测热型和风速计一体化流速传感器.pdf

本发明公开了一种测热型和风速计一体化流速传感器。在沟槽封装层自下而上依次装有腐蚀形成横截面为梯形沟槽的硅衬底、横膈膜、一组电阻相同的复合金属丝阵列、盖在复合金属丝阵列上的金属丝封装层，复合金属丝阵列以中心一条加热丝为轴对称平行排列N对金属丝；在横膈膜左右两侧有与金属丝相同条数并与金属丝两端相连的芯片电节点。由于本发明将风速计和测热型探头集成为一排镍/铬复合金属丝阵列，探测一维流动的流速和流向，实现低流速的精密测量和较大的动态测量范围。该传感器具有体积小，成本低，能耗低等特点。该传感器既可用作探头式传感器进行常规管道的流量计量，又可作为管路式传感器测量微流控系统中微小管道的流量，扩大了传感器的应用范围。

1.  一种测热型和风速计一体化流速传感器，其特征在于包括：沟槽封装层(6)自下而上依次装有腐蚀形成横截面为梯形沟槽(5)的硅衬底(4)、横膈膜(3)、一组电阻相同的复合金属丝阵列(2)、盖在复合金属丝阵列(2)上的金属丝封装层(1)，复合金属丝阵列(2)以中心一条加热丝为轴对称平行排列N对金属丝；在横膈膜(3)左右两侧有与金属丝相同条数并与金属丝两端相连的芯片电节点(7)。

2.  根据权利要求1所述的一种测热型和风速计一体化流速传感器，其特征在于：所述的复合金属丝为镍/铬复合金属丝，金属丝线宽10μm-30μm，厚度100nm-200nm。

3.  根据权利要求1所述的一种测热型和风速计一体化流速传感器，其特征在于：以中心一条加热丝为轴平行排列的金属丝对，距离加热丝最远距离为≤800μm，最近距离≥300μm。

4.  根据权利要求1所述的一种测热型和风速计一体化流速传感器，其特征在于：横膈膜(3)为聚酰亚胺横膈膜，作为对复合金属丝的支撑和绝热绝缘结构。

5.  根据权利要求1所述的一种测热型和风速计一体化流速传感器，其特征在于：金属丝封装层(1)为聚酰亚胺封装层。

6.  根据权利要求1所述的一种测热型和风速计一体化流速传感器，其特征在于在：硅衬底(3)与沟槽封装层(6)之间的黏合剂为聚酰亚胺。

7.  根据权利要求1所述的一种测热型和风速计一体化流速传感器，其特征在于在：硅衬底(3)的梯形沟槽(5)两端用黏合剂(11)黏合管路(12)，管路(12)的外径为≤0.5mm。

测热型和风速计一化流速传感器
技术领域
本发明是涉及流体计量设备，特别是涉及一种测热型和风速计一体化流速传感器。
背景技术
热式流量测量是20世纪初发展起来的一种有效的流体测量技术。它主要分为风速计(anemometer)和测热型(calorimetric)两种方式。风速计的原理建立在1914年提出的King’s Law(金氏定律)基础上。以流体流动下加热丝的热耗散程度作为测量依据，具有频率高，精度高的特点，在中高速的流体测量，尤其是风速的测量中有着广泛的应用。而随着微流控系统，半导体制备，精细化工，药物释控等领域的发展，从20世纪90年代开始，适用于测量微小流量的测热型传感器开始被积极研究并投入应用。测热型传感器的测量原理则以探测流体流动过程中加热器两侧的温度分布来探测流速大小，它以其低速敏感，信号线性度高等优势在流体的低速精密测量中表现优异，成为极低流速范围内最有效的测量方式之一，现已广泛应用在需要精密测量和控制微小流量的精细化工，半导体制备，生物检测，化学分析和药物释控等方面。上述两种方式都具有较为广泛的应用前景，但都各自存在不足。主要为以下五点：
1)作为风速计，其探头是由传统加工工艺制作而成的悬空的极细金属丝(直径10um左右)，存在易遭损坏，成本很高，寿命较短等问题；
2)作为传统风速计，在检测流速的同时无法判别流向；
3)作为传统测热型传感器，其探头需要由传统加工工艺制作而成的极细金属丝缠绕在一定载体上，工艺较为复杂，成本高。并且由于需要探测加热点两端的温度分布，探测点间距离较远，造成加热功率高，能耗大；
4)作为传统测热型传感器，在进行低流速测量时，要求适用于管径较小的场合。而传统工艺加工的测热型传感器由于体积较大，在应用时通常只能作为管路式或者旁路式进行测量，很难实现探头式的测量；
5)两者的测量范围都有一定限制，采用传统工艺无法在集成到一个探头上，因此存在测量范围上的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用微加工工艺，兼容风速计型和测热型传感器两种工作模式的、造价低廉的、低功耗微型测热型和风速计一体化流速传感器。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括：沟槽封装层自下而上依次装有腐蚀形成横截面为梯形沟槽的硅衬底、横膈膜、一组电阻相同的复合金属丝阵列、盖在复合金属丝阵列上的金属丝封装层，复合金属丝阵列以中心一条加热丝为轴对称平行排列N对金属丝；在横膈膜左右两侧有与金属丝相同条数并与金属丝两端相连的芯片电节点。
本发明具有的有益的效果是：
a、采用镍/铬复合金属丝阵列作为敏感元件和加热丝，较铂等温度敏感金属价格低廉，并可以获得更高的温度电阻系数以及相对于同厚度纯镍来说更大的方块电阻率；而利用超真空镀膜，溅射等工艺来制作敏感元件，相对直接用硅及其常规化合物的加工来说，具有温度低，热应力小的特点；
b、采用聚酰亚胺作为横膈膜支撑金属丝，可获得良好的绝热绝缘特性，低的热应力，并具有低的加工成本和材料成本，易于获得和实现；
c、采用聚酰亚胺作为金属丝的封装材料，除具有良好的绝缘绝热特性之外，具有小的热应力，工艺兼容性好，以及良好的防水性，生物兼容性，并且在300℃左右的温度下保持物理化学性质长期稳定；
d、在横膈膜下形成一个绝缘绝热的空腔，可以更好的实现硅衬底与金属丝间的绝热性能；且该空腔与外界直接相通，在使用时将充满流体，因此实现了聚酰亚胺横膈膜上表面和下表面的压力平衡，具有良好的抗压特性，适用于探头式传感器的需要；同时，由于空腔与外界相通，在用于极小管道的时候可用聚酰亚胺等作为黏合剂直接粘合细管作为管路式传感器；
e、用聚酰亚胺作为黏合剂对沟槽进行封装，较用硅胶等其他有机黏附材料更容易获得良好的平整度；同时，与键合工艺相比较，避免了高温带来的材料兼容问题和热应力问题。
f、本发明提供的梯形沟槽在作为绝热结构的同时，又可应用于微流控系统中微流道内的流量测量，实现管路式测量。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明实施例结构示意图；
图3为图2的A-A剖面图；
图4为本发明作为管路式使用时的示意图。
图中：1.金属丝封装层，2.镍/铬复合金属丝阵列，3.横膈膜，4.硅衬底，5.梯形沟槽，6.沟槽封装层，7.芯片电节点，8.超声点焊引线，9.印刷电路板电节点，10.印刷电路板。
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说明。
如图1、图3所示，本发明包括：沟槽封装层6自下而上依次装有腐蚀形成横截面为梯形沟槽5的硅衬底4、横膈膜3、一组电阻相同的复合金属丝阵列2、盖在复合金属丝阵列2上的金属丝封装层1，复合金属丝阵列2以中心一条加热丝为轴，除加热丝以外对称平行排列N对(N＝2～5)金属丝；在横膈膜3左右两侧有与金属丝相同条数并与金属丝两端相连的芯片电节点7。
所述的复合金属丝为镍/铬复合金属丝，金属丝线宽10μm-30μm，厚度100nm-200nm。
以中心一条加热丝为轴平行排列的金属丝对，距离加热丝最远距离为≤800μm，最近距离≥300μm。
横膈膜3为聚酰亚胺横膈膜，对复合金属丝地支撑和绝热绝缘。
金属丝封装层1为聚酰亚胺封装层。
硅衬底3与沟槽封装层6之间的黏合剂为聚酰亚胺。
硅衬底3的梯形沟槽5两端用聚酰亚胺黏合剂11黏合管路12，管路12的外径为≤0.5mm。
使用时，在管径较大时，作为探头式传感器使用。如图2、图3所示，将本发明的传感器的沟槽封装层6安装在印刷电路板10中间，在印刷电路板10左右两侧分别有与芯片电节点7相同条数、并分别用超声点焊引线8与传感器左右两侧芯片电节点7相连的印刷电路板电节点9。在管径≤0.5mm时，如图4所示，作为管路式传感器使用。
A、低速段情况：采用测热型方式进行探测，步骤如下：在镍铬复合金属丝阵列之中，中心一条金属丝作为加热丝对流体进行局部加热，其余镍铬复合金属丝对称分布在加热丝两端，作为温度敏感电阻丝感应流场温度分布变化。它们与加热丝的距离在300μm-800μm的范围内。图中示出两对温度敏感电阻丝作为示意。在流速很低的情况下，可以使用距离加热丝较远的一对温度敏感电阻丝的电阻变化情况作为信号输入。在流速增加到一定程度，可以换用距离较近的一对温度敏感电阻丝的电阻变化情况作为信号输入。在该种情况下，可同时探测流体的一维流速和流向。
B、高速段情况：如果速度增加到使距离最近的一组温度敏感丝的信号趋于饱和之后，则不再利用测热型原理进行探测，而改用风速计方式进行工作，通过探测加热丝本身电阻变化来探测流速。此时，在加热丝上游段距离最远的金属丝已经不再受到加热丝温度的影响，因此可作为流体原始温度的参考电阻。但是，仅探测加热丝电阻随温度的变化不能给出流向信息。因此此时可以选取对称金属丝中的距离加热丝最近的一对电阻丝的电阻变化作为流向信息的来源。
通过上述模式，可以得到探测流速和流向所需要的电信号。该电信号通过芯片本身的电节点8连接到印刷电路板的电节点9上，作为信号输出。芯片电节点8与印刷电路板上电节点9的连接通过超声点焊完成。如图2，图3所示。
在上述两种模式下，加热丝均由外接直流电源供电，加热丝两端电压范围根据需要的加热温度可在3.6V-10V之间进行选择。在达到应用上的频率要求的同时，可按照需求使用一定频率的脉冲式直流供电。
在测量微升级与毫升级微小流量时，由于微流控系统通常管路很小，探头工作方式不适用，因此可按照图4所示外接管路，此时传感器内部沟槽作为流道，成为管路式流体传感器。该种应用方式在药物释控，精细化工以及生物检测等领域具有广泛的应用前景。