CN106370247A - 一种基于聚合物的流量传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于聚合物的流量传感器及其制备方法，属于流量传感器技术领域。自下而上依次为支撑层、柔性衬底、薄膜电阻层、柔性覆盖层，所述薄膜电阻层包括加热电阻、下风向测量电阻和上风向测量电阻，所述支撑层面向柔性衬底的一面开有凹槽，凹槽位于加热电阻、下风向测量电阻和上风向测量电阻的正下方。本发明流量传感器采用柔性衬底作为载体，通过位于衬底下方的带凹槽的支撑层减小热传导，柔性衬底作为流量传感器的载体，可有效提高传感器表面薄膜结构的强度，不易破碎塌陷，且耐低温、耐酸，大大提高了流量传感器的适用范围；本发明流量传感器采用聚合物支撑层代替传统的硅基板，省略了氮化硅的生长与刻蚀等过程，减小了工艺难度和成本。

Description

一种基于聚合物的流量传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于流量传感器技术领域，具体涉及一种基于聚合物的流量传感器及其制备方法。

背景技术

流量传感器已广泛应用于汽车发动机、石油天然气以及医疗设备中气体流量的测量，随着智能化发展的趋势，对新型的流量传感器的需求将越来越迫切。热膜式微型流量传感器是一种量热式传感器，是目前国际上最先进的气体流量检测技术，它是根据托马斯提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比”的理论，利用外热源对传感器探头加热，气体流动时会带走一部分热量使探头温度改变，通过测量因气体流动而造成的温度变化来反应气体的质量流量。

传统的热膜式微型流量传感器包括基底、环境温度测试电阻、加热电阻和一对以加热电阻为中心对称分布的测温电阻，如图1所示。其测量气体流量的原理为：基底上的加热电阻通电流加热，当气体流道中没有气体通过时，在加热电阻两侧的温度场呈对称分布，对称分布的两个测温电阻的温度相等，传感器的输出为零，即气体流量为零；当气体以一定的流速流过时，由于气体和测温电阻、加热电阻之间发生强迫对流换热导致加热电阻两侧的温度平衡被破坏，两个测温电阻的温度变得不同，加热电阻上游的测温电阻被气体冷却其温度下降电阻下降，而下游的测温电阻被气体加热温度上升使电阻上升，从而使得上下游测温电阻之间产生电阻差，电阻差的大小和气体的流速呈正相关关系，通过测量测温电阻的差值即可得出气体的流量。

流量传感器是以流体对温度场的改变为依据来实现测量的，所以，传感器向流体外的其他介质的热传递越小越好。为了减小热传递，通常采用导热系数很小的空气作为绝缘介质，使传感器悬浮起来，可有效减小热量向衬底的热传导。目前，流量传感器通常采用硅作为基底，表面生长氮化硅作为绝缘层，并且为了实现较好的绝热性能，需要将衬底镂空，如图1所示。然而，衬底的镂空步骤十分复杂，首先在基底两面用等离子体增强化学气相沉积法生长300nm的氮化硅薄膜；然后在其中一面旋涂光刻胶，光刻出窗口，采用等离子体刻蚀通过光刻胶的窗口刻蚀掉氮化硅，再用KOH溶液在80℃的环境下刻蚀硅，使其镂空。在此过程中，需要多次刻蚀工艺才能达到较好的绝热性，但无论是生长氮化硅还是刻蚀氮化硅，都具有加工难度高、成本高等问题；且该结构中采用氮化硅薄膜作为支撑薄膜，降低了流量传感器的强度，只能检测压力很低的流体，且器件易碎，镂空部位易塌陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构强度高、工艺成本低、适用范围广的基于聚合物的流量传感器及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于聚合物的流量传感器，自下而上依次为支撑层4、柔性衬底3、薄膜电阻层2、柔性覆盖层1，所述薄膜电阻层2包括加热电阻5、下风向测量电阻6和上风向测量电阻7，所述支撑层4面向柔性衬底的一面开有凹槽，凹槽位于加热电阻5、下风向测量电阻6和上风向测量电阻7的正下方。

进一步地，所述薄膜电阻层2包括加热电阻5、下风向测量电阻6、上风向测量电阻7和环境电阻8。

进一步地，所述支撑层面向柔性衬底的一面开有凹槽，凹槽仅位于加热电阻5正下方。

进一步地，所述加热电阻5的阻值为80-120Ω，下风向测量电阻6的阻值为900-1100Ω，上风向测量电阻7的阻值为900-1100Ω，环境电阻8的阻值为1200-1400Ω。

进一步地，所述支撑层4的材料为聚亚苯基硫醚、聚丙烯等，是经过塑化成型得到的带凹槽的长方体。

进一步地，所述柔性衬底3为热导率低的柔性高分子材料，具体为聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯等，厚度为100-300μm。

进一步地，所述薄膜电阻的材料为Pt、Ni、Cu等，其厚度为100-200nm。

进一步地，所述柔性覆盖层1为派瑞林、聚乙烯、聚酰亚胺等，厚度为50-100μm，用于封装器件，阻挡外界对流量传感器的污染和破坏。

一种基于聚合物的流量传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、柔性衬底的表面处理：选择热导率低的柔性高分子材料作为衬底，先后采用丙酮、乙醇和去离子水对柔性衬底的表面进行清洗，而后对柔性衬底进行离子束轰击清洗，清洗后置于氮气气氛下干燥；

步骤2、在柔性衬底上溅射形成薄膜电阻层2：将步骤1处理后的柔性衬底采用薄膜电阻层图形的掩膜版作为掩膜，采用直流溅射的方法在其上沉积薄膜电阻的材料，得到薄膜电阻层2；

步骤3、支撑层的制备：通过注射成型工艺，将熔融的聚亚苯基硫醚或聚丙烯等在柱塞或螺杆推力作用下推入模具，冷却后得到带凹槽的支撑层；

步骤4、在支撑层带凹槽的一面上依次粘贴步骤2处理后得到的结构和柔性覆盖层，其中，支撑层的凹槽面对柔性衬底，即可得到本发明流量传感器。

本发明的有益效果为：

本发明流量传感器采用柔性衬底作为载体，通过位于衬底下方的带凹槽的支撑层减小热传导，柔性衬底作为流量传感器的载体，可有效提高传感器表面薄膜结构的强度，不易破碎塌陷，且耐低温、耐酸，大大提高了流量传感器的适用范围；本发明流量传感器仅在加热电阻或者在加热电阻、下风向测量电阻和上风向测量电阻正下方设置凹槽，传感器的大部分结构均采用支撑层支撑，不易破碎塌陷，结构强度高；本发明流量传感器采用聚合物支撑层代替传统的硅基板，省略了氮化硅的生长与刻蚀等过程，减小了工艺难度和成本；本发明流量传感器的制备方法简单，成品率高，易于实现大规模批量化生产。

附图说明

图1为现有的流量传感器的结构示意图；

图2为本发明提供的基于聚合物的流量传感器的结构示意图；其中，1为柔性覆盖层，2为薄膜电阻层，3为柔性衬底，4为支撑层；

图3为实施例的基于聚合物的流量传感器的俯视图；其中，5为加热电阻，6为下风向测量电阻，7为上风向测量电阻，8为环境电阻；

图4为本发明提供的基于聚合物的流量传感器的剖视图，9为支撑层中的凹槽部分。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

如图2、图3所示，为本发明提供的一种基于聚合物的流量传感器的一种实施例，包括柔性衬底3，溅射沉积于柔性衬底3一面的薄膜电阻层2，用于支撑柔性衬底并隔热的支撑层4，用于封装保护传感器的柔性覆盖层1，所述薄膜电阻层2包括加热电阻5、下风向测量电阻6、上风向测量电阻7和环境电阻8，所述支撑层4面向柔性衬底的一面开有凹槽，凹槽仅位于加热电阻的正下方，即仅在加热电阻正下方设置凹槽。

本实施例中，所述柔性衬底3的材料是聚酰亚胺，厚度为200μm。

本实施例中，所述加热电阻5、下风向测量电阻6、上风向测量电阻7和环境电阻8的材料为Pt，厚度为150nm。

本实施例中，柔性覆盖层1为聚酰亚胺，厚度为50μm。

本实施例中，所述支撑层为注射成型工艺形成的带凹槽的聚丙烯，长*宽*高＝40mm×20mm×4mm。

本实施例所述的基于聚合物的流量传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、先后采用丙酮、乙醇和去离子水对柔性衬底3的表面进行清洗，而后对柔性衬底3进行离子束轰击清洗，清洗后置于氮气气氛下干燥；

步骤2、在柔性衬底上溅射形成薄膜电阻层2：将步骤1处理后的柔性衬底3的一面与带薄膜电阻层2图形的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具固定，置于真空度为6.0×10^-4Pa的真空环境中，以Pt为靶材，通入纯度为99.999％(体积百分比)的氩气作为溅射介质，溅射气压为0.4Pa、溅射功率为100W，采用直流溅射的方法将Pt沉积在柔性衬底3有掩膜的一面，沉积厚度为150nm，得到图形化的薄膜电阻层；得到的加热电阻5的阻值为100Ω，下风向测量电阻6的阻值为1000Ω，上风向测量电阻7的阻值为1000Ω，环境电阻8的阻值为1300Ω；

步骤3、在步骤2得到的薄膜电阻层上采用旋涂法形成聚酰亚胺柔性覆盖层，旋涂转速为3000r/min，烘干温度为100℃，烘干时间为1min；

步骤4、将聚丙烯粉体加入注射机机筒内，进行加热、压实、混合，使其由松散的粉体或粒状固体变为连续的均化熔体，将熔体在柱塞或螺杆推力作用下进入模具，冷却后脱模，形成带凹槽的支撑层，其中，凹槽仅位于加热电阻的正下方；

步骤5、将步骤3得到的结构与步骤4形成的支撑层粘接固定，支撑层的凹槽面对柔性衬底，即可得到本发明所述基于聚合物的流量传感器。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求范围内做出各种变形或修改，并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于聚合物的流量传感器，自下而上依次为支撑层(4)、柔性衬底(3)、薄膜电阻层(2)、柔性覆盖层(1)，所述薄膜电阻层(2)包括加热电阻(5)、下风向测量电阻(6)和上风向测量电阻(7)，所述支撑层(4)面向柔性衬底的一面开有凹槽，凹槽位于加热电阻(5)、下风向测量电阻(6)和上风向测量电阻(7)的正下方。

2.根据权利要求1所述的基于聚合物的流量传感器，其特征在于，所述薄膜电阻层(2)包括加热电阻(5)、下风向测量电阻(6)、上风向测量电阻(7)和环境电阻(8)。

3.根据权利要求1所述的基于聚合物的流量传感器，其特征在于，所述支撑层面向柔性衬底的一面开有凹槽(9)，凹槽仅位于加热电阻(5)正下方。

4.根据权利要求1所述的基于聚合物的流量传感器，其特征在于，所述加热电阻(5)的阻值为80-120Ω，下风向测量电阻(6)的阻值为900-1100Ω，上风向测量电阻(7)的阻值为900-1100Ω，环境电阻(8)的阻值为1200-1400Ω。

5.根据权利要求1所述的基于聚合物的流量传感器，其特征在于，所述支撑层的材料为聚亚苯基硫醚或聚丙烯，是经过塑化成型得到的带凹槽的长方体。

6.根据权利要求1所述的基于聚合物的流量传感器，其特征在于，所述柔性衬底(3)为热导率低的柔性高分子材料，具体为聚酰亚胺、聚偏氟乙烯或聚萘二甲酸乙二醇酯，厚度为100-300μm。

7.根据权利要求1所述的基于聚合物的流量传感器，其特征在于，所述薄膜电阻的材料为Pt、Ni或Cu，其厚度为100-200nm。

8.根据权利要求1所述的基于聚合物的流量传感器，其特征在于，所述柔性覆盖层的材料为派瑞林、聚乙烯或聚酰亚胺，厚度为50-100μm。

9.一种基于聚合物的流量传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、柔性衬底的表面处理：选择热导率低的柔性高分子材料作为衬底，先后采用丙酮、乙醇和去离子水对柔性衬底的表面进行清洗，而后对柔性衬底进行离子束轰击清洗，清洗后置于氮气气氛下干燥；

步骤2、在柔性衬底上溅射形成薄膜电阻层：将步骤1处理后的柔性衬底采用薄膜电阻层图形的掩膜版作为掩膜，采用直流溅射的方法在其上沉积薄膜电阻的材料，得到薄膜电阻层；

步骤3、支撑层的制备：通过注射成型工艺得到带凹槽的支撑层；

步骤4、在支撑层带凹槽的一面上依次粘贴步骤2处理后得到的结构和柔性覆盖层，其中，支撑层的凹槽面对柔性衬底，即可得到本发明流量传感器。