一种多量程的热式气体流量传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种多量程的热式气体流量传感器结构的设计以及信号处理方法。包括带背部刻蚀空腔的单晶硅衬底、悬浮支撑膜、中心加热器、上游测量热敏元件组、下游测量热敏元件组和信号处理电路。上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组对称的放置在中心加热器两端，上游测量热敏元件包括上游第一测量元件和上游第二测量元件，下游测量热敏元件包括下游第一测量元件和下游第二测量元件，中心加热器和所有测量元件的热端放置在的悬浮支撑膜之上，测量元件的冷端放在悬浮支撑膜之外。本发明专利技术通过在单晶硅衬底上制备不同长度的测量元件，形成具有多量程检测功能的流量传感器，并且进一步的搭配外围控制电路，完成单芯片量程的切换。换。换。

【技术实现步骤摘要】
一种多量程的热式气体流量传感器


[0001]本专利技术涉及硅微机械系统传感器
，具体来说，涉及一种多量程的热式气体流量传感器及信号处理电路。

技术介绍

[0002]由于近年来国内对过程控制行业节能环保的要求不断提高，越来越多的指标，已经从粗略估算发展到需要定量分析，很多原料的进量以及废料的排量就需要得到高精度的计量，这使得测量领域中的流量仪表逐渐成为国内市场的关注热点。
[0003]随着仪器仪表自动化技术的不断提高，人们对测量领域的需求越来越多，为满足工业生产需求，针对不同用途的流量计应运而生。热式气体流量传感器主要利用热力学原理，来测量流道中的气体流量。当芯片上方流体流动时会带走部分热量，造成热量偏移，通过热敏元件将温度偏移量转化为电信号，由电信号的大小来反映被测气体流量值。基于微机电系统(Micro
‑
Electro
‑
MechanicalSystems,MEMS)制造工艺制作出的热式气体流量传感器易于与CMOS工艺相兼容，响应速度快、功耗低、精度高、尺寸小,且内部没有任何可移动部件，即便超出量程范围也不会造成传感器损坏，可以提供高精度且稳定的测量，在汽车工业、化学化工、食品加工、半导体制造领域都有着广泛的应用。
[0004]在热式气体流量传感器的应用中会涉及到同一管道不同气体流量的测量，而不同气体所适应的流量范围往往并不相同，传统的解决办法是更换其他量程范围的传感器，这需要对管道中的传感器进行拆卸与安装，这种方法步骤繁琐，比较耗费使用者的精力，降低工业生产效率。还有一种解决办法是在同一管道上设置多个传感器，该方法虽然可以满足对管道中不同气体流量的精确测量，但需要耗费一定的经济成本。
[0005]鉴于此，有必要设计一种多量程的热式气体流量传感器。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种多量程的热式气体流量传感器，以解决现有的传感器在测量多种气体流量范围时的步骤繁琐问题以及成本问题。本专利技术可使热式气体流量传感器的应用场景更加灵活，用途更加广泛，具有一定的经济效益，有利于提高生产效率。
[0007]为实现上述专利技术，采用如下技术方案：
[0008]本专利技术的一种多量程的热式气体流量传感器，包括背部刻蚀空腔的单晶硅衬底、悬浮支撑膜、中心加热器、上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组；中心加热器位于悬浮支撑膜的对称轴上，上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组对称的设置在中心加热器两侧，上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组结构相同。
[0009]测量热敏元件组包括多组测量元件、每组测量元件与中心加热器的距离不同，与中心加热器的距离越远的测量元件，用于测量大流量气体，获得更高的量程范围；距离中心加热器的距离越近的测量元件，用于测量小流量气体，获得更高的灵敏度。
[0010]以上游测量热敏元件组和与其对称的下游测量热敏元件组的差分输出作为传感
器的输出信号。
[0011]进一步的，上游测量热敏元件组包括上游第一测量元件组和上游第二测量元件组，且上游第一测量元件组和上游第二测量元件组距离中心加热器的距离不同；下游测量热敏元件组包括下游第一测量元件组和下游第二测量元件组，且下游第一测量元件组和下游第二测量元件组与中心加热器的距离不同；上游第一测量元件组与下游第一测量元件组关于中心加热器对称，上游第二测量元件组与下游第二测量元件组关于中心加热器对称。
[0012]进一步的，上游第一测量元件组和下游第一测量元件组分别包括多个平行设置的第一测量元件，上游第二测量元件组和下游第二测量元件组分别包括多个平行设置的第二测量元件，所述第一测量元和第二测量元为热电堆、热敏电阻或者二极管。
[0013]进一步的，当所述测量元件为热电堆时，测量元件的热端放置在的悬浮支撑膜之上，测量元件冷端位于悬浮支撑膜之外。
[0014]进一步的，通过导线连接上游第一测量元件冷端的下表面，并通过第一焊盘引出上游第一测量元件冷端下表面电信号；
[0015]通过导线连接上游第一测量元件冷端的上表面，并通过第四焊盘引出上游第一测量元件冷端上表面电信号；
[0016]通过导线连接上游第二测量元件冷端的下表面，并通过第二焊盘引出上游第二测量元件冷端下表面电信号；
[0017]通过导线连接上游第二测量元件冷端的上表面，并通过第三焊盘引出上游第二测量元件冷端上表面电信号；
[0018]通过导线连接下游第一测量元件冷端的下表面，并通过第九焊盘引出下游第一测量元件冷端下表面电信号；
[0019]通过导线连接下游第一测量元件冷端的上表面，并通过第六焊盘引出下游第一测量元件冷端上表面电信号；连接第四焊盘和第六焊盘；
[0020]通过导线连接下游第二测量元件冷端的下表面，并通过第八焊盘引出下游第二测量元件冷端下表面电信号；
[0021]通过导线连接下游第二测量元件冷端的上表面，并通过第七焊盘引出下游第二测量元件冷端上表面电信号；连接第三焊盘和第七焊盘；
[0022]第一焊盘和第九焊盘做为第一测量元件组的输出端，第二焊盘和第八焊盘做为第二测量元件的输出端。
[0023]本专利技术的一种多量程的热式气体流量传感器，还包括加热控制器、开关SA、可编程增益放大器、A/D转换器和微控制器uP。
[0024]加热控制器与中心加热器连接，用于控制中心加热器温度；所述开关SA为四极同时动合触点的旋转式开关，与上游第一测量元件组冷端下表面、上游第二测量元件组冷端下表面、下游第一测量元件组冷端下表面、下游第二测量元件组冷端下表面的电信号连接；也可以说是与第一焊盘、第九焊盘、第二焊盘、第八焊盘连接，用于将上游第一测量元件组冷端和下游第一测量元件组冷端的电信号、或上游第二测量元件组冷端和下游第二测量元件组冷端的电信号引出到可编程增益放大器，进行信号放大，再输出到A/D转换器进行模数转换，再输出到微控制器uP中；所述开关SA可手动控制量程切换，也可以采用数据选择器来进行软件控制。
[0025]进一步的，所述中心加热器采用重掺杂多晶硅电阻或金属热电阻。
[0026]进一步的，热电堆材料为塞贝克系数较大的n型多晶硅与p型多晶硅，为节省芯片面积，其排列方式为垂直于芯片表面方向的上下堆叠结构。
[0027]进一步的，第一测量元件和第二测量元件位于同一平面上交错排布。
[0028]进一步的，所述悬浮支撑膜为高机械强度的二氧化硅薄膜与低应力的氮化硅薄膜。
[0029]进一步的，所有电极焊盘均在热式气体流量传感器的一侧，便于后续信号处理电路的简化。
[0030]有益效果：
[0031]本专利技术通过在同一芯片上设置多对的测量热电堆，实现了多量程测量功能。外围电路设计多极开关来控制量程的选择，用户在使用时仅需按下所需的量程按钮就可以实现量程的转换，节省了安装拆卸成本，具有一定的经济效益，提高工业生产效率。
附图说明
[0032]图1是热式气体流量传感器的三维立体示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多量程的热式气体流量传感器，其特征在于，包括背部刻蚀空腔的单晶硅衬底、悬浮支撑膜、中心加热器、上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组；中心加热器位于悬浮支撑膜的对称轴上，上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组对称的设置在中心加热器两侧，上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组结构相同，测量热敏元件组包括多组测量元件、每组测量元件与中心加热器的距离不同。2.根据权利要求1所述一种多量程的热式气体流量传感器，其特征在于，上游测量热敏元件组包括上游第一测量元件组和上游第二测量元件组，且上游第一测量元件组和上游第二测量元件组距离中心加热器的距离不同；下游测量热敏元件组包括下游第一测量元件组和下游第二测量元件组，且下游第一测量元件组和下游第二测量元件组与中心加热器的距离不同。3.根据权利要求1或2所述一种多量程的热式气体流量传感器，其特征在于，上游第一测量元件组和下游第一测量元件组分别包括多个平行设置的第一测量元件，上游第二测量元件组和下游第二测量元件组分别包括多个平行设置的第二测量元件，所述测量元件为热电堆、热敏电阻或者二极管。4.根据权利要求3所述一种多量程的热式气体流量传感器，其特征在于，当所述测量元件为热电堆时，测量元件的热端放置在的悬浮支撑膜之上，测量元件冷端位于悬浮支撑膜之外。5.根据权利要求4所述一种多量程的热式气体流量传感器，其特征在于，通过导线连接上游第一测量元件冷端的下表面，并通过第一焊盘引出上游第一测量元件冷端下表面电信号；通过导线连接上游第一测量元件冷端的上表面，并通过第四焊盘引出上游第一测量元件冷端上表面电信号；通过导线连接上游第二测量元件冷端的下表面，并通过第二焊盘引出上游第二测量元件冷端下表面电信号；通过导线连接上游第二测量元件冷端的上表面，并通过第三焊盘引出上游第二测量元件冷端上表面电信号；通过导线连接下游第一测量元件冷端的下表面，并通过第九焊盘引出下游第一测量元件冷端下表面电信号；通过导线连接下游第一测量元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：于虹，李肖婷，张文青，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：