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)定裝置上進行了標(biāo)定實驗，通過對不同的加熱／測溫電阻間距進行測試，得到傳感器的輸出電壓—流量特性曲線并進行了討

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)