基于mems的柔性流速传感器及其应用和制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种流速传感器领域的技术，具体是一种基于MEMS的柔性流速传 感器及其应用和制备方法。
【背景技术】
[0002] 流速的测量在工业生产、医疗卫生、环境监测等领域中都有需求，尤其在国防工 业、航空航天领域应用广泛。因而提高流速测量的精度和量程具有重要意义。
[0003] 传统的流速测量方法主要有杯形风速计、皮托管/压力传感器、热线/热膜热敏方 法、超声波方法等。其中，热线/热膜热敏方法是一种简单、高效、可靠、易于小型化的流速测 量方法。它利用热敏电阻线(膜)作为加热或热敏传感元件，外加电流或电压使得热线(膜） 升温加热流体，流体流动时引起热敏元件的阻值变化，进而可推算出流体流速的大小。
[0004] 传统的热线/热膜流速计是单个装配的，由铂或钨制成的细导线安装在支撑插脚 上，制作复杂、成本高、加热功耗大，要形成测量流速分布的大阵列非常难。MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机械系统)技术的发展使得热式MEMS流速传感器的尺寸小 于1mm，尺寸的减小意味着惯性质量和热容的大幅度减小，使其更适合具有高频响应和超精 细空间结构的高雷诺数湍流的测量。热式MEMS流速传感器的主要结构是在衬底上制作热 线/热膜热敏电阻，具有结构简单、无活动部件、工艺过程易于控制、可批量微加工和成本低 等优点。
[0005] 热式MEMS流速传感器的工作原理有二：一是热损失原理，即通过测量流体流过时 加热元件的热阻变化反映流速，并且能够测量高流速，低速时分辨率差，如风速计;二是热 温差原理，即通过检测加热电阻周围的温度分布情况来检测流体速度，当流体流过加热体 的时候，上游的温度下降会比下游的快，从而导致加热体附近热场发生变化，通过测量该温 度差可以同时反映流速和流向，适于测极低风速，如热流量计。然而，现有的单一工作原理 的MEMS流速传感器测量范围较小，无法在大量程内得到较高的精度测量。
[0006] 现有的MEMS流速传感器多使用刚性衬底如硅、玻璃等，而实际流速测量应用中有 各种非平面表面，如各种翼面、圆形管道面等，刚性衬底流速传感器的使用受到限制。
[0007] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103592461A，公布日2014.2.19， 公开了一种二维流速矢量传感器及其制作方法，包括基底，该基底上设有圆形的热敏电阻 区域，该热敏电阻区域被均分为至少三个扇形区域，每一个该扇形区域均布置有一个迂回 结构的热敏电阻丝，以便该热敏电阻丝均匀分布在该扇形区域内。但该技术根据热温差原 理进行测速，测量范围有限。
【发明内容】
[0008] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于MEMS的柔性流速传感器及其 应用和制备方法，流速传感器采用MEMS技术制作在柔性材料衬底上，传感部分主要包括加 热热电阻、三对测温热电阻和环境测温热电阻，同时应用热损失和热温差两种工作原理，实 现宽量程的精确流速测量，并可安装于曲面。
[0009]本发明是通过以下技术方案实现的：
[0010]本发明涉及一种基于MEMS的柔性流速传感器，包括:柔性衬底、支撑膜、绝缘保护 层、环境测温热电阻、嵌入设置于绝缘保护层和支撑膜之间的加热热电阻和测温热电阻对， 其中：柔性衬底、支撑膜和绝缘保护层依次相连，加热热电阻位于支撑膜中央，测温热电阻 对的测温热电阻对称设置于加热热电阻的两侧，环境测温热电阻嵌入设置于柔性衬底和绝 缘保护层之间。
[0011] 所述的柔性衬底的底部设有隔热空腔。
[0012] 所述的支撑膜对应设置于隔热空腔上方。
[0013] 所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻通过对应的引线和引脚与外界 相连。
[0014] 所述的引脚设置于所述柔性传感器敏感面的背面一侧。
[0015] 所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻为迂回线状结构。
[0016] 所述的迂回线状结构的线宽小于等于10WI1。
[0017]所述的测温热电阻共有三对。
[0018] 所述的环境测温热电阻的阻值大于等于加热热电阻阻值的2倍。
[0019] 所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻采用双层薄膜金属材料，包括 粘附层和热阻层。
[0020] 所述的粘附层为铬(Cr)或钛(Ti)。
[0021] 所述的热阻层为铂(Pt)。
[0022] 所述的柔性衬底和支撑膜为柔性聚酰亚胺(PI)。
[0023]所述的绝缘保护层为聚合物薄膜材料或无机物薄膜材料。
[0024] 所述的聚合物薄膜材料包括但不限于：聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)或 苯并环丁烯(BCB)。
[0025 ]所述的聚合物薄膜材料的厚度小于等于5μηι。
[0026]所述的无机物薄膜采用但不限于:氮化硅(Si3N4)、氧化硅(Si02)或氧化铝(Α1 2〇3) 制成。
[0027] 所述的无机物薄膜材料的厚度小于等于Ιμπι。
[0028] 所述的引线和引脚采用但不限于:金属镍(Ni)、铜(Cu)或铝(Α1)制成。
[0029] 本发明涉及一种应用上述柔性传感器的流速测量方法，包括：
[0030] 步骤1、每对测温热电阻与两个外部电路精确电阻构成热温差型惠斯通电桥电路， 三对测温热电阻构成对应的三路热温差型惠斯通电桥电路;所述的加热热电阻、环境测温 热电阻和三个外接电阻构成一路热损失型惠斯通电桥电路。
[0031] 步骤2、热温差型惠斯通电桥电路与热损失型惠斯通电桥电路并行测量未知流速， 产生的四路流速模拟信号分别依次经过滤波、放大和模数转换(ADC)后形成对应的流速数 字信号，并传递到数字处理单元。
[0032]步骤3、数字处理单元根据已标定的流速数据列表记录的流速测量信号的饱和点， 自动在多路量程信号间切换并无缝生成单输出流速信号。
[0033] 所述的切换是指:数字处理单元通过运行相应的程序确定热温差型惠斯通电桥电 路可测的各段流速量程大小，并确定可测得的最大流速值;当测量的流速超过最大流速时， 切换到热损失型惠斯通电桥电路以输出高速信号。
[0034]所述的数字处理单元包括微控制器和存储器。
[0035] 所述的微控制器包括但不限于:ARM、DSP或FPGA。
[0036]所述的流速数据列表是指:测量前对四路信号进行流速的输入-输出标定，获得关 联流速大小的四路惠斯通电桥电路输出信号形成流速数据列表。
[0037] 所述的切换是指:数字处理单元通过运行相应的程序确定热温差型惠斯通电桥电 路可测的各段流速量程大小，并确定可测得的最大流速值;当测量的流速超过最大流速时， 切换到热损失型惠斯通电桥电路以输出流速信号。
[0038]所述的三路热温差型惠斯通电桥电路用于极低流速到中等流速的测量，测量的流 速范围为10-2~10V/S。
[0039] 所述的一路热损失型惠斯通电桥电路采用恒温差控制方法，用于高流速的测量， 测量的流速范围为101~l〇 2m/s。
[0040] 本发明涉及上述柔性流速传感器的制备方法，包括：
[0041] S001:制备过渡层。
[0042] S002:在过渡层上旋涂绝缘保护层并高温固化。
[0043] S003:在绝缘保护层上气相沉积Cr/Pt薄膜，并用光刻胶作掩膜，干法刻蚀热电阻 金属图形。
[0044] S004:在得到热电阻金属图形的Cr/Pt薄膜上沉积金属种子层并光刻，电镀金属Cu 或Ni，得到引线和引脚。
[0045] S005:干法刻蚀去除金属种子层，并旋涂聚酰亚胺支撑膜并高温固化。
[0046] S006:在聚酰亚胺支撑膜上沉积金属阻挡层薄膜，光刻并刻蚀图形化，获得隔热空 腔对应底部位置的金属阻挡层图形。
[0047] S007:在金属阻挡层薄膜上旋涂聚酰亚胺柔性衬底，并高温固化。
[0048] S008:在聚酰亚胺柔性衬底上沉积金属掩膜层薄膜，光刻刻蚀金属掩膜层开窗口， 反应离子干法刻蚀聚酰亚胺柔性衬底至金属阻挡层，获得隔热空腔。
[0049] 所述的金属掩膜层为Cr、Ti或Cu。
[0050] S009:湿法刻蚀去除金属阻挡层及金属掩膜层，从过渡层上释放聚酰亚胺柔性衬 底。
[0051] 所述的过渡层为硅橡胶PDMS膜或金属膜牺牲层。<