CN111256769A - Mems气体流量检测芯片以及智能气体流量仪表 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种MEMS气体流量检测芯片以及智能气体流量仪表，该MEMS气体流量检测芯片包括：基底；流量传感器以及至少一个环境参数传感器集成在所述基底的正面。本发明实施例提供的技术方案，实现了通过单颗芯片完成流量以及多种环境参数的测量。
Description
技术领域
本发明实施例涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种MEMS气体流量检测芯片以及智能气体流量仪表。
背景技术
随着物联网通讯技术的飞速发展，气体的测量和监控进入一个新的发展阶段。流量仪表正趋向于自动化、智能化、远程化和集成化。流量检测芯片是实现智能燃气流量仪表的核心部件。
目前市面上的气体流量仪表的功能过于单一，大部分仪表只有气体流量测量功能，而且一般都采用机械式流量测量组件，因而很难实现多功能、高附加值的智能化流量测量和监控。近年来可燃性气体以及有毒气体爆燃事故频发，用户对安全方面的要求越来越高，安监部门对可燃气体以及有毒气体的安全使用和管理也愈加重视。
但如果用户需要实现气体环境参数比如：管道气压、气体温度、气体湿度等实时监控，需要在流量仪表上加装各种探测仪表或将多种分离的传感器贴在同一或不同基板上。这种方式不仅成本高、体积大、功耗高，而且多种器件之间的干扰会影响仪表的测量精度和可靠性。因此，亟需一种实现气体环境参数实时监控的MEMS气体流量检测芯片。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了MEMS气体流量检测芯片以及智能气体流量仪表以解决现有技术中MEMS气体流量检测芯片不能实现气体环境参数实时监控的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种MEMS气体流量检测芯片，包括：
基底；
流量传感器以及至少一个环境参数传感器集成在所述基底的正面。
可选地，所述基底包括硅基材料或者玻璃基材料。
可选地，至少一个所述环境参数传感器包括第一温度传感器、压力传感器、湿度传感器、气体浓度传感器以及加速度传感器中的一个或多个。
可选地，所述基底的正面设置有至少一个第一凹槽；悬空结构，设置在所述第一凹槽之上。
可选地，所述悬空结构覆盖至少部分所述基底除去所述第一凹槽的部分。
可选地，所述悬空结构包括悬臂结构或者桥式结构，在气体流向的方向上，气体通过所述第一凹槽未被所述悬空结构覆盖的第一部分，进入所述第一凹槽，从所述第一凹槽未被所述悬空结构覆盖的第二部分穿出。
可选地，所述流量传感器、湿度传感器、气体浓度传感器以及加速度传感器中的一个或多个，设置在所述悬空结构之上。
可选地，所述基底的背面设置有至少一个第二凹槽，所述流量传感器、所述压力传感器、所述湿度传感器、以及所述气体浓度传感器中的一个或多个，分别位于所述第二凹槽之上。
可选地，所述流量检测单元包括至少一个加热单元以及至少一对第二温度传感器和第三温度传感器，每对所述第二温度传感器和所述第三温度传感器关于一所述加热单元对称设置。
可选地，所述加热单元与加热装置电连接。
可选地，还包括信号处理单元，分别与所述第二温度传感器以及所述第三温度传感器电连接，计算出气体流量。
可选地，所述信号处理单元与至少一个所述环境参数传感器电连接，用于确定所述环境参数。
可选地，所述信号处理单元集成在所述基底上，或者单独形成在所述基底外部。
第二方面，本发明实施例提供了一种智能气体流量仪表，包括第一方面任意所述MEMS气体流量检测芯片。
本实施例的技术方案，将流量传感器以及至少一个环境参数传感器集成在基底的正面，形成一个MEMS气体流量检测芯片，无需在燃气或者有毒气体流量仪表上加装各种探测仪表或将多种分离的传感器贴在同一或不同基板上，仅仅通过单颗芯片完成流量以及多种环境参数的测量，降低了燃气或者有毒气体流量仪表的生产成本、体积以及功耗，避免了多种器件之间的干扰会影响仪表的测量精度和可靠性的问题，以解决现有技术中MEMS气体流量检测芯片不能实现气体环境参数实时监控的技术问题。
附图说明
图1为本发明实施例示出的一种MEMS气体流量检测芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例示出的另一种MEMS气体流量检测芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例示出的又一种MEMS气体流量检测芯片的结构示意图；
图4为本发明实施例示出的又一种MEMS气体流量检测芯片的结构示意图；
图5为本发明实施例示出的又一种MEMS气体流量检测芯片的结构示意图；
图6为本发明实施例示出的又一种MEMS气体流量检测芯片的结构示意图；
图7为本发明实施例示出的又一种MEMS气体流量检测芯片的结构示意图。
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。
目前市面上的气体流量仪表的功能过于单一，大部分仪表只有气体流量测量功能，而且一般都采用机械式流量测量组件，因而很难实现多功能、高附加值的智能化流量测量和监控。近年来可燃性气体以及有毒气体爆燃事故频发，用户对安全方面的要求越来越高，安监部门对可燃气体以及有毒气体的安全使用和管理也愈加重视。但如果用户需要实现气体环境参数比如：管道气压、气体温度、气体湿度等实时监控，需要在流量仪表上加装各种探测仪表或将多种分离的传感器贴在同一或不同基板上。这种方式不仅成本高、体积大、功耗高，而且多种器件之间的干扰会影响仪表的测量精度和可靠性。针对现有技术中MEMS气体流量检测芯片不能实现气体环境参数实时监控的技术问题，本发明实施例提供了一种MEMS气体流量检测芯片，参见图1，该MEMS气体流量检测芯片包括：基底10；流量传感器20以及至少一个环境参数传感器30集成在基底10的正面。
在本实施例中，基底10示例性的，可以是硅基底。其中，微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技芯片。MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。具体的，环境参数可以包括：温度、压力、湿度、气体浓度以及环境振动中的一种或多种，通过对于气体流量、温度、压力、湿度、气体浓度及环境振动多种参数的实时测量和监控，对于气体压力异常、气体泄漏和地震危险状况起到预警作用。图1中示例性的，示出了两个环境参数传感器30，本实施例中不限定环境参数传感器30的个数。
本实施例的技术方案，将流量传感器20以及至少一个环境参数传感器30集成在基底10的正面，形成一个MEMS气体流量检测芯片，无需在气体流量仪表上加装各种探测仪表或将多种分离的传感器贴在同一或不同基板上，仅仅通过单颗芯片完成流量以及多种环境参数的测量，降低了气体流量仪表的生产成本、体积以及功耗，避免了多种器件之间的干扰会影响仪表的测量精度和可靠性的问题，以解决现有技术中气体流量仪表不能实现对于气体，尤其是可燃性气体以及有毒气体的气体环境参数实时监控的技术问题。
可选地，在上述技术方案的基础上，基底10包括硅基材料或者玻璃基材料。需要说明的是，本实施例中对于基底10材料的选择并不限定于硅基材料或者玻璃基材料。
可选地，在上述技术方案的基础上，参见图2，至少一个环境参数传感器30包括第一温度传感器31、压力传感器32、湿度传感器33、气体浓度传感器34以及加速度传感器35中的一个或多个。需要说明的是，图2示出了至少一个环境参数传感器30以及流量传感器20在基底10的分布示意图，但是本实施例中并不限于图示分布。气流方向如图所示，其中，流量传感器20用于气体流量检测。第一温度传感器31用于气体温度检测及其它环境参数传感器的温度补偿。湿度传感器33用于气体的湿度检测。压力传感器32用于气体管道压力检测，特别用于气体压力异常情况检测，气体压力异常时，与压力传感器32电连接的燃气控制系统可及时切断气阀。气体浓度传感器34用于气体浓度的检测，气体浓度异常时，即当管道或仪表出现气体泄漏，与气体浓度传感器34电连接的燃气控制系统可检测到异常情况并及时切断气阀，避免事故发生。加速度传感器35用于环境地震监测。当加速度传感器探测到地震信号时，与加速度传感器35电连接的燃气控制系统可及时自动切断气阀，避免事故发生。可选地，流量传感器20以及至少一个环境参数传感器30可以是半导体薄膜和/或金属薄膜。
可选地，在上述技术方案的基础上，参见图3和图4，基底10的正面100设置有至少一个第一凹槽101；悬空结构40，设置在第一凹槽101之上。
可选地，在上述技术方案的基础上，悬空结构40覆盖至少部分基底10除去第一凹槽101的部分。基底10除去第一凹槽101的部分作为支撑结构来支撑悬空结构40。
可选地，在上述技术方案的基础上，参见图3和图4，流量传感器20、湿度传感器33、气体浓度传感器34以及加速度传感器35中的一个或多个，设置在悬空结构40之上。示例性的，可以采用硅微加工技术，通过薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成图3和图4示出的MEMS气体流量检测芯片。其中，第一凹槽101与悬空结构40构成硅腔体，悬空结构40包括悬臂结构或者桥式结构，在气体流向的方向上，气体通过第一凹槽101未被悬空结构40覆盖的第一部分A1，进入第一凹槽101，从第一凹槽101未被悬空结构40覆盖的第二部分A2穿出。对于流量传感器20以及气体浓度传感器34起热隔离作用，对湿度传感器33起热隔离作用的同时，可以作为压敏薄膜，对加速度传感器35可以作为质量块和/或压敏薄膜。悬空结构40示例性的，可以是氧化硅、氮化硅、扩散硅或者金属膜层中的一种或多种。
可选地，在上述技术方案的基础上，参见图3和图4，基底10的背面103设置有至少一个第二凹槽102，流量传感器20、压力传感器32、湿度传感器33以及气体浓度传感器34中的一个或多个，分别位于第二凹槽102之上。示例性的，可以采用硅微加工技术，通过薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成图3和图4示出的MEMS气体流量检测芯片。其中，第二凹槽102对于流量传感器20以及气体浓度传感器34起热隔离作用，对湿度传感器33起热隔离作用的同时，可以作为压敏薄膜。第二凹槽102的形成使得压力传感器32形成了压敏薄膜。需要说明的是，在图3和图4中的气体流向的基础上，基底10的背面103设置有至少一个第二凹槽102，第二凹槽102和流量传感器20、压力传感器32、湿度传感器33以及气体浓度传感器34中的一个或多个存在基底10，因此不会有气体进入第二凹槽102。
参见图3和图4，第一温度传感器31并没有设置在第一凹槽101或者第二凹槽102之上，第一温度传感器31检测的是气体环境温度，可以不被热隔离，测得气体环境温度。
可选地，在上述技术方案的基础上，参见图5，流量传感器20包括至少一个加热单元21以及至少一对第二温度传感器22和第三温度传感器23，每对第二温度传感器22和第三温度传感器23关于一加热单元21对称设置。可选地，还包括连接线24，以及焊盘25，分别将第二温度传感器22以及第三温度传感器23的检测电信号引出。示例性的，图5仅仅示出了一对第二温度传感器22和第三温度传感器23以及一个加热单元21，但是本发明实施例并不限定其数量。
可选地，在上述技术方案的基础上，加热单元21与加热装置电连接，可选地，加热单元21通过连接线24和焊盘25与加热装置电连接。可选地，加热单元21为微加热器。
流量传感器20检测气体流量的原理如下：
流量传感器20基于热传导原理测量气体流量。当加热单元21上面没有气体流动时，其周边的温度呈对称分布，第二温度传感器22以及第三温度传感器23检测到微加单元21周边的温度数值相等。当有气流流过加热单元21时，由于气体流动带走热量，第二温度传感器22以及第三温度传感器23检测到的温度数值都降低，其中第二温度传感器22测得的温度值降低幅度比第三温度传感器23测得的温度值降低幅度更大，使得第二温度传感器22以及第三温度传感器23检测到的温度呈不对称分布，而且气体流速越大，温度分布的不对称性越明显，第二温度传感器22以与第三温度传感器23测得的温度差值越大，通过温度差值计算出气体流量。
参见图5，示例性的还示出了第一温度传感器31的结构示意图，第一温度传感器31检测的温度信号由连接线24以及焊盘25引出。
可选地，在上述技术方案的基础上，参见图6，MEMS气体流量检测芯片还包括信号处理单元50，分别与第二温度传感器22以及第三温度传感器23电连接，计算出气体流量。可选地，信号处理单元50示例性的可以包括比较电路和微控制单元，比较电路的两个输入端可以是第二温度传感器22以及第三温度传感器23，微控制单元根据比较电路的输出结构，得到第二温度传感器22以及第三温度传感器23检测到的温度的差值，从而计算出气体流量。
可选地，在上述技术方案的基础上，参见图6，信号处理单元50与至少一个环境参数传感器30电连接，用于确定环境参数。信号处理单元50示例性的，可以包括模数转换器，将环境参数传感器30输出的模拟量转为数字量，和微控制单元根据模数转换器输出的数字量，确定环境参数。
可选地，在上述技术方案的基础上，参见图6，信号处理单元50集成在基底10上。
需要说明的是，在上述技术方案的基础上，参见图7，信号处理单元50还可以单独形成在基底10外部，与基层在基底上的流量传感器20以及至少一个环境参数传感器30电连接，来得到气体流量和环境参数。
基于同一发明构思，本实施例还提供了一种智能气体流量仪表，包括上述技术方案中任意一种MEMS气体流量检测芯片。
本实施例中的智能气体流量仪表包括上述技术方案中任意一种MEMS气体流量检测芯片，其中，将流量传感器20以及至少一个环境参数传感器30集成在基底10的正面，形成一个MEMS气体流量检测芯片，无需在气体流量仪表上加装各种探测仪表或将多种分离的传感器贴在同一或不同基板上，仅仅通过单颗芯片完成流量以及多种环境参数的测量，降低了气体流量仪表的生产成本、体积以及功耗，避免了多种器件之间的干扰会影响仪表的测量精度和可靠性的问题，以解决现有技术中气体流量仪表不能实现气体，尤其是可燃性气体以及有毒气体的环境参数实时监控的技术问题。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (14)
1.一种MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，包括：
基底；
流量传感器以及至少一个环境参数传感器集成在所述基底的正面。
2.根据权利要求1所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述基底包括硅基材料或者玻璃基材料。
3.根据权利要求1所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，至少一个所述环境参数传感器包括第一温度传感器、压力传感器、湿度传感器、气体浓度传感器以及加速度传感器中的一个或多个。
4.根据权利要求3所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述基底的正面设置有至少一个第一凹槽；悬空结构，设置在所述第一凹槽之上。
5.根据权利要求4所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述悬空结构覆盖至少部分所述基底除去所述第一凹槽的部分。
6.根据权利要求4所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述悬空结构包括悬臂结构或者桥式结构，在气体流向的方向上，气体通过所述第一凹槽未被所述悬空结构覆盖的第一部分，进入所述第一凹槽，从所述第一凹槽未被所述悬空结构覆盖的第二部分穿出。
7.根据权利要求4所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述流量传感器、湿度传感器、气体浓度传感器以及加速度传感器中的一个或多个，设置在所述悬空结构之上。
8.根据权利要求3所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述基底的背面设置有至少一个第二凹槽，所述流量传感器、所述压力传感器、所述湿度传感器、以及所述气体浓度传感器中的一个或多个，分别位于所述第二凹槽之上。
9.根据权利要求1所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述流量检测单元包括至少一个加热单元以及至少一对第二温度传感器和第三温度传感器，每对所述第二温度传感器和所述第三温度传感器关于一所述加热单元对称设置。
10.根据权利要求9所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述加热单元与加热装置电连接。
11.根据权利要求9所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，还包括信号处理单元，分别与所述第二温度传感器以及所述第三温度传感器电连接，计算出气体流量。
12.根据权利要求11所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述信号处理单元与至少一个所述环境参数传感器电连接，用于确定所述环境参数。
13.根据权利要求11或12所述的MEMS气体流量检测芯片，其特征在于，所述信号处理单元集成在所述基底上，或者单独形成在基底外部。
14.一种智能气体流量仪表，其特征在于，包括权利要求1-13任一所述MEMS气体流量检测芯片。
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