[发明专利]基于MEMS的流速传感器、流速测量电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体地涉及一种基于MEMS的流速传感器、流速测量电路及方法。

背景技术

在小微流量计领域中，霍尔式流量计等传统机械式流量计占据绝大多数比例。霍尔式流量计是一种利用霍尔效应来检测流速的流量计。其原理是：叶轮在流体推动下旋转，带动螺杆旋转，使磁系统产生上下移动，流速越高则磁系统位移量越大；使用霍尔元件检出位移量即可获得流速数据，之后霍尔元件将流量数据发送到微处理器进行处理。

霍尔式流量计具有10～20％的较大误差，精度较低，且精度受进出管径影响大。此外，小于0.3L/min的微流条件下霍尔式流量计效果不佳。

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)是微电子技术与机械工程技术的结合，是毫米甚至微米尺寸级别上的电子机械器件。与传统的机械流量计相比，MEMS流量计具有大量程、高可靠性、高精度等显著优势。目前，MEMS流量计主要用于工业与医疗上测量流体的流量，成本较高。

现有技术中的一种基于MEMS流量传感器的微流量监测设备，仅适用于气体的微流量测量。该MEMS流量传感器测量气体流量得到电压信号，并将该电压信号传送至微控制单元，由微控制单元对电压信号进行采样并转化为数字量，并将数字量封包呈数据包后将该数据包通过无线数据传输模块传输至用户设备。

该微流量监测设备模块数量多、结构复杂、成本较高且只能监测气体流量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于MEMS的流速传感器、流速测量电路及方法，以应用于小微流量的流体流速测量，并同时降低成本、提高精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于MEMS的流速传感器，所述流速传感器包括芯片基底层、第一保护层、第二保护层、测流元件和感温元件，其中：所述芯片基底层、第二保护层和第一保护层依次堆叠，所述测流元件和所述感温元件均设于所述第一保护层或第二保护层中，所述测流元件包括电阻值与温度成正相关关系的第一热电阻。

上述方案中，所述测流元件和所述感温元件沿着所述流速传感器的长度方向排列，或者，所述测流元件和所述感温元件沿着所述流速传感器的宽度方向排列。

上述方案中，所述感温元件包括电阻值与温度成正相关关系的第二热电阻，所述感温元件的电阻值与所述测流元件的电阻值之比大于5。

上述方案中，所述第一热电阻包括以下任一种：金、铜、铂或镍；和/或，所述第二热电阻包括以下任一种：金、铜、铂或镍。

上述方案中，所述测流元件上附着有以下任一种粘附层：钛粘附层、铬粘附层、镍粘附层或钛钨合金粘附层；和/或，所述感温元件上附着有以下任一种粘附层：钛粘附层、铬粘附层、镍粘附层或钛钨合金粘附层。

上述方案中，所述芯片基底层中设置有空腔，所述空腔位于所述芯片基底层的位置与所述测流元件位于所述所述第一保护层或所述第二保护层中的位置相对应；和/或，所述芯片基底层的材质为以下任一种：氮化镓、砷化镓、石英、硅、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；和/或，所述第一保护层的材质为以下任一种：聚对二甲苯、二氧化硅、氧化铝、氮化硅或SU-8光刻胶；和/或，所述第二保护层的材质为以下任一种：聚酰亚胺、氮化硅、二氧化硅或氧化铪。

上述方案中，所述测流元件为迂回的线状结构；和/或，所述感温元件为迂回的线状结构。

上述方案中，所述流速传感器还包括设置于所述第一保护层或所述第二保护层的电极元件，所述电极元件与所述测流元件和/或所述感温元件电连接；所述第一保护层包括所述电极元件的引出孔。

上述方案中，所述电极元件为第一热电阻，或者，所述电极元件为第二热电阻。

本发明提供一种应用上述技术方案中的基于MEMS的流速传感器的流速测量电路，所述测量电路包括负反馈电路、数据处理系统以及两个外部电路精确电阻，其中：所述测流元件、所述感温元件与所述两个外部电路精确电阻构成惠斯通电桥电路；所述负反馈电路连接在所述惠斯通电桥电路的输出端与输入端之间；所述惠斯通电桥电路的输出端与所述数据处理系统连接。所述数据处理系统系统包括模数转换器、微控制器及其从属电路；或者，所述数据处理系统包括带有模数转换器的微控制器及其从属电路。所述微控制器包括ARM系列或C8051系列。