一種新型熱導(dǎo)式氧氣濃度測量方法

錢江蓉，陳　叢，許　磊，胡國俊

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

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一種新型熱導(dǎo)式氧氣濃度測量方法

錢江蓉，陳叢，許磊，胡國俊

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

摘要：探討了多種氧氣濃度的測量方法，基于微米尺寸懸膜電阻和熱傳導(dǎo)原理設(shè)計(jì)了一種新型的熱導(dǎo)式氧氣濃度測量方法。使用精細(xì)微機(jī)械加工的懸膜電阻，使得關(guān)鍵元件功耗和成本大為降低。經(jīng)過仿真模擬和初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，熱導(dǎo)式微型氧氣傳感器可精確檢測較高的氧氣濃度。

關(guān)鍵詞：氧氣濃度；微電子機(jī)械系統(tǒng)；熱導(dǎo)

1　引言

氧氣傳感器是一種較為常用的氣體傳感器，在汽車電子和精密監(jiān)測等方面都有廣泛的應(yīng)用。市場上存在多種類型的氧氣傳感器，通常使用者需要針對應(yīng)用需要來考慮不同傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的傳感器。例如在汽車電子中通常采用氧化鋯式氧傳感器以適應(yīng)高溫快速檢測的需求，分析儀中通常采用激光氧氣傳感器達(dá)到高精度微量檢測的目的。而當(dāng)前在家庭用制氧機(jī)中有一種較特殊的氧氣濃度測量需求，因?yàn)槲∵m當(dāng)高濃度的氧氣能達(dá)到緩解疲勞、增強(qiáng)新陳代謝、改善人體健康等功能，所以為保證保健功能和效果，需要監(jiān)控該設(shè)備中產(chǎn)出的氧氣濃度。根據(jù)制氧機(jī)行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)《YY0732-2009醫(yī)用氧氣濃縮器安全要求》[1]，在氧氣濃度低于50％時(shí)，需要采用紅燈報(bào)警，在氧氣濃度高于82％時(shí)，系統(tǒng)綠燈點(diǎn)亮，標(biāo)志系統(tǒng)正常工作，而氧氣濃度在50％～82％之間時(shí)，系統(tǒng)亮黃燈。市場現(xiàn)有的氧氣傳感器，大部分都只適于低濃度氧氣情況下工作，例如最常用的電化學(xué)檢測方法，通常檢測量程為0～20％氧氣濃度，在高濃度時(shí)壽命大為縮短，不能應(yīng)用于制氧機(jī)中?，F(xiàn)在制氧機(jī)中較為可行的氧氣濃度檢測方法是超聲波法，它利用超聲波在氧氣和氮?dú)饣旌衔镏袀鞑ニ俣鹊奶匦赃M(jìn)行檢測，具有工作范圍寬、無消耗等優(yōu)點(diǎn)，但需要逐個(gè)校準(zhǔn)，體積較大，其價(jià)格相對于一般制氧機(jī)的成本也較高，因此目前只有少量高端制氧機(jī)配備了超聲波式氧傳感器。市場對于體積小、功耗低、成本低的高濃度氧氣傳感器具有迫切需求。針對這一需求，本文提出了一種新型的基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的氧氣濃度測量方法。

2基于MEMS芯片的氧氣檢測

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）融合微電子技術(shù)和機(jī)械工程，采用半導(dǎo)體加工技術(shù)，芯片尺寸通常在毫米或者微米級，具有體積小、重量輕、功耗低、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前交叉學(xué)科的重要研究領(lǐng)域。針對氧氣濃度的測量，有學(xué)者利用二氧化鈦（TiO2）薄膜在氧氣含量不同時(shí)電阻的改變來檢測氧氣濃度[2，3]，但一般用于較低氧濃度，而且二氧化鈦摻雜晶體的加工工藝和結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，不適于批量生產(chǎn)。本研究采用熱導(dǎo)式原理設(shè)計(jì)氧氣傳感器。因?yàn)橹蒲鯔C(jī)中產(chǎn)生的氣體成分簡單，僅由氧氣與氮?dú)舛獨(dú)怏w構(gòu)成，因此可基于氣體導(dǎo)熱性能的不同，設(shè)計(jì)熱導(dǎo)式氧氣傳感器[4]。研究采用懸膜式電阻進(jìn)行加熱和溫度測量。懸膜式電阻可有效降低通過熱傳導(dǎo)引起的熱量散失，保障各電阻之間的獨(dú)立性。其工作原理如圖1所示。待測氣體進(jìn)入氣室，與加熱到一定溫度的懸膜熱敏電阻接觸。當(dāng)待測氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較高時(shí)，熱量更容易從熱敏元件上散發(fā)，使其電阻減少。測量電阻和參考電阻分別處于待測氣體和參考?xì)馐遥兊獨(dú)饣蚩諝猓┲?，引起的熱散失不同，?dǎo)致兩個(gè)熱電阻的阻值不同，使得惠斯通電橋失衡，輸出電壓的變化反映了被測氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化，從而計(jì)算出二元混合氣中氧氣的濃度。

圖1　MEMS流量和氧氣濃度檢測原理

為保證準(zhǔn)確度，芯片上同時(shí)設(shè)計(jì)相對獨(dú)立的鉑電阻以檢測環(huán)境溫度值進(jìn)行修正。

3 MEMS芯片加工

設(shè)計(jì)的MEMS芯片由標(biāo)準(zhǔn)潔凈間工藝加工完成。首先沉積多層復(fù)合膜作為支撐結(jié)構(gòu)，然后利用剝離工藝制作鉑電阻絲，接著用干法刻蝕工藝開腐蝕窗口，再利用濕法腐蝕工藝釋放薄膜，最后制作電阻絲的保護(hù)膜。加工完成的懸膜電阻如圖2所示。從制造工藝來看，傳感器的加工流程簡單可控，可以保證較高的成品率[5]。

圖2　微米級懸膜電阻的掃描電鏡照片

圖2中白色部分為鉑電阻，淺灰色部分為氧化硅氮化硅復(fù)合懸膜，深灰色部分為刻蝕形成的硅開口。

4　氧氣傳感器測試

劃片完成的芯片，封裝在TO管殼內(nèi)（見圖3），采用恒流控制電路進(jìn)行了測試。

圖3　封裝完成芯片的照片

恒流工作模式下，在50～2000 Ω的范圍內(nèi)，改變環(huán)境電阻的阻值，電路電流值也基本沒有變化。只有達(dá)到2000 Ω時(shí)，電流值略有增大，增加值為0.01 nA，在可接受范圍內(nèi)。測量電路板如圖4所示。

圖4　恒流控制電路板

改變測量電阻阻值時(shí)，仿真得到輸出端的電壓值，如圖5所示?？梢姰?dāng)測量電阻阻值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)，待測電阻阻值和輸出電壓呈線性關(guān)系，有利于后期標(biāo)定或校準(zhǔn)。

實(shí)際后期采用預(yù)先配比的高濃度氧氣實(shí)驗(yàn)也表明，氧氣濃度與輸出電壓具有良好的線性關(guān)系。

圖5　輸出電壓隨輸入電阻變化曲線圖

5　結(jié)論

本文探討了多種氧氣檢測的方法及特點(diǎn)，從制氧機(jī)中氧氣檢測為出發(fā)點(diǎn)，提出了基于熱導(dǎo)原理的MEMS氧氣濃度測量方法。通過精密微機(jī)械加工和管殼封裝制作了測試樣品。仿真模擬和初步試驗(yàn)都表明，在高濃度范圍內(nèi)，傳感器輸出信號與氧氣濃度有良好的線性關(guān)系，初步表明該方法現(xiàn)實(shí)可行。

參考文獻(xiàn)：

[1]制氧機(jī)行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn). YY0732-2009醫(yī)用氧氣濃縮器安全要求[S].

[2]邱成軍，等. MEMS結(jié)構(gòu)氧傳感器研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18: 531-533.

[3]張輝軍，等.硅PN結(jié)基底TiO2氧傳感器的特性研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27: 1625-1626.

[4]杜彬賢，等.熱導(dǎo)式氣體傳感器工作原理及檢測方法改進(jìn)[J].化學(xué)工程與裝備，2010，2: 64-66.

[5] Lei Xu, Zhengfei Dai, Tie Li, Guotao Duan, Weiping Cai, Yuelin Wang. IC Compatible Fusion of Micromachined Hotplatform and Nanostructured Porous Film for High-Performance Gas Sensors[C]. Transducers 2013, Barcelona, Spain.

錢江蓉（1976—），女，湖北人，博士學(xué)歷，專業(yè)研究方向?yàn)槲㈦娮訖C(jī)械系統(tǒng)、微流體等。

A New Type Thermal Method for Oxygen Concentration Measurement

QIAN Jiangrong, CHEN Cong, XU Lei, HU Guojun
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088,China）

Abstract：The paper investigated multiple methods for oxygen concentration measurement. A new method for oxygen concentration sensing using micro size suspending film resistor and transduction principle is designed. The thin film resistor fabricated with micro mechanic process can reduce system power consumption and enhance the working stability. With simulation and preliminary experiment verification, the proposed oxygen sensor is proved to detect high oxygen concentration accurately.

Keywords:oxygen concentration; MEMS; heat transduction

作者簡介：

收稿日期：2015-9-10

中圖分類號：TN305

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1681-1070（2016）03-0045-03