[发明专利]一种多量程的热式气体流量传感器

说明书

本发明公开了一种多量程的热式气体流量传感器结构的设计以及信号处理方法。包括带背部刻蚀空腔的单晶硅衬底、悬浮支撑膜、中心加热器、上游测量热敏元件组、下游测量热敏元件组和信号处理电路。上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组对称的放置在中心加热器两端，上游测量热敏元件包括上游第一测量元件和上游第二测量元件，下游测量热敏元件包括下游第一测量元件和下游第二测量元件，中心加热器和所有测量元件的热端放置在的悬浮支撑膜之上，测量元件的冷端放在悬浮支撑膜之外。本发明通过在单晶硅衬底上制备不同长度的测量元件，形成具有多量程检测功能的流量传感器，并且进一步的搭配外围控制电路，完成单芯片量程的切换。

技术领域

本发明涉及硅微机械系统传感器技术领域，具体来说，涉及一种多量程的热式气体流量传感器及信号处理电路。

背景技术

由于近年来国内对过程控制行业节能环保的要求不断提高，越来越多的指标，已经从粗略估算发展到需要定量分析，很多原料的进量以及废料的排量就需要得到高精度的计量，这使得测量领域中的流量仪表逐渐成为国内市场的关注热点。

随着仪器仪表自动化技术的不断提高，人们对测量领域的需求越来越多，为满足工业生产需求，针对不同用途的流量计应运而生。热式气体流量传感器主要利用热力学原理，来测量流道中的气体流量。当芯片上方流体流动时会带走部分热量，造成热量偏移，通过热敏元件将温度偏移量转化为电信号，由电信号的大小来反映被测气体流量值。基于微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)制造工艺制作出的热式气体流量传感器易于与CMOS工艺相兼容，响应速度快、功耗低、精度高、尺寸小,且内部没有任何可移动部件，即便超出量程范围也不会造成传感器损坏，可以提供高精度且稳定的测量，在汽车工业、化学化工、食品加工、半导体制造领域都有着广泛的应用。

在热式气体流量传感器的应用中会涉及到同一管道不同气体流量的测量，而不同气体所适应的流量范围往往并不相同，传统的解决办法是更换其他量程范围的传感器，这需要对管道中的传感器进行拆卸与安装，这种方法步骤繁琐，比较耗费使用者的精力，降低工业生产效率。还有一种解决办法是在同一管道上设置多个传感器，该方法虽然可以满足对管道中不同气体流量的精确测量，但需要耗费一定的经济成本。

鉴于此，有必要设计一种多量程的热式气体流量传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多量程的热式气体流量传感器，以解决现有的传感器在测量多种气体流量范围时的步骤繁琐问题以及成本问题。本发明可使热式气体流量传感器的应用场景更加灵活，用途更加广泛，具有一定的经济效益，有利于提高生产效率。

为实现上述发明，采用如下技术方案：

本发明的一种多量程的热式气体流量传感器，包括背部刻蚀空腔的单晶硅衬底、悬浮支撑膜、中心加热器、上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组；中心加热器位于悬浮支撑膜的对称轴上，上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组对称的设置在中心加热器两侧，上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组结构相同。

测量热敏元件组包括多组测量元件、每组测量元件与中心加热器的距离不同，与中心加热器的距离越远的测量元件，用于测量大流量气体，获得更高的量程范围；距离中心加热器的距离越近的测量元件，用于测量小流量气体，获得更高的灵敏度。

以上游测量热敏元件组和与其对称的下游测量热敏元件组的差分输出作为传感器的输出信号。

进一步的，上游测量热敏元件组包括上游第一测量元件组和上游第二测量元件组，且上游第一测量元件组和上游第二测量元件组距离中心加热器的距离不同；下游测量热敏元件组包括下游第一测量元件组和下游第二测量元件组，且下游第一测量元件组和下游第二测量元件组与中心加热器的距离不同；上游第一测量元件组与下游第一测量元件组关于中心加热器对称，上游第二测量元件组与下游第二测量元件组关于中心加热器对称。