一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法，方法包括：利用网络分析仪驱动MEMS压电谐振器，将待测气体通过进气孔通入气室中，并实现气室的封闭；将半导体制冷片通电降温，使气室内的相对湿度不断增加直至水汽饱和，在MEMS压电谐振器的表面产生水分凝结，连续记录温度传感器的温度值和MEMS压电谐振器输出的谐振频率值；以步骤S2降温过程中输出的谐振频率值作为因变量y、负温度值作为自变量x，进行分段函数拟合；在拟合得到的最终函数中，分段点所对应的温度传感器的温度值，即为待测气体的露点温度。该方法拓宽了在露点测量领域可用的MEMS谐振器种类范围，也提高了测量的可靠性和精度。高了测量的可靠性和精度。高了测量的可靠性和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法


[0001]本专利技术涉及微机电系统(MEMS)和湿度测量
，特别是涉及一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法。

技术介绍

[0002]湿度传感器在天然气供应、半导体制造、航空航天、生物医学等领域发挥着重要的作用。露点温度的测量被国际公认为是精度最高的湿度测量方法。湿度一般有绝对湿度和相对湿度两种表达方式。绝对湿度指的是空气实际含水量，而相对湿度指的是空气实际含水量和理论最大含水量的比值。
[0003]露点温度是绝对湿度，不受环境温度和大气压力的影响。在空气中水汽含量不变，保持气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度称露点温度。当空气通过与比空气冷的表面接触而冷却到露点时，水会在表面凝结。
[0004]露点测量的核心部分是露点的检测与识别。目前主要的露点识别技术有声表面波(SAW)、光电、图像识别、石英晶体微天平(QCM)等。光电法成本太高，仪器只适合实验室使用，不易携带。声表面波和图像识别都有复杂的系统。另外，这两种方法都不适用于腐蚀性环境。与以往的方法相比，QCM具有稳定性好、对纳克级(1ng/cm2)质量变化敏感等优点。QCM通过测量其谐振频率的变化来监测质量负载的变化，已经得到了广泛的应用。然而，基于QCM的传感器的性能在很大程度上取决于涂层材料的化学和物理性质。因此，这种传感器存在严重的滞后现象。另外，QCM和SAW传感器相对大的封装需要大功耗的制冷元件和大量湿气覆盖在表面，造成了较慢的响应时间。
[0005]MEMS传感器有体积小、重量轻、可靠性高、灵敏度高、功耗低、易于集成、响应时间短等优点，在露点测量领域有广阔的发展前景，但目前关于MEMS露点传感器的研究还比较少，有学者提出通过记录降温过程中谐振频率最大值识别露点，但这个方法在一些MEMS谐振器上误差很大。
[0006]本专利技术提出的MEMS压电谐振式露点识别方法利用了MEMS压电谐振器的几个特性。首先是压电材料的负温度频率特性(TCF)，即降低温度会导致MEMS压电谐振器的谐振频率升高。还有一个特性是在气室中降温会导致相对湿度增加，这会阻碍MEMS压电谐振器的振动，使谐振频率降低。最后是谐振器的质量负载效应，温度降低到露点温度之后，谐振器表面结露，质量增加，导致谐振频率降低。这三个特性综合起来发挥作用使得在温度降低过程中MEMS谐振器谐振频率呈现先升高后平缓最后快速下降的特点。本专利技术利用这一特点提出了利用分段函数拟合进行露点识别的方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法，用于提高MEMS谐振式露点传感器精度。
[0008]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种MEMS压电谐振式露点传感器装置，包括从下至上依次叠放的散热器、半导体制冷片和外壳，半导体制冷片顶部和外壳之间构成封闭的气室；所述外壳上开设进气孔和出气孔；
[0010]所述气室中设有铝板、印制电路板、温度传感器和MEMS压电谐振器，铝板上固定有分别与印制电路板连接实现信号传输的温度传感器和MEMS压电谐振器；所述铝板的底部与半导体制冷片的顶部贴合连接，顶部与外壳之间具有用于容纳待测气体的气体空间，铝板用于对待测气体制冷降温；温度传感器和MEMS压电谐振器与所述气体空间接触。
[0011]作为优选，所述铝板的顶部周侧开设连续的凹槽，凹槽中置有印制电路板，温度传感器和MEMS压电谐振器分别通过线路与印制电路板连接。
[0012]作为优选，所述MEMS压电谐振器为压电超声换能器。
[0013]作为优选，所述MEMS压电谐振器的直径为600μm，压电层厚0.5μm，铝电极厚1μm，硅衬底厚10μm，谐振频率为1.464MHz。
[0014]进一步的，所述MEMS压电谐振器中压电层的压电材料具有负温频特性。
[0015]更进一步的，所述压电材料为氮化铝。
[0016]第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面任一所述MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，具体如下：
[0017]S1：利用网络分析仪驱动所述MEMS压电谐振器，将待测气体通过进气孔通入气室中，同时开启出气孔，待测气体在气室中保持流通状态且与外界气体隔离，使气室中形成湿度稳定的环境；
[0018]S2：将半导体制冷片通电降温，使气室内的相对湿度不断增加直至水汽饱和，在MEMS压电谐振器的表面产生水分凝结，连续记录温度传感器的温度值和MEMS压电谐振器输出的谐振频率值；
[0019]S3：以步骤S2降温过程中输出的谐振频率值作为因变量y、负温度值作为自变量x，进行分段函数拟合；在拟合得到的最终函数中，分段点所对应的温度传感器的温度值，即为待测气体的露点温度。
[0020]作为优选，所述步骤S2中，将温度传感器和MEMS压电谐振器均与装有LabVIEW软件的上位机通信连接，使上位机实时获得谐振频率和温度关于时间的信号；当通过上位机观察到MEMS压电谐振器的谐振频率开始迅速下降时，停止半导体制冷片对气室的降温。
[0021]作为优选，所述步骤S3具体如下：
[0022]S31：在[
‑
T
max
+0.5，
‑
T
min
‑
0.5]区间内，每隔0.001℃取一个点T作为分段点，对于每一个分段点T，分段函数设为如下形式：
[0023][0024]其中，T
max
为步骤S2降温过程中的最高温度值，T
min
为步骤S2降温过程中的最低温度值，P1～P6均为中间参数，x范围为[
‑
T
max
，
‑
T
min
]；
[0025]S32：在范围[
‑
T
max
，T]内的数据点(x
i
，y
i
)通过最小二乘法多项式拟合计算出P1～P4的值，具体如下式：
[0026][0027]其中，i＝1,2,
……
,n，n为范围[
‑
T
max
，T]内的数据点总个数；
[0028]S33：在范围[T，
‑
T
min
]内的数据点(x
i
’
，y
i
’
)通过最小二乘法多项式拟合计算出P5和P6的值，具体如下式：
[0029]P5＝P1+P2T+P3T2+P4T3‑
P6T
[0030][0031]其中，i
’
＝n+1,n+2,
……
,m，m为范围[
‑
T
max
，
‑
T
min
]内的数据点总个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS压电谐振式露点传感器装置，其特征在于，包括从下至上依次叠放的散热器(6)、半导体制冷片(2)和外壳(4)，半导体制冷片(2)顶部和外壳(4)之间构成封闭的气室(9)；所述外壳(4)上开设进气孔(51)和出气孔(52)；所述气室(9)中设有铝板(1)、印制电路板(7)、温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)，铝板(1)上固定有分别与印制电路板(7)连接实现信号传输的温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)；所述铝板(1)的底部与半导体制冷片(2)的顶部贴合连接，顶部与外壳(4)之间具有用于容纳待测气体的气体空间，铝板(1)用于对待测气体制冷降温；温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)与所述气体空间接触。2.根据权利要求1所述的一种MEMS压电谐振式露点传感器装置，其特征在于，所述铝板(1)的顶部周侧开设连续的凹槽，凹槽中置有印制电路板(7)，温度传感器(3)和MEMS压电谐振器(8)分别通过线路与印制电路板(7)连接。3.根据权利要求1所述的一种MEMS压电谐振式露点传感器装置，其特征在于，所述MEMS压电谐振器(8)为压电超声换能器。4.根据权利要求1所述的一种MEMS压电谐振式露点传感器装置，其特征在于，所述MEMS压电谐振器(8)的直径为600μm，压电层厚0.5μm，铝电极厚1μm，硅衬底厚10μm，谐振频率为1.464MHz。5.根据权利要求3或4所述的一种MEMS压电谐振式露点传感器装置，其特征在于，所述MEMS压电谐振器(8)中压电层的压电材料具有负温频特性。6.根据权利要求5所述的一种MEMS压电谐振式露点传感器装置，其特征在于，所述压电材料为氮化铝。7.一种利用权利要求1～6任一所述MEMS压电谐振式露点传感器装置的露点识别方法，其特征在于，具体如下：S1：利用网络分析仪驱动所述MEMS压电谐振器(8)，将待测气体通过进气孔(51)通入气室(9)中，同时开启出气孔(52)，待测气体在气室(9)中保持流通状态且与外界气体隔离，使气室(9)中形成湿度稳定的环境；S2：将半导体制冷片(2)通电降温，使气室(9)内的相对湿度不断增加直至水汽饱和，在MEMS压电谐振器(8)的表面产生水分凝结，连续记录温度传感器(3)的温度值和MEMS压电谐振器(8)输出的谐振频率值；S3：以步骤S2降温过程中输出的谐振频率值作为因变量y、负温度值作为自变量x，进行分段函数拟合；在拟合得到的最终函数中，分段点所对应的温度传感器(3)的温度值，即为待测气体的露点温度。8.根据权利要求7所述的一种MEMS压电谐振式露点识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，将温度传感器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢金，王涛，管扬扬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：