MEMS梁膜结构流量传感器设计与实现_陈佩.pdf

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1、第３１卷第２期实验流体力学Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２２０１７年０４月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓＡｐｒ．，２０１７文章编号：１６７２－９８９７（２０１７）０２－００３４－０５ｄｏｉ：１０．１１７２９／ｓｙｌｔｌｘ２０１７０００１ＭＥＭＳ梁膜结构流量传感器设计与实现陈佩１，＊，赵玉龙２，田边２（１．长安大学工程机械学院，西安７１００６４；２．西安交通大学机械制造系统工程国

2、家重点实验室，西安７１００５４）摘要：流量是工业检测重要参数之一。流量检测技术随着微机械电子系统（ＭＥＭＳ）技术的发展与应用，向着小型化、高精度、智能化的方向发展。基于ＭＥＭＳ技术设计了一种梁膜结合的压差式流量传感器结构，分析了其基本工作原理，采用硅微加工工艺对传感器进行了流片加工，然后对封装完成的传感器样机进行了气流和水流静态性能测试。气流测试灵敏度为０．３５０８ｍＶ／（ｍｓ－１）２，测试基本精度为０．５８８５％ＦＳ；水流测试灵敏度为－１）２，测试基本精度为０．９３２３％ＦＳ。结果表明，所设计传感器具有较高

3、的灵敏度与基本精度，从而４１．５２４１ｍＶ／（ｍｓ能完成流量信号的检测。关键词：微机电系统；流量；传感器；梁膜结构；微加工中图分类号：ＴＨ８１４文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭＥＭＳｂａｓｅｄｂｅａｍ－ｍｅｍｂｒａｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｌｏｗｓｅｎｓｏｒ１，＊，ＺｈａｏＹｕｌｏｎｇ２，ＴｉａｎＢｉａｎ２ＣｈｅｎＰｅｉ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｃｈａｎｇ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００６４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ

4、ｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌｏｗｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｌｏｗｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ

5、ｔｏｗａｒｄｓｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．ＡＭＥＭＳｂｅａｍ－ｍｅｍｂｒａｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｏｗｓｅｎｓｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅａｉｒｆｌｏｗｔｅｓｔａｎｄｗａｔｅｒｆｌｏｗｔｅｓｔａｒｅｃ

6、ｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｂｙｔｈｅａｉｒｆｌｏｗｔｅｓｔｉｓ０．３５０８ｍＶ／（ｍｓ－１）２ａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃａｃｃｕｒａｃｙｉｓ０．５８８５％ＦＳ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｂｙｔｈｅｗａｔｅｒｆｌｏｗｔｅｓｔｉｓ－１）２４１．５２４１ｍＶ／（ｍｓａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃａｃｃｕｒａｃｙｉｓ０．９３２３％ＦＳ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｓｅｎｓｏｒｈａｓｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｂａｓｉｃａｃｃｕｒａｃｙｆｏｒｔｈｅｆｌｏｗｍｅ

7、ａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｆｌｏｗ；ｓｅｎｓｏｒ；ｂｅａｍ－ｍｅｍｂｒａｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ［７－８］微型流量传感器。ＭＥＭＳ热式流量传感器具有０引言较宽的测量范围，较高的灵敏度，低的流量测量下限，流量是工业检测重要参数之一，在制造业、物理以及较好的工艺可控性等。热式流量传感器经过近化学、生命科学及国防安全中均是需要重点检测的物４０年发展，已经占据了流量测量的主流市场。然而，［１－３］理量。流量传感器的发展具有悠久的历史。自热式流量传感器也有着其固有缺点，

8、如衬底热传导导２０世纪５０年代以来，随着微机械电子系统（ＭＥＭＳ）致的测量误差、功耗较大、容易发生零漂以及响应时的兴起和发展，使得流量传感器的研究方向朝着小型间过长等。此外，当流体处于运动状态时，传感器热［４－６］化、高精度和智能化的方向发展。导率可能增加，从而带来较大的测量误差。国内外学者针对基于ＭＥＭＳ技术的流量传感器非热式流量传感器可以较好地克服以上缺点，具展开了广泛研究，最常见的是基于传热学