CN206818257U - 基于mems技术的差压流量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了基于MEMS技术的差压流量传感器，包括位于外壳内腔中的MEMS差压传感器芯片封装体及信号处理电路板，MEMS差压传感器芯片封装体设置于信号处理电路板上且它们通信，MEMS差压传感器芯片封装体的去向压力导压口与信号处理电路板上的通孔共轴以及与外壳上的一个导通孔密封配接，MEMS差压传感器芯片封装体的来向压力导压口与另一个导通孔密封配接；MEMS差压传感器芯片封装体及信号处理电路板通过填充内腔的防水密封层密封固定，信号处理电路板上还连接延伸到所述外壳和防水密封层外的引出线缆。本实用新型省去了二次装置，提高了整体的集成度，减小体积，提高了测量精度，适用于低流速流量测量，多结构的密封防水层，密封性和防水性大大提高。

Description

基于MEMS技术的差压流量传感器

技术领域

本实用新型涉及一种差压流量传感器，尤其是一种基于MEMS技术的差压流量传感器。

背景技术

在工业生产、日常生活中，流量作为能源计量及其重要的组成部分之一，对于科学实验计量、经济核算以及工程生产都具有及其重要的意义。从上两个世纪的石油、机械、冶金到航空、热电等不同领域的流量检测，现在已经深入发展到了医疗器械、汽车电子等诸多领域。

不同流体的性状、流动条件、流动状态以及感测机理的复杂多样给流体的测量带来了诸多不便，同时也使得流量计的测量原理、测量精度、适用条件以及价格多样化。

压差流量计是一种测定流量的仪器，例如中国专利CN200810012819.4所示，一般由一次装置和二次装置组成，一次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量(流速)成比例的压力差，二次装置称显示仪表，它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示。

差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等)，节流装置是在管道中安装的一个局部收缩元件，最常用的有孔板、喷嘴和文丘里管，二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表。

传统的差压式流量(如孔板等)仪表都是属于节流式差压流量仪表，其工作原理都是基于封闭管道中流体质量守恒(连续性方程)和能量守恒(伯努利方程)两个定律。

质量守恒：流体在一个封闭的管道中流动，当遇到节流件时，在节流件前后它的质量是不变的，用连续性方程表示为：

V1×A1×ρ1＝V2×A2×ρ2(液体为：V1×A1＝V2×A2)。

能量守恒：用伯努利方程来表示为是指封闭管道中流体的压力和流速有如下的关系：

P+1/2V2ρ＝常数

对于安装有节流件的管道则有：

P1+1/2×(V1)2×ρ1＝P2+1/2×(V2)2×ρ2

式中：A1、A2分别是节流件前后的截面积；V1、V2分别是A1、A2处的流速；P1、P2分别是A1、A2处的压力；ρ1、ρ2分别是A1、A2处的流体密度。

此类流量计由于具有一次装置和二次装置，体积无法做到很小，并且重量重，集成度低，因此流量计的自身结构会导致测量时产生的压损较大，只适合大流量介质流动的测量，同时由于受现场流体环境(温度、压力等)和自身客观条件限制，测量精度不高，对低流速流量介质流动反应不灵敏，偏差大，不适合低流量介质流量的测量，所以，对于生活家电用品领域的应用受到限制。

而MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产的特点，其在流量计行业的应用具有较大的前景，但是由于MEMS芯片体积小，因此给流量计的封装和制造造成了困难。

并且，当其应用于液体流量测量时，需要对MEMS芯片及相关电路进行可靠的防水密封，这就进一步增加了制造难度。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于MEMS技术的差压流量传感器。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

基于MEMS技术的差压流量传感器，用于低流速流量监测，包括设置于同一外壳的内腔中的MEMS差压传感器芯片封装体及信号处理电路板，所述MEMS差压传感器芯片封装体设置于所述信号处理电路板上并与其连接通信，且所述MEMS差压传感器芯片封装体的去向压力导压口与信号处理电路板上的通孔共轴，以及与所述外壳上的一个导通孔共轴且四周密封连接，所述MEMS差压传感器芯片封装体的来向压力导压口与外壳上的另一导通孔共轴且四周密封连接；所述MEMS差压传感器芯片封装体及信号处理电路板通过填充所述外壳的内腔的防水密封层密封固定，所述信号处理电路板上连接引出线缆，所述引出线缆延伸到所述外壳和防水密封层外。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述MEMS差压传感器芯片封装体包括量程在0-10kPa的硅压阻式差压芯片，其压力应变膜为微米级并采用恒流源或恒压源供电。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述MEMS差压传感器芯片封装体与信号处理电路板通过键合线连接通信，所述键合线的弧高度小于60μm，且其包覆于防水胶层中。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述外壳至少包括探测段及连接段，所述MEMS差压传感器芯片封装体位于所述探测段所在的内腔区域，所述连接段用于与流体管道密封连接。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述连接段包括一段外螺纹、密封圈及限位凸台，所述密封圈位于所述外螺纹的根部并与所述限位凸台的侧壁贴合。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述连接段包括两个位于两个导通孔所在表面上且对称的坡面，所述坡面的后端设置有防水密封圈，所述防水密封圈抵靠于第一凸台的一侧，所述第一凸台的另一侧与第二凸台配合形成一凹槽。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述外壳的内壁上设置有支撑台阶，所述支撑台阶与一个导通孔的孔壁配合形成用于放置信号处理电路板的支撑面。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：两个所述导通孔为沉孔或台阶状，其内密封设置有导压膜片，所述导压膜片密封的区域内填充有传压介质。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述防水密封层包括第一灌封层和第二灌封层，

所述第一灌封层至少填充所述MEMS差压传感器芯片封装体所在的内腔区域；

所述第二灌封层至少填充所述引出线缆和信号处理电路板连接点到第一灌封层之间的内腔区域。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述第一灌封层为纳米复合高分子聚合物材料；所述第二灌封层为硅胶类和/或环氧类胶水。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述第二灌封层包括一次灌封层和二次灌封层，所述一次灌封层至少覆盖所述信号处理电路板上的信号放大器件和处理芯片，所述二次封灌层至少覆盖整个信号处理电路板。

优选的，所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其中：所述基于MEMS技术的差压流量传感器的量程在0.1-30L/min。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：

本实用新型设计精巧，结构简单，采用微型化的MEMS差压传感器芯片封装体并且将其集成在信号处理线路板上，省去了二次装置的结构，在较小的外壳空间内提高了整体的集成度且与传统压差流量计相比，整个流量传感器的体积可以做到很小，从而降低流量传感器自身对流场的干扰，减小压损，相应提高了测量精度，适用于低流量、流速的检测；采用多结构的密封防水层将信号处理电路板及MEMS芯片密封固定在外壳中，固定牢固可靠，密封性和防水性大大提高，并且降低了封装过程中密封稳定性受外壳加工精度的影响，从而便于加工，适用于生活家电设备领域的应用，大大拓宽了应用领域和范围。

本实用新型采用量程为0-10kPa的硅基压阻式差压芯片，并且优选其芯片压力应变薄膜为微米级，因此对外界压力非常敏感，对压力的响应也非常快，能够很好的适用于低流速或低流量的测量并且保证测量精度，同时优选供电模式，能够利用芯片自身特性进行性温度补偿，从而降低了流体特性对测量结果的干扰，进一步提高了测量精度。

本实用新型的MEMS差压传感器芯片封装体是基于半导体或微电子工艺制作，所以芯片在传感器批次的一致性、重复性、可靠性方面，比传统的流量传感器要好。

本实用新型是基于MEMS技术加工的半导体硅基传感器，所以在热传导、热对流等方面比较稳定，不像传统的流量传感器采用金属等部件，易受温度、热的影响，另外，由于体积小，单位体积热效应就小，功耗也低。

本实用新型的封装导压材料，根据测量的介质差异和不同应用需求，可选择高弹性的防水材料，甚至不用防水材料覆盖，芯片表面直接与所测量介质接触，因此灵敏度可以做的非常好。

密封防水层采用多层结构，并且根据不同应用场合的需要优选不同层的密封材料，能够适应不同区域元器件的防水要求，同时保证相应层与外壳粘结的牢固性，保证产品的防水密封可靠性，同时保证MEMS差压传感器芯片封装体及信号处理线路板固定的稳定性，减少震动对它们的影响，保证其应用的可靠性。

外壳上设置有外螺纹结构及密封圈，便于将整个流量传感器与管道快速连接并保证与管道连接的密封性。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1的使用状态图；

图3是本实用新型实施例1中另一种外壳的结构示意图；

图4是本实用新型实施例2的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

本实用新型揭示了基于MEMS技术的差压流量传感器，可用于低流速流量监测，如附图1所示，其包括内部为空心结构的外壳3，所述外壳3包括一体成型的探测段33及连接段34，所述探测段33为扁平的长方体结构，其两个相对的侧壁上分别设置有共轴的导通孔31，两个所述导通孔31的结构和形状影响所述基于MEMS技术的差压流量传感器的灵敏度系数，优选两个所述导通孔31为沉孔或台阶状孔。

所述连接段34用于与流体管道7密封连接，其包括一段与流体管道7外壁配合的外螺纹、密封圈341及限位凸台342，所述外螺纹延伸的区域整体为圆柱型，其从所述探测段33的末端开始延伸一段长度，所述外螺纹的根部及限位凸台342之间设置有用于防水的所述密封圈341，所述限位凸台342背离所述探测段33的一端为开口结构。

具体连接时，如附图2所示，通过所述连接段34的外螺纹与所述流体管道7连接，并通过所述流体管道7和限位凸台342配合挤压所述密封圈341，从而实现外壳1和流体管道7的密封连接，此时，所述探测段33位于所述流体管道7内，且其上的导通孔31的表面与流体方向垂直。

当然在其他实施例中，所述连接段34也可以是其他可行的结构，如附图3所示，其包括两个位于探测段33的两个导通孔31所在表面上且对称的坡面343，所述坡面343的后端(即远离两个导通孔31的一端)设置有防水密封圈344，所述防水密封圈344抵靠于第一凸台345的一侧，所述第一凸台345的另一侧与第二凸台346配合形成一凹槽347，所述第二凸台346的后端为开口结构。

所述外壳3的内腔中设置有MEMS差压传感器芯片封装体1及信号处理电路板2，所述MEMS差压传感器芯片封装体1位于所述探测段33所在的内腔区域，其设置于所述信号处理电路板2上并与其连接通信，且所述MEMS差压传感器芯片封装体1的去向压力导压口11与信号处理电路板2上的通孔21共轴，所述去向压力导压口11与所述外壳3上的一个导通孔31共轴且四周密封配接，所述MEMS差压传感器芯片封装体1的来向压力导压口12与外壳3上的另一个导通孔31共轴且四周密封配接。

具体来说，所述MEMS差压传感器芯片封装体1包括量程在0-10kPa的硅压阻式差压芯片，所述硅压阻式差压芯片包括四个压敏电阻组成全桥差动电路，其压力应变膜为微米级并采用恒流源或恒压源供电，由于采用恒压源或恒流源，电源端一对桥顶两点之间的电位差即为温度输出信号，另外一对桥顶两点之间的电位差就是压力传感器的测压输出信号，因此所述硅压阻式差压芯片具有温度自检测功能，融合温度补偿算法，能够减小温度对流量监测的影响。

所述MEMS差压传感器芯片封装体1焊接到所述信号处理电路板2上，其封装壳包括空气腔、去向压力导压口11、来向压力导压口12及金属电极，所述去向压力导压口11、来向压力导压口12开口处设置有防水和气体渗透膜(图中未示出)，它们共轴设置，且之间设置有所述MEMS差压传感器芯片，所述金属电极用于通过键合线与所述信号处理电路板2连接通信，同时，为了提高MEMS差压传感器芯片封装体的微型化程度，所述键合线(图中未示出)的弧高度小于60μm，且其包覆于防水胶层6中。

并且，所述信号处理电路板2上表贴有信号放大器件22和处理芯片23，从而提高了整体的集成度，不需要再像传统差压流量计一样再连接二次设备，另外，考虑到所述信号处理电路板2在外壳内腔中放置的平稳性，进一步，在所述外壳3的内壁上设置有支撑台阶35，所述支撑台阶35与一个导通孔的孔壁配合形成用于放置信号处理电路板2的支撑面，所述信号处理电路板2位于所述探测段的一端抵靠在所述探测段顶壁的内壁处。

进一步，所述MEMS差压传感器芯片封装体1及信号处理电路板2通过填充所述外壳内腔的防水密封层4密封固定于所述外壳中，所述防水密封层4一是进行整体灌封防水，二是使信号处理电路板2和外壳3成为一个整体结构，使MEMS差压传感器芯片封装体1位置相对固定，减少震动或晃动对传感器芯片性能的影响。

所述信号处理电路板2上还连接引出线缆5，所述引出线缆5与信号处理电路板2的连接点相对于信号放大器件22和处理芯片23而言，更靠近所述限位凸台342的开口，所述引出线缆5用于输出初级处理信号给与其连接的设备，所述引出线缆5延伸到所述外壳3和防水密封层4外。

详细来说，所述防水密封层4包括第一灌封层41和第二灌封层42，所述第一灌封层41至少填充所述MEMS差压传感器芯片封装体1所在的内腔区域以对所述MEMS差压传感器芯片封装体进行保护，所述第一灌封层41为纳米复合高分子聚合物材料；所述第二灌封层42至少填充所述引出线缆5和信号处理电路板2连接点到第一灌封层41之间的内腔区域，从而对信号处理电路板2上的处理芯片进行保护，所述第二灌封层42包括一次灌封层421和二次灌封层422，所述一次灌封层421至少覆盖所述信号处理电路板2上的信号放大器件22和处理芯片23，所述二次封灌层422至少覆盖整个信号处理电路板2，优选其延伸到所述限位凸台的开口外，并且所述一次灌封层421和二次灌封层422为硅胶类或环氧类胶水，优选所述二次封灌层422为环氧类胶水，从而保证二次封装层422与壳体粘结的牢固性。

实用新型人通过多种工艺的研究和实测发现：所述基于MEMS技术的差压流量传感器的量程在0.1-30L/min，防水密封性好，可使用于热水器、洗衣机、壁挂炉、电磁热水器、饮水机、净水机、R.O.机、U.F.机、咖啡机、热水卡机、水控机、控水机、啤酒机、电解制水机、能量水机、热泵热水工程、一卡通管理系统、智能水表IC水表、蒸汽设备、喷灌设备、校园卡售水系统、自助售水(贩卖)机、投币洗衣机、自动洗车设备、水处理设备、配水配药设备、冷却系统、循环系统、智能马桶(坐便器)、洁身器、机械设备、加热设备、仪器仪表、制药(制剂)设备等。

使用本实用新型的基于MEMS技术的差压流量传感器时，通过所述连接段32将其连接到所述流体管道7上，并使所述导通孔与所述流体的流向垂直，流体流动，并通过所述外壳上的导通孔流向所述MEMS芯片的来向压力导压口11并向MEMS差压传感器芯片封装体的压力应变薄膜施加压力，所述MEMS差压传感器芯片封装体1的去向压力导压口处存在静压，从而所述MEMS差压传感器芯片封装体1检测到差压并经所述信号放大器件22后输出给所述处理芯片23，所述处理芯片23按照如下的计算公式计算流量：

式中Q代表流量，△P代表差压，ρ代表流体密度，K是灵敏度系数，可以由出厂标定时得到，具体标定时，结合温度补偿算法，通过优选的曲线拟合法确定曲线拟合方程进而确定灵敏度系数，所述处理芯片23处理后的信号通过所述引出线缆5输送给与其连接的设备。

更进一步，本实用新型进一步揭示了基于MEMS技术的差压流量传感器的加工方法，包括如下步骤：

S1，将信号放大器件22和处理芯片22通过回流焊接表贴到信号处理电路板2。

S2，将MEMS差压传感器芯片封装体1进行微型化封装后，焊接到所述信号处理电路板2上，使所述MEMS差压传感器芯片封装体1的去向压力导压口11与所述信号处理电路板2上的通孔共轴，并控制键合线的弧高度在60um以下。

S3，利用固话温度小于90℃的防水胶将MEMS差压传感器芯片封装体1与信号处理电路板2的键合线进行覆盖，固化时间为10分钟。

S4，将MEMS差压传感器芯片封装体的去向压力导压口11及来向压力导压口12的外周分别进行防水处理，防水密封材料可以是防水胶水，也可以是防水橡胶圈。

S5，将引出线缆5与信号处理电路板2焊接互联在一起。

S6，将经过S1步骤-S5步骤封装完成的信号处理电路板2塞入外壳3的内腔中，并使所述MEMS差压传感器芯片封装体1的去向压力导压口11和来向压力导压口12分别通过防水胶水或防水橡胶圈与一个导通孔的内壁密封连接。

S7，利用纳米复合高分子聚合物材料灌封MEMS差压传感器芯片封装体所在的内腔区域，灌封后静置10小时以上以充分固化形成第一灌封层41。

S8，利用硅胶类和/或环氧类胶水至少填充信号处理电路板2的末端到第一灌封层41之间的内腔区域，固化后形成二次灌封层42中，所述二次灌封层42的灌封过程可以根据实际场合需要分一次或两次灌封完成，优选分两次灌封完成。

实施例2

本实施例与实施例1的结构整体相同，区别在于：实施例1中，待测介质一般为非腐蚀性液体或气体并且直接与MEMS差压传感器芯片封装体1接触实现压力的传导，而本实施例中，除了适用于非腐蚀性液体或气体外，还可以用于腐蚀性液体或气体，主要是通过在所述外壳1的两个导通孔中密封设置有导压介质，对于流体低流速或低流量的测量，为提高测量精度和灵敏度，导压介质的厚度要薄，对于流体较高流速或流量的测量，导压介质的厚度可以适当增加。

具体而言，所述导压介质可以是高弹性材料，也可以是如附图4所示的由导压膜片8和传压介质形成的密封结构，所述导压膜片8可以是高分子薄膜、金属薄膜、聚合物高分子薄膜等，针对腐蚀性液体和气体还需要有防腐的性能，其密封连接所述外壳3的两个导通孔，其厚度可以根据要测的流体的流速及灵敏度要求来调整，例如可以采用50μm的金属薄膜来满足0.1L/min的流量检测，所述导压膜片与MEMS差压传感器芯片封装体的来向压力导压口和去向压力导压口之间(即导压膜片密封形成的区域)填充所述传压介质(图中未示出)，所述传压介质可以是空气或水或硅油或聚合物高分子材料等，此种结构的应用场合更广泛。

检测时，流体流动使高弹性材料和导压膜片变形从而直接或通过传压介质直接传导压力给MEMS差压传感器芯片封装体产生压差。

本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.基于MEMS技术的差压流量传感器，用于低流速流量监测，其特征在于：包括设置于同一外壳（3）的内腔中的MEMS差压传感器芯片封装体（1）及信号处理电路板（2），所述MEMS差压传感器芯片封装体（1）设置于所述信号处理电路板（2）上并与其连接通信，且所述MEMS差压传感器芯片封装体（1）的去向压力导压口（11）与信号处理电路板（2）上的通孔（21）共轴以及与所述外壳（3）上的一个导通孔（31）共轴且四周密封连接，所述MEMS差压传感器芯片封装体（1）的来向压力导压口（12）与外壳（3）上的另一导通孔（31）共轴并四周密封连接；所述MEMS差压传感器芯片封装体（1）及信号处理电路板（2）通过填充所述外壳（3）的内腔的防水密封层（4）密封固定，所述信号处理电路板（2）上连接引出线缆（5），所述引出线缆（5）延伸到所述外壳（3）和防水密封层（4）外。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述MEMS差压传感器芯片封装体（1）包括量程在0-10kPa的硅压阻式差压芯片，其压力应变膜为微米级并采用恒流源或恒压源供电。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述MEMS差压传感器芯片封装体（1）与信号处理电路板（2）通过键合线连接通信，所述键合线的弧高度小于60um，且其包覆于防水胶层（6）中。

4.根据权利要求3所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述外壳（3）至少包括探测段（33）及连接段（34），所述MEMS差压传感器芯片封装体（1）位于所述探测段（33）所在的内腔区域，所述连接段（34）用于与流体管道（7）密封连接。

5.根据权利要求4所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述连接段（34）包括一段外螺纹、密封圈（341）及限位凸台（342），所述密封圈（341）位于所述外螺纹的根部并与所述限位凸台（342）的侧壁贴合。

6.根据权利要求4所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述连接段（34）包括两个位于两个导通孔（31）所在表面上且对称的坡面（343），所述坡面（343）的后端设置有防水密封圈（344），所述防水密封圈（344）抵靠于第一凸台（345）的一侧，所述第一凸台（345）的另一侧与第二凸台（346）配合形成一凹槽（347）。

7.根据权利要求1-6任一所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述外壳（3）的内壁上设置有支撑台阶（35），所述支撑台阶（35）与一个导通孔的孔壁配合形成用于放置信号处理电路板（2）的支撑面。

8.根据权利要求7所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：两个所述导通孔（31）为沉孔或台阶状，其内密封设置有导压膜片（8），所述导压膜片（8）密封的区域内填充有传压介质。

9.根据权利要求8所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述防水密封层（4）包括第一灌封层（41）和第二灌封层（42），

所述第一灌封层（41）至少填充所述MEMS差压传感器芯片封装体所在的内腔区域；

所述第二灌封层（42）至少填充所述引出线缆（5）和信号处理电路板（2）连接点到第一灌封层（41）之间的内腔区域。

10.根据权利要求9所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述第一灌封层（41）为纳米复合高分子聚合物材料；所述第二灌封层（42）为硅胶类和/或环氧类胶水。

11.根据权利要求10所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述第二灌封层（42）包括一次灌封层（421）和二次灌封层（422），所述一次灌封层（421）至少覆盖所述信号处理电路板（2）上的信号放大器件（22）和处理芯片（23），所述二次灌封层（422）至少覆盖整个信号处理电路板（2）。

12.根据权利要求11所述的基于MEMS技术的差压流量传感器，其特征在于：所述基于MEMS技术的差压流量传感器的量程在0.1-30L/min。