CN111751571B - 基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，包括：传导转换元件中包括至少一个能弹性弯曲的传导转换元件；衬底的表面覆盖设置绝缘层；每个传导转换元件的一端与衬底固定连接，另一端为自由端，呈悬臂梁结构横向设置在衬底上；各传导转换元件均处于绝缘层上方；全部的传导转换元件在衬底上呈多米诺骨牌的布置方式排布，其中的能弹性弯曲的传导转换元件的自由端能在气流作用下发生形变与相邻的传导转换元件导电接触；各传导转换元件能与外接电路连接组成闭合回路。本发明的流速传感器可做为流量开关使用，也可以做检测气体流速的传感器使用。本发明传感器的结构简单，优势可观，在零功耗，小型化的领域将有大用处。
Description
技术领域
本发明涉及微机械电子器件领域，具体涉及一种基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器。
背景技术
流速、流量传感器与人们的生活息息相关，在生物、医学、汽车等行业得到广泛应用，目前对于流速、流量传感器的功耗、灵敏度、精确度等要求越来越高。为了适应行业发展的需求，未来的流量传感器会朝着多功能化、集成化发展，从大型器件、高功耗往器件小型化、低功耗甚至零功耗发展。
随着近年来半导体行业的大力发展以及微机电系统技术(MEMS)的进步，流速、流量传感器的也随之有了巨大的进步。采用MEMS技术的流速、流量传感器可以分为热式和非热式两种形式，然而在传感器功耗方面，总是存在功耗大，精确度低等问题。
而在如电子烟、呼吸机等一些特定的应用场合中，流速、流量传感器的功耗、灵敏度等十分重要，因此对于这些场合下，如何提供一种尺寸小、功耗低、甚至零功耗、灵敏度、精确度的流速、流量传感器是需要解决的问题。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，能解决现有流速、流量传感器，所存在的功耗大，精确度低等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，包括：
衬底、绝缘层和至少两个传导转换元件；其中，
所述传导转换元件中包括至少一个能弹性弯曲的传导转换元件；
所述衬底的表面覆盖设置所述绝缘层；
每个传导转换元件的一端与所述衬底固定连接，另一端为自由端，呈悬臂梁结构横向设置在所述衬底上；
各传导转换元件均处于所述绝缘层上方；
全部的传导转换元件在所述衬底上呈多米诺骨牌的布置方式排布，其中的能弹性弯曲的传导转换元件的自由端能在气流作用下发生形变与相邻的传导转换元件导电接触；
各传导转换元件能与外接电路连接组成闭合回路。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，其有益效果为：
每个弹性弯曲的传导转换元件采用悬臂梁结构横向设置在衬底上，且全部的弹性弯曲的传导转换元件采用多米诺骨牌排列方式布置，传感器在初始时可以做到零功耗，以及后续输出响应提高，灵敏度提高。该传感器可利用MEMS工艺制造，具有结构简单、体积小、可批量生产的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器的示意图；
图2为本发明实施例提供的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器的侧视示意图；
图3为本发明实施例提供的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器的俯视示意图；
图4为本发明实施例提供的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器的基本闭合电路示意图，其中，(1)为无气流状态的流速传感器的状态示意图；(2)为低气流状态的流速传感器的状态示意图；(3)为高气流状态的流速传感器的状态示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种结构的流速传感器的基本闭合电路示意图，其中， (1)为无气流状态的流速传感器的状态示意图；(2)为有气流状态的流速传感器的状态示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种结构的流速传感器的基本闭合电路示意图，其中， (1)为无气流状态的流速传感器的状态示意图；(2)为有气流状态的流速传感器的状态示意图；
图7为本发明检测电路量表不同排放示意图，其中，(1)为直流电供电的流速传感器的状态示意图；(2)为交流电供电的流速传感器的状态示意图；；
图中各标记对应的部件为：1-衬底；2-绝缘层；3-传导转换元件；4-支撑结构。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1至图3所示，本发明实施例提供一种基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，包括：
衬底、绝缘层和至少两个传导转换元件；其中，
所述传导转换元件中包括至少一个能弹性弯曲的传导转换元件；优选的，其他的传导转换元件可采用刚性结构传导转换元件；
所述衬底的表面覆盖设置所述绝缘层；
每个传导转换元件的一端与所述衬底固定连接，另一端为自由端，呈悬臂梁结构横向设置在所述衬底上；
各传导转换元件均处于所述绝缘层上方；
全部的传导转换元件在所述衬底上呈多米诺骨牌的布置方式排布，其中的能弹性弯曲的传导转换元件的自由端能在气流作用下发生形变与相邻的传导转换元件导电接触；
各传导转换元件能与外接电路连接组成闭合回路。
上述流速传感器中，能弹性弯曲的传导转换元件由弹性支撑结构表面设置一层金属沉积层构成。优选的，金属沉积层为金沉积层或铂沉积层。这种能弹性弯曲的传导转换元件一端固定，另一端为自由端，当气流吹向金属片时，自由端会发生和气流流向的反方向弯曲，气流流速越大，弯曲形变量也就越大。传导转换元件弹性弯曲程度与检测气流的流速相匹配，若检测精度高，则采用在弱气流流速下易弹性弯曲的传导转换元件，若检测精度低，则采用在强气流流速下才能弹性弯曲的传导转换元件。
上述流速传感器中，刚性结构传导转换元件由刚性支撑结构表面设置一层金属沉积层构成。优选的，金属沉积层为金沉积层或铂沉积层。
上述流速传感器中，呈多米诺骨牌布置方式排布的各传导转换元件的长度不相同，按检测气流流动方向各传导转换元件的长度依次递减。
上述流速传感器中，呈多米诺骨牌布置方式排布的各传导转换元件的长度不相同，按检测气流流动方向，第一个传导转换元件为能弹性弯曲的传导转换元件，后续的传导转换元件均为刚性结构的传导转换元件，各刚性结构的传导转换元件按长度从短到长的方式排布设置在第一个能弹性弯曲的传导转换元件的后面。
上述流速传感器中，呈多米诺骨牌布置方式排布的各能弹性弯曲的传导转换元件的长度相同。
本发明的流速传感器的工作原理为：作为敏感转换元件的能弹性弯曲的传导转换元件排布方式根据多米诺骨牌的排布原理合理放置，然后结合欧姆定律，将能弹性弯曲的传导转换元件与外部电路连接组成一个简单的闭合回路。具体如下，利用一个简单的串联电阻电路，其中一个电阻切断，分成两个部分，一个部分在前，一个部分在后，前端靠近流量入口，后端用于后续部分的电阻并联。当通道中存在气流时，前端的能弹性弯曲的传导转换元件弯曲和后端的能弹性弯曲的传导转换元件接触，电路导通，输出信号产生，由电压或者电流表显示；当通道内的气流继续增大时，后端能弹性弯曲的传导转换元件的并联能弹性弯曲的传导转换元件会陆续接触到电路中，根据电阻越并联越小的定律，则信号越强，表明流速越大。读出原理：基于电路原理的知识，可采用直流供电或者交流供电的方式，利用电压表或者电流表读出主路或者支路的数值，根据比对数值得出流量(流速)的值。
本发明流速传感器，由于无气流的待机状态，作为电阻的各能弹性弯曲的传导转换元件是不接触的，不会产生耗电，具有待机零功耗、结构简单、体积小、低功耗以及输出信号强、灵敏度高的特点。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
实施例1
参见图1至图3，本实施例的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器包括：衬底 1、绝缘层2和至少两个传导转换元件3；其中，两个传导转换元件3均采用能弹性弯曲的传导转换元件，能弹性弯曲的传导转换元件是在支撑结构4表面设置金属沉积层形成的能弹性弯曲的导电结构体；
其中，绝缘层2设置在衬底1的上表面；
能弹性弯曲的传导转换元件3设置在衬底上，处于绝缘层1上表面；能弹性弯曲的传导转换元件3一端固定在衬底上，另一端为自由端，横向设置在衬底上形成一种悬臂梁结构；
全部的能弹性弯曲的传导转换元件3在衬底的绝缘层上面按多米诺骨牌的排布方式布置，一个能弹性弯曲的传导转换元件3能在气流作用下弯曲形变与相邻的能弹性弯曲的传导转换元件3接触导电；
各能弹性弯曲的传导转换元件3与外部电路连接形成闭环电路。
上述的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器的制备工艺如下：
a：在衬底表面淀积一层绝缘层；
b：涂敷牺牲层并刻蚀；
d：在牺牲层表面淀积一层厚膜介质层并刻蚀，形成支撑结构；
e：在支撑结构表面沉积一层金属并刻蚀，形成金属沉积层，支撑结构和金属沉积层构成能弹性弯曲的传导转换元件；
f：腐蚀牺牲层，释放结构，在衬底表面的绝缘层上形成按多米诺骨牌的排布方式布置的多个能弹性弯曲的传导转换元件。
本实施例的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器的工作过程为：
当管道流量的方向垂直于敏感元件表面时，如图4所示，当较小的气体通入时敏感元件R1(即第一个能弹性弯曲的传导转换元件)会发生弯曲与敏感元件R2(即第二个能弹性弯曲的传导转换元件)接触，使得基本的电路导通，此时电路中各种测量表会出现读数；继续加大气流，敏感元件R2也会发生弯曲，使得R1、R2、R3(R3为第三个能弹性弯曲的传导转换元件)同时接触，R2、R3接触形成的是两个电阻的并联，这样电路的总阻值减小，测量的仪表数值就会发生变化，后续的敏感元件依次接触，依次类推，从而检测出流量(流速)。
本发明的流速传感器可做为流量开关使用，也可以做检测气体流速的传感器使用。本发明传感器的结构简单，优势可观，在零功耗，小型化的领域将有大用处。
实施例2
参见图1和图5，本实施例的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器包括：衬底 1、绝缘层2和能弹性弯曲的传导转换元件3；与实施例1的流速传感器的区别：是各能弹性弯曲的传导转换元件3处于和气流垂直排布，即竖向排布，具有较大的横截面积，其他与实施例1的流速传感器的结构基本相同。
这种结构的原理过程为，从上往下，根据敏感元件前后两者之间的间距不同，即图5 中，敏感元件R1(即第一个能弹性弯曲的传导转换元件)和敏感元件R2(即第二个能弹性弯曲的传导转换元件)的长度以及之间的距离小于R3(即第三个能弹性弯曲的传导转换元件)和R4(即第四个能弹性弯曲的传导转换元件)，从而会在风速较小时，R1和R3均发生弯曲的情况下，R1和R2先接触；随着气流的不断增大，R3和R4也会随之接触，从而电路导通，根据电路中阻抗的变化，导致输出信号的改变，从而一一分辨出流速信号。图5中的敏感元件仅为一部分，可以增加竖向排列的敏感元件(即能弹性弯曲的传导转换元件)组合数目，从而增加传感器的检测范围和精确程度。
实施例3
参照图1和图6，本实施例的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器包括：衬底 1、绝缘层2和能弹性弯曲的传导转换元件3；与实施例1的流速传感器的区别：是最前面敏感元件R1是一个为能弹性弯曲的传导转换元件3，能在需要时发生弯曲形变，后面的敏感元件选择固定结构，即为刚性结构的传导转换元件。
这种结构的原理过程为，首先感知风力的最前面一个敏感元件R1，根据风速的大小，发生不同程度的弯曲，从而和后续的敏感元件R2、R3、R4(这些敏感元件是刚性结构)依次接触，电路导通并且电路的阻抗依次发生改变，从而输出信号发生变化，可分辨出流速信号。此种结构，仅存在一种可动元件，提高了器件性能。
实施例4
参照图7，本实施例的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器包括：衬底1、绝缘材料层2和敏感可弹性弯曲的传导转换元件3；其结构与实施例3的流速传感器基本相同。不同的是：是针对信号精确度提高的一种改良结构，通过在器件检测电路中，特定位置加入检测单元，精确输出测量改变的信号。图7所示，以第三种结构为例，在电路的支路中，同时也加入检测元件，分别测量输出信号的变化，降低误差。
同时在供电电源方面，采用了交流电源U进行电路的供电，交流电的采用，可以在某些层次上减小测量误差，提高传感器的精确度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，其特征在于，包括：
衬底、绝缘层和至少两个传导转换元件；其中，
所述传导转换元件中包括至少一个能弹性弯曲的传导转换元件；
所述衬底的表面覆盖设置所述绝缘层；
每个传导转换元件的一端与所述衬底固定连接，另一端为自由端，呈悬臂梁结构横向设置在所述衬底上；
各传导转换元件均处于所述绝缘层上方；
全部的传导转换元件在所述衬底上呈多米诺骨牌的布置方式排布，其中的能弹性弯曲的传导转换元件的自由端能在气流作用下发生形变与相邻的传导转换元件导电接触；
各传导转换元件能与外接电路连接组成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，其特征在于，所述能弹性弯曲的传导转换元件由弹性支撑结构表面设置一层金属沉积层构成。
3.根据权利要求2所述的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，其特征在于，所述金属沉积层为金沉积层或铂沉积层。
4.根据权利要求1或2所述的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，其特征在于，呈多米诺骨牌布置方式排布的各传导转换元件的长度不相同，按检测气流流动方向各传导转换元件的长度依次递减。
5.根据权利要求1或2所述的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，其特征在于，呈多米诺骨牌布置方式排布的各传导转换元件的长度不相同，按检测气流流动方向，第一个传导转换元件为能弹性弯曲的传导转换元件，后续的传导转换元件均为刚性结构的传导转换元件，各刚性结构的传导转换元件按长度从短到长的方式排布设置在第一个能弹性弯曲的传导转换元件的后面。
6.根据权利要求1或2所述的基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器，其特征在于，呈多米诺骨牌布置方式排布的各能弹性弯曲的传导转换元件的长度相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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