双模式微流速计的制作方法

本实用新型属于流速测量传感技术领域，具体涉及一种结合表面流动热膜检测和卡门涡街分离频率检测两种工作模式的微流速计。

背景技术：

在生产生活的各个领域，对微型、轻质、低功耗、高性能的微型流速计的需求是巨大的。例如，在流动机理研究方面，需要得到湍流边界层的瞬时流速、脉动速度，三维湍流问题、流动控制等也需要获得点位置的流速信息；在流体机械、航空器优化设计方面，需要直接测量载体表面的流场分布情况；在生命科学领域，使用微流控技术进行精确地微量取样、进样等操作。

传统的流速测量系统体积大、机电结构复杂，因而难以微型化，如转子流速计、文丘里管、超声多普勒、激光多普勒测量仪、粒子成像测速等。基于微机电加工工艺制作的微流速计，则能够简便的安装在被测对象上，并对其原有形貌造成尽量小的影响。微流速计的一个主要形式是热线/热膜流速计，其工作原理是将一根细金属丝(热线)或一层金属薄膜(热膜)作为敏感元件放在流场中，通过电流加热热线或热膜，当风速变化时，热线或热膜的温度就随之变化，从而改变其电阻产生电信号的变化，这种变化和风速之间具有单调的一一对应关系，因此通过预先的校准过程，测量该电信号的变化就可以得到实际流场的速度大小。

由于测量原理和结构的限制，热膜流速计的应用具有一定的局限性。热线流速计在高速流场中由于受到的气动载荷较大，会因热线电阻丝自身应变、振动甚至机械损坏等问题而导致使用寿命有限。热膜流速计的敏感电阻薄膜是沉积(或溅射)于诸如玻璃的基底之上，一方面，相比于热线流速计的电阻丝悬空于流场之中，热膜流速计因气动载荷产生的变形小而牢固可靠；但另一方面，由于其与流体热交换速度小于热线流速计，其测量流速范围亦小于热线流速计。此外，热线/膜流速计在低流速情况下灵敏度较高，但流速增大后，灵敏度逐渐降低甚至饱和，因此流速测量范围较小。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种结合表面流动热膜检测和卡门涡街分离频率检测两种工作模式的微流速计，以克服现有的热膜式微流速计测量范围小的缺陷。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种双模式微流速计，包括：

下极板，其上相邻设置有用于流速检测的热敏感膜电阻Ⅰ和用于温度补偿的热敏感膜电阻Ⅱ；

中间极板，其为门型结构，所述门型结构的横梁为微漩涡发生器；所述中间极板连接在下极板的上方；

上极板，其连接在中间极板的上方；

其中，所述下极板、中间极板和上极板相连接形成微流速计测量腔；流动的流体通过下极板、中间极板和上极板的引导进入微流速计测量腔；所述热敏感膜电阻Ⅰ通过与其连接的引线电极Ⅰ通电流加热后检测由流动引起的热损耗；所述热敏感膜电阻Ⅱ通过与其连接的引线电极Ⅱ通电流加热后检测流动的流体中的温度；所述微漩涡发生器对流场产生扰动使得微流速计内部出现周期性漩涡，根据漩涡分离频率得到管内流速。

优选的是，所述下极板和上极板均为玻璃板。

优选的是，所述中间极板为单晶硅。

优选的是，所述热敏感膜电阻Ⅰ和热敏感膜电阻Ⅱ的材质为铂金。

优选的是，所述上极板和中间极板通过阳极键合方式连接；所述下极板和中间极板通过阳极键合方式连接。

本实用新型至少包括以下有益效果：

(1)微流速计具有两种工作模式：表面流动热膜检测和卡门涡街分离频率检测，其中第一种模式工作在低流速情况，第二种模式工作于高流速情况。通过结合两种工作模式，拓展了微流速计的测量范围。

(2)微流速计的表头集成了温度敏感器件(即用于温度补偿的热敏感膜电阻Ⅱ)，无需安装额外的温度传感器以进行温度补偿。

(3)微流速计中的所有部件均采用微机电加工工艺，不仅减少了流速计制作工艺的复杂程度，还能降低封装价格，实现低成本的大批量生产。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为双模式微流速计的爆炸结构示意图；

图2为双模式微流速计的加工工艺流程图；

图3为在工作模式一(表面流动热膜检测)情况下，双模式微流速计内部流场示意图；

图4为在工作模式二(卡门涡街分离频率检测)情况下，双模式微流速计内部流场示意图；

图5为双模式微流速计在两种工作模式下的输出信号示意图；

图6为在工作模式一(表面流动热膜检测)情况下，不同流速下热膜驱动电压的幅值输出；

图7为图6的局部放大图和线性拟合情况，其流速范围为0～15m/s；

图8为在工作模式二(卡门涡街分离频率检测)情况下，流速为50m/s下热膜驱动电压随时间的变化；

图9为在工作模式二(卡门涡街分离频率检测)情况下，流速为62.5m/s下热膜驱动电压随时间的变化；

图10为在工作模式二(卡门涡街分离频率检测)情况下，流速为75m/s下热膜驱动电压随时间的变化；

图11为经过时间-频率变换后，图8～10时域信号的频率变化；

图12为在工作模式二(卡门涡街分离频率检测)情况下，不同流速(15～180m/s)下热膜驱动电压的频率变化。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实用新型公开了一种双模式微流速计，包括：

下极板3，其上相邻设置有用于流速检测的热敏感膜电阻Ⅰ4和用于温度补偿的热敏感膜电阻Ⅱ5，其中热敏感膜电阻Ⅱ5用于检测流体温度，以对测量结果进行温度修正；

中间极板2，其为门型结构，所述门型结构的横梁为微漩涡发生器10；所述中间极板2连接在下极板3的上方；

上极板1，其连接在中间极板2的上方；

其中，所述下极板3、中间极板2和上极板1相连接形成微流速计测量腔；流动的流体通过下极板3、中间极板2和上极板1的引导进入微流速计测量腔；所述热敏感膜电阻Ⅰ4通过与其连接的引线电极Ⅰ(6,7)通电流加热后检测由流动引起的热损耗；所述热敏感膜电阻Ⅱ5通过与其连接的引线电极Ⅱ(8,9)通电流加热后检测流动的流体中的温度；所述微漩涡发生器对流场产生扰动使得微流速计内部出现周期性漩涡，根据漩涡分离频率得到管内流速。

在上述技术方案中，所述下极板和上极板均为玻璃板；在本实用新型中提高微流速计灵敏度的关键手段是尽量减小热敏感膜电阻Ⅰ和热敏感膜电阻Ⅱ传导到下极板的热损失。热敏感膜电阻Ⅰ和热敏感膜电阻Ⅱ需要尽可能的将其与流速计其他部位进行热隔离。为达到此目的，可将热敏感膜电阻Ⅰ和热敏感膜电阻Ⅱ置于具有低热传导性的材料之上。在微机械加工的常用材料中，玻璃的热传导系数为2.3W/mK，远小于硅(150W/mK)，故可将下极板的材料选为薄玻璃片，并在其上溅射热敏感膜电阻Ⅰ4和热敏感膜电阻Ⅱ5。为了最大程度的发挥流速计的功能，器件的热反应时间需要尽可能短(通常<1ms)，因此下极板的厚度可选为100～200m。

在上述技术方案中，所述中间极板为单晶硅，由于单晶硅具有各向异性的特性，可通过较为简单便宜的预掩埋湿法腐蚀工艺，制作较复杂的几何结构。

在上述技术方案中，所述热敏感膜电阻Ⅰ和热敏感膜电阻Ⅱ的材质为铂金；热敏感膜电阻Ⅰ4和热敏感膜电阻Ⅱ5要求其敏感材料具有尽可能高的电阻温度系数(TCR)，因为其对温度敏感度正比于敏感材料的TCR。由于最终是检测电阻的变化，故敏感材料的电阻率也要求尽可能大。由于铂金具有较高的TCR，且拥有优异的抗腐蚀性、高温下的稳定性以及和MEMS工艺兼容等性能，故可选择使用铂金作为热膜电阻材料。

在上述技术方案中，所述上极板和中间极板通过阳极键合方式连接；所述下极板和中间极板通过阳极键合方式连接。

在上述技术方案中，当流体的流速较低时，微流速计工作于表面流动热膜检测模式，微流速计内部为层流流动，流场如图3所示，此时微漩涡发生体10不影响流场的层流状态，流体的流速正比于热膜的散热率；通过检测热敏感膜电阻Ⅰ的驱动电压的变化幅值得到当前流速，在该工作模式下，微流速计的工作原理是基于无限长的圆柱体在无限大的流场中的热对流理论。1914年King推导了这一圆柱体的热对流方程，并且给出了方程的解，导出了热对流耗散和流动速度之间的关系：

其中H代表对流热耗散，A、B为常数，v为流动速度，Ts为热膜的工作温度，To为环境温度；

根据热平衡原理，热产生应该等于热耗散，因而有

其中Is为加热电流，Rs为工作电阻。当流体的流速较低时，微流速计可通过检测热敏感膜电阻Ⅰ4的驱动电压的变化幅值得到当前流速，并通过热敏感膜电阻Ⅱ5检测流体温度，以对测量结果进行温度修正。

在上述技术方案中，当流体的流速较高时，微流速计工作于卡门涡街分离频率检测模式，在微漩涡发生体10的扰动作用下，微流速计内部出现周期性漩涡(即卡门涡街)，流场如图4所示。通过检测漩涡发声体后的速度场的周期变化，即检测热敏感膜电阻Ⅰ的驱动电压的变化频率，来获得漩涡脱落频率，进而得到管道中流体的流速。

在一定雷诺数范围内，稳定的漩涡分离频率与微漩涡发生器10的宽度及流速有以下关系：

式中d为微漩涡发生器10的宽度，f为漩涡分离频率，St是一量纲数，对于一定形状的漩涡发生器，在一定流速范围内是雷诺数的函数，由试验给出。由上式可见，只要测出漩涡分离频率f，即可得到流速v。漩涡分离频率f可通过检测热敏感膜电阻Ⅰ4的驱动电压的变化频率得到，从而得到当前流速，并通过热敏感膜电阻Ⅱ5检测流体温度，以对测量结果进行温度修正。

涡街在漩涡发生体下游形成以后，一面以平行于轴线方向运动，一面还在垂直于轴线的方向上振动。当流速降低时涡街的升力是以流速的平方减小，当流速很小时检测到的涡街信号就很微弱了，容易被噪声干扰淹没。

图5为双模式微流速计在两种工作模式下的输出信号示意图。当流速较低时，微流速计工作于模式一：表面流动热膜检测，通过检测热敏感膜电阻Ⅰ上驱动电压的变化幅值即可得到当前流速；当流速较高时，微流速计工作于模式二：卡门涡街分离频率检测，微涡流发生器10干扰流场使得其后部交替产生涡街，此时热膜损失的热量随着其上方流体流速的交替变化而出现相应的振荡，通过检测热敏感膜电阻Ⅰ上驱动电压的变化频率即可得到当前流速。

图6为在工作模式一(表面流动热膜检测)情况下，不同流速下热膜驱动电压的幅值输出。可以看出，随着流速的增大，流速计输出逐渐饱和，而在流速较低的情况下，例如<15m/s，流速计的输出与流速有较好的线性关系，见图7。

进一步提高流速时，在微漩涡发生器10的扰动作用下，热敏感膜电阻Ⅰ4的驱动电压出现周期性振荡，如图8～10所示。对驱动电压进行时间-频率变换后，得到其振荡频率，实验结果表明振荡频率随着流速的增加而增减，见图11。进一步的发现，在15～180m/s的流速范围内，驱动电压振荡频率与流速有较好的线性关系，见图12。

一种如上述的双模式微流速计的制备方法，如图2所示，包括以下过程：首先对1000um厚度的单晶硅片进行表面清洗(图2a)，并通过热氧化或PECVD工艺在单晶硅片上下两个表面形成500nm厚度的氧化层(图2b)；利用HF腐蚀工艺分两步在氧化层表面刻蚀所需厚度的中间极板图形(图2c)；利用KOH腐蚀工艺对硅片进行双面腐蚀，得到含微漩涡发生器的中间极板(图2d)；最后将上极板、中间极板、以及下极板通过阳极键合方式组装，并在两端进行切割划片(如图2e虚线所示)，得到双模式微流速计，其中下极板上的热敏感膜电阻Ⅰ和热敏感膜电阻Ⅱ通过标准溅射工艺制作，并通过剥离(Lift-Off)工艺进行图形化。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。