[发明专利]一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器

权利要求书

1.一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器，包括基底（1），其特征在于：加热器（6）设置在基底（1）的上表面中央，焊盘（5）位于基底（1）上表面加热器（6）的旁边，和加热器（6）连接，绝缘层薄膜（2）覆盖在加热器（6）、焊盘（5）和基底（1）之上，绝缘层薄膜（2）上设置有腔壁（3），腔壁（3）和绝缘层薄膜（2）形成空腔结构中装有被测液体（4），加热器（6）同时作为温度传感器；

所述的加热器（6）为多折结构金属带，由两根以上的等宽度、等间隔的平行金属带串联而成；加热器（6）左侧单根金属带作为窄加热器（11），其余段串联金属带为宽加热器（12）。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器，其特征在于：所述焊盘（5）包括第一焊盘（8）、第二焊盘（9）和第三焊盘（10），第一焊盘（8）连接在窄加热器（11）尾端和宽加热器（12）起始端的连接处，第二焊盘（9）连接窄加热器（11）起始端，第三焊盘（10）连接宽加热器（12）尾端。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器，其特征在于：所述的基底（1）下表面粘贴铜块（7）作为热沉。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器，其特征在于：所述的窄加热器（11）和宽加热器（12）构成双加热器，通过测量电路切换使用不同宽度加热器，连通第一焊盘（8）和第二焊盘（9），窄加热器（11）工作，测试被测液体（4）的热导率；连通第一焊盘（8）和第三焊盘（10），宽加热器（12）工作，测试被测液体（4）的热扩散系数。

5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器，其特征在于：所述的绝缘层薄膜（2）采用二氧化硅或氮化硅。

6.根据权利要求1所述的一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器，其特征在于：基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器的测试步骤为：

1）将传感器放入恒温箱，调节恒温箱测试温度，测量两个以上不同温度点下加热器（6）的电阻值，由温度和电阻的线性拟合关系计算出加热器（6）的电阻温度系数；

2）在空腔里加入已知热导率和热扩散系数的液体作为参考液体，通过调节电路开关，先连通第一焊盘（8）和第二焊盘（9），仅使窄加热器（11）工作，设置信号发生器输出交流电流角频率ω为1-10Hz，电阻箱阻值调为零，用锁相放大器测量窄加热器（11）的1ω频率电压分量的实部有效值V_b1，调节电阻箱阻值，使锁相放大器输出的1ω电压幅值分量为最小，将锁相放大器设置为三倍频，信号发生器输出交流电流角频率ω在1Hz-10kHz频率范围内扫频，最终获得与扫频交流电流角频率ω对应的3ω频率电压分量的实部有效值V_b3，利用目前常用的斜率法，得基底的热导率；然后调节电路，连通第一焊盘（8）和第三焊盘（10），仅使宽加热器（12）工作，同理获得宽加热器（12）的1ω频率电压分量的实部有效值V_B1和3ω频率电压分量的实部有效值V_B3，通过推导的热扩散系数与输出电压的公式a，得基底的热扩散系数；

公式a：αl=[λl/(VB13k4BRBVB3ω-λsαs)]2]]>

式中，α_l和α_S分别是被测液体（4）和基底（1）的热扩散系数；λ_l、λ_s分别是被测液体（4）和基底（1）的热导率；V_B1和V_B3分别是宽加热器（12）工作时角频率为1ω和3ω锁相放大器测得的实部电压有效值；k为加热器(6)的电阻温度系数；R_B是宽加热器(12)的电阻；B为宽加热器(12)的半宽，ω为交流电流角频率。

3）用丙酮和酒精把空腔里参考液体清洗干净，用氮气烘干；在空腔里加入被测液体(4)，重复测试步骤2），根据得到的基底的热导率和热扩散系数等热物理性质，由推导的公式计算出被测液体(4)的热导率和热扩散系数。