[发明专利]基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域。更具体地说，本发明涉及一种高灵敏度的基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置和方法。

背景技术

近年来，微管道气流成为流体力学研究的热点之一，该方向主要涉及流体边界问题、气体振动松弛模型以及气体涡旋流动等理论。微尺度管道气流的相关研究能够有效促进微电机机械系统(MEMS)核心部件的设计及制作，例如微型热交换器、微型过滤器以及燃料电池等，同时引领了多个领域新型智能化设备的开发，例如微小型呼吸分析仪、微型喷嘴、微型推进器等。随着MEMS技术的发展，智能气体流量传感器不断涌现，极大地促进了微纳米尺度下管道的流体测量技术的发展。

然而，现有的微型流量传感器大多仅能进行压力或流速单一指标进行测量，或者是同时使用多个传感器对单个流体参数进行测量，而且流速测试多以测量管道内的平均流速为准，对于微尺度管道中的边界滑移、流速矢量场表征、低流量局域流速等问题缺乏更为深入的研究。到目前为止，精确测量微尺度管道内低流量气流的局域流速，仍然是一个公开性难题，这就迫切需要采用新的原理或方法，对微尺度管道气流进行多参量、无污染、局域流速实时测量的传感器。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置，其能够利用单一Lamb波器件的多模式特点对流体的压力、流速、方向进行精确的测量。

本发明还有一个目的是提供一种应用上述测试装置对流体参数进行测定的方法，在Lamb波的A₀模式下对流体的压力、流速和方向进行测量，并使用S₀模式对测量结果进行温度补偿，有效提高了测量的灵敏度和精确度。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置，其包括：

流道底座，其具有第一凹槽及置于所述第一凹槽内的Lamb波传感器；

流道上板，其覆盖于所述流道底座上，所述流道上板底面设有流体进出口及供所述流体流经所述Lamb波传感器表面的流道；

测试电路板，其覆盖于所述流道上板上表面，其设有与外部测试仪器连接的外接接口；

弹性探头，其一端与所述测试电路板电性连接，另一端穿过所述流道上板并继续延伸形成弹性触头；

其中，所述Lamb波传感器从下以上依次设有硅衬底层、地电极、氮化铝薄膜及叉指电极，所述弹性触头分别与所述叉指电极和地电极电性连接。

优选的是，其中，还包括：

弹性薄膜，其设于所述流道上板与所述流道底座之间，以提高测试系统的密封性和稳定性，所述弹性薄膜上开设有与所述流道相应的第一开口及供所述弹性触头通过的第二开口，

其中所述第二开口的开设面积小于所述Lamb波传感器的上表面积，以保证所述第二开口的边缘可压在所述Lamb波传感器边缘上，用以进一步固定传感器。

优选的是，其中，所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板的四角均分别开设有位置相对应的螺孔，四个螺栓分别通过在四个角上依次贯穿所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板后与螺母进行配合以实现测量装置的可拆卸连接。

优选的是，其中，所述叉指电极包括输入叉指电极和输出叉指电极，所述氮化铝层上还分别沉积有2个引入电极、2个引出电极和2个地电极触点，所述地电极触点与所述地电极之间的氮化铝薄膜层被腐蚀，以实现地电极触点与地电极之间的电性连接；

其中，输入叉指电极自引入电极获得激励信号，通过逆压电效应使压电薄膜氮化铝内的质点发生弹性振动，在基片内传播形成了弹性机械波，输出叉指电极将传递来的形变，再经正压电效应转变成电信号输送出去；

其中，所述叉指电极与流体接触的部分使用绝缘材料进行包覆，以防止叉指电极被流体腐蚀或在测量液体参数时，由于液体导电而引起短路。

其中，所述引入电极、引出电极和地电极触点沉积的厚度小于300nm，以降低沉积过程中热应力的不良影响；

其中所述2个引入电极分别位于所述输入叉指电极的两侧，且与所述输入叉指电极电性连接；所述2个引出电极分别位于所述输出叉指电极的两侧，且与所述输出叉指电极电性连接；所述2个地电极触点位于所述引入电极和引出电极之间；

其中，所述弹性触头的个数为6个，分别与所述引入电极、引出电极和地电极触点相对应。