測熱式和風(fēng)速計一體化傳感器的研究.pdf

1、微型機電系統(tǒng)技術(shù)在經(jīng)過二十多年的研究后，逐步開始應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域。其中開發(fā)可應(yīng)用于常規(guī)工業(yè)領(lǐng)域的微型傳感器成為該領(lǐng)域的研究重點。本論文著重闡述了應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的微型熱式流量傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)。 對于應(yīng)用于常規(guī)工業(yè)領(lǐng)域的微型熱式流量傳感器，需要對以下幾點進(jìn)行深入研究：(1)測量方法必須合理選擇，以便可以保證傳感器具有較大的測量范圍：(2)傳感器結(jié)構(gòu)必須同時具有較好的熱絕緣特性和較強的抗壓抗沖擊能力；(3)傳感器的封裝方式應(yīng)當(dāng)使傳

2、感器的傳感部件能夠與氣體介質(zhì)有效接觸；(4)傳感器工藝流程應(yīng)當(dāng)成本低廉并且具有較高的加工效率。 本論文主要展示了測熱式／風(fēng)速計一體化熱式流量測量方法以及采用該測量方法進(jìn)行測量的微型流量傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)。 測熱式／風(fēng)速計一體化測量方法將傳統(tǒng)的測熱式工作模式和風(fēng)速計工作模式集成到一塊單一的芯片上，通過在低流速測量范圍采用測熱式工作模式，在較高流速采用風(fēng)速計工作模式的方法，在保證傳感器的始動靈敏度的同時，極大的擴大了傳感器的

3、測量范圍。 基于MEMS工藝的流量傳感器樣機以玻璃為襯底，采用剝離工藝制成鉑質(zhì)加熱／測溫薄膜電阻結(jié)構(gòu)，采用聚酰亞胺作為鈍化層。通過采用玻璃實心支撐結(jié)構(gòu)代替現(xiàn)有硅傳感器的懸空結(jié)構(gòu)，該傳感器的抗沖擊和抗壓性能得到大幅提高，從而將微型測熱式傳感器的應(yīng)用范圍從毫米級與亞毫米級尺寸的微管道擴展到常規(guī)工業(yè)管道。傳感器樣機在工業(yè)用氣體標(biāo)定裝置上進(jìn)行了標(biāo)定實驗，通過對不同的加熱／測溫電阻間距進(jìn)行測試，得到傳感器的輸出電壓—流量特性曲線并進(jìn)行了討

4、論。實驗證明，在測熱式／風(fēng)速計一體化測量方法的工作模式下，該傳感器可用于常規(guī)工業(yè)管道的氣體流量的測量。 基于CMOS工藝的流量傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括一個填充有硅膠的單晶硅腔體支撐結(jié)構(gòu)，二氧化硅絕熱層，形成加熱器和熱電堆的硅膜和金屬膜，以及作為鈍化層的氮化硅層。該傳感器的支撐結(jié)構(gòu)由填充有硅膠的單晶硅腔體結(jié)構(gòu)和其上的二氧化硅絕熱層共同構(gòu)成，可獲得良好的絕熱特性和抗壓抗沖擊特性。由于該傳感器的工藝流程與常規(guī)CMOS工藝兼容，因此易于實現(xiàn)