基于MEMS技術熱溫差式流量傳感器的設計與標定

胡夢飛， 劉亞偉， 楊露露， 谷永先， 胡國俊， 呂 品

(1.合肥工業(yè)大學 工業(yè)與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009；2.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)

0 引 言

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的發(fā)展解決了微小尺寸加工的問題[1]，使微型流量傳感器在流量測量領域得到迅速發(fā)展，因此基于MEMS技術微型流量傳感器成為科研研究的重點。

傳熱式流量測量原理主要依據(jù)的是托馬斯理論[2]，即“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”。根據(jù)測量方式的不同，熱式流量傳感器可以分為熱線式、熱溫差式和熱脈沖式3種[3,4]。早期的流量計研究大多圍繞著熱線式原理，隨著MEMS工藝的逐漸成熟，熱溫差式與其他2種測量原理比較具有更大的測量優(yōu)勢而得到廣泛應用。基于傳熱式原理的流量傳感器通常具有更高的靈敏度、更寬的測量范圍等優(yōu)勢，但是基底與熱源之間的傳熱問題將是影響測量精度的重要因素，因此設計一種熱隔離結構將是熱式傳感器的一個重要研究方向。

本文提出一種基本MEMS技術熱溫差式流量傳感器的設計與標定。測量時，流量信號通過橋式電路產(chǎn)生電壓信號，并經(jīng)過硬件檢測系統(tǒng)處理，通過串口傳輸至上位機，上位機通過MATLAB對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)字信號進行采集并標定傳感器。

1 流量計的檢測原理與設計

本文設計的傳熱式流量傳感器由熱源電阻器、上下游測溫電阻器及環(huán)境電阻器4部分組成。采用單晶硅制作芯片基底，中間熱源電阻器和上下游測溫電阻器通過薄膜沉積技術在基底上濺射鉑金屬電阻器，為了避免熱源與基底傳熱而造成的測量誤差，在基底背面采用濕法腐蝕技術刻蝕單晶硅，使得熱源與測溫電阻器形成懸空結構。環(huán)境補償電阻器直接沉積在襯底上，用于檢測周圍環(huán)境溫度并對測量值進行溫度補償，使得熱源的工作為恒溫差模式。上下游測溫電阻器以熱源為中心對稱分布，距離熱源240 μm，傳感器芯片的尺寸為1.5 mm×0.5 mm×0.15 mm，傳感器結構如圖1(a)所示。如圖1(b)、圖1(c)所示，沒有流量通過時，中間熱源主要以熱傳導的形式向周圍散熱，上下游測溫電阻器溫度相同；當流量通過時，熱源將與流量進行對流換熱，上游電阻器的部分熱量將在流量的作用下帶到下游測溫電阻器，導致上下游測溫電阻之間形成溫度差，通過橋式電路輸出電壓與流量之間的關系為[5]

(1)

式中qm為流體質(zhì)量流量，U為電橋輸出電壓，k1和k2為常數(shù)。

圖1 MEMS流量傳感器芯片結構及工作原理

2 流量檢測系統(tǒng)

后端硬件處理電路的流量檢測系統(tǒng)如圖2所示,包括流量采集電路、恒溫差電路、差分放大電路及單片機控制系統(tǒng)等。

圖2 流量傳感器檢測系統(tǒng)框圖

2.1 模擬電路

2.1.1 流量采集電路

有流量通過時，上下游測溫電阻器形成溫差，根據(jù)鉑金屬的溫度特性其阻值將發(fā)生變化，可以通過設計橋式電路將流量信號用電壓信號表示，如圖3。

圖3 流量采集電路

圖3中Ru,Rd分別為傳感器中上下游測溫電阻器，R1,R2為固定電阻器，且阻值相同。當有流量通過時，上下游電阻器溫度降低阻值變小，下游電阻值將增大，A，C間產(chǎn)生輸出電壓Uo為

(2)

設R1=R2，則式(2)可化簡為

(3)

式中α為鉑金屬的溫度電阻系數(shù);ΔTu,ΔTd分別為上下游測溫電阻的溫差，且ΔTuα?Ru，ΔTdα?Rd，因此計算中可以忽略，式(3)可化簡為

Uo≈(ΔTα/4R)Ui

2.1.2 恒溫差電路

傳熱式流量傳感器熱源的工作模式有三種：恒溫式、恒功率式和恒溫差式[6]。本文在傳感器襯底上設計了環(huán)境補償電阻器，與熱源電阻器通過外部電阻器實現(xiàn)測量環(huán)境溫度與熱源溫度的恒溫差，恒溫差電路如圖4所示。

圖4 熱源的恒溫差工作電路

圖4中Rh,Rr分別為傳感器的熱源電阻器和環(huán)境補償電阻器，Ra,Rb和Rc為外部固定電阻器，若要實現(xiàn)恒溫差設計，則需要滿足關系

Ra/Rb=Rr/Rh,Rc=αRr0ΔT

(4)

式中α為鉑金屬溫度電阻系數(shù)，實驗測得約為0.004 28;ΔT為所需要設計的溫差值。

2.1.3 差分放大電路

本文選用型號為INA114的儀用集成運算放大器,對橋式輸出電壓放大處理。放大該集成放大器只需要改變增益調(diào)整電阻值RG的大小，即可獲得所需要的增益值AV，二者之間的關系為

AV=1+50 kΩ/RG

(5)

通過設置合適的RG的阻值，INA114可以獲得1～10 000之間任意增益值。

2.2 數(shù)字電路

2.2.1 AD模塊

流量信號經(jīng)過流量采集電路和差分放大電路處理后，實現(xiàn)了將流量信號轉換為電壓信號。但仍需通過A/D轉換模塊將其轉換為數(shù)字量才能被單片機進行處理，因此，需要設計一個A/D轉換器。ADC0804是一種單片集成的A/D轉換器，分辨率為8位，轉換時間為100 μs，輸入電壓為0～5 V，可以滿足文中流量計設計要求。

2.2.2 單片機控制與串口通信

本文控制系統(tǒng)選用8051單片機。模擬信號通過A/D轉換器處理后將數(shù)字量輸入單片機進行處理，單片機再通過串口電路將信號傳輸至上位機，單片機與PC機之間使用MAX232芯片實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平之間的轉換，數(shù)字電路連接如圖5。

圖5 檢測系統(tǒng)數(shù)字電路

3 測試與結果分析

為了測試橋式電路輸出電壓與流量值之間的關系，搭建了以下測試系統(tǒng)，如圖6(a)。檢測系統(tǒng)由壓縮空氣(提供氣源)、氣體穩(wěn)定器、標準流量傳感器、待測流量計及PC5個部分組成。測量時，流量信號通過設計的硬件檢測系統(tǒng)處理后，由單片機通過串口輸出數(shù)字量，再推算出橋式電路的輸出電壓值，得到流量與輸出電壓關系如圖6(b)，可以看出，曲線比較平滑，表明傳感器的性能良好。

圖6 流量傳感器測試流程及測試結果

標定時，打開壓縮機模擬流量源，通過調(diào)節(jié)閥控制流量大小，流量信號通過設計的檢測系統(tǒng)處理后，由單片機通過串口將數(shù)字量傳輸至上位機，上位機中利用MATLAB采集信號，進行擬合標定，擬合結果如圖7所示。

圖7 流量傳感器標定擬合曲線

4 結 論

設計了一種基于MEMS技術熱溫差式流量傳感器,傳感器中熱源與上下游測溫電阻設計成懸空結構，襯底上環(huán)境補償電阻與熱源通過硬件電路實現(xiàn)恒溫差工作模式。設計硬件檢測系統(tǒng)進行傳感器的測試及標定，結果表明:傳感器性能良好，能夠應用于工業(yè)等領域流量測量。