流量传感器概述

流量传感器概述

1 流量传感器的发展趋势

流量是工业生产和生活中一个重要参数。单位时间内流过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。流量传感器是测量流体流量的传感器。流量传感器是测量技术中重要的一类仪器，它被广泛的应用于工业过程控制、生活科技、商业应用、军事等领域。

近年来随着科学技术的发展和人类需求的发展，流量传感器也在不断的发展。下面简单介绍一下流量传感器的发展趋势。

1. 高精度，高分辨率随着自动化程度不断提高，现代工业生产和生活中对流量的对流量传感器的精度要求越来越高，如生物制药领域。必须研制出具有灵敏度高，精度高，响应速度快的新型传感器以确保生产自动化可靠性。所以高精度传感器是流量传感器发展趋势之一[1]。

2. 智能化所谓的智能化传感器就是将传感器所获取信息的基本功能与专用未处理器的信息分析、处理功能紧密的结合在一起，并具有诊断、数字双向通信等新功能的传感器。由于微处理器具有强大的计算和逻辑判断功能，故可以方便的进行滤波、变换、校正补偿、储存记忆及输出标准化等；同时实现必要的自诊断、自检测、自校验以及通信与控制等功能[2]。

3. 小型化、集成化各种测量控制仪器的设备的功能越来越多，要求各个部件的体积越小越好，因而传感器本身的体积也是越小越好，这就要求发展新的敏感材料及微细加工技术。集成化技术是将传感器与接口电路集成在一块芯片上或将多个传感器集成在一起，缩小传感器的体积，提高传感器抗干扰能力[3]。

4．微功耗及无源化流量传感器是将非电量转换为电量，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池或用太阳能灯供电，开发微功耗及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省电能又可以提高系统的寿命

[4]。

5. 数字化、无线网络化随着科学技术的发展，数字化、网络化传感器的应用日益广泛，以其具有传统传感器不可比拟的优势渐渐成为新技术的趋势和主流。无线传感器网络是由大量无处不在的、有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，能够根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。

6. 无线测量流量传感器经常需要放置在密封的环境或者是恶劣的环境中测量流量，这种情况下无法直接用导线将信号传输出来，这就需要传感器与外部测量系统之间进行无线数据传输[4]。

2 流量传感器类型

流量传感器是工业和生活中最常见的一种传感器，分为测量气体和液体两大方面。流量传感器按测量物理量可分为体积流量和质量流量;按结构类型可分为

差压式、涡轮式、电磁式、流体振动式、转子式、往复活塞式、旋转活塞式、冲击板式、分流旋翼式、热动式。

差压式流量传感器是利用伯努利定律制作而成的，被测流量由节流变送器输送到压力传输通道，再到压力差传感器直到信号输出。

涡轮式流量传感器是通过测量涡轮转速来读出流度，进而转化成流量。水表就是一种典型的涡轮式流量传感器。

电磁流量传感器是根据法拉弟电磁感应定律来测量导电性液体的流量的。是基于垂直于磁场运动的导体会在导体上感应出与导体垂直、并与流体速度成线性比例关系电压的原理构成的。电磁式流量传感器是基于电磁感应原理做成的，所以不能用于磁性流体的场合。以上几种流量传感器都是速度式传感器。

流体振动式流量传感器有涡街流量传感器和旋进式流量传感器两种类型。这是种新型的流量传感器，在将来很有发展前途。转子式流量传感器是种面积流量传感器，它有转子和锥形管所组成，转子的高度就是流量读数。往复活塞式流量传感器象一个容器，可以测量累计的流量。它几乎不受流体性质的影响而且精度很高。

旋转式活塞流量传感器是在有压力差的情况下致使活塞运动，活塞的速度跟流量成正比，然后通过转化测量总流量。

冲击板式流量传感器可以测量固定流量，它由冲击板和流量仪所组成，一般所测物体的单个重量不超过冲击板重量的百分之五。

分流旋翼式流量传感器主要用于测量气体流量，它具有体积小、重量轻、水平垂直都可安装的直接安装的有点。

热动式流量传感器是通过测量温度变化来测量流量的传感器，它先把流体加热，这样流动过程中会产生温差，加热物体也会产生温度变化，这种温度变化速度可以转化成流速。

3 流量传感器的工艺与结构

下面以一种MEMS热丝式微流量传感器[5]简单介绍一下流量传感器的制作工艺、结构等。

这种流量传感器是由两个测量流量的热丝组成的并且具有咬合薄膜结构的MEMS流量传感器。热丝是由双层梁支撑并悬浮在流体通道中。为了提高流量传感器的灵敏度，用高温度系数的铂制造热丝。另外，为了提高可靠性降低加工成本，用PDMS制造微通道以及密封热丝。下面介绍其工艺流程：

1. 在硅圆片上注入硼离子形成硼离子层，这个层作为刻蚀的掩膜和支撑热丝的悬臂梁。硼离子的浓度为1019/cm3,足够使硼自刻蚀停止。

2. 用低压化学气相沉积在硅圆片上沉积一层40nm氮化硅。

3. 用磁控溅射技术在其上形成20nm/150nm的Cr/Pt层再用垂直刻蚀技术将其刻蚀以形成热丝。铂层以接触电极连接，接触电极是用磁控溅射技术形成30nm/350nm的Cr/Au，再用垂直刻蚀技术刻蚀实现。

4. 覆盖一层2um的正光刻胶，为氮化硅刻蚀掩膜。光刻之后，氮化硅再经过反应离子刻蚀。之后再用深反应离子刻蚀去除硼离子扩散层。

5. 用KOH溶液刻蚀，去除100um的硅就可得到微通道。支撑热丝的悬臂梁也得到释放。

6. 用电子束蒸发铝在P型硅表面沉积0.2um厚的铝薄膜，作为刻蚀掩膜。沉积一层2um的光刻胶作为Al的掩膜。随后用H3PO4将铝和光刻胶移除。

7. 用深反应离子刻蚀去除100um的硅，去除铝掩膜之后就可以获得一个微通道的模型。

8. 将将部分联合在一起，形成完整的基于PDMS的微流量传感器。

图3.1 热丝式流量传感器工艺流程图

4 流量传感器的测量电路

流量传感器最常用的测量电路就是惠斯通电桥。下面以一种微流量传感器的智能接口电路介绍流量传感器的测量电路[2]。该传感器的结构如图4.1所示：