基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的mems傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，包括一腔體，該腔體內(nèi)形成有中空腔室，還包括過濾結(jié)構(gòu)、氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、氣體采樣結(jié)構(gòu)以及振動結(jié)構(gòu)；所述過濾結(jié)構(gòu)、氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相對設(shè)置在腔室的兩端并與其相通，所述氣體采樣結(jié)構(gòu)、振動結(jié)構(gòu)相對設(shè)置在腔室的內(nèi)部。本實用新型通過檢測由附著在振動結(jié)構(gòu)上的懸浮顆粒導(dǎo)致的振動頻率或幅度的變化來監(jiān)測氣體懸浮顆粒濃度。與傳統(tǒng)的顆粒傳感器相比，本實用新型主體采用MEMS微加工技術(shù)制造，具有成本低，體積小，功耗低等優(yōu)勢，非常適合在消費電子，便攜設(shè)備上的應(yīng)用。
【專利說明】基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種MEMS傳感器，尤其涉及一種基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]已知處于共振狀態(tài)中的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量的改變會導(dǎo)致振幅和振動頻率發(fā)生變化，通過檢測這種變化可以測出質(zhì)量改變的大小。
[0003]我國目前對大氣顆粒物的測定主要采用重量法，其原理是分別通過一定切割特征的采樣器，以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5和PMlO被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計算出PM2.5和PMlO的濃度。
[0004]如下為現(xiàn)有技術(shù)中常兩種常用的測量方法:
[0005](I)Beta射線法:利用Beta射線衰減的原理，環(huán)境空氣由采樣泵吸入采樣管，經(jīng)過濾膜后排出，顆粒物沉淀在濾膜上，當(dāng)3射線通過沉積著顆粒物的濾膜時，Beta射線的能量衰減，通過對衰減量的測定便可計算出顆粒物的濃度。
[0006]( 2 )微量振蕩天平法:在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個振蕩空心錐形管，在其振蕩端安裝可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特征和其質(zhì)量。當(dāng)采樣氣流通過濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質(zhì)量變化導(dǎo)致振蕩頻率的變化，通過振蕩頻率變化計算出沉積在濾膜上顆粒物的質(zhì)量，再根據(jù)流量、現(xiàn)場環(huán)境溫度和氣壓計算出該時段顆粒物標(biāo)志的質(zhì)量濃度。
[0007]上述測量方法及使用的傳感器成本較高、體積大，而且功耗高，不便攜帶。
實用新型內(nèi)容
[0008]本實用新型的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種造價低、體積小、便于攜帶的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器。
[0009]本實用新型的技術(shù)方案是:基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，包括一腔體，該腔體內(nèi)形成有中空腔室，還包括過濾結(jié)構(gòu)、氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、氣體采樣結(jié)構(gòu)以及振動結(jié)構(gòu)；所述過濾結(jié)構(gòu)、氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相對設(shè)置在腔室的兩端并與其相通，所述氣體采樣結(jié)構(gòu)、振動結(jié)構(gòu)相對設(shè)置在腔室的內(nèi)部。
[0010]所述腔體包括由上至下依次鍵合為一體的腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓、振動結(jié)構(gòu)晶圓以及襯底晶圓，所述腔室位于腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓和振動結(jié)構(gòu)晶圓之間。
[0011 ] 所述腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓由上下兩片晶圓鍵合而成。
[0012]所述過濾結(jié)構(gòu)為開設(shè)在腔體一端的至少一個與腔室相通的小孔，在所述小孔的周
向設(shè)置有管道。
[0013]所述過濾結(jié)構(gòu)為多路管道結(jié)構(gòu)，所述管道結(jié)構(gòu)橫向貫穿所述腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓，所述氣體采樣結(jié)構(gòu)與部分管道結(jié)構(gòu)相通，所述氣體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)與所述管道結(jié)構(gòu)、腔室相通。
[0014]所述氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)為微泵或外接風(fēng)扇或外接活塞機構(gòu)。[0015]所述氣體采樣結(jié)構(gòu)設(shè)置于腔室內(nèi)的上方，所述振動結(jié)構(gòu)設(shè)置在與氣體采樣結(jié)構(gòu)相對的腔室內(nèi)的下方。
[0016]所述氣體采樣結(jié)構(gòu)為一熱電阻，該熱電阻設(shè)置在腔室內(nèi)上方。
[0017]所述振動結(jié)構(gòu)為微加工技術(shù)在振動晶圓上制造的MEMS諧振器，如薄膜體聲波諧振器，聲表面波諧振器。
[0018]本實用新型通過檢測由附著在振動結(jié)構(gòu)上的懸浮顆粒導(dǎo)致的振動頻率或幅度的變化來監(jiān)測氣體懸浮顆粒濃度。與傳統(tǒng)的顆粒傳感器相比，本實用新型主體采用MEMS微加工技術(shù)制造，具有成本低，體積小，功耗低等優(yōu)勢，非常適合在消費電子，便攜設(shè)備上的應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本實用新型的腔體橫向剖開的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為本實用新型的腔體縱向剖開的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本實用新型中顆粒進入多路管道示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、技術(shù)特征、實用新型目的與技術(shù)效果易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本實用新型。
[0024]如圖1所示為本實用新型的一種基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，包括一腔體101，該腔體101包括由上至下依次組合為一體的腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓102、振動結(jié)構(gòu)晶圓103以及襯底晶圓104，在腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓102之間形成一個內(nèi)中空的腔室105，本實用新型的腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓由上、下兩片晶圓鍵合而成。
[0025]本實用新型還包括過濾結(jié)構(gòu)200、氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)300、氣體采樣結(jié)構(gòu)400以及振動結(jié)構(gòu)500。本實用新型中的過濾結(jié)構(gòu)200、氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)300相對設(shè)置在腔室105的兩端并與其相通，氣體采樣結(jié)構(gòu)400、振動結(jié)構(gòu)500相對設(shè)置在腔室405的內(nèi)部。本實用新型的氣體采樣結(jié)構(gòu)400促進懸浮顆粒沉積到振動結(jié)構(gòu)500上。該氣體采樣結(jié)構(gòu)400設(shè)置在腔室105內(nèi)的上方，振動結(jié)構(gòu)500設(shè)置在與氣體采樣結(jié)構(gòu)400相對的腔室105內(nèi)的下方。本實用新型中的氣體采樣結(jié)構(gòu)400為一熱電阻，該熱電阻設(shè)置在腔室105內(nèi)上方。
[0026]本實用新型的振動結(jié)構(gòu)500可在周期性驅(qū)動力作用下達到共振狀態(tài)。其中一種實施方法為質(zhì)量塊通過運動彈簧連接結(jié)構(gòu)與固定錨點相連接，利用微結(jié)構(gòu)梁變形來引導(dǎo)質(zhì)量塊運動；其他振動結(jié)構(gòu)實施方法包含但不僅限于聲表面波諧振器SAW,薄膜體聲波諧振器FBAR 等。
[0027]本實用新型的振動結(jié)構(gòu)可通過外部驅(qū)動源驅(qū)動而產(chǎn)生周期性驅(qū)動力。用來檢測被驅(qū)動振動結(jié)構(gòu)運動狀態(tài)的檢測部分的一種實施方法為梳齒檢測電容，該梳齒檢測電容的一端電容極板連接于該振動結(jié)構(gòu)，另一端極板固定，通過檢測兩極板間電容的變化來檢測共振頻率的變化；其他檢測原理包含但不僅限于壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、電磁場效應(yīng)等。
[0028]參考圖1:本實用新型的過濾結(jié)構(gòu)200有多種形式，可以為在腔體101 —端使用微加工技術(shù)加工的至少一個與腔室相通的小孔201，在這些小孔201的周向設(shè)置有管道202，這些小孔201能夠阻擋部分體積較大的顆粒通過，并允許較小的顆粒被抽入腔室105內(nèi)。
[0029]參考圖2、3:本實用新型的過濾結(jié)構(gòu)200的另一種形式為多路管道結(jié)構(gòu)203，管道結(jié)構(gòu)203橫向貫穿腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓102，氣體采樣結(jié)構(gòu)400與部分管道結(jié)構(gòu)203相通，氣體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)300與所述管道結(jié)構(gòu)203、腔室105相通。包含顆粒的氣體從多路管道結(jié)構(gòu)203的左端a通入時，較大的顆粒攜帶動能較大，不易改變運動方向，將進入c通道，而較小的顆粒動能較小，容易隨上下運動的氣流進入b通道，從而達到將大小顆粒分離的目的，如圖4。
[0030]本實用新型的氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)300可以采用微泵或外接風(fēng)扇或外接活塞機構(gòu)，在本實用新型中以微泵301為例，條形部分為固定電極302，上加恒定電壓，水滴形為微泵葉輪303，和同心軸外軸相連構(gòu)成轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上加交流電壓，轉(zhuǎn)子和固定電極間交替產(chǎn)生引力/斥力，使轉(zhuǎn)子繞中心軸旋轉(zhuǎn)。氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)300在腔室105內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，促使腔室105外氣體通過管道結(jié)構(gòu)進入腔室105內(nèi)；促進腔室105內(nèi)氣體流動，同時在氣體采樣結(jié)構(gòu)不工作時，清除振動結(jié)構(gòu)500的上沉積的顆粒。
[0031]本實用新型中通過氣體采樣結(jié)構(gòu)400中的熱電阻的熱泳效應(yīng)，使氣流從熱電阻流向振動結(jié)構(gòu)500，帶動它們之間的顆粒向振動結(jié)構(gòu)500聚集，從而達到采樣的目的。
[0032]振動結(jié)構(gòu)500可以使用任意原理的MEMS微諧振器來實施,包含但不僅限于聲表面波諧振器SAW，薄膜體聲波諧振器FBAR，以及其他基于質(zhì)量塊，懸臂梁結(jié)構(gòu)的諧振器。
[0033]由Rayleigh (瑞利)能量法可以確定振動結(jié)構(gòu)諧振頻率為:
[0034]
【權(quán)利要求】
1.基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，包括一腔體，該腔體內(nèi)形成有中空腔室，其特征在于:還包括過濾結(jié)構(gòu)、氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、氣體采樣結(jié)構(gòu)以及振動結(jié)構(gòu)；所述過濾結(jié)構(gòu)、氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相對設(shè)置在腔室的兩端并與其相通，所述氣體采樣結(jié)構(gòu)、振動結(jié)構(gòu)相對設(shè)置在腔室的內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述腔體包括由上至下依次鍵合為一體的腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓、振動結(jié)構(gòu)晶圓以及襯底晶圓，所述腔室位于腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓和振動結(jié)構(gòu)晶圓之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述的腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓由上、下兩片晶圓鍵合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述過濾結(jié)構(gòu)為開設(shè)在腔體一端的至少一個與腔室相通的小孔，在所述小孔的周向設(shè)置有管道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述過濾結(jié)構(gòu)為多路管道結(jié)構(gòu)，所述管道結(jié)構(gòu)橫向貫穿所述腔體通道結(jié)構(gòu)晶圓，所述氣體采樣結(jié)構(gòu)與部分管道結(jié)構(gòu)相通，所述氣體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)與所述管道結(jié)構(gòu)、腔室相通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述氣壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)為微泵或外接風(fēng)扇或外接活塞機構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述氣體采樣結(jié)構(gòu)設(shè)置于腔室內(nèi)的上方，所述振動結(jié)構(gòu)設(shè)置在與氣體采樣結(jié)構(gòu)相對的腔室內(nèi)的下方。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述氣體采樣結(jié)構(gòu)為一熱電阻，該熱電阻設(shè)置在腔室內(nèi)上方。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述振動結(jié)構(gòu)為在振動結(jié)構(gòu)晶圓上制造的MEMS諧振器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于結(jié)構(gòu)共振測量氣體懸浮顆粒濃度的MEMS傳感器，其特征在于:所述MEMS諧振器為薄膜體聲波諧振器或聲表面波諧振器。
【文檔編號】G01N15/06GK203490153SQ201320475602
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】鄒波, 郭梅寒 申請人:深迪半導(dǎo)體(上海)有限公司