CN112504966A - 一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，包含硅音叉、固定电极和绝缘基底，所述硅音叉包括音叉锚点、隔离梁以及传声部，所述传声部通过隔离梁连接音叉锚点，所述音叉锚点与绝缘基底固定连接，所述的固定电极为一对，且分别设置于传声部的两侧，所述绝缘基底中央设有通孔，且该通孔位于硅音叉的中央，硅音叉与固定电极之间形成可变电容，通过电容检测的方法测量声波强度，硅音叉采用双端约束结构，工作在反相振动模态，相比于传统的硅基传声器，本发明的Q值高，对环境噪声不敏感，相比于石英音叉，硅音叉使用MEMS工艺加工，体积小，可批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种传声器，尤其涉及一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器。
背景技术
光声光谱检测技术是一种基于光声效应的光谱分析技术，具有检测灵敏度高、响应快、可实时监测、体积小、可同时检测多组分气体等优点，近年来广泛应用于石化分析、大气污染分析、医疗诊断等领域。光源、光声池和传声器是光声光谱检测技术的核心组件。光源一般采用调制激光，照射在光声池内的待测样品上，样品分子吸收光能后，按光的调制频率产生周期性加热,从而导致介质产生周期性压力波动，激发出声波，用传声器可以检测声波强度，进而推算出样品浓度等信息。相比于传统的吸收光谱技术，光声光谱技术完全不受背景光的影响，通过光声池的共振设计，可以进一步提升有效信号的信噪比。
用于光声光谱的传声器通常采用电容式或压电式的MEMS麦克风，其响应带宽很宽，一般覆盖了人声频段（20Hz-20kHz），这导致其易受环境噪声干扰。近年来出现了一种石英增强光声光谱技术（QEPAS），用高Q值、窄带宽的石英音叉替代宽带麦克风，可获得极高的增益，同时中心频率一般在超声频段（>20kHz），不受环境噪声干扰。
然而，基于石英音叉的气体检测系统的实际效果依赖人工组装和调试，需要精心调节共振腔与音叉的相对位置才能达到较好的效果，安装效率低，易出现误差；另外，石英音叉的加工方法与MEMS工艺不兼容，很难实现系统的小型化和集成化。
发明内容
发明目的：为了兼顾光声光谱检测的灵敏度、抗干扰能力和小型化，本发明提供一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，包含硅音叉、固定电极和绝缘基底，所述硅音叉包括音叉锚点、隔离梁以及传声部，所述传声部通过隔离梁连接音叉锚点，所述音叉锚点与绝缘基底固定连接，所述的固定电极为一对，且分别设置于传声部的两侧，所述绝缘基底中央设有通孔，且该通孔位于硅音叉的中央。
作为优选，所述传声部包括两根连接梁和两根音叉臂，两根连接梁和两根音叉臂分别平行组成中空的矩形。
作为优选，所述传声部与绝缘基底平行且保持一定的距离。
作为优选，所述固定电极为矩形，位于音叉臂外侧且平行于音叉臂，固定电极通过电极锚点与绝缘基底固定连接。
作为优选，所述硅音叉在稳定工作时，两根音叉臂的运动方向相反。
作为优选，所述硅音叉的音叉臂与固定电极之间形成可变电容。
作为优选，所述音叉锚点设有音叉引线，所述电极锚点设有电极引线。
作为优选，所述音叉臂和固定电极之间设有梳齿结构。
作为优选，所述梳齿结构包括静梳齿和动梳齿，其中静梳齿与固定电极连接，动梳齿通过连接板与音叉臂连接。
作为优选，所述静梳齿与动梳齿的齿部交替设置。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
（1）相比于石英音叉，硅音叉适用于MEMS工艺加工，体积小，可批量生产，提高生产效率；
（2）相比于传统的电容式或压电式的MEMS麦克风，硅音叉工作在超声频段，带宽窄，不受环境噪声干扰；
（3）硅音叉采用双端约束结构，工作在反相振动模式，Q值高，检测灵敏度高。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明的金属引线布局示意图；
图3是本发明的侧视图；
图4是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
实施例1
如图1-3所示，本发明提供一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，包含硅音叉1、固定电极2和绝缘基底3，所述硅音叉1包括音叉锚点101、隔离梁102以及传声部，所述传声部通过隔离梁102连接音叉锚点101，所述音叉锚点101与绝缘基底3固定连接，所述的固定电极2为一对，且分别设置于传声部的两侧，所述绝缘基底3中央设有通孔301，且该通孔301位于硅音叉1的中央，所述传声部包括两根连接梁103和两根音叉臂104，两根连接梁103和两根音叉臂104分别平行组成中空的矩形，所述传声部与绝缘基底3平行且保持一定的距离，所述固定电极2为矩形，位于音叉臂104外侧且平行于音叉臂104，固定电极2通过电极锚点201与绝缘基底3固定连接，所述硅音叉1在稳定工作时，两根音叉臂104的运动方向相反，所述硅音叉1的音叉臂104与固定电极2之间形成可变电容，所述音叉锚点101设有音叉引线105，所述电极锚点201设有电极引线202。
在本实施例中，当硅音叉传声器工作在离轴模式时，声学谐振腔中的声波可以穿过通孔301，驱动两侧的音叉臂104呈反相模态运动，即两侧的音叉臂104运动方向相反，从而使音叉臂104与固定电极2之间形成可变电容，且两侧的可变电容始终相等，因此两侧的电极锚点201通过电极引线202相连后，待检测的电容会被放大一倍，音叉引线105和电极引线202分别将硅音叉1和固定电极2的电容信号引出，交由后续的电容检测模块处理，可以提取出电容的变化幅值，该幅值信号与声波强度成正比，因而本发明提出的硅音叉可作为传声器。
所述隔离梁102的作用是隔离来自绝缘基底3的热应力，提升音叉的频率稳定性。
实施例2
如图4所示，本实施例在实施例1的基础上，在音叉臂104和固定电极2之间设有梳齿结构4，所述梳齿结构4包括静梳齿401和动梳齿402，其中静梳齿401与固定电极2连接，动梳齿402通过连接板403与音叉臂104连接，所述静梳齿401与动梳齿402的齿部交替设置。
本实施例的梳齿结构4，能有效增大电容检测的灵敏度，从而使待测物的光声光谱检测更为准确，信噪比更高。
Claims (10)
1.一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于：包含硅音叉、固定电极和绝缘基底，所述硅音叉包括音叉锚点、隔离梁以及传声部，所述传声部通过隔离梁连接音叉锚点，所述音叉锚点与绝缘基底固定连接，所述的固定电极为一对，且分别设置于传声部的两侧，所述绝缘基底中央设有通孔，且该通孔位于传声部的中央。
2.根据权利要求1所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述传声部包括两根连接梁和两根音叉臂，两根连接梁和两根音叉臂分别平行组成中空的矩形。
3.根据权利要求2所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述传声部与绝缘基底平行且保持一定的距离。
4.根据权利要求3所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述固定电极为矩形，位于音叉臂外侧且平行于音叉臂，固定电极通过电极锚点与绝缘基底固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述硅音叉在稳定工作时，两根音叉臂的运动方向相反。
6.根据权利要求5所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述硅音叉的音叉臂与固定电极之间形成可变电容。
7.根据权利要求6所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述音叉锚点设有音叉引线，所述电极锚点设有电极引线。
8.根据权利要求2所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述音叉臂和固定电极之间设有梳齿结构。
9.根据权利要求8所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述梳齿结构包括静梳齿和动梳齿，其中静梳齿与固定电极连接，动梳齿通过连接板与音叉臂连接。
10.根据权利要求9所述的一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器，其特征在于，所述静梳齿与动梳齿的齿部交替设置。
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