CN115165005A - 一种mems流量传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS流量传感器及其制备方法,MEMS流量传感器包括衬底、绝缘层、线圈、转子和固定轴;所述衬底具有相对的第一表面和第二表面,所述衬底的第一表面覆盖所述绝缘层;所述线圈设置于所述绝缘层远离所述衬底的一侧;所述固定轴固定于所述绝缘层的上侧,所述转子设置于所述固定轴,且所述转子与所述固定轴转动连接;所述转子位于线圈的内侧,且所述转子具有磁性;所述转子在流体的作用下转动时,所述线圈在所述转子的磁场中做切割磁感线运动并产生瞬时电动势,根据所述瞬时电动势获取流体的流量。本发明的一个技术效果在于,设计合理,测量精度较高,且成本较低。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域,具体涉及一种MEMS流量传感器及其制备方法。
背景技术
流量传感器用于对气体或液体的流量进行测量,其广泛应用于环境流量感测、工业气体流量监控、生物医学应用中的流量感测和海洋流体动力感测等领域。相比于传统的流量传感器,基于MEMS技术的流量传感器具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高、易于集成等特点。目前常见的MEMS流量传感器主要为MEMS热式流量传感器,其核心部件为热电堆和加热器,使用过程中需要加热器持续加热以检测流体作用下的温度分布差异,这导致MEMS流量传感器持续工作时具有较大的能耗。同时,由于MEMS流量传感器的器件热导率会随流体流量变化而变化,这会导致测量结果出现偏差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一,提供一种MEMS流量传感器及其制备方法的新技术方案。
根据本发明的第一方面,提供了一种MEMS流量传感器,包括:
衬底和绝缘层,所述衬底具有相对的第一表面和第二表面,所述衬底的第一表面覆盖所述绝缘层;
线圈,所述线圈设置于所述绝缘层远离所述衬底的一侧;
转子和固定轴,所述固定轴固定于所述绝缘层的上侧,所述转子设置于所述固定轴,且所述转子与所述固定轴转动连接;所述转子位于线圈的内侧,且所述转子具有磁性;
所述转子在流体的作用下转动时,所述线圈在所述转子的磁场中做切割磁感线运动并产生瞬时电动势,根据所述瞬时电动势获取流体的流量。
可选地,MEMS流量传感器还包括定位环;所述转子位于所述固定轴的中部,两个所述定位环分别设置于所述转子的相对两侧并对转子进行限位;所述定位环与所述固定轴固定连接。
可选地,所述转子包括沿固定轴的周向均匀分布的多个扇叶。
可选地,所述固定轴、所述定位环、所述转子均采用3D打印一次成型。
可选地,所述衬底的第一表面设置有第一凹槽,所述衬底的第二表面设置有第二凹槽,所述第一凹槽与所述第二凹槽连通,所述绝缘层覆盖所述第一凹槽的内侧壁和底壁;
所述固定轴的两端分别固定于所述第一凹槽的底壁,且部分所述转子嵌射于所述第二凹槽中。
可选地,所述第一凹槽位于所述第一表面的中部,所述第二凹槽位于所述第二表面的中部。
可选地,所述线圈为螺旋结构,且所述线圈的材质为Ti、Au、Cu、Pt中的至少一种,且所述线圈的厚度为50nm-500nm。
根据本发明的第二方面,提供了一种MEMS流量传感器的制备方法,其特征在于,用于制备上述的MEMS流量传感器,包括如下步骤:
步骤100,对衬底的第一表面进行刻蚀形成第一凹槽,对衬底的第二表面进行刻蚀形成第二凹槽,所述第一凹槽和所述第二凹槽连通;
步骤200,在所述衬底的第一表面以及所述第一凹槽的内侧壁和底壁形成绝缘层;
步骤300,在绝缘层的表面制备线圈;
步骤400,将转子安装于固定轴的中部,并将固定轴的两端分别固定于第一凹槽的底壁;其中,所述转子位于所述线圈的内侧,且部分所述转子嵌设于所述第二凹槽中。
可选地,在步骤400中,首先,采用3D打印的方法制备固定轴、转子以及定位环;然后,将转子安装于固定轴的中部;接着,将两个定位环分别安装至转子的相对两侧;最后,将固定轴的两端分别粘接在第一凹槽的底壁上。
可选地,所述衬底的厚度为500μm;所述第一凹槽的深度为200μm,所述第二凹槽的深度为300μm。
本发明的一个技术效果在于:
在本发明实施例中,衬底的第一表面覆盖绝缘层,线圈设置于绝缘层远离衬底的一侧;固定轴固定于绝缘层的上侧,转子设置于固定轴,且转子与固定轴转动连接;转子位于线圈的内侧,且转子具有磁性。当转子在流体的作用下转动时,线圈在转子的磁场中做切割磁感线运动并产生瞬时电动势,根据瞬时电动势获取流体的流量。
因此,该MEMS流量传感器利用电磁感应的工作原理,无需外部供电,转子可以在流体作用下自由转动并由线圈输出顺势电动势,进而实现对流体的流量进行测量,功耗较低。而且,该MEMS流量传感器结构设计合理,体积较小,有效地降低传感器对流体的干扰,测量结果更加准确,其不会因为流量变化导致传感器性能下降,性能更加稳定。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种MEMS流量传感器的结构示意图;
图2为本发明一实施例的一种MEMS流量传感器的俯视图;
图3为本发明一实施例的一种MEMS流量传感器的转子、固定轴、定位环的结构示意图;
图4为本发明一实施例的一种MEMS流量传感器的第一凹槽的结构示意图;
图5为本发明一实施例的一种MEMS流量传感器的第二凹槽的结构示意图;
图6为本发明一实施例的一种MEMS流量传感器的绝缘层的结构示意图;
图7为本发明一实施例的一种MEMS流量传感器的线圈的结构示意图。
图中:1、衬底;11、第一凹槽;12、第二凹槽;2、绝缘层;3、线圈;4、转子;41、扇叶;5、固定轴;6、定位环。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
下面将详细描述本申请的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。此外,说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一,字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“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申请中的具体含义。
参见图1至图7所示,根据本发明的第一方面,提供了一种MEMS流量传感器,其用于对流体的流量进行测量。其中,流体可以为液体,也可以为气体。
具体地,该MEMS流量传感器包括衬底1、绝缘层2、线圈3、转子4和固定轴5。其中,所述衬底1的材料包括但不限于单晶硅、玻璃和树脂等材料,厚度在200μm-5000μm,从而有助于缩小MEMS流量传感器的质量和体积,便于实现MEMS流量传感器的小型化设计。
优选地,绝缘层2的材料可以为二氧化硅或氮化硅的至少一种,厚度为100nm-1000nm。这使得绝缘层2能够有效地实现线圈3与衬底1的电隔离,绝缘效果较好,有助于保证MEMS流量传感器的性能的稳定性。
进一步具体地,参见图1和图2,所述衬底1具有相对的第一表面和第二表面,所述衬底1的第一表面覆盖所述绝缘层2;所述线圈3设置于所述绝缘层2远离所述衬底1的一侧;所述固定轴5固定于所述绝缘层2的上侧,所述转子4设置于所述固定轴5,且所述转子4与所述固定轴5转动连接,也即,流体能够流动并驱动转子4相对于固定轴5转动;所述转子4位于线圈3的内侧,且所述转子4具有磁性,即,线圈3位于转子4的磁场范围内;所述转子4在流体的作用下转动时,所述线圈3在所述转子4的磁场中做切割磁感线运动并产生瞬时电动势,流体流量越大,转子4转动的越快,产生的瞬时电动势也就越大,从而实现对流体流量的测量,因此,可以根据所述瞬时电动势准确地获取流体的流量。
需要说明的是,本申请对MEMS流量传感器的安装位置不做限定,只要满足流动的流体与转子4接触,并能驱动转子4转动即可。
在本申请实施例中,该MEMS流量传感器利用电磁感应的工作原理,无需外部供电,转子4可以在流体作用下自由转动并由线圈3输出顺势电动势,进而实现对流体的流量进行测量,功耗较低。而且,该MEMS流量传感器结构设计合理,体积较小,有效地降低传感器对流体的干扰,测量结果更加准确,其不会因为流量变化导致传感器性能下降,性能更加稳定。
可选地,MEMS流量传感器还包括定位环6;所述转子4位于所述固定轴5的中部,两个所述定位环6分别设置于所述转子4的相对两侧并对转子4进行限位;所述定位环6与所述固定轴5固定连接。
在上述实施方式中,定位环6能够对转子4的位置进行限位,有效地防止转子4在转动的过程中沿固定轴5发生晃动,保证了转子4转动过程的稳定性,从而有助于保证线圈3中产生瞬时电动势的稳定性,进而保证了流体的流量测量的准确性。
可选地,所述转子4包括沿固定轴5的周向均匀分布的多个扇叶41。这有助于保证流动的流体能够较好地驱动转子4转动,进而实现对流体的流量进行精确地测量。
例如,转子4的扇叶41的数量为八片,其能够在流体的作用下相对于固定轴5转动,从而产生变化的磁场。
可选地,所述固定轴5、所述定位环6、所述转子4均采用3D打印一次成型。这使得固定轴5、定位环6、转子4制作方式比较简单,同时也有助于实现三者之间的精确装配,保证了转子4在流体的作用下转动的准确性和稳定性。
例如,固定轴5的材料包括但不限于光敏树脂、尼龙、铝合金等,从而便于实现3D打印,有利于简单、快速地制作固定轴5。转子4的材料为磁性材料,包括但不限于钕(NdFeB)和NdFeB/尼龙复合等,从而便于实现3D打印,有利于简单、快速地制作固定轴5。
可选地,所述衬底1的第一表面设置有第一凹槽11,所述衬底1的第二表面设置有第二凹槽12,所述第一凹槽11与所述第二凹槽12连通,所述绝缘层2覆盖所述第一凹槽11的内侧壁和底壁;
所述固定轴5的两端分别固定于所述第一凹槽11的底壁,且部分所述转子4嵌射于所述第二凹槽12中。
在上述实施方式中,部分转子4嵌设于第二凹槽12中,有利于缩小MEMS流量传感器的体积,便于实现MEMS流量传感器的小型化设计。另外,第一凹槽11与第二凹槽12相连通,为转子4在流体的驱动下转动提供转动空间,从而有助于转子4在流体的作用下稳定的转动。
可选地,所述第一凹槽11位于所述第一表面的中部,所述第二凹槽12位于所述第二表面的中部。
这能够充分利用衬底1,能够进一步优化MEMS流量传感器的结构。
可选地,所述线圈3为螺旋结构,且所述线圈3的材质为Ti、Au、Cu、Pt中的至少一种,且所述线圈3的厚度为50nm-500nm。线圈3的结构设计比较合理,能够在处于转动状态的转子4所产生的磁场中做切割磁感线运动并产生瞬时电动势,从而实现根据瞬时电动势获取流体的流量,测量方式比较简单,测量结果比较准确。
根据本发明的第二方面,提供了一种MEMS流量传感器的制备方法,其特征在于,用于制备上述的MEMS流量传感器,包括如下步骤:
步骤100,对衬底1的第一表面进行刻蚀形成第一凹槽11,对衬底1的第二表面进行刻蚀形成第二凹槽12,所述第一凹槽11和所述第二凹槽12连通;例如,衬底1为N型单晶硅片。刻蚀的方式可以为物理刻蚀,也可以为化学刻蚀。
步骤200,在所述衬底1的第一表面以及所述第一凹槽11的内侧壁和底壁形成绝缘层2。其中,绝缘层2形成的方式为光刻和等离子体增强化学气相沉积(PECVD),因此,绝缘层2形成的方式比较简单,绝缘效果较好。
步骤300,在绝缘层2的表面制备线圈3。
例如,通过磁控溅射和光刻剥离在绝缘层2的上表面制备20nm Ti和100nm Au,形成线圈3。
步骤400,将转子4安装于固定轴5的中部,并将固定轴5的两端分别固定于第一凹槽11的底壁;其中,所述转子4位于所述线圈3的内侧,且部分所述转子4嵌设于所述第二凹槽12中。
在本申请实施例中,该MEMS流量传感器的制备方法设计合理,制作方式比较简单。
另外,采用MEMS流量传感器的制备方法制备的MEMS流量传感器,利用电磁感应的工作原理,无需外部供电,转子4可以在流体作用下自由转动并由线圈3输出顺势电动势,进而实现对流体的流量进行测量,功耗较低。而且,该MEMS流量传感器结构设计合理,体积较小,有效地降低传感器对流体的干扰,测量结果更加准确,其不会因为流量变化导致传感器性能下降,性能更加稳定。
可选地,在步骤400中,首先,采用3D打印的方法制备固定轴5、转子4以及定位环6;然后,将转子4安装于固定轴5的中部;接着,将两个定位环6分别安装至转子4的相对两侧;最后,将固定轴5的两端分别粘接在第一凹槽11的底壁上。
在上述实施方式中,固定轴5、转子4以及定位环6制备方式比较简单,便于装配,有利于提高MEMS流量传感器的制备效率,也有助于节约MEMS流量传感器的制备成本。
可选地,所述衬底1的厚度为500μm;所述第一凹槽11的深度为200μm,所述第二凹槽12的深度为300μm。衬底1的结构比较合理,不仅有助于实现固定轴5、转子4等结构快速地安装在第一凹槽11中,也有助于实现转子4相对固定轴5转动,同时,也有助于实现MEMS流量传感器的小型化设计。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种MEMS流量传感器,其特征在于,包括:
衬底和绝缘层,所述衬底具有相对的第一表面和第二表面,所述衬底的第一表面覆盖所述绝缘层;
线圈,所述线圈设置于所述绝缘层远离所述衬底的一侧;
转子和固定轴,所述固定轴固定于所述绝缘层的上侧,所述转子设置于所述固定轴,且所述转子与所述固定轴转动连接;所述转子位于线圈的内侧,且所述转子具有磁性;
所述转子在流体的作用下转动时,所述线圈在所述转子的磁场中做切割磁感线运动并产生瞬时电动势,根据所述瞬时电动势获取流体的流量。
2.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器,其特征在于,还包括定位环;所述转子位于所述固定轴的中部,两个所述定位环分别设置于所述转子的相对两侧并对转子进行限位;所述定位环与所述固定轴固定连接。
3.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器,其特征在于,所述转子包括沿固定轴的周向均匀分布的多个扇叶。
4.根据权利要求2所述的MEMS流量传感器,其特征在于,所述固定轴、所述定位环、所述转子均采用3D打印一次成型。
5.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器,其特征在于,所述衬底的第一表面设置有第一凹槽,所述衬底的第二表面设置有第二凹槽,所述第一凹槽与所述第二凹槽连通,所述绝缘层覆盖所述第一凹槽的内侧壁和底壁;
所述固定轴的两端分别固定于所述第一凹槽的底壁,且部分所述转子嵌射于所述第二凹槽中。
6.根据权利要求5所述的MEMS流量传感器,其特征在于,所述第一凹槽位于所述第一表面的中部,所述第二凹槽位于所述第二表面的中部。
7.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器,其特征在于,所述线圈为螺旋结构,且所述线圈的材质为Ti、Au、Cu、Pt中的至少一种,且所述线圈的厚度为50nm-500nm。
8.一种MEMS流量传感器的制备方法,其特征在于,用于制备如权利要求1至7任意一项所述的MEMS流量传感器,包括如下步骤:
步骤100,对衬底的第一表面进行刻蚀形成第一凹槽,对衬底的第二表面进行刻蚀形成第二凹槽,所述第一凹槽和所述第二凹槽连通;
步骤200,在所述衬底的第一表面以及所述第一凹槽的内侧壁和底壁形成绝缘层;
步骤300,在绝缘层的表面制备线圈;
步骤400,将转子安装于固定轴的中部,并将固定轴的两端分别固定于第一凹槽的底壁;其中,所述转子位于所述线圈的内侧,且部分所述转子嵌设于所述第二凹槽中。
9.根据权利要求8所述的MEMS流量传感器的制备方法,其特征在于,在步骤400中,首先,采用3D打印的方法制备固定轴、转子以及定位环;然后,将转子安装于固定轴的中部;接着,将两个定位环分别安装至转子的相对两侧;最后,将固定轴的两端分别粘接在第一凹槽的底壁上。
10.根据权利要求9所述的MEMS流量传感器的制备方法,其特征在于,所述衬底的厚度为500μm;所述第一凹槽的深度为200μm,所述第二凹槽的深度为300μm。
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