NO323259B1

NO323259B1 - The miniature gas sensor

Info

Publication number: NO323259B1
Application number: NO20041384A
Authority: NO
Inventors: Ralph W Bernstein; Geir Uri Jensen; Dag Torstein Wang; Niels Peter Ostbo; Andreas Vogl; Bertil Hok; Per G Gloersen
Original assignee: Sensonor As; Sintef; Hok Instr Ab
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2007-02-19
Also published as: NO20041384D0; NO20041384L

Description

OPPFINNELSENS BAKGRUNN BACKGROUND OF THE INVENTION

Oppfinnelsens område Field of the invention

Den foreliggende oppfinnelse angår måling, overvåking, eller kontroll av sammensetningen av gassblandinger, særlig luft. Avføtingsinnretninger til slike formål er allerede i bruk, for eksempel for kontroll åv forbrenningsprosesser, miljøovervåking og -kontroll, samt i helseomsorg. Viktigheten av dette emnet fremgår av det faktum at den nøyaktige sammensetning av luft er viktig for mennesker og andre skapningers helse, og det er også viktig med sikte på bevaring av naturressurser, inkludert energi. The present invention relates to the measurement, monitoring or control of the composition of gas mixtures, in particular air. De-footing devices for such purposes are already in use, for example for control of combustion processes, environmental monitoring and control, as well as in healthcare. The importance of this subject is evident from the fact that the exact composition of air is important for the health of humans and other creatures, and it is also important with a view to the conservation of natural resources, including energy.

Beskrivelse av beslektet teknikk Description of Related Art

Flere metoder for gassanalyse er beskrevet i litteraturen, og det finnes også en rekke kommersielt tilgjengelige anordninger. Et av de mest allsidige verktøy er massespektroskopi, som muliggjør identifisering av flyktige molekyler, samt kvantifisering av deres konsentrasjon med tilstrekkelig nøyaktighet, også ved meget lave konsentrasjonsnivåer. Ved massespektroskopi blir prøven først ionisert og deretter utsatt for et elektromagnetisk felt, der artene separeres i henhold til deres molekylmasse. Etter separering utfører en detektor det avsluttende trinn med å frembringe et signal som representerer forekomsten av et stoff ved et gitt punkt langs masselinjen. Massespektroskopi anvendes som en vitenskapelig referansemetode, men er ennå ikke blitt omsatt til en masseproduserbar sensor for distribuert utnyttelse, på grunn av dens kompliserte og omfangsrike beskaffenhet, som medfører forholdsvis høye produksjonskostnader. Several methods for gas analysis are described in the literature, and there are also a number of commercially available devices. One of the most versatile tools is mass spectroscopy, which enables the identification of volatile molecules, as well as the quantification of their concentration with sufficient accuracy, even at very low concentration levels. In mass spectroscopy, the sample is first ionized and then exposed to an electromagnetic field, where the species are separated according to their molecular mass. After separation, a detector performs the final step of producing a signal representing the presence of a substance at a given point along the mass line. Mass spectroscopy is used as a scientific reference method, but has not yet been translated into a mass-producible sensor for distributed utilization, due to its complicated and bulky nature, which entails relatively high production costs.

I likhet med massespektroskopi anvender gasskromatografi fysisk separering av artene i en blanding, men mens massespektroskopi gjør bruk av forskjellene i masse, blir artene i gasskromatografi separert ved deres ulike affinitet overfor bærergass og en fast eller flytende overflate, benevnt den stasjonære fase i motsetning til den mobile fase. Gasskromatografi er et viktig analytisk verktøy med et kompleksitetsnivå som kan sammenlignes med kompleksitetsnivået til massespektroskopi. Like mass spectroscopy, gas chromatography uses physical separation of the species in a mixture, but while mass spectroscopy makes use of the differences in mass, in gas chromatography the species are separated by their different affinities towards a carrier gas and a solid or liquid surface, called the stationary phase as opposed to the mobile phase. Gas chromatography is an important analytical tool with a level of complexity comparable to that of mass spectroscopy.

Infrarød absorpsjon-spektroskopi er en annen og nyttig metode for analysering av gassblandinger, særlig forholdsvis tunge molekyler som oppviser distinkte absorpsjonstopper i det infrarøde bølgelengdeområdet. Slik absorpsjon skriver seg fra ulike kvantemodi av molekylvibrasjoner, med et overlagt spekter av rotasjons-energinivåer. Hvert molekyl kan således identifiseres i samsvar med sitt "fingeravtrykk" av infrarød absorpsjon. I enkelte tilfeller er det også mulig å utskille en bestemt art ved bruk av et smalbåndfilter som er skreddersydd for spesifikke molekyler. For eksempel er sensorer for karbondioksid basert på dets smale absorpsjonsbånd ved 4.3 pm blitt konstruert basert på dette opplegg. Infrarød spektroskop! lider imidlertid i noen grad av de samme begrensninger som massespektroskopi med hensyn til kompleksitet og størrelse, og det gjelder ikke dens flersidighet. Infrared absorption spectroscopy is another and useful method for analyzing gas mixtures, especially relatively heavy molecules that exhibit distinct absorption peaks in the infrared wavelength range. Such absorption is written from different quantum modes of molecular vibrations, with a superimposed spectrum of rotational energy levels. Each molecule can thus be identified according to its "fingerprint" of infrared absorption. In some cases, it is also possible to isolate a specific species using a narrow-band filter that is tailored for specific molecules. For example, sensors for carbon dioxide based on its narrow absorption band at 4.3 pm have been constructed based on this scheme. Infrared spectroscope! however, suffers to some extent from the same limitations as mass spectroscopy in terms of complexity and size, and this does not apply to its versatility.

En fjerde mulighet for gassblandingsanalysen, er å gjøre bruk av gassarters kjemiske reaktivitet for klassifisering, identifisering, og kvantifisering av dem. Gassprøven blir så utsatt for et antall reagenser, og forekomsten av kjemiske reaksjoner detekteres for eksempel ved frigjøring eller forbruk av varme som følge av at den kjemiske reaksjon er eksoterm eller endoterm. Andre muligheter er deteksjon av endring i pH, eller posisjon langs en oksidasjons-Zreduksjonsakse. Reagensene kan være i enten gassformig, væskeformig eller fast tilstand, og kan enten reagere direkte på en reversibel eller irreversibel måte, eller oppvise katalytisk funksjon. Kjemiske følere av denne type blir ofte konstruert for ikke-repetitiv operasjon, på grunn av oppbyggingen av avfallsprodukter som hindrer videre bruk. Deres anvendbarhet for automatiske overvåkings- og kontrollformål er derfor begrenset. A fourth possibility for the gas mixture analysis is to make use of the chemical reactivity of gas species for their classification, identification and quantification. The gas sample is then exposed to a number of reagents, and the occurrence of chemical reactions is detected, for example, by the release or consumption of heat as a result of the chemical reaction being exothermic or endothermic. Other possibilities are detection of a change in pH, or position along an oxidation-Zreduction axis. The reagents can be in either gaseous, liquid or solid state, and can either react directly in a reversible or irreversible manner, or exhibit a catalytic function. Chemical sensors of this type are often designed for non-repetitive operation, due to the build-up of waste products that prevent further use. Their applicability for automatic monitoring and control purposes is therefore limited.

Bruken av akustiske målinger for gassanalyse har vært vellykket for analyse av binære gassblandinger. Fra elementær teori er det for eksempel kjent at lydhastigheten c i en gass med molekylmasse M er gitt ved The use of acoustic measurements for gas analysis has been successful for the analysis of binary gas mixtures. For example, it is known from elementary theory that the speed of sound c in a gas with molecular mass M is given by

hvor T er den absolutte temperatur, R=8.3143 J/mol K er den generelle gasskonstant, og y er forholdet mellom spesifikk varme ved henholdsvis konstant trykk og volum. Hvis molekylmassene til bestanddelene i en binær blanding er kjent, kan deres relative konsentrasjon bestemmes ut fra måling av lydhastigheten. where T is the absolute temperature, R=8.3143 J/mol K is the general gas constant, and y is the ratio between specific heat at constant pressure and volume respectively. If the molecular masses of the constituents of a binary mixture are known, their relative concentration can be determined from measurement of the speed of sound.

En har funnet at luft inneholdende en forurensning under visse forhold kan betraktes som en binær blanding. Slike forhold er fremherskende når forurensningens beskaffenhet er enten kjent eller av liten interesse. For eksempel i prosessindustrier der en eller flere gasser benyttes i stor skala, vil alarminnretninger for tekkasjedeteksjon ofte ikke kreve informasjon med hensyn til gassens spesifikke sammensetning, ettersom de korrigerende handlinger vil være de samme, uten hensyn til denne informasjon. Det samme forhold gjelder inneluft-kvalitetskontroll. I dette tilfellet anses konsentrasjonen av karbondioksid (C02) å være en adekvat indikator som kan benyttes for kontroll av ventilasjonen av et visst område. C02 i luft kan behandles som en binær blanding, og ligning (1) kan benyttes for bestemmelse av C02-konsentrasjonen på grunn av en høyere motekylmasse av C02-molekylet sammenlignet med nitrogen og oksygen som dominerer luftens gjennomsnittlige molekylmasse. It has been found that air containing a pollutant under certain conditions can be considered a binary mixture. Such conditions are prevalent when the nature of the pollution is either known or of little interest. For example, in process industries where one or more gases are used on a large scale, alarm devices for ceiling detection will often not require information regarding the specific composition of the gas, as the corrective actions will be the same, regardless of this information. The same relationship applies to indoor air quality control. In this case, the concentration of carbon dioxide (C02) is considered to be an adequate indicator that can be used to control the ventilation of a certain area. C02 in air can be treated as a binary mixture, and equation (1) can be used to determine the C02 concentration due to a higher molecular mass of the C02 molecule compared to nitrogen and oxygen which dominate the air's average molecular mass.

En måte hvorved lydhastigheten i en gass kan bestemmes, er å benytte resonansegenskapene til et lukket hulrom som inneholder gassen. Ved å forme en slik akustisk resonator, hvis resonansfrekvens er en monoton funksjon av gass-lydhastigheten, får man en løsning for bestemmelse av lydhastigheten og følgelig gass-sammensetningen. One way in which the speed of sound in a gas can be determined is to use the resonance properties of a closed cavity containing the gas. By shaping such an acoustic resonator, whose resonant frequency is a monotonic function of the gas-sound speed, one obtains a solution for determining the sound speed and consequently the gas composition.

Den idé å benytte akustisk resonator som en gassdetektor for binære blandinger av gasser med ulike molekylmasser, er ikke ny, og sensorer som fremstilles ved konvensjonell, ikke-miniatyrisert teknologi er i vanlig handel. En kjent anordning med betegnelsen 'The Greenspan Viscometer" er vist i artikkelen "An Acoustic Viscometer for Gases -1", NBS Report 2658 (1953), M. Greenspan and F.N. Wimenitz, [referenced by Gillis et al. in 'Theory of the Greenspan viscometer", NIST report 2002]. The idea of using an acoustic resonator as a gas detector for binary mixtures of gases with different molecular masses is not new, and sensors produced by conventional, non-miniaturized technology are commercially available. A known device with the designation 'The Greenspan Viscometer" is shown in the article "An Acoustic Viscometer for Gases -1", NBS Report 2658 (1953), M. Greenspan and F.N. Wimenitz, [referenced by Gillis et al. in 'Theory of the Greenspan viscometer", NIST report 2002].

Fra US-patentene 5,524,477 og 5,768,937 er kjent gassdetektorer som arbeider etter et liknende prinsipp som herværende oppfinnelse. Anordningene er imidlertid sammensatt av flerje deler, og utgjør relativt store og kostbare anlegg. Gas detectors are known from US patents 5,524,477 and 5,768,937 which work according to a similar principle to the present invention. However, the devices are composed of several parts, and constitute relatively large and expensive facilities.

Den kjente teknikk oppviser visse ulemper, først og fremst høye produksjonskostnader, høyere strømforbruk og at anordningens størrelse krever en forholdsvis stor innkapsling. Størrelsen og kostnaden ved anordninger basert på denne kjente teknikk, utelukker utbredt bruk av disse. The known technique exhibits certain disadvantages, primarily high production costs, higher power consumption and the fact that the size of the device requires a relatively large enclosure. The size and cost of devices based on this known technique preclude their widespread use.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN SUMMARY OF THE INVENTION

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en miniatyrisert gassensor av akustisk type, som er i stand tiJ å analysere innholdet av gassblandinger hurtig og nøyaktig. Et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse er å minimere strålingstap fra sensorens resonatorkonstruksjon, for derved å oppnå en nøyaktig resonansbestemmelse. An object of the present invention is to provide a miniaturized gas sensor of acoustic type, which is able to analyze the content of gas mixtures quickly and accurately. A further purpose of the present invention is to minimize radiation loss from the sensor's resonator construction, thereby achieving an accurate resonance determination.

I følge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en miniatyrsensor for analysering av innholdet av en gassblanding, hvilken sensor omfatter minst to hulrom som er forbundet via en innsnevret passasje, midler for transport av gassblandingen til og fra hulrommene, midler for aktivering av trykk- eller volum-variasjoner i minst ett av hulrommene, samt midler for detektering av minst en akustisk parameter som avhenger av slike variasjoner, og miniatyrsensoren ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at den er en MEMS-sensor. According to the invention, a miniature sensor is provided for analyzing the content of a gas mixture, which sensor comprises at least two cavities which are connected via a narrowed passage, means for transporting the gas mixture to and from the cavities, means for activating pressure or volume variations in at least one of the cavities, as well as means for detecting at least one acoustic parameter which depends on such variations, and the miniature sensor according to the invention is characterized by the fact that it is a MEMS sensor.

De akustiske parametere kan være lydtrykk, lydhastighet, resonansfrekvens eller en relatert lydparameter. The acoustic parameters can be sound pressure, sound speed, resonance frequency or a related sound parameter.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen kan hulrommene utgjøre minst en akustisk resonator, hvis resonansfrekvens er en monoton funksjon av lydhastigheten til gassen i hulrommene. In a preferred embodiment of the invention, the cavities can form at least one acoustic resonator, whose resonant frequency is a monotonic function of the sound speed of the gas in the cavities.

Hulrommenes geometri, passasjen samt midlene for aktivering og detektering kan defineres ved en prosess som innbefatter minst en av følgende operasjoner: litografi, etsing, deponering/avsetting og bonding. The geometry of the cavities, the passage as well as the means for activation and detection can be defined by a process which includes at least one of the following operations: lithography, etching, deposition/deposition and bonding.

Hulrommene og passasjen kan strekke seg hovedsakelig i en retning parallelt med et grenseflateplan mellom to bonderte flater. The cavities and the passage may extend mainly in a direction parallel to an interface plane between two bonded surfaces.

Alternativt kan hulrommene og passasjen strekke seg hovedsakelig i en retning vinkelrett på et grenseflateplan mellom to bonderte plater. Alternatively, the cavities and passage may extend substantially in a direction perpendicular to an interface plane between two bonded plates.

Hulrommene og passasjen kan utformes som fordypninger i minst en av grenseflatens plane overflater. The cavities and the passage can be designed as depressions in at least one of the flat surfaces of the interface.

I følge en utførelsesform er et tverrsnittsareal av den innsnevrete passasje ikke mer enn det halve, og ikke mindre enn en hundredel av hvilket som helst tverrsnittsareal av hulrommene'. According to one embodiment, a cross-sectional area of the narrowed passage is not more than half, and not less than one-hundredth of any cross-sectional area of the cavities'.

Videre kan et tverrsnitt av den innsnevrete passasje være hovedsakelig sirkelformet eller halvsirkelformet. Furthermore, a cross-section of the constricted passage may be substantially circular or semi-circular.

Hulrommene kan være utformet som fordypninger eller utsparinger i plater bestående av halvleder- og/eller isolasjonsmaterialer. The cavities can be designed as depressions or recesses in plates consisting of semiconductor and/or insulating materials.

Detekteringsmidlene kan omfatte minst et element som er enten piezoresistivt, kapasitivt, piezoelektrisk, eller magnetostriktivt. The detection means may comprise at least one element which is either piezoresistive, capacitive, piezoelectric or magnetostrictive.

Hulrommenes fysiske dimensjoner er fortrinnsvis ikke større enn 2 millimeter i lengde og bredde, og ikke større enn 1 millimeter i dybde. The physical dimensions of the cavities are preferably no greater than 2 millimeters in length and width, and no greater than 1 millimeter in depth.

Gasstransporten kan være aktiv transport. The gas transport can be active transport.

Trykk- eller volumvariasjonene kan være kontinuerlig drevne variasjoner, eller alternativt transiente variasjoner. The pressure or volume variations can be continuously driven variations, or alternatively transient variations.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Fig. 1 viser et tverrsnittsriss av en skjematisk og generalisert versjon av en grunnutførelse av gass-sensoren i følge foreliggende oppfinnelse, for å forklare prinsippene ved resonanssystemet og luft-gjennomstrømningen. Fig. 2 viser i et tverrsnittsriss en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse, innbefattende de vesentlige funksjonselementer. Fig. 3 viser, på samme måte som fig. 2, en annen foretrukket utførelse av gass-sensoren i følge oppfinnelsen, der resonanssystemet strekker seg hovedsakelig vinkelrett på et grenseflateplan mellom bonderte plater. Fig. 4 viser, en foretrukket utførelse som oppviser en tre-stakks konstruksjon, med en tredje bunnplate, men som for øvrig er identisk med utførelsen vist i fig. 2. Fig. 5 viseren sensorutførelse som anvender et rygg-mot-rygg-arrangement, hvor det anvendes et større, nedre hulrom som er forbundet med hovedsystemet som er lik hulromsystemet vist i fig. 2. Fig. 1 shows a cross-sectional view of a schematic and generalized version of a basic version of the gas sensor according to the present invention, to explain the principles of the resonance system and the air flow. Fig. 2 shows in a cross-sectional view a preferred embodiment of the present invention, including the essential functional elements. Fig. 3 shows, in the same way as fig. 2, another preferred embodiment of the gas sensor according to the invention, where the resonance system extends mainly perpendicular to an interface plane between bonded plates. Fig. 4 shows a preferred embodiment which exhibits a three-stack construction, with a third bottom plate, but which is otherwise identical to the embodiment shown in fig. 2. Fig. 5 shows a sensor embodiment using a back-to-back arrangement, where a larger, lower cavity is used which is connected to the main system which is similar to the cavity system shown in fig. 2.

NÆRMERE BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSESFORMER DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Den foreliggende oppfinnelse er en gass-sensor der målinger av lydhastigheten utføres i en miniatyrisert innkapsling. Miniatyrisering er fordelaktig ut fra flere synspunkter. For det første er små fysiske dimensjoner ofte nødvendig for hensiktsmessig plassering i et visst område, særlig når funksjonelle og estetiske begrensninger er fremherskende, hvilket vanligvis er tilfellet. For det andre forventer brukerne at miniatyriseringen av elektroniske kretser er tilpasset lignende forbedringer også i sensorer, selv om konstruksjonsproblemene og særlig grunnleggende, fysiske begrensninger i blant kan være betydelig mer alvorlige. For det tredje er det, ved bruk av ny MEMS (micro electro mechanical systems)-teknologi, mutig å fremstille temmelig komplekse mikrostrukturer til en meget lav kostnad. Faktisk kan MEMS anses som en utvikling av mikroelektronikk-teknikk, hvor det anvendes de samme grunnverktøy for litografi kombinert med additiv og subtraktiv mikromaskinering. Subtraktiv-teknikker innbefatter forskjellige våt- og tørr-etsingsprosesser. Tynnfilm-avsetning, ione-implantering og faststoff-overflatebonding, for eksempel anodisk bonding, er eksempler på additive teknikker. The present invention is a gas sensor where measurements of the sound speed are carried out in a miniaturized enclosure. Miniaturization is advantageous from several points of view. First, small physical dimensions are often necessary for appropriate placement in a given area, particularly when functional and aesthetic constraints predominate, which is usually the case. Secondly, users expect that the miniaturization of electronic circuits is adapted to similar improvements in sensors as well, even though the construction problems and particularly basic, physical limitations can sometimes be considerably more serious. Thirdly, by using new MEMS (micro electro mechanical systems) technology, it is possible to manufacture rather complex microstructures at a very low cost. In fact, MEMS can be considered a development of microelectronics technology, where the same basic tools for lithography combined with additive and subtractive micromachining are used. Subtractive techniques include various wet and dry etching processes. Thin film deposition, ion implantation and solid surface bonding, for example anodic bonding, are examples of additive techniques.

Miniatyr-gassensoren i følge foreliggende oppfinnelse omfatter to eller flere hulrom som danner minst en akustisk resonator, hvis resonansfrekvens er en monoton funksjon av lydhastigheten i gassen. Resonatorer med slike egenskaper er velkjent i akustikk-litteraturen. En resonator med konsentrerte elementer kan utformes ved å kombinere en akustisk fjæring med et treghets-element, det vil i utgangspunktet si et volum med et innsnevret innløp. Resonansfrekvensen fr til en slik Helmholtz-resonator er gitt ved The miniature gas sensor according to the present invention comprises two or more cavities which form at least one acoustic resonator, the resonance frequency of which is a monotonic function of the speed of sound in the gas. Resonators with such properties are well known in the acoustics literature. A resonator with concentrated elements can be designed by combining an acoustic suspension with an inertial element, which basically means a volume with a narrowed inlet. The resonance frequency of such a Helmholtz resonator is given by

hvor V er volumet, og A, £ er innsnevringens areal og lengde. Fra ligning (2) er det klart at det er mulig å konstruere en resonator med et i utgangspunktet lineært forhold til lydhastigheten. where V is the volume, and A, £ is the area and length of the constriction. From equation (2) it is clear that it is possible to construct a resonator with a basically linear relationship to the speed of sound.

Fra ligning (2) er det også klart at Helmholtz-resonatorer kan miniatyriseres ved progressiv minsking av V, A og £, og at denne skalering vil føre til progressivt økende resonansfrekvens. En begrensning vil da være resonatorens effektive Q-faktor, som svarer til forholdet mellom lagret og tapt energi. I en vanlig Helmholtz-resonator vil, ved økende frekvens, en økende del av energien avgis ved stråling. Følgelig blir Q-faktoren liten, hvilket begrenser nøyaktigheten av resonansfrekvens-bestemmelse. Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en løsning på dette og relaterte problemer. Løsningen går ut på å forme en resonator av to hulrom som er forbundet ved en innsnevret passasje. Strålingstapet blir da eliminert, hvilket muliggjør tilstrekkelig høy Q-faktor. From equation (2) it is also clear that Helmholtz resonators can be miniaturized by progressively reducing V, A and £, and that this scaling will lead to progressively increasing resonance frequency. A limitation will then be the resonator's effective Q-factor, which corresponds to the ratio between stored and lost energy. In a normal Helmholtz resonator, with increasing frequency, an increasing part of the energy will be emitted by radiation. Consequently, the Q-factor becomes small, which limits the accuracy of resonance frequency determination. It is an object of the present invention to provide a solution to this and related problems. The solution consists in shaping a resonator from two cavities which are connected by a narrowed passage. The radiation loss is then eliminated, which enables a sufficiently high Q-factor.

En resonator kan aktiveres ved hjelp av hvilken som helst innretning for generering av lyd, og detektering av lyd i hulrom kan utformes ved, i prinsippet, hvilken som helst form for mikrofon. Ved å sveipe aktiveringsfrekvensen over området av forventet resonans, kan resonansfrekvensen bestemmes ut fra amplitudetoppen som mikrofonen detekterer. A resonator can be activated by any device for generating sound, and the detection of sound in cavities can be designed by, in principle, any type of microphone. By sweeping the activation frequency over the range of expected resonance, the resonance frequency can be determined from the amplitude peak that the microphone detects.

MEMS-implenterbare midler for aktivering og detektering er begrenset til et forholdsvis lite antall mulige løsninger, og det er et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse å vise slike løsninger. MEMS-implementerbare aktiveringsmidler innbefatter overflate-motstander for strømvarming, elastiske toelementer med asymmetrisk varmeekspansjonskoeffisient, elektrostatiske elementer, piezoelektriske tynnfilmer, for eksempel bly-zirconat-titanat, og magnetorestriktive tynnfilmer, for eksempel legeringer som innbefatter sjeldne jordmetaller. MEMS-implementerbare deteksjonsmidler innbefatter kapasitive, piezoelektriske, og piezoresistive elementer. MEMS implantable means for activation and detection are limited to a relatively small number of possible solutions, and it is a further purpose of the present invention to show such solutions. MEMS implementable actuators include surface resistors for current heating, elastic bi-elements with asymmetric coefficient of thermal expansion, electrostatic elements, piezoelectric thin films, such as lead zirconate-titanate, and magneto-restrictive thin films, such as alloys containing rare earth metals. MEMS-implementable detection means include capacitive, piezoelectric, and piezoresistive elements.

Fig. 1 viser oppfinnelsens grunnstruktur. Sammen danner hulrommene 1 og 2 sammen med den innsnevrete passasjen 3, en akustisk resonator. Resonatorens rsonansfrekvens bestemmes av (lydhastigheten til) gassen i resonatoren. Tohulrom-løsningen sikrer at strålingstap minimeres. I en typisk utførelsesform er hulrommene og kanalen frembrakt ved etseprosesser som er velkjent innen faget. Etsingen kan finne sted bare i den øvre platen 5, eller i en kombinasjon av de to viste plater 5 og 6. Fig. 1 shows the basic structure of the invention. Together, the cavities 1 and 2 together with the narrowed passage 3 form an acoustic resonator. The resonant frequency of the resonator is determined by (the speed of sound of) the gas in the resonator. The two-cavity solution ensures that radiation loss is minimized. In a typical embodiment, the cavities and the channel are produced by etching processes which are well known in the art. The etching can take place only in the upper plate 5, or in a combination of the two plates 5 and 6 shown.

Gassen som skal måles slippes inn i den akustiske resonator via en eller flere ventileringskanaler 4, ved aktive eller passive midler. Aktive midler omfatter pumping av gassen ved bruk av trykkforskjell, mens passive midler omfatter naturlig diffusjon av gassen. Ventileringskanalen kan etses ut fra den ene eller andre av de to plater 5 og 6.1 fig. 1 er det vist en av de mange mulige implementeringer av en slik kanal; her strekker den seg vinkelrett på gasstrømretningen (resonans-retningen) i forbindelsespassasjen 3. The gas to be measured is admitted into the acoustic resonator via one or more ventilation channels 4, by active or passive means. Active means include pumping the gas using a pressure difference, while passive means include natural diffusion of the gas. The ventilation channel can be etched out from one or the other of the two plates 5 and 6.1 fig. 1 shows one of the many possible implementations of such a channel; here it extends perpendicular to the gas flow direction (resonance direction) in the connection passage 3.

I fig. 2 er det vist en foretrukket utførelsesform. Midler for eksitering av resonatoren inngår i figuren. I flere implementeringer av sensoren utgjør en membran 8 et tynt og fleksibelt gulv for ett eller flere av hulrommene. En slik membran kan lages på mange måter, for eksempel ved å etse et hulrom i den nedre skiven, slik det er kjent innen faget. Membranen 8 kan således danne den mekaniske bærestruktur (substrat) for midlene for eksitering av resonatoren. Eksiteringen kan oppnåes på flere måter. En slik måte er å føre strøm gjennom en eller flere motstander 9, hvilket fører tit strømvarme. I en foretrukket utførelsesform kan motstanderen 9 fremstilles ved å dope et parti av halvleder-substratet 6 for derved å skape den motsatte konduktivitetstype i motstanderen i forhold til substratet. Membranløsningen sikrer maksimal effektivitet hos den resistive oppvarmingsinnretning, ved at et minimum av varme ledes inn i substratet. For maksimal eksitering må hver resistive varmepuls translatere til en maksimal, termoakustisk trykkpuls i resonatoren. Hver varmepuls kan antas å føre til en gitt luftvolum-endring i hulrommet - og således generere en ønsket trykkendring som eksiterer resonatoren. Motstanderen 9 kan også dannes på andre måter, så som ved å avsette resistive ledere på substratet 6. Eksiteringen kan også utføres ved bruk av andre MEMS-implementerbare aktiveringsmidler, som tidligere angitt, innbefattende tilsetting av tynne funksjonelle filmer til den fleksible membran 8. Slike andre eksiteringselementer 9 kan således være elastiske bimorfelementer med asymmetrisk varmeutvidelseskoeffisient, elektrostatiske elementer, piezoelektriske tynnfilmer og magnetorestriktive tynnfilmer. Slike andre eksiteringselementer 9 vil hovedsakelig eksitere resonatoren direkte ved volumendring. In fig. 2 a preferred embodiment is shown. Means for exciting the resonator are included in the figure. In several implementations of the sensor, a membrane 8 constitutes a thin and flexible floor for one or more of the cavities. Such a membrane can be made in many ways, for example by etching a cavity in the lower disc, as is known in the art. The membrane 8 can thus form the mechanical support structure (substrate) for the means for exciting the resonator. The excitation can be achieved in several ways. One such way is to pass current through one or more resistors 9, which often leads to current heating. In a preferred embodiment, the resistor 9 can be produced by doping a portion of the semiconductor substrate 6 to thereby create the opposite type of conductivity in the resistor in relation to the substrate. The membrane solution ensures maximum efficiency of the resistive heating device, in that a minimum of heat is conducted into the substrate. For maximum excitation, each resistive heat pulse must translate into a maximum thermoacoustic pressure pulse in the resonator. Each heat pulse can be assumed to lead to a given air volume change in the cavity - and thus generate a desired pressure change that excites the resonator. The resistor 9 can also be formed in other ways, such as by depositing resistive conductors on the substrate 6. The excitation can also be carried out using other MEMS-implementable actuation means, as previously indicated, including the addition of thin functional films to the flexible membrane 8. Such other excitation elements 9 can thus be elastic bimorph elements with an asymmetric thermal expansion coefficient, electrostatic elements, piezoelectric thin films and magneto-restrictive thin films. Such other excitation elements 9 will mainly excite the resonator directly when the volume changes.

I følge en utførelsesform oppnåes detektering av det akustiske signal ved hjelp av piezomotstander 10 beliggende i membranen 8. Piezomotstander kan lages ved å dope substratet med en motsatt konduktivitetstype enn substratets. I en foretrukket utførelsesform utføres detektering og eksitering i forskjellige hulrom, hvilket muliggjør separat optimering av utformingen av hvert hulrom. I fig. 2 er eksiteringen reservert for hulrom 1 og detektering for hulrom 2. Piezomotstander-arrangementet vil variere med spesifikasjonene. En typisk konfigurasjon er fire piezomotstander anordnet i en Wheatstone-bro. En slik Wheatstone-bro er kjent i faget som et middel til detektering av mekanisk påkjenning i en trykkmembran, så som 8. Som tidligere angitt, kan detektering av det akustiske signal ved hjelp av minst ett elelement 10, også foretas med andre midler som innbefatter en effektiv mikrofon, så som ved kapasitive (elektrostatiske) elementer, eller ved anvendelse av piezoelektriske tynnfilmer. According to one embodiment, detection of the acoustic signal is achieved by means of piezo resistors 10 situated in the membrane 8. Piezo resistors can be made by doping the substrate with an opposite conductivity type to that of the substrate. In a preferred embodiment, detection and excitation are performed in different cavities, which enables separate optimization of the design of each cavity. In fig. 2, the excitation is reserved for cavity 1 and detection for cavity 2. The piezoresistor arrangement will vary with the specifications. A typical configuration is four piezo resistors arranged in a Wheatstone bridge. Such a Wheatstone bridge is known in the art as a means of detecting mechanical stress in a pressure membrane, such as 8. As previously indicated, detection of the acoustic signal by means of at least one electric element 10 can also be carried out by other means which include an effective microphone, such as by capacitive (electrostatic) elements, or by the use of piezoelectric thin films.

I figurene er elektriske forbindelser/ledninger til, fra og mellom motstanderene ikke vist, verken på eksiteringssiden eller på detekteringssiden. Prinsippene ved framstillingsprosessene før slike forbindelsesledninger er kjent innen faget. Ledninger innvendig i hulrommene er typisk frembrakt ved en kombinering av lav-resistivitetsdoping og metallisering. Metoder for opprettelse av ledninger mellom hulrommenes innside og utside er også velkjent, men mer kompliserte, og særlig i kombinasjon med hermetisk lukkete hulrom. En foretrukket utførelsesform er å bruke nedgravde ledere implantert i en halvlederskive, som i plate 6. In the figures, electrical connections/wires to, from and between the resistors are not shown, neither on the excitation side nor on the detection side. The principles of the manufacturing processes before such connection lines are known in the art. Wires inside the cavities are typically produced by a combination of low-resistivity doping and metallization. Methods for creating lines between the inside and outside of the cavities are also well known, but more complicated, and especially in combination with hermetically sealed cavities. A preferred embodiment is to use buried conductors implanted in a semiconductor wafer, as in plate 6.

I fig. 1 og 2 er strømningsretningen i passasjen 3 mellom de to hulrom 1 og 2 hovedsakelig parallell med grenseflaten 7 mellom de to plater 5 og 6. En alternativ utførelsesform er vist i fig. 3, der strømningsretningen gjennom forbindelsespassasjen 3 er hovedsakelig vinkelrett på grenseflaten mellom de to plater 5 og 6. En fordel ved dette prinsipp er at det sparer areal og derfor er en mer kostnadseffektiv løsning. Et eksempel på plasseringen av motstanderen 9 for eksitering og motstanderen 10 for detektering er vist. I fig. 3 er vist en alternativ implementering av ventileringskanalen 4. Det nedre hulrom 2 kan lettere fremstilles i et arrangement der det strekker seg hele veien til platens 6 bunnside, som fortrinnsvis kan være lukket med en ytterligere plate 13 som vist i fig. 4 og 5. In fig. 1 and 2, the flow direction in the passage 3 between the two cavities 1 and 2 is essentially parallel to the interface 7 between the two plates 5 and 6. An alternative embodiment is shown in fig. 3, where the flow direction through the connecting passage 3 is mainly perpendicular to the interface between the two plates 5 and 6. An advantage of this principle is that it saves space and is therefore a more cost-effective solution. An example of the location of the resistor 9 for excitation and the resistor 10 for detection is shown. In fig. 3 shows an alternative implementation of the ventilation channel 4. The lower cavity 2 can be more easily produced in an arrangement where it extends all the way to the bottom side of the plate 6, which can preferably be closed with a further plate 13 as shown in fig. 4 and 5.

En utførelsesform av foreliggende oppfinnelse benytter en glasskive som den øvre plate 5 og en silisiumskive som den nedre plate 6. Glasskiven er for eksempel av Pyrex (borosilikat-glass). Etsing av hulrommene i glasset fortrinnsvis ved hjelp av en våtisotropisk etsing. De isotropiske egenskaper fører til en mer avrundet hulromsform enn den rektangulære form vist i figurene. En slik form kan være fordelaktig med hensyn til resonatorens kvalitetsfaktor. An embodiment of the present invention uses a glass disc as the upper plate 5 and a silicon disc as the lower plate 6. The glass disc is, for example, made of Pyrex (borosilicate glass). Etching of the cavities in the glass preferably by means of a wet isotropic etching. The isotropic properties lead to a more rounded cavity shape than the rectangular shape shown in the figures. Such a shape can be advantageous with regard to the quality factor of the resonator.

Utformingen av fordypningene 11 og 12, og derved av membranene 8 kan utføres ved hjelp av flere alternative midler som velkjent innen faget. En foretrukket utførelsesform for en silisium-implementering av skiven 6 er en våt-anisotropisk etsing. Membranenes 8 tykkelse kan bestemmes for eksempel ved bruk av en elektrokjemisk etse-stopper, som gir en meget velkontrollert membrantykkelse. The design of the recesses 11 and 12, and thereby of the membranes 8, can be carried out using several alternative means as are well known in the field. A preferred embodiment for a silicon implementation of the disc 6 is a wet anisotropic etching. The thickness of the membranes 8 can be determined, for example, by using an electrochemical etching stopper, which gives a very well-controlled membrane thickness.

I følge en utførelsesform som vist i fig. 4, anvendes en trestakk-struktur. En tredje skive (plate 13) benyttes som en bunnskive. Denne tredje, nedre skive avtetter hulrom utformet i midtplaten, plate 6. Slik avtetting kan i en alternativ implementering utføres under monteringen av tostakk-strukturen på flere ulike substrater eller bærere. I følge en utførelsesform er den tredje, nederste skiven en glasskive, hvilket gjør den fullstendige trestakkstrukturen til en glass-silisium-glass-struktur. De tre skivene kan for eksempel bonderes i to påfølgende, anodiske bonderingstrinn, velkjent innen faget. Bruken av en nedre skive betyr at de nedre hulrom 11 og 12 kan avtettes under renromsforhold. Muligheten til å fremstille avtettete hulrom under slike velkontrollerte forhold, gir et middel til styring av trykket og for eksempel gass-sammensetningen i hulrommene, som således kan benyttes til for eksempel referanseformål i sensoren. Trykket i de nedre hulrom vil også styre membranens 8 mekaniske oppførsel. En videre fordel med en slik utførelsesform, er at den sikrer lav kostnad og høy fremstillingskvalitet, og at membranen 8 og resten av sensoren er godt beskyttet under videre håndtering og pakking. According to an embodiment as shown in fig. 4, a three-stack structure is used. A third disk (plate 13) is used as a bottom disk. This third, lower disc seals cavities formed in the middle plate, plate 6. Such sealing can, in an alternative implementation, be carried out during the assembly of the two-stack structure on several different substrates or carriers. According to one embodiment, the third, bottom wafer is a glass wafer, making the complete tristack structure a glass-silicon-glass structure. The three discs can, for example, be bonded in two successive, anodic bonding steps, well known in the art. The use of a lower disk means that the lower cavities 11 and 12 can be sealed under clean room conditions. The possibility of producing sealed cavities under such well-controlled conditions provides a means of controlling the pressure and, for example, the gas composition in the cavities, which can thus be used for, for example, reference purposes in the sensor. The pressure in the lower cavities will also control the mechanical behavior of the membrane 8. A further advantage of such an embodiment is that it ensures low cost and high manufacturing quality, and that the membrane 8 and the rest of the sensor are well protected during further handling and packaging.

I følge en utførelsesform, vist i ftg. 5, benyttes en trestakk-konstruksjon til å avtette et større, nedre hulrom som er forbundet med resten av resonanssystemet, gjennom en åpning 14 i membranen 8, utenfor aktiveringselementet 9. Resten av resonanssystemet kan være identisk med det som er vist i fig. 1,2,3 og 5. Resonatorføsningen kan kalles en "rygg-mot-rygg"-variant av det ovenfor beskrevne, generelle resonatorprinsipp. En fordel med en slik løsning, er at det totale volum, og følgelig den lagrete resonansenergi, øker. For en gitt drrftsfrekvens kan dempevirkningene i kanalelementet 3 minimeres samtidig som koplingen til deteksjonselementet kan øke, begge på grunn av en forholdsvis større åpning i kanalelementet 3. According to one embodiment, shown in fig. 5, a wooden stack construction is used to seal off a larger, lower cavity which is connected to the rest of the resonance system, through an opening 14 in the membrane 8, outside the activation element 9. The rest of the resonance system can be identical to that shown in fig. 1,2,3 and 5. The resonator coupling can be called a "back-to-back" variant of the general resonator principle described above. An advantage of such a solution is that the total volume, and consequently the stored resonance energy, increases. For a given vibration frequency, the damping effects in the channel element 3 can be minimized at the same time as the coupling to the detection element can be increased, both due to a relatively larger opening in the channel element 3.

Claims

1. Miniature sensor for analyzing the content of a gas mixture, which sensor comprises at least two cavities (1,2) which are connected via a narrowed passage (3), means (4) for transporting the gas mixture to and from the cavities (1,2) , means (9) for activating pressure or volume variations in at least one of the cavities (1,2), as well as means (10) for detecting at least one acoustic parameter that depends on such variations, characterized in that the miniature sensor is a MEMS sensor.

2. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the cavities (1,2) constitute at least one acoustic resonator whose resonance frequency is a monotonic function of the sound speed of the gas in the cavities (1,2).

3. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the geometry of the cavities (1,2), the passage (3) and the means (9,10) for activation and detection is defined by a process which includes at least one of lithography, etching, deposition and bonding.

4. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the cavities (1,2) and the passage (3) extend mainly in a direction parallel to an interface plane (7) of two bonded plates (5,6).

5. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the cavities (1,2) and the passage (3) extend mainly in a direction perpendicular to an interface plane (7) of two bonded plates (5,6).

6. Miniature sensor according to claim 4 or 5, characterized in that the cavities (1,2) and the passage (3) are designed as recesses in at least one of the flat surfaces of the interface (7).

7. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that a cross-sectional area of the narrowed passage (3) is not more than half, and not less than one hundredth of any cross-sectional area of the cavities (1,2).

8. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the cross-section of the narrowed passage (3) is mainly circular or semi-circular.

9. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the cavities (1,2) are designed as depressions in plates (5,6) consisting of semiconductor or insulating materials.

10. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the cavities (1,2) and the passage(s) (3) are formed by adhesive-free solid bonding of at least two essentially flat surfaces.

11. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the detection means (10) comprise at least one element which is either piezoresistive, capacitive, piezoelectric or magnetostrictive.

12. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the physical dimensions of the cavities (1,2) are no greater than 2 millimeters in length and width, and no greater than 1 millimeter in depth.

13. Miniature sensor according to claim 1, characterized by the gas transport being active transport.

14. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the pressure or volume variations are continuously driven variations.

15. Miniature sensor according to claim 1, characterized in that the pressure or volume variations are transient variations.