熱隔離式MEMS氣體質(zhì)量流量傳感器設(shè)計

谷永先，曾鴻江，鄔　林，胡娜娜，錢江蓉（中國電子科技集團公司第三十八研究所微電子封裝研究中心，安徽合肥230000）

熱隔離式MEMS氣體質(zhì)量流量傳感器設(shè)計

谷永先，曾鴻江，鄔林，胡娜娜，錢江蓉
（中國電子科技集團公司第三十八研究所微電子封裝研究中心，安徽合肥230000）

研制了一種熱隔離式微機電系統(tǒng)（MEMS）氣體質(zhì)量流量傳感器。加熱電阻器和上下游測溫電阻器采用熱隔離懸梁式結(jié)構(gòu)，間隔240 μm。對恒溫差電路的設(shè)計要點進行了分析并制作了系統(tǒng)電路。測試擬合了傳感器輸出電壓隨氣體流量的關(guān)系曲線，并對傳感器進行了標定。測試結(jié)果表明：在0～20 L/min的流量范圍內(nèi)，傳感器響應(yīng)速度快，靈敏度高，輸出信號平滑，適合于工業(yè)及醫(yī)療等領(lǐng)域。

微機電系統(tǒng)；熱隔離；氣體質(zhì)量流量傳感器；恒溫差

0　引言

根據(jù)托馬斯（Thomas）的理論［1］“氣體放出的熱量或吸收的熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比”，熱式質(zhì)量流量計區(qū)別于其他的氣體流量傳感器，能夠直接測量氣體的質(zhì)量流量，而無需進行溫度和壓力補償。對于需要測量質(zhì)量流量的場合，降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，且提高系統(tǒng)的可靠性。早期的熱式質(zhì)量流量傳感器由兩根鉑絲電阻器構(gòu)成，存在體積大、成本高、功耗高等缺點。隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，相比而言，MEMS質(zhì)量流量傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、功耗低、成本小和易批量加工等優(yōu)點。

目前商業(yè)MEMS質(zhì)量流量傳感芯片以熱膜式結(jié)構(gòu)為主［2］，加熱電阻器和上下游測溫電阻器處于同一個懸空薄膜上，加熱電阻器產(chǎn)生的熱量既可以通過氣體傳導(dǎo)到上下游測溫電阻器，也可以通過薄膜傳導(dǎo)。

本文介紹一種熱隔離式的MEMS質(zhì)量流量傳感器，上下游測溫電阻器與中間加熱電阻器之間完全熱隔離，加熱電阻器產(chǎn)生的熱量只能通過氣體傳導(dǎo)到上下游測溫電阻器，進一步提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)時間［3，4］。

1　傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示，芯片尺寸為2.5 mm× 4.7 mm×0.4 mm，包含4只鉑電阻器，分別是環(huán)境電阻器Rr、上游測溫電阻器Ru、加熱電阻器Rh以及下游測溫電阻器Rd，其阻值分別為1.326 kΩ和246.9，107.9，248.6 Ω。電阻器的表面由氧化硅和氮化硅層覆蓋，避免鉑金屬直接與氣體接觸。環(huán)境電阻器處在襯底上，用于檢測待測氣體的溫度，可以對加熱電阻器進行溫度補償，其余3只電阻器的下方通過濕法腐蝕掏空，形成懸空的梁式結(jié)構(gòu)。3只電阻器相互隔離，間隔為240 μm，這種完全熱隔離式的設(shè)計可以避免薄膜熱傳導(dǎo)引起的熱量損失、提高加熱電阻器的加熱效率、提高氣體流量的檢測靈敏度和響應(yīng)速率。

利用環(huán)境電阻器和加熱電阻器構(gòu)成的恒溫差電路，可以制成風(fēng)速計式氣體流量傳感器，氣體流量越大，加熱電阻器的熱損失越大，通過測量恒溫差電路的驅(qū)動電壓可以確定氣體流量的大小，但不能判斷氣體的流向。在風(fēng)速計式氣體流量傳感器的基礎(chǔ)上，上下游測溫電阻器構(gòu)成惠斯通電橋，可以制成熱量計式氣體流量傳感器，由于上下游測溫電阻器對稱地分布在加熱電阻器兩邊，當(dāng)氣體的流量為零時，加熱電阻器形成的溫度場使得上下游測溫電阻器具有相同的溫升；當(dāng)氣體流量不為零時，上游電阻器的溫升較小，下游電阻器的溫升較大。所以，通過測量惠斯通電橋的輸出電壓，即測得氣體流量的大小，同時可以測得氣流的方向。

圖1　流量傳感器芯片版圖和芯片實物封裝圖Fig 1　Chip layout and chip packaging of flow sensor

2　電路設(shè)計

熱導(dǎo)式流量傳感器加熱部分的電路主要采用恒溫差模式［5，6］，即加熱電阻器與待測氣體之間的溫度差保持為一個恒定的數(shù)值，再加入由上下游測溫電阻器構(gòu)成的惠斯通電橋，即組成了傳感器的全部工作電路。

2.1恒溫差電路

恒溫差電路的基本構(gòu)成如圖2所示，Ra，Rb，Rc為外部安裝于PCB板上的電阻器，與芯片上的Rr和Rh一起經(jīng)過運放形成反饋回路。根據(jù)運放的虛短虛斷特性，可以設(shè)計出合適的外部電阻器取值。

圖2　恒溫差電路Fig 2　Constant temperature difference circuit

恒溫差電路沒有供電時，Rr及Rh的溫度與待測氣體的溫度相同，設(shè)氣體的溫度為T，根據(jù)鉑電阻器的溫度變化特性，Rh的阻值可以表示為

式中Rh0為0℃時加熱電阻器的電阻值，α為鉑電阻器的溫度系數(shù)。同理，環(huán)境電阻器Rr的阻值可以表示為

式中Rr0為0℃時環(huán)境電阻器的電阻值。恒溫差電路通電之后，利用運放的虛斷特性，流入運放正向輸入端和反向輸入端的電流都為零；利用運放的虛斷特性，電路達到平衡狀態(tài)時，正向輸入端和反向輸入端之間的電壓差為零，所以有

式中R＇h為電路達到平衡狀態(tài)時加熱電阻器的電阻值。整理之后可以得到

再利用鉑電阻器的溫度特性R＇h=Rh0（1+αT'）結(jié)合式（4），可以得出電路平衡時加熱電阻器的溫度表達式

上述結(jié)果按情況分析：

1）如果Rc=0且RbRr/Ra＞Rh，聯(lián)合式（2）與式（5）可以得到

式中ΔT與T相關(guān)，隨著氣體溫度的變化而變化，說明如果不引入Rc，僅僅通過Ra與Rb設(shè)定加熱電阻器溫度的電路不能實現(xiàn)恒溫差。

2）如果Rc＞0且Ra/Rb=Rr/Rh，再結(jié)合式（2）與式（5）可以得到

式中ΔT為一個常量，不受氣體溫度影響。所以，恒溫差電路的條件為

對于批量生產(chǎn)的流量傳感器，并不能保證每個傳感器都嚴格滿足式（8），所以，考慮更一般情況，Ra/Rb≈Rr/Rh，設(shè)Rc=αRr0τ，τ時一個常數(shù)，帶入式（5），并結(jié)合式（1）和式（2）得到

如果Ra/Rb=Rr/Rh，式（10）可以簡化為ΔT=τ，結(jié)果與式（7）相同；如果RbRr/RaRh=0.99，式（10）右邊受氣體溫度影響的第二項為0.01 T，氣體溫度變化范圍為60℃時，ΔT變化0.6℃，是一個比較小的值。所以，批量生產(chǎn)時可以測得同一批流片流量芯片Rr/Rh的平均值，使得Ra/ Rb的值盡量接近這一平均值，再利用式（9）設(shè)置加熱電阻器的溫差。

選擇Ra為619 Ω，Rb為49.9 Ω，則RbRr/RaRh=0.99，接近式（8）的恒溫差條件。經(jīng)過測試，鉑電阻器的溫度系數(shù)α=2.4×10-3/K，設(shè)置溫差為40 K，根據(jù)式（9），Rc取為127 Ω。

2.2上下游電阻器構(gòu)成的惠斯通電橋

圖3為上下游測溫電阻器構(gòu)成的流量測量電路，R1與R2為外部安裝于PCB板上的電阻器，取相同的阻值。阻值過小會導(dǎo)致Ru與Rd流過的電流較大從而引起自身發(fā)熱；阻值過大會導(dǎo)致電橋的輸出電壓太小而降低信噪比。該電路中VREF的電壓為3V，R1與R2均取為3kΩ?；菟雇姌蜉敵龅碾妷菏紫冉?jīng)過程控放大器PGA放大一定的倍數(shù)，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，最終經(jīng)過單片機MCU運算并輸出流量值。

圖3　上下游電阻器構(gòu)成的測量電路Fig 3　Measurement circuit formed by upstream and downstream resistors

3　測試結(jié)果

熱隔離式MEMS芯片響應(yīng)速度快，因此，研究了恒溫差電路的上電穩(wěn)定過程。圖4測量的是恒溫差電路運放輸出端的電壓隨時間的變化，電壓在上電初始時刻達到運放能夠輸出的最大值，Rh流過較大電流并開始發(fā)熱，500 μs左右，Rh的溫度出現(xiàn)了高溫過沖，導(dǎo)致運放的輸出電壓向下走低，接著Rh的溫度又出現(xiàn)了低溫過沖，如此反復(fù)，直至大約1.6 ms之后，運放的輸出電壓達到穩(wěn)定值1.3 V。

圖4　恒溫差電路上電穩(wěn)定過程Fig 4　Stable process of constant temperature difference circuit after power on

圖5給出了傳感器的整體結(jié)構(gòu)，管道采用文丘里結(jié)構(gòu)，有利于穩(wěn)定氣流，管道的進氣口加入了防塵過濾網(wǎng)，一方面起到防塵的作用，另一方面還具有穩(wěn)定氣流的作用。芯片置于管道的側(cè)壁，測量區(qū)域的管道內(nèi)徑為8 mm。

為了測試上下游測溫電阻器構(gòu)成的電橋的輸出電壓與氣體流量的關(guān)系曲線，采用商業(yè)氣體質(zhì)量流量計與本文中的傳感器氣路串聯(lián)，通過商業(yè)流量計讀出流量值，單片機讀出的模/數(shù)轉(zhuǎn)換值推算出電橋的輸出電壓，由此可以得出圖6所示的曲線，可以看出曲線比較平滑。

傳感器的標定采用查表法，首先對曲線進行多項式擬合，再生成足夠多的離散數(shù)據(jù)點保存在單片機中，單片機測得電橋的電壓后通過查表插值的方式得到流量值。樣品研制完成之后，在安徽省計量科學(xué)研究院進行了測試，總體誤差在±3%以內(nèi)，與市面上商業(yè)氣體質(zhì)量流量傳感器的誤差相當(dāng)，達到實用化水平。

圖5　傳感器整體結(jié)構(gòu)Fig 5　Whole structure of sensor

圖6　上下游測溫電阻器構(gòu)成的電橋輸出電壓隨空氣流量的變化Fig 6　Output voltage of bridge formed by upstrea m and downstream resistors changes with gas flow

4　結(jié)論

研制了一種熱隔離式MEMS質(zhì)量流量傳感器，MEMS傳感器采用懸梁熱隔離式結(jié)構(gòu)，分析了恒溫差電路的設(shè)計要點，并制作了恒溫差電路及上下游測溫電路。傳感器采用文丘里管道結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測試并標定，達到了實用性能。產(chǎn)品已在家用制氧機行業(yè)得到初步應(yīng)用，將逐步推廣。

［1］李輝，張持健.一種高性能MEMS氣體流量傳感器設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（2）：77-79.

［2］ 李艷杰，齊虹.基于MEMS工藝的熱膜式流量傳感器芯片的研制［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（5）：82-84.

［3］趙文杰，施云波，羅毅，等.一種AlN基熱隔離MEMS陣列風(fēng)速傳感器設(shè)計［J］.儀器儀表學(xué)報，2012，33（12）：2819-2824.

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［5］Que Ruiyi，Zhu Rong，Wei Qingzhen，et al.Temperature compensation for thermal anemometers using temperature sensors independent of flow sensors［J］.Measurement Science and Technology，2011，22（8）：085404-085408.

［6］Sosna Christoph，Buchner Rainer，Lang Walter.A temperature compensation circuit for thermal flow sensors operated in constant-temperature-difference mode［J］.IEEE Tansactions on Instrumentation and Measurement，2010，59（6）：1715-1721.

Design of thermal isolated MEMS gas mass flow sensor

GU Yong-xian，ZENG Hong-jiang，WU Lin，HU Na-na，QIAN Jiang-rong
（Microelectronics Packaging Research Center，The 38th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230000，China）

A thermal isolated micro-electro-mechanical system（MEMS）gas mass flow sensor is developed.The thermal isolated cantilever structure is adopted for heating resistor，upstream and downstream resistors with 240μm interval.The design key point of constant temperature difference circuit is analyzed，and system circuit is made. The curve of relationship between sensor output voltage and gas flow is measured，and accordingly sensor is calibrated.Test result shows that at flow range of 0～20 L/min，the sensor has fast response speed，high sensibility，smooth output signal，so the sensor is suitable for industrial and medical fields.

MEMS；thermal isolated；gas mass flow sensor；constant temperature difference

TP212

A

1000—9787（2016）06—0072—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0072—03

2016—02—03

谷永先（1984-），男，江蘇鹽城人，博士，中級工程師，主要研究方向為MEMS。