测量流速流向的微型片式流量传感器.docx

1、26传感器技术1990年第4期M量流速流向的微型片式流量传感器MS应用热传导率低的薄玻璃片为衬底研制成了两种微型热流量传感器，其中一种流量传感器可测流速和温度，而另一种传感器可测流速和方向。其制造工艺并不是简单地利用甚片刻慎技术，而是用稚射方法在玻璃衬底上沉积形成三个铀薄膜电阻，它们分别是微加热器、加热器温度控制器、温度传感器。这两种新型片式传感器能够很精确、灵敏地测出流体速度和流体方向.、前盲流量传感器在科学技术领域得到了广泛应用，其中最常用的是热丝风速计。它具有很高的精确度和极强的耐久性，但一致性很差，因而很谁进行批,生产,所以，新的研制工作要求克服这些缺点。为此，许多研究人员开始以硅片为

2、衬底制作便于实际应用的热流量传感器。由于硅是一种导热桂很好的材料，所以要把加热器和温度传感器制在同一衬底匕便对绝热结构提出了特殊的要求。在本浸中，我们用雄热特性好的薄玻璃片为衬底，研制出两种新型流量传感器，其中，传感器（）测髭流体速度和流体温度,传感器（2）测量流体速度和流体方向。这两种传感器能很容易地制在一块玻璃片衬底上。二、传够罚的设计设计结构简单的流量传感器的主要问题是如何选择衬底材料和如何确定传感器的形状。图1为选定的流鱼传感器形状和衬底材料的热流量分析试样。位于基片一边的是加热器，这样沿着基片的热传导是恒定的。图中，L为基片的长度3以为加热器的温度3为距离加热器处的基片的温度3了】为

3、环境温度。这个分析样品包含两个假定条件：一个是流经基片表面的流体热量传导系数3）是恒定不变的3另一个是由于对流的存在，而在基片表面产生热传导，单位面积热流量q用下式哀示，4=T-T。（1）当长度有一个微小变化fitd尢时，通过基片的热流量传导变化SrfQi,对流热损耗变化量d。”热平衡方程由下式哀示】4叮,dQ、=_ak奴（2）dQ0=ft（r-ri）pz/x（3）这里，。为基片横截面积，P为基片横截面的周长，*是基片热传导率。在稳定状态下，热平衡方程为，d叮-砂+h（TTi）令dx=0（4）图1热流量分析模型解方程4）需用两个边界条件，x=0,T-Th（5）drJ=h（T-Ti）（6）利用（

4、5）、6）式，方程（4）可解，其结果为：一收稿R期；199。年4月16日传感器技术T-=(Tj.-T1)cosh(Xx)一IXUnh(Xh)+h.mF)砧而而汗矽侦h(E(7)图2(a)特性曲线是利用方程(7)计算的三种普通衬底材料运算结果。三种27(k=46W/mdeg)和玻璃(k=1.10W/mdeg)。三种材料尺寸相同，且流体热量传导系数估计为10kcal/(hn?deg)。很明显，玻璃是最有效的绝热材料。要实现基片小型化最有影响的因素是玻璃片的厚度。从图2(b)可以看出，玻璃片越薄，绝热性就越好。单片式流量传感器在这个单片流量传感器中有三个钳薄膜电阻器(微加热器、加热控制器和温度传感器

5、)制备在同一个玻璃片衬底上，基片结构如图3所示。尺寸，为10x1.6mm,厚度为0.2mm的玻璃片足以使微加热器与温度传感器之间达到很好的绝热效果。10长度SnO微加热得10mmb10mm，摩庄1.Omm0.5mm0510长度(mm)TIE幻-25。图3基片结构12付(a)热传导率效应(b)玻璃片时:度效应图2样品温度分布特性曲技材料为硅以=184W/mdeg)，蓝宝石图4加热捋功率与流速平方报关系曲线据近微加热器制备温度控制器，三个功能的船薄膜电阻通过RF溅射方法在玻璃衬底上沉积一层钳薄膜，再经过光刻制28板和用激光调阻机分别调整到指定的电阻值而制成。然后，把基片粘贴到金属板上并用TO8外壳

6、封装.这种流量传感器的工作原理是以加热器和流体的热量传导为基础，通过计算电路中的微加热器上的电能消耗量或计算加热器上的热量散发量确定流体速度。当流体速度变化时，必须通过反馈回路使温度控制器与温度传感器之间的温差血保持恒定不变。图4为通过实脸绘出的加热器的功率与空气流速的平方根的关系曲线.(流速范囿为02.3m/sj小=15。o1. 测：t流速流向的微型流量传感器流量传感器2的芯片设计如图5(a)所示，微加热器位于芯片中间，这种结构的流虽传感器也能捡测流体速度，其检测原理与流量传感器1相同。流体方向可以通过芯片上的温度分布改变测出，如图5b)所示。四个温度传感器(热敏电阻器乩、死、火3和乩)对称

7、排在微加热器的四周，并互成90。角。当气体或液体沿着R】或珞方向流动时，温度分布情况可由战阻值的线性变化给出，R和是对称的。但是当流体方向不是沿着乩或R3方向时，而是相差。角，这时因为砥的热传导量不同于乩的热传导量，所以Rz和码的温度分布是不对称的。故此，温度分布的改变可以通过两对对称的Pt薄膜温度传感器检测出来(矿和R”码和RQ.由于玻璃衬底具有良好的绝热性能，芯片温度分布产生很大的锥度，所以Pt薄膜温度传感器阻值变化很大。传感器技术流景传感器2的结构模型示于图6,衬底厚为0.2mm,面积为10x10mm的玻殖片。微加热器和四个温度传感器是由Pt薄膜热敏电阻构成的。Pt薄膜电阻是用RF溅射方

8、法把铝沉积在玻璃衬底上，应用光刻技术制版，再用激光调阻设备分别调图6流量传感器2的错构图6流量传感器2的错构到所需阻值，这种传感器的制作过程与流量传感器1相同。图7是一种用电路的输出电压检测流体方向的电路图。流动方向由两个电压Ui和I。之比决定的。在电路中每个支路都包含一对时称的Pt温度传感器，输出电压和四个温度传感甘电阻之间的关系可用下列各式近似表示：RiRs=牛=f(v)sin。(9)uRz-=-j=f(v)cos(10)旧，论5(ID上式中，I瑟流过温度传感器的电流j传感器技术29f（“）是流体速度射的函数。等式（11）式给出了温度分布改变与输出电压比的关系，以及流体方向与输出电压比的关

9、系。图8为空气流向与输出电压比U的关系特性曲线，实验结果与理沦正切曲线吻合得很好。因此说，气体流动方向与气体流动速度变化无关，即不论空气流速如何变化，流向都能单独被测出。三、结论应用玻璃具有较低的热传导率的特性，制造出两种微型热流量传感器。流动方向、流体速度和温度可以通过制备在同一玻璃衬底上的简单的传感器结构检测出来。这两神传感器长期稳定性好、精度较高,一致性好，可进行批最生产。张洪泉王兵译编自（Transducer87（季静校）（上接16页）我们曾就电阻&7和火。的不同型号做过对比实验。实验结果表明，当#7和&6选择温度系数比较大的电阻时（如碳膜电阻）输出信号的稳定性就要比选择温度系数小的电阻（如精密金属膜电阻）差一些，既使在算法上采取强积分措施，也比较明显。4.弦与线圈距困对输出信号/定性的影响在激励器中，弦与线圈的距昌也是很重要的因素，调整d可以改变输出信号值的大小，而且这个变化是非线性的。同时，d.的大小影响曾起振的时间。d大,起振时间长Id小，起振时间短。在一定的范围内，d的大小对榆出信号的稳定性影响较小，d太大或太小.即使淡够白激振荡，摘出信号的稳定性都要大受影响。四、结论通过对振弦振荡器的研究，我们可以得到如下结论，1. 在激励电路的供电问题上，设计时不必考虐电源波对输出信号稳定性的影响，只要采用普通的直流稳压电源即可。2. 在激励器电路中，所有