SE523969C2 - Acoustic gas sensor - Google Patents

Acoustic gas sensor

Info

Publication number
SE523969C2
SE523969C2 SE0103971A SE0103971A SE523969C2 SE 523969 C2 SE523969 C2 SE 523969C2 SE 0103971 A SE0103971 A SE 0103971A SE 0103971 A SE0103971 A SE 0103971A SE 523969 C2 SE523969 C2 SE 523969C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
plates
measuring cell
gas mixture
sensor according
acoustic sensor
Prior art date
Application number
SE0103971A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE0103971L (en
Inventor
Bertil Hoek
Original Assignee
Hoek Instr Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hoek Instr Ab filed Critical Hoek Instr Ab
Priority to SE0103971A priority Critical patent/SE523969C2/en
Priority to PCT/SE2002/002125 priority patent/WO2003058231A1/en
Publication of SE0103971L publication Critical patent/SE0103971L/en
Publication of SE523969C2 publication Critical patent/SE523969C2/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/036Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • G01N29/045Analysing solids by imparting shocks to the workpiece and detecting the vibrations or the acoustic waves caused by the shocks
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/225Supports, positioning or alignment in moving situation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/014Resonance or resonant frequency
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021Gases
    • G01N2291/0215Mixtures of three or more gases, e.g. air
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/02881Temperature

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

The invention concerns an acoustic sensor for determining the composition or concentration relations of a gas mixture within at least one measuring cell (1), including means for transport (6, 7) of said gas mixture to and from said measuring cell (1). The measuring cell is defined by at least two essentially planar and parallel plates (2, 3) at least one of which is conditioned to be subjected to mechanical vibrations by means of electrical activation. The thereby appearing interaction from acoustic waves within the gas mixture is electrically readable. Activation and readout is performed e g by electrostatic, piezoelectric, piezoresistive or electrothermal action. The readability concerns e g one in the frequency domain measurable extreme value, alternatively a phase or time difference, constituting a measure of the propagation velocity within the gas mixture, which is being the frequency controlling element of at least one oscillator circuit being built up from active and passive electronic components integrated into at least one silicon die (41). The wavelength of the acoustic waves is determined by at least one spacer (4) defining the distance between said plates (2, 3). Means (10, 11) for temperature measurement and electrical heating of said plates (2, 3) also prevail in a preferred embodiment, along with filter (51) for separation, adsorption or trapping of certain in said mixture included compounds. The geometric design of the measuring cell (1) and the plates (2, 3) is defined by a multistage process of selective or anisotropic pattern deposition and etching of single crystalline silicon or other semiconductor material.

Description

Användning av gaser har stor utbredning inom olika samhällssektorer. Det kan gälla drivgas för förbränningsprocesser eller skyddsgas för att förhindra dylika processer. I andra sammanhang kan specifika egenskaper hos en viss gas utnyttjas, tex narkosgaser. The use of gases is widespread in various sectors of society. This can apply to propellant for combustion processes or shielding gas to prevent such processes. In other contexts, specific properties of a particular gas can be used, such as anesthetic gases.

Bryggerinäringen är ett exempel på industriell användning av C02, både som smaktillsats i drycker och som drivgas för pumpning. I flertalet användningssituationer är det väsentligt att undvika läckage, och det finns behov av att ge vaming för läckande gas för att lämpliga åtgärder skall kunna vidtagas och skador på liv och egendom undvikas. Gasvarnare för brännbara gaser finns kommersiellt tillgängliga från ett flertal leverantörer. Mätprincipen är att låta provgasen få kontakt med en yta som katalyserar dess förbränning lokalt och kontrollerat. En uppmätt temperaturförhöjning på denna yta motsvarar att förbränning ägt rum och indikerar sålunda förekomst av brännbar gas. Metoden är enkel, billig och jämförelsevis tillförlitlig, men är oanvändbar för icke brännbara gaser. Sammanfattningsvis kan konstateras att det finns ett stort behov av masstillverkade gas-sensorer med mer generell användbarhet, för mätändamål, övervakning, styrning och larm. Hittills har detta behov ej kunnat tillgodosetts.The brewing industry is an example of industrial use of CO2, both as a flavoring in beverages and as a propellant for pumping. In many use situations, it is essential to avoid leakage, and there is a need to provide warning for leaking gas in order for appropriate measures to be taken and damage to life and property to be avoided. Gas alarms for flammable gases are commercially available from a number of suppliers. The measuring principle is to allow the test gas to come into contact with a surface that catalyzes its combustion locally and in a controlled manner. A measured temperature increase on this surface corresponds to combustion taking place and thus indicates the presence of combustible gas. The method is simple, inexpensive and comparatively reliable, but is unusable for non-combustible gases. In summary, it can be stated that there is a great need for mass-produced gas sensors with more general usability, for measuring purposes, monitoring, control and alarms. So far, this need has not been met.

Akustiska gas-sensorer baseras på detektion av variationer i lj udhastigheten enligt nedanstående ekvation: c = mary/M) ............. .. (1) där c är ljudhastigheten, R allmänna gaskonstanten = 8.314 J/mol K, T absoluta temperaturen, y förhållandet mellan specifikt värme vid konstant tryck resp volym, och M är molekylviktens medelvärde. Sambandet förutsätter bl a att gasblandningen kan betraktas som en ideal gas enligt kända fysikaliska principer.Acoustic gas sensors are based on the detection of variations in the lj velocity according to the following equation: c = mary / M) ............. .. (1) where c is the sound velocity, R general gas constant = 8.314 J / mol K, T absolute temperature, y the ratio of specific heat at constant pressure and volume, respectively, and M is the average molecular weight. The connection presupposes, among other things, that the gas mixture can be regarded as an ideal gas according to known physical principles.

Ekvation ( l) har utnyttjats i mätgivare och instrument för att bestämma koncentrations-förhållanden i binära gasblandningar, dvs blandningar med två komponenter med avvikande molekylvikt. Hålls temperaturen konstant kan koncentrationsförhållandet mellan de två komponenterna bestämmas genom mätning av ljudhastigheten och användning av ekvation (1). På motsvarande sätt kan luft innehållande en ”förorening” betraktas som ett tvåkomponentsystem mellan den initiala luftblandningen och föroreningen vars molekylvikt och volymkoncentration benämnes MX respektive Xx. För små koncentrationer av föroreningen kan ekvation (1) ges en linjär approximation, beskrivande små variationer Ac av ljudhastigheten kring ett normalvärde co: AC/COZAT/zpl-'O-(Mx-MlufiyzMlufi *XX . . . . . . . . . . . . Equation (1) has been used in measuring sensors and instruments to determine concentration ratios in binary gas mixtures, ie mixtures with two components with different molecular weights. If the temperature is kept constant, the concentration ratio between the two components can be determined by measuring the speed of sound and using equation (1). Correspondingly, air containing an 'impurity' can be considered as a two-component system between the initial air mixture and the impurity whose molecular weight and volume concentration are called MX and Xx respectively. For small concentrations of the pollutant, equation (1) can be given a linear approximation, describing small variations Ac of the speed of sound around a normal value co: AC / COZAT / zpl-'O- (Mx-Mlu fi yzMlu fi * XX....... ...

Ekvation (2) ger en illustration till att det existerar både önskade och oönskade funktionella samband.Equation (2) provides an illustration that there are both desired and unwanted functional relationships.

En observerad variation av ljudhastigheten behöver inte orsakas av en variation av koldioxidkoncentrationen utan kan bero på en variation av temperatur. Av ekvation (2) framgår också att dessa oönskade samband har nivåskiftande karaktär, dvs i den linjära approximationen påverkas utsignalens nivå. Däremot är påverkan på kalibrerfaktorn, dvs den multiplikativa koefficienten framför XX enligt denna approximation försumbar.An observed variation in the speed of sound does not have to be caused by a variation in the carbon dioxide concentration but may be due to a variation in temperature. Equation (2) also shows that these undesired relationships have a level-shifting character, ie in the linear approximation the level of the output signal is affected. On the other hand, the influence on the calibration factor, ie the multiplicative coefficient in front of XX, is negligible according to this approximation.

Anordningar som mäter ljudhastighetens variationer i syfte att detektera förekomst eller koncentrationsförhållanden i enkla gasblandningar är kända både genom litteraturen och i form av på marknaden tillgängliga produkter. I dessa anordningar mäts gångtiden för en ljudvåg mellan en sändare och en mottagare i en gasfylld mätcell. Kompensation för temperaturens inverkan kan Akustisk gas-sensor 523 969 . 3 . . . . .:. .:. : företrädesvis ske genom att aktivt hålla mätcellens temperatur konstant i ett reglersystem.Devices that measure variations in the speed of sound in order to detect the presence or concentration conditions in simple gas mixtures are known both through the literature and in the form of products available on the market. In these devices, the travel time of a sound wave between a transmitter and a receiver is measured in a gas-filled measuring cell. Compensation for the effect of temperature can Acoustic gas sensor 523 969. 3. . . . .:. .:. : preferably by actively keeping the temperature of the measuring cell constant in a control system.

Funktionaliteten och användbarheten hos dessa anordningar är ovedersäglig, dock finns ett antal problem som hittills inte lösts på ett tillfredsställande sätt. Ett sådant problem är mätcellens fysiska dimensioner som på teknikens hittillsvarande ståndpunkt är alltför stora. Dimensionerna kan ställas i relation till det frekvensområde, och därmed medförande våglängd, som utnyttjas. En vanlig arbetsfrekvens är 40 kHz, motsvarande 8.5 mm våglängd, vilket innebär att mätcellens utsträckning kan räknas i centimeter. Konstanthållning av temperatur och undvikande av temperaturgradienter är icke-triviala konstruktionsproblem för en sådan mätcell, vilket också leder till relativt hög effektförbrukning. Vidare måste tillverkning ske med seriella. delvis manuella monteringsmoment, vilket leder till förhållandevis hög tillverkningskostnad.The functionality and usability of these devices is undeniable, however, there are a number of problems that have not been satisfactorily solved to date. One such problem is the physical dimensions of the measuring cell, which at the state of the art so far are too large. The dimensions can be set in relation to the frequency range, and thus the resulting wavelength, which is used. A normal operating frequency is 40 kHz, corresponding to 8.5 mm wavelength, which means that the extent of the measuring cell can be calculated in centimeters. Maintaining temperature and avoiding temperature gradients are non-trivial design problems for such a measuring cell, which also leads to relatively high power consumption. Furthermore, manufacturing must be done with serial. partly manual assembly steps, which leads to relatively high manufacturing costs.

Föreliggande uppfinning är ägnad att lösa dessa och därmed sammanhängande problem.The present invention is suitable for solving these and related problems.

Uppfinningen utnyttjar en kombination av kända fysikaliska fenomen och ingenjörsmetodik som utvecklats för andra ändamål. Kombinationen ger upphov till dramatiska och delvis oväntade förbättringar.The invention utilizes a combination of known physical phenomena and engineering methodologies developed for other purposes. The combination gives rise to dramatic and partly unexpected improvements.

Uppfinningens kännetecken framgår av bifogade figurer och patentkrav. Figur 1 visar en föredragen utförandeform av gas-sensorn enligt uppfinningen, figur 2 frekvensberoende egenskaper hos sensorn enligt uppfinningen, och figur 3 ett elektriskt ekvivalentschema över en utförandeform av sensorn enligt uppfinningen, samt figur 4 en kapslingsform för sensorn enligt uppfinningen.The characteristics of the invention are set forth in the appended claims and claims. Figure 1 shows a preferred embodiment of the gas sensor according to the invention, figure 2 frequency-dependent properties of the sensor according to the invention, and figure 3 an electrical equivalent diagram of an embodiment of the sensor according to the invention, and figure 4 an enclosure for the sensor according to the invention.

Figur 1 visar en tvärsnittsbild av en föredragen utförandefornt av sensom enligt uppfinningen. En mätcell 1 avgränsas av två väsentligen planparallella plattor 2, 3 genom ett distanselement 4 som definierar mätcellens 1 vertikala längd, kallad L. Funktionen av sensorn enligt uppfinningen kan enkelt beskrivas genom att stående akustiska vågor uppkommer i mätcellens 1 luftmassa mellan plattorna 2, 3. Kriteriet för stående vågor kan beskrivas med ekvationen L=n*>t/2=n*c/2f n=1,2,3,... (3) där n är ett heltal, c är lj udhastigheten och f lj udvågomas frekvens. Det aktuella användningssättet av ekv (3) är att, för givna värden på n och L, bestämma den frekvens vid vilken stående vågor till maximal amplitud inträffar. Därur kan sedan ljudhastigheten c beräknas. Mätcellen 1 kan enligt detta synsätt betraktas som en akustisk resonator med multipla resonansfrekvenser bestämda av relationen (3). Sträckan L definierad av distanslementet 4 är typiskt 0.3-1.0 mm, vilket motsvarar grundtoner (n=1) hos resonatorn i intervallet 200-600 kHz.Figure 1 shows a cross-sectional view of a preferred embodiment of the sensor according to the invention. A measuring cell 1 is delimited by two substantially plane-parallel plates 2, 3 by a spacer element 4 which defines the vertical length of the measuring cell 1, called L. The function of the sensor according to the invention can be easily described by standing acoustic waves in the measuring cell 1 air mass between the plates 2, 3. The criterion for standing waves can be described with the equation L = n *> t / 2 = n * c / 2f n = 1,2,3, ... (3) where n is an integer, c is lj the velocity and f lj is exaggerated frequency. The current mode of use of eq (3) is to, for given values of n and L, determine the frequency at which standing waves to maximum amplitude occur. From this, the sound speed c can then be calculated. According to this view, the measuring cell 1 can be regarded as an acoustic resonator with multiple resonant frequencies determined by the relation (3). The distance L defined by the spacer element 4 is typically 0.3-1.0 mm, which corresponds to fundamental tones (n = 1) of the resonator in the range 200-600 kHz.

Stående ljudvågor i mätcellen l alstras av plattan 3 som kan försättas i vertikala vibrationer genom ett pålagt växelfalt mellan nämnda platta 3 och en tredje platta 5. Genom elektrostatisk kraftverkan fås en utböj ning av plattan 3, eftersom dennas böj barhet är avsevärt större än den betydligt tjockare plattan 5. Kaviteten mellan plattorna 3 och 5 är sluten och företrädesvis evakuerad. Växelfältet mellan plattorna 3 och 5 alstras genom anslutning av en spänningskälla till två anslutningstrådar 9, 10, vilka har elektriskt ledande förbindelse med vardera av plattorna 5 respektive 3. Dessa är antingen elektriskt ledande i sig sj älva, eller försedda med elektriskt ledande skikt. Avståndet mellan plattorna 3 och 5 definieras av ett andra distanselement 12 och kan typiskt vara några tusendels millimeter. Större avstånd innebär en försvagning av den elektrostatiska kraftverkan.Standing sound waves in the measuring cell 1 are generated by the plate 3 which can be set in vertical vibrations by an applied alternating fold between said plate 3 and a third plate 5. By electrostatic force action a deflection of the plate 3 is obtained, since its bendability is considerably greater than that thicker plate 5. The cavity between plates 3 and 5 is closed and preferably evacuated. The alternating field between the plates 3 and 5 is generated by connecting a voltage source to two connecting wires 9, 10, which have electrically conductive connection to each of the plates 5 and 3, respectively. These are either electrically conductive in themselves, or provided with electrically conductive layers. The distance between the plates 3 and 5 is defined by a second spacer element 12 and can typically be a few thousandths of a millimeter. Larger distances mean a weakening of the electrostatic force.

Mätcellen 1 har gasförbindelse med omgivningen genom kanaler 6, 7 som t ex kan vara utetsade spår eller urtagningar i distanselementets 4 gränsyta mot plattan 2. Plattan 3, distanselementen 4 och 12 samt urtagningarna 6, 7 är företrädesvis utförda som integrerade substrukturer i enkristallint kisel.The measuring cell 1 has a gas connection with the surroundings through channels 6, 7 which may for example be unetched grooves or recesses in the interface of the spacer element 4 towards the plate 2. The plate 3, the spacer elements 4 and 12 and the recesses 6, 7 are preferably designed as integrated subcrystalline silicon substructures.

Från halvledarteknologin för integrerade kretsar är additiva och subtraktiva bearbetningsmetoder Akustisk gas-sensor 523 969 f: . "If L' . . : .:. .:. : kända för att på ett kontrollerat sätt tillverka komplexa flerlagerstrukturer av detta slag. Exempelvis kan plattan 3 och dístanselementet 4 tjocklekdefinieras genom s k dopningsselektiv etsning, där etshastigheten bestäms av lokal dopning av kiselmaterialet med n- eller p-dopämnen, t ex fosfor och bor. Distanselementet 12 kan definieras av en additiv metod, t ex epitaxiell tillväxt, vilket möjliggör samtidig och selektiv dopning av just detta skikt. Det är även möjligt att göra plattans 3 perifera delar avsevärt vekare än dess centrala delar. Därigenom får plattan 3 vid elektriskt aktivering enligt ovan en mer kolvlik rörelse, vilket gör att även de akustiska vågor som utbreds vertikalt gynnas på bekostnad av sådana som sprids åt sidorna. Detta är en önskvärd egenskap hos sensorn enligt uppfinningen.From semiconductor technology for integrated circuits are additive and subtractive processing methods Acoustic gas sensor 523 969 f:. "If L '..:.:.....: Known to manufacture in a controlled manner complex bearing structures of this kind. For example, the plate 3 and the spacer element 4 can be thickness defined by so-called doping-selective etching, where the etching rate is determined by local doping of the silicon material with n- or β-dopants, eg phosphorus and boron The spacer element 12 can be defined by an additive method, eg epitaxial growth, which enables simultaneous and selective doping of this particular layer.It is also possible to make the peripheral parts of the plate considerably softer As a result of electrically actuation according to the above, the plate 3 has a more piston-like movement, which means that even the acoustic waves which propagate vertically are favored at the expense of those which are spread to the sides.This is a desirable property of the sensor according to the invention.

Kiselplattans laterala geometri bestäms genom fotolitografiska mönster i vart och ett av de additiva eller subtraktiva process-stegen.The lateral geometry of the silicon wafer is determined by photolithographic patterns in each of the additive or subtractive process steps.

Distanselementet 4 uppvisar som indikeras i figur l sneda väggar mot mätcellen 1. Detta har fördelen att multipla reflektioner i lateral led, och därmed oönskade ståendevågfenomen, undvikes. Snedställda väggar med kontrollerad geometri kan enligt känd teknik åstadkommas genom anisotrop etsning av enkristallint kisel. Vidare är det önskvärt att den utnyttjade resonansfrekvensen enligt ekvation (3) ej på ett okontrollerbart sätt störs av plattans 3 egenfrekvenser för mekaniska resonanssvängningar.The spacer element 4 has, as indicated in oblique walls towards the measuring cell 1. This has the advantage that multiple reactions in the lateral joint, and thus undesired standing wave phenomena, are avoided. Slanted walls with controlled geometry can according to the prior art be achieved by anisotropic etching of single crystalline silicon. Furthermore, it is desirable that the utilized resonant frequency according to equation (3) is not disturbed in an uncontrollable manner by the natural frequencies of the plate 3 for mechanical resonant oscillations.

Detta kan åstadkommas genom kontroll av plattans 3 tjocklek, längd och bredd. Typiska värden på dessa är 10-30 um (tjocklek), 05-2 mm (längd, bredd).This can be achieved by controlling the thickness, length and width of the plate 3. Typical values of these are 10-30 μm (thickness), 05-2 mm (length, width).

Plattorna 3 och 5 kan exempelvis utgöras av glas, varvid s k anodisk bondning kan användas for sammanfogning mot den mellanliggande kiselstrukturen. Ett metallskikt 8 är därvid applicerat på plattans 5 undersida, därmed bildande ett elektriskt ledande plan med förbindelse till anslutningstråden 9. På motsvarande sätt är tråden 10 förbunden med plattan 3. Isolation över dístanselementet 12 kan t ex uppbäras av ett s k utarmningsskikt, vilket enligt kända fysikaliska principer utbildas i kisel som uppbär gränsskikt mellan dopningsämnen av olika polaritet, s k pn- diodverkan.The plates 3 and 5 can, for example, be made of glass, whereby so-called anodic bonding can be used for joining to the intermediate silicon structure. A metal layer 8 is then applied to the underside of the plate 5, thereby forming an electrically conductive plane with connection to the connecting wire 9. Correspondingly, the wire 10 is connected to the plate 3. Insulation over the spacer element 12 can be supported by a so-called depletion layer, which according to known physical principles are formed in silicon that carries boundary layers between doping substances of different polarity, so-called pn-diode effect.

Tillverkningstekniken för den flerlagerstruktur som måtcellen l avgränsad av kiselplattan 3 med integrerade distanselement 4 och 12 samt glasplattorna 2 och 5 utgör är parallell i den meningen att tusentals eller tiotusentals komponenter tillverkas i en och samma process, genom att varje komponent upptar en liten area, 2-4 mmz, på cirkulära skivor av kisel och glas med diameter 100-200 mm, vilka processas samtidigt. Även om processtekniken är avancerad och varje process-steg resurskrävande, så blir kostnaden för varje komponent mycket låg, både vad gäller resursutnyttjande och tidsåtgång.The manufacturing technique for the bearing structure formed by the measuring cell 1 delimited by the silicon plate 3 with integrated spacers 4 and 12 and the glass plates 2 and 5 is parallel in the sense that thousands or tens of thousands of components are manufactured in one and the same process, each component occupying a small area, 2 -4 mmz, on circular plates of silicon and glass with a diameter of 100-200 mm, which are processed simultaneously. Although process technology is advanced and each process step resource-intensive, the cost of each component is very low, both in terms of resource utilization and time consumption.

Detta förutsätter dock mycket noggrann processkontroll, och att konstruktionen uppfyller de regler som de enskilda process-stegen ställer.However, this presupposes very careful process control, and that the design meets the rules set by the individual process steps.

En tredje trådanslutning ll är inritad i figuren för att ange att kiselstrukturen även uppbär element för temperaturmätning och resistiv uppvärmning, vilka enligt kända principer kan inkopplas i en reglerkrets för konstanthållning av temperaturen. I sj älva verket kan ett enda element, t ex en kiselresistor tillverkad genom diffusion av dopäinnen och integrerad i ovan beskrivna kiselstruktur med anslutningar 10 och ll till en yttre reglerkrets. Det är nämligen känt att kiselresistorer har temperaturberoende resistans, vilket sålunda kan användas för temperaturmätning samtidigt som identiskt samma resistor utnyttjas för resistiv uppvärmning från en yttre strömkälla.A third wire connection 11 is drawn in the figure to indicate that the silicon structure also carries elements for temperature measurement and resistive heating, which according to known principles can be connected in a control circuit for keeping the temperature constant. In fact, a single element, such as a silicon resistor made by diffusion of the dopant and integrated into the silicon structure described above with connections 10 and 11 to an external control circuit. Namely, it is known that silicon resistors have temperature-dependent resistance, which can thus be used for temperature measurement while at the same time the identical resistor is used for resistive heating from an external current source.

Den i figur l beskrivna anordningen kan modifieras på många sätt. Exempelvis kan i stället för elektrostatisk drivning av plattans 3 vibrationer den piezoelektriska effekten utnyttjas, förutsatt att plattan 3 utgör eller försetts med en beläggning av ett piezoelektriskt material, t ex zinkoxid, aluminiumnitrid, polyvinylidenfluorid eller blyzirkonat-titanat. En tredje möjlighet är termisk excitering medelst ytligt belägna resistiva skikt i i plattan 3. I detta fall krävs en separat avläsningsmekanism, t ex utnyttjande av den piezoresistiva effekten i kisel.The device described in Figure 1 can be modified in many ways. For example, instead of electrostatic driving of the vibrations of the plate 3, the piezoelectric effect can be used, provided that the plate 3 constitutes or is provided with a coating of a piezoelectric material, eg zinc oxide, aluminum nitride, polyvinylidene chloride or lead zirconate titanate. A third possibility is thermal excitation by means of superficially located resistive layers in the plate 3. In this case, a separate reading mechanism is required, eg utilization of the piezoresistive effect in silicon.

Akustisk gas-sensor 523 969 5 u . . . . . . - . ~n Luften eller gasen i mätcellen 1 står i förbindelse med omgivningen via urtagningar i distanselementet 4 vilka utgör don för passiv gastransport 6, 7 till och från mätcellen 1. Gastransporten kan åstadkommas av en tryckgradient i omgivningen eller genom diffusion.Acoustic gas sensor 523 969 5 u. . . . . . -. The air or gas in the measuring cell 1 communicates with the environment via recesses in the spacer element 4 which constitute means for passive gas transport 6, 7 to and from the measuring cell 1. The gas transport can be effected by a pressure gradient in the environment or by diffusion.

Det elektriska växelfaltet ger upphov till vibrationer i plattan 3 som i sin tur ger upphov till en akustisk våg som utbreder sig vertikalt i mätcellen 1. Eftersom den akustiska impedansen i luft avsevärt skiljer sig från den i fasta kroppar såsom plattorna 2 och 3, kommer en stor del av den akustiska energin att reflekteras och ge upphov till stående vågor, vars maximala amplitud inträffar vid frekvenser då sträckan L motsvarar multipler av halva våglängden enligt ekv (3).The electric alternating field gives rise to vibrations in the plate 3 which in turn gives rise to an acoustic wave which propagates vertically in the measuring cell 1. Since the acoustic impedance in air differs considerably from that in solid bodies such as the plates 2 and 3, a large part of the acoustic energy to be reflected and give rise to standing waves, the maximum amplitude of which occurs at frequencies when the distance L corresponds to multiples of half the wavelength according to eq (3).

Figur 2 visar schematiskt hur impedansen Z för sensorelementet mellan trådanslutningarna 9 och 10 i figur 1 varierar med frekvensen. I diagrammet som har logaritmiska skalor visas tre extremvärden, 21, 22, 23 varav två maxima 21, 23 och ett minimivärde 22. Maxima motsvarar uppkomst av stående vågor enligt ekv (3), varvid det vid lägst frekvens 21 motsvarar n=l i ekv (3), nästföljande maximum 22 motsvarar n=2 etc. Det bör i sammanhanget noteras att nämnda extremvärden enligt elementär teori sammanfaller med bestämda fasrelationer mellan ström och spänning för nämnda impedans Z.Figure 2 schematically shows how the impedance Z of the sensor element between the wire connections 9 and 10 in figure 1 varies with the frequency. The diagram which has logarithmic scales shows three extreme values, 21, 22, 23 of which two maxima 21, 23 and a minimum value 22. Maxima correspond to the occurrence of standing waves according to eq (3), where at the lowest frequency 21 it corresponds to n = 1 eq ( 3), the next maximum 22 corresponds to n = 2 etc. It should be noted in this context that said extreme values according to elementary theory coincide with certain phase relations between current and voltage for said impedance Z.

Mätning av fas- eller tidsdifferens kan således likaväl som avkänning av extremvärden ligga till grund för den ovannämnda avläsningsprincipen.Measurement of phase or time difference can thus, as well as sensing of extreme values, form the basis for the above-mentioned reading principle.

Figur 3 visar ett elektriskt ekvivalentschema för motsvarande sensorelement. Schemat omfattar en kapacitans 31 vilken motsvarar den plattkondensator som utbildas mellan plattorna 3 och 5 (fig 1) enligt känd elementär teori. Vidare omfattar schemat en transformator 32 som beskriver kopplingen mellan de elektriska och akustiska domänema. Idealt bestäms denna koppling av en enkel, frekvensoberoende konstant, vilket bl a förutsätter att plattomas 3, 5 egenfrekvenser för resonanssvängningar ej inträffar i det aktuella frekvensintervallet enligt figur 2. Den akustiska delen av sensorelementet beskrivs i ekvivalentschemat som en transmissionsledning 33, vilken enligt känd teori för sådana ledningar besitter en viss karakteristisk impedans som sammanhänger med vågutbredningshastigheten, och en viss dämpfaktor. Slutligen omfattar ekvivalentschemat en akustisk last 34, motsvarande plattan 2.Figure 3 shows an electrical equivalent diagram for the corresponding sensor element. The diagram comprises a capacitance 31 which corresponds to the plate capacitor formed between the plates 3 and 5 (fi g 1) according to known elementary theory. Furthermore, the diagram comprises a transformer 32 which describes the connection between the electrical and acoustic domains. Ideally, this connection is determined by a simple, frequency-independent constant, which presupposes, among other things, that the natural frequencies of the plates 3, 5 for resonant oscillations do not occur in the current frequency range according to Figure 2. The acoustic part of the sensor element is described in the equivalence diagram as a transmission line 33. for such lines possess a certain characteristic impedance which is related to the wave propagation speed, and a certain attenuation factor. Finally, the equivalent scheme comprises an acoustic load 34, corresponding to the plate 2.

Det elektriska ekvivalentschemat i figur 3 gör det möjligt att förklara hur olika konstruktiva element påverkar impedanskarakteristiken i figur 2. Stående vågor i transmissionsledningen 33 uppkommer så snart en missanpassning föreligger mellan dess karakteristiska impedans, lasten 34 och den akustiskt överkopplade impedansen av kondensatorn 31 och vibrationskällans inre impedans. Sådan missanpassning förligger alltid i större eller mindre omfattning. Vid små resistiva förluster fås stort s k ståendevågförhållande, dvs stort värde på kvoten mellan maximi- och minimivärdena 21, 22. Vidare torde det stå klart att läget hos extremvärdena 21, 22, 23 på frekvensskalan sammanhänger med utbredningshastigheten, dvs ljudhastigheten, om L förutsättes vara konstant.The electrical equivalent scheme in Figure 3 makes it possible to explain how different structural elements affect the impedance characteristics of Figure 2. Standing waves in the transmission line 33 occur as soon as there is a mismatch between its characteristic impedance, load 34 and the acoustically coupled impedance of the capacitor 31 and vibration. impedance. Such maladaptation is always present to a greater or lesser extent. With small resistive losses, a large so-called standing wave ratio is obtained, ie a large value of the ratio between the maximum and minimum values 21, 22. Furthermore, it should be clear that the position of the extreme values 21, 22, 23 on the frequency scale is related to the propagation speed, ie sound speed, if L is assumed to be constant.

Fysiskt motsvarar transformatorn 32 av plattan 3, vilken kan försättas i mekaniska vibrationer med elektrisk aktivering på sätt som ovan beskrivits. Dessa vibrationer övergår delvis i akustiska vågor i det anliggande gasmediet enligt kända fysikaliska principer. Kopplingsfaktorn för denna övergång mellan den elektriska och den akustiska domänen bestäms av ett flertal faktorer, t ex plattans 3 styvhet och massa. Är denna kopplingsfaktor hög, blir extremvärdena 21, 22, 23 högst påtagliga, medan låg kopplingsfaktor resulterar i mindre differens mellan max- och minimivärden.Physically, the transformer 32 corresponds to the plate 3, which can be subjected to mechanical vibrations with electrical activation in the manner described above. These vibrations are partly converted into acoustic waves in the adjacent gas medium according to known physical principles. The coupling factor for this transition between the electric and the acoustic domain is determined by a number of factors, for example the stiffness and mass of the plate 3. If this switching factor is high, the extreme values 21, 22, 23 become very noticeable, while a low switching factor results in a smaller difference between maximum and minimum values.

I sensorn enligt uppfinningen sker mätning av något av extremvärdena 21 , 22, 23, vilket sålunda utgör en indirekt mätning av ljudhastighetens variationer enligt ekv (1), (2) och (3). Mätningen sker genom inkoppling av sensorelementets anslutningar 9, 10 i en oscillatorkrets, vars svängningsfrekvens Akustisk gas-sensor 523 959 a"z"I=. . "If b . ::'.° .:. .:. É bestäms av något av dessa extremvärden. Oscillatorkretsen kan utgöras av en linjär förstärkarkoppling, dimensionerad så att sj älvsvängningsvillkoren uppfylls för något av extremvärdena 21, 22, eller 23, ellert ex en s k faslåst slinga. Den senare lösningen medför bl a den fördelen att svängningsfrekvensens beroende av oönskade faktorer är minimalt.In the sensor according to the invention, measurement of one of the extreme values 21, 22, 23 takes place, which thus constitutes an indirect measurement of the variations of the speed of sound according to equations (1), (2) and (3). The measurement takes place by connecting the connections 9, 10 of the sensor element in an oscillator circuit, the oscillation frequency of which Acoustic gas sensor 523 959 a "z" I =. . "If b. :: '. °.:..:. É is determined by any of these extreme values. The oscillator circuit may consist of a linear amplifier coupling, dimensioned so that the self-oscillation conditions are met for any of the extreme values 21, 22, or 23, or ex. The latter solution entails, among other things, the advantage that the frequency of oscillation frequency due to undesirable factors is minimal.

En verbal och kortare funktionsbeskrivning av sensorn enligt uppfinningen är att de stående akustiska vågorna återverkar på den mekanism som igångsätter plattans 3 mekaniska svängningar, och att denna återverkan är elektriskt avläsningsbar genom mätning av sensorelementets elektriska impedans.A verbal and shorter description of the operation of the sensor according to the invention is that the standing acoustic waves react to the mechanism which initiates the mechanical oscillations of the plate 3, and that this reaction is electrically readable by measuring the electrical impedance of the sensor element.

Såsom tidigare påpekats kan andra alternativa utförandeforrner av sensorelement välj as, t ex utnyttjande piezoelektriska, piezoresistiva elektrotermiska element. Detta val påverkar givetvis den exakta formen av frekvenskarakteristik och ekvivalentschema enligt figur 2 och 3. Däremot kvarstår den principiellt viktiga egenskapen att frekvenskarakteristiken omfattar extremvärden, vars lägen på frekvensskalan bestäms av ljudhastigheten.As previously pointed out, other alternative embodiments of sensor elements can be selected, for example using piezoelectric, piezoresistive electrothermal elements. This choice of course affects the exact form of frequency characteristic and equivalence scheme according to Figures 2 and 3. However, the fundamentally important property that the frequency characteristic includes extreme values, whose positions on the frequency scale are determined by the speed of sound, remains.

Figur 4 visar ett tvärsnitt av en föredragen kapslingsfonn för sensorn enligt uppfinningen. Den tidigare beskrivna mätcellen 1 omgiven av en kiselplattan 3 och glasplattoma 2, 5, med elektriska anslutningar 9, 10, ll är inrymd i en primärkapsel 47, 48 med elektriska genomföringar 44, 45.Figure 4 shows a cross section of a preferred enclosure shape for the sensor according to the invention. The previously described measuring cell 1 surrounded by a silicon plate 3 and the glass plates 2, 5, with electrical connections 9, 10, 11 is housed in a primary capsule 47, 48 with electrical bushings 44, 45.

Kapselns lock 48 är försedd med minst ett hål 49 som medger passage av gas till och från mätcellen 1 via kanaler 6, 7 som tidigare beskrivits. Kapseln 47, 48 är företrädesvis utförd i ett polymermaterial och med standardiserat utförande som medger automatisk montering och inlödning enligt s k ytmonteringsteknik på ett kretskortsubstrat 46, vilket inkluderar tryckta ledningsbanor för elektrisk anslutning av sensorn enligt uppfinningen med andra elektroniska komponenter och subsystem. I kapseln 47, 48 finns även inrymd en kiselbricka 41, innehållande vissa integrerade aktiva och passiva elektroniska kretselement som behövs för sensorns funktion. Det kan t ex vara den ovan beskrivna oscillatorkretsen och en reglerkrets för konstanthållning av mätcellens temperatur. De elektriska anslutningarna 9, l0, ll, 43 mellan strukturen som uppbär mätcellen 1, kiselbrickan 41 och genomföringarna 44, 45 utgöres av tunna trådar, företrädesvis aluminiumtråd med diameter 0.025- 0.05 mm, med anslutningspunkter angjorda medelst s k wire bonding-teknik enligt antingen ett förfarande baserat på hö geffekt ultraljud eller terrnokompression. Denna teknik kan utföras automatiskt under mikroskop, men kräver att anslutningspunktema för trådarna 9, 10, 1 l , 43 väsentligen befinner sig i ett och samma plan, vilket åstadkommes med stödelement 42, 52 med lämplig tjocklek.The capsule lid 48 is provided with at least one hole 49 which allows passage of gas to and from the measuring cell 1 via channels 6, 7 as previously described. The capsule 47, 48 is preferably made of a polymeric material and with a standardized design which allows automatic mounting and soldering according to so-called surface mounting technology on a circuit board substrate 46, which includes printed conduits for electrical connection of the sensor according to the invention with other electronic components and subsystems. The capsule 47, 48 also houses a silicon wafer 41, containing certain integrated active and passive electronic circuit elements needed for the function of the sensor. It can be, for example, the oscillator circuit described above and a control circuit for keeping the temperature of the measuring cell constant. The electrical connections 9, 10, 11, 43 between the structure supporting the measuring cell 1, the silicon wafer 41 and the bushings 44, 45 consist of thin wires, preferably aluminum wire with a diameter of 0.025-0.05 mm, with connection points made by means of so-called wire bonding technology according to either a procedure based on hay effect ultrasound or terrno compression. This technique can be performed automatically under a microscope, but requires that the connection points of the wires 9, 10, 11, 43 be substantially in one and the same plane, which is achieved with support elements 42, 52 of suitable thickness.

Mätcellen 1 med omgivande plattor 2, 3, 5 är såsom tidigare beskrivits företrädesvis försedd med en reglerfunktion för konstanthållning av dess temperatur. För optimal reglerfunktion krävs att mätcellen l och dess uppbärande material 2, 3, 5 är termiskt isolerade från övriga kapseln 47, 48. Det uppbärande elementet 52 är därför företrädesvis ett poröst material med mycket låg termisk ledningsförrnåga.The measuring cell 1 with surrounding plates 2, 3, 5 is, as previously described, preferably provided with a control function for keeping its temperature constant. For optimal control function it is required that the measuring cell 1 and its supporting material 2, 3, 5 are thermally insulated from the rest of the capsule 47, 48. The supporting element 52 is therefore preferably a porous material with very low thermal conductivity.

Det ovan beskrivna kapslingsförfarandet och dess konstruktion utgör standardmetod med mycket låg tillverkningskostnad, förutsatt att tillverkningsvolymen är hög. Den komponent som inrymmes i kapseln 47, 48 har mycket stor generell användbarhet. Kapselformen går under beteckningen ”dual in line” efter den dubbelsidiga geometrin för anslutningarna 44, 45. Kapseln 47, 48 har typiska dimensioner 5 x 5 x 10 mm, och antalet anslutningar kan vara 8-16, beroende på hur många aktiva eller passiva kretselement som är integrerade på kiselbrickan 41 eller alternativt behöver anslutas utifrån till kapseln 47, 48.The encapsulation process described above and its construction constitute the standard method with very low manufacturing cost, provided that the manufacturing volume is high. The component contained in the capsule 47, 48 has a very large general utility. The capsule shape is referred to as "dual in line" according to the double-sided geometry of the connections 44, 45. The capsule 47, 48 has typical dimensions 5 x 5 x 10 mm, and the number of connections can be 8-16, depending on how many active or passive circuit elements which are integrated on the silicon wafer 41 or alternatively need to be connected from the outside to the capsule 47, 48.

För specifika tillämpningar krävs ofta viss grad av specificitet i egenskaper, t ex förmåga att avkänna vissa gaser och undertrycka känsligheten för andra. För att uppnå sådana egenskaper kan sensom enligt uppfinningen förses med en sekundär kapsel 50 utanför den primära 47, 48. Kapseln 50 är Akustisk gas-sensor 523 969 » - a . - . . . , ,, delvis perforerad för att medge gaspassage och inkluderar minst ett filter 51 med selektiv perrneabilitet för den eller de gaser man önskar detektera. Exempelvis kan passage av gaser med polär molekylstruktur, t ex vattenånga, förhindras eller fördröjas med ett poröst filtermaterial med förmåga att binda polära molekylgrupper. Kapseln 50 och filtret 51 kan, i likhet med övriga i sensorn ingående delkomponenter, tillverkas till mycket låg kostnad. Uppdelning av generellt önskade egenskaper på den primära kapslingsnivån med specifika egenskaper på den sekundära, innebär unika, och hittills ouppnådda möjligheter att uppnå mycket goda mätprestanda till mycket låg tillverkningskostnad. För mätning av COz-koncentration har upplösning och linjäritet i ppm-området experimentellt verifierats, med minimal samtidig känslighet för vattenånga.Specific applications often require a certain degree of specificity in properties, such as the ability to sense certain gases and suppress sensitivity to others. To achieve such properties, the sensor according to the invention can be provided with a secondary capsule 50 outside the primary 47, 48. The capsule 50 is Acoustic gas sensor 523 969 »- a. -. . . , ,, partially perforated to allow gas passage and includes at least one 51lter 51 with selective permeability for the gas (s) desired to be detected. For example, passage of gases with polar molecular structure, eg water vapor, can be prevented or delayed with a porous filter material capable of binding polar molecular groups. The capsule 50 and the filter 51, like other sub-components included in the sensor, can be manufactured at a very low cost. Dividing generally desired properties at the primary encapsulation level with specific properties at the secondary, means unique, and hitherto unattainable opportunities to achieve very good measurement performance at very low manufacturing cost. For measuring CO 2 concentration, resolution and linearity in the ppm range have been experimentally verified, with minimal simultaneous sensitivity to water vapor.

Uppfinningen kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav.The invention can be varied in many ways within the scope of the following claims.

Akustisk gas-sensorAcoustic gas sensor

Claims (1)

1. 523 969 8 PATENTKRAV Akustisk sensor för bestämning av en gasblandnings sammansättning eller koncentrationsförhållande i minst en mätcell (1), inkluderande don (6, 7) för transport av nämnda gasblandning till och från nämnda mätcell (1), kämzetecknad av att nämnda mätcell (1) begränsas av minst två väsentligen planparallella plattor (2, 3), varav minst en är anordnad att medelst elektrisk aktivering försättas i mekaniska svängningar, vilka ger upphov till akustiska vågor i nämnda gasblandning, att nämnda vågors återverkan på nämnda svängningar är elektriskt avläsningsbar, att minst en av nämnda plattor (2, 3) inkluderar integrerade substrukturer i enkristallint kisel, samt att nämnda plattors (2, 3) och mätcells ( 1) geometriska utformning är definierad av en flerstegsprocess av selektiv eller anisotrop mönsterdeponering och mönsteretsning. Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kännetecknar! av att nämnda elektriska aktivering sker genom elektrotermisk verkan på ett i nämnda platta integrerat resistivt skikt, genom piezoelektrisk verkan på ett i nämnda platta integrerat piezoelektriskt skikt, eller genom elektrostatisk verkan mellan nämnda plattor eller till en tredje i nämnda sensor ingående platta (S), med minst en elektriskt ledande yta, samt att nämnda elektriska avläsning sker med utnyttjande av piezoresistiva, piezoelektriska eller kapacitiva element, vilka är identiska eller integrerade med nämnda aktiverande element. Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av att nämnda återverkan och avläsbarhet avser minst ett i frekvensdomänen förekommande extremvärde (21, 22, 23), alternativt en fas- eller tidsdifferens, för minst en elektriskt mätbar storhet, samt att nämnda extremvärde (21, 22, 23), alternativt fas- eller tidsdifferens, i minst ett intervall är en monoton funktion av nämnda vågors utbredningshastighet i nämnda gasblandning och utgör frekvensbestämmande element i minst en oscillatorkoppling vilken är uppbyggd av aktiva och passiva elektroniska komponenter i integrerad form på minst en kiselbricka (41). Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av att våglängden för nämnda akustiska vågor är bestämd av minst ett distanselement (4) definierande avståndet mellan nämnda plattor (2, 3) vars egenfrekvenser väsentligen överstiger frekvensen för nämnda svängningar. Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av minst ett don (10, 11) för temperaturmätning resp elektrisk uppvärmning av nämnda plattor (2, 3) samt att dessa är utförda i material med väsentligt högre värmeledningsförmåga än material (52) som utnyttjas för att uppbära nämnda plattor (2, 3), samt att nämnda don (10, 11) är inkopplíngsbara i minst en temperaturregulator genom vilken nämnda mätcell ( 1) hålls vid väsentligen konstant temperatur. Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av minst ett filter (51) för separation, adsorption eller infångning av vissa i nämnda gasblandning förekommande substanser i fast, flytande eller gasforrn, varvid nämnda filter (51) är anordnat att samverka med nämnda don (6, 7) för transport så att nämnda substanser väsentligen avskiljs eller fördröjs innan dessa när nämnda mätcell (1). Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kannetecknad av att minst den av nämnda plattor (2, 3) som är anordnad att medelst elektrisk aktivering försättas i mekaniska svängningar är indelningsbar i minst en styv del dels en elastiskt böjlig del. Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av minst en kiselbricka (41) med integrerade aktiva och passiva komponenter elektriskt anslutna genom trådanslutning (9, lO) medelst s k *wire bonding' till kontaktytor på minst en av nämnda plattor (2, 3) och nämnda kiselbricka (41) för nämnda elektriska aktivering och avläsning, samt att nämnda kontaktytor är belägna på ett väsentligen gemensamt plan. en: u. 523 969 , . - . . n - - - co “l 9. Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av minst en kapsel (47, 48) vilken 10. inrymmer ett flertal metalliska ledare (44, 45) för elektrisk genomföring mellan nämnda kapsels (47, 48) inre och yttre, vars utformning är ägnade dels för trâdanslutning medelst s k Wire bonding mellan kontaktytor på minst en av nämnda plattor (2, 3) eller minst en i nämnda kapsel befintlig kiselbricka (41) dels för ytmontering och lödning på ett kretskortlaminat. Akustisk sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av minst två mätceller (61, 62) placerade i ömsesidig termisk kontakt, med väsentligen identisk uppbyggnad och funktion som nämnda mätcell (1) bortsett från att deras respektive tillhörande don (63, 64) för transport av nämnda gasblandning till nämnda mätceller (61, 62 ) besitter väsentligt avvikande flödesmotstånd, varvid nämnda transport till minst en av nämnda mätceller (61, 62) blir väsentligen fördröjd, varigenom sammansättningen för nämnda gasblandning i nämnda mätcell (62) representerar ett tidsmedelvärde under viss tid.523 969 8 PATENT CLAIMS Acoustic sensor for determining the composition or concentration ratio of a gas mixture in at least one measuring cell (1), including means (6, 7) for transporting said gas mixture to and from said measuring cell (1), characterized in that said measuring cell (1) is limited by at least two substantially plane-parallel plates (2, 3), at least one of which is arranged to be subjected to mechanical oscillations by means of electrical activation, which give rise to acoustic waves in said gas mixture, that the reaction of said waves to said oscillations is electrically readable. , that at least one of said plates (2, 3) includes integrated substructures in single crystalline silicon, and that the geometric design of said plates (2, 3) and measuring cells (1) is defined by a step-by-step process of selective or anisotropic pattern deposition and pattern etching. Acoustic sensor according to claim 1 characterizes! by said electrical activation taking place by electrothermal action on a resistive layer integrated in said plate, by piezoelectric action on a piezoelectric layer integrated in said plate, or by electrostatic action between said plates or to a third plate (S) included in said sensor, with at least one electrically conductive surface, and that said electrical reading takes place using piezoresistive, piezoelectric or capacitive elements, which are identical or integrated with said activating elements. Acoustic sensor according to claim 1, characterized in that said feedback and readability refer to at least one extreme value (21, 22, 23) present in the frequency domain, alternatively a phase or time difference, for at least one electrically measurable quantity, and that said extreme value (21, 22, 23), alternatively phase or time difference, in at least one interval is a monotonic function of said wave propagation speed in said gas mixture and constitutes frequency determining elements in at least one oscillator coupling which is built up of active and passive electronic components in integrated form on at least one silicon wafer (41 ). Acoustic sensor according to claim 1, characterized in that the wavelength of said acoustic waves is determined by at least one distance element (4) defining the distance between said plates (2, 3) whose natural frequencies substantially exceed the frequency of said oscillations. Acoustic sensor according to claim 1, characterized by at least one device (10, 11) for temperature measurement and electric heating of said plates (2, 3) and that these are made of materials with significantly higher thermal conductivity than materials (52) used to support said plates (2, 3), and that said devices (10, 11) can be connected in at least one temperature regulator through which said measuring cell (1) is kept at a substantially constant temperature. Acoustic sensor according to claim 1, characterized by at least one filter (51) for separation, adsorption or capture of certain substances present in said gas mixture in solid, surface or gas form, said filter (51) being arranged to cooperate with said device (6, 7). ) for transport so that said substances are substantially separated or delayed before they reach said measuring cell (1). Acoustic sensor according to claim 1, characterized in that at least that of said plates (2, 3) which is arranged to be subjected to mechanical oscillations by means of electrical activation can be divided into at least one rigid part and an elastically flexible part. Acoustic sensor according to claim 1, characterized by at least one silicon wafer (41) with integrated active and passive components electrically connected by wire connection (9, 10) by wire bonding to contact surfaces on at least one of said plates (2, 3) and said silicon wafer (41) for said electrical activation and reading, and that said contact surfaces are located on a substantially common plane. en: u. 523 969,. -. . An acoustic sensor according to claim 1, characterized by at least one capsule (47, 48) which 10. contains a number of metallic conductors (44, 45) for electrical passage between the interior of said capsule (47, 48) and outer, the design of which is suitable partly for wire connection by means of so-called Wire bonding between contact surfaces on at least one of said plates (2, 3) or at least one silicon washer (41) present in said capsule and partly for surface mounting and soldering on a circuit board laminate. Acoustic sensor according to claim 1, characterized by at least two measuring cells (61, 62) placed in mutual thermal contact, with substantially identical construction and function as said measuring cell (1) except that their respective associated devices (63, 64) for transporting said gas mixture to said measuring cells (61, 62) possess substantially deviating fl resistance resistors, said transport to at least one of said measuring cells (61, 62) being substantially delayed, whereby the composition of said gas mixture in said measuring cell (62) represents a time average value for a certain time.
SE0103971A 2001-11-28 2001-11-28 Acoustic gas sensor SE523969C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0103971A SE523969C2 (en) 2001-11-28 2001-11-28 Acoustic gas sensor
PCT/SE2002/002125 WO2003058231A1 (en) 2001-11-28 2002-11-22 Acoustic gas sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0103971A SE523969C2 (en) 2001-11-28 2001-11-28 Acoustic gas sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SE0103971L SE0103971L (en) 2003-05-29
SE523969C2 true SE523969C2 (en) 2004-06-08

Family

ID=20286119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE0103971A SE523969C2 (en) 2001-11-28 2001-11-28 Acoustic gas sensor

Country Status (2)

Country Link
SE (1) SE523969C2 (en)
WO (1) WO2003058231A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8317392B2 (en) 2008-12-23 2012-11-27 Honeywell International Inc. Surface acoustic wave based micro-sensor apparatus and method for simultaneously monitoring multiple conditions

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3040562A (en) * 1960-02-27 1962-06-26 Chesapeake Instr Corp Method for determining the constituents of milk and milk products
DE4319997A1 (en) * 1993-06-17 1994-12-22 Seiler Andreas Interferometer type device for the quantitative detection of a gas type and device for the detection of a vapor
US6116080A (en) * 1998-04-17 2000-09-12 Lorex Industries, Inc. Apparatus and methods for performing acoustical measurements
ATE443863T1 (en) * 2000-03-20 2009-10-15 Draper Lab Charles S BENDING WAVE SENSOR

Also Published As

Publication number Publication date
SE0103971L (en) 2003-05-29
WO2003058231A1 (en) 2003-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4388614B2 (en) Sensor for measuring the viscosity and density of a medium
Rabe et al. Monolithic miniaturized quartz microbalance array and its application to chemical sensor systems for liquids
US10168198B2 (en) Bulk acoustic wave (BAW) sensors for liquid level measurements
KR101375193B1 (en) Capacitance sensor
JP5130422B2 (en) Detection sensor
US11262225B2 (en) Flow sensor, method and flowmeter for determining speeds of phases of a multi-phase medium
KR102000774B1 (en) Measurement method using a sensor; sensor system and sensor
CN102353610A (en) Capacitance micro-machining ultrasonic sensor for measuring density and production method thereof
KR20200146015A (en) Photoacoustic gas sensor and pressure sensor
Ferrari et al. Development and application of mass sensors based on flexural resonances in alumina beams
JP2010117184A (en) Detection sensor
CN102216765A (en) Apparatus and method for detecting matter using a thin film resonator (FBAR) with an insulating layer
US7148611B1 (en) Multiple function bulk acoustic wave liquid property sensor
WO2018096215A1 (en) Sensor
SE523969C2 (en) Acoustic gas sensor
Lee et al. Highly sensitive detection of DMMP using a CMUT-based chemical sensor
JP2009031233A (en) Multi-channel qcm sensor
JP2006170984A (en) System and method for sensing pressure
Jia et al. Design and characterization of a multi-ring nested CMUT array for hydrophone
US9032797B2 (en) Sensor device and method
US20060150740A1 (en) Resonating transducer
Jia et al. Improvement of Lamb waves sensors: Temperature sensitivity compensation
JP2012189537A (en) Gas sensor
Zhang et al. Thermal analysis and characterization of a high Q film bulk acoustic resonator (FBAR) as biosensers in liquids
JP4689542B2 (en) Membrane stiffness measuring apparatus and measuring method

Legal Events

Date Code Title Description
NUG Patent has lapsed