[发明专利]一种MEMS压电谐振式露点传感器装置及其露点识别方法

说明书

本发明公开了一种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。

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)和湿度测量技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

本发明提出的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。本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种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；

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。