一種熱式氣體質量流量傳感器的製造方法
2023-05-27 22:36:11
一種熱式氣體質量流量傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種熱式氣體質量流量傳感器，包括有基體，基體上形成有隔熱空腔以及覆有絕緣薄膜，絕緣薄膜包括對應隔熱空腔處的懸空部以及與基體附著結合的結合部，在絕緣薄膜的懸空部上設有兩個加熱熱敏電阻，兩個加熱熱敏電阻並列、對稱布置，在絕緣薄膜的結合部上設有溫度感應電阻，所述兩個加熱熱敏電阻以及溫度感應電阻的引腳經導線連接有焊盤。本實用新型具有量程大，靈敏度高、功耗低以及可判斷氣流方向的優點。
【專利說明】一種熱式氣體質量流量傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及氣體質量流量傳感器，確切的說是一種基於微機電系統(MEMS)的熱式氣體質量流量傳感器。
【背景技術】
[0002]目前，熱式氣體質量流量傳感器有熱耗散式和熱分布式。熱耗散式氣體質量流量傳感器是在氣體流道中設置兩個溫度傳感器，一個用作加熱器；另一個用來檢測介質氣體溫度，提供溫度補償。給加熱器提供一個激勵源，使加熱器升溫，並且與介質氣體保持恆溫差，利用氣體流動帶走熱量的原理，激勵源提高電流來維持恆溫差，由此推算出氣體流量。但是這種流量傳感器無法識彆氣流方向，在脈動氣流中(例如燃油發動機進氣、醫用呼吸機等)有較大的誤差，無法達到精確計量的目的。
[0003]熱分布式氣體質量流量傳感器，是在加熱器的兩側分別設置一個或多個溫度傳感器，測量加熱器兩側的溫度差，據此推算出氣體流量。還有一種是在加熱器的兩側分別設置一個或多個熱電堆，利用熱電效應(塞貝克效應)測量加熱器兩側的溫度差。上述熱分布式氣體質量傳感器好處是能夠辨彆氣流方向，但是存在結構相對複雜，需有四個或者四個以上的溫度傳感器；由於加熱器兩側的溫度傳感器是受到加熱器的熱影響而使溫度升高，其溫度高於介質氣體而低於加熱器，響應速度也較慢，並且在氣體流速達到某一程度後，上遊溫度傳感器已接近於介質氣體溫度，下遊溫度傳感器也僅僅略高於介質氣體溫度，進一步加大流速也不能使兩側的溫度傳感器產生更大的溫差，達到了飽和狀態，量程範圍不夠大。
【發明內容】
[0004]針對現有技術存在的不足，本實用新型的目的在於提供一種結構簡單，成本低，靈敏度高，以及量程範圍大的熱式氣體質量流量傳感器。
[0005]為實現上述目的，本實用新型提供了如下技術方案:一種熱式氣體質量流量傳感器，包括有基體，基體上形成有隔熱空腔以及覆有絕緣薄膜，絕緣薄膜包括對應隔熱空腔處的懸空部以及與基體附著結合的結合部，在絕緣薄膜的懸空部上設有兩個加熱熱敏電阻，兩個加熱熱敏電阻並列、對稱布置，在絕緣薄膜的結合部上設有溫度感應電阻，所述兩個加熱熱敏電阻以及溫度感應電阻的引腳經導線連接有焊盤。
[0006]通過採用上述技術方案，控制加熱兩個加熱熱敏電阻，並用溫度感應電阻進行溫度補償，使兩個加熱熱敏電阻的平均溫度與介質氣體溫度保持恆溫差，氣流依次流經兩個加熱熱敏電阻，導致溫場分布變化，產生溫度梯度，兩個加熱熱敏電阻之間產生溫差，由於溫差幅度大小與氣體流速關聯，據此測量出氣體流量；本實用新型的氣體質量流量傳感器不僅可判彆氣體流動的方向，而且兩個加熱熱敏電阻與介質氣體直接進行熱交換，其溫度受基體材料溫度、電路溫度、環境溫度等的影響都很小，因而具有較大的量程和較高的靈敏度的優點；同時，兩個加熱熱敏電阻位於隔熱腔處的絕緣薄膜上，溫度感應電阻設於絕緣薄膜的結合部上，兩個加熱熱敏電阻的熱容量、熱散係數小，以及溫度感應電阻不受加熱熱敏電阻的熱影響，有效提高傳感器的靈敏度以及測量精度；兩個加熱熱敏電阻產生的熱量絕大部分用於自身加熱，減少了氣體質量流量傳感器的功耗；只採用三個電阻器即可，具有結構簡單，成本低廉的優點。
[0007]本實用新型進一步設置為:所述的兩個加熱熱敏電阻和溫度感應電阻上均覆蓋有鈍化保護層。
[0008]通過採用上述技術方案，鈍化保護層有效的保護上遊加熱熱敏電阻、下遊加熱熱敏電阻以及溫度感應電阻，防止介質氣體的腐蝕、氧化，汙染。
[0009]本實用新型進一步設置為:所述絕緣薄膜上設有4個焊盤，分別為焊盤a、焊盤b、焊盤c和焊盤d，所述兩個加熱熱敏電阻相鄰的引腳經導線共同連接在焊盤c上，其中一個加熱熱敏電阻的另一引腳與溫度感應電阻上與其相鄰的引腳之間經導線共同連接在焊盤d上，另一加熱熱敏電阻相對於連接在焊盤C的另一引腳經導線連接在焊盤b上，溫度感應電阻相對於與焊盤d上連接的另一引腳經導線連接在焊盤a上。
[0010]通過採用上述技術方案，使得傳感器上的導線以及焊盤得到簡化。
[0011]本實用新型進一步設置為:所述的基體邊沿設有包覆在絕緣薄膜上的固定包邊。
[0012]通過採用上述技術方案，採用固定包邊對絕緣薄膜進行固定，方便將絕緣薄膜固定在基體上，便於加工。
[0013]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型具體實施例一的熱式氣體質量流量傳感器俯視圖；
[0015]圖2為圖1沿著A-A的截面視圖；
[0016]圖3為本實用新型具體實施例二的熱式氣體質量流量傳感器俯視圖；
[0017]圖4為圖3沿著B-B的截面視圖；
[0018]圖5為本實用新型具體實施例三的熱式氣體質量流量傳感器俯視圖；
[0019]圖6為本實用新型實施例的電路控制原理圖。
【具體實施方式】
[0020]如圖1至5所示，本實用新型公開的一種熱式氣體質量流量傳感器，包括有基體1，基體I可以採用矽片、陶瓷、玻璃或金屬等材料製成；在基體I上有隔熱空腔11，形成方形圍框狀基體，基體I上附著有絕緣薄膜2。絕緣薄膜2包括對應隔熱空腔11處的懸空部21以及與基體I附著結合的結合部22。在絕緣薄膜2的懸空部21上居中設有兩個加熱熱敏電阻3，兩個加熱熱敏電阻3並列、對稱布置。在絕緣薄膜2的結合部22上設有溫度感應電阻4，所述兩加熱熱敏電阻3以及溫度感應電阻4的各引腳經導線連接有焊盤5。在兩加熱熱敏電阻3以及溫度感應電阻4上均覆蓋有鈍化保護層6。由於隔熱空腔11的存在，絕緣薄膜2隻能通過橫向傳導才能將熱量傳送到基體I上，由於絕緣薄膜2的厚度僅幾微米(通常為0.5微米至100微米)，所以具有很大的熱阻。因為上述原因，施加在加熱熱敏電阻3上的能量絕大部分都用於提高加熱熱敏電阻3自身的溫度，因此加熱熱敏電阻3具有很小的熱容量及熱耗散係數，兩個加熱熱敏電阻3與介質氣體直接進行熱交換，而且其溫度受基體材料溫度、電路溫度、環境溫度等的影響都很小，具有很好的穩定性和具有較大的量程。這使得氣體質量流量傳感器可以工作在相對比較小的工作電流下，從而達到了降低功率損耗的目的。同時，由於具有很小的熱容量、熱耗散係數，氣體質量流量傳感器敏感結構上的加熱熱敏電阻很容易就可以達到相對較高的溫度，從而具有很好的靈敏度，達到了提高測量精度的目的。
[0021]如圖1和圖2所示，為具體實施例一的熱式氣體質量流量傳感器，絕緣薄膜2直接貼附在基體I表面上，在絕緣薄膜2的結合部22上設置有6個焊盤5，兩加熱熱敏電阻3以及溫度感應電阻4的各個引腳對應一個焊盤5。
[0022]如圖3和圖4所示，為具體實施例二的熱式氣體質量流量傳感器，絕緣薄膜2貼附在基體I表面上，並在基體I邊緣上側向內翻形成包覆固定絕緣薄膜2邊緣的固定包邊12 ；這樣較具體實施例一中，直接貼附在基體I上而言，更容易實現對絕緣薄膜2固定在基體I上，加工時設備要求較低，加工較為方便；在絕緣薄膜2的結合部22上設置有6個焊盤5，兩加熱熱敏電阻3以及溫度感應電阻4的各個引腳對應一個焊盤5。
[0023]如圖5所示，為具體實施例三的熱式氣體質量流量傳感器，絕緣薄膜2直接貼附在基體I表面上，在絕緣薄膜2上設有4個焊盤5，為便於敘述，分別為焊盤a51、焊盤b52，焊盤c53和焊盤d54，並將兩個加熱熱敏電阻3分別命名為上遊加熱熱敏電阻31和下遊加熱熱敏電阻32，本具體實施例中，上遊加熱熱敏電阻31與下遊加熱熱敏電阻32相鄰的引腳經導線連接在焊盤c53上，上遊加熱熱敏電阻31另一引腳經導線連接在焊盤b52上，下遊加熱熱敏電阻32另一引腳與溫度感應電阻4上與其相鄰的引腳經導線連接在焊盤d54上；所述溫度感應電阻4上相對於連接在焊盤d54上的另一個引腳連接在焊盤a51上。這樣使得焊盤個數得到簡化，各電阻的導線布置得到簡化；當然作為本具體實施例的變形，還可以設置成5個焊盤，即將上述任一共用一個焊盤的引腳分出，採用兩個焊盤連接即可。
[0024]通常對於絕緣薄膜2直接貼附在基體I表面的設計，基體I採用矽片，或玻璃，在基體I上通過熱生長氧化物形成絕緣薄膜2，再通過沉積、光刻、腐蝕等工藝形成兩個加熱熱敏電阻3、溫度感應電阻4、以及導線和焊盤，然後通過氣相沉積形成鈍化保護絕緣層，在基體I上經刻蝕工藝形成隔熱空腔11。
[0025]對於絕緣薄膜2採用包邊結構固定在基體I上時，基體I通常採用金屬材料，通常為不鏽鋼，基體為中部鏤空的圍框狀不鏽鋼片，絕緣薄膜2為聚醯亞胺薄膜，在絕緣薄膜2上通過沉積、光刻、腐蝕等工藝形成兩個加熱熱敏電阻3、溫度感應電阻4、以及導線和焊盤，然後塗覆聚醯亞胺形成鈍化保護絕緣層。把製作好的柔性熱式氣體質量流量傳感器貼附在不鏽鋼基體I上，採用包邊結構進行固定。
[0026]本實用新型還可以在上述幾個實施例中進行組合變形，如；具體實施例三中，基體I可採用固定包邊設置。
[0027]如圖6，上述實施例運用惠斯頓電橋原理，控制加熱兩個加熱熱敏電阻3，並用溫度感應電阻4測得介質氣體溫度進行溫度補償，使兩個加熱熱敏電阻3的平均溫度與介質氣體溫度保持恆溫差；所述調節電阻R4、調節電阻R5、採樣電阻R3、溫度感應電阻RT、加熱熱敏電阻RHl和RH2共同組成惠斯頓電橋，運算放大器UlA和達林頓管Ql組成一個電流放大電路，用以提供較大的加熱電流，同時與惠斯頓電橋形成對溫度感應電阻RT的溫度補償控制；在輸出電路上設置運算放大器UlB實現對加熱熱敏電阻RHl和RH2之間的溫差信號輸出。
【權利要求】
1.一種熱式氣體質量流量傳感器，其特徵在於:包括有基體，基體上形成有隔熱空腔以及覆有絕緣薄膜，絕緣薄膜包括對應隔熱空腔處的懸空部以及與基體附著結合的結合部，在絕緣薄膜的懸空部上設有兩個加熱熱敏電阻，兩個加熱熱敏電阻並列、對稱布置，在絕緣薄膜的結合部上設有溫度感應電阻，所述兩個加熱熱敏電阻以及溫度感應電阻的引腳經導線連接有焊盤。
2.根據權利要求1所述的熱式氣體質量流量傳感器，其特徵在於:所述的兩個加熱熱敏電阻和溫度感應電阻上均覆蓋有鈍化保護層。
3.根據權利要求1或2所述的熱式氣體質量流量傳感器，其特徵在於:所述絕緣薄膜上設有4個焊盤，分別為焊盤a、焊盤b、焊盤c和焊盤d，所述兩加熱熱敏電阻相鄰的引腳經導線共同連接在焊盤c上，其中一個加熱熱敏電阻的另一引腳與溫度感應電阻上與其相鄰的引腳之間經導線共同連接在焊盤d上，另一加熱熱敏電阻相對於連接在焊盤c的另一引腳經導線連接在焊盤b上，溫度感應電阻相對於與焊盤d上連接的另一引腳經導線連接在焊盤a上。
4.根據權利要求1或2所述的熱式氣體質量流量傳感器，其特徵在於:所述的基體邊沿設有包覆在絕緣薄膜上的固定包邊。
5.根據權利要求3所述的熱式氣體質量流量傳感器，其特徵在於:所述的基體邊沿設有包覆在絕緣薄膜上的固定包邊。
【文檔編號】G01F1/86GK203414125SQ201320553791
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月6日 優先權日:2013年9月6日
【發明者】張申安, 張鵠 申請人:張申安