方向和流體流速傳感器對于不同的工業(yè)，醫(yī)療和環(huán)境應(yīng)用至關(guān)重要。流量傳感器可在諸如密度測量，粘度測量，流型確定和壁切應(yīng)力確定等應(yīng)用中量化氣體和液體流動的方向和速率。除了流量參數(shù)對方向，溫度，速度和速率等感應(yīng)范圍的重要要求外，要檢測的各種目標液體或氣體的特性也構(gòu)成了設(shè)計精確，低功耗和廉價傳感器的障礙。

MEMS流量傳感器

近年來，微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)為生產(chǎn)不同用途的流量傳感器提供了廣闊的機會。MEMS是在對硅和鍺壓阻能力進行研究之后于1960年代首次提出的。早些年，MEMS流量傳感器是使用聚合物和硅組件以及不同的傳感器組件和構(gòu)造方法制造的。熱，基于阻力和基于扭矩的流量傳感可能是最流行的傳感技術(shù)。

在本文中，將對迄今為止已建成的各種納米/微米級MEMS流量傳感器進行全面概述。根據(jù)其傳感理論，這三大類是MEMS壓阻，熱和壓電流量傳感器。

壓阻流量傳感器

當受到外部應(yīng)變或應(yīng)力影響時，顯示出電阻率變化的元素被稱為壓阻材料。由于施加的應(yīng)變，材料的內(nèi)部晶格和原子位置發(fā)生了變化，因此其電阻率也發(fā)生了變化。制造商廣泛使用壓阻材料來開發(fā)MEMS流量傳感器。由于它們在施加應(yīng)力時能夠改變阻力，因此它們在流量感測中獲得了關(guān)注。當用于MEMS流量傳感器時，電阻變化會映射到電壓信號，該電壓信號會隨著流速的變化而波動。

MEMS熱流傳感器

使用熱傳遞強度來測量流速的流量傳感器被稱為熱流量傳感器。這種現(xiàn)象可確保在輸出信號漂移較小的情況下獲得更高的精度和靈敏度。此外，這種傳感器的好處在于，它們無需物理移動任何微型零件即可工作。MEMS熱流傳感器通常由兩個主要組件組成：傳感和加熱元件。工作流與加熱器之間的傳熱差由感應(yīng)元件感應(yīng)，因此，系統(tǒng)的靈敏度會隨著多余的熱能傳遞到工作流體而增加。

影響標準基于溫度的流量傳感器精度的主要限制因素之一往往是正確保留傳感組件的溫度。無法計算低流速是與MEMS熱流傳感器有關(guān)的另一個問題。常規(guī)熱膜傳感器和熱線傳感器中的傳感組件具有較大的比熱容，這使得很難跟蹤低對流傳熱，從而導(dǎo)致低頻或不良的頻率響應(yīng)。

根據(jù)各種熱管理方法和不同的評估方法，可以識別出三種MEMS熱流傳感器。H型傳感器是第一類。這些是熱膜傳感器和熱線傳感器，它們通過在穩(wěn)定溫度下調(diào)節(jié)熱功率或在穩(wěn)定熱量下調(diào)節(jié)溫度來計算流量。它們之間的區(qū)別歸因于它們的結(jié)構(gòu)：熱膜傳感器中的線電阻器放置在通量旁的膜片上，而電阻器則獨立于底層，位于H型熱線傳感器中。第二種類型的C型傳感器是量熱傳感器，它通過測量加熱器上的熱量分布變化來測量流量。

MEMS壓電流量傳感器

某些人造和天然介電材料具有壓電特性，這使得它們在施加機械負載時能夠產(chǎn)生電荷。這也稱為直接壓電效應(yīng)。另一方面，如果這些材料暴露于外部電場，則會影響尺寸或幾何形狀的變化。該效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。在聚偏二氟乙烯（PVDF）等聚合物和包括鈦酸鋇（BaTIO3）或鋯鈦酸鉛（PZT）。MEMS壓電流量傳感器是自動的，因此不需要外部電源即可實現(xiàn)傳感器輸出信號。此外，它們主要由聚偏二氟乙烯（PVDF）和鋯鈦酸鉛（PZT）材料組成。

應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS流量傳感器具有多種用途，例如感測環(huán)境流量，工業(yè)氣體流量監(jiān)控，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的流量感測和海洋流體動力感測。MEMS流量傳感器的緊湊尺寸，高靈敏度，低價格和批量生產(chǎn)功能使其在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中極具吸引力。此外，一些MEMS軟聚合物傳感器具有生物相容性，為臨床和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的銷售打開了大門。

MEMS流量傳感器在呼吸機，霧化器，氧氣系統(tǒng)和睡眠呼吸暫停診斷儀器等領(lǐng)域?qū)χ委熜院粑髁總鞲腥蝿?wù)的需求日益增長。具有集成MEMS流量傳感器的可穿戴式呼吸監(jiān)測器能夠跟蹤流量和流速。它們普遍用于監(jiān)視運動員的表現(xiàn)和恢復(fù)情況。此外，在靜脈輸注中的流速跟蹤中，MEMS傳感器將在實現(xiàn)有效分配藥物以進行重力注射以及防止可能因輸液泵缺陷而引起的意外誤用藥物方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。