專利名稱：時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能流體傳感器的設(shè)計(jì)和工作方法，尤其是一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系 統(tǒng)塊狀流體傳感器及其工作方法，該流體傳感器的制作應(yīng)用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和制作高性 能流體傳感器的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)用于設(shè)計(jì)和制作器件的流體度量技術(shù)，例如由于流道內(nèi)液體或氣體環(huán)境的 變化使得質(zhì)量流速測(cè)量不精確使得氣體或液體流量傳感器仍然受限。特別是基于熱原理測(cè) 量混合氣體或液體并生成的質(zhì)量流數(shù)據(jù)。由于氣體或液體流量的變化將會(huì)給系統(tǒng)引入巨大 的誤差，自然氣體就不能保證有一個(gè)穩(wěn)定的成份并且為了精確測(cè)量質(zhì)量流速率成份的變化 而必須被監(jiān)測(cè)。流速傳感器的校準(zhǔn)是基于氣體或液體成份的恒定，而根據(jù)傳統(tǒng)熱原理得到的質(zhì)量 流速率沒(méi)有考慮氣體或液體成份的變化，因此偏離了真實(shí)的流體速率。為了克服這些困難，傳統(tǒng)測(cè)量體積的技術(shù)通常用額外的溫度和壓力補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn) 而達(dá)到更加精確的質(zhì)量流速率的測(cè)量。然而，用傳統(tǒng)體積計(jì)(渦輪流量計(jì)具有窄的測(cè)量范 圍而不能滿足許多實(shí)際需求)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)。商用成份自由度獨(dú)立的器件提供直接的質(zhì) 量流但是這些流量計(jì)不能提供精確的流體體積。此外，它只能應(yīng)用到重介質(zhì)流速的測(cè)量。熱質(zhì)量流速計(jì)通過(guò)測(cè)量與流動(dòng)液體質(zhì)量流速呈函數(shù)關(guān)系的溫度場(chǎng)變化來(lái)直接提 供液體的質(zhì)量流速測(cè)量。但是對(duì)于具體液體樣品的測(cè)量，熱層流邊界層只能被維持成毛細(xì) 管形式。因此，為每一個(gè)具體應(yīng)用的校準(zhǔn)成為獲得精確流速測(cè)量的必要步驟，但是應(yīng)用到的 這些流量計(jì)的生產(chǎn)成本被大大增加。大多數(shù)流量計(jì)特別是應(yīng)用于監(jiān)測(cè)和控制工業(yè)工藝的流量計(jì)需要連續(xù)不間斷的工 作。因此，在研究或在線校準(zhǔn)仍然需要并且確保測(cè)量的精確性。但是，在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)將影響 成品率并增加生產(chǎn)成本。盡管對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用，超聲流量計(jì)具有在線校準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，由于涉 及到復(fù)雜計(jì)算程序和更高的成本所帶來(lái)的苦難和限制，這些測(cè)量計(jì)阻止了這些解決方法， 超聲流量計(jì)對(duì)于上述問(wèn)題在實(shí)際中很實(shí)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器及其工作方法， 它能夠克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，它通過(guò)考慮流速測(cè)量中的溫度，壓力和工作環(huán)境中成份 變化，有效且方便的校準(zhǔn)流速測(cè)量值，得到足夠的精度；是一種實(shí)用的測(cè)量流體流速的裝置 及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在于它由 溫度傳感器、微加熱器、加熱器控制器、處理器、多孔硅層、襯底及掩埋層構(gòu)成；所說(shuō)的溫度 傳感器與微加熱器相鄰；所說(shuō)的加熱器控制器與微加熱器連接，并提供加熱能量作為給微 加熱器的電脈沖；所說(shuō)的處理器置于流體中接收流速的輸入量直接確定流速；所說(shuō)的溫度
3傳感器為兩個(gè)，分別置于流體的上游和下游；所說(shuō)的溫度傳感器和微加熱器制作在半導(dǎo)體 襯底上。上述所說(shuō)的流體直徑是50mm。上述所說(shuō)的溫度傳感器與微加熱器的距離為2 12um。上述所說(shuō)的溫度傳感器與微加熱器的距離為5um。上述所說(shuō)的溫度傳感器為金屬條，包括金或鉬。上述所說(shuō)的溫度傳感器為金。上述所說(shuō)的微加熱器為兩個(gè)，之間的距離50 5000um。上述所說(shuō)的微加熱器為兩個(gè)，之間的距離100 500um。上述所說(shuō)的微加熱器為金屬條，包括金或鉬。上述所說(shuō)的微加熱器為鉬。上述所說(shuō)的電脈沖為調(diào)制電子能量，或調(diào)制正弦波電子能量，或方波電子能量，或 特定頻率的調(diào)制電子能量。一種上述時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器的工作方法，其特征在于它包括以 下步驟(1)將溫度傳感器放置在流體中與微加熱器短的距離內(nèi)，并給加熱器提供加熱能 量測(cè)量延時(shí)，通過(guò)溫度傳感器和加熱器的相關(guān)溫度變化量確定流速；(2)給加熱器提供一個(gè)調(diào)制的正弦曲線加熱能量并從加熱器溫度變化量確定一個(gè) 溫度響應(yīng)，通過(guò)應(yīng)用鎖相放大技術(shù)測(cè)量相外相內(nèi)比來(lái)確定相位移并根據(jù)相位移確定流速；(3)不斷確定流速以此來(lái)不斷監(jiān)測(cè)流體具體的熱量；不斷地測(cè)量壓力并用流體的 具體熱量去不斷地監(jiān)測(cè)流體的密度和成份。本發(fā)明的工作原理該傳感器以渡越時(shí)間方式精確校準(zhǔn)直接測(cè)量流速；另一方 面，該發(fā)明提供了一種新型改進(jìn)的傳感器結(jié)構(gòu)和方法用來(lái)精確校準(zhǔn)質(zhì)量流傳感器，通過(guò)給 加熱器一個(gè)電脈沖并且測(cè)定流體的溫度變化量；這種方法還包含了通過(guò)布置在與加熱器短 距離的溫度傳感器測(cè)量溫度的步驟；還包含了測(cè)量與溫度相關(guān)的其他量，加熱器溫度的變 化決定了一個(gè)延時(shí)和相應(yīng)的流速；通過(guò)給加熱器添加一個(gè)一定頻率連續(xù)調(diào)制的電脈沖來(lái)確 定加熱器的溫度，脈沖為正弦波，運(yùn)用鎖相放大技術(shù)測(cè)量溫度，直接測(cè)量加熱器和溫度傳感 器溫度，同時(shí)也測(cè)量流體壓力，這些測(cè)量值用來(lái)監(jiān)測(cè)流體的實(shí)際熱量，密度和氣體成份。本發(fā)明的優(yōu)越性本發(fā)明塊狀流體傳感器通過(guò)考慮流速測(cè)量中的溫度，壓力和工 作環(huán)境中成份變化，有效且方便的校準(zhǔn)流速測(cè)量值，得到足夠的精度。


圖1為本發(fā)明所涉一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3A為本發(fā)明所涉一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器的熱脈沖周期測(cè)定 示意圖。圖;3B為本發(fā)明所涉一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器的測(cè)定延時(shí)△ t示意圖。圖4A為本發(fā)明所涉一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器的加熱功率為調(diào)制
4正弦波時(shí)的周期測(cè)定示意圖。圖4B為本發(fā)明所涉一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器的溫度傳感器為正 弦波時(shí)加熱器溫度變化示意圖。其中，1為溫度傳感器，2為微加熱器，3為壓焊點(diǎn)，4為多孔硅層，5為襯底，6為掩埋層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器(見圖1、圖2)，其特征在于它 由溫度傳感器1、微加熱器2、加熱器控制器、處理器、多孔硅層4、襯底5及掩埋層6構(gòu)成； 所說(shuō)的溫度傳感器1與微加熱器2相鄰；所說(shuō)的加熱器控制器與微加熱器2連接，并提供加 熱能量作為給微加熱器2的電脈沖；所說(shuō)的處理器置于流體中接收流速的輸入量直接確定 流速；所說(shuō)的溫度傳感器1為兩個(gè)，分別置于流體的上游和下游；所說(shuō)的溫度傳感器1和微 加熱器2制作在半導(dǎo)體襯底5上。上述所說(shuō)的溫度傳感器1和微加熱器2制作在半導(dǎo)體襯底5上的連接點(diǎn)為壓焊點(diǎn) 3。(見圖1)上述所說(shuō)的流體直徑是50mm。上述所說(shuō)的溫度傳感器1與微加熱器2的距離為5um。上述所說(shuō)的溫度傳感器1為金。上述所說(shuō)的微加熱器2為兩個(gè)，之間的距離100 500um。上述所說(shuō)的微加熱器2為鉬。上述所說(shuō)的電脈沖為調(diào)制正弦波電子能量。一種上述時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器的工作方法，其特征在于它包括以 下步驟(1)將溫度傳感器放置在流體中與微加熱器短的距離內(nèi)，并給加熱器提供加熱能 量測(cè)量延時(shí)，通過(guò)溫度傳感器和加熱器的相關(guān)溫度變化量確定流速；(見圖3A、圖;3B)(2)給加熱器提供一個(gè)調(diào)制的正弦曲線加熱能量并從加熱器溫度變化量確定一個(gè) 溫度響應(yīng)，通過(guò)應(yīng)用鎖相放大技術(shù)測(cè)量相外相內(nèi)比來(lái)確定相位移并根據(jù)相位移確定流速； (圖 4A、圖 4B)(3)不斷確定流速以此來(lái)不斷監(jiān)測(cè)流體具體的熱量；不斷地測(cè)量壓力并用流體的 具體熱量去不斷地監(jiān)測(cè)流體的密度和成份。
權(quán)利要求
1.一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在于它由溫度傳感器、微加熱器、 加熱器控制器、處理器、多孔硅層、襯底及掩埋層構(gòu)成；所說(shuō)的溫度傳感器與微加熱器相鄰； 所說(shuō)的加熱器控制器與微加熱器連接，并提供加熱能量作為給微加熱器的電脈沖；所說(shuō)的 處理器置于流體中接收流速的輸入量直接確定流速；所說(shuō)的溫度傳感器為兩個(gè)，分別置于 流體的上游和下游；所說(shuō)的溫度傳感器和微加熱器制作在半導(dǎo)體襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在所說(shuō)的 流體直徑是50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在所說(shuō)的 溫度傳感器與微加熱器的距離為2 12um。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所說(shuō)的一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在所 說(shuō)的溫度傳感器為金屬條，包括金或鉬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在所說(shuō)的 微加熱器為兩個(gè)，之間的距離50 5000um。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所說(shuō)的一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在所 說(shuō)的微加熱器為金屬條，包括金或鉬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在所說(shuō)的 電脈沖為調(diào)制電子能量，或調(diào)制正弦波電子能量，或方波電子能量，或特定頻率的調(diào)制電子 能量°
8.—種權(quán)利要求1所說(shuō)的時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器的工作方法，其特征在 于它包括以下步驟(1)將溫度傳感器放置在流體中與微加熱器短的距離內(nèi)，并給加熱器提供加熱能量測(cè) 量延時(shí)，通過(guò)溫度傳感器和加熱器的相關(guān)溫度變化量確定流速；(2)給加熱器提供一個(gè)調(diào)制的正弦曲線加熱能量并從加熱器溫度變化量確定一個(gè)溫度 響應(yīng)，通過(guò)應(yīng)用鎖相放大技術(shù)測(cè)量相外相內(nèi)比來(lái)確定相位移并根據(jù)相位移確定流速；(3)不斷確定流速以此來(lái)不斷監(jiān)測(cè)流體具體的熱量；不斷地測(cè)量壓力并用流體的具體 熱量去不斷地監(jiān)測(cè)流體的密度和成份。
全文摘要
一種時(shí)分復(fù)用微機(jī)電系統(tǒng)塊狀流體傳感器，其特征在于它由溫度傳感器、微加熱器、加熱器控制器、處理器、多孔硅層、襯底及掩埋層構(gòu)成；所說(shuō)的溫度傳感器與微加熱器相鄰；所說(shuō)的加熱器控制器與微加熱器連接，并提供加熱能量作為給微加熱器的電脈沖；所說(shuō)的處理器置于流體中接收流速的輸入量直接確定流速。工作方法給加熱器提供加熱能量測(cè)量延時(shí)，通過(guò)溫度傳感器和加熱器的相關(guān)溫度變化量確定流速；通過(guò)應(yīng)用鎖相放大技術(shù)測(cè)量相外相內(nèi)比來(lái)確定相位移并根據(jù)相位移確定流速。本發(fā)明塊狀流體傳感器通過(guò)考慮流速測(cè)量中的溫度，壓力和工作環(huán)境中成份變化，有效且方便的校準(zhǔn)流速測(cè)量值，得到足夠的精度。
文檔編號(hào)G01K17/10GK102147420SQ201010615928
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者吳元慶, 屈懷泊, 徐超, 牟詩(shī)城, 高鵬 申請(qǐng)人:國(guó)家納米技術(shù)與工程研究院