本发明专利技术提供了一种基于MEMS技术的热式流量传感器，其通过发热元件向被测流体散热，并通过测温元件对流体热量进行检测来测量流量。该热式流量传感器包括发热元件、位于发热元件上游侧且离发热元件不同距离的两组测温元件、对称布置在发热元件下游侧的两组测温元件、以及相应的加热控制电路和信号检测电路。本发明专利技术的热式流量传感器同时具有高灵敏度和宽量程的特点，与传统的热式流量传感器相比能实现更高的灵敏度和更宽的量程，并且利用微电子机械加工技术制作，具有压力损失小、热响应速度快、尺寸小、重量轻、可靠性高等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS技术的热式流量传感器
本专利技术属于传感器领域和微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)领域，具体地，涉及一种基于MEMS技术的热式流量传感器，尤其适用于航天器推进系统中对小流量气体有高灵敏度、高精度测量需求的场合。
技术介绍
热式流量测量是利用放置于被测流体中的发热元件与流体之间的热交换关系来进行流量测量的技术。热式流量传感器通常分为风速计式与量热式(又称温差式、或热分布式)两种常见方式：(1)风速计式流量传感器的工作原理是建立在King'sLaw理论基础上的，这种测量方式是以流体流动过程中加热丝的热耗散程度作为流量测量依据。其主要特征为，传感器上有一根加热丝，在流体中加热丝所产生的热量被带走，直接或间接测量散热量的多少可以标定流速的大小。但是这种传感器的缺点是低流速时灵敏度低、稳定性差。(2)量热式流量传感器的测量原理则以探测流体流动过程中加热元件(热源)两侧的温度分布来探测流速大小。其主要特征为，传感器由一个热源提供发热，在沿流速方向距热源等距的上下游两侧，分别有一个测温单元。测温单元可以是热电阻或热电堆等。利用在一定流量时的上下游温差来测量流速的大小。与风速计式相比，量热式流量传感器的缺点是高流速时易出现饱和。由于量热式传感器存在高流速下输出易饱和的弱点，其流量测量范围不可能达到很宽的范围，从而限制了其在需要高灵敏度和高量程比场合的应用。针对小流量范围下高量程比的流量测量需求，现有专利文献CN101680788A(申请日：2008.04.22，专利技术名称：热流量计)和CN101782410A(申请日：2009.01.20，专利技术名称：一种微机电系统热式流量计)采用了结合风速计式和量热式组合测量的方案来实现较高的灵敏度和较宽的量程比，通过后续处理电路来对流量范围和测量结果进行计算和判断，但是，这样的方式不仅传感器后续处理电路设计复杂，而且整体制作成本高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对现有量热式流量传感器测量范围(量程比)、灵敏度等方面不足的问题，提供一种新型的基于MEMS技术的热式流量传感器，以实现比现有量热式流量传感器更宽的测量范围(量程比)和更高的灵敏度。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案包括：根据本专利技术的一个方面，其提供了一种基于MEMS技术的热式流量传感器，包括：衬底板、覆盖于衬底板上的第一电气绝缘层、布置在第一电气绝缘层上的布线层、覆盖于布线层上的第二电气绝缘层、第一固定电阻、第二固定电阻、放大器、三极管以及第一仪表放大器，其中，衬底板的背面形成有空腔，使得第一电气绝缘层部分地自衬底板的背面露出；第一电气绝缘层、布线层以及第二电气绝缘层位于空腔上的部分形成隔膜区；衬底板上包括位于第一侧边的第一电极焊盘、第三电极焊盘、第五电极焊盘、第七电极焊盘、第九电极焊盘，以及位于第二侧边的第二电极焊盘、第四电极焊盘、第六电极焊盘、第八电极焊盘、第十电极焊盘以及第十一电极焊盘，其中，第一电极焊盘与第二电极焊盘、第三电极焊盘与第四电极焊盘、第五电极焊盘与第六电极焊盘、第七电极焊盘与第八电极焊盘、以及第九电极焊盘与第十电极焊盘相对于流体的流动方向对称地布置；布线层包括：位于衬底板中部的发热元件，并且发热元件的第一端通过电极引线连接至第一电极焊盘，其第二端通过电极引线连接至第二电极焊盘；第一测温元件对和第二测温元件对，第一测温元件对和第二测温元件对相对于发热元件对称地布置在发热元件上游和下游，所述上游和下游以流体的流动方向为基准，第一测温元件对包括第一测温元件和第二测温元件，第二测温元件对包括第三测温元件和第四测温元件，并且第一测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第九电极焊盘和第十电极焊盘，第二测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第七电极焊盘和第八电极焊盘，第三测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第三电极焊盘和第四电极焊盘，第四测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第五电极焊盘和第六电极焊盘；以及辅助测温元件，其位于隔膜区的上游，并且辅助测温元件的第一端连接至发热元件的第二端，辅助测温元件的第二端通过电极引线连接至第十一电极焊盘；并且每个测温元件对由两根或两根以上并行的、且具有弯折形状的电阻图案形成；三极管的集电极与外部的第一电源连接，三极管的基极连接至放大器的输出端，三极管的发射极连接至第二电极焊盘；第一固定电阻的一端连接至第一电极焊盘，另一端接地；第二固定电阻的一端连接至第十一电极焊盘，另一端接地；放大器的正输入端连接在发热元件与第一固定电阻之间，其负输入端连接在辅助测温元件与第二固定电阻之间；第九电极焊盘和第五电极焊盘共同通过电极引线连接至外部的第二电源；第十电极焊盘与第三电极焊盘连接；第四电极焊盘与第八电极焊盘共同接地；第六电极焊盘与第七电极焊盘连接；第一仪表放大器的正输入端连接在第一测温元件与第三测温元件之间，负输入端连接在第二测温元件与第四测温元件之间，其输出端作为所述热式流量传感器的输出端。根据本专利技术的另一个方面，其提供了一种基于MEMS技术的热式流量传感器，包括衬底板、覆盖于衬底板上的第一电气绝缘层、布置在第一电气绝缘层上的布线层、覆盖于布线层上的第二电气绝缘层、第一固定电阻、第二固定电阻、放大器、三极管、第一仪表放大器、第二仪表放大器、以及第三仪表放大器，其中，衬底板的背面形成有空腔，使得第一电气绝缘层部分地自衬底板的背面露出；第一电气绝缘层、布线层以及第二电气绝缘层位于空腔上的部分形成隔膜区；衬底板上包括：位于第一侧边的第一电极焊盘、第三电极焊盘、第四电极焊盘、第五电极焊盘、第六电极焊盘、第十一电极焊盘、第十二电极焊盘、第十三电极焊盘以及第十四电极焊盘，以及位于第二侧边的第二电极焊盘、第七电极焊盘、第八电极焊盘、第九电极焊盘、第十电极焊盘、第十五电极焊盘、第十六电极焊盘、第十七电极焊盘、第十八电极焊盘以及第十九电极焊盘，其中，第一电极焊盘与第二电极焊盘相对于流体的流动方向对称地布置；布线层包括：位于衬底板中部的发热元件，并且发热元件的第一端通过电极引线连接至第一电极焊盘，其第二端通过电极引线连接至第二电极焊盘；第一测温元件对、第二测温元件对、第三测温元件对以及第四测温元件对，第一测温元件对与第二测温元件对、第三测温元件对与第四测温元件对分别对称地布置在发热元件的上游和下游，所述上游和下游以流体的流动方向为基准，第一测温元件对包括第一测温元件和第二测温元件，第二测温元件对包括第三测温元件和第四测温元件，第三测温元件对包括第五测温元件和第六测温元件，第四测温元件对包括第七测温元件和第八测温元件，并且第一测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第十一电极焊盘和第十四电极焊盘，第二测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第十二电极焊盘和第十三电极焊盘，第三测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第三电极焊盘和第六电极焊盘，第四测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第四电极焊盘和第五电极焊盘，第五测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第十五电极焊盘和第十八电极焊盘，第六测温元件的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第十六电极焊盘和第十七电极焊盘本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于MEMS技术的热式流量传感器，其特征在于，包括：衬底板(1)、覆盖于衬底板(1)上的第一电气绝缘层(2a)、布置在第一电气绝缘层(2a)上的布线层、覆盖于布线层上的第二电气绝缘层(2b)、第一固定电阻(100)、第二固定电阻(101)、放大器(102)、三极管(109)以及第一仪表放大器(103)，其中，衬底板(1)的背面形成有空腔，使得第一电气绝缘层(2a)部分地自衬底板(1)的背面露出；第一电气绝缘层(2a)、布线层以及第二电气绝缘层(2b)位于空腔上的部分形成隔膜区(3)；衬底板(1)上包括位于第一侧边的第一电极焊盘(11)、第三电极焊盘(13)、第五电极焊盘(15)、第七电极焊盘(17)、第九电极焊盘(19)，以及位于第二侧边的第二电极焊盘(12)、第四电极焊盘(14)、第六电极焊盘(16)、第八电极焊盘(18)、第十电极焊盘(20)以及第十一电极焊盘(10)，其中，第一电极焊盘(11)与第二电极焊盘(12)、第三电极焊盘(13)与第四电极焊盘(14)、第五电极焊盘(15)与第六电极焊盘(16)、第七电极焊盘(17)与第八电极焊盘(18)、以及第九电极焊盘(19)与第十电极焊盘(20)相对于流体的流动方向对称地布置；布线层包括：位于衬底板(1)中部的发热元件(5)，并且发热元件(5)的第一端通过电极引线连接至第一电极焊盘(11)，其第二端通过电极引线连接至第二电极焊盘(12)；第一测温元件对和第二测温元件对，第一测温元件对和第二测温元件对相对于发热元件(5)对称地布置在发热元件(5)上游和下游，所述上游和下游以流体的流动方向为基准，第一测温元件对包括第一测温元件(7a)和第二测温元件(7b)，第二测温元件对包括第三测温元件(8a)和第四测温元件(8b)，并且第一测温元件(7a)的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第九电极焊盘(19)和第十电极焊盘(20)，第二测温元件(7b)的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第七电极焊盘(17)和第八电极焊盘(18)，第三测温元件(8a)的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第三电极焊盘(13)和第四电极焊盘(14)，第四测温元件(8b)的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第五电极焊盘(15)和第六电极焊盘(16)；以及辅助测温元件(6)，其位于隔膜区(3)的上游，并且辅助测温元件(6)的第一端连接至发热元件(5)的第二端，辅助测温元件(6)的第二端通过电极引线连接至第十一电极焊盘(10)；并且每个测温元件对由两根或两根以上并行的、且具有弯折形状的电阻图案形成；三极管(109)的集电极与外部的第一电源(Vs)连接，三极管(109)的基极连接至放大器(102)的输出端，三极管(109)的发射极连接至第二电极焊盘(12)；第一固定电阻(100)的一端连接至第一电极焊盘(11)，另一端接地；第二固定电阻(101)的一端连接至第十一电极焊盘(10)，另一端接地；放大器(102)的正输入端连接在发热元件(5)与第一固定电阻(100)之间，其负输入端连接在辅助测温元件(6)与第二固定电阻(101)之间；第九电极焊盘(19)和第五电极焊盘(15)共同通过电极引线连接至外部的第二电源(Vref)；第十电极焊盘(20)与第三电极焊盘(13)连接；第四电极焊盘(14)与第八电极焊盘(18)共同接地；第六电极焊盘(16)与第七电极焊盘(17)连接；第一仪表放大器(103)的正输入端连接在第一测温元件(7a)与第三测温元件(8a)之间，负输入端连接在第二测温元件(7b)与第四测温元件(8b)之间，其输出端作为所述热式流量传感器的输出端。...
【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS技术的热式流量传感器，其特征在于，包括衬底板(1')、覆盖于衬底板(1')上的第一电气绝缘层(2a')、布置在第一电气绝缘层(2a')上的布线层、覆盖于布线层上的第二电气绝缘层(2b')、第一固定电阻(100')、第二固定电阻(101')、放大器(102')、三极管(109')、第一仪表放大器(103')、第二仪表放大器(104')、以及第三仪表放大器(105')，其中，衬底板(1')的背面形成有空腔，使得第一电气绝缘层(2a')部分地自衬底板(1')的背面露出；第一电气绝缘层(2a')、布线层以及第二电气绝缘层(2b')位于空腔上的部分形成隔膜区(3')；衬底板(1')上包括：位于第一侧边的第一电极焊盘(21')、第三电极焊盘(23')、第四电极焊盘(24')、第五电极焊盘(25')、第六电极焊盘(26')、第十一电极焊盘(31')、第十二电极焊盘(32')、第十三电极焊盘(33')以及第十四电极焊盘(34')，以及位于第二侧边的第二电极焊盘(22')、第七电极焊盘(27')、第八电极焊盘(28')、第九电极焊盘(29')、第十电极焊盘(30')、第十五电极焊盘(35')、第十六电极焊盘(36')、第十七电极焊盘(37')、第十八电极焊盘(38')以及第十九电极焊盘(39')，其中，第一电极焊盘(21')与第二电极焊盘(22')相对于流体的流动方向对称地布置；布线层包括：位于衬底板(1')中部的发热元件(5')，并且发热元件(5')的第一端通过电极引线连接至第一电极焊盘(21')，其第二端通过电极引线连接至第二电极焊盘(22')；第一测温元件对、第二测温元件对、第三测温元件对以及第四测温元件对，第一测温元件对与第二测温元件对、第三测温元件对与第四测温元件对分别对称地布置在发热元件(5')的上游和下游，所述上游和下游以流体的流动方向为基准，第一测温元件对包括第一测温元件(7a')和第二测温元件(7b')，第二测温元件对包括第三测温元件(8a')和第四测温元件(8b')，第三测温元件对包括第五测温元件(9a')和第六测温元件(9b')，第四测温元件对包括第七测温元件(10a')和第八测温元件(10b')，并且第一测温元件(7a')的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第十一电极焊盘(31')和第十四电极焊盘(34')，第二测温元件(7b')的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第十二电极焊盘(32')和第十三电极焊盘(33')，第三测温元件(8a')的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第三电极焊盘(23')和第六电极焊盘(26')，第四测温元件(8b')的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第四电极焊盘(24')和第五电极焊盘(25')，第五测温元件(9a')的第一端和第二端分别通过电极引线连接至第十五电极焊盘(35')和第十八电极焊盘(38')，第六...
【专利技术属性】
技术研发人员：龙军，冶元菲，关威，陈君，汪旭东，付新菊，魏延明，张恒，刘旭辉，张良，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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