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MEMS科里奥利流量传感器的工作原理

发布时间:2023-05-11 18:03:02人气:

  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800C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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