CN105548606B - 基于mems的柔性流速传感器的流速测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于MEMS的柔性流速传感器及其应用和制备方法，包括通过MEMS技术制备的：柔性衬底、支撑膜、绝缘保护层、环境测温热电阻、嵌入设置于绝缘保护层和支撑膜之间的加热热电阻和测温热电阻对，其中：柔性衬底、支撑膜和绝缘保护层依次相连，加热热电阻位于支撑膜中央，测温热电阻对的测温热电阻对称设置于加热热电阻的两侧，环境测温热电阻嵌入设置于柔性衬底和绝缘保护层之间，柔性衬底的底部设有隔热空腔；加热热电阻、三个测温热电阻对和环境测温热电阻构成四路热温差型和热损失型惠斯通电桥电路，对流速进行测量；本发明体积小，成本低，可用于具有复杂曲率的表面，并且具备极低流速到高流速的测速量程。

Description

基于MEMS的柔性流速传感器的流速测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种流速传感器领域的技术，具体是一种基于MEMS的柔性流速传感器及其应用和制备方法。
背景技术
流速的测量在工业生产、医疗卫生、环境监测等领域中都有需求，尤其在国防工业、航空航天领域应用广泛。因而提高流速测量的精度和量程具有重要意义。
传统的流速测量方法主要有杯形风速计、皮托管/压力传感器、热线/热膜热敏方法、超声波方法等。其中，热线/热膜热敏方法是一种简单、高效、可靠、易于小型化的流速测量方法。它利用热敏电阻线(膜)作为加热或热敏传感元件，外加电流或电压使得热线(膜)升温加热流体，流体流动时引起热敏元件的阻值变化，进而可推算出流体流速的大小。
传统的热线/热膜流速计是单个装配的，由铂或钨制成的细导线安装在支撑插脚上，制作复杂、成本高、加热功耗大，要形成测量流速分布的大阵列非常难。MEMS(MicroElectro Mechanical System，微机械系统)技术的发展使得热式MEMS流速传感器的尺寸小于1mm，尺寸的减小意味着惯性质量和热容的大幅度减小，使其更适合具有高频响应和超精细空间结构的高雷诺数湍流的测量。热式MEMS流速传感器的主要结构是在衬底上制作热线/热膜热敏电阻，具有结构简单、无活动部件、工艺过程易于控制、可批量微加工和成本低等优点。
热式MEMS流速传感器的工作原理有二：一是热损失原理，即通过测量流体流过时加热元件的热阻变化反映流速，并且能够测量高流速，低速时分辨率差，如风速计；二是热温差原理，即通过检测加热电阻周围的温度分布情况来检测流体速度，当流体流过加热体的时候，上游的温度下降会比下游的快，从而导致加热体附近热场发生变化，通过测量该温度差可以同时反映流速和流向，适于测极低风速，如热流量计。然而，现有的单一工作原理的MEMS流速传感器测量范围较小，无法在大量程内得到较高的精度测量。
现有的MEMS流速传感器多使用刚性衬底如硅、玻璃等，而实际流速测量应用中有各种非平面表面，如各种翼面、圆形管道面等，刚性衬底流速传感器的使用受到限制。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103592461A，公布日2014.2.19，公开了一种二维流速矢量传感器及其制作方法，包括基底，该基底上设有圆形的热敏电阻区域，该热敏电阻区域被均分为至少三个扇形区域，每一个该扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，以便该热敏电阻丝均匀分布在该扇形区域内。但该技术根据热温差原理进行测速，测量范围有限。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于MEMS的柔性流速传感器及其应用和制备方法，流速传感器采用MEMS技术制作在柔性材料衬底上，传感部分主要包括加热热电阻、三对测温热电阻和环境测温热电阻，同时应用热损失和热温差两种工作原理，实现宽量程的精确流速测量，并可安装于曲面。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于MEMS的柔性流速传感器，包括：柔性衬底、支撑膜、绝缘保护层、环境测温热电阻、嵌入设置于绝缘保护层和支撑膜之间的加热热电阻和测温热电阻对，其中：柔性衬底、支撑膜和绝缘保护层依次相连，加热热电阻位于支撑膜中央，测温热电阻对的测温热电阻对称设置于加热热电阻的两侧，环境测温热电阻嵌入设置于柔性衬底和绝缘保护层之间。
所述的柔性衬底的底部设有隔热空腔。
所述的支撑膜对应设置于隔热空腔上方。
所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻通过对应的引线和引脚与外界相连。
所述的引脚设置于所述柔性传感器敏感面的背面一侧。
所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻为迂回线状结构。
所述的迂回线状结构的线宽小于等于10μm。
所述的测温热电阻共有三对。
所述的环境测温热电阻的阻值大于等于加热热电阻阻值的2倍。
所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻采用双层薄膜金属材料，包括粘附层和热阻层。
所述的粘附层为铬(Cr)或钛(Ti)。
所述的热阻层为铂(Pt)。
所述的柔性衬底和支撑膜为柔性聚酰亚胺(PI)。
所述的绝缘保护层为聚合物薄膜材料或无机物薄膜材料。
所述的聚合物薄膜材料包括但不限于：聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)或苯并环丁烯(BCB)。
所述的聚合物薄膜材料的厚度小于等于5μm。
所述的无机物薄膜采用但不限于：氮化硅(Si3N4)、氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)制成。
所述的无机物薄膜材料的厚度小于等于1μm。
所述的引线和引脚采用但不限于：金属镍(Ni)、铜(Cu)或铝(Al)制成。
本发明涉及一种应用上述柔性传感器的流速测量方法，包括：
步骤1、每对测温热电阻与两个外部电路精确电阻构成热温差型惠斯通电桥电路，三对测温热电阻构成对应的三路热温差型惠斯通电桥电路；所述的加热热电阻、环境测温热电阻和三个外接电阻构成一路热损失型惠斯通电桥电路。
步骤2、热温差型惠斯通电桥电路与热损失型惠斯通电桥电路并行测量未知流速，产生的四路流速模拟信号分别依次经过滤波、放大和模数转换(ADC)后形成对应的流速数字信号，并传递到数字处理单元。
步骤3、数字处理单元根据已标定的流速数据列表记录的流速测量信号的饱和点，自动在多路量程信号间切换并无缝生成单输出流速信号。
所述的切换是指：数字处理单元通过运行相应的程序确定热温差型惠斯通电桥电路可测的各段流速量程大小，并确定可测得的最大流速值；当测量的流速超过最大流速时，切换到热损失型惠斯通电桥电路以输出高速信号。
所述的数字处理单元包括微控制器和存储器。
所述的微控制器包括但不限于：ARM、DSP或FPGA。
所述的流速数据列表是指：测量前对四路信号进行流速的输入-输出标定，获得关联流速大小的四路惠斯通电桥电路输出信号形成流速数据列表。
所述的切换是指：数字处理单元通过运行相应的程序确定热温差型惠斯通电桥电路可测的各段流速量程大小，并确定可测得的最大流速值；当测量的流速超过最大流速时，切换到热损失型惠斯通电桥电路以输出流速信号。
所述的三路热温差型惠斯通电桥电路用于极低流速到中等流速的测量，测量的流速范围为10-2～101m/s。
所述的一路热损失型惠斯通电桥电路采用恒温差控制方法，用于高流速的测量，测量的流速范围为101～102m/s。
本发明涉及上述柔性流速传感器的制备方法，包括：
S001：制备过渡层。
S002：在过渡层上旋涂绝缘保护层并高温固化。
S003：在绝缘保护层上气相沉积Cr/Pt薄膜，并用光刻胶作掩膜，干法刻蚀热电阻金属图形。
S004：在得到热电阻金属图形的Cr/Pt薄膜上沉积金属种子层并光刻，电镀金属Cu或 Ni，得到引线和引脚。
S005：干法刻蚀去除金属种子层，并旋涂聚酰亚胺支撑膜并高温固化。
S006：在聚酰亚胺支撑膜上沉积金属阻挡层薄膜，光刻并刻蚀图形化，获得隔热空腔对应底部位置的金属阻挡层图形。
S007：在金属阻挡层薄膜上旋涂聚酰亚胺柔性衬底，并高温固化。
S008：在聚酰亚胺柔性衬底上沉积金属掩膜层薄膜，光刻刻蚀金属掩膜层开窗口，反应离子干法刻蚀聚酰亚胺柔性衬底至金属阻挡层，获得隔热空腔。
所述的金属掩膜层为Cr、Ti或Cu。
S009：湿法刻蚀去除金属阻挡层及金属掩膜层，从过渡层上释放聚酰亚胺柔性衬底。
所述的过渡层为硅橡胶PDMS膜或金属膜牺牲层。
所述的硅橡胶PDMS膜通过以下方法制备：配制预聚体与固化剂质量比为5:1的PDMS 预聚物液体，旋涂在玻璃基底晶圆片上，60℃烘箱烘3h，得到厚度为50～100μm的硅橡胶PDMS 膜。
所述的S009中，当过渡层为硅橡胶PDMS膜时，采用无水酒精溶液浸泡释放聚酰亚胺柔性衬底；当过渡层为金属膜牺牲层时，采用湿法腐蚀牺牲层金属释放聚酰亚胺柔性衬底。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过在柔性聚酰亚胺衬底上集成热损失和热温差两种工作原理，获得多路极低流速到高流速的测量信号，具有显著扩展的流速精确测量的量程，并且能够安装于具有复杂曲率的表面，体积小，成本低，抗冲击能力强。
附图说明
图1为柔性流速传感器示意图；
图2为柔性流速传感器剖面图；
图3为图1中A区放大示意图；
图4为热温差型惠斯通电桥电路示意图；
图5为热损失型惠斯通电桥电路示意图；
图6为柔性流速传感器应用时的工作流程图；
图中：1为柔性衬底，2为加热热电阻，3为测温热电阻对，4为环境测温热电阻，5为引线，6为引脚，7为绝缘保护层，8为支撑膜，9为隔热空腔。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1～3所示，本实施例包括：引线5、引脚6、柔性衬底1、支撑膜8、绝缘保护层 7、环境测温热电阻4、嵌入设置于绝缘保护层7和支撑膜8之间的加热热电阻2和测温热电阻对3，其中：柔性衬底1、支撑膜8和绝缘保护层7依次相连，加热热电阻2位于支撑膜8 中央；测温热电阻对3的测温热电阻对称设置于加热热电阻2的两侧，环境测温热电阻4嵌入设置于柔性衬底1和绝缘保护层7之间；环境测温热电阻4及其对应的引线5和引脚6、加热热电阻2、测温热电阻对三对应的引线5和引脚6位于隔热空腔外围。
所述的环境测温热电阻4、加热热电阻2和测温热电阻为迂回线状结构，在一定的敏感区域内增大了相应的热电阻的阻值，以提高测量灵敏度和分辨率。
所述的迂回线状结构的线宽小于等于10μm。
所述的环境测温热电阻4的阻值大于等于加热热电阻2阻值的2倍。
所述的环境测温热电阻4作为参考电阻，用于监测环境温度的变化，并作为加热热电阻 2恒温控制时的温度补偿。
所述的测温热电阻对3设置有三对：(3a,3b)、(3c,3d)和(3e,3f)，并根据流速方向分别定义为上游热电阻3a、3c、3e以及下游热电阻3b、3d和3f。
所述的引脚6布置于所述柔性流速传感器的敏感面的背面一侧，避免了引脚6与电路间的引线5对敏感面流速场分布的影响。
所述的环境测温热电阻4、加热热电阻2和测温热电阻采用双层薄膜金属材料。
所述的双层薄膜金属材料包括：粘附层铬(Cr)或钛(Ti)和热阻层铂(Pt)。
所述的热阻层金属铂(Pt)具有较高的热阻系数(3000～8000ppm/℃)和线性度，易于微加工，工作时化学稳定性好。
所述的柔性衬底1和支撑膜8为柔性聚酰亚胺(PI)材料。
所述的聚酰亚胺的热导率很小，如Kapton聚酰亚胺的热导率为0.12W/m.K，而硅为150W/m.K；并且存在隔热空腔9，使得散失到柔性衬底1的热量相对于传统的硅衬底大大减小，从而大大提高了流速传感器测量量程和灵敏度。
所述的绝缘保护层7为聚酰亚胺材料，保护传感元件免受流体中颗粒的影响。
所述的绝缘保护层7的厚度小于等于5μm。
所述的引线5和引脚6的材料为金属铜(Cu)或镍(Ni)。
如图4～6所示，本实施例涉及应用上述柔性流速传感器的流速测量方法，包括以下步骤：
步骤1、如图4所示，每对测温热电阻的上游热电阻Ru和下游热电阻Rd分别与两个外部电路精确电阻R1、R2构成热温差型惠斯通电桥差动输出电路的两个支路，三个测温热电阻对 3构成对应的三路热温差型惠斯通电桥电路；如图5所示，所述的加热热电阻Rh、环境测温热电阻Rf和三个外接电阻Ra、Rb、Rc构成热损失型惠斯通电桥电路，相连的加热热电阻Rh和外接电阻Ra构成惠斯通电桥电路的一个支路，环境测温热电阻Rf与外接电阻Rb、Rc构成惠斯通电桥电路的另一个支路。
为满足电桥平衡，加热热电阻Rh的工作温度Th可设置为高出环境测温热电阻Rf的工作温度50～300℃。
所述的加热热电阻Rh的工作温度Th值根据外接可调电阻Rc和外接电阻比Ra/Rb确定。
对于热温差型惠斯通电桥电路，无流速时，同一测温热电阻对3的上游热电阻Ru和下游热电阻Rd的温度差ΔT为0，测温热电阻与加热热电阻2的距离越小，测温热电阻的温度越高；有流速时，同一测温热电阻对3的上游热电阻Ru和下游热电阻Rd的冷却速度不同，两者温差变大，从而两个支路间输出的电势差V12变化，进而根据放大后电势差V0的大小计算出流速v，根据电势差的正负判定流速v的方向。
根据热学理论分析可知，上游热电阻Ru和下游热电阻Rd的温度差ΔT与流速v的关系为：
ΔT＝Td-Tu＝Th[exp(λ2ld)-exp(λ1lu)]，其中：Tu、Td、Th分别为上游热电阻Ru温度、下游热电阻Rd温度和加热热电阻Rh温度，D为流体的热传导系数，lu为上游热电阻Ru与加热热电阻Rh的距离，ld为下游热电阻Rd与加热热电阻Rh的距离，λ12为特征值，g为传感器敏感面与其流速场上方壁面之间距离平方的倒数。
对于热损失型惠斯通电桥电路，加热热电阻2的热量由外加电源提供，当流速v较大时热量主要通过流体强迫对流带走，根据King公式可得：
其中：为施加给加热热电阻2的电功率，A*(Th-Tf)为流失到柔性衬底1的热量，B*(Th-Tf)为空气带走的热量，Th为加热热电阻2的工作温度，Tf为环境温度即流体温度，A、B为流速传感器结构有关的参数。
由于流速传感器工作模式为恒温差模式，即Th-Tf恒定，且加热热电阻2的阻值Rh不变，即加热热电阻2的电流Ih和流速v的大小一一对应。当流失到柔性衬底1的热量越小，流速传感器的灵敏度越高。
由于环境温度变化会对恒温差测量结果产生影响，根据环境温度测量电阻4的温度测量值可对敏感电路进行温度补偿；所述的环境测温热电阻4的阻值Rf大于等于加热热电阻2阻值 Rh的2倍，以降低加热控制电路的功耗。
所述的热损失型惠斯通电桥电路采用恒温差反馈控制方法使加热热电阻2的工作温度 Th相对环境温度Tf保持恒定的温度差：当有流体流过时，加热热电阻2的热量被带走，使得阻值Rh变小，因而放大器的输入电压差E12和输出电压E0变大，使得流过加热热电阻2的电流Ih增大进而加热，使得阻值Rh再次增大。通过测得的加热热电阻2的工作电流Ih或电压，就可实现流速v的测量。
步骤2、三路热温差型惠斯通电桥电路(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)与一路热损失型惠斯通电桥电路并行测量，产生的3+1共四路流速模拟信号分别依次经过滤波、放大和模数转换(ADC)后形成对应的流速数字信号，并传递到数字处理单元。
步骤3、数字处理单元根据已标定的流速数据列表记录的速度测量饱和值，自动在四路量程信号间切换并无缝生成单输出流速信号。
所述的切换是指：数字处理单元通过运行相应的程序确定三路热温差型惠斯通电桥电路可测的三段流速量程大小，并确定可测得的最大值；当测量的流速超过最大值时，切换到热损失型惠斯通电桥电路以输出流速信号。
所述的数字处理单元包括微控制器和存储器。
所述的微控制器包括但不限于：ARM、DSP或FPGA。
所述的流速数据列表是指：测量前对四路信号进行流速的输入-输出标定，获得关联流速大小的四路惠斯通电桥电路输出信号形成的流速数据列表。
所述的传感器流速数据列表存储在存储器中。
所述的微控制器选通相应量程的测温热电阻所在的惠斯通电桥电路输出流速测量信号。
所述的三路热温差型惠斯通电桥电路用于极低流速到中等流速的测量，测量的流速范围为10-2～101m/s。
所述的热损失型惠斯通电桥电路采用恒温差控制方法，用于高流速的测量，测量的流速范围为101～102m/s。
所述的上游电阻和下游电阻构成的惠斯通电桥差动放大电路具有很好的环境噪声共模抑制，可以精确测量极低流速。
与所述的加热热电阻2距离不等的测温热电阻对流速v的测量灵敏度和测量范围不同。对于固定的测温热电阻与加热热电阻2的距离，存在速度测量饱和值，只有当流速v低于该饱和值时，电桥电势差V12可随流速v的大小成比例变化；测温热电阻距离加热热电阻2越远，速度测量饱和值越小，但灵敏度不高。本实施例中三个测温热电阻对3可兼顾流速测量的量程和灵敏度。
本实施例的宽量程流速测量范围为10-2～102m/s。
本实施例涉及所述基于MEMS的柔性流速传感器的制备方法，采用MEMS微加工艺进行制备，包括以下步骤：
S001：制备过渡层。
所述的过渡层位于基底晶圆片与柔性衬底之间，为硅橡胶PDMS膜或金属膜牺牲层。
所述的金属膜牺牲层为气相沉积的铝膜、铜膜或钛膜。
所述的金属膜牺牲层厚度为100～500nm。
所述的硅橡胶PDMS膜的制备包括：配制预聚体与固化剂质量比为5:1的PDMS预聚物液体，旋涂在玻璃基底晶圆片上，60℃烘箱烘3h，得到厚度为50～100μm的硅橡胶PDMS膜。
S002：在金属膜牺牲层或硅橡胶PDMS膜上旋涂聚酰亚胺绝缘保护层7并高温固化。
所述的聚酰亚胺绝缘保护层7的厚度小于5μm。
S003：在聚酰亚胺绝缘保护层上气相沉积Cr/Pt薄膜，并用光刻胶作掩膜，干法刻蚀热电阻金属图形。
所述的Cr/Pt薄膜的厚度为300nm。
S004：在得到热电阻金属图形的Cr/Pt薄膜上沉积金属种子层并光刻，电镀金属Cu或 Ni，得到引线和引脚。
所述的金属种子层为Cr/Cu。
S005：干法刻蚀去除金属种子层，并旋涂聚酰亚胺支撑膜8并高温固化。
所述的支撑膜8的厚度小于10μm。
S006：在聚酰亚胺支撑膜8上沉积金属阻挡层薄膜，光刻并刻蚀图形化，获得隔热空腔对应底部位置的金属阻挡层图形。
所述的金属阻挡层为Cr、Ti或Cu。
S007：在金属阻挡层薄膜上旋涂聚酰亚胺柔性衬底1，并高温固化。
所述的聚酰亚胺柔性衬底1的厚度小于20μm。
S008：在聚酰亚胺柔性衬底1上沉积金属掩膜层薄膜，光刻刻蚀金属掩膜层开窗口，反应离子干法刻蚀聚酰亚胺柔性衬底1至金属阻挡层，获得隔热空腔9。
所述的金属掩膜层为Cr、Ti或Cu。
S009：湿法刻蚀去除金属阻挡层及金属掩膜层，从过渡层上释放聚酰亚胺柔性衬底1。
当过渡层为硅橡胶PDMS膜时，采用无水酒精溶液浸泡释放聚酰亚胺柔性衬底1。
当过渡层为金属膜牺牲层时，采用湿法腐蚀牺牲层金属释放聚酰亚胺柔性衬底1。

Claims (6)

1.一种基于MEMS的柔性流速传感器的流速测量方法，其特征在于，所述的柔性流速传感器包括：柔性衬底、支撑膜、绝缘保护层、环境测温热电阻、嵌入设置于绝缘保护层和支撑膜之间的加热热电阻和测温热电阻对，其中：柔性衬底、支撑膜和绝缘保护层依次相连，加热热电阻位于支撑膜中央，测温热电阻对的测温热电阻对称设置于加热热电阻的两侧，环境测温热电阻嵌入设置于柔性衬底和绝缘保护层之间；
所述的流速测量方法，包括：
步骤1、每个所述的测温热电阻对与两个外部电路精确电阻构成热温差型惠斯通电桥电路，三对所述的测温热电阻对共构成相应的三路热温差型惠斯通电桥电路；所述的加热热电阻、环境测温热电阻和三个外接电阻构成一路热损失型惠斯通电桥电路；
步骤2、热温差型惠斯通电桥电路与热损失型惠斯通电桥电路并行测量，产生的四路流速模拟信号分别依次经过滤波、放大和模数转换后形成对应的流速数字信号，并传递到数字处理单元；
步骤3、数字处理单元根据已标定的流速数据列表记录的流速测量信号的饱和点，自动在多路量程信号间切换并无缝生成单输出流速信号；
所述的切换是指：数字处理单元通过运行相应的程序确定热温差型惠斯通电桥电路可测的各段流速量程大小，并确定可测得的最大流速值；当测量的流速超过最大流速时，切换到热损失型惠斯通电桥电路以输出高速信号；
所述的流速数据列表是指：测量前对四路信号进行流速的输入-输出标定，获得关联流速大小的四路惠斯通电桥电路输出信号形成的流速数据列表。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的柔性衬底的底部设有隔热空腔，所述的支撑膜对应设置于隔热空腔上方。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的测温热电阻为三对。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻为迂回线状结构，且迂回线的线宽小于等于10μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的环境测温热电阻的阻值大于等于加热热电阻阻值的2倍。
6.根据权利要求1所述的流速测量方法，其特征是，所述的热温差型惠斯通电桥电路测量的流速范围为10-2～101m/s；所述的热损失型惠斯通电桥电路测量的流速范围为101～102m/s。
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