CN107643421A - 基于mems的流速传感器、流速测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS的流速传感器、流速测量电路及流速测量方法，所述流速传感器包括芯片基底层、第一保护层、第二保护层、测流元件和感温元件，其中：所述芯片基底层、第二保护层和第一保护层依次堆叠，所述测流元件和所述感温元件均设置于所述第一保护层或第二保护层中，所述测流元件包括电阻值与温度成正相关关系的第一热电阻。本发明提供的流速传感器可以应用于小微流量的流体流速测量，且具有精度高、成本低的有益效果。

Description

基于MEMS的流速传感器、流速测量电路及方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体地涉及一种基于MEMS的流速传感器、流速测量电路及方法。

背景技术

在小微流量计领域中，霍尔式流量计等传统机械式流量计占据绝大多数比例。霍尔式流量计是一种利用霍尔效应来检测流速的流量计。其原理是：叶轮在流体推动下旋转，带动螺杆旋转，使磁系统产生上下移动，流速越高则磁系统位移量越大；使用霍尔元件检出位移量即可获得流速数据，之后霍尔元件将流量数据发送到微处理器进行处理。

霍尔式流量计具有10～20％的较大误差，精度较低，且精度受进出管径影响大。此外，小于0.3L/min的微流条件下霍尔式流量计效果不佳。

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)是微电子技术与机械工程技术的结合，是毫米甚至微米尺寸级别上的电子机械器件。与传统的机械流量计相比，MEMS流量计具有大量程、高可靠性、高精度等显著优势。目前，MEMS流量计主要用于工业与医疗上测量流体的流量，成本较高。

现有技术中的一种基于MEMS流量传感器的微流量监测设备，仅适用于气体的微流量测量。该MEMS流量传感器测量气体流量得到电压信号，并将该电压信号传送至微控制单元，由微控制单元对电压信号进行采样并转化为数字量，并将数字量封包呈数据包后将该数据包通过无线数据传输模块传输至用户设备。

该微流量监测设备模块数量多、结构复杂、成本较高且只能监测气体流量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于MEMS的流速传感器、流速测量电路及方法，以应用于小微流量的流体流速测量，并同时降低成本、提高精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于MEMS的流速传感器，所述流速传感器包括芯片基底层、第一保护层、第二保护层、测流元件和感温元件，其中：所述芯片基底层、第二保护层和第一保护层依次堆叠，所述测流元件和所述感温元件均设于所述第一保护层或第二保护层中，所述测流元件包括电阻值与温度成正相关关系的第一热电阻。

上述方案中，所述测流元件和所述感温元件沿着所述流速传感器的长度方向排列，或者，所述测流元件和所述感温元件沿着所述流速传感器的宽度方向排列。

上述方案中，所述感温元件包括电阻值与温度成正相关关系的第二热电阻，所述感温元件的电阻值与所述测流元件的电阻值之比大于5。

上述方案中，所述第一热电阻包括以下任一种：金、铜、铂或镍；和/或，所述第二热电阻包括以下任一种：金、铜、铂或镍。

上述方案中，所述测流元件上附着有以下任一种粘附层：钛粘附层、铬粘附层、镍粘附层或钛钨合金粘附层；和/或，所述感温元件上附着有以下任一种粘附层：钛粘附层、铬粘附层、镍粘附层或钛钨合金粘附层。

上述方案中，所述芯片基底层中设置有空腔，所述空腔位于所述芯片基底层的位置与所述测流元件位于所述所述第一保护层或所述第二保护层中的位置相对应；和/或，所述芯片基底层的材质为以下任一种：氮化镓、砷化镓、石英、硅、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；和/或，所述第一保护层的材质为以下任一种：聚对二甲苯、二氧化硅、氧化铝、氮化硅或SU-8光刻胶；和/或，所述第二保护层的材质为以下任一种：聚酰亚胺、氮化硅、二氧化硅或氧化铪。

上述方案中，所述测流元件为迂回的线状结构；和/或，所述感温元件为迂回的线状结构。

上述方案中，所述流速传感器还包括设置于所述第一保护层或所述第二保护层的电极元件，所述电极元件与所述测流元件和/或所述感温元件电连接；所述第一保护层包括所述电极元件的引出孔。

上述方案中，所述电极元件为第一热电阻，或者，所述电极元件为第二热电阻。

本发明提供一种应用上述技术方案中的基于MEMS的流速传感器的流速测量电路，所述测量电路包括负反馈电路、数据处理系统以及两个外部电路精确电阻，其中：所述测流元件、所述感温元件与所述两个外部电路精确电阻构成惠斯通电桥电路；所述负反馈电路连接在所述惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间；所述惠斯通电桥电路的输出端与所述数据处理系统连接。所述数据处理系统系统包括模数转换器、微控制器及其从属电路；或者，所述数据处理系统包括带有模数转换器的微控制器及其从属电路。所述微控制器包括ARM系列或C8051系列。

上述方案中，所述负反馈电路包括运算放大器、三极管和稳压电路，其中：所述惠斯通电桥电路的输出端与所述运算放大器的输入端连接；所述三极管的基极与所述运算放大器的输出端连接；所述三极管的集电极与所述稳压电路连接；所述三极管的发射极与所述惠斯通电桥电路的输入端连接。

本发明提供一种应用上述技术方案中的基于MEMS的流速传感器的流速测量方法，所述流速测量方法包括：所述测流元件、所述感温元件与两个外部电路精确电阻构成惠斯通电桥电路；在所述惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间连接负反馈电路；根据所述惠斯通电桥电路的输出信号确定流体的流量。

上述方案中，在所述惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间连接负反馈电路，包括：将所述惠斯通电桥电路的输出信号输入到运算放大器的输入端；将所述运算放大器的输出端连接三极管的基极，驱动所述三极管向所述惠斯通电桥电路的输入端提供负反馈；其中，所述三极管的电源由稳压电路提供，所述稳压电路由稳压元件及其附属电路构成或者直接使用直流电源。

本发明提供的基于MEMS的流速传感器、流速测量装置和方法中，传感器元件数量较少，元件排布合理，从而减少MEMS流速传感器整体面积，降低成本，以使MEMS流速传感器可以应用于更狭窄的空间。

此外，本发明提供的基于MEMS的流速传感器、流速测量装置和方法可以应用于小微流量的流体流速测量，且具有测量电路结构简单，测量精度高、成本低的有益效果。

附图说明

图1是本发明实施例一中的基于MEMS的流速传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例一中的流速传感器的截面图；

图3是本发明实施例二中的基于MEMS的流速传感器的结构示意图；

图4是本发明实施例二中的流速传感器的截面图；

图5是本发明实施例三中的流速测量电路的示意图。

附图标记说明：

1、第一电极元件；2、第二电极元件；3、第三电极元件；4、测流元件；5、感温元件；7、测流元件；8、感温元件；11、电源；12、稳压电路；13、惠斯通电桥电路；14、数据处理系统15、第一保护层；16、第二保护层；17、芯片基底层；18、空腔；19、空腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于MEMS的流速传感器包括芯片基底层17、第一保护层15、第二保护层16、测流元件7和感温元件8，其中：芯片基底层17、第二保护层16和第一保护层15依次堆叠而成，测流元件7和感温元件8均设置于第二保护层16中，测流元件7为电阻值与温度成正相关关系的第一热电阻，该第一热电阻可以为金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)或镍(Ni)，但并不局限于此。

如图1所示，流速传感器上沿着流速传感器的宽度方向由左及右依次排列第一电极元件1、第二电极元件2和第三电极元件3，沿着流速传感器的长度方向由上及下依次排列测流元件7和感温元件8。如图2所示，沿着流速传感器的高度方向由上及下依次堆叠第一保护层15、第二保护层16和芯片基底层17。由图1可知，测流元件和感温元件沿着流速传感器的长度方向排列。这种排列方式可使得元件排布更加紧凑从而进一步减少流速传感器面积、降低成本。

在本发明实施例中，感温元件8为电阻值与温度成正相关关系的第二热电阻，该第二热电阻可以为金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)或镍(Ni)，且并不局限于此。此外，感温元件8的电阻值与测流元件7的电阻值之比大于5。

具体地，如图1所示，测流元件7为迂回的线状结构，感温元件8为迂回的线状结构。

为适应极端温度产生的应力变化，测流元件7与感温元件8表面附着有一层粘附层，具体地，测流元件7上附着有粘附层，该粘附层可以为钛(Ti)粘附层、铬(Cr)粘附层、镍(Ni)粘附层或钛钨(TiW)合金粘附层，但不限于此，感温元件8上附着有粘附层，该粘附层可以为钛(Ti)粘附层、铬(Cr)粘附层、镍(Ni)粘附层或钛钨(TiW)合金粘附层，但不限于此。

芯片基底层用以支撑整个MEMS流速传感器，优选地，芯片基底层的材质可以为氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、石英(Quartz)、硅(Si)、聚酰亚胺(Polyimide)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。第二保护层用以支撑测流元件7与感温元件8并起到绝缘作用，优选地，第二保护层的材质可以为聚酰亚胺(Polyimide)、氮化硅(Si₃N₄)、二氧化硅(SiO₂)或氧化铪(HfO₂)。第一保护层用以保护测流元件7与感温元件8并起到绝缘作用，优选地，第一保护层的材质可以为聚对二甲苯(Parylene)、二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)或SU-8光刻胶。

此外，如图1和图2所示，此外，芯片基底层17中设置有空腔18，空腔18位于芯片基底层17的位置与测流元件7位于第一保护层15或第二保护层16中的位置相对应。

如图1所示，本发明实施例提供的基于MEMS的流速传感器包括可与流速传感器外部电路相连接的第一电极元件1、第二电极元件2和第三电极元件3，电极元件设置于第一保护层或第二保护层。其中，测流元件7的一端与第一电极元件1通过导线连接，测流元件7的另一端与第三电极元件3通过导线连接，感温元件8的一端与第二电极元件2通过导线连接，感温元件8的另一端与第三电极元件3通过导线连接。

第一电极元件1、第二电极元件2及第三电极元件3的材质为第一热电阻或第二热电阻。第一保护层包括电极元件的引出孔，以使电极元件与流速传感器的外部电路连接。

本发明实施例提供的基于MEMS的流速传感器的芯片大小为4.5mm*2.3mm，厚度0.2mm。

其中，芯片基底层厚度为50～2000um；第一保护层厚度为0.01～100um；第二保护层厚度为0.01～100um。

与现有技术相比，本发明实施例提供的流速传感器元件数量较少，元件排布合理，从而减少MEMS流速传感器整体面积，降低成本，以使MEMS流速传感器可以应用于更狭窄的空间。

此外，本发明提供的流速传感器可以应用于小微流量的流体流速测量，且精度较高。

实施例二

与实施例一基本相同，本发明实施例中，如图3和图4所示，本发明实施例提供的基于MEMS的流速传感器包括芯片基底层17、第一保护层15、第二保护层16、测流元件4和感温元件5，其中：芯片基底层17、第二保护层16和第一保护层15依次连接，测流元件4和感温元件5均设置于第二保护层16中，测流元件4为电阻值与温度成正相关关系的第一热电阻，该第一热电阻可以为金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)或镍(Ni)，但不限于此。感温元件5为电阻值与温度成正相关关系的第二热电阻，该第二热电阻可以为金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)或镍(Ni)，但不限于此。测流元件4为迂回的线状结构，感温元件5为迂回的线状结构。

此外，芯片基底层17中设置有空腔19，空腔19位于芯片基底层17的位置与测流元件4和感温元件5位于第一保护层15或第二保护层16中的位置相对应。

与实施例1不同，测流元件4和感温元件5沿着流速传感器的宽度方向排列。该设置可以降低测流元件因加热而产生对感温元件的影响，从而进一步提升精度。

本发明实施例提供的基于MEMS的流速传感器的芯片大小为4mm*3.2mm，厚度0.2mm。

其中，芯片基底层厚度为50～2000um；第一保护层厚度为0.01～100um；第二保护层厚度为0.01～100um。

与现有技术相比，本发明实施例提供的流速传感器元件数量较少，元件排布合理，从而减少MEMS流速传感器整体面积，降低成本，以使MEMS流速传感器可以应用于更狭窄的空间。

此外，测流元件4和感温元件5的排列方式可以降低测流元件因加热而产生对感温元件的影响，从而进一步提升精度。

实施例三

本发明实施例提供一种包含上述技术方案中的基于MEMS的流速传感器的流速测量电路，该测量电路包括负反馈电路、数据处理系统以及两个外部电路精确电阻，其中，如图5所示，以电阻R1代表的感温元件、以电阻R2代表的测流元件与两个外部电路精确电阻R3和R4构成惠斯通电桥电路13；负反馈电路连接在惠斯通电桥电路13的输出端与输入端之间；惠斯通电桥电路13的输出端与数据处理系统14连接。

具体地，负反馈电路包括运算放大器A1、三极管T1和稳压电路12，其中：惠斯通电桥电路13的输出端与运算放大器A1的输入端连接；三极管T1的基极与运算放大器A1的输出端连接；三极管T1的集电极与稳压电路12连接；三极管T1的发射极与惠斯通电桥电路13的输入端连接。

此时，连接惠斯通电桥电路的输出端的运算放大器用以驱动三极管进行负反馈，稳压电路包括稳压元件及其从属电路，用以提供负反馈所需电压，稳压电路也可以直接使用直流电源。

电源11为10～24V直流电源，其不仅为惠斯通电桥电路提供电源，还为稳压电路和数据处理系统供电。

数据处理系统系统可以由模数转换器、微控制器及其从属电路组成，也可以由带有模数转换器的微控制器及其从属电路组成。

该微控制器可以为ARM系列、C8051系列，但并不局限于此。

本发明实施例提供的流速测量电路的测量原理为：通过对测流元件通电加热，当流体流过测流元件，测流元件被冷却从而自身温度降低，测流元件的电阻随自身温度发生变化。当测流元件电阻发生变化时，该流速测量电路系统中的电桥平衡被破坏。

在负反馈电路的负反馈作用下，施加在测流元件上的电压会随之相应变化，因而惠斯通电桥电路输出的电压模拟信号随之变化。因为流体的流量大小与电压模拟信号的变化幅度呈正相关关系，所以通过检测电压模拟信号的变化即可测量流体的流量。同时感温元件可以感知水温变化从而起到温度补偿的作用。

本发明实施例提供的流速测量电路中，包含MEMS的流速传感器的惠斯通电桥电路用于测量流体的流量，并在负反馈电路的作用下根据流体的流量输出相应的电压模拟信号。

数据处理系统接收该电压模拟信号后，对电压模拟信号进行采样，将电压模拟信号转换成数字信号。数据处理系统系统还根据需求对数字信号进行进一步处理。

本发明实施例提供的流速测量电路包含上述技术方案中的基于MEMS的流速传感器，可以应用于小微流量的流体流速测量，且具有电路结构简单，测量精度高、成本低的有益效果。

实施例四

本发明实施例提供一种应用上述技术方案中的基于MEMS的流速传感器的流速测量方法，该方法包括：测流元件、感温元件与两个外部电路精确电阻构成惠斯通电桥电路；在惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间连接负反馈电路；根据惠斯通电桥电路的输出信号确定流体的流量。

具体地，在惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间连接负反馈电路，包括：将惠斯通电桥电路的输出信号输入到运算放大器的输入端；将运算放大器的输出端连接三极管的基极，驱动三极管向惠斯通电桥电路的输入端提供负反馈；其中，三极管的电源由稳压电路提供。其中，该稳压电路可由稳压元件及其附属电路构成，也可直接使用直流电源。

此时，连接惠斯通电桥电路的输出端的运算放大器用以驱动三极管进行负反馈，稳压电路包括稳压元件及其从属电路，用以提供负反馈所需电压。

所述数据处理系统系统可以由模数转换器和微控制器及其从属电路组成，也可以由模数转换器的微控制器及其从属电路组成。

该微控制器可以为ARM系列、C8051系列，但并不局限于此。

本发明实施例提供的流速测量方法中，使用包含MEMS的流速传感器的惠斯通电桥电路测量流体的流量，并在负反馈电路的作用下根据流体的流量输出相应的电压模拟信号。

数据处理系统接收该电压模拟信号后，对电压模拟信号进行采样，将电压模拟信号转换成数字信号。数据处理系统系统还根据需求对数字信号进行进一步处理。

本发明实施例提供的流速测量方法应用上述技术方案中的基于MEMS的流速传感器，可以应用于小微流量的流体流速测量，且具有测量电路结构简单，测量精度高、成本低的有益效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (13)

1.一种基于MEMS的流速传感器，其特征在于，所述流速传感器包括芯片基底层、第一保护层、第二保护层、测流元件和感温元件，其中：

所述芯片基底层、第二保护层和第一保护层依次堆叠，所述测流元件和所述感温元件均置于所述第一保护层或第二保护层中，所述测流元件包括电阻值与温度成正相关关系的第一热电阻。

2.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述测流元件和所述感温元件沿着所述流速传感器的长度方向排列，或者，所述测流元件和所述感温元件沿着所述流速传感器的宽度方向排列。

3.根据权利要求1或2所述的流速传感器，其特征在于，所述感温元件包括电阻值与温度成正相关关系的第二热电阻，所述感温元件的电阻值与所述测流元件的电阻值之比大于5。

4.根据权利要求3所述的流速传感器，其特征在于，所述第一热电阻包括以下任一种：金、铜、铂或镍；和/或，所述第二热电阻包括以下任一种：金、铜、铂或镍。

5.根据权利要求3所述的流速传感器，其特征在于，所述测流元件上附着有以下任一种粘附层：钛粘附层、铬粘附层、镍粘附层或钛钨合金粘附层；和/或，所述感温元件上附着有以下任一种粘附层：钛粘附层、铬粘附层、镍粘附层或钛钨合金粘附层。

6.根据权利要求3所述的流速传感器，其特征在于，所述芯片基底层中设置有空腔，所述空腔位于所述芯片基底层的位置与所述测流元件位于所述第一保护层或者所述第二保护层中的位置相对应；和/或，所述芯片基底层的材质为以下任一种：氮化镓、砷化镓、石英、硅、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；和/或，所述第一保护层的材质为以下任一种：聚对二甲苯、二氧化硅、氧化铝、氮化硅或SU-8光刻胶；和/或，所述第二保护层的材质为以下任一种：聚酰亚胺、氮化硅、二氧化硅或氧化铪。

7.根据权利要求6所述的流速传感器，其特征在于，所述测流元件为迂回的线状结构；和/或，所述感温元件为迂回的线状结构。

8.根据权利要求7所述的流速传感器，其特征在于，所述流速传感器还包括设置于所述第一保护层或所述第二保护层的电极元件，所述电极元件与所述测流元件和/或所述感温元件电连接；所述第一保护层包括所述电极元件的引出孔。

9.根据权利要求8所述的流速传感器，其特征在于，所述电极元件为第一热电阻，或者，所述电极元件为第二热电阻。

10.一种应用权利要求1至9任一项所述的基于MEMS的流速传感器的流速测量电路，其特征在于，所述测量电路包括负反馈电路、数据处理系统以及两个外部电路精确电阻，其中：

所述测流元件、所述感温元件与所述两个外部电路精确电阻构成惠斯通电桥电路；

所述负反馈电路连接在所述惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间；

所述惠斯通电桥电路的输出端与所述数据处理系统连接。

所述数据处理系统系统包括模数转换器、微控制器及其从属电路；或者，所述数据处理系统包括带有模数转换器的微控制器及其从属电路。

所述微控制器包括ARM系列或C8051系列。

11.根据权利要求10所述的流速测量电路，其特征在于，所述负反馈电路包括运算放大器、三极管和稳压电路，其中：

所述惠斯通电桥电路的输出端与所述运算放大器的输入端连接；

所述三极管的基极与所述运算放大器的输出端连接；

所述三极管的集电极与所述稳压电路连接；

所述三极管的发射极与所述惠斯通电桥电路的输入端连接。

12.一种应用权利要求1至9任一项所述的基于MEMS的流速传感器的流速测量方法，其特征在于，所述流速测量方法包括：

所述测流元件、所述感温元件与两个外部电路精确电阻构成惠斯通电桥电路；

在所述惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间连接负反馈电路；

根据所述惠斯通电桥电路的输出信号确定流体的流量。

13.根据权利要求12所述的流速测量方法，其特征在于，在所述惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间连接负反馈电路，包括：

将所述惠斯通电桥电路的输出信号输入到运算放大器的输入端；

将所述运算放大器的输出端连接三极管的基极，驱动所述三极管向所述惠斯通电桥电路的输入端提供负反馈；

其中，所述三极管的电源由稳压电路提供，所述稳压电路由稳压元件及其附属电路构成或者直接使用直流电源。