【摘 要】
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流量的监测具有重要现实意义,在汽车、航空、工业控制、集成电路散热管理、医疗等领域均有广泛的应用。这些场景对流量传感器的性能提出了新的要求,促使流量传感器朝着微型化、批量化、集成化与智能化的方向发展。然而,现有的流量传感器大多存在测量范围小、精度低和灵敏度低等问题。为了实现宽量程、高精度、高灵敏度和高可靠性的性能要求,本文采用热温差原理,设计出了一种柔性MEMS热式流量传感器。以柔性材料PI作为衬底
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流量的监测具有重要现实意义,在汽车、航空、工业控制、集成电路散热管理、医疗等领域均有广泛的应用。这些场景对流量传感器的性能提出了新的要求,促使流量传感器朝着微型化、批量化、集成化与智能化的方向发展。然而,现有的流量传感器大多存在测量范围小、精度低和灵敏度低等问题。为了实现宽量程、高精度、高灵敏度和高可靠性的性能要求,本文采用热温差原理,设计出了一种柔性MEMS热式流量传感器。以柔性材料PI作为衬底,采用激光刻蚀工艺加工出尺寸均匀的通孔阵列以降低基底方向的热传导损耗;采用钛-镍-铂组合电阻作为热敏元件,创新地提出了双螺旋结构的加热器,以及围绕双螺旋加热器中心以扇形边弯曲折叠的测温电阻对,A、B两组测温对电阻一远一近,增大了流量传感器的量程,使其兼容大流量与小流量的测量。本文对该流量传感器进行了仿真对比分析,分别研究了衬底导热系数、衬底厚度以及加热元件与测温元件的距离对传感器性能的影响,在此基础上结合现有工艺条件与可靠性的要求,验证并优化了传感器的模型结构。设计了基于惠斯通电桥的检测电路,可实现输出电压的测量,同时保持加热器与环境温度恒定温差200 K,可对电阻自热进行补偿。传感器工作温度范围为-100℃～400℃,A组测温电阻对的量程为20～100 m/s,在该流速范围内表现出良好的线性度,灵敏度约为0.061K/（m/s）,适用于较大流速的测量;B组测温电阻对的量程为0～25 mm/s,在该流速范围内表现出良好的线性度,灵敏度约为4.7 K/（mm/s）,适用于微流速的测量;分辨率高达0.1μm/s。最后,本文根据结构设计参数及各结构层材料的加工性能,考虑工艺可行性,优化并整合出一种简单的且与MEMS工艺兼容的柔性MEMS热式流量传感器的制造工艺流程。通过开展对刻蚀、薄膜沉积等主要制备工艺的研究,利用紫外皮秒激光蚀刻工艺加工出基底上的通孔阵列,采用直流磁控溅射技术沉积热敏金属层等,完成了流量传感器的工艺设计。实验结果表明:本文设计的柔性MEMS热式流量传感器具有较高的灵敏度、较宽的量程与较高的精度。本文的研究工作将促进热流量传感器的发展,为后续的生产流片奠定了基础。
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