MEMS传感器及其提供方法以及测量流体成分的方法技术

MEMS传感器包括衬底和悬置在衬底处的膜，该膜的谐振频率受到作用到膜上的环境压力的影响。MEMS传感器包括评估设备，所述评估设备被配置为基于所述膜的谐振频率执行测量以获得测量结果。该评估设备被构造成考虑环境压力，使得环境压力对测量结果的影响至少得到部分补偿。

MEMS Sensors and Their Provisions and Methods for Measuring Fluid Composition

The sensor consists of a substrate and a film mounted on the substrate. The resonant frequency of the film is affected by the ambient pressure acting on the film. The MEMS sensor includes an evaluation device configured to perform measurements based on the resonant frequency of the film to obtain measurement results. The assessment equipment is constructed to take environmental pressure into account, so that the influence of environmental pressure on measurement results can be at least partially compensated.

【技术实现步骤摘要】
MEMS传感器及其提供方法以及测量流体成分的方法
本公开涉及MEMS传感器，特别是用于检测流体成分的MEMS传感器，例如气体传感器，涉及提供该传感器的方法和涉及用于测量流体成分的方法。本公开还涉及基于压力检测的压力-温度-气体组合传感器。
技术介绍
MEMS压力转换器(微机电系统)可以用半导体技术制造和/或包括半导体材料。从属于此的例如是层或晶圆，包括硅材料，砷化镓材料和/或另一种半导体材料。MEMS结构可以具有层序列，层序列包括导电的，半导电的和/或导电差的或绝缘的层，以便提供相应的MEMS功能。一些MEMS传感器可以被实施为压力转换器，这意味着基于静态(压力传感器)或动态(麦克风)的压力变化输出电信号和/或响应于电信号产生在流体中的压力波。MEMS传感器中的膜也可用于流体传感器，其中评估在流体和膜之间的相互作用，以得出关于流体的结论。期望实现精确确定流体和/或其成分的MEMS传感器。
技术实现思路
实施例提供了一种MEMS传感器，具有：衬底；悬置在衬底处的膜，该膜的谐振频率受作用到膜上的环境压力影响；以及评估设备，该评估设备被配置成实施基于膜的谐振频率的测量以便获得测量结果。评估设备被构造成考虑环境压力，使得环境压力对测量结果的影响至少得到部分补偿。这实现至少部分地补偿由环境压力引起的膜的敏感度影响，并且从而实现测量误差的减小或避免测量误差，从而可以精确测量流体或其成分。实施例提供一种MEMS传感器，具有衬底和悬置在衬底处的膜以及评估设备，评估设备被配置为在时间上交替地执行基于膜位置的非谐振评估的参考测量和基于膜的谐振频率的测量。非谐振测量可以例如是压力测量和/或温度测量，其中评估膜的电导率和/或偏移。谐振测量可以是谐振频率的评估，即其频率值。这实现了精确和节省位置的测量，因为一方面相同的膜用于不同的测量，这能够节省位置地执行，并且还实现的是，可能的测量误差对所有测量都相同起作用并且可能进行补偿，从而获得精确的测量。实施例提供一种MEMS传感器，具有：衬底；悬置在该衬底处的膜；以及评估设备，该评估设备被配置成使用该膜的偏移执行测量。该评估设备被构造成以膜的第一膜敏感度执行测量的第一实施方案，以及以膜的第二膜敏感度执行测量的第二实施方案，或者以另外的膜执行测量的第二实施方案，以便通过组合该第一实施方案的结果和该第二实施方案的结果来获得组合结果。通过差分的组合结果，这实现了精确的测量结果。根据一个实施例，用于提供MEMS传感器的方法包括：提供衬底；将膜悬置在衬底处，使得该膜的谐振频率受环境压力影响；并且布置评估设备，使得该评估设备被配置为执行基于膜的谐振频率的测量以获得测量结果，从而评估设备被构造成考虑环境压力，使得环境压力对测量结果的影响至少得到部分补偿。根据一个实施例，用于提供MEMS传感器的方法包括：提供衬底；将膜悬置在衬底处；以及布置评估设备，使得评估设备被配置为在时间上交替地执行基于膜位置的非谐振评估的参考测量和基于膜的谐振频率的测量。根据一个实施例，用于提供MEMS传感器的方法包括：提供衬底；将膜悬置在衬底处；以及布置评估设备，使得评估设备被配置为使用膜的偏移执行测量。该方法包括配置评估设备，使得该评估设备被配置成以膜的第一膜敏感度执行测量的第一实施方案，以及以膜的第一膜敏感度执行测量的第二实施方案，以及以膜的第二膜敏感度或另外的膜执行测量的第二实施方案，并且通过组合该第一实施方案的结果和该第二实施方案的结果来获得组合结果。根据一个实施例，一种用于利用流体传感器测量流体成分的方法，流体传感器具有悬置在衬底处的膜，该方法包括：将膜与流体接触，使得膜吸附流体成分；检测膜的谐振频率；考虑环境压力对谐振频率的作用，以获得经修正的谐振频率；并且基于经修正的谐振频率确定流体成分的性质。附图说明在下文参考附图阐释实施例。图示：图1A示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图；图1B示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图，其中评估设备被配置为时间上在测量之前或之后执行参考测量；图2示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图，该MEMS传感器被配置为考虑环境温度；图3示出了根据一个实施例的如在本文所述的MEMS传感器中能够使用的膜那样的膜的示意性侧剖视图；图4A示出了在横坐标处示出时间轴并且在纵坐标处示出所获得的频移的图表；图4B示出了图4A中的图表在相同时间轴上的逆模型的示意图；图5示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图，MEMS传感器被配置为向膜施加不同的电偏压；图6示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图，MEMS传感器具有第一膜和第二膜；图7示出了根据一个实施例的膜装置的示意性侧剖视图，包括不同起作用的第一膜和第二膜；图8示出了具有根据一个实施例的关于膜的膜尺寸不同的膜的四种不同类型的膜的示意表格；图9示出了用于提供MEMS传感器的根据一个实施例的方法的示意流程图；图10示出了根据一个实施例的用于提供MEMS传感器的另一种方法的示意流程图；图11示出了根据一个实施例的用于提供MEMS传感器的另一种方法的示意流程图；并且图12示出了根据一个实施例的用于利用流体传感器测量流体的流体成分的方法的示意性流程图。具体实施方式在下面具体参考附图更详细地解释实施例之前，要指出的是，在不同附图中的相同的、功能相同的或作用相同的元件、对象和/或结构设有相同的附图标记，因此在不同实施例中所示出的这些元件的描述是彼此可互换的或者可以应用到彼此。以下实施例涉及微机电系统(MEMS)，特别是MEMS传感器。实施例还涉及用于流体测量的MEMS传感器，即用于检测流体(例如液体或气体)的至少一个成分的传感器。在此描述的实施例为此具有膜，该膜能够具有敏感度。为了检测或确定流体和/或其成分的性质，该膜可以配置成辅助或提供流体或其成分吸附到实现与流体进行流体接触的表面。基于吸附，可以获得膜的谐振频率的变化，该变化是能够被确定的。基于膜能够吸附哪种流体和/或成分的知识，可以推断出被吸附的材料的类型和/或量，这可以运用到流体的存在和/或浓度。基于谐振频率的测量以及谐振频率的变化与流体的关系的结论，实施例实现了至少部分地补偿横向影响，横向影响也可以改变膜的谐振频率，然而对流体的测量不太重要或者是微不足道的。从属于此的例如是环境压力和/或作用到膜上的温度。这样的参数能够导致谐振频率的变化，并且具体而言与待检测的流体或其成分是否与膜接触无关。实施例涉及环境压力和必要时温度对谐振频率变化的影响，以获得精确的测量结果。图1A示出了根据一个实施例的MEMS传感器10的示意性侧剖视图。MEMS传感器10包括衬底12和悬置或布置在衬底处的膜14。膜14悬置在衬底12处，使得膜能够沿振动方向16振动。振动可以理解为除了静态偏移之外，还可以进行动态偏移，尤其是使用谐振频率振动的偏移。例如，这可以是第一模式、第二模式或更高阶模式。膜14沿振动方向的振动的谐振频率可能受到材料刚度、弹性模量和/或衬底12相对于膜14所提供的机械应力的影响。因此衬底12相对于膜14的更强的拉力和/或膜14的材料(例如硅、氧化硅和/或氮化硅)的更高的材料刚度导致谐振频率的增加。谐振频率f0可能受作用到膜14上的环境压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS传感器(10；10'；20)，具有：衬底(12)，悬置在所述衬底(12)处的膜(14)，所述膜的谐振频率(f0)受作用到所述膜(14)上的环境压力(P)影响；以及评估设备(18)，所述评估设备被配置为执行基于所述膜(14)的谐振频率(f0)的测量以获得测量结果(26)；其中，所述评估设备(18)被构造成考虑所述环境压力(P)，使得至少部分地补偿所述环境压力(P)对所述测量结果(26)的影响。

【技术特征摘要】
2017.08.23 DE 102017214786.51.一种MEMS传感器(10；10'；20)，具有：衬底(12)，悬置在所述衬底(12)处的膜(14)，所述膜的谐振频率(f0)受作用到所述膜(14)上的环境压力(P)影响；以及评估设备(18)，所述评估设备被配置为执行基于所述膜(14)的谐振频率(f0)的测量以获得测量结果(26)；其中，所述评估设备(18)被构造成考虑所述环境压力(P)，使得至少部分地补偿所述环境压力(P)对所述测量结果(26)的影响。2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中所述评估设备被配置为考虑所述环境压力(P)和作用到所述膜(14)上的环境温度(T)，使得至少部分地补偿所述环境压力(P)和所述环境温度(T)对所述测量结果(26)的影响。3.根据权利要求1或2所述的MEMS传感器，其中所述MEMS传感器被配置成时间上在所述测量之前或者之后执行参考测量，以用于确定作用到所述膜(14)上的所述环境压力(P)，并且将所述参考测量的结果提供给所述评估设备(18)。4.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS传感器，其中所述评估设备(18)被配置为基于所述膜(14)的偏移(14')确定所述环境压力(P)。5.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS传感器，所述MEMS传感器被配置为在时间上交替地执行参考测量和所述测量，所述参考测量基于膜位置的非谐振评估。6.根据权利要求5所述的MEMS传感器，其中所述评估设备(18)被构造成使用所述参考测量的结果来确定所述环境压力(P)并且执行关于所述测量的校准。7.根据前述权利要求中任一项所述的MEMES传感器，其中所述测量结果(26)取决于与所述膜(14)相互作用的环境流体(341、342)，其中所述评估设备(18)被构造成谐振激励所述膜(14)以获得关于所述环境流体(341、342)的信息。8.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS传感器，其中所述评估设备(18)被构造成基于以下规则来考虑与所述膜(14)相互作用的流体的成分(341、342)的浓度，其中，Δf表示受所述环境温度(T)和所述环境压力(P)的影响而获得的所述膜(14)的所述谐振频率(f0)的偏移，并且ai,j,k表示多项式的系数。9.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS传感器，所述MEMS传感器被配置为基于用于确定所述环境压力(P)的参考测量并且基于所述测量来提供测量信号(26)，所述测量信号具有关于所述环境压力(P)、环境温度(T)和与所述膜(14)相互作用的流体的信息。10.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS传感器，其中所述膜(14)被构造成在所述膜(14)处实现对流体的成分(341、342)的吸附，其中通过对所述成分(341、342)的吸附实现所述膜(14)的质量变化，所述质量变化造成所述膜(14)的固有频率(f0)的谐振位移，其中所述评估设备(18)被配置为输出具有关于所述谐振位移的信息的测量信号(26)。11.根据权利要求10所述的MEMS传感器，其中所述膜(14)是第一膜(142)，并且所述MEMS传感器具有至少一个第二膜(141)，其中所述第一膜(142)和所述第二膜(141)被配置用于吸附所述流体的不同成分(341、342)。12.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS传感器，所述MEMS传感器在没有用于加热所述膜(14)的加热元件的情况下被形成，以反转流体的成分到所述膜(14)中的扩散。13.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS传感器，其中所述评估设备(18)被构造成向所述膜(14)施加可变的电偏压(U1、U2)，以调节所述膜(14)的可变固有频率。14.根据权利要求13所述的MEMS传感器，其中所述评估设备(18)被构造成基于所述测量的结果来改变所述可变的电偏压(U1、U2)。15.根据权利要求13或14所述的MEMS传感器，其中所述评估设备(18)被构造成利用所述可变的电偏压的第一值(U1)来执行用于确定所述环境压力(P)的参考测量，以获得第一部分结果，并且利用所述可变的电偏压的第二值(U2)重新执行所述测量，以获得第二部分结果，其中所述MEMS传感器被构造成执行所述第一部分结果和所述第二部分结果的差分处理，以获得第二测量的结果。16.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS传感器，其中所述膜(14)是相对于流体的成分具有第一敏感度的第一膜(14)，其中所述MEMS传感器还具有第二膜(14)，所述第二膜相对于所述流体的成分具有第二敏感度；其中所述MEMS传感器被构造成使用所述第一膜(14)执行所述测量的第一过程，并且使用所述第二膜(14)执行所述测量的第二过程，其中所述MEMS传感器被构造成执行所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·布雷特豪尔，A·德厄，P·玛卡拉姆，A·G·奥纳兰，A·沃瑟，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE