CN113552171B - 一种mems压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法，方法包括：利用网络分析仪驱动MEMS压电谐振器，将待测气体通过进气孔通入气室中，并实现气室的封闭；将半导体制冷片通电降温，使气室内的相对湿度不断增加直至水汽饱和，在MEMS压电谐振器的表面产生水分凝结，连续记录温度传感器的温度值和MEMS压电谐振器输出的谐振频率值；以步骤S2降温过程中输出的谐振频率值作为因变量y、负温度值作为自变量x，进行分段函数拟合；在拟合得到的最终函数中，分段点所对应的温度传感器的温度值，即为待测气体的露点温度。该方法拓宽了在露点测量领域可用的MEMS谐振器种类范围，也提高了测量的可靠性和精度。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)和湿度测量技术领域，特别是涉及一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法。
背景技术
湿度传感器在天然气供应、半导体制造、航空航天、生物医学等领域发挥着重要的作用。露点温度的测量被国际公认为是精度最高的湿度测量方法。湿度一般有绝对湿度和相对湿度两种表达方式。绝对湿度指的是空气实际含水量，而相对湿度指的是空气实际含水量和理论最大含水量的比值。
露点温度是绝对湿度，不受环境温度和大气压力的影响。在空气中水汽含量不变，保持气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度称露点温度。当空气通过与比空气冷的表面接触而冷却到露点时，水会在表面凝结。
露点测量的核心部分是露点的检测与识别。目前主要的露点识别技术有声表面波(SAW)、光电、图像识别、石英晶体微天平(QCM)等。光电法成本太高，仪器只适合实验室使用，不易携带。声表面波和图像识别都有复杂的系统。另外，这两种方法都不适用于腐蚀性环境。与以往的方法相比，QCM具有稳定性好、对纳克级(1ng/cm2)质量变化敏感等优点。QCM通过测量其谐振频率的变化来监测质量负载的变化，已经得到了广泛的应用。然而，基于QCM的传感器的性能在很大程度上取决于涂层材料的化学和物理性质。因此，这种传感器存在严重的滞后现象。另外，QCM和SAW传感器相对大的封装需要大功耗的制冷元件和大量湿气覆盖在表面，造成了较慢的响应时间。
MEMS传感器有体积小、重量轻、可靠性高、灵敏度高、功耗低、易于集成、响应时间短等优点，在露点测量领域有广阔的发展前景，但目前关于MEMS露点传感器的研究还比较少，有学者提出通过记录降温过程中谐振频率最大值识别露点，但这个方法在一些MEMS谐振器上误差很大。
本发明提出的MEMS压电谐振式露点识别方法利用了MEMS压电谐振器的几个特性。首先是压电材料的负温度频率特性(TCF)，即降低温度会导致MEMS压电谐振器的谐振频率升高。还有一个特性是在气室中降温会导致相对湿度增加，这会阻碍MEMS压电谐振器的振动，使谐振频率降低。最后是谐振器的质量负载效应，温度降低到露点温度之后，谐振器表面结露，质量增加，导致谐振频率降低。这三个特性综合起来发挥作用使得在温度降低过程中MEMS谐振器谐振频率呈现先升高后平缓最后快速下降的特点。本发明利用这一特点提出了利用分段函数拟合进行露点识别的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法，用于提高MEMS谐振式露点传感器精度。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种MEMS压电谐振式露点传感器装置，包括从下至上依次叠放的散热器、半导体制冷片和外壳，半导体制冷片顶部和外壳之间构成封闭的气室；所述外壳上开设进气孔和出气孔；
所述气室中设有铝板、印制电路板、温度传感器和MEMS压电谐振器，铝板上固定有分别与印制电路板连接实现信号传输的温度传感器和MEMS压电谐振器；所述铝板的底部与半导体制冷片的顶部贴合连接，顶部与外壳之间具有用于容纳待测气体的气体空间，铝板用于对待测气体制冷降温；温度传感器和MEMS压电谐振器与所述气体空间接触。
作为优选，所述铝板的顶部周侧开设连续的凹槽，凹槽中置有印制电路板，温度传感器和MEMS压电谐振器分别通过线路与印制电路板连接。
作为优选，所述MEMS压电谐振器为压电超声换能器。
作为优选，所述MEMS压电谐振器的直径为600μm，压电层厚0.5μm，铝电极厚1μm，硅衬底厚10μm，谐振频率为1.464MHz。
进一步的，所述MEMS压电谐振器中压电层的压电材料具有负温频特性。
更进一步的，所述压电材料为氮化铝。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，具体如下：
S1：利用网络分析仪驱动所述MEMS压电谐振器，将待测气体通过进气孔通入气室中，同时开启出气孔，待测气体在气室中保持流通状态且与外界气体隔离，使气室中形成湿度稳定的环境；
S2：将半导体制冷片通电降温，使气室内的相对湿度不断增加直至水汽饱和，在MEMS压电谐振器的表面产生水分凝结，连续记录温度传感器的温度值和MEMS压电谐振器输出的谐振频率值；
S3：以步骤S2降温过程中输出的谐振频率值作为因变量y、负温度值作为自变量x，进行分段函数拟合；在拟合得到的最终函数中，分段点所对应的温度传感器的温度值，即为待测气体的露点温度。
作为优选，所述步骤S2中，将温度传感器和MEMS压电谐振器均与装有LabVIEW软件的上位机通信连接，使上位机实时获得谐振频率和温度关于时间的信号；当通过上位机观察到MEMS压电谐振器的谐振频率开始迅速下降时，停止半导体制冷片对气室的降温。
作为优选，所述步骤S3具体如下：
S31：在[-Tmax+0.5，-Tmin-0.5]区间内，每隔0.001℃取一个点T作为分段点，对于每一个分段点T，分段函数设为如下形式：
其中，Tmax为步骤S2降温过程中的最高温度值，Tmin为步骤S2降温过程中的最低温度值，P1～P6均为中间参数，x范围为[-Tmax，-Tmin]；
S32：在范围[-Tmax，T]内的数据点(xi，yi)通过最小二乘法多项式拟合计算出P1～P4的值，具体如下式：
其中，i＝1,2,……,n，n为范围[-Tmax，T]内的数据点总个数；
S33：在范围[T，-Tmin]内的数据点(xi’，yi’)通过最小二乘法多项式拟合计算出P5和P6的值，具体如下式：
P5＝P1+P2T+P3T2+P4T3-P6T
其中，i’＝n+1,n+2,……,m，m为范围[-Tmax，-Tmin]内的数据点总个数；
S34：对于每一个分段点T，均通过步骤S32和S33实现分段函数拟合；通过比较拟合优度R2，将拟合优度最大的分段点T作为最终分段点，将最终分段点取负值后，即为待测气体的露点温度。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
由于MEMS压电谐振器的温频特性和湿度对谐振频率的影响原本是影响MEMS压电谐振器露点仪精度的因素，本发明利用MEMS压电谐振器的三个特性进行露点识别，拓宽了在露点测量领域可用的MEMS压电谐振器种类范围，也提高了测量的可靠性和精度。
附图说明
图1是本发明方法的操作流程图；
图2是本发明的露点传感器装置的结构示意图；
图3是本发明中一种MEMS压电谐振器的电镜图(a)和结构简图(b)；
图4是本发明实施例中露点识别方法得到的测试结果图；其中，(a)～(c)分别为待测气体相对湿度为60％、50％、40％情况下的测试结果；
图中附图标记为：铝板1、半导体制冷片2、温度传感器3、外壳4、进气孔51、出气孔52、散热器6、印制电路板7、MEMS压电谐振器8、气室9、硅衬底10、二氧化硅11、硅12、磷掺杂的硅13、压电薄膜14、垫氧化层15、铝16。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图2所示，为本发明提供的一种MEMS压电谐振式露点传感器装置的一种可用形式的结构示意图。MEMS压电谐振式露点传感器装置主要包括散热器6、半导体制冷片2、外壳4、铝板1、印制电路板7、温度传感器3和MEMS压电谐振器8。下面将对各部分的结构和连接方式进行具体说明。
散热器6的顶部贴合设有半导体制冷片2，由于半导体制冷片2在使用时底部会产热，因此在其底部设置散热器6，以对半导体制冷片2进行散热降温。散热器6可以采用风扇和散热片组合设置的结构，或者采用其他现有的散热装置。半导体制冷片2的顶部盖设有外壳4，外壳4将半导体制冷片2的顶部完全罩设在内，并构成封闭的气室9。在外壳4的侧壁上开设有进气孔51和出气孔52，进气孔51主要用于向气室9中通入待测露点的气体，出气孔52用于保持气室9内气压恒定，且实现与外界气体的隔离。比如待测量气体的相对湿度为50％，外界环境相对湿度为30％，为了不让外界环境影响测量所以制作了气室，使用的时候进气孔51和出气孔52都要接上软管，测量过程中气体是一直保持流通状态的，气罐有大概0.2MPa的压力让气体一直往一个方向运动，这样外界气体很难通过软管进入气室，同时产生了一个湿度相对稳定的气室9环境。
在气室9中设有铝板1、印制电路板7、温度传感器3和MEMS压电谐振器8。铝板1的底部与半导体制冷片2的顶部贴合连接，使半导体制冷片2通过接触热导将冷量传递给铝板1。铝板1上固定有温度传感器3和MEMS压电谐振器8，在实际应用时，温度传感器3通过导线与印制电路板(PCB)7连接并实现信号的传输，MEMS压电谐振器8通过金线与印制电路板(PCB)7连接并实现信号的传输。铝板1的顶部与气室9顶部之间还具有一定的气体空间，用于容纳待测气体，也就是说，外壳4的侧壁上开设的进气孔51和出气孔52均需要与气体空间连通。在测量过程中，铝板1用于对待测气体制冷，温度传感器3用于实时监测对待测气体(也就是MEMS压电谐振器表面)的实时温度，MEMS压电谐振器8用于实时输出谐振频率值，因此，部分铝板1的、温度传感器3的感应端和MEMS压电谐振器8的工作端均需要与该气体空间接触。
在实际应用时，可以采用如图2所示的结构，即在铝板1的顶部周侧开设连续的凹槽，凹槽中置有印制电路板7，温度传感器3和MEMS压电谐振器8分别通过线路与印制电路板7连接。MEMS压电谐振器8可以采用压电超声换能器，压电超声换能器的结构如图3所示，包括硅衬底10、二氧化硅11、硅12、磷掺杂的硅13、压电薄膜14、垫氧化层15和铝16。MEMS压电谐振器8的直径600微米，压电层厚0.5微米，铝电极厚1微米，硅衬底厚10微米，谐振频率为1.464MHz，其中，压电层的压电材料应当具有负温频特性。实际上，MEMS压电谐振器8不局限于本发明中采用的圆形器件，也可以是具有谐振特性的表面波和体声波等其它类型谐振器。在本实施例中，MEMS压电谐振器8的压电材料为氮化铝(AlN)，因为AlN压电层会使谐振器有负温频系数。
利用上述MEMS压电谐振式露点传感器装置对待测气体进行露点识别的方法如图1所示，具体步骤如下：
S1：利用网络分析仪驱动所述MEMS压电谐振器，将待测气体通过进气孔通入气室中，同时开启出气孔，待测气体在气室中保持流通状态且与外界气体隔离，使气室中形成湿度稳定的环境。
S2：将半导体制冷片2通电降温，通过铝板1的热传导作用，使待测气体不断降温，在该降温过程中，气室9内的相对湿度不断增加直至水汽饱和，在MEMS压电谐振器8的表面产生水分凝结，连续记录温度传感器3的温度值和MEMS压电谐振器8输出的谐振频率值。
在实际应用时，可以将温度传感器3与装有LabVIEW软件的上位机通信连接，将MEMS压电谐振器8通过网络分析仪与装有LabVIEW软件的上位机通信连接，从而使得上位机实时获得谐振频率和温度关于时间的信号。当通过上位机观察到MEMS压电谐振器8的谐振频率开始迅速下降时，说明此时MEMS压电谐振器8表面开始结露，由于质量负载效应导致谐振频率快速降低，因此此时停止半导体制冷片2对气室9的降温，同时自动保存该降温过程中温度传感器3的温度值和MEMS压电谐振器8输出的谐振频率值。
S3：以步骤S2降温过程中输出的谐振频率值作为因变量y、负温度值作为自变量x，进行分段函数拟合。在拟合得到的最终函数中，分段点所对应的温度传感器3的温度值，即为待测气体的露点温度。该步骤具体如下：
使用MATLAB对传感器装置输出的温度-时间信号进行五次多项式拟合，可以得到每个时刻所对应的温度。将输出的谐振频率-时间信号对应的时刻转换后得到降温过程中采集到的每个谐振频率对应的谐振器表面温度。这里使用五次多项式拟合是因为五次多项式拟合误差已经足够小了。因为数据采集过程是不断降温的过程，所以随时间增长温度数据是不断降低的。为了体现随时间变化温度降低这个过程，将得到的谐振频率-温度数据中，以负温度为x，谐振频率为y进行分段函数拟合，这样拟合作出的图像更加符合降温过程中谐振频率的变化。
下面给出分段函数拟合的算法，具体如下：
对于得到的谐振频率-温度数据，由于数据采集过程是一个降温过程，所以第一个数据点温度最高，设为Tmax，最后一个数据点温度最低，设为Tmin。但因为分段拟合过程是以负温度为x，谐振频率为y的，所以分段拟合的数据x范围为[-Tmax，-Tmin]，在这个范围内往两端各缩进0.5℃，得到一个子区间[-Tmax+0.5，-Tmin-0.5]，在这个区间内每隔0.001℃取一个点T作为分段点，对于每一个分段点T，分段函数可以设为如下形式：
其中，Tmax为步骤S2降温过程中的最高温度值，Tmin为步骤S2降温过程中的最低温度值，P1～P6均为中间参数，x范围为[-Tmax，-Tmin]。
对于每一个分段点T，在范围[-Tmax，T]内的数据点(xi，yi)(i＝1,2,……,n)可以通过最小二乘法多项式拟合计算出P1,P2,P3,P4的值，具体的算法是求解式子
其中，i＝1,2,……,n，n为范围[-Tmax，T]内的数据点总个数。
由于分段函数左右两边在分段点处的值应该相等，所以有
P5＝P1+P2T+P3T2+P4T3-P6T
分段点右边的数据点(xi’，yi’)(i’＝n+1,n+2,……,m)同样用最小二乘法多项式拟合，但由于多了上述约束条件，P6的值由以下式子得到
其中，i’＝n+1,n+2,……,m，m为范围[-Tmax，-Tmin]内的数据点总个数。
对于每一个分段点T都可以用上述方法实现分段函数拟合，通过比较拟合优度R2，将拟合优度最大的T作为最终分段点，将这个T取负号后就得到露点温度。拟合为三次函数和一次函数是综合考虑拟合误差和计算量以后得到的结果。
使用本发明设计的露点传感器和露点识别方法进行测试，并与商用湿度传感器AZ8721对照，测试环境露点范围在9℃DP～20℃DP之间。
测试的一部分结果见图4，图中，横轴为负温度，纵轴为谐振频率，虚线为拟合得到的曲线，直线为测试数据，露点已通过圈标记出来。在图4(a)中，气体的相对湿度为60％，通过本发明方法得到的拟合曲线中，露点值(-T)为16.815，P1值为1.4547，P2值为-1.2506*10-3，P3值为-5.5487*10-5，P4值为-8.1197*10-7，P5值为1.4550，P6值为-5.3213*10-4。在图4(b)中，气体的相对湿度为50％，通过本发明方法得到的拟合曲线中，露点值(-T)为14.245，P1值为1.4602，P2值为-5.3629*10-4，P3值为-2.4102*10-5，P4值为-3.5091*10-7，P5值为1.4544，P6值为-6.7561*10-4。在图4(c)中，气体的相对湿度为40％，通过本发明方法得到的拟合曲线中，露点值(-T)为11.528，P1值为1.4631，P2值为-1.4783*10-4，P3值为-5.9874*10-6，P4值为-6.9317*10-8，P5值为1.4575，P6值为-5.7404*10-4。
从图4中可以看出，拟合曲线和测试数据很接近，经过统计计算，将本方法测量得到的40组露点和AZ8721比较，误差小于±0.3℃DP。
由此可见，本发明的方法综合利用MEMS压电谐振器的负温频特性、质量负载特性和湿度对谐振的阻碍特性对谐振器谐振频率的影响，通过分段函数拟合识别露点。该方法拓宽了在露点测量领域可用的MEMS谐振器种类范围，也提高了测量的可靠性和精度。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种利用MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，所述MEMS压电谐振式露点传感器装置包括从下至上依次叠放的散热器(6)、半导体制冷片(2)和外壳(4)，半导体制冷片(2)顶部和外壳(4)之间构成封闭的气室(9)；所述外壳(4)上开设进气孔(51)和出气孔(52)；所述气室(9)中设有铝板(1)、印制电路板(7)、温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)，铝板(1)上固定有分别与印制电路板(7)连接实现信号传输的温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)；所述铝板(1)的底部与半导体制冷片(2)的顶部贴合连接，顶部与外壳(4)之间具有用于容纳待测气体的气体空间，铝板(1)用于对待测气体制冷降温；温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)与所述气体空间接触；
所述露点识别方法具体如下：
S1：利用网络分析仪驱动所述MEMS压电谐振器(8)，将待测气体通过进气孔(51)通入气室(9)中，同时开启出气孔(52)，待测气体在气室(9)中保持流通状态且与外界气体隔离，使气室(9)中形成湿度稳定的环境；
S2：将半导体制冷片(2)通电降温，使气室(9)内的相对湿度不断增加直至水汽饱和，在MEMS压电谐振器(8)的表面产生水分凝结，连续记录温度传感器(3)的温度值和MEMS压电谐振器(8)输出的谐振频率值；
S3：以步骤S2降温过程中输出的谐振频率值作为因变量y、负温度值作为自变量x，进行分段函数拟合；在拟合得到的最终函数中，分段点所对应的温度传感器(3)的温度值，即为待测气体的露点温度；
所述步骤S3具体如下：
S31：在[-Tmax+0.5，-Tmin-0.5]区间内，每隔0.001℃取一个点T作为分段点，对于每一个分段点T，分段函数设为如下形式：
其中，Tmax为步骤S2降温过程中的最高温度值，Tmin为步骤S2降温过程中的最低温度值，P1～P6均为中间参数，x范围为[-Tmax，-Tmin]；
S32：在范围[-Tmax，T]内的数据点(xi，yi)通过最小二乘法多项式拟合计算出P1～P4的值，具体如下式：
其中，i＝1，2，......，n，n为范围[-Tmax，T]内的数据点总个数；
S33：在范围[T，-Tmin]内的数据点(xi’，yi’)通过最小二乘法多项式拟合计算出P5和P6的值，具体如下式：
P5＝P1+P2T+P3T2+P4T3-P6T
其中，i’＝n+1，n+2，......，m，m为范围[-Tmax，-Tmin]内的数据点总个数；
S34：对于每一个分段点T，均通过步骤S32和S33实现分段函数拟合；通过比较拟合优度R2，将拟合优度最大的分段点T作为最终分段点，将最终分段点取负值后，即为待测气体的露点温度。
2.根据权利要求1所述的利用MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，所述铝板(1)的项部周侧开设连续的凹槽，凹槽中置有印制电路板(7)，温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)分别通过线路与印制电路板(7)连接。
3.根据权利要求1所述的利用MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，所述MEMS压电谐振器(8)为压电超声换能器。
4.根据权利要求1所述的利用MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，所述MEMS压电谐振器(8)的直径为600μm，压电层厚0.5μm，铝电极厚1μm，硅衬底厚10μm，谐振频率为1.464MHz。
5.根据权利要求3或4所述的利用MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，所述MEMS压电谐振器(8)中压电层的压电材料具有负温频特性。
6.根据权利要求5所述的利用MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，所述压电材料为氮化铝。
7.根据权利要求1所述的利用MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，将温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)均与装有LabVIEW软件的上位机通信连接，使上位机实时获得谐振频率和温度关于时间的信号；当通过上位机观察到MEMS压电谐振器(8)的谐振频率开始迅速下降时，停止半导体制冷片(2)对气室(9)的降温。
8.根据权利要求1所述的利用MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，所述待测气体通过进气孔(51)进入气室(9)时，具有0.2MPa的压力。
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