/或膜142可包括开口(例如，通风孔361-364)，对于每个膜141和142，开口的数量为一个以上、五个以上、十个以上、甚至更多。
膜141中任选的一个或多个开口361和362可使前体积18与感测体积16流体耦合，即，流体(即，气体)的交换可在体积16和18之间发生。气体分子的交换可以被调整(例如，通过开口361和/或362的数量和/或大小)以允许气体分子，特别是通过MEMS光声气体传感器检测的气体分子的传输。可代替或另外地，膜142中的一个或多个开口363和364可使后体积26与感测体积16流体耦合。根据一个实施例，开口361-364各自形成有一尺寸，以阻挡声频。开口的数量和常见、分组的不同或甚至个别的尺寸可以以下方式来设计：获得优化，以阻止声频并允许气体扩散到感测体积。例如，可以在用于快速气体交换的一个或多个大开口和用于良好阻挡声频的小开口之间进行权衡。开口允许将流体交换到感测体积16，由此允许在修改的环境中修改测量，同时避免声学短路，从而允许高质量的测量。
如图1、图2a、图2b和图3所示，衬底12可包括开口38，并且可以另外以膜141和142覆盖开口38的方式支撑膜141和142。
图4示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器40的示意性侧视图，其中，电磁源22被半导体衬底12支撑。这允许一方面获得紧凑的装置，另一方面生成能量24沿其发射的方向。例如，半导体衬底可用作能量24的反射器或导向器。任选地，电磁源可被覆盖层42(例如，用于使特定波长被过滤或通过的滤波器)所覆盖。可代替或另外地，覆盖层42可提供对电磁源22的化学和/或电气和/或物理保护。
图5示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器50的部分的示意性侧视图。MEMS光声气体传感器50可包括电极结构44，例如，当与可移动或可偏转膜141和142相比时可被视为不可移动的背板结构。背板结构44可在感测体积16中布置在膜141和142之间。通过将背板结构44实施为另一电极，可以分别在膜141与背板结构44之间、膜142与背板结构44之间独立地测量两个测量信号321和322。这可以允许高精度的测量。背板结构44可包括开口46，其尺寸与开口36相比可以较大以避免声学阻挡，特别是防止在膜141和142与背板结构44之间生成压力。
如结合不同MEMS光声气体传感器所述，MEMS光声气体传感器50包括未示出的电磁源22，并且可以进一步布置为使得感测体积16被布置在第一体积和第二体积(例如，前体积和后体积)之间。
图6示出了MEMS光声气体传感器的部分的示意性侧视图，即未示出电磁源22。与MEMS光声气体传感器50相比，MEMS光声气体传感器60可包括机械地耦合在膜141和142之间的连接件481-483。例如，连接件481-483可穿过背板结构44的开口46。可代替地，MEMS光声气体传感器60可以在没有背板结构44的情况下实施。在这两种配置中，MEMS光声气体传感器60允许连接件481-483的区域中的低偏转量。
可选地，连接件可将感测体积16划分为多个部分感测体积16a-16d。电磁源可被配置为在邻近部分感测体积中引起膜141和142的邻近或相邻部分的交替弯曲。例如，膜141和142可以在部分感测体积16a-16d中的一个中彼此朝向偏转，并且可以在相邻的部分感测体积中彼此远离偏转。为了引起交替弯曲，可以控制电磁源以提供在振幅和/或时间上可以变化的瞬态功率信号，例如正弦信号或矩形斩波信号。一些部分感测体积16a-16d可以是任意的，并且可以例如通过机械参数来选择。例如，可以选择连接件481-483之间的距离，使得在部分感测体积中出现最大或最小幅度的弯曲。
可代替或另外地，连接件481-483之间的距离和/或部分感测体积16a-16d的大小可以在考虑基于部分感测体积16a-16d的大小获得的谐振频率的情况下进行选择。可以任何数量和/或任何几何形式布置的连接件481-483可以是电绝缘的，或者可代替地，可以是导电的。
图7示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器70的示意性侧视图。当与MEMS光声气体传感器10、20、30、40、50和60相比时，MEMS光声气体传感器70可包括至少第三膜143，第三膜143被布置为与膜142相对并形成附加感测体积162，加至膜141和142之间的感测体积161。例如，考虑到大小和/或其中包含的气体或感测体积161和162敏感的材料，感测体积161和162可彼此不同。例如，在不同的感测体积161和162中，可以执行不同的测量。任选地，MEMS光声气体传感器70可包括又一电磁源，其被配置为与电磁源22相比，以不同的能级、同时以不同的波长范围或不同频率或者不同的时间发射相应的能量。
MEMS光声气体传感器70可以与MEMS光声气体传感器10、20、30、40、50和/或60一样，通过半导体材料的分层和结构化由相同的单片形成。
根据一个实施例，感测体积161和162可以彼此相邻布置，被膜142分开。根据另一实施例，感测体积161和162可以彼此间隔布置，例如通过又一个第四膜，使得两个感测体积161和162可以彼此独立地被激发，因为每个感测体积被与该感测体积专门相关联的一对膜包围。可代替地，通过布置第四或者甚至更多数量的膜，可生成更多数量的感测体积。
在一个或多个感测体积161和162中，可以布置背板结构。
图8示出了MEMS光声气体传感器80的一部分的示意性侧视图，其中电磁源22再次未示出。与本文描述的其他MEMS光声气体传感器相比，MEMS光声气体传感器80可以被实施以独立地测量膜141相对于固定背板结构441的偏转，并且另外测量膜142相对于另一固定背板结构442的偏转。可以独立地选择相关联的背板结构441、442分别在相应膜141、142下方或上方的位置。这可以允许在评估测量结果时具有高选择性。这还允许在单独的制造工艺中制造第一(例如，上部)组(膜142、固定背板结构442和相邻衬底122)和第二(例如，下部)组(膜141、固定背板结构441和相邻衬底121)。例如，这些组可以通过接合工艺而接合到一起。
图9示出了根据一个实施例的MEMS光声气体传感器90的一部分的示意性侧视图。例如，MEMS光声气体传感器90可包括MEMS光声气体传感器10，其中，可代替或另外地，可布置本文描述的任何其它MEMS光声气体传感器。此外，MEMS光声气体传感器90包括被配置为处理由膜141和142的偏转生成的至少一个信号(例如，测量信号32)的电路，例如处理器，诸如中央处理单元(CPU)或微控制器或专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。例如，电路52可被配置为将测量信号32与感测体积16中的流体的特性相关联。
结合MEMS光声气体传感器来描述本文描述的实施例。根据进一步的实施例，提供MEMS压力传感器。如结合MEMS光声气体传感器所述，根据实施例的MEMS压力传感器可包括彼此隔开以在两者之间形成感测体积的第一和第二膜。压力传感器可包括被配置为例如通过使用电路52测量第一膜和第二膜之间的电容的电路。即，代替评估膜141和142在相反方向上的偏转，还可以评估沿同一方向的偏转，其中该偏转可与作用在感测体积16上的压力相关联。
本文描述的PAS传感器可包括感测体积和后体积，并且可选地包括前体积。在后体积和感测体积之间放置膜。在感测体积和环境(前体积)之间放置第二膜。膜的移动可通过机械方式耦合(例如通过使用连接件)或者通过中间空气或流体耦合。由于膜的布置，光声信号可与声学噪声区分开来。当与具有用于消除噪声的第二装置的解决方案相比时，实施例允许使用相同的装置获得精确的测量，从而避免需要用于校正的附加装置。任选地，电磁源(例如，红外发射器)和两个膜可在一个芯片中实现，从而产生较小的封装尺寸。
实施例可包括三个可能的主要部件，它们连接在可容易构建的设置中并且可以增强传感器的功能。第一部件是具有Bosch孔以生成用于膜的空腔的块状硅框架。第二部件可以是在第一部件的空腔或孔上对准的第一膜或薄结构。另外，第三部件可以是与第一部件关联描述的空腔或孔上对准的第二膜或薄结构。该膜位于第一膜的上方。
可选地，可以添加其他部件。其中，在膜之间存在背板结构，用于更复杂的读出。可代替或另外地，可以在膜之间布置连接元件，以增强膜在声学噪声的影响下的统一移动，例如连接件。
实施例允许通过电容、压电或感应读出实现的膜移动的检测。可通过两个膜中的通风孔实现将气体扩散到感测体积。相同的通风孔可用于静压补偿。任选地，发射器被放置在膜堆叠旁边的同一芯片上。
在正文中进一步说明：所述实施例可形成光声光谱仪(PAS)传感器的感测子部分，即部件。该设置也可用作缓慢瞬态压力传感器。在目标PAS传感器中，读出可经由压敏膜实现。为了区分想要的传感器信号与噪声，可以使用两个膜来实施差分读出。实施例涉及概念、传感器和方法，以经由一个接一个定位的两个膜来实现差分读出(与并排布置相反)。感测体积可布置在膜之间。声学噪声可导致膜在同一方向上的偏转，而光声信号可导致膜在相反方向上的偏转。由此，可以区分噪声信号和传感器信号。
实施例允许获得小型化的PAS传感器。这种传感器可用于具有声学噪声(例如，语音、音乐、环境噪声等)的环境中。
尽管在装置的上下文中描述了一些方面，但是明显地，这些方面还表示对应方法的描述，其中块或装置对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项或特征的描述。
上述实施例仅仅是对本公开原理的说明。应当理解，对本领域技术人员来说，本文描述的布置和细节的修改和变化将是显而易见的。因此，仅通过即将提出的专利权利要求的范围来限制，而不由通过本文实施例的描述和解释而呈现的具体细节限制。

Claims (18)

1.一种MEMS光声气体传感器，包括：
第一膜(141)；
第二膜(142)，与所述第一膜(141)相对并且通过感测体积(16)与所述第一膜(141)隔开；以及
电磁源(22)，与所述感测体积(16)通信。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一膜(141)设置在所述感测体积(16)与第一体积(18)之间，并且所述第二膜(142)设置在所述感测体积(16)与第三体积(28)之间。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述第一体积(18)是前体积，并且所述第三体积(28)是后体积；或者其中所述第一体积(18)是后体积，并且所述第三体积(28)是前体积。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中选择所述第一膜(141)的第一刚度和所述第二膜(142)的第二刚度，使得从所述前体积(18)传播通过所述感测体积(16)到达所述后体积(28)的声学信号(28)引起所述第一膜(141)和所述第二膜(142)在公差范围内的相同幅度的偏转。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的传感器，其中所述第一膜(141)包括与所述第一体积(18)和所述感测体积(16)流体耦合的至少一个第一开口(361)，并且所述第二膜(142)包括与所述第三体积(28)和所述感测体积(16)流体耦合的至少一个第二开口(363)。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述至少一个第一开口(361)和所述至少一个第二开口(363)的大小均被确定用于阻挡声频，并且被实施为与所述第一体积(18)和所述感测体积(16)流体耦合，以便允许气体分子的传输。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，还包括：背板(44)，设置在所述第一膜(141)和所述第二膜(142)之间并且与所述第一膜(141)和所述第二膜(142)隔开。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器，还包括：一个或多个连接件(48)，机械地耦合在所述第一膜(141)和所述第二膜(142)之间。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述一个或多个连接件(48)是导电的。
10.根据权利要求8所述的传感器，其中所述一个或多个连接件(48)是电绝缘的。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的传感器，其中所述一个或多个连接件(48)将所述感测体积(16)划分为多个部分感测体积(16a-16d)，所述电磁源(22)被配置为引起所述第一膜(141)和所述第二膜(142)在相邻的部分感测体积中的交替弯曲。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的传感器，其中所述第一膜(141)被半导体衬底(12)支撑，所述半导体衬底(12)中具有开口(38)，所述第一膜(141)上覆所述开口(38)。
13.根据权利要求12所述的传感器，其中所述电磁源(22)被所述半导体衬底(12)支撑。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器，其中所述电磁源(22)是红外源。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的传感器，其中所述电磁源(22)是加热器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述感测体积(16)是第一感测体积(161)，其中所述传感器至少包括第三膜(143)，所述第三膜(143)与所述第一膜(141)和所述第二膜(142)一起形成堆叠的至少一部分并且在所述堆叠中限定第二感测体积(162)。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的传感器，还包括：电路(52)，被配置为处理由所述第一膜(141)的第一偏转(14'1)和所述第二膜(142)的第二偏转(14'2)生成的至少一个信号(32)。
18.一种MEMS压力传感器，包括：
第一膜(141)；
第二膜(142)，通过感测体积(16)与所述第一膜(141)隔开；以及
电路(52)，被配置为测量所述第一膜(141)和所述第二膜(142)之间的电容。
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