[发明专利]基于非晶锗热电阻的柔性MEMS流速传感器

说明书

一种基于非晶锗热电阻的柔性MEMS流速传感器，包括：由下而上依次设置的柔性衬底、支撑膜、绝缘保护层、位于隔热空腔之上支撑膜和绝缘保护层之间的悬空膜加热热电阻和悬空膜测温热电阻对以及位于隔热空腔外柔性衬底之上支撑膜和绝缘保护层之间、用于测量环境流体温度的变化的衬底测温热电阻对，支撑膜部分悬空设置于柔性衬底上，支撑膜和绝缘保护层相连，悬空膜加热热电阻、悬空膜测温热电阻对和衬底测温热电阻对分别通过对应的引线和引脚与外界相连。本发明采用非晶锗半导体热阻材料，结构简单，可实现宽量程的流速测量(为10^‑2～10²m/s)和测向，且工作时热电阻工作温度与流体温度之间只需保持较低的恒温差，因此功耗较低。

技术领域

本发明涉及的是一种流速传感器领域的技术，具体是一种基于非晶锗热电阻的柔性 MEMS流速传感器及其应用和制备方法。

背景技术

现有的流速测量方法中，热线/热膜热敏方法是利用热敏电阻线(膜)作为加热或热敏传感元件，外加电流或电压使得热线(膜)升温加热流体，流体流动时引起热敏元件的阻值变化，进而可推算出流体流速的大小。热式MEMS流速传感器的主要结构是在衬底上制作热线/热膜热敏电阻，多数制作在硅、玻璃、陶瓷等刚性衬底上，而实际流速测量应用中有各种非平面表面，如各种翼面、圆形管道面等，刚性衬底流速传感器的使用受到限制，且传感器的结构及其实现宽量程流速测量的信号处理电路复杂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于非晶锗热电阻的柔性MEMS流速传感器，该流速传感器热电阻采用非晶锗半导体热阻材料，非晶锗具有优异的温度特性，例如，较高的TCR热阻系数(约为-2％，是铂的五倍)和电阻率(室温下约5Ω.m)，而且非晶锗薄膜的热导率约为0.5W/(K.m)，远低于多晶硅或热电偶材料的热导率。采用非晶锗薄膜作为热阻敏感元件的流速微传感器，温度分辨率可优于10^-4K；传感器结构简单，除了加热热电阻和衬底测温热电阻外，只需要工作于量热计热温差原理的一对测温热电阻就可实现宽量程的流速测量(为 10^-2～10²m/s)和测向，且工作时热电阻工作温度与流体温度之间只需保持较低的恒温差(最高为50K)，因此，传感器的功耗较低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于非晶锗热电阻的柔性MEMS流速传感器，包括：由下而上依次设置的柔性衬底、支撑膜、绝缘保护层、位于隔热空腔之上支撑膜和绝缘保护层之间的悬空膜加热热电阻和悬空膜测温热电阻对以及位于隔热空腔外柔性衬底之上支撑膜和绝缘保护层之间、用于测量环境流体温度的变化的衬底测温热电阻对，其中：支撑膜部分悬空设置于柔性衬底上，支撑膜和绝缘保护层相连，悬空膜加热热电阻、悬空膜测温热电阻对和衬底测温热电阻对分别通过对应的引线和引脚与外界相连。

所述的柔性衬底中设有隔热空腔，该隔热空腔正对于支撑膜的悬空部分。

所述的悬空膜加热热电阻和悬空膜测温热电阻对嵌于隔热空腔之上的绝缘保护层和支撑膜之间。

所述的悬空膜加热热电阻位于支撑膜的悬空部分的中央，具体为迂回线状结构，该迂回线状结构的线宽优选小于等于10μm，从而在敏感区域内增大了相应热电阻的阻值。

所述的悬空膜加热热电阻采用单层薄膜金属铬或双层薄膜金属如铬/铂或铬/镍制成。

所述的悬空膜测温热电阻对包括并排设置的两个悬空膜测温热电阻，该两个测温热电阻对称设置于悬空膜加热热电阻的两侧。

所述的衬底测温热电阻对嵌于隔热空腔外柔性衬底之上的支撑膜和绝缘保护层之间。

所述的衬底测温热电阻对包括两个衬底测温热电阻，分别设置于支撑膜悬空部分的左右两侧。

所述的引脚设置于所述柔性传感器敏感面的背面一侧，避免了引脚与电路间的引线对敏感面流速场分布的影响。