CN113513605B - 一种基于电磁控制阀的mems质量流量控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器及控制方法，包括壳体、质量流量传感器和膜片，壳体包括下基板、上盖板以及由二者围成的气流通道；质量流量传感器设置在下基板上靠近气流通道的入口一侧；膜片设置在下基板上靠近气流通道的出口一侧；膜片两端设置于下基板上，膜片中部与下基板之间设有振动空隙；膜片下表面设置磁性件，上盖板或下基板上与磁性件对应的位置处设置有电磁线圈。本发明利用质量流量传感器对气体流量进行精确测量并实时反馈，作为调节电磁线圈通电状态的依据，进而利用磁力驱动膜片发生形变，改变气流通道大小，以实现对微小流量的高精度控制。
Description
技术领域
本发明涉及流量测控技术领域，特别涉及一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器及控制方法。
背景技术
流量测量和控制是工业生产和科学研究的基本需求。质量流量控制器作为一种能够直接对气体的质量流量进行测量和控制的器件，在半导体和集成电路、石油化工、真空镀膜、医药、环保等诸多领域发挥着重要作用。质量流量控制器的核心部件包括质量流量传感器和电磁调节阀。其中，传感器可实现对气体质量流量的精确测量，电磁调节阀则可根据测量结果对流量进行调节、控制。
目前，国内的质量流量控制器中，传感器通常利用毛细管传热温差量热法的原理，在毛细管的上下游各制作一组热敏电阻丝，并外接两个精密电阻，构成电桥结构。工作时，对电桥进行加热，若有气流通过，则会导致上下游的热敏电阻丝温度不同，电桥输出一个正比于气体质量流量的电压信号。电磁调节阀通常由许多精密机加工而成的零部件装配而成。这种控制器的制作工艺复杂，价格昂贵，控制微小流量时精度差；此外，长期使用还存在零飘和颗粒物污染的问题，维护成本高。
随着MEMS技术的快速发展，采用该技术制作的传感器和执行器因具有结构简单、体积小、成本低、精度高等诸多优点而备受关注。因此，发展一种MEMS质量流量控制器具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器及控制方法，具有结构简单、体积小、成本低、制备可控性强的特点，适合微小流量的高精度控制。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和膜片，所述壳体包括下基板、上盖板以及由二者围成的气流通道；所述质量流量传感器设置在下基板上靠近气流通道的入口一侧；所述膜片设置在下基板上靠近气流通道的出口一侧；所述膜片两端设置于下基板上，所述膜片中部与下基板之间设有振动空隙；所述膜片下表面设置磁性件，所述上盖板或下基板上与磁性件对应的位置处设置有电磁线圈，所述上盖板上的电磁线圈与磁性件相互朝向的磁极之极化方向相反，所述下基板上的电磁线圈与磁性件相互朝向的磁极之极化方向相同；
所述质量流量传感器采用MEMS工艺制作而成，并通过粘接的方法固定在下基板上，所述质量流量传感器包括：
衬底，设有沿上下向贯通的隔热腔体；
支撑层，形成于衬底及隔热腔体上；
加热元件，形成于支撑层的上表面，且局部位于隔热腔体的上方；
感温元件，形成于支撑层的上表面，两个感温元件对称分布在加热元件的两侧，且局部位于隔热腔体的上方；
金属层，形成于支撑层的上表面；
绝缘层，覆盖加热元件、感温元件及金属层，且绝缘层上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层的接触孔。
上述方案中，所述膜片的位置低于所述质量流量传感器的位置，所述上盖板的内侧对应膜片的位置处设有向下的凸起。
上述方案中，所述膜片具有延展性，通过粘接或机械夹持的方法固定在下基板上；所述电磁线圈由金属材料或半导体材料刻蚀而成，其形状为圆形的螺旋结构或多边形的螺旋结构；所述磁性件为永磁体。
进一步的技术方案中，所述衬底包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种。
进一步的技术方案中，所述支撑层、绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
进一步的技术方案中，所述加热元件的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种。
进一步的技术方案中，所述感温元件为热敏电阻或热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合。
进一步的技术方案中，所述金属层的材料为金属钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。
一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制方法，采用上述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，气体从气流通道的入口通入壳体后，经过气流通道从出口排出，期间经质量流量传感器测得其质量流量，并反馈给后端处理电路与给定值进行比较，随后利用该反馈动态调节电磁线圈的通电状态，控制膜片的形变程度，即控制气流通道的大小，从而实现对气体质量流量的精确控制。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器及控制方法具有如下有益效果：
本发明提供的基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器采用MEMS工艺制作，具有结构简单、体积小、成本低的特点，且避免了复杂的制备工艺，可控性强；本发明利用MEMS质量流量传感器对气体流量进行精确测量，并将测量电压作为反馈量，用于指导调节电磁线圈的通电状态，进而利用磁力驱动膜片发生形变，改变气流通道的大小，从而实现对微小流量的精确控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例一所公开的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的结构示意图(初始状态)；
图2为本发明实施例一所公开的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的结构示意图(工作状态)；
图3为本发明实施例二所公开的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的结构示意图(初始状态)；
图4为本发明实施例二所公开的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的结构示意图(工作状态)；
图5为本发明实施例三所公开的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的结构示意图(初始状态)；
图6为本发明实施例三所公开的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的结构示意图(工作状态)；
图7为本发明实施例四所公开的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的结构示意图(初始状态)；
图8为本发明实施例四所公开的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的结构示意图(工作状态)；
图9为本发明实施例所采用的质量流量传感器的剖面示意图；
图中，1、壳体；101、下基板；102、上盖板；103、气流通道；104、入口；105、出口；106、凸起；107、振动空隙；2、质量流量传感器；3、膜片；4、电磁线圈；5、磁性件；201、衬底；202、支撑层；203、加热元件；204、感温元件；205、金属层；206、绝缘层；207、接触孔；208、隔热腔体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，具体实施例如下：
实施例一
请参阅图1和图2，一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器包括壳体1、质量流量传感器2、膜片3、电磁线圈4以及磁性件5；壳体1包括下基板101、上盖板102以及由二者围成的气流通道103；质量流量传感器2设置在下基板101的相对左侧，即靠近气流通道103的入口104一侧；膜片3设置在下基板101的相对右侧，即靠近气流通道103的出口105一侧，膜片3的位置低于质量流量传感器2的位置，上盖板102的内侧对应膜片3的位置处设有向下的凸起106，膜片3两端设置于下基板101上，膜片3中部与下基板101之间设有振动空隙107。气流通道103为折线形状，气流可以得到一定的缓冲。电磁线圈4和磁性件5分别设置在上盖板102的凸起106的下表面和膜片3的下表面，且电磁线圈4与磁性件5相互朝向的磁极之极化方向相反。
实施例二
请参阅图3和图4，一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器包括壳体1、质量流量传感器2、膜片3、电磁线圈4以及磁性件5；壳体1包括下基板101、上盖板102以及由二者围成的气流通道103；质量流量传感器2设置在下基板101的相对左侧，即靠近气流通道103的入口104一侧；膜片3设置在下基板101的相对右侧，即靠近气流通道103的出口105一侧，膜片3两端设置于下基板101上，膜片3中部与下基板101之间设有振动空隙107。质量流量传感器2和膜片3的上表面位于同一水平高度，气流通道103为水平直线形状。电磁线圈4和磁性件5分别设置在上盖板102的下表面和膜片3的下表面，且电磁线圈4与磁性件5相互朝向的磁极之极化方向相反。
实施例三
请参阅图5和图6，一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器包括壳体1、质量流量传感器2、膜片3、电磁线圈4以及磁性件5；壳体1包括下基板101、上盖板102以及由二者围成的气流通道103；质量流量传感器2设置在下基板101的相对左侧，即靠近气流通道103的入口104一侧；膜片3设置在下基板101的相对右侧，即靠近气流通道103的出口105一侧，膜片3的位置低于质量流量传感器2的位置，上盖板102的内侧对应膜片3的位置处设有向下的凸起106，膜片3两端设置于下基板101上，膜片3中部与下基板101之间设有振动空隙107。气流通道103为折线形状，气流可以得到一定的缓冲。电磁线圈4和磁性件5分别设置在下基板101的上表面和膜片3的下表面，且电磁线圈4与磁性件5相互朝向的磁极之极化方向相同。
实施例四
请参阅图7和图8，一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器包括壳体1、质量流量传感器2、膜片3、电磁线圈4以及磁性件5；壳体1包括下基板101、上盖板102以及由二者围成的气流通道103；质量流量传感器2设置在下基板101的相对左侧，即靠近气流通道103的入口104一侧；膜片3设置在下基板101的相对右侧，即靠近气流通道103的出口105一侧，膜片3两端设置于下基板101上，膜片3中部与下基板101之间设有振动空隙107。质量流量传感器2和膜片3的上表面位于同一水平高度，气流通道103为水平直线形状。电磁线圈4和磁性件5分别设置在下基板101的上表面和膜片3的下表面，且电磁线圈4与磁性件5相互朝向的磁极之极化方向相同。
具体地，壳体1采用不漏气的坚硬材料，下基板101和上盖板102通过焊接、压接、紧固、卡扣等方法连接固定，气流通道103的截面形状为圆形或多边形；在本发明的实施例中，壳体1的材料为铝合金，下基板101和上盖板102通过紧固的方法连接固定，气流通道103的截面形状为矩形。
具体地，质量流量传感器2采用MEMS工艺制作而成，并通过粘接的方法固定在下基板101上。请参阅图9，在本发明的实施例中，质量流量传感器2包括：
衬底201，设有沿上下向贯通的隔热腔体208；
支撑层202，形成于衬底201及隔热腔体208上；
加热元件203，形成于支撑层202的上表面，且局部位于隔热腔体208的上方；
感温元件204，形成于支撑层202的上表面，两个感温元件204对称分布在加热元件203的两侧，且局部位于隔热腔体208的上方；
金属层205，形成于支撑层208的上表面；
绝缘层206，覆盖加热元件203、感温元件204及金属层205，且绝缘层206上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层205的接触孔207。
衬底201为常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种；在本发明的实施例中，衬底201为双面抛光的单晶硅衬底。
隔热腔体208的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种；在本发明的实施例中，隔热腔体208的截面形状为矩形。
支撑层202、绝缘层206的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合；在本发明的实施例中，支撑层202由氧化硅和氮化硅复合而成，绝缘层206的材料为氧化硅。
加热元件203的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种；在本发明的实施例中，加热元件203的材料为铂。
感温元件204可为热敏电阻，也可为热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合；在本发明的实施例中，感温元件32采用P型多晶硅/N型多晶硅热电堆，其中，P型多晶硅和N型多晶硅之间通过部分金属层205连接。
金属层205的材料为金属钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合；在本发明的实施例中，金属层205的材料为铬/金。
需要说明的是，质量流量传感器2的工作原理是：加热元件203提供一定的功率以使传感器表面温度高于环境温度，当无气体流动时，表面温度以加热元件203为中心呈正态分布，两侧的感温元件204具有相同的电信号；当有气体流动时，气体分子转移热量使传感器表面的温度分布发生偏移，两侧的感温元件204的电信号随之产生差异，利用这种差异就可推算出气体流量。
膜片3采用具有良好延展性的材料，只要便于在磁力作用下发生形变即可；膜片3可通过粘接或机械夹持的方法固定在下基板101上。
电磁线圈4由金属材料或半导体材料刻蚀而成，其形状可以为圆形的螺旋结构或多边形的螺旋结构，只要便于通电后产生磁场即可。
磁性件5可以为永磁体，具体可以为磁性薄膜材料制作，只要能长期保留较高的剩磁即可。
需要说明的是，膜片3为本发明的基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的可动部件：在实施例一和实施例二中，电磁线圈4通电后，由于其与磁性件5相互朝向的磁极之极化方向相反，二者之间产生引力，驱动膜片向上发生形变，使气流通道103减小。在实施例三和实施例四中，电磁线圈4通电后，由于其与磁性件5相互朝向的磁极之极化方向相同，二者之间产生斥力，驱动膜片向上发生形变，使气流通道103减小。
通电状态不同，膜片发生形变的程度不同，气流通道103的大小也即不同。因此，本发明的基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器的工作原理是：气体从气流通道103的入口104通入壳体1后，经过气流通道103从出口105排出，期间经质量流量传感器2测得其质量流量，并反馈给后端处理电路与给定值进行比较，随后利用该反馈动态调节电磁线圈4的通电状态，控制膜片3的形变程度，即控制气流通道103的大小，从而实现对气体质量流量的精确控制。
综上所述，本发明提供的基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器采用MEMS工艺制作，具有结构简单、体积小、成本低的特点，且避免了复杂的制备工艺，可控性强；本发明利用MEMS质量流量传感器对气体流量进行精确测量，并将测量电压作为反馈量，用于指导调节电磁线圈的通电状态，进而利用磁力驱动膜片发生形变，改变气流通道的大小，从而实现对微小流量的精确控制。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和膜片，所述壳体包括下基板、上盖板以及由二者围成的气流通道；所述质量流量传感器设置在下基板上靠近气流通道的入口一侧；所述膜片设置在下基板上靠近气流通道的出口一侧；所述膜片两端设置于下基板上，所述膜片中部与下基板之间设有振动空隙；所述膜片下表面设置磁性件，所述上盖板或下基板上与磁性件对应的位置处设置有电磁线圈，所述上盖板上的电磁线圈与磁性件相互朝向的磁极之极化方向相反，所述下基板上的电磁线圈与磁性件相互朝向的磁极之极化方向相同；
所述质量流量传感器采用MEMS工艺制作而成，并通过粘接的方法固定在下基板上，所述质量流量传感器包括：
衬底，设有沿上下向贯通的隔热腔体；
支撑层，形成于衬底及隔热腔体上；
加热元件，形成于支撑层的上表面，且局部位于隔热腔体的上方；
感温元件，形成于支撑层的上表面，两个感温元件对称分布在加热元件的两侧，且局部位于隔热腔体的上方；
金属层，形成于支撑层的上表面；
绝缘层，覆盖加热元件、感温元件及金属层，且绝缘层上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层的接触孔。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述膜片的位置低于所述质量流量传感器的位置，所述上盖板的内侧对应膜片的位置处设有向下的凸起。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述膜片具有延展性，通过粘接或机械夹持的方法固定在下基板上；所述电磁线圈由金属材料或半导体材料刻蚀而成，其形状为圆形的螺旋结构或多边形的螺旋结构；所述磁性件为永磁体。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述衬底为硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述支撑层、绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述加热元件的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述感温元件为热敏电阻或热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合。
8.根据权利要求1所述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述金属层的材料为金属钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。
9.一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制方法，采用如权利要求1所述的一种基于电磁控制阀的MEMS质量流量控制器，其特征在于，气体从气流通道的入口通入壳体后，经过气流通道从出口排出，期间经质量流量传感器测得其质量流量，并反馈给后端处理电路与给定值进行比较，随后利用该反馈动态调节电磁线圈的通电状态，控制膜片的形变程度，即控制气流通道的大小，从而实现对气体质量流量的精确控制。
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