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MEMS科里奥利流量传感器的工作原理

发表时间:2021-05-19 18:18【

  MEMS技术类似于半导体技术,但是它用于传感器和微型机械组件,而不是电子芯片。MEMS技术的众所周知的应用是安全气囊传感器,喷墨头,压力传感器,麦克风,指南针,加速度计,陀螺仪和时基振荡器。例如,智能手机包含许多MEMS组件,并且热流量传感器已广泛用于空调系统中。


  MEMS芯片由晶圆制成。晶圆是由硅或玻璃制成的极其扁平的圆盘。典型的晶片的厚度为0.5毫米,直径为6英寸。MEMS技术就是在某些区域添加层并删除这些层。所施加的层可以是非常高质量和坚固的材料。氮化硅就是这种材料的一个例子,它是通过低压化学气相沉积(LPCVD)施加的,并且在800°C左右的温度下进行。


  光刻用于定义需要去除的区域。在光刻中,光致抗蚀剂层沉积在晶片的表面上。光致抗蚀剂通过在其表面上照射光而发生化学变化,并在显影液中有选择地除去。


  科里奥利传感器的优点


  大多数MEMS流量传感器都基于热测量原理。已经证明,这种传感器能够以每分钟几纳升的速度测量液体流量。这些传感器的优点是它们快速且非常稳定。缺点是需要针对每种特定的流体进行校准。


  科里奥利类型的流量传感器,即包含振动管的流量传感器不存在这个问题,在该振动管中,质量流受到科里奥利力的作用。由于科里奥利流量传感器测量的是真实质量流量,因此科里奥利力与质量流量成正比,并且不受温度,压力,流量分布和流体特性的影响。


  科里奥利流量计主要用于测量大流量(每小时大于1千克),因为相对较弱的科里奥利力相应地更难检测小流量。为了获得足够的灵敏度来测量每小时2克以下的超低流量,需要将传感器尺寸和管壁厚度最小化到极限,这是常规的不锈钢加工所无法实现的。


  MEMS技术在这里发挥了作用。我们与特温特大学密切合作开发的一种称为“表面通道技术”的工艺可以制造具有1微米薄的氮化硅壁的管。材料的选择使这些管即使在极薄的壁厚下也具有机械稳定性。


  MEMS科里奥利传感器的工作原理


  在下图中,说明了基于MEMS的科里奥利传感器的工作原理。演示模型中内置的传感器基于此技术。该演示模型可以测量和控制每小时0.01克至2克的气体和液体流量。作为MEMS技术的另一个优势,仪器内部的科里奥利管的尺寸非常小,以至于管的共振频率在kHz范围内。与传统的不锈钢科里奥利仪器相比,这降低了对外部振动的敏感性。

MEMS科里奥利传感器.png

  科里奥利流量传感器管。洛伦兹(Lorentz)致动使电子管产生共振。科里奥利力Fc是通过管的质量流量Φm的结果


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