CN110274649B - 一种基于mems技术的热温差型流量传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS技术的热温差型流量传感器及其制备方法，该传感器包括：热敏元件，导热硅脂，绝热隔板，电热丝，耐高温管；耐高温管的中心设有容线层、安装层与流体通道；电热丝布置在安装层下表面上，两个热敏元件固定在流体通道下表面上；层壁面上设有引线孔，热敏元件和电热丝的引线穿过引线孔，同时确保容线层固定；本发明的热温差型流量传感器的特点是可调整灵敏度与流速测量量程，提高了现有的热式流量传感器的精度，解决了传感器无法在高温高压环境下完成精确测量的问题；该MEMS热温差型流量传感器结构灵活、成本较低、检测结果精度高，并集合了电热丝及相关热敏元件，能够有效应用于高温高压的极端复杂的测量环境。

Description

一种基于MEMS技术的热温差型流量传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域与微机电系统技术领域，尤其涉及一种基于MEMS技术的热温差型流量传感器及其制备方法。
背景技术
热式传感器可根据不同的应用场景与工作原理分为热损失型、热温差型和热脉冲型三种，热温差型传感器结构简单、检测精度高。热温差型流量传感器采用热扩散原理，在苛刻条件下性能优良、可靠性高。热温差型流量传感器有两个热敏元件在介质与热源中的不同位置，另一个热敏元件置于介质中用于感应介质温度。根据热敏电阻的温度差与介质流速的函数关系，可计算得出流体的流量。使用MEMS加工工艺制造的热温差型传感器通常是在微尺度上对薄膜状半导体基板形成热源与热敏元件。因为传感器尺寸微小，所以耗能低、对流场扰动小、测量精度高。
目前的热式流量传感器如在中国专利CN 202814471 U中的不锈钢材质封装外表面的热式流量传感器。这种传感器未能很好地解决发热元件导热效率不够的问题，而且对测量环境的要求较高，测量精度不够。同时，传感器的热源能耗较大，导热量分散，致使热损耗较大。另外，现有的传感器结构复杂，尺寸比较大，使传感器与流体通道之间的阶梯差较大，在传感器附近出现圆柱绕流脱落，致使被检测的流体流动受到干扰，进而影响检测结果的准确性。另一方面，现有的热温差型流量传感器高流速下输出易饱和的弱点仍未较好地解决。中国专利CN 101782410 A中采用了主热源与辅助热源的形式，结合了风速计式与热温差式传感器的特点，但是极大提高了制作成本，而且后续电路设计复杂，为传感器的实际应用带来了困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于MEMS技术的热温差型流量传感器及其制备方法，该MEMS热温差型流量传感器使用MEMS技术结合了电热丝及热敏元件，能够应用于高温高压的极端复杂环境，结构灵活、成本低、检测结果精确性高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于MEMS技术的热温差型流量传感器，该传感器包括：上游热敏电阻、下游热敏电阻、导热硅脂、电热丝以及耐高温管；耐高温管内部由上至下依次设置有流体通道、安装层和容线层，使耐高温管形成凹槽结构；其中：
流体流过凹槽结构，流体通道的前后两端分别为流体的入口面和出口面；上游热敏电阻和下游热敏电阻均安装在流体通道的下表面，流体通道两侧为层壁面，层壁面与上游热敏电阻、下游热敏电阻平齐的位置设置有引线孔，上游热敏电阻和下游热敏电阻的引线穿过引线孔，在容线层进行固定；导热硅脂设置在流体通道下表面与安装层上表面的接触位置；
安装层的上下表面分别设置有上层绝热隔板和下层绝热隔板，上层绝热隔板与流体通道的下表面重合；电热丝安装在下层绝热隔板的中心位置，安装层两侧的层壁面与电热丝平齐的位置设置有引线孔，电热丝的引线穿过引线孔，在容线层进行固定；
容线层包括上游热敏电阻、下游热敏电阻、电热丝的引线，将引线引出至传感器外部。
进一步地，本发明的流体通道和安装层两侧的层壁面是绝热壁面。
进一步地，本发明的耐高温管为方形氮化硅陶瓷管，长度为9mm；上层绝热隔板和下层绝热隔板的材料为氮化硅绝热陶瓷。
进一步地，本发明的上游热敏电阻和下游热敏电阻为铂金属电阻，安装间距为2.75mm，上游热敏电阻距离耐高温管入口2.5mm。
进一步地，本发明的导热硅脂距离耐高温管入口3mm，长度为3mm。
进一步地，本发明的电热丝直径为0.1mm，阻值为6欧姆，长度为25mm；电热丝以缠绕的形式安装在下层绝热隔板上，在导热硅脂下方。
进一步地，本发明的流体通道高度为0.8mm，安装层高度为0.6mm，容线层高度为0.6mm。
本发明提供一种基于MEMS技术的热温差型流量传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、选择9mm的方形氮化硅陶瓷管作为耐高温管，在顶部制造出凹槽，在凹槽内部由上至下依次设置流体通道、安装层以及容线层；
步骤2、在陶瓷耐高温管内部设置上游热敏电阻、下游热敏电阻以及电热丝的位置侧面，开设引线孔；
步骤3、按照电热丝的直径和长度，在下层绝热隔板上刻出对应的绕线槽，把电热丝缠绕在下层绝热隔板上；
步骤4、在导热硅脂上，通过工艺将铂电阻金属沉积在导热硅脂上；
步骤5、对步骤4中的铂电阻金属进行刻蚀，同时获得上游热敏电阻及其引出线、下游热敏电阻及其引出线；
步骤6、将上层绝热隔板、下层绝热隔板与导热硅脂安装进陶瓷管凹槽内部，将电阻引线与电热丝引线穿过引线孔，在容线层烧结固定；
步骤7、将引线与外部电气元件连接并集成封装，安装入流速检测用的探头机壳内部。
进一步地，本发明的步骤4中通过高能粒子撞击薄膜沉积工艺将铂电阻金属沉积在导热硅脂上；步骤5中通过光刻技术与湿法刻蚀技术对步骤4中的铂金属电阻进行刻蚀。
进一步地，本发明的步骤7中外部电气元件包括：与铂金属电阻引线相连的流速采集外围电路，与电热丝引线相连的相应的热源控制电路。
本发明产生的有益效果是：
1.本发明的MEMS热温差型流量传感器，采用具有高热阻、抗振动性质的绝缘材料氮化硅陶瓷管作为传感器主体，在高温高压的极端环境下仍可满足工作要求。
2.本发明的MEMS热温差型流量传感器，制造工艺简单，制造成本低廉，可以够实现批量生产。
3.本发明的MEMS热温差型流量传感器，采用MEMS加工工艺，尺寸极小，有效地减小了流体与流体通道之间的阶梯差，对流体流动几乎无扰动，消除了流动紊乱对测量精度产生的影响。
4.本发明的MEMS热温差型流量传感器，采用的电热丝的功率可通过相应的热源控制电路来调整，最高可达50W，可通过调整电热丝功率改变传感器的流量测量范围，测量范围大、测量精确度高。
5.本发明的MEMS热温差型流量传感器，结构上将电热丝安装于绝热隔板与导热硅脂中间，结构紧凑，将电热丝发热量集中在工作区域，热量损失小，导热效果好、响应时间短，有助于延缓传感器的使用周期。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明MEMS热温差型流量传感器的整体结构示意图。
图2是本发明MEMS热温差型流量传感器的纵截面示意图。
图3是本发明MEMS热温差型流量传感器的侧视图。
图4是本发明MEMS热温差型流量传感器的流体通道俯视图。
图5是本发明MEMS热温差型流量传感器的安装层俯视图。
图6是本发明MEMS热温差型流量传感器应用于管道内部流速测量示意图。
图7是本发明MEMS热温差型流量传感器的纵截面流体通道下表面的温度分布示意图。
图8是本发明MEMS热温差型流量传感器的上下游测温电阻温差与流体流速曲线图。
其中附图标记为：1-流体通道，2-安装层，3-容线层，4-上游测温电阻，5-下游测温电阻，6-导热硅脂，7-上游电阻引线，8-下游电阻引线，9-电热丝，10-电热丝引线，11-上层绝热隔板，12-下层绝热隔板，13-耐高温管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图所示，本发明实施例的MEMS热温差型流量传感器，它包括上游测温电阻、下游测温电阻、导热硅脂、电热丝、绝热隔板、绝热隔板、耐高温管。耐高温管内设有流体通道、安装层、容线层，其中，
流体通道的前后两面分别为流体入口面与出口面，下表面安装有上游测温电阻、下游测温电阻，层壁面与热敏元件平齐的地方设有引线孔，上游电阻引线、下游电阻引线在容线层固定。流体通道下表面与安装层的上表面的接触处为导热硅脂，两端绝热隔板对称布置。
安装层2的下表面为下层绝热隔，上表面即为流体通道下表面。下表面下层绝热隔板中心安装有电热丝，层壁面与电热丝引线平齐的地方设有引线孔，电热丝引穿过引线孔，在容线层3固定。
容线层包括热敏元件与电热丝的引线，引出至外部。
为了降低经济成本、改良传感器适用环境、减少其他部件的热量损耗，流体通道与安装层的两侧是氮化硅陶瓷绝热壁面。
耐高温管为方形氮化硅陶瓷管，长度为9mm。
为了增大测量量程，提高测量精度，所述上游测温电阻与下游测温电阻为铂电阻，安装间距为2.75mm，上游测温电阻距离耐高温管入口2.5mm。
导热硅脂距离耐高温管入口3mm，长度为3mm。
电热丝以缠绕的形式安装在下层绝热隔板上，在导热硅脂下方。
电热丝直径为0.1mm，阻值为6欧姆，长度为25mm。
流体通道高度为0.8mm，所述安装层高度为0.6mm，容线层高度为0.6mm。
参照附图，对本实施例中MEMS热温差型流量传感器的制造方法进行说明：
(1)选择9mm的方形氮化硅陶瓷管，在顶部制造出凹槽，使凹槽内部可布置容线层、安装层与流体通道。
(2)在陶瓷管凹槽内部对应的地方开出引线孔。
(3)按照电热丝的直径和长度，在下层绝热隔板上刻出对应的绕线槽，把电热丝缠绕在下层绝热隔板上。
(4)在导热硅脂上，通过工艺将铂电阻金属沉积在导热硅脂上。
(5)对步骤(4)中的铂电阻金属进行刻蚀，同时获得上游电阻及其引出线、下游电阻及其引出线。
(6)将上层绝热隔板、下层绝热隔板与导热硅脂安装进陶瓷管凹槽内部，将上有测温电阻引线、下游测温电阻引线与电热丝引线穿过引线孔在容线层3烧结固定。
(7)与相关电气元件进行集成封装，并安装入探头机壳内部。
步骤(1)与步骤(3)中采用喷砂、腐蚀、刻蚀的方法制作凹槽与绕线槽。
步骤(4)中通过高能粒子撞击(溅射)薄膜沉积工艺将铂电阻金属沉积在导热硅脂上。
步骤(5)中通过光刻技术与湿法刻蚀技术对步骤(4)中的铂金属电阻进行刻蚀。
步骤(7)中的相关电气元件包括，与铂金属电阻引线相连的流速采集外围电路，与电热丝引线相连的相应的热源控制电路。
如附图6所示，该热式MEMS流量传感器在流体管道壁面安装，尺寸极小，有效地减小了流体与流体通道之间的阶梯差，对流体流动几乎无扰动，消除了流动紊乱对测量精度产生的影响。
将该热式MEMS流量传感器安装于测量环境中，流体从流体通道中流过，会将电热丝发出的热量从上游带到下游，对测温电阻的温度产生影响。电热丝的功率可通过热源控制电路，以实现对传感器量程大小的调整。本发明采用的电热丝的功率最高可达50W，测量范围大、测量精确度高。
在电热丝功率相同的条件下，不同位置的测温电阻测得的温度值是不一样的。在电热丝功率相同，流体流动状态相同的条件下，对测温电阻不同的安装位置下的温差进行理论分析，结果如下：
Figure BDA0002093107220000061
Figure BDA0002093107220000071
因此，MEMS热温差型流量传感器测温电阻的安装位置不同，对于测温电阻测得的温度差值有着很大的影响。
如附图7所示，控制电热丝功率恒定，控制入口流体流速恒定，对流体通道下表面的温度进行测量，得到如图曲线。在上游测温电阻与下游测温电阻安装间距为2.75mm，上游测温电阻距离耐高温管入口2.5mm时，温差随流速的变化最为剧烈。
在测温电阻不同安装位置下，测量得到测温电阻温差与流速的关系曲线，如附图8所示，不同曲线表示上下游电阻距离耐高温管入口分别为曲线注释时的温差流速关系。可见当上游电阻距离入口2.5mm，下游电阻距离入口5.25mm时，传感器的灵敏度最高，可以得到最精确的测量结果。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于MEMS技术的热温差型流量传感器，其特征在于，该传感器包括：上游热敏电阻（4）、下游热敏电阻（5）、导热硅脂（6）、电热丝（9）以及耐高温管（13）；耐高温管（13）内部由上至下依次设置有流体通道（1）、安装层（2）和容线层（3），使耐高温管（13）形成凹槽结构；其中：
流体流过凹槽结构，流体通道（1）的前后两端分别为流体的入口面和出口面；上游热敏电阻（4）和下游热敏电阻（5）均安装在流体通道（1）的下表面，流体通道（1）两侧为层壁面，层壁面与上游热敏电阻（4）、下游热敏电阻（5）平齐的位置设置有引线孔，上游热敏电阻（4）和下游热敏电阻（5）的引线穿过引线孔，在容线层（3）进行固定；导热硅脂（6）设置在流体通道（1）下表面与安装层（2）上表面的接触位置；
安装层（2）的上下表面分别设置有上层绝热隔板（11）和下层绝热隔板（12），上层绝热隔板（11）与流体通道（1）的下表面重合；电热丝（9）安装在下层绝热隔板（12）的中心位置，安装层（2）两侧的层壁面与电热丝（9）平齐的位置设置有引线孔，电热丝（9）的引线穿过引线孔，在容线层（3）进行固定；
容线层（3）包括上游热敏电阻（4）、下游热敏电阻（5）、电热丝（9）的引线，将引线引出至传感器外部。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器，其特征在于，流体通道（1）和安装层（2）两侧的层壁面是绝热壁面。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器，其特征在于，耐高温管（13）为方形氮化硅陶瓷管，长度为9mm；上层绝热隔板（11）和下层绝热隔板（12）的材料为氮化硅绝热陶瓷。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器，其特征在于，上游热敏电阻（4）和下游热敏电阻（5）为铂金属电阻，安装间距为2.75mm，上游热敏电阻（4）距离耐高温管（13）入口2.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器，其特征在于，导热硅脂（6）距离耐高温管（13）入口3mm，长度为3mm。
6.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器，其特征在于，电热丝（9）直径为0.1mm，阻值为6欧姆，长度为25mm；电热丝（9）以缠绕的形式安装在下层绝热隔板（12）上，在导热硅脂（6）下方。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器，其特征在于，流体通道（1）高度为0.8mm，安装层（2）高度为0.6mm，容线层（3）高度为0.6mm。
8.一种基于MEMS技术的热温差型流量传感器的制备方法，用于制备权利要求1所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选择9mm的方形氮化硅陶瓷管作为耐高温管，在顶部制造出凹槽，在凹槽内部由上至下依次设置流体通道、安装层以及容线层；
步骤2、在陶瓷耐高温管内部设置上游热敏电阻、下游热敏电阻以及电热丝的位置侧面，开设引线孔；
步骤3、按照电热丝的直径和长度，在下层绝热隔板上刻出对应的绕线槽，把电热丝缠绕在下层绝热隔板上；
步骤4、在导热硅脂上，通过工艺将铂电阻金属沉积在导热硅脂上；
步骤5、对步骤4中的铂电阻金属进行刻蚀，同时获得上游热敏电阻及其引出线、下游热敏电阻及其引出线；
步骤6、将上层绝热隔板、下层绝热隔板与导热硅脂安装进陶瓷管凹槽内部，将电阻引线与电热丝引线穿过引线孔，在容线层烧结固定；
步骤7、将引线与外部电气元件连接并集成封装，安装入流速检测用的探头机壳内部。
9.根据权利要求8所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器的制备方法，其特征在于，步骤4中通过高能粒子撞击薄膜沉积工艺将铂电阻金属沉积在导热硅脂上；步骤5中通过光刻技术与湿法刻蚀技术对步骤4中的铂金属电阻进行刻蚀。
10.根据权利要求8所述的基于MEMS技术的热温差型流量传感器的制备方法，其特征在于，步骤7中外部电气元件包括：与铂金属电阻引线相连的流速采集外围电路，与电热丝引线相连的相应的热源控制电路。
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