[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

说明书

技术领域

本发明涉及热扩散系数传感器技术领域，特别涉及一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器。

背景技术

热导率和热扩散系数作为物质重要的热物理性质，世界上许多国家对于热导率和热扩散系数的测量和应用都进行了深入的研究。近年来随着纳米科技、微电子机械系统、低维材料、纳米生物医药等领域高新技术的迅速发展，许多研究对象已进入亚微米--纳米尺度，对小体积液体样品的测量需求增加。

常用液体热导率和热扩散系数测量方法有稳态法和瞬态法，稳态法测量时间长，流体会产生对流，误差大。热线法作为常用瞬态法运用广泛，采用直流热线对液体加热，测量热线温升变化，根据传热数学模型和温度变化的理论公式计算出被测试样的热导率和热扩散系数。但液体和热丝之间的温差会引起液体的自然对流，并且热丝浸泡在待测液体之中，对液体的需求量大。通过对热丝通交流电的3ω谐波测量方法可有效改善液体对流现象，但被测液体量依旧很大。

3ω法可与MEMS技术相结合，可有效减小被测液体体积。采用3ω法测量流体热导率时，温度振动可以控制在1K之内，可以有效地减小对流和辐射的影响。与传统的热物性表征方法相比较，3ω方法的一个显著的特点是利用探测器温升的频域特性关系推导热物性参数。这一特点使得3ω方法响应信号强、测量热导率上限高。对于导电液体，绝缘层薄膜会增加测量误差。当测量频率太大，热渗透深度小，绝缘层薄膜的影响会增大。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于MEMS双加热器的热导率和热扩散系数传感器，提高测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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，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。

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。

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。

所述的基底1下表面粘贴铜块7作为热沉。

所述的绝缘层薄膜2采用二氧化硅或氮化硅。

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；