CN113093819A - 一种高精度微型气体流量控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体流量检测技术领域，具体涉及一种高精度微型气体流量控制器，所述封装管帽固定在封装管壳上，所述封装管帽为中空结构，所述封装管帽的一端设有进气口，所述封装管帽的另一端设有出气口，所述封装管帽的内部设置有硅衬底，所述硅衬底固定在封装管壳上，所述硅衬底上设置有绝缘层，所述绝缘层和保护膜之间分别设置有温敏元件、加热元件和金属电极，所述温敏元件、加热元件分别连接有金属电极。本发明利用包含具有优良特性的新材料石墨烯，通过内部桥路，大大的提高了热式传感器的灵敏度，并且由于石墨烯材料的高热导率，有效的提高了器件的响应速度，可应用于微量气体流量范围检测，实现对气体流量的控制。

Description

一种高精度微型气体流量控制器

技术领域

本发明属于气体流量检测技术领域，具体涉及一种高精度微型气体流量控制器。

背景技术

微纳卫星是近些年空间技术的热点，具有体积小、功耗低、技术含量高、研制周期短、研制费用低等优点，除了在通信、遥感、电子侦察等领域获得了较为广泛的应用，微纳卫星的应用已经拓展到了导航领域、技术试验领域、空间对抗领域、体系概念创新领域、工程培训领域等领域。微小卫星还可以作为伴随卫星，围绕空间站或其他空间飞行器飞行，并对其进行观察、检测服务。这些微小卫星均需要有良好的姿态控制和轨道调整能力，在微型化的推进系统中对燃烧气体流量的控制显得尤为重要。在市面上存在的气体流量传感器，具有精度高，自动调节等特点，但是在空间的振动与热环境中普遍不适用。

在申请号为：CN103207626A的发明专利中公开了一种用于空间燃烧实验的气体流量控制系统及方法，虽提及了气体流量控制系统但并未对其设计，指出传统热式质量流量计的电阻丝容易被振动振断问题并未对其解决。

在申请号为：CN101445160A的发明专利中公开了一种用于微纳卫星的微型液体燃料推进系统，虽解决了传统燃料卫星推进系统采用高压气瓶对燃料进行加压，结构笨重的缺陷，但对燃料的精确控制与气体检测不足。

发明内容

针对上述的技术问题，本发明提供了一种灵敏度高、响应速度快、适用性广的高精度微型气体流量控制器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高精度微型气体流量控制器，包括封装管帽、封装管壳、进气口、出气口、硅衬底、绝缘层、保护膜、温敏元件、加热元件、金属电极、引线、引线保护层和引线柱，所述封装管帽固定在封装管壳上，所述封装管帽为中空结构，所述封装管帽的一端设有进气口，所述封装管帽的另一端设有出气口，所述封装管帽的内部设置有硅衬底，所述硅衬底固定在封装管壳上，所述硅衬底上设置有绝缘层，用于对温敏元件和加热元件进行电隔离，所述绝缘层上设置有保护膜，用于对温敏元件和加热元件进行表面钝化保护，所述绝缘层和保护膜之间分别设置有温敏元件、加热元件和金属电极，所述温敏元件、加热元件分别连接有金属电极，所述金属电极连接有引线，所述引线外部设置有引线保护层，所述引线穿过引线柱，所述引线柱设置在引线保护层下方，所述引线柱设置在封装管壳内。

所述硅衬底上设置有多孔硅，用于减少热的传导。

所述温敏元件采用蛇形石墨烯电阻，所述温敏元件设置有两组，所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，两组温敏元件的两端分别连接有第一金属电极，两组温敏元件通过第一金属电极连接电桥放大电路，将电信号输出。

所述加热元件采用多晶硅材料，所述加热元件的两端分别连接有第二金属电极，通过第二金属电极将电能输入加热元件变成热能，创造一个恒定的温度场。

所述第一金属电极和第二金属电极均采用铜材料，所述第一金属电极和第二金属电极固定连接在焊盘上，所述第一金属电极、第二金属电极与焊盘通过引线键合形成的互连引线连接。

所述封装管壳的外侧面设有外螺纹。

所述绝缘层采用二氧化硅绝缘层。

所述保护膜采用氮化硅薄膜。

所述引线保护层采用环氧树脂。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过加热元件作用左侧上游蛇形石墨烯电阻与右侧下游蛇形石墨烯电阻，在没有气体流动时上游与下游温度对称分布，带有介孔多孔硅的硅衬底，可以有效的减少热传导，减小损耗提升测量精度；二氧化硅将温敏元件与加热元件进行电隔离保护，避免外界电磁干扰，氮化硅将温敏元件和加热元件与外界环境隔绝，提高抗氧化能力和抗腐蚀的能力；当气体流动引起左侧上游蛇形石墨烯电阻的温度减小，右侧下游蛇形石墨烯电阻温度增大，形成一个温度差，温度变化导致石墨烯电阻变化，通过金属电极连接电桥放大电路输出放大后的电压，根据电压大小以及气体参数，封装内壳参数，可以计算出流量流速大小，从而实现对整个控制器气体流量的控制。本发明在原有热式传感器基础上，利用包含具有优良特性的新材料石墨烯，通过内部桥路，大大的提高了热式传感器的灵敏度，并且由于石墨烯材料的高热导率，有效的提高了器件的响应速度，可应用于微量气体流量范围检测，实现对气体流量的控制，是十分理想的流量控制器。

附图说明

图1为本发明实施例的外观立体示意图；

图2为本发明实施例的整体结构截面图；

图3为本发明实施例的温敏元件与加热元件整体结构俯视图。

其中：1为封装管帽，2为封装管壳，3为进气口，4为出气口，5为硅衬底，6为绝缘层，7为保护膜，8为温敏元件，9为加热元件，10为金属电极，11为引线，12为引线保护层，13为引线柱，14为多孔硅，15为焊盘，101为第一金属电极，102为第二金属电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种高精度微型气体流量控制器，如图1、图2所示，包括封装管帽1、封装管壳2、进气口3、出气口4、硅衬底5、绝缘层6、保护膜7、温敏元件8、加热元件9、金属电极10、引线11、引线保护层12和引线柱13，封装管帽1固定在封装管壳2上，封装管帽1为中空结构，封装管帽1的一端设有进气口3，封装管帽1的另一端设有出气口4，封装管帽1的内部设置有硅衬底5，硅衬底5固定在封装管壳2上，硅衬底5上设置有绝缘层6，用于对温敏元件8和加热元件9进行电隔离，绝缘层6上设置有保护膜7，用于对温敏元件8和加热元件9进行表面钝化保护，保护膜7将温敏元件8和加热元件9与外界环境隔绝，提高抗氧化能力和抗腐蚀的能力。绝缘层6和保护膜7之间分别设置有温敏元件8、加热元件9和金属电极10，温敏元件8、加热元件9分别连接有金属电极10，金属电极10连接有引线11，引线11外部设置有引线保护层12，引线11穿过引线柱13，引线柱13设置在引线保护层12下方，引线柱13设置在封装管壳2内，用于对引线保护。

进一步，优选的，硅衬底3上设置有多孔硅14，不仅可以提高结构强度也可以减小热导率，减小损耗提升测量精度，纳米孔硅等表面积大热导率低的也可以选择使用。

进一步，优选的，温敏元件8采用蛇形石墨烯电阻，具有较高的温度系数，将石墨烯电阻制作为蛇形结构，可在较大的温度范围内拥有良好的线性度和重复性，实现高精度测量。如图3所示，温敏元件8设置有两组，用于检测气流流过带来的温度变化，金属电极10包括第一金属电极101和第二金属电极102，两组温敏元件8的两端分别连接有第一金属电极101，两组温敏元件8通过第一金属电极101连接电桥放大电路，将电信号输出。左侧蛇形石墨烯电阻随着气流流入温度降低，右侧石墨烯电阻随着气流流入温度升高，随着气流流速稳定，两组石墨烯电阻形成一个稳定的温度差，电阻感知温度变化并在相连的外部桥路放大电路中输出电压变化，从而达到检测流量目的。

进一步，优选的，加热元件9采用多晶硅材料，加热元件9的两端分别连接有第二金属电极102，通过第二金属电极102将电能输入加热元件9变成热能，创造一个恒定的温度场。

进一步，优选的，第一金属电极101和第二金属电极102均采用铜材料，第一金属电极101和第二金属电极102固定连接在焊盘15上，第一金属电极101、第二金属电极102与焊盘15通过引线11键合形成的互连引线连接。

进一步，优选的，封装管壳2的外侧面设有外螺纹，可以与外部器件进行固定连接。

进一步，优选的，绝缘层6采用二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层将温敏元件8与加热元件9进行电隔离保护，避免外界电磁干扰。

进一步，优选的，保护膜7采用氮化硅薄膜，具有良好的介电特性、高绝缘性和高致密性，并具有超强的抗氧化能力和抗腐蚀的能力，可以有效的阻挡水和杂质离子的扩散，在很多微器件中得到了应用，是一种很好的钝化保护薄膜，加热元件与温敏元件对外界气氛较为敏感，因而严重的影响半导体器件的特性，为了提高器件的可靠性和稳定性，必须采用表面钝化技术对表面进行有效的保护，故选用氮化硅薄膜保护。

进一步，优选的，引线保护层12采用环氧树脂，可以防止湿气等由外部侵入，对引线11有效的保护，其他对引线有效保护树脂也可以选用。

本发明的工作原理为：当没有气流通过时，上下游蛇形石墨烯电阻对称分布，由于加热电阻的作用，处于气流上下游的蛇形石墨烯电阻大小相等且电桥电路平衡，当有气体从入口进入气体流量控制器时，上游石墨烯电阻感知温度减小，下游石墨烯感知电阻温度增大，温度变化引起电导率变化从而导致电阻发生变化，由惠斯通电桥检测两组石墨烯电阻的差值，求得两组石墨烯电阻的温度差，具体的计算可依据托马斯提出的“气体的放热量与该气体的质量流量成正比”原理按下式求出质量流量q_m:

式中C_P为被测流体介质的定压比热容；A为温敏电阻与周围环境之间的热传导系数；K为仪表常数；在工作环境不变的条件下其热导率系数的值基本不变，故可以将A(热传导系数)的变化简化为流体边界层热导率的变化。其中A、C_P在流体处于某一流量范围时均可视为常量，此时流体流速与温度传感器温差存在如式所示的关系：

式中T_CONST是与流体性质及边界相关的常数，v为气体流速。由此可知，上、下游温度传感器温差与流体流速的均方根成正比。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，本实施例出现的各部件材料均可以由其他材料代替，并且说明书附图中的图形的形状并不限于上述实施例，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：包括封装管帽(1)、封装管壳(2)、进气口(3)、出气口(4)、硅衬底(5)、绝缘层(6)、保护膜(7)、温敏元件(8)、加热元件(9)、金属电极(10)、引线(11)、引线保护层(12)和引线柱(13)，所述封装管帽(1)固定在封装管壳(2)上，所述封装管帽(1)为中空结构，所述封装管帽(1)的一端设有进气口(3)，所述封装管帽(1)的另一端设有出气口(4)，所述封装管帽(1)的内部设置有硅衬底(5)，所述硅衬底(5)固定在封装管壳(2)上，所述硅衬底(5)上设置有绝缘层(6)，用于对温敏元件(8)和加热元件(9)进行电隔离，所述绝缘层(6)上设置有保护膜(7)，用于对温敏元件(8)和加热元件(9)进行表面钝化保护，所述绝缘层(6)和保护膜(7)之间分别设置有温敏元件(8)、加热元件(9)和金属电极(10)，所述温敏元件(8)、加热元件(9)分别连接有金属电极(10)，所述金属电极(10)连接有引线(11)，所述引线(11)外部设置有引线保护层(12)，所述引线(11)穿过引线柱(13)，所述引线柱(13)设置在引线保护层(12)下方，所述引线柱(13)设置在封装管壳(2)内。

2.根据权利要求1所述的一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：所述硅衬底(3)上设置有多孔硅(14)，用于减少热的传导。

3.根据权利要求1所述的一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：所述温敏元件(8)采用蛇形石墨烯电阻，所述温敏元件(8)设置有两组，所述金属电极(10)包括第一金属电极(101)和第二金属电极(102)，两组温敏元件(8)的两端分别连接有第一金属电极(101)，两组温敏元件(8)通过第一金属电极(101)连接电桥放大电路，将电信号输出。

4.根据权利要求3所述的一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：所述加热元件(9)采用多晶硅材料，所述加热元件(9)的两端分别连接有第二金属电极(102)，通过第二金属电极(102)将电能输入加热元件(9)变成热能，创造一个恒定的温度场。

5.根据权利要求3所述的一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：所述第一金属电极(101)和第二金属电极(102)均采用铜材料，所述第一金属电极(101)和第二金属电极(102)固定连接在焊盘(15)上，所述第一金属电极(101)、第二金属电极(102)与焊盘(15)通过引线(11)键合形成的互连引线连接。

6.根据权利要求1所述的一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：所述封装管壳(2)的外侧面设有外螺纹。

7.根据权利要求1所述的一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：所述绝缘层(6)采用二氧化硅绝缘层。

8.根据权利要求1所述的一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：所述保护膜(7)采用氮化硅薄膜。

9.根据权利要求1所述的一种高精度微型气体流量控制器，其特征在于：所述引线保护层(12)采用环氧树脂。

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