基于MEMS技术的无线无源流量传感器的制作方法

本发明涉及流量传感器以及MEMS技术领域，具体为一种基于MEMS技术的无线无源流量传感器。

背景技术：

流体流量的测量在工业生产和过程控制中占有重要地位。特别是在能源、冶金、运输、医疗器械、科学实验等领域。流量传感器的适应工作环境能力的大小，以及测量精度的高低等指标都极大地影响着社会各行业的发展。现如今向数字化、智能化、微型化、多功能化、网络化发展是流量传感器将来发展的必然趋势,因此研究高质量的流量传感器是十分必要的。目前常规的流体流量传感器可大致分为以下几类：

1.容积式流量传感器：把流体不断充满和排放已知容积的测量原件，从而累加计得流体的流量。如中国发明专利201110061455.0

2.涡轮式流量传感器：液体流动冲击涡轮叶片转动，根据法拉第电磁感应定律将涡轮的转动能转化为电信号输出，得到流量信号。如中国发明专利201110061455.0

3.差压式流量传感器：通过测量当流体流过管道中的节流件时前后出现的压力差值 ,而获得与之相关的流量值 。如中国发明专利200910010946.5

4.电磁流量传感器：导电液体流动切割磁感线，产生感应电动势，因为电动势与流速成正比，所以可得知对应流量值。如中国发明专利201510265254.0

5.超声波流量传感器：依据的是超声波在流体中传播时会携带流体流速信息的原理。如中国发明专利201410818583.9

上述传统流量传感器存在有智能化低，需要有线源供电，不能实现无线传输、传感器网络化管理等不足，此外由于结构复杂，体积较大，介入流体部分过多，不适用于微流量的测量，应用环境有限。因此有必发明一种新型的流体流量传感器。

技术实现要素：

本发明提出一种基于MEMS技术，可实现无线传输、无源自供能的流体流量传感器，以解决现有的流量传感器存在有智能化低，需要有线源供电，不能实现无线传输、传感器网络化管理等不足，且不适用于微流量的测量的技术问题。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于MEMS技术的无线无源流量传感器，包括一个呈空心筒状结构的无线无源流量传感器敏感单元；所述的无线无源流量传感器敏感单元包括呈空心筒状结构的基于MEMS技术的敏感单元、嵌套固定在基于MEMS技术的敏感单元的外部的呈空心筒状结构的敏感单元基底以及构成无线无源流量传感器敏感单元的两个端口的一对环状的电极；所述电极与相邻的基于MEMS技术的敏感单元及敏感单元基底的两端之间密封连接；电极的内壁周圈固定有封装电极硅胶，电极与基于MEMS技术的敏感单元电连接，其中一个电极作为高电压端，另一个电极作为低电压端；还包括电源管理模块和无线信号传输模块；所述高电压端与电源管理模块的输入端正极相连接，所述低电压端与电源管理模块的输入端负极相连接；电源管理模块的输出端正极与无线信号传输模块的电源正极相连接，电源管理模块的输出端负极与无线信号传输模块的电源负极相连接；高电压端还与无线信号传输模块的信号输入端相连接；基于MEMS技术的敏感单元以及固定有封装电极硅胶的电极的内部空间构成流体通道。

如图1所示，无线无源流体流量传感器包括第一部分，第二部分，第三部分。第一部分为无线无源流量传感器敏感单元部分。在此部分中，流体通道内的流体与基于MEMS技术的敏感单元（疏水纳米材料）表面发生摩擦耦合，产生对应电压信E，电压信号通过基于MEMS技术的敏感单元两端的电极，传输于第二部分及第三部分。第二部分为无线无源流量传感器电源管理模块。在此部分中，被捕获的电压信号经过电源管理模块内部的整流滤波电路后，进入储能单元，作为第三部分无线信号传输模块的能源。第三部分为无线无源流量传感器中的无线信号传输模块。在此部分中，被捕获的电压信号进入无线信号传输模块，经过A\D转换电路转换为脉冲信号，调制于振荡电路所产生的正弦信号中，调制后的信号经过放大电路，将携带有流量信息的电压信号以无线电的形式传送至附近的信号存储基站。终端控制器从信号存储基站中提取信号后，根据已知的流量与电压信号大小之间对应关系，计算出对应的流量大小，显示并记录数据，至此流量监测过程结束。所述无线信号传输模块和电源管理模块可采用现有的公知电路。

进一步的，所述无线信号传输模块和电源管理模块集成在同一块电路板上并制成筒状结构密封嵌套装配于敏感单元基底的外壁上；筒状结构电路板的两端均与电极相连接；还包括一个空心筒状的外壳基座；所述装配有筒状结构电路板的无线无源流量传感器敏感单元嵌套固定于外壳基座内部；筒状结构电路板一半为无线信号传输模块，另一半为电源管理模块；外壳基座的两端口均固定有一个法兰；法兰中心孔内径与流体通道内径相同且法兰中心孔内径与流体通道的中心轴线共线；法兰朝向电极一侧的端面与电极外侧边密封连接，法兰中心孔内壁与封装电极硅胶之间密封连接；无线信号传输模块的工作天线嵌于外壳基座中。

无线无源流量传感器敏感单元和电源管理模块及无线信号发射模块集成在一个筒状的外壳基座内，整个装置体积小巧，部件都位于外壳基座内部，提高了使用寿命，携带使用都十分方便。

图4为无线无源流量传感器网络化管理信号传输拓扑图，无线无源流量传感器将信号传输至附近节点位置的信号存储基站，由终端控制器从信号存储基站中提取信号，平行节点基站间的环形拓扑结构可实现信息共享，以达到终端控制器访问任意一个基站就可获取全部信息的目的。

上述第一部分无线无源流量传感器敏感单元部分信号采集的实验数据如图5、6所示：图5为420mMKCL溶液流速固定的情况下，无线无源流量传感器敏感单元部分对应产生的电流信号与相同流速的去离子水没有明显的电流信号形成对比；图6为420mMKCL溶液流速固定的情况下，无线无源流量传感器敏感单元部分对应产生的电压信号与相同流速的去离子水没有明显的电压信号形成对比。

本发明作为一种基于MEMS技术的新型流量传感器，由于其结构简单，受管道口径影响较小，可以实现自供能，所以可被应用于各种环境的管道流量监测系统，尤其是在野外管道监测，微流系统流量监测等传统流量传感器受限的极限环境系统中。此外，根据信号传输网络拓扑结构，可以实现传感器的智能化和网络化管理。

附图说明

图1：基于MEMS技术的无线无源流量传感器的工作流程图。

图2：基于MEMS技术的无线无源流量传感器结构图，图中1-电极，2-外壳基座，3-无线信号传输模块，4-电源管理模块，5-敏感单元基底，6-法兰，7-流体通道，8-封装电极硅胶，9-基于MEMS技术的敏感单元。

图3为图2的侧视图。

图4：无线无源流量传感器网络化管理信号传输拓扑图，10-终端控制器，11-信号存储基站，12-基于MEMS技术的无线无源流量传感器。

图5 基于MEMS技术的无线无源流量传感器信号采集的实验数据一（电流随时间的变化）。

图6基于MEMS技术的无线无源流量传感器信号采集的实验数据二（电压随时间的变化）。

图7无线信号传输模块和电源管理模块电路结构图。

具体实施方式

一种基于MEMS技术的无线无源流量传感器，包括一个呈空心筒状结构的无线无源流量传感器敏感单元；所述的无线无源流量传感器敏感单元包括呈空心筒状结构的基于MEMS技术的敏感单元9、嵌套固定在基于MEMS技术的敏感单元9的外部的呈空心筒状结构的敏感单元基底5以及构成无线无源流量传感器敏感单元的两个端口的一对环状的电极1；所述电极1与相邻的基于MEMS技术的敏感单元9及敏感单元基底5的两端之间密封连接；电极1的内壁周圈固定有封装电极硅胶8，电极1与基于MEMS技术的敏感单元9电连接，其中一个电极1作为高电压端，另一个电极作为低电压端；还包括电源管理模块4和无线信号传输模块3；所述高电压端与电源管理模块4的输入端正极相连接，所述低电压端与电源管理模块4的输入端负极相连接；电源管理模块4的输出端正极与无线信号传输模块3的电源正极相连接，电源管理模块4的输出端负极与无线信号传输模块3的电源负极相连接；高电压端还与无线信号传输模块3的信号输入端相连接；基于MEMS技术的敏感单元9以及固定有封装电极硅胶8的电极1的内部空间构成流体通道7。

所述无线信号传输模块3和电源管理模块4集成在同一块电路板上并制成筒状结构密封嵌套装配于敏感单元基底5的外壁上；筒状结构电路板的两端均与电极1相连接；还包括一个空心筒状的外壳基座2；所述装配有筒状结构电路板的无线无源流量传感器敏感单元嵌套固定于外壳基座2内部；筒状结构电路板一半为无线信号传输模块3，另一半为电源管理模块4；外壳基座2的两端口均固定有一个法兰6；法兰6中心孔内径与流体通道7内径相同且法兰6中心孔内径与流体通道7的中心轴线共线；法兰6朝向电极1一侧的端面与电极1外侧边密封连接，法兰6中心孔内壁与封装电极硅胶8之间密封连接；无线信号传输模块3的工作天线嵌于外壳基座2中。

基于MEMS技术的敏感单元9采用疏水性SnO₂纳米材料制成。

电极1宽度均为0.5cm，敏感单元基底5采用玻璃或者石英制成，长度为9cm，内径为1.5cm。

一种基于MEMS技术的无线无源流量传感器，包括多个呈空心筒状结构且顺次连接的无线无源流量传感器敏感单元；每个无线无源流量传感器敏感单元包括呈空心筒状结构的基于MEMS技术的敏感单元9、嵌套固定在基于MEMS技术的敏感单元9的外部的呈空心筒状结构的敏感单元基底5以及构成无线无源流量传感器敏感单元的两个端口的一对环状的电极1；电极1的内壁周圈固定有封装电极硅胶8，电极1与基于MEMS技术的敏感单元9电连接；基于MEMS技术的敏感单元9以及固定有封装电极硅胶8的电极1的内部空间构成流体通道7；相邻无线无源流量传感器敏感单元的电极之间电连接；顺次连接后的多个无线无源流量传感器敏感单元的首尾两个电极1中，一个作为高电压端，另一个电极作为低电压端；还包括电源管理模块4和无线信号传输模块3；所述高电压端与电源管理模块4的输入端正极相连接，所述低电压端与电源管理模块4的输入端负极相连接；电源管理模块4的输出端正极与无线信号传输模块3的电源正极相连接，电源管理模块4的输出端负极与无线信号传输模块3的电源负极相连接；高电压端还与无线信号传输模块3的信号输入端相连接；多个流体通道7相互贯通。

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明：

实施例1：一种无线无源流量传感器

如图2、3所示，包括有外壳基座2，所述外壳基座2内嵌有无线信号传输模块3的工作天线；所述无线信号传输模块3与电源管理模块4集成在同一电路板，密封装配于敏感单元基底5的外层；所述敏感单元基底5在流体通道7一侧表面附着；所述基于MEMS技术的敏感单元9两侧各安装有电极1，分别连接至无线信号传输模块3以及电源管理模块4；所述电极1在流体通道7流体接触面一侧密封覆盖有封装电极硅胶8；传感器两侧端面分别形成与被测流体管的外表面相适配的接合面，并采用法兰6等方式固定。

所述基于MEMS技术的敏感单元9两侧各安装有电极1，均采用材料银制成的环形电极，环形电极宽度均为0.5cm。

所述基于MEMS技术的敏感单元9采用基于MEMS技术制成的筒形疏水性纳米材料，本实例中采用疏水性SnO₂纳米材料，材料附着于筒形玻璃或者石英基底（敏感单元基底5）内表面，长度为9cm（图2中L），内径为1.5cm。

所述无线信号传输模块3，采用超低功耗无线模块APC240，发射功率10mW，传输距离空旷400米。其工作天线嵌于外壳基座2中。

实施例2：

改变实施例1中的传感器管径尺度以及传感器长度。并由内置无线信号传输模块3及电源管理模块4改为外置，完成微流量的测量。

实际使用时，为了获得更好的信号，三个流量传感器采用串联形式进行探测。图7所示为电源管理模块4和无线信号传输模块3的电路，其中无线信号传输模块3包括单片机MCU和无线信号发射模块MODULE；电源管理模块电路包括桥式整流二极管（D1、D2、D3、D4）、放大器OP、N沟道增强型场效应管Q1等。所述三个流量传感器1、2、3信号输出端（电极的高电压端）串联后顺次通过电阻R1、桥式整流二极管（D1、D2、D3、D4）、二极管D5、电感L1、肖特基二极管SD、电阻R8与MCU的VCC口以及MODULE的BATT口相连接；电感L1一端与肖特基二极管SD的正极连接，电感L1另一端通过电阻R5、R6接地；三个流量传感器1、2、3低电压端连接在二极管D4和D3之间，D1、D4的连接端接地；D2、D3连接端与D5的正极连接，D5的负极通过电容C1接地；D5的负极与电感L1另一端相连接，肖特基二极管SD的正极与N沟道增强型场效应管Q1的漏极连接，N沟道增强型场效应管Q1的栅极与放大器OP的输出端连接，N沟道增强型场效应管Q1的源极通过电阻R4接地，N沟道增强型场效应管Q1的衬极与放大器OP的反相输入端相连接；放大器OP的输出端与肖特基二极管SD的负极连接；N沟道增强型场效应管Q1的栅极通过电阻R7和R6接地；电阻R7与R6的连接端与放大器OP的正向输入端连接；电阻R8与MCU的VCC口相连接的一端还通过稳压二极管DZ以及电阻R4接地，其中稳压二极管DZ的正极与电阻R4连接；稳压二极管DZ的正极与肖特基二极管SD的负极之间连接有电容C2；MCU的XTAL1口通过电容C3接地，MCU的XTAL2口通过电容C4接地，XTAL1口和XTAL2口之间连接有石英晶体谐振器X；三个流量传感器的信号输出端（高电压端）还与MCU的P1.7/ADC7口相连接；MCU的P2.6口与MODU的SET_A口连接，MCU的P2.7口与MODU的SET_B口连接；RXD/P3.0与MODU的RXD口相连接，TXD/P3.1口与MODU的TXD口相连接，INTO/P3.2口与MODU的AUX口相连接；MODU的REST口连接有电容C5，电容C5另一端连接有数字地；MODU的REST口还通过电阻R9接地；电阻R9的另一端通过一个开关与电容C5以及数字地连接。

如图7所示，三个流量传感器的电压信号V1,V2,V3经过串联电路后，一部分信号进入电源管理模块电路，一部分进入单片机MCU的模拟信号输入端P1.7/ADC7口，作为模拟信号输入。在电源管理电路中，电压信号经过全桥整流之后，存储于超级电容C1中，经过电压放大电路以及整流电路后，作为整体电路的电源供应，分别输入到单片机MCU和无线信号发射模块MODULE中，电压模拟信号从P1.7/ADC7口进入单片机后，经过单片机内部AD转换电路转化为数字信号。在单片机与无线电发射模块通信部分，单片机的P2.6口和P2.7口与无线发射模块的SET_A口和SETT-B口连接，由单片机内部程序控制P2.6口和P2.7口的电位高低，来控制无线发射模块的工作模式。并且通过TXD口和RXD口在程序的控制下实现与无线发射模块的接受发射数据和接受数据。

本发明所述的基于MEMS技术的敏感单元采用如下步骤制成：

1.材料制备制备：利用软光刻工艺，将SnO₂纳米线自组装在 NOA81 阵列化微柱上，得到了具有疏水特性的微纳米阶层结构；

2.材料改性与转移：使用低表面能物质如：十八烷基三氯硅烷对材料进行表面修饰，可以得到超疏水表面。并纳米材料转移至二氧化硅筒形内壁；

3.电极制备：把双导铜箔胶带作为电极贴在管道内壁两端，引出导线。双导铜箔胶带与纳米材料充分接触，并用绝缘硅胶封装；

4.将引出的导线接至第二部分信号处理集成电路中；

至此流量传感器敏感单元部分制作完成。

可以理解的是，对本领域的技术人员来说，可以根据上述说明进行任何修改、等同替换、改进，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。