CN218865828U - 一种基于mems的酒精传感器及智能设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于MEMS的酒精传感器，包括基于MEMS技术的酒精检测模块、MCU处理器、电路基板以及罩设于所述电路基板上的壳体，所述酒精检测模块通过一采样放大电路模块将其浓度信号输出给所述MCU处理器，所述MCU处理器将所述浓度信号进行处理后输出酒精浓度值。本申请将基于MEMS技术的酒精检测模块和MCU处理器集成于壳体内，这种酒精传感器可直接输出数字信号，用户只需要通过数字接口读取数据即可，不需再另外设计电路结构及微控制软件，而且由于酒精检测模块采用MEMS技术，整个酒精传感器体积变小，可应用于各种场景，如手机、穿戴设备等。

Description

一种基于MEMS的酒精传感器及智能设备

技术领域

本申请属于智能设备技术领域，更具体地说，是涉及一种基于MEMS的酒精传感器及智能设备。

背景技术

酒精传感器是用来检测人体呼出气体酒精含量的测试工具，也是交警用来执法时检测司机是否饮酒或饮酒多少的检测工具，可以有效避免交通事故的发生，同时也可应用在一些高危领域或禁止酒后上岗的领域。

现有的酒精传感器为了满足信号的要求，制作体积较大，应用具有局限性，一般仅应用在专业的酒精检测仪中。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于MEMS的酒精传感器及智能设备，解决了现有技术中酒精传感器体积大、应用具有局限性的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种基于MEMS的酒精传感器，包括基于MEMS技术的酒精检测模块、MCU处理器、电路基板以及罩设于所述电路基板上的壳体，所述酒精检测模块通过一采样放大电路模块将其浓度信号输出给所述MCU处理器，所述MCU处理器将所述浓度信号进行处理后输出酒精浓度值。

进一步地，所述壳体具有与外部连通的第一容置腔，所述酒精检测模块设置在所述第一容置腔内，所述壳体底部具有第二容置腔，所述MCU处理器位于所述第二容置腔内，且所述第二容置腔内填充有用于密封所述MCU处理器的密封胶。

进一步地，所述酒精检测模块的两端并接有一开关管，所述采样放大电路模块为电流型采样放大电路。

进一步地，所述开关管为P型MOS管,所述电流型采样放大电路包括运算放大器、第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述P型MOS管的源极和所述运算放大器的同相输入端同时连接所述酒精检测模块的一端，所述P型MOS管的漏极连接所述酒精检测模块的另一端，所述运算放大器的反相输入端通过所述第一电阻连接所述酒精检测模块的另一端，所述P型MOS管的栅极和所述运算放大器的电源正极同时接电源VDD，所述P型MOS管的栅极还依次通过所述第二电阻、第三电阻接地，所述第二电阻和第三电阻的连接点同时接所述运算放大器的同相输入端；所述第一电容与所述第四电阻同时并联在所述运算放大器的反相输入端与所述运算放大器的输出端之间，所述运算放大器的输出端通过一RC电路连接所述MCU处理器的输入端。

进一步地，所述酒精检测模块包括设于所述第一容置腔内的第一固态电解质膜片、设于所述第一固态电解质膜片的顶面且与所述MCU处理器电连接的第一催化剂丝，以及设于所述第一固态电解质膜片的底面且与所述MCU处理器电连接的第二催化剂丝。

进一步地，所述第一容置腔内且位于所述第一固态电解质膜片底部还设有膜片压板，所述膜片压板将所述第一固态电解质膜片、第一催化剂丝及第二催化剂丝固定于所述容置腔内，所述膜片压板通过密封胶固定于所述容置腔内。

进一步地，所述容置腔内且位于所述第一固态电解质膜片底部还设有第二固态电解质膜片，所述第二催化剂丝位于所述第二固态电解质膜片与所述第一固态电解质膜片之间。

进一步地，所述容置腔包括底腔室、顶开口以及连通所述底腔室与所述顶开口的通道，所述第一固态电解质膜片置于所述底腔室内，所述顶开口内设有透气膜，所述通道内填充有空气，所述第一催化剂丝的中部正对所述通道，所述底腔室的顶壁压设于所述第一催化剂丝上。

进一步地，所述第一容置腔内还设有加热装置。

本申请还提供了一种智能设备，包括主体，所述主体内设有上述的基于MEMS的酒精传感器。

本申请提供的酒精传感器有益效果在于：与现有技术相比，本申请将基于MEMS技术的酒精检测模块和MCU处理器集成于壳体内，这种酒精传感器可直接输出数字信号，用户只需要通过数字接口读取数据即可，不需再另外设计电路结构及微控制软件，而且由于酒精检测模块采用MEMS技术，整个酒精传感器体积变小，可应用于各种场景，如手机、穿戴设备等。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于MEMS的酒精传感器的俯视图；

图2为图1中沿A-A的剖视图；

图3为图1中沿B-B的剖视图；

图4为本申请实施例提供的基于MEMS的酒精传感器的分解示意图；

图5为本申请实施例提供的基于MEMS的酒精传感器的电路结构示意图；

其中，图中各附图标记：

10-电路基板；12-MCU处理器；13-焊接孔；20-第一固态电解质膜片；30-壳体；31-第一容置腔；34-第二容置腔；40-第二固态电解质膜片；60-第一催化剂丝；61-第一反应部；62-第一连接部；63-第一固定部；50-第二催化剂丝；51-第二反应部；52-第二连接部；53-第二固定部；511-第二反应部的中部；512-第二反应部的两端；70-透气膜；80-膜片压板；82-第一限位槽；81-第二限位槽。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图5，现对本申请实施例提供的基于MEMS的酒精传感器进行说明。

本实施例提供的基于MEMS的酒精传感器，整体呈长方体状。其包括电路基板10、设于电路基板10上的MCU处理器12，以及罩设于电路基板10上的壳体30，壳体30具有与外部连通的第一容置腔31，第一容置腔31内设有酒精检测模块，酒精检测模块通过一采样放大电路模块将其浓度信号输出给MCU处理器12，MCU处理器12将所述浓度信号和气压信号进行处理后输出酒精浓度值。

本申请中，将基于MEMS技术的酒精检测模块和MCU处理器12集成于壳体30内，这种酒精传感器可直接输出数字信号，用户只需要通过数字接口读取数据即可，不需再另外设计电路结构及微控制软件，而且由于酒精检测模块采用MEMS技术，整个酒精传感器体积变小，可应用于各种场景，如手机、穿戴设备等。

参照图4，壳体30底部具有第二容置腔34，将MCU处理器12置于电路基板10上且位于第二容置腔34后，通过向第二容置腔34内填充有密封胶36，起到固定MCU处理器12以及密封第二容置腔34的作用，避免气体进入第二容置腔34，确保有更多的气体进入第一容置腔31内与酒精检测模块反应。

本实施例中的酒精检测模块是基于MEMS技术来制作。MEMS是(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统),也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。它是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。本申请中酒精检测模块是基于MEMS技术来制作，体积小，精度高，可满足多种微小场合的应用。

具体地，位于第一容置腔31内的酒精检测模块包括设于第一容置腔31内的第一固态电解质膜片20、设于第一固态电解质膜片20的顶面与MCU处理器12电连接的第一催化剂丝60、设于第一固态电解质膜片20的底面与MCU处理器12电连接的第二催化剂丝50。

本实施例中，在紧凑的壳体30内设置第一固态电解质膜片20、第一催化剂丝60、第二催化剂丝50等酒精测试部件，使酒精传感器内部结构更紧凑，而且电路基板10在实现电连接的同时可作为底壳的一部分，减少了整个传感器的高度，能更好地实现轻薄化，集成度也更高，能更好地应用于各种智能设备。

进一步地，本实施例中，第一容置腔31内且位于第一固态电解质膜片20底部还设有第二固态电解质膜片40，第二催化剂丝50位于第二固态电解质膜片40与第一固态电解质膜片20之间。通过设置两固态电解质膜片，提升酒精与膜片及催化剂丝的反应效果。

本实施例中，第一固态电解质膜片20和第二固态电解质膜片40横截面大致呈正方形，其尺寸可为4mm*4mm。当然，固态电解质膜片的尺寸也可以根据酒精传感器整体的需求尺寸来进行调整。固态电解质膜片作为质子交换膜，具有良好的化学耐受性和良好的机械性能，因此，固态电解质膜片的厚度可以很薄，能保证在反应时离子的自由移动，并且具有酸性，达到可以和空气中酒精产生反应的效果。

第一催化剂丝60与第二催化剂丝50结构大致相同，且结构也可为多样。如第一催化剂丝60和第二催化剂丝50可以呈倒L型。即第一催化剂丝60包括水平的第一反应部61及沿第一反应部61向下弯折的第一连接部62，第一反应部61贴设于第一固态电解质膜片20顶面，第一连接部62沿第一固态电解质膜片20的侧面伸出与电路基板10电连接；第二催化剂丝50包括水平的第二反应部51及沿第二反应部51向下弯折的第二连接部52，第二反应部51贴设于第二固态电解质膜片40顶面，第二连接部52沿第二固态电解质膜片40的侧面伸出与电路基板10电连接。进行检测时，气体由第一容置腔31顶部进入与第一固态电解质膜片20及第二固态电解质膜片40发生化学反应产生足够的电荷，而第一催化剂丝60和第二催化剂丝50作为导电电极伸出与电路基板10进行电连接，从而实现信号的传递。

在安装时，两催化剂丝与两固态电解质膜片之间相互压紧设置。而为了使两催化剂丝的固定更牢固，避免脱落。本实施例中，两催化剂采用如图4中所示的结构。

第一催化剂丝60还包括沿第一反应部61的端部向下弯折的第一固定部63，第一固定部63贴设于第一固态电解质膜片20的侧面，且与第一连接部62相对；第二催化剂丝50还包括沿第二反应部51的端部向下弯折的第二固定部53，第二固定部53贴设于第二固态电解质膜片40的侧面，且与第二连接部52相对。这样，在安装时，第一催化剂丝60的第一固定部63勾于第一固态电解质膜片20的一侧面，而第一连接部62由第一固态电解质膜片20相对的另一侧面伸出；同样的，第二催化剂丝50的第二固定部53勾于第二固态电解质膜片40的一侧面，而第二连接部52由第二固态电解质膜片40相对的另一侧面伸出。采用这样的结构，第一催化剂丝60与第二催化剂丝50的安装更牢固，不易脱落。

第一催化剂丝60与第二催化剂丝50虽然没有直接接触，本实施例中，但是从空间上，第一催化剂丝60与第二催化剂丝50是交叉设置，即反应部分的第一反应部61与第二反应部51呈十字型设置，这样，第一连接部62与第二连接部52则可由固态电解质膜片的不同侧面伸出，避免由同一侧面伸出时相互接触而发生短路。当然，第一催化剂丝60与第二催化剂丝50也可以采用其它的方式设置，如平行或非平行方式等。只要保证两催化剂丝的连接部不相互接触即可。

为使两固态电解质膜片及两催化剂丝更好地固定于第一容置腔31内，本实施例中，在第一容置腔31内且位于第一固态电解质膜片20底部还设有膜片压板80。在安装时，先将壳体30倒置，依次装入第二催化剂丝50、第二固态电解质膜片40、第一催化剂丝60及第一固态电解质膜片20，然后用膜片压板80将其压紧，最后再通过密封胶密封固定。

本实施例中，由于在底部设置膜片压板80，为使第一催化剂丝60及第二催化剂丝50更好地伸出与电路基板10电连接，在膜片压板80的侧壁分别设置第一限位槽82与第二限位槽81，第一催化剂丝60的第一连接部62沿第一限位槽82内向下伸出与电路基板10电连接，第二催化剂丝50的第二连接部52沿第二限位槽81向下伸出与电路基板10电连接。

由图5可以看出，本实施例中，第一容置腔31上下贯通，且按贯通大小可分为三部分，即底腔室311、顶开口312以及连通底腔室311与顶开口312的通道313。膜片压板80、第一固态电解质膜片20及第二固态电解质膜片40依次置于底腔室311内，而位于底腔室311与顶开口312之间的通道313内填充有空气，这样，保证第一固态电解质膜片20、第二固态电解质膜片40能与气体充分接触，从而形成足够大的电流，保证测试的准确性。而且在上述结构中，第二催化剂丝50的第二反应部51的中部611正对通道313，底腔室311的顶壁压设于第二反应部51的两端部。这样，一方面，第二催化剂丝50的第二反应部51能与通道313、顶开口312内的空气充分接触，另一方面，底腔室311的顶壁将第二反应部51的两端部612起到一定的按压作用，使第二催化剂丝50与第二固态电解质膜片40之间能更好的固定。

本实施例中，顶开口312为设于壳体30顶面的下沉式台阶孔，下沉式台阶孔的台阶面上设有透气膜70，外部气体可穿过透气膜70与第一固态电解质膜片20、第一催化剂丝60及第二催化剂丝50发生反应。透气膜70能过滤气体中的水汽、灰尘，但同时透气性能好，确保干净气体通过使检测更准确。当然，本实施例中的酒精传感器中也可以省略透气膜70，在将酒精传感器具体应用到各种装置或设备时，于装置或设备上设置透气膜70，同样也能起到防水、防尘及透气的作用。下沉式台阶孔的横截面呈方形，而与之连通的通道313及底腔室311的横截面也为方形。采用方形的顶开口，能在有限的面积内将进气口做到最大，这样可以有效的保障足够的进气量，从而使得微型酒精传感器不会比传统的酒精传感器信号小，而方形的第一容置腔31体积大，有利于酒精与两催化剂丝及两固态电解质膜片进行化学反应。

进一步地，本实施例中，第一容置腔31内还设有加热装置(图中未示出)。加热装置具体可为加热片，在测试后通过对第一容置腔31进行加热，使带有酒精的气体能快速挥发，第一容置腔31内无气体残留，也是将第一容置腔31内酒精进行清零，保证下一次测试的准确性。

本实施例中，第一催化剂丝60和第二催化剂丝50的材质为贵金属。具体地，贵金属可以为铂金丝，当然，也可以采用其它贵金属来制作催化剂丝。

本实施例中，电路基板10包括电路基板11以及设于电路基板上的元器件(图中未示出)。电路基板11上设有两焊接孔13，第一催化剂丝60与第二催化剂丝50由第一限位槽82、第二限位槽81伸出后分别与此两焊接孔13进行焊接。

并且，在本实施例中，将酒精检测模块获取的采样信号进行处理的是一电流型放大电路。参考图5的电路结构示意图酒精检测模块的两端并接有一开关管，这里采用的是P型MOS管。在采样的时候打开MOS管，采样结束后关闭MOS管对酒精检测模块进行放电，这样可以在没有测量的时候保持酒精检测模块的电荷平衡。具体工作时，当酒精检测模块采样到含有一定酒精浓度的气体时，电流会发生改变，该电流信号经转化为电压信号并放大后，输送到MCU处理器进行处理，最终将结果通过数字信号输出。

在一个实施例中，电流型采样放大电路包括运算放大器U1、第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，P型MOS管的源极和运算放大器U1的同相输入端IN+同时连接酒精检测模块J1的一端，P型MOS管的漏极连接酒精检测模块J1的另一端，酒精检测模块J1的另一端还通过第一电阻R1连接运算放大器U1的反相输入端IN-，P型MOS管的栅极和运算放大器的电源正极同时接电源VDD，P型MOS管的栅极还依次通过第二电阻R2、第三电阻R3接地，第二电阻R2和第三电阻R3的连接点同时接运算放大器U1的同相输入端IN+；第一电容C1与第四电阻R4同时并联在运算放大器U1的反相输入端IN-与运算放大器的输出端OUT之间，运算放大器U1的输出端OUT通过一RC电路连接MCU处理器的输入端。

在该实施例中，MCU处理器为单片机，上述的MCU处理器的输入端为模拟输入信号端。运算放大器U1将酒精检测模块J1输出的电流信号经转化为电压信号并放大后，输送到单片机的模拟输入信号端。另外，在酒精检测模块J1采样的时候打开MOS管Q1，采样结束后关闭MOS管Q1对酒精检测模块J1进行放电，这样可以在没有测量时保持酒精检测模块J1的电荷平衡。运算放大器U1为高放大倍数的运算放大器，由于采样到信号是微弱的信号，采用单电源VCC反相放大原理，在同相输入端设置偏置电压，偏置电压可以调节。酒精检测模块J1的信号经过采样放大电路处理后再经过一个RC电路，送到MCU处理器的模拟输入信号端。

当酒精检测模块J1采样到酒精浓度的气体时，电流会发生改变，将采样的电流信号转换为电压信号并放大后送到MCU处理器进行处理，将电压信号经过MCU处理器处理得出酒精的浓度值，这个浓度数据通过单片机的数字接口输出，这样外部可以通过一个处理器或者其他通讯智能设备读取到本传感器的数据。

本申请还提供了一种智能设备(图中未示出)，包括主体，主体内设有上述的基于MEMS的酒精传感器。由于酒精传感器体积小，且测试准确，可广泛应用于手机，或者手环、手表、眼镜等日常穿戴设备。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：包括基于MEMS技术的酒精检测模块、MCU处理器、电路基板以及罩设于所述电路基板上的壳体，所述酒精检测模块通过一采样放大电路模块将其浓度信号输出给所述MCU处理器，所述MCU处理器将所述浓度信号进行处理后输出酒精浓度值。

2.如权利要求1所述的基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：所述壳体具有与外部连通的第一容置腔，所述酒精检测模块设置在所述第一容置腔内，所述壳体底部具有第二容置腔，所述MCU处理器位于所述第二容置腔内，且所述第二容置腔内填充有用于密封所述MCU处理器的密封胶。

3.如权利要求1所述的基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：所述酒精检测模块的两端并接有一开关管，所述采样放大电路模块为电流型采样放大电路。

4.如权利要求3所述的基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：所述开关管为P型MOS管,所述电流型采样放大电路包括运算放大器、第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述P型MOS管的源极和所述运算放大器的同相输入端同时连接所述酒精检测模块的一端，所述P型MOS管的漏极连接所述酒精检测模块的另一端，所述运算放大器的反相输入端通过所述第一电阻连接所述酒精检测模块的另一端，所述P型MOS管的栅极和所述运算放大器的电源正极同时接电源VDD，所述P型MOS管的栅极还依次通过所述第二电阻、第三电阻接地，所述第二电阻和第三电阻的连接点同时接所述运算放大器的同相输入端；所述第一电容与所述第四电阻同时并联在所述运算放大器的反相输入端与所述运算放大器的输出端之间，所述运算放大器的输出端通过一RC电路连接所述MCU处理器的输入端。

5.如权利要求2所述的基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：所述酒精检测模块包括设于所述第一容置腔内的第一固态电解质膜片、设于所述第一固态电解质膜片的顶面且与所述MCU处理器电连接的第一催化剂丝、设于所述第一固态电解质膜片的底面且与所述MCU处理器电连接的第二催化剂丝。

6.如权利要求5所述的基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：所述第一容置腔内且位于所述第一固态电解质膜片底部还设有膜片压板，所述膜片压板将所述第一固态电解质膜片、第一催化剂丝及第二催化剂丝固定于所述容置腔内，所述膜片压板通过密封胶固定于所述容置腔内。

7.如权利要求5所述的基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：所述容置腔内且位于所述第一固态电解质膜片底部还设有第二固态电解质膜片，所述第二催化剂丝位于所述第二固态电解质膜片与所述第一固态电解质膜片之间。

8.如权利要求5所述的基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：所述容置腔包括底腔室、顶开口以及连通所述底腔室与所述顶开口的通道，所述第一固态电解质膜片置于所述底腔室内，所述顶开口内设有透气膜，所述通道内填充有空气，所述第一催化剂丝的中部正对所述通道，所述底腔室的顶壁压设于所述第一催化剂丝上。

9.如权利要求5所述的基于MEMS的酒精传感器，其特征在于：所述第一容置腔内还设有加热装置。

10.一种智能设备，包括主体，其特征在于：所述主体内设有如权利要求1至9中任一项所述的基于MEMS的酒精传感器。

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