CN101782410A - 一种微机电系统热式流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明属传感器技术领域和微机电系统技术领域，涉及一种基于流量传感技术中热式流量测量原理并利用微机电系统的加工技术制造的流量计。包括一个主热源，与主热源等距的一组测热单元，一组辅助热源，以及相应的主热源和辅助热源的控制电路。本发明流量计同时具有温差式高灵敏度和风速计式宽量程的特点，能实现更高的灵敏度和更宽的量程，并且利用微机点系统技术制成亚毫米级尺寸的热式流量计更具有压力损失可忽略、热响应速度快、一致性好等优点。
Description
技术领域
本发明属传感器技术领域和微机电系统技术(Micro-Electro-MechanicalSystem)领域，具体涉及一种基于流量传感技术中热式流量测量原理并利用微机电系统的加工技术制造的流量计。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)是如今生物、光学、化学、机械与电子电路集成微型化的技术基础。利用MEMS技术将上述学科领域内的传感器和驱动器及集成电路在硅片上加工实现，实现了系统的集成与大规模生产。MEMS微器件具有重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异等优点，在汽车、生物医学、军事等等领域都有着十分广泛的应用前景。
流量计被广泛应用于冶金、化工、食品、医药等国民经济各个领域，在国民经济中占有重要的地位。
热式质量流量计是利用热传递原理进行检测的仪表，即流动中的流体与热源(流体中加热体或测量管外加热体)之间热量交换关系来测量流量的仪表，当前主要测量气体。其主要优点是：
1.热式流量计没有活动部件，可靠性高；无分流管的仪表无阻流件，压力损失很小。
2.热式流量计性能相对可靠。与推导式质量流量仪表相比，不需要温度传感器，压力传感和计算单元等，仅有流量传感器，组成简单，出现故障概率小。
3.热式流量计用于H2、N2、O2、CO、NO等接近理想气体的双原子气体时，不必再用这些气体专门标定。
热式流量计测量原理又分为以下几种常见方式：
温差式(又称测热式、或热分布式)的热式流量计。温差式的主要特征是，由一个热源提供发热，在沿流速方向距热源等距的上下游两侧，分别有一个测热单元。测热单元可以是热电阻或热电堆等等。利用在一定流量时的上下游温差来测定流速的大小。其优点是对低流速和微流速灵敏度高，缺点是高流速时因热边界层脱离测热单元导致量程的上限流速小。
另一种热式流量计的设计称为风速计式。该类型流量计的主要特征是，传感器上有一根热丝或一片热膜，在流体中热丝所产生的热量被带走，直接或间接测量散热量的多少可以标定流速的大小。根据热丝发热的不同控制方式，风速计可主要分为恒温差型(维持热源与环境温度恒定温差)和恒功率(维持热源上恒定功率)两种。其优点是具有高量程的上限流速，缺点是在低流速时因散热太小灵敏度过低而失效。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种一种微机电系统热式流量计。尤其是结合温差式和风速计式两种测量原理的优点并利用MEMS技术制造的热式流量计。
本发明的目的通过下述方法和步骤实现：
本发明的基本原理是通过温差式流量计测量流体内上下游的温差测定流量，并通过辅助热源在下游测热单元附近加热，起到补偿下游温度随流速增加而下降的不良影响，辅助热源的控制信号由维持主热源按恒温差型方式工作的电路信号控制。
本发明的主要器件结构包括：包括一个主热源(4)，与主热源等距的一组测热单元(6)，一组辅助热源(5)，以及相应的主热源和辅助热源的控制电路。
所述主热源可以是电阻或热敏材料；在沿流速方向距热源等距的上下游两侧，分别有一组测热单元6，所述测热单元可以是电阻或热敏材料或热电堆；在上下游测热单元附近分别有一个辅助热源5，可以在测热单元的下方或上方或两侧或其他临近处，所述辅助热源可以是电阻或热敏材料。
本发明中，器件衬底材料可以是硅或玻璃或聚合物或其他可用于MEMS技术加工的材料。
所述的主热源、测热单元、辅助热源可以制造在衬底或薄膜结构或桥结构或旋臂梁结构。
本发明的一种结构如图1所示。
关于本发明的主要控制电路的要点包括：主热源控制电路必须保证其与流体环境保持恒定的温差，若用电阻作为主热源可以采用如图2(a)所示的桥路电路，其中电路电阻必须满足下列关系：
和其中，R40R50分别是R4R5在0摄氏度时的阻值，α1和α2分别为R5和R4的TCR，ΔT是热源与环境的温差，Tg是环境温度，x是电桥比值R2/R3；辅助热源控制电路的输入必须与维持主热源和环境恒定温差的电路信号相关，如图2(a)中电路节电V1～V3，若用电阻作为辅助热源可采用如图2(b)所示的控制电路。
本发明所提供的微机电系统热式流量计，结合了温差式和风速计式两种测量原理，同时具有温差式高灵敏度和风速计式宽量程的特点，实现了更高的灵敏度和更宽的量程，并且利用MEMS技术制成亚毫米级尺寸的热式流量计更具有了压力损失可忽略、热响应速度快、一致性好等优点。
附图说明
图1是本发明微机电系统热式流量计的一种结构，其中，(a)侧视截面示意图，(b)实物俯视图，图中标号：1为硅衬底，2为氮化硅氧化硅层，3为氮化硅绝热层，4为主热源电阻，5位辅助热源电阻，6为测热单元。
图2微机电系统热式流量计的一种控制电路，(a)主热源(电阻)控制电路原理图，(b)辅助热源(电阻)控制电路原理。
具体实施方案
以下结合具体的实施例，对本发明做进一步的阐述。实施例仅用于对本发明做说明而不是对本发明的限制。
实施例1：
以硅基板作为衬底材料，如图1，其中1为硅衬底，2为氮化硅氧化硅层，3为氮化硅绝热层，以微机电系统加工技术，在中间设置主热源电阻4，在其左右两侧等距离设置测热单元6，并在测热单元旁边设置辅助热源电阻5。同时，按照图2所示设置主热源电阻控制电路和辅助热源电阻控制电路，保证主热源电阻与流体环境保持恒定的温差，并且辅助热源控制电路的输入必须与维持主热源和环境恒定温差的电路信号相关，即制成位本发明所述的微机电系统热式流量计。
所制成的微机电系统热式流量计，结合了温差式和风速计式两种测量原理，同时具有温差式高灵敏度和风速计式宽量程的特点，能实现更高的灵敏度和更宽的量程，并热响应速度快、一致性好。
Claims (8)
1.一种微机电系统热式流量计，其特征是包括一个主热源(4)，与主热源等距的一组测热单元(6)，一组辅助热源(5)，以及相应的主热源和辅助热源的控制电路。
2.根据权利要求1所述的微机电系统热式流量计，其特征在于所述的辅助热源在测热单元的下方或上方或两侧或其他临近处。
3.根据权利要求1所述的微机电系统热式流量计，其特征在于所述的主热源是电阻或热敏材料。
4.根据权利要求1所述的微机电系统热式流量计，其特征在于所述的测热单元是电阻或热敏材料或热电堆。
5.根据权利要求1所述的微机电系统热式流量计，其特征在于所述的辅助热源是电阻或热敏材料。
6.根据权利要求1所述的微机电系统热式流量计，其特征在于所述的主热源控制电路必须保证其与流体环境保持恒定的温差。
7.根据权利要求1所述的微机电系统热式流量计，其特征在于所述的辅助热源控制电路的输入必须与维持主热源和环境恒定温差的电路信号相关。
8.根据权利要求1所述的微机电系统热式流量计，其特征在于衬底材料(1)可以是硅或玻璃或聚合物或其他可用于微机电系统技术加工的材料。
Priority Applications (1)
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| CN200910045618A CN101782410A (zh) | 2009-01-20 | 2009-01-20 | 一种微机电系统热式流量计 |
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| CN200910045618A CN101782410A (zh) | 2009-01-20 | 2009-01-20 | 一种微机电系统热式流量计 |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102564507A (zh) * | 2012-01-19 | 2012-07-11 | 上海华强浮罗仪表有限公司 | Mems质量流量传感器 |
| CN102606791A (zh) * | 2012-01-11 | 2012-07-25 | 杭州权衡科技有限公司 | 一种燃气安全控制装置 |
| CN103018478A (zh) * | 2012-12-03 | 2013-04-03 | 东南大学 | 一种可自动零点补偿的热风速传感装置及测量风速的方法 |
| CN107917750A (zh) * | 2016-10-08 | 2018-04-17 | 北京大学 | 一种mems热式声粒子传感器 |
| CN113173556A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-27 | 欧梯恩智能科技(苏州)有限公司 | 微传感芯片及其制造方法 |
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2009
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102606791A (zh) * | 2012-01-11 | 2012-07-25 | 杭州权衡科技有限公司 | 一种燃气安全控制装置 |
| CN102564507A (zh) * | 2012-01-19 | 2012-07-11 | 上海华强浮罗仪表有限公司 | Mems质量流量传感器 |
| CN103018478A (zh) * | 2012-12-03 | 2013-04-03 | 东南大学 | 一种可自动零点补偿的热风速传感装置及测量风速的方法 |
| CN103018478B (zh) * | 2012-12-03 | 2014-09-10 | 东南大学 | 一种可自动零点补偿的热风速传感装置及测量风速的方法 |
| CN107917750A (zh) * | 2016-10-08 | 2018-04-17 | 北京大学 | 一种mems热式声粒子传感器 |
| CN107917750B (zh) * | 2016-10-08 | 2020-06-26 | 北京大学 | 一种mems热式声粒子传感器 |
| CN113173556A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-27 | 欧梯恩智能科技(苏州)有限公司 | 微传感芯片及其制造方法 |
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