CN107747981A - 电感悬臂梁无线无源流量传感器 - Google Patents

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王立峰
黄庆安
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Abstract

本发明是一种电感悬臂梁无线无源流量传感器，其中，绝缘介质层(2)设置在所述衬底(1)上表面；所述电感结构(3)和所述锚区结构(4)并排设置在所述绝缘介质层(2)上表面；所述电感悬臂梁结构(5)的一端与所述锚区结构(4)形成固定连接，所述电感悬臂梁结构(5)的另一端悬空在电感结构(3)的上方；所述电感悬臂梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路；所述感流块(6)设置在所述电感悬臂梁(5)的悬空端部的上方。本发明为片上集成结构，利用电感悬臂梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，传感器的灵敏度高且结构简单；无需引线和电池供电，能在生物体管道或高温管道等恶劣环境管道进行流量测量。

Description

电感悬臂梁无线无源流量传感器
技术领域
本发明涉及一种电感悬臂梁无线无源流量传感器技术，属于微电子技术领域。
背景技术
流量传感器是一种能够测量气体或液体流量的传感器。流量传感器的应用十分广泛，包括汽车发动机、工业设备、医用设备等。纵观流量传感器的发展历程，流量传感器朝着智能化的集成式流量传感器方向发展，从有线的流量传感器向着无线的流量传感器方向发展。
半导体集成电路工艺和MEMS(微机电系统)技术的发展和进步，大大促进了流量传感器的发展。多种不同原理和结构的微型流量传感器被发明出来。较为常见的流量传感器结构有叶片(翼板)式、量芯式、热线式、热膜式、卡门涡旋式等几种。按照工作原理来分，流量传感器又分为：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等。
在对一些恶劣环境的管道(如高温管道或生物体管道等)进行流量测量时，有线的流量传感器将不再适用。恶劣环境管道中的流量测量大都采用无线的工作方式。无线流量传感器又分为有源和无源两种。无线有源的流量传感器一般采用射频收发电路进行数据传输，其收发电路依靠电池进行供电。无线无源的流量传感器一般采用电感近场耦合原理传输数据，传感器结构简单不需要电池供电，特别适用恶劣环境管道中的应用。
发明内容
技术问题针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种电感悬臂梁无线无源流量传感器，可以采用无线无源方式进行管道流量的测量。
技术方案本发明的电感悬臂梁无线无源流量传感器包括衬底、绝缘介质层、电感结构、锚区结构、电感悬臂梁结构和感流块；所述绝缘介质层设置在所述衬底上表面；所述电感结构和所述锚区结构并排设置在所述绝缘介质层上表面；所述电感悬臂梁结构的一端与所述锚区结构形成固定连接，所述电感悬臂梁结构的另一端悬空在电感结构的上方；所述电感悬臂梁和所述电感结构构成LC谐振回路；所述感流块设置在所述电感悬臂梁的悬空端部的上方。
其中，
所述感流块采用高刚度材料(如，陶瓷、硅)，具有较大的感流面积和刚性。
所述电感悬臂梁结构为平面螺旋结构。
所述电感结构为平面螺旋结构。
所述电感悬臂梁结构和所述电感结构为上下正对放置。
本发明的电感悬臂梁无线无源流量传感器的工作原理为：
测量原理：由于感流块具有较大感流面积和刚性，当管道流量变化时，感流块会带动电感悬臂梁发生偏转。电感悬臂梁发生偏转后，由电感悬臂梁和电感结构构成的LC谐振回路的谐振频率将发生变化。
读出原理：基于平面电感之间的近场耦合原理，采用连接阻抗分析仪的读出线圈，可以无线、无源地读出电感悬臂梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率值。
有益效果 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明的无线无源的LC谐振回路为片上集成结构，具有体积小、功耗低和可批量生产的优点；
(2)本发明利用电感悬臂梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，传感器的灵敏度高且结构简单；
(3)本发明无需引线和电池供电，能在生物体管道或高温管道等恶劣环境管道进行流量测量；
附图说明
图1为本发明的剖面图。
图2为本发明的三维图。
图中有：衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4、电感悬臂梁结构5、感流块6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的电感悬臂梁无线无源流量传感器包括衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4、电感悬臂梁结构5和感流块6；所述绝缘介质层2设置在所述衬底1上表面；所述电感结构3和所述锚区结构4并排设置在所述绝缘介质层2上表面；所述电感悬臂梁结构5的一端与所述锚区结构4形成固定连接，所述电感悬臂梁结构5的另一端悬空在电感结构3的上方；所述电感悬臂梁5和所述电感结构3构成LC谐振回路；所述感流块6设置在所述电感悬臂梁5的悬空端部的上方。所述感流块6采用高刚度材料(如，陶瓷、硅)，具有较大的感流面积和刚性。所述电感悬臂梁结构5为平面螺旋结构。所述电感结构3为平面螺旋结构。所述电感悬臂梁结构5和所述电感结构3为上下正对放置。
本发明的电感悬臂梁无线无源流量传感器的制备工艺如下：
a：在衬底表面淀积一层绝缘介质层；
b：在绝缘介质层表面淀积一层金属层并刻蚀，形成电感结构；
c：在绝缘介质层表面淀积一层介质层并刻蚀；形成锚区结构；
d：涂敷牺牲层并刻蚀；
e：淀积一层金属层并刻蚀，形成电感悬臂梁结构；
f：淀积一层厚膜并刻蚀，形成感流块；
g：腐蚀牺牲层，释放结构；
本发明的电感悬臂梁无线无源流量传感器的工作过程为：
当管道流量的方向为从电感悬臂梁的固定端流向悬空端时，感流块6会带动电感悬臂梁5向下偏转。电感悬臂梁5发生向下偏转后，电感悬臂梁5和电感结构3之间的电容增大，因此由电感悬臂梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将减小；当管道流量的方向为从电感悬臂梁的悬空端流向固定端时，感流块6会带动电感悬臂梁5向上偏转。电感悬臂梁5发生向上偏转后，电感悬臂梁5和电感结构3之间的电容减小，因此由电感悬臂梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将增大；
使用方法：测量前，使用连接阻抗分析仪的读出线圈对本发明的传感器进行标定，建立其谐振频率与不同管道流量之间的关系。测量时，使用连接阻抗分析仪的读出线圈读出本发明传感器的谐振频率，与标定值进行对比，即可得到待测管道流量值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电感悬臂梁无线无源流量传感器，其特征在于：该流量传感器包括衬底(1)、绝缘介质层(2)、电感结构(3)、锚区结构(4)、电感悬臂梁结构(5)和感流块(6)；所述绝缘介质层(2)设置在所述衬底(1)上表面；所述电感结构(3)和所述锚区结构(4)并排设置在所述绝缘介质层(2)上表面；所述电感悬臂梁结构(5)的一端与所述锚区结构(4)形成固定连接，所述电感悬臂梁结构(5)的另一端悬空在电感结构(3)的上方；所述电感悬臂梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路；所述感流块(6)设置在所述电感悬臂梁(5)的悬空端部的上方。
2.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源流量传感器，其特征在于：所述感流块(6)采用高刚度材料，具有较大的感流面积和刚性。
3.根据权利要求2所述的电感悬臂梁无线无源流量传感器，其特征在于：所述高刚度材料为陶瓷、硅。
4.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源流量传感器，其特征在于：所述电感悬臂梁结构(5)为平面螺旋结构。
5.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源流量传感器，其特征在于：所述电感结构(3)为平面螺旋结构。
6.根据权利要求1、4或5所述的电感悬臂梁无线无源流量传感器，其特征在于：所述电感悬臂梁结构(5)和所述电感结构(3)为上下正对放置。
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