一种高性能MEMS气体流量传感器设计.pdf

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1、2014年第33卷第2期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)77一种高性能MEMS气体流量传感器设计李辉，张持键(安徽师范大学物理与电子信息学院。安徽芜湖241000)摘要：使用MEMS技术研制出一种高灵敏度热温差式流量传感器。器件采用热隔离性能良好的衬底挖空结构，且热敏电阻器与热源距离可调，保证了系统的灵敏度和响应速度。同时热敏电阻器、加热电阻器与电桥电阻器集成在传感器片内，提高了系统的稳定性。实验表明：合适的电阻器间距可以获得较高的灵敏度，而在0~20

2、mL／min的量程范围内系统线性度较好，因此，在生化检测、医疗等领域具有良好的推广前景。关键词：气体流量传感器；MEMS；热温差原理；衬底挖空结构；灵敏度中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1000--9787(2014)02-0077-03DesignofahighperformanceMEMSgasflowsensorLIHui，ZHANGChi-jian(SchoolofPhysicsandElectronicInformation，AnhuiNormalUniversity，Wuhu2410

3、00，China)Abstract：Ahigh—sensitive，heattemperaturedifferencetypeflowsensorisresearchedandfabricatedbyusingMEMStechnology．Thedeviceadoptssubstratehollowedoutstructurewhichhasgoodheatisolationperformance，andthedistancebetweenthermalandheatingresistorscanbeadju

4、sted，SOsensitivityandresponsespeedareensured．Thethermalandheatingresistorsareintegratedinthesensorwiththebridgeresistors，whichenhancessystemstabilityeffectively．Theexperimentshowssuitableresistordistancecangainhighsensitivity，andthesystemownsgoodlinearityat

5、theflowvelocityrangeof0—20mL／min，SOthesensorhasexcellentpromotionprospectinbiochemicaldetectionandmedicalfields．‘一Keywords：gasflowsensor；MEMS；differentialbalorimetricprincip~le；substratehollowedoutstructure；sensi—tivity0引言关注。流量测量是人类生产与生活的基本需求，相应的测量本文将利用MEMS

6、技术加工制备微型气体流量传感仪器和方法广泛应用于冶金、化工、食品、医药及民生等国器；在设计中将采用有利于提高检测灵敏度的器件结构和民经济的各个领域，在国民经济中占据重要的地位。目前工艺材料，以及机械性能和密封性能良好的封装方法，使得厂矿企业广泛使用的流量计有涡轮流量计、罗茨流量计和传感器具有灵敏度高、性能稳定、成本可控等优点，能够满皮膜式流量计等，这类流量计技术成熟，性能可靠，精度也足生化检测、医疗等领域的需要。能满足一般的要求。但是这类机械式流量计应用于生化、1传感器模型医疗等领域就显得不太合适。这是由于这

7、些领域的流量范热温差式流量传感器是以托马斯提出的“流体的热传围大都处于L／min到mL／min量级，因此，要求传感器具递与其质量流量呈正比”理论为基础，利用流体流动过程有精度高、体积小、功耗低、响应时间短等特点，而机械式流中加热元件(热源)两侧的温度分布来反演流速；其优点是量计往往存在量程起始点偏大，测量范围小，需要温度压力灵敏度高、探测范围宽，具备分辨流向的能力，以及进一步补偿以及体积重量偏大等问题⋯。微型化、多功能化的发展潜力；目前已成为微流量传感器研微机电系统(MEMS)具有体积微小、耗能低、能方便地究

8、的热点E3]。进行微细操作等优点J，基于此类技术的流量传感器因其基于MEMS技术的热温差式流量传感器的基本工作固有的优点，使得人们对其在生化．医药等领域的应用日益原理如图1所示。热敏电阻器置于加热电阻器的两侧，当收稿日期：2013-11-27基金项目：安徽省高等学校省级自然科学研究项目(KJ2013Z094)；安徽师范大学科研培育基金资助项目(160—721244)78传感器与微系统第33卷流体静止