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专利名称：时分复用微机电系统块状流体传感器及其工作方法
技术领域：
本发明涉及高性能流体传感器的设计和工作方法，尤其是一种时分复用微机电系 统块状流体传感器及其工作方法，该流体传感器的制作应用了微机电系统技术和制作高性 能流体传感器的方法。
背景技术：
传统用于设计和制作器件的流体度量技术，例如由于流道内液体或气体环境的 变化使得质量流速测量不精确使得气体或液体流量传感器仍然受限。特别是基于热原理测 量混合气体或液体并生成的质量流数据。由于气体或液体流量的变化将会给系统引入巨大 的误差，自然气体就不能保证有一个稳定的成份并且为了精确测量质量流速率成份的变化 而必须被监测。流速传感器的校准是基于气体或液体成份的恒定，而根据传统热原理得到的质量 流速率没有考虑气体或液体成份的变化，因此偏离了真实的流体速率。为了克服这些困难，传统测量体积的技术通常用额外的温度和压力补偿来实现进 而达到更加精确的质量流速率的测量。然而，用传统体积计(涡轮流量计具有窄的测量范 围而不能满足许多实际需求)测量得到的数据。商用成份自由度独立的器件提供直接的质 量流但是这些流量计不能提供精确的流体体积。此外，它只能应用到重介质流速的测量。热质量流速计通过测量与流动液体质量流速呈函数关系的温度场变化来直接提 供液体的质量流速测量。但是对于具体液体样品的测量，热层流边界层只能被维持成毛细 管形式。因此，为每一个具体应用的校准成为获得精确流速测量的必要步骤，但是应用到的 这些流量计的生产成本被大大增加。大多数流量计特别是应用于监测和控制工业工艺的流量计需要连续不间断的工 作。因此，在研究或在线校准仍然需要并且确保测量的精确性。但是，在线实时校准将影响 成品率并增加生产成本。尽管对于大多数的应用，超声流量计具有在线校准的优势，由于涉 及到复杂计算程序和更高的成本所带来的苦难和限制，这些测量计阻止了这些解决方法， 超声流量计对于上述问题在实际中很实用。

发明内容
本发明的目的在于设计一种时分复用微机电系统块状流体传感器及其工作方法， 它能够克服现有技术存在的问题，它通过考虑流速测量中的温度，压力和工作环境中成份 变化，有效且方便的校准流速测量值，得到足够的精度；是一种实用的测量流体流速的装置 及方法。本发明的技术方案一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在于它由 温度传感器、微加热器、加热器控制器、处理器、多孔硅层、衬底及掩埋层构成；所说的温度 传感器与微加热器相邻；所说的加热器控制器与微加热器连接，并提供加热能量作为给微 加热器的电脉冲；所说的处理器置于流体中接收流速的输入量直接确定流速；所说的温度
3传感器为两个，分别置于流体的上游和下游；所说的温度传感器和微加热器制作在半导体 衬底上。上述所说的流体直径是50mm。上述所说的温度传感器与微加热器的距离为2 12um。上述所说的温度传感器与微加热器的距离为5um。上述所说的温度传感器为金属条，包括金或钼。上述所说的温度传感器为金。上述所说的微加热器为两个，之间的距离50 5000um。上述所说的微加热器为两个，之间的距离100 500um。上述所说的微加热器为金属条，包括金或钼。上述所说的微加热器为钼。上述所说的电脉冲为调制电子能量，或调制正弦波电子能量，或方波电子能量，或 特定频率的调制电子能量。一种上述时分复用微机电系统块状流体传感器的工作方法，其特征在于它包括以 下步骤(1)将温度传感器放置在流体中与微加热器短的距离内，并给加热器提供加热能 量测量延时，通过温度传感器和加热器的相关温度变化量确定流速；(2)给加热器提供一个调制的正弦曲线加热能量并从加热器温度变化量确定一个 温度响应，通过应用锁相放大技术测量相外相内比来确定相位移并根据相位移确定流速；(3)不断确定流速以此来不断监测流体具体的热量；不断地测量压力并用流体的 具体热量去不断地监测流体的密度和成份。本发明的工作原理该传感器以渡越时间方式精确校准直接测量流速；另一方 面，该发明提供了一种新型改进的传感器结构和方法用来精确校准质量流传感器，通过给 加热器一个电脉冲并且测定流体的温度变化量；这种方法还包含了通过布置在与加热器短 距离的温度传感器测量温度的步骤；还包含了测量与温度相关的其他量，加热器温度的变 化决定了一个延时和相应的流速；通过给加热器添加一个一定频率连续调制的电脉冲来确 定加热器的温度，脉冲为正弦波，运用锁相放大技术测量温度，直接测量加热器和温度传感 器温度，同时也测量流体压力，这些测量值用来监测流体的实际热量，密度和气体成份。本发明的优越性本发明块状流体传感器通过考虑流速测量中的温度，压力和工 作环境中成份变化，有效且方便的校准流速测量值，得到足够的精度。


图1为本发明所涉一种时分复用微机电系统块状流体传感器的结构示意图。图2为图1的俯视图。图3A为本发明所涉一种时分复用微机电系统块状流体传感器的热脉冲周期测定 示意图。图;3B为本发明所涉一种时分复用微机电系统块状流体传感器的测定延时△ t示意图。图4A为本发明所涉一种时分复用微机电系统块状流体传感器的加热功率为调制
4正弦波时的周期测定示意图。图4B为本发明所涉一种时分复用微机电系统块状流体传感器的温度传感器为正 弦波时加热器温度变化示意图。其中，1为温度传感器，2为微加热器，3为压焊点，4为多孔硅层，5为衬底，6为掩埋层。
具体实施例方式实施例一种时分复用微机电系统块状流体传感器(见图1、图2)，其特征在于它 由温度传感器1、微加热器2、加热器控制器、处理器、多孔硅层4、衬底5及掩埋层6构成； 所说的温度传感器1与微加热器2相邻；所说的加热器控制器与微加热器2连接，并提供加 热能量作为给微加热器2的电脉冲；所说的处理器置于流体中接收流速的输入量直接确定 流速；所说的温度传感器1为两个，分别置于流体的上游和下游；所说的温度传感器1和微 加热器2制作在半导体衬底5上。上述所说的温度传感器1和微加热器2制作在半导体衬底5上的连接点为压焊点 3。(见图1)上述所说的流体直径是50mm。上述所说的温度传感器1与微加热器2的距离为5um。上述所说的温度传感器1为金。上述所说的微加热器2为两个，之间的距离100 500um。上述所说的微加热器2为钼。上述所说的电脉冲为调制正弦波电子能量。一种上述时分复用微机电系统块状流体传感器的工作方法，其特征在于它包括以 下步骤(1)将温度传感器放置在流体中与微加热器短的距离内，并给加热器提供加热能 量测量延时，通过温度传感器和加热器的相关温度变化量确定流速；(见图3A、图;3B)(2)给加热器提供一个调制的正弦曲线加热能量并从加热器温度变化量确定一个 温度响应，通过应用锁相放大技术测量相外相内比来确定相位移并根据相位移确定流速； (图 4A、图 4B)(3)不断确定流速以此来不断监测流体具体的热量；不断地测量压力并用流体的 具体热量去不断地监测流体的密度和成份。
权利要求
1.一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在于它由温度传感器、微加热器、 加热器控制器、处理器、多孔硅层、衬底及掩埋层构成；所说的温度传感器与微加热器相邻； 所说的加热器控制器与微加热器连接，并提供加热能量作为给微加热器的电脉冲；所说的 处理器置于流体中接收流速的输入量直接确定流速；所说的温度传感器为两个，分别置于 流体的上游和下游；所说的温度传感器和微加热器制作在半导体衬底上。
2.根据权利要求1所说的一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在所说的 流体直径是50mm。
3.根据权利要求1所说的一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在所说的 温度传感器与微加热器的距离为2 12um。
4.根据权利要求1或3所说的一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在所 说的温度传感器为金属条，包括金或钼。
5.根据权利要求1所说的一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在所说的 微加热器为两个，之间的距离50 5000um。
6.根据权利要求1或5所说的一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在所 说的微加热器为金属条，包括金或钼。
7.根据权利要求1所说的一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在所说的 电脉冲为调制电子能量，或调制正弦波电子能量，或方波电子能量，或特定频率的调制电子 能量°
8.—种权利要求1所说的时分复用微机电系统块状流体传感器的工作方法，其特征在 于它包括以下步骤(1)将温度传感器放置在流体中与微加热器短的距离内，并给加热器提供加热能量测 量延时，通过温度传感器和加热器的相关温度变化量确定流速；(2)给加热器提供一个调制的正弦曲线加热能量并从加热器温度变化量确定一个温度 响应，通过应用锁相放大技术测量相外相内比来确定相位移并根据相位移确定流速；(3)不断确定流速以此来不断监测流体具体的热量；不断地测量压力并用流体的具体 热量去不断地监测流体的密度和成份。
全文摘要
一种时分复用微机电系统块状流体传感器，其特征在于它由温度传感器、微加热器、加热器控制器、处理器、多孔硅层、衬底及掩埋层构成；所说的温度传感器与微加热器相邻；所说的加热器控制器与微加热器连接，并提供加热能量作为给微加热器的电脉冲；所说的处理器置于流体中接收流速的输入量直接确定流速。工作方法给加热器提供加热能量测量延时，通过温度传感器和加热器的相关温度变化量确定流速；通过应用锁相放大技术测量相外相内比来确定相位移并根据相位移确定流速。本发明块状流体传感器通过考虑流速测量中的温度，压力和工作环境中成份变化，有效且方便的校准流速测量值，得到足够的精度。
文档编号G01K17/10GK102147420SQ201010615928
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者吴元庆, 屈怀泊, 徐超, 牟诗城, 高鹏 申请人:国家纳米技术与工程研究院