CN112730264A - 差分式mems气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种差分式MEMS气体传感器,其内部设有腔空间镜像对称且设于同一层的两组腔室组,每组腔室组各包括相交连通的气室腔和声室腔;每个声室腔内各设有一用来检测声音信号的微音器;每组腔室组仅通过其气室腔的顶部腔壁设有的多个透气孔与差分式MEMS气体传感器外的大气相连通;其中一组腔室组的气室腔还配备有激光组件,所述激光组件产生的激光能射入至该气室腔内。本发明采用双气室差分设计,极大降低环境噪声对测量的影响,精度高,体积小。

Description

差分式MEMS气体传感器
技术领域
本发明属于MEMS气体传感器技术领域,尤其是涉及一种采用差分式测试法的MEMS(微机电系统)气体传感器。
背景技术
近年来,随着环保力度和范围的不断扩大,空气质量得到了较大改善,空气质量监测也开始向室内监测扩展。室内空气质量监测对测量精度要求并不比大气空气质量监测低,而设备体积却要求更小,甚至可以随身携带。
现有的气体浓度检测设备有光谱仪、电化学传感器、MEMS传感器、化学分析仪等。光谱仪成本高,体积大,对环境要求较高。电化学传感器精度较低,漂移严重。化学分析仪测量缓慢,操作复杂,体积也大,不适合自动监测使用。MEMS传感器是未来的新方向。但目前公开的MEMS气体传感器技术,测量精度还达不到监测用途需求。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种差分式MEMS气体传感器,具体为:
差分式MEMS气体传感器,其内部设有腔空间镜像对称设于同一层的两组腔室组,每组腔室组各包括相交连通的气室腔和声室腔;每个声室腔内各设有一用来检测声音信号的微音器;每组腔室组仅通过其气室腔的顶部腔壁设有的多个透气孔与差分式MEMS气体传感器外的大气相连通;其中一组腔室组的气室腔还配备有激光组件,所述激光组件产生的激光能射入至该气室腔内。
本发明的差分式MEMS气体传感器利用差分检测法,双气室腔和双声室腔形成差分测量;为方便描述,定义配备激光组件的气室腔为第一气室腔32,另一气室腔则为第二气室腔33,与第一气室腔同组的声室腔为第一声室腔34,另一则为第二声室腔35,第一声室腔内的微音器为第一微音器23,另一则为第二微音器24;由于第一气室腔32腔内被射入激光,产生光激励,即经过调制的激光束在第一气室腔32内照射到所测气体分子61上,当激光的波长正处于所测气体分子61的吸收峰波长时,所测气体分子61会产生周期性的热突变和振动,产生周期性声波即气体声音信号62,由于差分式MEMS气体传感器的外界存在噪声信号,因此,第一微音器23可采集到的声音信号是由与第一气室腔32相连通的连通口进入第一声室腔34内的气体声音信号62和外界噪声信号63的总和,并由第一微音器23将声波信号转换为可被处理的电信号;而第二气室腔33内没有光激励,因而第二微音器24仅能采集到由与第二气室腔33相连通的连通口进入第二声室腔35内的外界噪声信号63,并由第二微音器24将声波信号转换为可被处理的电信号;将两个微音器23、24所采集生成的两组电信号做差,最终得到的就是被检测气体对应的信号,再通过分析此信号即可计算得出被检测气体的浓度,从而降低了外界噪声对测量的影响,使得测量结果更为准确。
所测气体的浓度越大,声波越强。通过对声波进行反推导,可以得出气体的浓度数据。对激光进行周期性调制为了进行滤波操作,提高信号信噪比。
基于上述技术方案,本发明相较于现有技术至少具有以下有益效果:
1.采用MEMS光声光谱原理对气体浓度进行测量,精度高,体积小;
2.采用双气室差分设计,极大降低环境噪声对测量的影响;
3.MEMS多光程设计,提高信号检测精度;
4.嵌套二次声腔设计,提高声信号检测分辨率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。为方便说明,以下将本发明的“差分式MEMS气体传感器”简称为“传感器”。
图1为传感器的一种结构实施例的主视剖视示意图;
图2为腔壁层、微音器和激光组件组合结构的俯视示意图;
图3为基板层及封装上壳组合结构的俯视示意图;
图4为激光组件的侧视示意图;
图5为本发明差分测量原理示意图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明给出了构建出传感器的两组腔室组的具体结构形式,如图所示,本发明的传感器包括基板层1、芯片层2、腔壁层3、封装上壳4和阻水透气滤膜5;
基板层1、芯片层2和腔壁层3由下至上依次叠加固定,封装上壳4的四周侧壁的底面与基板层1密封固接,封装上壳4的上盖板叠加于腔壁层3之上并密封连接,封装上壳4与基板层1共同配合将芯片层2和腔壁层3密封于传感器整体壳体内;并且,腔壁层3开设有贯通其上、下表面的通孔,由这些通孔的孔壁充当了两组腔室组的相应腔32、33、34、35的腔侧壁,由芯片层2上表面对应部分充当了相应腔的腔底壁,由封装上壳4下表面对应部分充当了相应腔的腔顶壁;
上述的相应腔32、33、34、35即第一气室腔32、第二气室腔33、第一声室腔34和第二声室腔35;第一气室腔32与第一声室腔34组成第一腔室组,第二气室腔33与第二声室腔35组成第二腔室组。
第一微音器23、第二微音器24固设于芯片层2上表面并位于相应的第一声室腔34、第二声室腔35中,用于收集声波信号;
结合图1和图3所示,透气孔42开设于封装上壳4的上盖板的正对第一气室腔32、第二气室腔33的区域,传感器的两组腔室组分别通过透气孔与外界气体交互。
优选的,如图3所示,透气孔42为矩形孔,在保证透气量前提下,会有更小的噪声进入。
为防止液态水及固态颗粒物进入腔室,确保只有气体可以进入,透气孔皆由阻水透气滤膜所遮盖;且为了保持差分测量的一致性,所有透气孔42的孔口皆被同一层阻水透气滤膜5所遮盖,避免两块滤膜之间可能存在差异导致对测量的干扰影响。
由图2所示,第一、第二气室腔32、33的腔空间整体呈扁平方型体,气室腔32、33与同组的声室腔34、35相连通的连通口位于气室腔一侧腔壁的中部,与之相正对的气室腔另一侧腔壁321、331呈向外凸出的弧形边,弧形边设计有利于声音的聚拢和放大。
第一声室腔34和第二声室腔35的腔空间整体呈扁平圆柱体,此种设计为二次拢音形式;第一、第二声室腔34、35分别与第一、第二气室腔32、33为相交式连通,所形成的连通口为小孔,声波自小孔进入到扁圆柱型的声腔室,进一步对声音进行放大,极大提高了测量的信噪比和分辨率。
优选的,两组腔室组之间还在腔壁层3设有隔音槽36,以便进一步隔绝两个声腔室34、35之间的声音相互传导干扰。
优选的,隔音槽36开设于两组腔室组镜像对称的中心线上。
接下来说明激光组件39及如何在第一气室腔32产生光激励的结构:
首先,腔壁层3采用透明材质制成,以便在充分利用空间、缩小体积的前提下,还能实现激光能穿过需要穿过的部位,从而在增反涂层或反光镀层的反射下,由激光组件39输出的平行光束能在第一气室腔32内形成多次折反,从而形成多光程光激励;具体为:
参见图2,激光组件39固设于腔壁层3外侧,且位于第一气室腔32与同组的声室腔34相连通的连通口所在的侧腔壁和与之相正对的气室腔另一侧腔壁321之间的两侧侧腔壁的起始处,为方便表述,定义这两侧侧腔壁分别为前侧腔壁322和后侧腔壁323,定义连通口所在的侧腔壁为右侧腔壁320,与右侧腔壁320正对的腔壁为左侧腔壁321;
其中,激光组件39的光束输出方向与前侧腔壁322相平行,前侧腔壁322所在位置的腔壁层3外侧和后侧腔壁323所在位置的腔壁层外侧形成相对应的直角锯齿条型外侧表面,在包括这两个直角锯齿条型外侧表面在内的腔壁层3的所有外侧表面皆涂覆有增反涂层或反光镀层,从而如图2所示,激光组件39的输出的平行光束经两个直角锯齿条型外侧表面的多次反射形成多光程光激励;
优选的,左侧腔壁321和右侧腔壁320上也涂覆有增反涂层或反光镀层,以避免散射光线传入第一气室腔32以及旁边的腔室组;
进一步,左侧腔壁321分别与前侧腔壁322和后侧腔壁323还设有光阱,以便将光路末段的激光束吸收消除,避免干扰。
图4给出了激光组件39的一种结构形式,包括激光光源28、反射棱镜391和凸透镜392,激光光源28发出经过周期调制的光束,经反射棱镜391进行方向转换,光束经过凸透镜392后成为平行光束。反射棱镜391的长边外侧具有增反涂层,提高光束反射效率。反射棱镜391和凸透镜392之间为空心设计,凸透镜392的弧面上具有滤光涂层,可以约束通过的光的波长范围。
芯片层2上还可集成有传感器所需功能的集成电路,比如:用来检测测量点的气体温度、湿度和气压数值的温湿压检测集成电路,用于调制驱动激光光源的集成电路,电源转换集成电路,以及对信号进行放大、模数转换、控制和运算等集成电路;将得到的气体浓度数据、中间数据、温湿压参数等数据对外传输的数据传输和接口电路等;基板层1上也可以有相应的集成芯片或电路元件,用于实现更多功能或目的;丝焊连接线29用于将芯片层2和基板层1相应电路连接,实现电气导通。这些是传感器制作的现有技术,并非本发明重点,不再赘述。
封装上壳4采用膨化工艺,可以降低声音的传递,减少外界噪声通过外壳传递进声腔室。封装上壳材质可以是塑料、陶瓷、玻璃、金属、二氧化硅和碳化硅等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.差分式MEMS气体传感器,其特征在于,其内部设有腔空间镜像对称且设于同一层的两组腔室组,每组腔室组各包括相交连通的气室腔和声室腔;每个声室腔内各设有一用来检测声音信号的微音器;每组腔室组仅通过其气室腔的顶部腔壁设有的多个透气孔与差分式MEMS气体传感器外的大气相连通;其中一组腔室组的气室腔还配备有激光组件,所述激光组件产生的激光能射入至该气室腔内。
2.根据权利要求1所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,包括基板层(1)、芯片层(2)、腔壁层(3)、封装上壳(4);
基板层、芯片层和腔壁层由下至上依次叠加固定,封装上壳的四周侧壁的底面与基板层密封固接,封装上壳的上盖板叠加于腔壁层之上并密封连接,封装上壳与基板层共同配合将芯片层和腔壁层密封于传感器整体壳体内;并且,腔壁层(3)开设有贯通其上、下表面的通孔,由这些通孔的孔壁充当了气室腔和声室腔的腔侧壁,由芯片层上表面对应部分充当腔底壁,由封装上壳下表面对应部分充当腔顶壁;
两个微音器固设于芯片层上表面并位于相应的声室腔中;
透气孔(42)开设于封装上壳的上盖板的正对气室腔的区域,传感器的两组腔室组分别通过透气孔与外界气体交互。
3.根据权利要求1或2所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,透气孔为矩形孔。
4.根据权利要求1或2所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,透气孔皆由阻水透气滤膜所遮盖。
5.根据权利要求4所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,所有透气孔(42)的孔口皆被同一层阻水透气滤膜所遮盖。
6.根据权利要求1或2所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,气室腔的腔空间整体呈扁平方型体,气室腔与同组的声室腔相连通的连通口位于气室腔一侧腔壁的中部,与之相正对的气室腔另一侧腔壁呈向外凸出的弧形边;声室腔的腔空间整体呈扁平圆柱体。
7.根据权利要求1或2所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,两组腔室组之间还设有隔绝两个声腔室之间的声音相互传导干扰的隔音槽。
8.根据权利要求7所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,隔音槽开设于两组腔室组镜像对称的中心线上。
9.根据权利要求2所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,腔壁层(3)采用透明材质制成,激光组件固设于腔壁层(3)外侧,且位于相配备的气室腔与同组的声室腔相连通的连通口所在的侧腔壁和与之相正对的气室腔另一侧腔壁之间的两侧侧腔壁的起始处,定义这两侧侧腔壁分别为前侧腔壁(322)和后侧腔壁(323),连通口所在的侧腔壁为右侧腔壁(320),与右侧腔壁(320)正对的腔壁为左侧腔壁(321);
其中,激光组件(39)的光束输出方向与前侧腔壁(322)相平行,前侧腔壁(322)所在位置的腔壁层(3)外侧和后侧腔壁(323)所在位置的腔壁层外侧形成相对应的直角锯齿条型外侧表面,在包括这两个直角锯齿条型外侧表面在内的腔壁层(3)的所有外侧表面皆涂覆有增反涂层或反光镀层,激光组件(39)的输出的光束经两个直角锯齿条型外侧表面的多次反射形成多光程光激励。
10.根据权利要求9所述的差分式MEMS气体传感器,其特征在于,左侧腔壁(321)和右侧腔壁(320)上也涂覆有增反涂层或反光镀层,以避免散射光线传入旁边的气室腔及另一腔室组。
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