[發明專利]一種基于電容式電橋結構的超聲陣列氣體傳感器

有效

• 申請號: 201711318381.8
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN108037183B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 吳麗翔;卓文軍;王高峰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01N29/036
• 分類號: G01N29/036;G01N29/22
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明涉及一種基于電容式電橋結構的超聲陣列氣體傳感器?，F有產品不便于集成至移動設備。本發明包括可變電阻、第一電阻、第二電阻、可變電容、參考電容?？勺冸娮璧囊欢伺c可變電容的一端連接后接電源VCC，可變電阻的另一端與第一電阻的一端連接后作為輸出電壓Vout的正極，可變電容的另一端、參考電容的一端和第二電阻的一端連接后作為輸出電壓Vout的負極?？勺冸娙莺蛥⒖茧娙萁Y構相同，均采用超聲陣列電容，其中可變電容的表面可吸附氣體，電容會發生變化，參考電容表面不吸附氣體，只作為參照組。本發明可最大限度地放大氣體傳感器的微弱信號，單個超聲單元結構可靠性高，形成的超聲陣列冗余度高，傳感器具備高魯棒性。

技術領域

本發明屬于微機電系統氣體傳感器技術，具體涉及一種基于電容式電橋結構的超聲陣列氣體傳感器

背景技術

氣體傳感器主要用于檢測氣體的物理特性和化學成分。無論在日常生活中，還是在工業制造中，它都有著廣泛應用。然而，傳統的氣體傳感器因受限于其工作原理，通常具有較大尺寸和較大功耗，不便于集成至移動設備，如智能手機和可穿戴設備。

隨著微機電系統(MEMS)技術的發展，這種局面逐步發生轉變。微機電系統氣體傳感器已成為氣體傳感領域的研究熱點。微機電系統氣體傳感器的主要優點包括尺寸小、功耗低、易于集成等。然而，在兼顧微弱信號的探測靈敏度和穩定性方面，微機電系統氣體傳感器仍然存在挑戰。傳統的電阻式氣體傳感器通過可放大信號的電橋結構(如惠斯通電橋結構)將電阻變化引起的直流電壓變化進行放大再輸出。但是，這種方法對溫度比較敏感，且可調節的參數有限；只能通過電阻變化來引起電壓幅值變化，無法對特征頻率的偏移等頻率特性的改變進行檢測。

實際上，對于通交流信號的電路系統，電容和電阻所引起的阻抗具有同等效果。在傳統電橋結構中，使用電容替換電阻后，同樣能達到放大信號的效果。電容的阻抗大小跟電流頻率和自身電容值有直接關系。在一個微機電系統氣體傳感器中，當以微機電系統作為電容單元構建出一個電橋結構，且通過傳感器的交流信號頻率為其第一特征頻率時，微機電系統的振膜會產生共振，出現最大動態位移，此時氣體傳感器的電容值能以最大范圍變化。在該情況下，振膜表面是否有吸附氣體，會顯著影響特征頻率，振膜的動態振動幅度具有很大差異，電容值變化也具有很大差異，導致阻抗不匹配，經過比較兩點電壓差便能夠將原本微小、難以檢測的信號放大，大大提升氣體傳感器的靈敏度。

綜上所述，基于電容式電橋結構的氣體傳感器具有明顯優勢，而與超聲陣列結合，由于工作頻率較高、超聲單元數量多，理論上，這種氣體傳感器將具有更高的靈敏度和魯棒性，且尚未被公開或報道過。

發明內容

本發明的目的就是提供一種基于電容式電橋結構的超聲陣列氣體傳感器，可實現高靈敏度及高魯棒性的探測功能。

本發明包括可變電阻R、第一電阻R1、第二電阻R2、可變電容C1、參考電容C2。所述的可變電阻R的一端與可變電容C1的一端連接后接電源VCC，可變電阻R的另一端與第一電阻R1的一端連接后作為輸出電壓Vout的正極，可變電容C1的另一端、參考電容C2的一端和第二電阻R2的一端連接后作為輸出電壓Vout的負極，第一電阻R1的另一端、第二電阻R2的另一端和參考電容C2的另一端連接后接地。

所述的可變電容C1和參考電容C2結構相同，均采用超聲陣列電容，主體結構從下往上依次包括：基底、下SiO₂薄膜層、下電極層、上SiO₂薄膜層、犧牲層、下振膜層、上振膜層、上電極層、絕緣鈍化層、接線層、氣體吸附層；其中：

基底的作用是支撐固定，其材料為硅片；

下SiO₂薄膜層為下電極的支撐層，并起絕緣保護作用；