CN109141559B

CN109141559B - 一种大量程双模热感桥式微流量计

Info

Publication number: CN109141559B
Application number: CN201810993995.4A
Authority: CN
Inventors: 王瑞金; 潘国胜; 杜家友; 朱泽飞
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2038-08-29
Also published as: CN109141559A

Abstract

本发明提供一种大量程双模热感桥式微流量计，包括MEMS晶片、CMOS晶片和热感流量传感器，所述MEMS晶片和CMOS晶片键合而成；所述MEMS晶片上设有进口、出口和第一空腔，所述CMOS晶片上设有第二空腔，连接触点；所述热感流量传感器置于第一空腔和第二空腔之间，所述热感流量传感器包括一个热子和二个探子，二个探子对称分布于热子二侧，用于测量不同流速下热子上游和下游的温差，通过连接触点将温差信号传出,本发明所述的大量程双模热感桥式微流量计结构简单，性能可靠，灵敏度高，采用热线模式和量热模式双工作模式，扩大了量程。

Description

一种大量程双模热感桥式微流量计

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种大量程双模热感桥式微流量计。

背景技术

微机电系统是指以微米级元件实现电路-机械转换功能的系统，是21世纪最领先的技术之一，现有的微系统一般包括：微传感器、微致动器、微电机和微泵、微控制器等。微传感器通过感知某些物理量的输入信号，将其转化为电信号输出；微致动器中的传输单元将供给的能量转化为电信号以执行致动元件功能。微流量传感器是微电子机械系统中应用很广泛的一种，与传统流量计相比，它有着功耗低、响应快、测量准等优点，可应用于汽车工业、航空航天、生物研究、临床诊断等多个领域，有着广阔的前景。

大多数的微流量计是基于传热原理研发的，相比于非热式传感器，它有着结构简单、性能可靠的优点，被广泛采用。流量计中的热子是热感式流量传感器的核心，其加热装置有三种工作模式：恒温式、恒功率式和脉冲式，与之对应的热式流量传感器可以分为：热线式、量热（热膜）式和飞渡式三种。其中量热式流量计具有流向侦测、小流量下灵敏响应的优点尤其受到偏爱。

热线式流量传感器的加热装置由细金属丝构成。它的原理是，当电流通过金属丝时，会使其发热并向周围传递热量。热线以恒温工作，当流动加强时，电路的功率增大，这样就能建立功率与流量的关系。量热式流量传感器需要额外的探测装置，流动会将上游的热量带到下游，从而改变温度场的分布，这被热敏的探子捕捉到并转化成电信号。量热式流速计可以恒温或恒功率工作，恒温能够带来更好的输出信号与更灵敏的响应，但相应的会增大功耗。

然而，大流量下量热式流量计的响应趋于饱和甚至会失灵。当前研究热感式微流量计的方向有：降低热损耗，拓宽量程，提高信号对流量的灵敏度，以应用于更广的领域。为此，提出了一种新型复合工作模式的热感桥式微流量传感器，其特点是能灵活地切换量热与热线工作模式，拓宽了量程；桥式结构可以降低功耗，提高灵敏度。

发明内容

本发明的目的是提供一种大量程双模热感桥式微流量计，在保证小功耗和高灵敏度的前提下，拓宽热感微流量计的量程，以适应更广的应用范围。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种大量程双模热感桥式微流量计，包括MEMS晶片和CMOS晶片，热感流量传感器，所述MEMS晶片和CMOS晶片键合而成；所述MEMS晶片上设有进口、出口和第一空腔，所述CMOS晶片上设有第二空腔，连接触点；所述热感流量传感器置于第一空腔和第二空腔之间，所述热感流量传感器包括一个热子和二个探子，二个探子对称分布于热子二侧，用于测量不同流速下热子上游和下游的温差，通过连接触点将温差信号传出。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述热感流量传感器是桥式的，横跨顶部空腔和底部空腔之间，这样可以减小与固体的接触面积，从而减小功耗，同时增大灵敏度。

所述桥式热感流量传感器中的热子和探子均为多层结构，自下而上分别为Al层、SiO2层、AlN层、Mo层、AlN层和SOI（绝缘体上硅）层，其中Mo层为工作材料；AlN-Mo-AlN组合为压电叠层，能够产生电信号；SiO2层用于加工时形成AlN层与Mo层图案的掩膜。

所述桥式热感流量传感器的热子和探子的敏感栅采用回字形结构，以增大灵敏度。

所述桥式热感流量传感器，有温差模式和功率模式二种工作模式，小于49SCCM小流量采用量热（温差）模式，49-160SCCM大流量采用热线（功率）模式，以拓宽了量程。

本发明的优点是：

1）由于热线工作模式在大流量下有较好的灵敏度，而量热工作模式则在小流量下占优，依据灵敏度最大原则，这种桥式热感微流量计采用热线模式和量热模式双工作模式，扩大了量程。

2）热感流量传感器的热子和探子的敏感栅采用回字形结构，结构简单，性能可靠，灵敏度高。

3）热感流量传感器是桥式的，由于大部分面积与流体接触，减小与固体之间的传热，能够得到更灵敏的响应，同时也减小的功耗。

附图说明：

图1为本发明所述的一种大流量双模热感桥式微流量计三维图。

图2为本发明所述的一种大流量双模热感桥式微流量计剖面图。

图3为本发明所述的热感流量传感器的热子和探子、连接触点的扫描电镜图。

图4为本发明所述的一种大流量双模热感桥式微流量计输出信号（代表温差）随流量变化图。

图5为本发明所述的一种大流量双模热感桥式微流量计热子和探子电压随流量变化图。

图中：MEMS晶片1，CMOS晶片2，进口3，出口4，探子5，探子6，热子7，顶部空腔8，底部空腔9，热感流量传感器10，Ge-Al键合11-12，SOI层13，AlN层14,16，Mo层15，Al层17，SiO₂层18，连接触点19，敏感栅20。

具体实施方式

结合附图，对本发明提供的一种大量程双模热感桥式微流量计作进一步说明。

参照图1~图5，一种大量程双模热感桥式微流量计，包括通过Al-Ge共晶键合11-12在一起的MEMS晶片1和CMOS晶片2，在MEMS晶片1上设置一个进口3、一个出口4和一个热感流量传感器10，流体从入口流入，经过热感流量传感器10周围的顶部空腔8和底部空腔9后从出口流出。

其中热感流量传感器10包括一个热子7和对称分布在热子7上游和下游的探子5和探子6，探子5和探子6用于测量不同流动情况下热子7上游和下游的温差，然后在MEMS晶片1中的惠斯通电桥会将温差产生的电阻变化转变为相应的电压信号，最后通过CMOS晶片2上的连接触点19将信号传出。

其中探子5、探子6和热子7均为多层结构，自下而上分别为Al层17、SiO₂层18、AlN层14、Mo层15、AlN层16和SOI层13，其中Mo层15为工作材料；AlN-Mo-AlN组合为压电叠层（14-15 -16），能够产生电信号；SiO₂层18用于加工时形成AlN层14，AlN层16与Mo层15图案的掩膜。

所述热感流量传感器10为桥式结构，相比悬臂结构能减小振动，提高信号稳定性；此外桥式结构减小了与MEMS晶片1的接触面积，也即减小了热量耗散，提高了灵敏度，也减小了能耗。

所述桥式热感流量传感器10中的热子7、探子5和探子6的敏感栅20均采用回字形结构，以增大灵敏度。

所述桥式热感流量传感器10，有温差模式和功率模式二种工作模式，小于50SCCM小流量采用量热（温差）模式，50-160SCCM大流量采用热线（功率）模式，以拓宽了量程。

实施例1

一种桥式热感微流量计的进口3以不同的流速（计算流量的依据）导入流体，当流速为0时，热子7产生的温度分布将是对称的，此时探子5和探子6的温差为0，因此输出信号为0。当在导入流体的流速比较低时（>1.5SCCM），对称分布在热子7的上游和下游的探子5和探子6存在一定的温差，而且温差随流速几乎是线性变化。当在导入流体的流速进一步加大(1.5-49SCCM)，探子5和探子6的温差变化规律发生变化，呈现非线性变化，但是探子5和探子6温差随流速增大而增大。当导入流体大于49SCCM时，探子5和探子6温差随流速增大反而有所减小，已经无法用温差来测量流速了。然而，此时保持热子7等温需要消耗的功率则随流速的增大，几乎线性增大，因此流量计需要进行工作模式的转换，即从温差测量工作模式（量热测量）转换到功率测量模式（热线测量），从而扩大了测量量程。

另外，热感流量传感器10设计成桥式结构，敏感栅20采用回字形，均可提高其灵敏度。桥上结构还能减小与MEMS晶片1和CMOS晶片2的接触面积，减小热量的传导，降低能耗。

其中，探子5、探子6和热子7均为多层结构，其中Mo层15为工作材料，AlN-Mo-AlN的组合为压电叠层（14-15-16），以产生与温差相关的电压信号，而SiO2层18用于加工时形成AlN层14，AlN层16与Mo层15图案的掩膜。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，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保护范围内。

Claims

1.一种大量程双模热感桥式微流量计，包括MEMS晶片、CMOS晶片和热感流量传感器，其特征在于，所述MEMS晶片和CMOS晶片键合而成；所述MEMS晶片上设有进口、出口和第一空腔，所述CMOS晶片上设有第二空腔，连接触点；所述热感流量传感器呈桥式结构，置于第一空腔和第二空腔之间，所述热感流量传感器包括一个热子和二个探子，二个探子对称分布于热子二侧，用于测量不同流速下热子上游和下游的温差，通过连接触点将温差信号传出，采用上述结构形成的微流量计具备温差测量模式和功率测量模式两种工作模式。

2.根据权利要求1所述的一种大量程双模热感桥式微流量计，其特征在于，所述MEMS晶片和CMOS晶片通过Al-Ge共晶键合在一起。

3.根据权利要求1所述的一种大量程双模热感桥式微流量计，其特征在于，所述热感流量传感器的热子和探子均为多层结构，自下而上分别为Al层、SiO₂层、AlN层、Mo层、AlN层和SOI(绝缘体上硅)层；其中Mo层为工作材料，AlN-Mo-AlN层组合为压电叠层，能够产生电信号。

4.根据权利要求1所述的一种大量程双模热感桥式微流量计，其特征在于，所述热子和探子的敏感栅，采用回字形结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种大量程双模热感桥式微流量计，其特征在于，所述微流量计小于49SCCM流量采用温差测量模式，49-160SCCM流量采用功率测量模式。