熱式MEMS流量傳感器的設(shè)計(jì)及測試

胡夢飛，楊露露，劉亞偉，谷永先，胡國俊，呂 品

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 微電子封裝研究中心，安徽 合肥 230000）

熱式MEMS流量傳感器的設(shè)計(jì)及測試

胡夢飛1，楊露露1，劉亞偉1，谷永先2，胡國俊2，呂 品1

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 微電子封裝研究中心，安徽 合肥 230000）

根據(jù)已有的熱式MEMS氣體微流量傳感器芯片的各部分熱敏電阻熱串?dāng)_現(xiàn)象嚴(yán)重,造成很大的測量誤差，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種MEMS熱式流量傳感器，將加熱電阻和上下游測溫電阻采用懸臂梁隔離結(jié)構(gòu)，并相互隔離,有效的避免了熱膜流量傳感器各部分熱敏電阻間相互熱串?dāng)_現(xiàn)象。基于改進(jìn)的MEMS熱式流量傳感器，設(shè)計(jì)了流量傳感器的測試系統(tǒng)，包括恒溫差電路、橋式測量電路及放大、濾波電路，所采集的流量信號經(jīng)過濾波放大后輸入AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過單片機(jī)處理，利用單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串口通信功能，在不同流速下打印出不同的電壓值；通過Matlab對所測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，完成對傳感器性能的檢測。測量結(jié)果表明：在一定的流量范圍內(nèi)，該流量傳感器具有測量精度高、響應(yīng)速率快、輸出信號平滑等特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域的流量測量。

熱串?dāng)_；微機(jī)電系統(tǒng)；懸臂梁；恒溫差；模數(shù)轉(zhuǎn)換；串口通信

熱式MEMS氣體微流量傳感器具有反應(yīng)速度快、測量精度高、集成度高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，其依據(jù)的基本原理是托馬斯理論“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”。區(qū)別于其他類型的流量傳感器，熱式氣體微流量傳感器能夠直接測量出氣體的質(zhì)量流量。早期的熱式流量傳感器經(jīng)歷過鉑絲電阻、發(fā)熱棒模型等，但是普遍存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高等缺陷[3,4]。近年來隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS技術(shù)所設(shè)計(jì)出的熱式氣體微流量傳感器具有靈敏度高、測量精度好、易批量加工等優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前設(shè)計(jì)的MEMS熱式流量傳感器的芯片大多采用薄膜結(jié)構(gòu)，即利用磁控濺射技術(shù)在基底表面制作一層薄膜電阻，該結(jié)構(gòu)中熱電阻和上下游測溫電阻同處在一個(gè)懸空薄膜上[5]，從而造成加熱電阻所產(chǎn)生的熱量既能通過氣體傳導(dǎo)到上下游測溫電阻，也能通過熱膜來進(jìn)行熱量傳遞，形成電阻器的熱串?dāng)_現(xiàn)象，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對以上問題，本文改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種MEMS熱式流量傳感器，上下游電阻、加熱電阻完全隔離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效避免流量測量過程中熱量以非流動(dòng)形式傳遞，確保了測量精度；測試系統(tǒng)首先通過惠斯通電橋采集流量信號后，經(jīng)放大濾波電路處理后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，最后經(jīng)過單片機(jī)處理，電壓值利用單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串口通信功能打印出來。

1 MEMS流量傳感器原理及結(jié)構(gòu)

熱式流量測量所依據(jù)的原理是氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比，即利用熱源與流體的熱量交換。

傳統(tǒng)的MEMS熱式流量傳感器熱源與測溫電阻同處于一個(gè)基底上，但是這種設(shè)計(jì)還存在熱量以非流動(dòng)形式散失情況。為了進(jìn)一步提高傳感器的精度、響應(yīng)時(shí)間，減少測量誤差，我們改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種新型熱MEMS熱式流量傳感器，具體方案是，將加熱器、測溫電阻設(shè)計(jì)成完全隔離的懸臂梁形式，完全隔絕了熱量以非流量形式的傳播[6]。其實(shí)物圖如圖1a所示，傳感器的顯微鏡放大結(jié)構(gòu)如圖1b所示。

在圖1b中，環(huán)境電阻和中間加熱電阻構(gòu)成恒溫電路，保證了測量過程中熱源和環(huán)境溫度始終保持恒定。另外，通過濕法腐蝕形成相互隔離的電阻結(jié)構(gòu)，在測量時(shí)，熱量只能通過氣流傳導(dǎo)至下游電阻，避免了熱量以非流動(dòng)形式散失[7,8]，提高了測量的精度和響應(yīng)速度。

圖1 流量傳感器PCB封裝圖

流量傳感器的薄膜電阻使用Pt，其阻值會(huì)隨著溫度改變而變化，具有良好的溫度系數(shù)，表面覆蓋氮化硅，避免Pt直接與氣體接觸。根據(jù)熱式流量傳感器的測量原理，當(dāng)沒有流量通過時(shí)，上下游測溫電阻在中間熱源的影響下保持溫度一致，電阻值沒有發(fā)生變化，所以沒有電壓信號輸出；當(dāng)有流量通過時(shí)，上游電阻的部分熱量被帶到下游電阻，上下游溫度發(fā)生變化，從而阻值也發(fā)生變化，通過電橋電路將會(huì)輸出電壓信號。

2 流量傳感器測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的MEMS流量傳感器檢測系統(tǒng)如圖2所示。主要由恒溫電路、橋式電路、放大及濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及單片機(jī)組成。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 恒溫差電路

為了減小測量過程中環(huán)境溫度對測量結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了一種恒溫差電路，實(shí)現(xiàn)測量過程中環(huán)境溫度與中間熱源溫度差保持恒定。電路如圖3所示，Ra、Rb、Rc為焊接在外部電阻；Rr、Rh分別為 MEMS流量傳感器環(huán)境電阻和加熱電阻，阻值分別為1.326k、107.9。通過一個(gè)運(yùn)算放大器的反饋?zhàn)饔脤?shí)現(xiàn)恒溫差。

圖3 恒溫差電路

根據(jù)上述運(yùn)放的虛短、虛斷特性，設(shè)計(jì)出合適的外部電阻，實(shí)現(xiàn)測量過程中環(huán)境與熱源之間的恒溫差，需滿足條件[9,10]

式中：α——鉑電阻的溫度系數(shù)，α=2.4×10-3/K；

Rr0——環(huán)境電阻在溫度為0℃時(shí)的阻值；

△T——實(shí)驗(yàn)中所控制的溫差，設(shè)定為40K。

選擇外部電阻Ra為620Ω,為50Ω,根據(jù)前述的Rr和 Rh值，滿足（1）式恒溫差條件；再根據(jù)（2）式，可得 Rc為 127Ω。

2.2 橋式測量電路

在上述恒溫電路的調(diào)節(jié)下，傳感器采集到的流量信號通過橋式電路將流量信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。在沒有流量通過時(shí)，上下游測溫電阻只在中間熱源的影響下，保持溫度相同從而阻值也一致，沒有電壓輸出；當(dāng)有流量通過時(shí)，在流量的作用下，上游測溫電阻的部分熱量將被帶到下游，從而導(dǎo)致下游的測溫電阻的溫度將高于上游電阻，最終造成二者阻值上的不同，有電壓信號產(chǎn)生。橋式測量電路如圖4所示。Ru、Rd分別是傳感器上下游測溫電阻；R1、R2為外部電阻，阻值均為3K，VCC為3V。利用兩個(gè)對稱分布的測溫電阻實(shí)現(xiàn)流量信號的采集。

圖4 橋式測量電路

上下游測溫電阻間應(yīng)滿足的關(guān)系如下：

式中：α——鉑的電阻溫度系數(shù)，為固定值；

R0——溫度為0℃時(shí)上下游測溫電阻的阻值；

Ru、Rd——分別為上下游測溫電阻的溫度變化值，二者的溫差為：

同時(shí)，上下游測溫電阻之間滿足：

當(dāng)有流量通過時(shí)，測量電橋產(chǎn)生的壓差：

將（6）式帶入（7）并化簡得：

其中Ru、Rh＜＜R,所以橋式電路所輸出的電壓約為

從上式可看出，橋式電路所獲得的壓差與上下游測溫電阻之間的溫差理論上成正比關(guān)系，所以設(shè)計(jì)的橋式測量電路合理。

2.3 放大濾波電路

由于經(jīng)過傳感器采集的信號非常微弱，約為豪伏級別，所以需要對采集到的電壓信號進(jìn)行放大和濾波處理。本文設(shè)計(jì)了前級放大電路對電壓信號進(jìn)行放大，最后通過一個(gè)濾波電路對信號進(jìn)行濾波處理，除去不必要的雜波。

2.3.1 差分放大電路

原始信號在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊之前必須要通過運(yùn)算放大器放大而獲取合適的電壓，本文選取型號為INA128的儀表放大器，其電壓增益由一個(gè)外接電阻 來決定，因此我們可以通過調(diào)節(jié)外接電阻的值而獲取相應(yīng)的電壓增益，操作方便。

橋式電路所采集的微弱信號約為毫伏級別，因此差分放大器所要放大的增益約為1000。根據(jù)INA128差分放大器的電壓增益公式：

所以外接電阻Rg的取值約為50Ω。

2.3.2 濾波電路

流量傳感器所采集到的微弱信號往往包含了一些不需要的噪聲信號。由于實(shí)際中MEMS流量傳感器響應(yīng)速度為幾十毫秒，至少能測幾十赫茲的氣流。在差分放大電路對電壓信號進(jìn)行處理后，設(shè)計(jì)了一個(gè)二階有源低通濾波電路對噪聲進(jìn)行濾波處理，并使截至頻率設(shè)計(jì)在40Hz。

濾波電路中選擇型號為LM358運(yùn)算放大器，并采用雙電源5V供電。電路中取R2=R3=50K，C1=C2=80nF，理論截止頻率應(yīng)該為1/2ⅡRC=39.81。模擬電路部分如圖5所示。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊與8051單片機(jī)

使用前級差分放大電路，濾波電路對采集的電壓信號處理后，將信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0804是一種集成的A/D轉(zhuǎn)換器，其中輸入的電壓范圍是0～5V，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間是100us，兩個(gè)模擬信號輸入端，可以接收單極性、雙極性和差模輸入信號。通過ADC0804對放大后的模擬電壓信號A進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字量D，兩者之間的關(guān)系為：

圖5 流量信號放大濾波電路

式中：VREF——ADC0804的參考電壓；

A——放大后的模擬電壓值。

圖6 流量傳感器數(shù)據(jù)處理電路

ADC0804無需外接元器件就可以完成A/D轉(zhuǎn)換。邏輯控制信號輸入包括CS、RD、WR分別與單片機(jī)P1.0-P1.2口相連。CS為片選輸入端，在模數(shù)轉(zhuǎn)換中置低；WR、RD為讀寫控制端，控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。CLKR、CLK與電容和電阻組成RC振蕩電路，為ADC0804工作提供所需脈沖；A/D采集后將信號輸入單片機(jī)，DB0-DB7為單片機(jī)數(shù)據(jù)輸入端。

本文使用的是51內(nèi)核的STC89C52RC型號的單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部含有Flash E2PROM存儲(chǔ)器，內(nèi)部程序的存儲(chǔ)空間大小為8KB，RAM（隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器）的大小為512K。利用單片機(jī)的串口打印功能，將單片機(jī)采集回來的A/D值經(jīng)過處理后，發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)上用一個(gè)簡單的串口工具就能看到采集到流量信號的數(shù)字量,通過上述A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量與模擬之間的轉(zhuǎn)換公司可以得出對應(yīng)的電壓值。

利用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)RS-232電平與單片機(jī)TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX232的11腳連接單片機(jī)P3.1，TTL電平從單片機(jī)P3.1口發(fā)出，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換為RS-232電平后從14腳輸出至串口座第3腳，再經(jīng)過串口線，連接至PC機(jī)串口座第2腳RXD端。相反，PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)從PC機(jī)的串口第3腳TXD端發(fā)出，逆向流向單片機(jī)的P3.0，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的串口通信。通過如圖6所示單片機(jī)及外圍電路的連接完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理。

3 測試原理及結(jié)果

為了測量上下游測溫電阻經(jīng)過測量電橋、放大濾波電路后的輸出電壓與氣體流速之間的關(guān)系，考慮到傳感器的量程，實(shí)驗(yàn)中氣流流速單位為mm/s，利用壓縮空氣作為氣流源，調(diào)節(jié)氣流流速，利用標(biāo)準(zhǔn)的流量計(jì)作為參照，獲取在不同流速情況下所測得的電壓值，測得數(shù)據(jù)采用MATLAB擬合。傳感器的測試原理如圖7a所示，測試結(jié)果如圖7b所示。

4 結(jié)論

為了改進(jìn)現(xiàn)有熱式MEMS流量傳感器所存在的熱串?dāng)_現(xiàn)象對測量過程帶來的影響，設(shè)計(jì)了一種新型熱式MEMS流量傳感器，給出了所設(shè)計(jì)出的傳感器檢測系統(tǒng)方案，包括恒溫電路、橋式測量電路、差分放大電路及濾波電路的設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)測得在一定流速下，流量值與輸出電壓之間關(guān)系接近于線性關(guān)系。因此，該MEMS流量傳感器具有系統(tǒng)簡單、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域流量的測量。

圖7 流量傳感器的測試原理及測試結(jié)果

[1]彭杰綱，周兆英，葉雄英.基于MEMS技術(shù)的微型流量計(jì)的研究進(jìn)展[J]，力學(xué)進(jìn)展，2005，35：361-376.

[2]徐永青，呂樹海，徐愛東，等.MEMS熱膜式微型流量傳感器的研制[J].微納電子技術(shù)，2010，47：228-231.

[3]Constant Temperature Anemometer（CTA） -Functional Mechanisms,http://www.azosensors.com/article.aspx?ArticleID=26.

[4]Kaltsas G,Petropoulos A,Tsougeni K,Pagonis1 D N,Speliotis T,Gogolides E,Nassiopoulou A G..A novel microfabrication technology on organic substrates- application to a thermal flow.sensor,Journal of Physics:Conference Series,2007,92:012046.

[5]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.

[6]谷永先，曾鴻江，鄔 林，等.熱隔離式MEMS氣體質(zhì)量流量傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（6）：72-74.

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

[8]代 富，高 楊，官承秋，等.電阻懸浮的MEMS熱膜式氣體流量傳感器設(shè)計(jì)[J].MEMS 與傳感器，2012，49（9）：596-606.

[9]Que R Y,Zhu R,Wei Q Z,Cao Z.Temperature compensation for thermal anemometers using temperature sensors independent of flow sensors.Measurement Science and Technology,2011,22（8）：085404.

[10]Sosna C,Buchner R,Lang W.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 and test of thermal MEMS flow sensor

HU Mengfei1,YANG Lulu1,LIU Yawei1,GU Yongxian2,HU Guojun2,LV Pin1
（1.Industrial and Equipment Technology Research Institute,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China；2.Microelectronics Packaging Research Center,The 38th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230000,Anhui China）

The thermal resistance thermal crosstalk of various parts for original thermal MEMS gas micro-flow sensor chip has been serious,which causes a large measurement error.A kind of MEMS thermal flow sensor has been improved and designed.The heating resistor and the upstream&downstream temperature measurement resistors have been separated by the cantilever beam and isolated from each other,which effectively avoids the thermal crosstalk between the thermal resistors of the hot film flow sensor.On basis of the improved MEMS thermal flow sensor,the testing system of the flow sensor has been designed,including the constant temperature difference circuit,bridge measurement circuit& amplification,and filter circuit.The collected flow has been input into the AD module for analog-digital conversion after being filtered and amplified.Finally,through the single-chip processing,by use of communication function between single-chip and computer serial,the different voltage values have been printed at different flow rates.The fitting has been conducted to the measured data by Matlab to complete the detection of the sensor performance.The measurement results show that the flow sensor has the characteristics of high measurement precision,fast response rate and smooth output signal in a certain flow range,which can be widely used in industrial and medical field measurement.

Thermal crosstalk；MEMS；Cantilever beam；Constant temperature difference；Analog-digital conversion；Serial communication

TP212.1

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.010

1672-0121（2017）04-0032-05

2017-03-23；

2017-05-16

胡夢飛（1993-），男，碩士在讀，主攻MEMS傳感器設(shè)計(jì)研究。E-mail：2294490630@qq.com