在各种工业和日常应用中，流速都是重要的物理量之一。过去几十年来，随着航空航天、军事和生物医学领域的发展，对流速传感器的要求不断提高。例如，各类应用对测量精度的要求越来越高，测量环境越来越恶劣，测量范围不断扩大。传统的流速传感器已无法满足这些要求。热式流速传感器因其结构简单、精度高、体积小而备受关注。随着物联网、电子皮肤和MEMS技术的快速发展，MEMS热式流速传感器以其体积小、集成度高、测量方法简单等独特优势逐渐成为主流。
业界一直在努力进一步开发和改进MEMS热式流速传感器。不过，这些传感器的检测原理通常基于单个器件，限制了速度的测量范围。聚酰亚胺（PI）因其机械强度高、热导率低、耐温性能好等优良特性，被广泛应用于热式流速传感器。为了进一步降低热导率并提高耐温性，近年来，用有机硅改性聚酰亚胺的研究逐渐成为热门话题。迄今为止，研究主要集中在通过简单的机械搅拌或超声处理将有机硅聚合物添加到PI溶液中。但是，这些材料的均匀性较差，容易出现颗粒聚集，导致性能改善有限。通过化学改性将有机硅引入PI主链可有效改善相容性和均匀性。因此，有必要研究它们在流速传感器中的潜在应用，探索提高器件性能的可能性。
据麦姆斯咨询介绍，西安交通大学、山东省先进材料与绿色制造实验室（烟台）的研究人员结合热温差和热损耗的双重检测原理，制造了一种基于多孔聚酰亚胺/SiO₂（PI/SiO₂）复合衬底的新型MEMS热式流速传感器。通过设计腔体结构、降低衬底热导率，有效扩大了测量流速范围，并提高了器件的灵敏度。
下图给出了所开发的热式流速传感器的原理图。该传感器由具有腔体结构的PI/SiO₂衬底、铂加热电阻、两对铂测温电阻、铂温度补偿电阻、引线和焊盘组成。该器件的整体厚度为7 μm，腔体高度为5 μm。加热电阻设计为800 μm x 40 μm的蛇形结构，线宽为8 μm，可提供均匀恒定的温度场。在距离加热电阻器300 μm和500 μm处设计了两对温度测量电阻器。电阻对（R2和R3）最靠近中央加热电阻器，电阻对（R1和R4）位于其两侧。此外，还设计了一对温度补偿电阻，用于测量流体温度以进行温度补偿。测温电阻的尺寸为800 μm x 72 μm，温度补偿电阻的尺寸为800 μm x 105 μm。两个电阻器的线宽均为8 μm，呈蛇形结构。其中，铂加热电阻器的电阻温度系数（TCR）为0.1583%/℃，铂测温电阻器的TCR为0.1609%/℃。该器件的引脚位置按照标准倒装FPC连接器设计，焊盘间距为1 mm，总宽度为15 mm，总厚度为0.3 mm。这种设计便于与14PIN FPC连接和标准化对接，解决了后期柔性电路的连接问题。
a）MEMS热式流速传感器整体结构示意图；b）剖面图；c）关键传感结构详图；d）传感器中单个电阻元件放大图；e）工作原理图。
MEMS热式流速传感器制造工艺流程
MEMS热式流速传感器性能测试
总结来说，本研究开发了一种柔性MEMS热式流速传感器，其灵敏度和测量范围均有所提高。研究人员主要通过三个设计改进提高了器件的灵敏度：（1）优化加热电阻和测温电阻之间的距离；（2）在衬底底部设计腔体结构，显著减少热传导造成的热损失；（3）使用低导热率PI/SiO₂复合多孔膜衬底，降低加热电阻和接触面之间的传热速度，最终减少热损失。由此，该传感器的测量范围扩大到30 m/s，分辨率小于5.4 mm/s，平均灵敏度为467.31 mV/(ms⁻¹)。与使用纯PI衬底制成的无腔体结构相比，其平均灵敏度提高了39%。灵敏度的显著提高大大提高了宽范围流速测量的精度。因此，本文所提出的柔性流速传感器，对于航空航天、国防和其它需要适用于复杂表面、宽范围、高灵敏度传感器的应用具有重要意义。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00740-2
延伸阅读：
《MEMS热式气体质量流量传感器产品对比分析-2023版》
《First Sensor工业级STARe压力传感器芯片产品分析》
《Merit Sensor压力传感器及MEMS芯片产品分析》
《博世气压传感器BMP581产品分析》
