[發明專利]一種基于壓電控制閥的MEMS質量流量控制器及控制方法

在審

• 申請號: 202110356196.8
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113190050A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 胡國慶;田偉
• 申請（專利權）人: 青島芯笙微納電子科技有限公司
• 主分類號: G05D7/06
• 分類號: G05D7/06;B81B7/02
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 劉娜

本發明公開了一種基于壓電控制閥的MEMS質量流量控制器及控制方法，包括殼體以及位于殼體內部的質量流量傳感器和壓電膜片，所述殼體包括下基板、上蓋板以及由二者圍成的氣流通道；所述質量流量傳感器設置在下基板上靠近氣流通道的入口一側；所述壓電膜片設置在下基板上靠近氣流通道的出口一側；所述壓電膜片兩端設置于下基板上，所述壓電膜片中部與下基板之間設有振動空隙。本發明利用質量流量傳感器對氣體流量進行精確測量并實時反饋，作為壓電膜片驅動電壓的調節依據，進而可利用壓電膜片的形變實現對微小流量的高精度控制；此外，本發明具有結構簡單、體積小、成本低、制備可控性強等優點。

技術領域

本發明涉及流量測控技術領域，特別涉及一種基于壓電控制閥的MEMS質量流量控制器及控制方法。

背景技術

流量測量和控制是工業生產和科學研究的基本需求。質量流量控制器作為一種能夠直接對氣體的質量流量進行測量和控制的器件，在半導體和集成電路、石油化工、真空鍍膜、醫藥、環保等諸多領域發揮著重要作用。質量流量控制器的核心部件包括質量流量傳感器和電磁調節閥。其中，傳感器可實現對氣體質量流量的精確測量，電磁調節閥則可根據測量結果對流量進行調節、控制。

目前，國內的質量流量控制器中，傳感器通常利用毛細管傳熱溫差量熱法的原理，在毛細管的上下游各制作一組熱敏電阻絲，并外接兩個精密電阻，構成電橋結構。工作時，對電橋進行加熱，若有氣流通過，則會導致上下游的熱敏電阻絲溫度不同，電橋輸出一個正比于氣體質量流量的電壓信號。電磁調節閥通常由許多精密機加工而成的零部件裝配而成。這種控制器的制作工藝復雜，價格昂貴，控制微小流量時精度差；此外，長期使用還存在零飄和顆粒物污染的問題，維護成本高。

隨著MEMS技術的快速發展，采用該技術制作的傳感器和執行器因具有結構簡單、體積小、成本低、精度高等諸多優點而備受關注。因此，發展一種MEMS質量流量控制器具有重要意義。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于壓電控制閥的MEMS質量流量控制器及控制方法，具有結構簡單、體積小、成本低、制備可控性強的特點，適合微小流量的高精度控制。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于壓電控制閥的MEMS質量流量控制器，包括殼體以及位于殼體內部的質量流量傳感器和壓電膜片，所述殼體包括下基板、上蓋板以及由二者圍成的氣流通道；所述質量流量傳感器設置在下基板上靠近氣流通道的入口一側；所述壓電膜片設置在下基板上靠近氣流通道的出口一側；所述壓電膜片兩端設置于下基板上，所述壓電膜片中部與下基板之間設有振動空隙；

所述壓電膜片采用無機壓電材料，包括鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛，或采用有機壓電材料，包括聚偏氟乙烯，并通過粘接或機械夾持的方法固定在下基板上；

所述質量流量傳感器包括：

襯底，設有沿上下向貫通的隔熱腔體；

支撐層，形成于襯底及隔熱腔體上；

加熱元件，形成于支撐層的上表面，且局部位于隔熱腔體的上方；

感溫元件，形成于支撐層的上表面，兩個感溫元件對稱分布在加熱元件的兩側，且局部位于隔熱腔體的上方；

金屬層，形成于支撐層的上表面；

絕緣層，覆蓋加熱元件、感溫元件及金屬層，且絕緣層上通過局部刻蝕形成暴露出部分金屬層的接觸孔。

上述方案中，所述壓電膜片的位置低于所述質量流量傳感器的位置，所述上蓋板的內側對應壓電膜片的位置處設有向下的凸起，所述凸起用于限定氣流通道的走向。

上述方案中，所述質量流量傳感器采用MEMS工藝制作而成，并通過粘接的方法固定在下基板上。

進一步的技術方案中，所述襯底包括硅襯底、鍺襯底、SOI襯底、GeOI襯底的一種。