一種基于mems雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，包括基底，加熱器設(shè)置在基底的上表面中央，焊盤(pán)位于基底上表面加熱器的旁邊，和加熱器連接，絕緣層薄膜覆蓋在加熱器、焊盤(pán)和基底之上，絕緣層薄膜上設(shè)置有腔壁，腔壁和絕緣層薄膜形成空腔結(jié)構(gòu)中裝有被測(cè)液體，加熱器同時(shí)作為溫度傳感器；加熱器為多折結(jié)構(gòu)金屬帶，由兩根以上的等寬度、等間隔的平行金屬帶串聯(lián)而成，分為窄加熱器和寬加熱器，用已知熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的參考液體作為被測(cè)液體反向推導(dǎo)出基底熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)，提高測(cè)量精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)作為物質(zhì)重要的熱物理性質(zhì)，世界上許多國(guó)家對(duì)于熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量和應(yīng)用都進(jìn)行了深入的研究。近年來(lái)隨著納米科技、微電子機(jī)械系統(tǒng)、低維材料、納米生物醫(yī)藥等領(lǐng)域高新技術(shù)的迅速發(fā)展，許多研究對(duì)象已進(jìn)入亞微米一納米尺度，對(duì)小體積液體樣品的測(cè)量需求增加。
[0003]常用液體熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，流體會(huì)產(chǎn)生對(duì)流，誤差大。熱線(xiàn)法作為常用瞬態(tài)法運(yùn)用廣泛，采用直流熱線(xiàn)對(duì)液體加熱，測(cè)量熱線(xiàn)溫升變化，根據(jù)傳熱數(shù)學(xué)模型和溫度變化的理論公式計(jì)算出被測(cè)試樣的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)。但液體和熱絲之間的溫差會(huì)引起液體的自然對(duì)流，并且熱絲浸泡在待測(cè)液體之中，對(duì)液體的需求量大。通過(guò)對(duì)熱絲通交流電的3ω諧波測(cè)量方法可有效改善液體對(duì)流現(xiàn)象，但被測(cè)液體量依舊很大。
[0004]3 ω法可與MEMS技術(shù)相結(jié)合，可有效減小被測(cè)液體體積。采用3 ω法測(cè)量流體熱導(dǎo)率時(shí)，溫度振動(dòng)可以控制在IK之內(nèi)，可以有效地減小對(duì)流和輻射的影響。與傳統(tǒng)的熱物性表征方法相比較，3 ω方法的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是利用探測(cè)器溫升的頻域特性關(guān)系推導(dǎo)熱物性參數(shù)。這一特點(diǎn)使得3ω方法響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)、測(cè)量熱導(dǎo)率上限高。對(duì)于導(dǎo)電液體，絕緣層薄膜會(huì)增加測(cè)量誤差。當(dāng)測(cè)量頻率太大，熱滲透深度小，絕緣層薄膜的影響會(huì)增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，提高測(cè)量精度。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，包括基底I，加熱器6設(shè)置在基底I的上表面中央，焊盤(pán)5位于基底I上表面加熱器6的旁邊，和加熱器6連接，絕緣層薄膜2覆蓋在加熱器6、焊盤(pán)5和基底I之上，絕緣層薄膜2上設(shè)置有腔壁3，腔壁3和絕緣層薄膜2形成空腔結(jié)構(gòu)中裝有被測(cè)液體4，加熱器6同時(shí)作為溫度傳感器；
[0008]所述的加熱器6為多折結(jié)構(gòu)金屬帶，由兩根以上的等寬度、等間隔的平行金屬帶串聯(lián)而成；加熱器6左側(cè)單根金屬帶作為窄加熱器11，其余段串聯(lián)金屬帶為寬加熱器12。
[0009]所述焊盤(pán)5包括第一焊盤(pán)8、第二焊盤(pán)9和第三焊盤(pán)10，第一焊盤(pán)8連接在窄加熱器11尾端和寬加熱器12起始端的連接處，第二焊盤(pán)9連接窄加熱器11起始端，第三焊盤(pán)10連接寬加熱器12尾端。
[0010]所述的窄加熱器11和寬加熱器12構(gòu)成雙加熱器，通過(guò)測(cè)量電路切換使用不同寬度加熱器，連通第一焊盤(pán)8和第二焊盤(pán)9，窄加熱器11工作，測(cè)試被測(cè)液體4的熱導(dǎo)率；連通第一焊盤(pán)8和第三焊盤(pán)10，寬加熱器12工作，測(cè)試被測(cè)液體4的熱擴(kuò)散系數(shù)。
[0011]所述的基底I下表面粘貼銅塊7作為熱沉。
[0012]所述的絕緣層薄膜2采用二氧化硅或氮化硅。
[0013]基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器的測(cè)試步驟為:
[0014]I)將傳感器放入恒溫箱，調(diào)節(jié)恒溫箱測(cè)試溫度，測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上不同溫度點(diǎn)下加熱器6的電阻值，由溫度和電阻的線(xiàn)性擬合關(guān)系計(jì)算出加熱器6的電阻溫度系數(shù)；
[0015]2)在空腔里加入已知熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的液體作為參考液體，通過(guò)調(diào)節(jié)電路開(kāi)關(guān)，先連通第一焊盤(pán)8和第二焊盤(pán)9，僅使窄加熱器11工作，設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出交流電流角頻率ω為l-ΙΟΗζ，電阻箱阻值調(diào)為零，用鎖相放大器測(cè)量窄加熱器11的1ω頻率電壓分量的實(shí)部有效值Vbl，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，使鎖相放大器輸出的1ω電壓幅值分量為最小，將鎖相放大器設(shè)置為三倍頻，信號(hào)發(fā)生器輸出交流電流角頻率ω在IHz-1OkHz頻率范圍內(nèi)掃頻，最終獲得與掃頻交流電流角頻率ω對(duì)應(yīng)的3ω頻率電壓分量的實(shí)部有效值Vb3，利用目前常用的斜率法，得基底的熱導(dǎo)率；然后調(diào)節(jié)電路，連通第一焊盤(pán)8和第三焊盤(pán)10，僅使寬加熱器12工作，同理獲得寬加熱器12的I ω頻率電壓分量的實(shí)部有效值Vbi和3 ω頻率電壓分量的實(shí)部有效值Vb3，通過(guò)推導(dǎo)的熱擴(kuò)散系數(shù)與輸出電壓的公式a，得基底的熱擴(kuò)散系數(shù)；
[0016]公式
【權(quán)利要求】
1.一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，包括基底(I)，其特征在于:加熱器(6)設(shè)置在基底(I)的上表面中央，焊盤(pán)(5)位于基底(I)上表面加熱器(6)的旁邊，和加熱器(6)連接，絕緣層薄膜(2)覆蓋在加熱器(6)、焊盤(pán)(5)和基底(I)之上，絕緣層薄膜(2)上設(shè)置有腔壁(3)，腔壁(3)和絕緣層薄膜(2)形成空腔結(jié)構(gòu)中裝有被測(cè)液體(4)，加熱器(6)同時(shí)作為溫度傳感器； 所述的加熱器(6)為多折結(jié)構(gòu)金屬帶，由兩根以上的等寬度、等間隔的平行金屬帶串聯(lián)而成；加熱器(6)左側(cè)單根金屬帶作為窄加熱器(11)，其余段串聯(lián)金屬帶為寬加熱器(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，其特征在于:所述焊盤(pán)(5)包括第一焊盤(pán)(8)、第二焊盤(pán)(9)和第三焊盤(pán)(10)，第一焊盤(pán)(8)連接在窄加熱器(11)尾端和寬加熱器(12)起始端的連接處，第二焊盤(pán)(9)連接窄加熱器(11)起始端，第三焊盤(pán)(10)連接寬加熱器(12)尾端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，其特征在于:所述的基底(I)下表面粘貼銅塊(7)作為熱沉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，其特征在于:所述的窄加熱器(11)和寬加熱器(12)構(gòu)成雙加熱器，通過(guò)測(cè)量電路切換使用不同寬度加熱器，連通第一焊盤(pán)(8 )和第二焊盤(pán)(9 )，窄加熱器(11)工作，測(cè)試被測(cè)液體(4 )的熱導(dǎo)率；連通第一焊盤(pán)(8)和第三焊盤(pán)(10)，寬加熱器(12)工作，測(cè)試被測(cè)液體(4)的熱擴(kuò)散系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，其特征在于:所述的絕緣層薄膜(2)采用二氧化硅或氮化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器，其特征在于:基于MEMS雙加熱器的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)傳感器的測(cè)試步驟為: 1)將傳感器放入恒溫箱，調(diào)節(jié)恒溫箱測(cè)試溫度，測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上不同溫度點(diǎn)下加熱器(6)的電阻值，由溫度和電阻的線(xiàn)性擬合關(guān)系計(jì)算出加熱器(6)的電阻溫度系數(shù)； 2)在空腔里加入已知熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的液體作為參考液體，通過(guò)調(diào)節(jié)電路開(kāi)關(guān)，先連通第一焊盤(pán)(8)和第二焊盤(pán)(9)，僅使窄加熱器(11)工作，設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出交流電流角頻率ω為1-ΙΟΗζ，電阻箱阻值調(diào)為零，用鎖相放大器測(cè)量窄加熱器(11)的I ω頻率電壓分量的實(shí)部有效值Vbl，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，使鎖相放大器輸出的1ω電壓幅值分量為最小，將鎖相放大器設(shè)置為三倍頻，信號(hào)發(fā)生器輸出交流電流角頻率ω在IHz-1OkHz頻率范圍內(nèi)掃頻，最終獲得與掃頻交流電流角頻率ω對(duì)應(yīng)的3ω頻率電壓分量的實(shí)部有效值Vb3，利用目前常用的斜率法，得基底的熱導(dǎo)率；然后調(diào)節(jié)電路，連通第一焊盤(pán)(8)和第三焊盤(pán)(10)，僅使寬加熱器(12)工作，同理獲得寬加熱器(12)的1ω頻率電壓分量的實(shí)部有效值Vbi和3ω頻率電壓分量的實(shí)部有效值VB3，通過(guò)推導(dǎo)的熱擴(kuò)散系數(shù)與輸出電壓的公式a，得基底的熱擴(kuò)散系數(shù)； 公式
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK103698357SQ201310578646
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月16日
【發(fā)明者】趙立波, 陳闖, 蔣莊德, 趙玉龍, 王苑 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)