[发明专利]微机械硅谐振式气体流速传感器

说明书

技术领域

本发明一种微机械硅谐振式气体流速传感器，涉及气体流速检测技术领域，是谐振式气体流速计，通过检测双端固支式音叉谐振子的机械谐振频率的变化，来测量气体流速。

背景技术

气体流速传感器在诸如煤制气、天然气供气工程以及精密电子制造业、精细化工和制药业等许多工业和民用应用场合具有重要意义，然而由于在实现中的诸多困难，又成为受到工业界和学术界关注的一个热点课题。迄今为止，已针对不同类型流体发展了多种流量测量方法：量热式气体流量传感器，基于流体浮力的气体流量传感器，基于流体流动的侧向压力的气体流量传感器等，这几种传感器虽然基于不同的检测原理，但是测量灵敏度均较低，不可以进行气体的流速测量。

基于昆虫毛状感触器的微型气体流速传感器是最近提出的一种新颖的仿生传感器，具有极高的灵敏度，主要分为压阻式和电容式，抗干扰能力较差。

目前，微机械硅谐振式传感器，是基于微电子机械技术(MEMS)工艺的基础发展起来的，具有体积小，重量轻，功耗低，测量精度高，稳定性好，易批量生产，直接输出准数字量，易与计算机通讯等优点，已成为微传感器的一个重要发展方向。谐振式传感器的核心是谐振器(包括梁、膜、环等机械结构)，谐振器在由激振和拾振单元组成的正反馈闭环系统控制下，以其自身的固有谐振频率振动。待测物理量(力，压力，加速度，流速等)可通过某种转换机制改变谐振器的谐振频率，检测谐振频率的改变即可实现待测物理量的测量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于昆虫毛状感触器的微机械硅谐振式气体流速传感器，适用于低速气体测量，具有高灵敏度和抗干扰能力。

为实现本发明的目的，本发明的技术解决方案是提出一种微机械硅谐振式气体流速传感器，是基于微电子机械技术加工而成，由玻璃基片，双端固定式音叉谐振子、低应力薄膜、微型杠杆结构、锚点、及电极引线组成；其当气体流过时，低应力薄膜感应气体的流动而发生形变，微型杠杆结构将这种形变转化为应力做用在双端固支式音叉谐振子上，通过检测固有频率的变化，实现对气体流速的测量。

所述的微机械硅谐振式气体流速传感器，其中，在玻璃基片上表面，双端固支式音叉谐振子位于玻璃基片中央位置，悬置，右端与悬置的微型杠杆结构左端相连，两个机械固支锚点，起支撑梁的作用，分别固定在玻璃基片上，位于双端固支式音叉谐振子的左端和微型杠杆结构的下侧，双端固支式音叉谐振子左端连接一固支锚点，微型杠杆结构与另一固支锚点连接；

玻璃基片上表面设有三个垂直于上表面的电极锚点和三个电极引线；其中第一电极锚点与第一电极引线相连，与一机械固支锚点重合，为双端固支式音叉谐振子提供电位；第二电极锚点为激振电极锚点，第三电极锚点为拾振电极锚点，分别位于双端固定音叉谐振子的上侧与下侧，分别与第二电极引线和第三电极引线相连；

微型杠杆结构右端与条状低应力薄膜左端相连；

低应力薄膜悬置，其右端从玻璃基片中伸出，以感应空气的微弱流动。

所述的微机械硅谐振式气体流速传感器，其所述微型杠杆结构，是一个变截面梁，由小截面梁和大截面梁组成，两者在同一平面，相互平行设置，小截面梁长于大截面梁，其小截面梁左端与双端固支式音叉谐振子右端相连，大截面梁左端下部与另一个机械固支锚点相连，微型杠杆结构右端，即小截面梁和大截面梁的右端分别与低应力薄膜左端相连。

所述的微机械硅谐振式气体流速传感器，其所述低应力薄膜，其长为1-10毫米，宽为10-100微米，以感应空气的微弱流动。

所述的微机械硅谐振式气体流速传感器，其所述激振电极锚点和拾振电极锚点分置于双端固支音叉谐振子上下两侧，使音叉谐振子与垂直于玻璃基片上表面设置的上下两电极锚点之间形成平板电容，实现静电激励和电容检测。

所述的微机械硅谐振式气体流速传感器，其双端固支式音叉谐振子、微型杠杆结构、低应力薄膜、两机械固支锚点均采用体硅工艺制作，材料是单晶硅；三个电极锚点和三个电极引线，是通过溅射或蒸发金属于玻璃基片上形成，三个电极引线通过硅玻璃阳极键合分别与三个电极锚点电气连接。

所述的微机械硅谐振式气体流速传感器，其所述玻璃基片，为Pyrex7740#玻璃基片。

所述的微机械硅谐振式气体流速传感器，其所述第一电极锚点与一机械固支锚点重合，第一电极锚点与一机械固支锚点均由硅片经深刻蚀而形成，厚度与硅片厚度相同。

本发明微机械硅微谐振式气体流速传感器，类比昆虫的毛状感触器，采用谐振式的检测手段，制作简单，有限元模拟分析证实采用这种设计可以提高气体流速的检测灵敏度。

附图说明