组合传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本说明书通常涉及用于感测的物品和设备，并且在一个示例中涉及组合感测物品 或设备。
【发明内容】
[0002] -种组合传感器，包括：具有致动器的压力传感器，所述致动器具有第一谐振频 率；腔体，与所述压力传感器耦合并且能够容纳物质；其中在不存在所述物质的情况下，所 述腔体响应于致动器的激励具有第二谐振频率；其中在存在所述物质的情况下，所述腔体 响应于致动器的激励具有第三谐振频率；其中所述第一谐振频率与第二和第三谐振频率不 同；以及传感器电路，所述传感器电路响应于所述腔体中的第三谐振频率输出检测到物质 的信号。
[0003] -种制造物品，包括至少一个非瞬时有形机器可读存储介质，所述非瞬时有形机 器可读存储介质包含用于操作组合传感器的可执行机器指令，所述指令包括：在一定范围 的频率上激励与腔体耦合的压力传感器中的致动器；监测激励致动器所需的功率电平；在 取决于腔体尺寸的预定频率处，将致动器功率电平与阈值功率电平进行比较；以及如果预 定频率处所监测的致动器功率电平小于阈值等级，则输出检测到物质的信号。
[0004] 以上
【发明内容】
并非意欲表示当前或未来权利要求书范围内的每个示例实施例。在 以下附图和详细描述中讨论附加示例实施例。
【附图说明】
[0005] 图1A、1B、1C、ID和IE示出了声速与多个参数的依赖性。
[0006] 图2是第一组合传感器的侧视图的一个示例。
[0007] 图3是第一组合传感器的顶视图的一个示例。
[0008] 图4是第二组合传感器的侧视图的一个示例。
[0009] 图5是与多个谐振频率相关联的物质的表格的一个示例。
[0010] 图6是用于操作组合传感器的一组指令的一个示例。
[0011] 图7是用于操作组合传感器的传感器电路的一个示例。
[0012] 尽管本公开可修改为各种改进和替代形式，但是已经在附图中以示例形式示出了 本公开的具体内容并且将详细描述。然而应该理解的是，超出所描述的具体实施例的其他 实施例也是可能的。还覆盖了落入所附权利要求的精神和范围内的所有改进、等价和替代 实施例。
【具体实施方式】
[0013] 基于声速测量的传感器取决于声波通过其传播的物质（例如，介质、气体、液体、 固体、等离子体等）。
[0014] 如果物质是气体，则通常使用经典理想气体方程（见方程1，其中c是声速[m/s]， R = 8. 314J/mol，K是通用气体常数，T是绝对温度[Κ]，γ是恒压力恒体积下的热容之间 的比值，MW是气体的摩尔质量[kg/mol])。
[0016] 然而，对于其他物质，使用介质中声速的更通用的方程（见方程2,其中K是介质的 体积模量[kg/(m2s2)]，P是介质的密度[kg/m3])。
[0018] 在气体的情况下，方程1示出了周围温度对声速具有直接影响，然而气压对声速 不具有直接影响。
[0019] 当考虑气体混合物（例如空气）时，理想气体定律预测将由相应组份的部分压力 来对分子重量Mw和热容比率γ加权平均。因此，当气体组份改变时，因子γ和Mw均将改 变。
[0020] 以下表中示出了空气中主要气体组份的Mw、γ和y/Mw的值。
[0023] 该表示出了相对湿度（H2O)的增加将使声速增大，而(：02浓度的增加将使声速降 低。N2、O2、或Ar的量的改变只具有有限的影响。
[0024] 图1A、1B、1C、ID和IE呈现了示出基于多个参数计算的声速（米/秒）依赖性的 曲线。图IA示出了对二氧化碳气体（C02)的ppm的理论声速依赖性。图IB示出了对纯水 (H20)的ppm的理论声速依赖性。图IC示出了对温度的理论声速依赖性，每摄氏度c改变 1.69 103ppm。图ID示出了对相对湿度百分比的理论声速依赖性。图IE示出了对于每克 空气的μ克尘埃的理论声速依赖度。尘埃对于声速具有与增加〇)2浓度相似的作用，也就 是声速随浓度增加而降低。当比较来自"尘埃"曲线的灵敏度数量与CO2灵敏度时，+20微 克/立方米的细尘埃与+33. 5ppmC02具有相同的作用。
[0025] 尽管方程1示出了 c与比率γ/化之间的关系是非线性的，针对较小组分改变（对 于比0灵敏度最高至3%)的良好线性拟合是可能的。每ppmCOd^-O. 30ppm变化的理论 灵敏度以及每ppm H2O的+0. 16ppm变化的理论灵敏度也是可能的。用％ RH表示，灵敏度 将是每％ RH+48ppm。例如，对于CO2传感器，要求L 25% RH的RH分辨率以分辨200ppmC0 2 步长。
[0026] 声速、谐振频率和波长之间的关系在方程3中定义为：
[0027] c空气=f λ 方程3
[0028] 考虑到刚刚呈现的信息，可以使用谐振腔体来创建声速传感器。被驱使到腔体内 的声波在由腔体尺寸（宽度、高度、长度）和腔体中物质的声速所确定的频率处创建声学谐 振。
[0029] 在理想情况下，谐振在开口腔体中在d = η · λ /2处出现，而对于封闭腔体在d = (2 ·η-1) · λ/4处出现（其中η是整数并且d是沿声波传播方向的尺寸参数）。它可以是 长度、宽度或高度。腔体的目的是为了创建驻波。驻波的正常模式的位置取决于谐振器腔 体（开口腔体对封闭腔体）中的"边界条件"。所包括的方程式可以用于计算对于已知激励 频率（即，计算针对固定尺寸的最低可能频率）创建驻波所要求的尺寸。对于η = 1，将建 立基模，也就是组合的最低频率-最小尺寸最佳。
[0030] 现在讨论测量压力和声速以确定气体组分的组合传感器。词组"组合传感器"这 里定义为执行两个或更多个感测功能的设备（例如，压力感测和物质检测）。传感器基于主 动激励与声学谐振腔体组合的压力传感器。该传感器提供物理测量原理的益处，具有与加 热的线-热传导传感器类似的灵敏度，而不是压力交叉-灵敏度。
[0031] 组合传感器的示例实施例对无源（电容性）和有源（Q因子谐振）测量进行组合， 允许仅用一个换能器对压力和气体成分（经由声速）两者的转换。如果组合传感器的实施 例不包括温度传感器，可以通过用开口腔体和封闭腔体对两个MEMS致动器执行差分测量 来校准温度差异。
[0032] 在一个示例中，组合传感器是用连接腔体的改进压力传感器，其被调谐为声学传 感器，用于识别两种或其他气体组分并且用于识别其他物质。
[0033] 可以通过向压力传感器设计或封装流添加几个步骤来利用CMOS兼容流生产组合 传感器。在温度校准和校正之后，所述传感器得益于它的物理换能机制而在较宽温度范围 起作用。
[0034] 在其他示例实施例中，组合传感器内置在由以下各项组成的组中的至少一个中： C02监测系统、室内监测系统、食品质量监测系统、空气质量控制系统、湿度控制系统和移动 设备。在另一个示例实施例中，组合传感器是气压传感器和二氧化碳等级传感器的组合，并 且当二氧化碳在腔体内时，所述腔体206响应于由膜的激励而具有预定的谐振频率。
[0035] 图2是第一组合传感器200的侧视图的一个示例，并且图3是第一组合传感器200 的顶视图的一个示例。一起讨论图2和3。组合传感器200包括：具有致动器204的压力 传感器202,所述致动器204具有第一谐振频率；与压力传感器202耦合并且能够容纳物质 212的腔体206。在一个示例实施例