一种厚膜电路热式流量计敏感膜片及插入式流量计探头的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，具体提供一种厚膜电路热式流量计敏感膜片及插入式流量计探头。


背景技术：

2.流量传感器是世界上长盛不衰的研究热点，从最早的涡轮式流量计(涡轮式水表)，到电磁流量计、到超声波流量计，以及新颖的核磁共振流量计等等。流量计的研究是最具丰富多彩、百花齐放的研究方向之一。
3.热式流量计是一个古老的流量测量方法，有近百年的历史。甚至在古代人类就已经认识到在风中热的食物要比在没有风的情况下冷的要快，并且风速越大冷的越快。
4.但是热式流量计真正实用化还是在电子技术逐渐成熟后才逐渐得到发展。
5.基于热传导理论的热式流量计，是流量计技术的一个重要方向，随着温度测量技术的提高，热式流量计也得到了大量应用。但是，热式流量计的制造存在较大的技术难度，首先传统的热式流量计需要采用镀膜技术生产，通常是在基底上真空蒸镀金属铂，然后再加钝化防护膜，引出导线，封装后成为传感器。
6.但是，该制造技术工艺复杂、造价昂贵，限制了热式流量计的使用，并且由于在生产中存在较高的技术难度，目前鲜有国内厂商能够生产热式流量计。


技术实现要素：

7.热式流量计传感膜的制造有很多方法，例如：真空镀膜、微机械集成电路mems等等，但是制造成本高、门槛高。例如，最常见的真空镀膜制造，需要经过制膜、光刻等多道工序，成本很高；再例如mems工艺是目前发展较为迅速的方向，其优势在于元件尺寸较小，加热所需的功率代价小，因此可用于电池供电的流量测量中，但是一方面制造成本高，另一方面尺寸太小，容易被流体中的杂质沉淀所污染，至今仍然没有很好的解决办法。
8.本发明的技术任务是针对上述存在的问题，提供一种采用厚膜电路制造工艺的热膜流量传感器探头。
9.为实现上述目的，本发明一方面提供了如下技术方案：
10.一种厚膜电路热式流量计敏感膜片，所述厚膜电路热式流量计敏感膜片的结构包括陶瓷基片，若干温度敏感元件，加热元件，导体线条，若干引出电极，其中：
11.加热元件设置于陶瓷基片的中心，若干温度敏感元件分布于加热元件的两侧；
12.所述加热元件和各个温度敏感元件的两端分别通过导体线条连接到引出电极。
13.所述陶瓷基片采用氧化铝陶瓷材料制造，厚度0.15-0.3mm之间。也可以采用氮化铝或氧化锆等陶瓷材料制造，但是成本较高不推荐使用；也可以采用玻璃制造，但是强度不如氧化铝陶瓷。
14.所述引出电极和所述金属连线采用烧结银浆制造，烧结银浆稳定性较好，导电性良好，成本适中，作为优选材料，也可以采用烧结金基、钯基、铂基等其他导体材料制造，但
是成本太高，也可以采用镍基、铜基材料制造，但是易被氧化，烧结工艺复杂。
15.所述加热元件采用通用金属氧化物厚膜电阻浆料制造，成本较低、工艺成熟、稳定性好，也可以采用其他电阻浆料制造，但是不会增加特别好的效果。
16.所述温度敏感元件，采用ntc热敏电阻浆料制造，目前国内外均有成熟产品出售，或采用ptc热敏电阻浆料制造，目前也较为成熟，也可以采用某些其他温度敏感浆料制造，但是不如ntc和ptc材料成熟，价格也不合适。
17.本发明涉及的热式流量计敏感膜只有单面印刷烧结有元件，而另一面是陶瓷原面，无元件，这样的设计结构目的是：利用陶瓷基片强度高、致密性好、导热性好的特性作为流量计液电隔离的隔离层使用，这是优选设计。也可以在元件上面印刷一层钝化膜材料来起到液电隔离的作用，但是不如优选方案好。
18.一种插入式流量计探头，所述插入式流量计探头的结构包括：厚膜电路热式流量计敏感膜片，探头外壳，信号处理pcb，所述探头外壳的顶端面开有0.3-0.4mm深的形状与敏感膜相同的凹槽，所述敏感膜嵌入到所述凹槽中；
19.所述探头外壳的内部为探头内腔，所述信号处理pcb设置于探头内腔中。
20.所述探头外壳的两边设置有耳型的探头固定孔，用于在探头插入到流量管道内后把探头用螺丝固定到流量计管道上；
21.所述两个探头固定孔的中心连线方向与流量方向平行，所述厚膜电路热式流量计敏感膜片上的加热元件、温度敏感元件沿与流量方向平行的直线排列，以达到最好的检测效果。
22.所述信号处理pcb为2片以上，剩余的空间用灌封胶填充，作为pcb的防护以及平衡内外压力。
23.由于集成电路技术对电路尺寸的限制，及探头内腔空间的限制，采用2块以上信号处理pcb来处理流量计信号。
24.所述探头外壳上设置有引线过线孔，厚膜电路热式流量计敏感膜片的信号引线通过引线过线孔伸入到探头内腔内，焊接到探头内腔内安装的信号处理pcb上，在信号处理pcb上有流量信号检测电路。
25.所述信号处理pcb设置有流量信号检测电路，测温元件的信号调理器件，智能部件(mcu)，数模转换器adc，cpu；
26.所述智能部件读取测温数据后，根据温度的分布情况，以及流体温度，推算出流体的流速；
27.所述cpu将每个温度下、每种流速下的测量特性集成到内部，应用时可从cpu中直接读取流速信号。
28.与现有技术相比，本发明一种厚膜电路热式流量计敏感膜片及插入式流量计探头具有以下突出的有益效果：
29.第一、厚膜电路工艺成熟、造价低廉；首先，传感器探头(包括敏感膜片)本身制造工艺成熟，消耗材料少；其次，对流量计管段设计要求简单、加工成本低，节省材料(通常是黄铜材料)、材料成本低。综合制造成本低于机械式流量计、大幅度低于超声波流量计、远远低于电磁流量计。
30.第二、基片优选采用氧化铝陶瓷，价格低廉，致密性好，可以作为液电隔离的良好
介质；主传感敏感膜片采用厚膜工艺制造，采用高温(850度)烧结元件成型，元件附着好，没有剥离的风险。因此稳定性很好，与超声波流量计相比，超声波换能器属于多层膜式部件，会因为流体的震动、水锤效应等导致剥离，因此超声波流量计长期稳定性不好；与电磁流量计相比，本发明所涉及的流量计探头几乎不存在被水侵蚀、受潮等因素的影响。
31.第三、厚膜电路的元件采用印刷、烧结制造，在制造过程中印刷浆料中的低温玻璃介质可以形成熔融状态，形成与陶瓷基片良好的渗入、结合，形成与元件材料的玻璃态融合，从而形成坚固、稳定的膜型器件，与基片结合非常牢固。因此传感器具有非常好的稳定性。
32.第四、测量精度高，热式流量计是目前最为精确的流量计之一，经过校准的热式流量计精度可以达到0.5％以上，属于高精度流量计。
33.第五、没有运动部件，与传统的机械式流量计相比，热式流量计没有运动部件，因此几乎没有磨损，因此寿命很长。而存在运动部件的机械式流量计，则会存在被水垢堵死、异物卡死的现象；
34.第六、本发明涉及的敏感元件尺寸较大，同时没有运动部件，因此抗污能力强，可以用于含有泥垢、水锈、铁屑等劣质水流的流量监测中，属于高抗污能力的流量计。元件尺寸大，基片光滑不易结垢，少量的沉淀对测量影响较小，而超声波流量计，微小的沉淀就会影响超声波的阻抗，对测量产生较大影响。本发明涉及的流量计探头抗污能力与电磁流量计相当。
35.第七、与超声波流量计相比，本发明涉及的流量计探头功耗较大。但是相比电磁流量计则能耗大幅度下降，只有不到电磁流量计1/10的功耗。
36.本发明在供热节能领域，用于准确测量进入住户供暖管道的水流量，然后再根据供热水流在进入住户供暖管道前的温度与回水温度的差异，得到供应到住户室内的热能、功率等信息，以实现精确向住户室内输送热能的目的，避免能源浪费。在这种应用中，供热循环水存在较多杂质，需要流量计有较好的抗污能力；供暖控制系统可以给流量计提供足够的电源支持，因此允许流量计有较大的电能消耗；需要高精度长寿命；流量计制造简单成本低，能够与阀门管段相结合。
附图说明
37.图1是本发明厚膜电路热式流量计敏感膜片的结构图；
38.图2是本发明流量计探头示意图；
39.图3是本发明流量计探头剖面图；
40.图4是本发明流量计工作示意图；
41.其中，1、陶瓷基片，2、导体线条，3、温度敏感元件，4、引出电极，5、加热元件，6、厚膜电路热式流量计敏感膜片，7、探头外壳，8、探头固定孔，9、凹槽，12、信号处理pcb1，13、信号处理pcb2，14探头内腔,15、引线过线孔，16、管道，17、螺丝。
具体实施方式
42.下面将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
43.实施例1
44.如图1所示，一种厚膜电路热式流量计敏感膜片，所述厚膜电路热式流量计敏感膜片的结构包括陶瓷基片1，若干温度敏感元件3，加热元件5，导体线条2，若干引出电极4，其中：
45.加热元件5设置于陶瓷基片1的中心，若干温度敏感元件3分布于加热元件5的两侧；
46.所述加热元件5和各个温度敏感元件3的两端分别通过导体线条2连接到引出电极4。
47.所述陶瓷基片1采用氧化铝陶瓷材料制造，厚度0.2mm。
48.实施例2
49.如图2、3所示，一种插入式流量计探头，所述插入式流量计探头的结构包括：厚膜电路热式流量计敏感膜片6，探头外壳7，信号处理pcb 12/13，所述探头外壳7的顶端面开有0.3-0.4mm深的形状与敏感膜相同的凹槽9，所述厚膜电路热式流量计敏感膜片6嵌入到所述凹槽9中；
50.所述探头外壳7的内部为探头内腔14，所述信号处理pcb设置于探头内腔14中。
51.所述探头外壳的两边设置有耳型的探头固定孔8，用于在探头插入到流量管道16内后把探头用螺丝17固定到流量计管道16上；
52.所述两个探头固定孔8的中心连线方向与流量方向平行，所述厚膜电路热式流量计敏感膜片6上的加热元件5、温度敏感元件3沿与流量方向平行的直线排列，以达到最好的检测效果。
53.所述信号处理pcb为2片，剩余的空间用灌封胶填充，作为pcb的防护以及平衡内外压力。
54.实施例3
55.如图4所示，当加热元件5不通电时，由于陶瓷基片1很薄，其上的温度敏感元件3很快就能实现与流体温度的平衡，因此只要停止加热几秒至十几秒，读取测温元件的温度值，就可以非常接近流体温度。在陶瓷基片1上有四只温度敏感元件，可以取平均获得更高精度。
56.当加热元件5通电后，立刻会在周围形成一个温度扩散的温度梯度场，如果流体是静止的，则该温度场向上游、下游的传播是相同的；如果流体运动，则在流体的带动下，温度场向上游和下游的传播梯度就会发生变化，其差异通过读取温度传感器就可以得到。在信号处理pcb上，除了有温度敏感元件的信号调理器件外，还有智能部件(mcu)，adc等器件，智能部件读取测温数据后，根据温度的分布情况，以及流体温度，就可以推算出流体的流速。因此该传感器，属于流速型流量传感器。
57.流量传感器探头，其工作特性与被测介质、被测介质的温度、加热功率、加热时间有密切关系，需要复杂的校准工作。为解决这个问题，设计了一颗专用cpu，把针对“水”流量测量的每个温度下、每种流速下的测量特性集成到这个cpu内部，应用者只需要从cpu中读取流速信号即可。
58.实施例4
59.流量计探头在工作时采用间隔采样方式，降低驱动功率，具体方法是：加热0.1秒，然后开始测量，等待几秒秒后再次测量，这样可以每隔几秒获得一个流量数据，同时功率大
幅度下降。
60.在热表、供热管道的流量测量应用中，流体流量较为稳定，不会忽大忽小，测量周期放宽到10-15秒，以加热功率100mw计算，加热时间0.1秒、测量周期15秒计算，则平均功耗0.667mw，如果采用3.6v电池供电，则平均电流＝185ua。
61.以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。