br>[0095] 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的流速数据列表。
[0096] 所述的传感器流速数据列表存储在存储器中。
[0097] 所述的微控制器选通相应量程的测温热电阻所在的惠斯通电桥电路输出流速测 量信号。
[0098]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。
[0099] 所述的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。
[0100] 所述的上游电阻和下游电阻构成的惠斯通电桥差动放大电路具有很好的环境噪 声共模抑制，可以精确测量极低流速。
[0101] 与所述的加热热电阻2距离不等的测温热电阻对流速v的测量灵敏度和测量范围 不同。对于固定的测温热电阻与加热热电阻2的距离，存在速度测量饱和值，只有当流速v低 于该饱和值时，电桥电势差V 12可随流速v的大小成比例变化;测温热电阻距离加热热电阻2 越远，速度测量饱和值越小，但灵敏度不高。本实施例中三个测温热电阻对3可兼顾流速测 量的量程和灵敏度。
[0102] 本实施例的宽量程流速测量范围为10-2~102m/s。
[0103] 本实施例涉及所述基于MEMS的柔性流速传感器的制备方法，采用MEMS微加工艺进 行制备，包括以下步骤：
[0104] S001:制备过渡层。
[0105]所述的过渡层位于基底晶圆片与柔性衬底之间，为硅橡胶PDMS膜或金属膜牺牲 层。
[0106]所述的金属膜牺牲层为气相沉积的铝膜、铜膜或钛膜。
[0107]所述的金属膜牺牲层厚度为100~500nm。
[0108] 所述的硅橡胶PDMS膜的制备包括:配制预聚体与固化剂质量比为5:1的PDMS预聚 物液体，旋涂在玻璃基底晶圆片上，60°C烘箱烘3h，得到厚度为50~100μπι的硅橡胶PDMS膜。
[0109] S002:在金属膜牺牲层或硅橡胶PDMS膜上旋涂聚酰亚胺绝缘保护层7并高温固化。
[0110] 所述的聚酰亚胺绝缘保护层7的厚度小于5μηι。
[0111] S003:在聚酰亚胺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。
[0112]所述的Cr/Pt薄膜的厚度为300nm〇
[0113] 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。
[0114] 所述的金属种子层为Cr/Cu。
[0115] S005:干法刻蚀去除金属种子层，并旋涂聚酰亚胺支撑膜8并高温固化。
[0116] 所述的支撑膜8的厚度小于ΙΟμπι。
[0117] S006:在聚酰亚胺支撑膜8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。
[0118] 所述的金属阻挡层为Cr、Ti或Cu。
[0119] S007:在金属阻挡层薄膜上旋涂聚酰亚胺柔性衬底1，并高温固化。
[0120]所述的聚酰亚胺柔性衬底1的厚度小于20μηι。
[0121] S008:在聚酰亚胺柔性衬底1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1至金属阻挡层，获得隔热空腔9。
[0122] 所述的金属掩膜层为Cr、Ti或Cu。
[0123] 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1。
[0124] 当过渡层为硅橡胶PDMS膜时，采用无水酒精溶液浸泡释放聚酰亚胺柔性衬底1。
[0125] 当过渡层为金属膜牺牲层时，采用湿法腐蚀牺牲层金属释放聚酰亚胺柔性衬底1。
【主权项】
1. 一种基于MEMS的柔性流速传感器，其特征在于，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。2. 根据权利要求1所述的流速传感器，其特征是，所述的柔性衬底的底部设有隔热空 腔，所述的支撑膜对应设置于隔热空腔上方。3. 根据权利要求1所述的流速传感器，其特征是，所述的测温热电阻为三对。4. 根据权利要求1所述的流速传感器，其特征是，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，且迂回线的线宽小于等于ΙΟμπι。5. 根据权利要求1所述的流速传感器，其特征是，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。6. -种应用上述任一权利要求所述柔性传感器的流速测量方法，其特征在于，包括： 步骤1、每个所述的测温热电阻对与两个外部电路精确电阻构成热温差型惠斯通电桥 电路，三对所述的测温热电阻对共构成相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； 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，产生的四路流 速模拟信号分别依次经过滤波、放大和模数转换后形成对应的流速数字信号，并传递到数 字处理单元； 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； 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； 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的流速数据列表。7. 根据权利要求6所述的流速测量方法，其特征是，所述的热温差型惠斯通电桥电路测 量的流速范围为1 2~1 〇1 m / S;所述的热损失型惠斯通电桥电路测量的流速范围为101~ 102m/s〇8. -种制备上述任一权利要求所述流速传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步 骤： S001:制备过渡层； S002:在过渡层上旋涂绝缘保护层并高温固化； 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； 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； 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； 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； 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； 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； 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。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征是，所述的过渡层为硅橡胶TOMS膜或金属膜 牺牲层;在步骤S009中，当过渡层为硅橡胶PDMS膜时，采用无水酒精溶液浸泡释放聚酰亚胺 柔性衬底;当过渡层为金属膜牺牲层时，采用湿法腐蚀牺牲层金属释放聚酰亚胺柔性衬底。
【专利摘要】一种基于MEMS的柔性流速传感器及其应用和制备方法，包括通过MEMS技术制备的：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，柔性衬底的底部设有隔热空腔；加热热电阻、三个测温热电阻对和环境测温热电阻构成四路热温差型和热损失型惠斯通电桥电路，对流速进行测量；本发明体积小，成本低，可用于具有复杂曲率的表面，并且具备极低流速到高流速的测速量程。
【IPC分类】G01P5/12
【公开号】CN105548606
【申请号】CN201510909210
【发明人】崔峰, 曾庆贵, 杨刚, 陈文元, 张卫平, 吴校生, 刘武
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月10日