基于mems的柔性流速傳感器及其應(yīng)用和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種流速傳感器領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于MEMS的柔性流速傳 感器及其應(yīng)用和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 流速的測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中都有需求，尤其在國(guó)防工 業(yè)、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因而提高流速測(cè)量的精度和量程具有重要意義。
[0003] 傳統(tǒng)的流速測(cè)量方法主要有杯形風(fēng)速計(jì)、皮托管/壓力傳感器、熱線/熱膜熱敏方 法、超聲波方法等。其中，熱線/熱膜熱敏方法是一種簡(jiǎn)單、高效、可靠、易于小型化的流速測(cè) 量方法。它利用熱敏電阻線(膜)作為加熱或熱敏傳感元件，外加電流或電壓使得熱線(膜） 升溫加熱流體，流體流動(dòng)時(shí)引起熱敏元件的阻值變化，進(jìn)而可推算出流體流速的大小。
[0004] 傳統(tǒng)的熱線/熱膜流速計(jì)是單個(gè)裝配的，由鉑或鎢制成的細(xì)導(dǎo)線安裝在支撐插腳 上，制作復(fù)雜、成本高、加熱功耗大，要形成測(cè)量流速分布的大陣列非常難。MEMS(Micro Electro Mechanical System，微機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展使得熱式MEMS流速傳感器的尺寸小 于1mm，尺寸的減小意味著慣性質(zhì)量和熱容的大幅度減小，使其更適合具有高頻響應(yīng)和超精 細(xì)空間結(jié)構(gòu)的高雷諾數(shù)湍流的測(cè)量。熱式MEMS流速傳感器的主要結(jié)構(gòu)是在襯底上制作熱 線/熱膜熱敏電阻，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無活動(dòng)部件、工藝過程易于控制、可批量微加工和成本低 等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 熱式MEMS流速傳感器的工作原理有二：一是熱損失原理，即通過測(cè)量流體流過時(shí) 加熱元件的熱阻變化反映流速，并且能夠測(cè)量高流速，低速時(shí)分辨率差，如風(fēng)速計(jì);二是熱 溫差原理，即通過檢測(cè)加熱電阻周圍的溫度分布情況來檢測(cè)流體速度，當(dāng)流體流過加熱體 的時(shí)候，上游的溫度下降會(huì)比下游的快，從而導(dǎo)致加熱體附近熱場(chǎng)發(fā)生變化，通過測(cè)量該溫 度差可以同時(shí)反映流速和流向，適于測(cè)極低風(fēng)速，如熱流量計(jì)。然而，現(xiàn)有的單一工作原理 的MEMS流速傳感器測(cè)量范圍較小，無法在大量程內(nèi)得到較高的精度測(cè)量。
[0006] 現(xiàn)有的MEMS流速傳感器多使用剛性襯底如硅、玻璃等，而實(shí)際流速測(cè)量應(yīng)用中有 各種非平面表面，如各種翼面、圓形管道面等，剛性襯底流速傳感器的使用受到限制。
[0007] 經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN103592461A，公布日2014.2.19， 公開了一種二維流速矢量傳感器及其制作方法，包括基底，該基底上設(shè)有圓形的熱敏電阻 區(qū)域，該熱敏電阻區(qū)域被均分為至少三個(gè)扇形區(qū)域，每一個(gè)該扇形區(qū)域均布置有一個(gè)迂回 結(jié)構(gòu)的熱敏電阻絲，以便該熱敏電阻絲均勻分布在該扇形區(qū)域內(nèi)。但該技術(shù)根據(jù)熱溫差原 理進(jìn)行測(cè)速，測(cè)量范圍有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于MEMS的柔性流速傳感器及其 應(yīng)用和制備方法，流速傳感器采用MEMS技術(shù)制作在柔性材料襯底上，傳感部分主要包括加 熱熱電阻、三對(duì)測(cè)溫?zé)犭娮韬铜h(huán)境測(cè)溫?zé)犭娮瑁瑫r(shí)應(yīng)用熱損失和熱溫差兩種工作原理，實(shí) 現(xiàn)寬量程的精確流速測(cè)量，并可安裝于曲面。
[0009]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010]本發(fā)明涉及一種基于MEMS的柔性流速傳感器，包括:柔性襯底、支撐膜、絕緣保護(hù) 層、環(huán)境測(cè)溫?zé)犭娮?、嵌入設(shè)置于絕緣保護(hù)層和支撐膜之間的加熱熱電阻和測(cè)溫?zé)犭娮鑼?duì)， 其中：柔性襯底、支撐膜和絕緣保護(hù)層依次相連，加熱熱電阻位于支撐膜中央，測(cè)溫?zé)犭娮?對(duì)的測(cè)溫?zé)犭娮鑼?duì)稱設(shè)置于加熱熱電阻的兩側(cè)，環(huán)境測(cè)溫?zé)犭娮枨度朐O(shè)置于柔性襯底和絕 緣保護(hù)層之間。
[0011] 所述的柔性襯底的底部設(shè)有隔熱空腔。
[0012] 所述的支撐膜對(duì)應(yīng)設(shè)置于隔熱空腔上方。
[0013] 所述的環(huán)境測(cè)溫?zé)犭娮琛⒓訜釤犭娮韬蜏y(cè)溫?zé)犭娮柰ㄟ^對(duì)應(yīng)的引線和引腳與外界 相連。
[0014] 所述的引腳設(shè)置于所述柔性傳感器敏感面的背面一側(cè)。
[0015] 所述的環(huán)境測(cè)溫?zé)犭娮?、加熱熱電阻和測(cè)溫?zé)犭娮铻橛鼗鼐€狀結(jié)構(gòu)。
[0016] 所述的迂回線狀結(jié)構(gòu)的線寬小于等于10WI1。
[0017]所述的測(cè)溫?zé)犭娮韫灿腥龑?duì)。
[0018] 所述的環(huán)境測(cè)溫?zé)犭娮璧淖柚荡笥诘扔诩訜釤犭娮枳柚档?倍。
[0019] 所述的環(huán)境測(cè)溫?zé)犭娮琛⒓訜釤犭娮韬蜏y(cè)溫?zé)犭娮璨捎秒p層薄膜金屬材料，包括 粘附層和熱阻層。
[0020] 所述的粘附層為鉻(Cr)或鈦(Ti)。
[0021] 所述的熱阻層為鉑(Pt)。
[0022] 所述的柔性襯底和支撐膜為柔性聚酰亞胺(PI)。
[0023]所述的絕緣保護(hù)層為聚合物薄膜材料或無機(jī)物薄膜材料。
[0024] 所述的聚合物薄膜材料包括但不限于：聚酰亞胺(PI)、聚對(duì)二甲苯(parylene)或 苯并環(huán)丁烯(BCB)。
[0025 ]所述的聚合物薄膜材料的厚度小于等于5μηι。
[0026]所述的無機(jī)物薄膜采用但不限于:氮化硅(Si3N4)、氧化硅(Si02)或氧化鋁(Α1 2〇3) 制成。
[0027] 所述的無機(jī)物薄膜材料的厚度小于等于Ιμπι。
[0028] 所述的引線和引腳采用但不限于:金屬鎳(Ni)、銅(Cu)或鋁(Α1)制成。
[0029] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用上述柔性傳感器的流速測(cè)量方法，包括：
[0030] 步驟1、每對(duì)測(cè)溫?zé)犭娮枧c兩個(gè)外部電路精確電阻構(gòu)成熱溫差型惠斯通電橋電路， 三對(duì)測(cè)溫?zé)犭娮铇?gòu)成對(duì)應(yīng)的三路熱溫差型惠斯通電橋電路;所述的加熱熱電阻、環(huán)境測(cè)溫 熱電阻和三個(gè)外接電阻構(gòu)成一路熱損失型惠斯通電橋電路。
[0031] 步驟2、熱溫差型惠斯通電橋電路與熱損失型惠斯通電橋電路并行測(cè)量未知流速， 產(chǎn)生的四路流速模擬信號(hào)分別依次經(jīng)過濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后形成對(duì)應(yīng)的流速數(shù) 字信號(hào)，并傳遞到數(shù)字處理單元。
[0032]步驟3、數(shù)字處理單元根據(jù)已標(biāo)定的流速數(shù)據(jù)列表記錄的流速測(cè)量信號(hào)的飽和點(diǎn)， 自動(dòng)在多路量程信號(hào)間切換并無縫生成單輸出流速信號(hào)。
[0033] 所述的切換是指:數(shù)字處理單元通過運(yùn)行相應(yīng)的程序確定熱溫差型惠斯通電橋電 路可測(cè)的各段流速量程大小，并確定可測(cè)得的最大流速值;當(dāng)測(cè)量的流速超過最大流速時(shí)， 切換到熱損失型惠斯通電橋電路以輸出高速信號(hào)。
[0034]所述的數(shù)字處理單元包括微控制器和存儲(chǔ)器。
[0035] 所述的微控制器包括但不限于:ARM、DSP或FPGA。
[0036]所述的流速數(shù)據(jù)列表是指:測(cè)量前對(duì)四路信號(hào)進(jìn)行流速的輸入-輸出標(biāo)定，獲得關(guān) 聯(lián)流速大小的四路惠斯通電橋電路輸出信號(hào)形成流速數(shù)據(jù)列表。
[0037] 所述的切換是指:數(shù)字處理單元通過運(yùn)行相應(yīng)的程序確定熱溫差型惠斯通電橋電 路可測(cè)的各段流速量程大小，并確定可測(cè)得的最大流速值;當(dāng)測(cè)量的流速超過最大流速時(shí)， 切換到熱損失型惠斯通電橋電路以輸出流速信號(hào)。
[0038]所述的三路熱溫差型惠斯通電橋電路用于極低流速到中等流速的測(cè)量，測(cè)量的流 速范圍為10-2~10V/S。
[0039] 所述的一路熱損失型惠斯通電橋電路采用恒溫差控制方法，用于高流速的測(cè)量， 測(cè)量的流速范圍為101~l〇 2m/s。
[0040] 本發(fā)明涉及上述柔性流速傳感器的制備方法，包括：
[0041] S001:制備過渡層。
[0042] S002:在過渡層上旋涂絕緣保護(hù)層并高溫固化。
[0043] S003:在絕緣保護(hù)層上氣相沉積Cr/Pt薄膜，并用光刻膠作掩膜，干法刻蝕熱電阻 金屬圖形。
[0044] S004:在得到熱電阻金屬圖形的Cr/Pt薄膜上沉積金屬種子層并光刻，電鍍金屬Cu 或Ni，得到引線和引腳。
[0045] S005:干法刻蝕去除金屬種子層，并旋涂聚酰亞胺支撐膜并高溫固化。
[0046] S006:在聚酰亞胺支撐膜上沉積金屬阻擋層薄膜，光刻并刻蝕圖形化，獲得隔熱空 腔對(duì)應(yīng)底部位置的金屬阻擋層圖形。
[0047] S007:在金屬阻擋層薄膜上旋涂聚酰亞胺柔性襯底，并高溫固化。
[0048] S008:在聚酰亞胺柔性襯底上沉積金屬掩膜層薄膜，光刻刻蝕金屬掩膜層開窗口， 反應(yīng)離子干法刻蝕聚酰亞胺柔性襯底至金屬阻擋層，獲得隔熱空腔。
[0049] 所述的金屬掩膜層為Cr、Ti或Cu。
[0050] S009:濕法刻蝕去除金屬阻擋層及金屬掩膜層，從過渡層上釋放聚酰亞胺柔性襯 底。
[0051] 所述的過渡層為硅橡膠PDMS膜或金屬膜犧牲層。<