MEMS传感器、基于MEMS传感器的热力参数测量方法技术

本发明专利技术提供了一种MEMS传感器以及基于MEMS传感器的热力参数测量方法，该装置包括玻璃基底以及形成在玻璃基底上的硅衬底，在硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁；传感器还包括形成在硅衬底的第一结构至第八结构；还包括形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻；其中，第一至第八结构之间按照预设的规则导电连接；所述传感器还包括若干第一导热薄膜以及第二导热薄膜。通过第一至第八结构以及第一导热薄膜、第二导热薄膜之间的相互配合，在气流通过的时候能够一次性同时测得四种热力参数，有效减小了MEMS传感器的尺寸大小，使其更适用于在微小通道流动中测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热力检测
，具体涉及一种MEMS传感器及基于MEMS传感器的热力参数测量方法。
技术介绍
目前，MEMS传感器(Micro-Electro-MechanicalSystem)由于其微小集成化等特点较为广泛的应用于热力参数的测量。然而现在MEMS传感器都是测量单一的数据，如测量流量、压力、温度、热流等参数。若想要同一时间测量多个参数，则需要在MEMS上设置多个测量单元，无法集成在一起，影响MEMS的尺寸大小，违背了MEMS的微小集成化的设计初衷，使其无法应用于微小通道内流体的热力参数测量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：解决如何提供一种能够同时集成多个热力参数测量的MEMS传感器的问题。为实现上述的专利技术目的，本专利技术提供了一种MEMS传感器以及基于MEMS传感器的热力参数测量方法。依据本专利技术的第一方面，提供了一种MEMS传感器，包括：包括玻璃基底以及形成在所述玻璃基底上的硅衬底，在所述硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁；所述传感器还包括形成在硅衬底非梁区域上的第一结构、第二结构、第七结构以及第八结构；在所述梁上还形成有第三结构、第四结构、第五结构、第六结构；所述传感器还包括形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻；其中，第一结构与第二结构导电连接，第三结构与第四结构导电连接，第五结构与第六结构导电连接，第七结构与第八结构导电连接，第一结构还与第八结构导电连接，第二结构还与第七结构导电连接；第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏器件，第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为温敏与压敏耦合器件；所述传感器还包括形成在第一结构以及第八结构上表面的第一导热薄膜，形成在第二结构以及第七结构上的第二导热薄膜，以及形成在硅衬底表面位于第五结构以及第六结构之间的第一导热薄膜。优选地，所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂材料薄膜；所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻。优选地，第一结构、第二结构、第七结构以及第八结构中每种结构的数量均为至少八个；第三结构、第四结构、第五结构、第六结构中每种结构的数量均为至少四个；其中，第一结构与第二结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第三结构与第四结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第五结构与第六结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第七结构与第八结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第一结构与第八结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第二结构与第七结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接。优选地，所述第一导热薄膜的材料为二氧化硅，第二导热薄膜的材料为氮化硅。优选地，所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂材料薄膜；所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻。依据本专利技术的第二方面，提供了一种基于MEMS传感器的热力参数测量方法，利用如权利要求1-4任一所述的MEMS传感器进行测量，所述方法包括：当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构以及第二结构之间的电压差获取第一结构感知的温度与第二结构感知的温度之差ΔT1，再依据公式一得到气流的热流参数q1：q1＝ΔT1*λ1*λ2/(λ2*d1-λ1*d2)公式一其中，λ1为第一导热薄膜的导热系数，d1为第一导热薄膜的厚度；λ2为第二导热薄膜的导热系数，d2为第二导热薄膜的厚度。优选地，所述方法还包括：当气流经过所述MEMS传感器时，根据第七结构以及第八结构之间的电压差获取第七结构感知的温度与第八结构感知的温度之差ΔT2；同样依据公式一得到气流的热流参数；计算热量参数q2与热流参数q1的平均值优选地，所述方法还包括：当气流经过所述MEMS传感器时，根据第三结构以及第四结构的阻值变化，以及第三结构与第四结构之间的电压差，得到气流的压力值以及第一曲率Δp1；其中，所述第一曲率Δp1为所述梁在气流压力的作用下弯曲变形的曲率。优选地，所述方法还包括：当气流经过所述MEMS传感器时，根据第五结构以及第六结构的阻值变化，以及第五结构与第六结构之间的电压差，得到第二曲率Δp2；其中，所述第二曲率Δp2反应的变形程度包括所述梁在气流压力的作用下发生弯曲变形程度以及第一导热薄膜在气流的作用下由于温度变化膨胀发生弯曲变形程度；去除第二曲率Δp2中所述梁在气流压力的作用下发生弯曲的第一曲率Δp1的作用，得到第三曲率Δp3，其中第三曲率Δp3为第一导热薄膜在气流的作用下由于温度变化膨胀发生弯曲变形的曲率；根据第三曲率Δp3以及第五结构与第六结构之间的电压差，获得气流的温度值。优选地，所述方法还包括：当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构以及第八结构之间的电压差，获取第一结构感知的温度与第八结构感知的温度之差ΔT2，再获取加热电阻的温度TC0，依据公式二求得气流的流速V01，其中公式二如下式所示：ΔT2＝TC0V011/2公式二再根据气流的流速V01以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值I1。优选地，所述方法还包括：当气流经过所述MEMS传感器时，根据第二结构以及第七结构之间的电压差，获取第二结构感知的温度与第七结构感知的温度之差ΔT3，再获取加热电阻的温度TC0，同样依据公式二求得气流的流速V02，再根据气流的流速V02以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值I2；计算流量值I2与流量值I1的平均值I。本专利技术提供了一种MEMS传感器以及基于MEMS传感器的热力参数测量方法，该传感器在硅衬底上集成了器件类型不同的第一至第八结构，通过第一至第八结构的相互配合，在气流通过的时候能够一次性同时测得气流的流量、压力、温度以及热流这四种热力参数，有效减小了MEMS传感器的尺寸大小，使其更适用于在微小通道流动中测量。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术实施方式提供的MEMS传感器结构示意图；图2是本专利技术实施方式提供的MEMS传感器俯视结构示意图；图3是本专利技术实施方式提供的基于MEMS传感器流量测试示意图。具体实施方式...

【技术保护点】
一种MEMS传感器，其特征在于，包括玻璃基底以及形成在所述玻璃基底上的硅衬底，在所述硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁；所述传感器还包括形成在硅衬底非梁区域上的第一结构、第二结构、第七结构以及第八结构；在所述梁上还形成有第三结构、第四结构、第五结构、第六结构；所述传感器还包括形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻；其中，第一结构与第二结构导电连接，第三结构与第四结构导电连接，第五结构与第六结构导电连接，第七结构与第八结构导电连接，第一结构还与第八结构导电连接，第二结构还与第七结构导电连接；第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏器件，第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为温敏与压敏耦合器件；所述传感器还包括形成在第一结构以及第八结构上表面的第一导热薄膜，形成在第二结构以及第七结构上的第二导热薄膜，以及形成在硅衬底表面位于第五结构以及第六结构之间的第一导热薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS传感器，其特征在于，包括玻璃基底以及形成在所
述玻璃基底上的硅衬底，在所述硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁
的硅衬底形成梁；
所述传感器还包括形成在硅衬底非梁区域上的第一结构、第二结
构、第七结构以及第八结构；在所述梁上还形成有第三结构、第四结
构、第五结构、第六结构；所述传感器还包括形成在硅衬底上位于第
一结构以及第八结构之间的加热电阻；
其中，第一结构与第二结构导电连接，第三结构与第四结构导电
连接，第五结构与第六结构导电连接，第七结构与第八结构导电连接，
第一结构还与第八结构导电连接，第二结构还与第七结构导电连接；
第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏器件，第三结
构、第四结构、第五结构、第六结构为温敏与压敏耦合器件；
所述传感器还包括形成在第一结构以及第八结构上表面的第一导
热薄膜，形成在第二结构以及第七结构上的第二导热薄膜，以及形成
在硅衬底表面位于第五结构以及第六结构之间的第一导热薄膜。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于，
所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂
材料薄膜；
所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻。
3.如权利要求2所述的MEMS传感器，其特征在于，第一结构、
第二结构、第七结构以及第八结构中每种结构的数量均为至少八个；
第三结构、第四结构、第五结构、第六结构中每种结构的数量均为至
少四个；
其中，第一结构与第二结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，
第三结构与第四结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第五结构与
第六结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第七结构与第八结构通

\t过构成惠斯通电桥从而导电连接，第一结构与第八结构通过构成惠斯
通电桥从而导电连接，第二结构与第七结构通过构成惠斯通电桥从而
导电连接。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于，所述第一导
热薄膜的材料为二氧化硅，第二导热薄膜的材料为氮化硅。
5.一种基于MEMS传感器的热力参数测量方法，其特征在于，利
用如权利要求1-4任一所述的MEMS传感器进行测量，所述方法包括：
当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构以及第二结构之
间的电压差获取第一结构感知的温度与第二结构感知的温度之差ΔT1，
再依据公式一得到气流的热流参数q1：
q1＝ΔT1*λ1*λ2/(λ2*d1-λ1*d2)公式一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶智，李秋实，李海旺，谭啸，徐天彤，余明星，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11