高灵敏度、宽量程、柔性MEMS热式流速传感器的制备与性能评估
高灵敏度、宽量程、柔性MEMS热式流速传感器的制备与性能评估
流速作为一项关键的物理参数，在众多工业和日常应用中扮演着重要角色。随着航空航天、军事装备以及生物医学技术的持续发展，对流速测量设备的性能提出了更高要求。现代应用场景不仅需要更高的测量精度，还要求传感器能够适应复杂、严苛的环境条件，并具备宽泛的测量范围。传统流速传感器在这些方面存在明显局限。
近年来，热式流速传感器由于其结构简洁、精度较高和体积小巧，成为研究热点。尤其是随着物联网、电子皮肤以及MEMS（微机电系统）技术的发展，MEMS热式传感器凭借其微型化、高集成度和操作简便等优势，正逐步成为主流选择。
尽管如此，现有MEMS热式传感器的设计多依赖单一器件进行测量，这在一定程度上限制了其量程扩展。聚酰亚胺（PI）材料因其机械强度高、热导率低以及良好的热稳定性，被广泛用于热式流速传感器制造。为了进一步提升性能，近年来研究人员尝试通过有机硅改性PI来降低其热导率并增强耐温能力。然而，传统方法如机械搅拌或超声处理常导致材料分布不均、出现颗粒团聚，从而影响最终性能。相比之下，通过化学方法将有机硅引入PI主链，能够在分子层面实现更均匀的改性，提升器件性能。
西安交通大学与山东省先进材料与绿色制造实验室（烟台）联合开发了一款新型柔性MEMS热式流速传感器。该传感器基于多孔PI/SiO₂复合材料衬底，结合热温差与热损耗双检测机制，显著提升了测量范围和灵敏度。
该传感器结构包括腔体设计的PI/SiO₂复合衬底、铂加热电阻、两组铂测温电阻、铂温度补偿电阻以及引线与焊盘。器件总厚为7 μm，腔体高度为5 μm。加热电阻采用800 μm x 40 μm的蛇形结构，线宽为8 μm，可提供均匀的加热温度场。两对测温电阻分别布置于加热电阻300 μm和500 μm处，其中R2和R3靠近中心，R1和R4则分布于两侧。此外，传感器还配置了一对温度补偿电阻，用于精确测量流体温度，实现温度补偿功能。测温电阻尺寸为800 μm x 72 μm，温度补偿电阻为800 μm x 105 μm，线宽均为8 μm，且均采用蛇形结构设计。
加热电阻的电阻温度系数（TCR）为0.1583%/℃，测温电阻TCR为0.1609%/℃。焊盘布局参照标准倒装FPC连接器设计，焊盘间距为1 mm，总宽度为15 mm，厚度为0.3 mm，便于与14PIN FPC连接，提升了后续柔性电路的兼容性。
MEMS热式流速传感器结构与制造流程
- 图示内容： a）传感器整体结构示意图； b）剖面图； c）关键传感结构详图； d）单个电阻放大图； e）工作原理示意图。
传感器性能测试与评估
通过优化多个关键结构设计，研究人员成功提升了传感器的灵敏度和量程。首先，调整加热电阻与测温电阻之间的距离，有助于优化热传递路径；其次，引入腔体结构有效减少了热传导损耗；最后，采用低热导率的PI/SiO₂复合膜作为衬底，降低了热量散失，从而提升整体响应性能。
测试结果显示，该传感器的测量上限可达30 m/s，分辨率小于5.4 mm/s，平均灵敏度达到467.31 mV/(ms⁻¹)。与采用纯PI衬底、无腔体结构的传感器相比，其平均灵敏度提升了39%，显著提高了宽量程流速测量的精度。
该成果为复杂曲面环境下的流速测量提供了新方案，尤其适用于航空航天、国防工程等对传感器性能要求严苛的领域。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00740-2
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