余柏林，王瑞春，龔漢東，余法紅

(1．深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信技術(shù)系，廣東深圳518029;)2．武漢大學(xué) 軟件工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074

熱式微型空氣流量傳感器是以托馬斯提出的“氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比”理論為基礎(chǔ)，利用外熱源對(duì)傳感器探頭加熱，氣體流動(dòng)時(shí)會(huì)帶走一部分熱量，使探頭溫度改變，通過(guò)測(cè)量因氣體流動(dòng)而造成的溫度變化來(lái)反映氣體的質(zhì)量流量［1－15］。目前主要有熱線損失線型和熱膜溫差熱膜型。前者由于存在交叉靈敏度，熱紊亂很大，熱線抗污染腐蝕能力差等;限制了它的進(jìn)一步發(fā)展［16－18］。伴隨著微電子加工技術(shù)發(fā)展以及MEMS技術(shù)的興起，熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器成為新的研究焦點(diǎn)。采用硅微機(jī)械加工技術(shù)制成的具有體積小、成本低、穩(wěn)定性好、兼容性強(qiáng)、精確度高、功耗低、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。2000年Hung等人發(fā)展出新型的熱敏電阻傳熱式流量傳感器，該傳感器的靈敏度為3．2638℃/mV，其響應(yīng)速度小于5 ms，測(cè)量速度高于1．5 m/s，該傳感器用新型“網(wǎng)式”薄膜結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微型傳感器結(jié)構(gòu)［19］。2004年 Seunghyun Kim等人發(fā)展出一種可以探測(cè)流動(dòng)方向和流量大小的環(huán)形熱式微型流量傳感器。傳感器的技術(shù)指標(biāo)為:方向最大角度差5°，速度誤差不超過(guò)0．5 m/s，功率為80 mW，傳感器的整體尺寸3 mm×3 mm［10］。2006年，美國(guó)Honeywell物理科學(xué)中心研制出基于石英的微流量計(jì)主要用于高壓流體中的流量測(cè)試，具有抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其抗流體的壓強(qiáng)可高達(dá)5 000 psi，響應(yīng)時(shí)間為 3 ms。

本文中研究了環(huán)境溫度對(duì)空氣流量傳感器測(cè)試的影響，熱膜式空氣傳感器的測(cè)試原理是基于溫度場(chǎng)的變化而反映流速大小的。不同的環(huán)境溫度下，橫膈膜上的對(duì)流換熱也會(huì)不同，因此，加熱電阻的溫度恒定的工作模式下，當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度改變時(shí)，加熱電阻的上下游的溫度差也會(huì)隨之改變，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差。文中分析了環(huán)境溫度對(duì)其測(cè)試影響的大小和趨勢(shì)。另外，本文中還提出了增加環(huán)境測(cè)溫電阻的補(bǔ)償方式，并驗(yàn)證了在該補(bǔ)償下，不同環(huán)境測(cè)試時(shí)的一致性。

1 環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的分析

本文中是以集成微溝道的空氣流量傳感器為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，在橫膈膜下方設(shè)計(jì)一條微通道，通過(guò)微溝道的導(dǎo)向作用，時(shí)橫膈膜上下表均有流體流過(guò)，增加橫膈膜表面的強(qiáng)迫對(duì)流換熱面積As，從而達(dá)到增加橫膈膜上的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，提高傳感器的測(cè)試精度。如圖1分別給出了集成微溝道流量傳感器的立體剖面圖和橫截面圖。

在沒(méi)有溫度補(bǔ)償時(shí)，加熱電阻的溫度控制電路中，將加熱電阻和一個(gè)固定阻值的外電阻對(duì)等連結(jié)，如圖2所示。根據(jù)惠斯通電橋原理有:

其中Rh和Rh0分別為當(dāng)前溫度和273 K下的加熱電阻阻值，α為薄膜電阻材料的溫特系數(shù)，Th為當(dāng)前溫度。由式(1)和(2)可得，Th只與電路中外部電阻Ra，Rb和R'有關(guān)，在外部電阻固定的情況下，Th為常數(shù)。

圖1 集成微溝道流量傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 恒溫控制電路

加熱電阻的溫度Th恒定為400 K，研究了環(huán)境溫度分別為0℃，15℃，27℃，40℃和50℃下流量傳感器的輸出特性。圖3為空氣流量傳感器在不同環(huán)境溫度下輸出信號(hào)電壓與流速的關(guān)系，其中信號(hào)電壓放大1 000倍。從圖中可以看出，不同環(huán)境溫度下，電壓信號(hào)出現(xiàn)很大的誤差，隨著環(huán)境溫度的增加，電壓信號(hào)明顯減弱，給流量傳感器的測(cè)量帶來(lái)很大的誤差。加熱電阻的溫度保持在400 K時(shí)，隨著環(huán)境溫度升高，加熱電阻與環(huán)境的溫差減小，則加熱電阻的強(qiáng)迫對(duì)流減弱，同時(shí)橫膈膜整體溫度也升高，流體邊界層溫度梯度變小，使得橫膈膜上沿流向方向上的溫度梯度變緩，各種熱交換和熱傳遞都減小。因此，在相同流速下，環(huán)境溫度越高，上下游的溫差越小，從而輸出的信號(hào)電壓也越小。當(dāng)流速為2．5 m/s，環(huán)境溫度分別為0℃，27℃和50℃時(shí)，其測(cè)試的輸出電壓信號(hào)分別為4．5 V，3．6 V 和2．4 V。從圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，信號(hào)輸出電壓的飽和現(xiàn)象越顯著。這是由于這兩種傳感器的橫膈膜上的溫度梯度較大，環(huán)境溫度越低，流體與橫膈膜的溫差越大，強(qiáng)迫對(duì)流越明顯，則隨著流速的增加這種對(duì)流換熱越容易達(dá)到飽和。傳感器中不同環(huán)境溫度，其測(cè)試量程發(fā)生很大的改變。當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，最大測(cè)試流速為2．5 m/s。

圖3 傳感器在不同環(huán)境溫度下輸出電壓與流速的關(guān)系

2 環(huán)境溫度的補(bǔ)償

本中提出在空氣流量傳感器的補(bǔ)償方法，即傳感器芯片最上游放置一根環(huán)境溫度測(cè)試電阻Rk，通過(guò)該測(cè)試電阻反映流道進(jìn)口溫度，將該溫度轉(zhuǎn)化為電阻信號(hào)，作為環(huán)境溫度補(bǔ)償依據(jù)，使得加熱電阻與進(jìn)口空氣之間的溫差保持恒定值，采用的加熱電阻的控制電路原理如圖4所示。將環(huán)境溫度測(cè)試電阻Rk作為惠斯頓電橋橋臂的一部分串入電路中。

圖4 帶溫度補(bǔ)的償恒溫控制電路

根據(jù)圖4，則:Ra:Rb=Rh:R'+Rk，又由于 αRk0= αRh0設(shè)定 Rk0=Rh0，Ra=Rb，其中 Rk0和 Rh0分別為0℃下Rk和Rh的值，由于環(huán)境溫度測(cè)試電阻與加熱電阻在制備中的一致性，其溫敏系數(shù)均為α，由此可得

式中Th和T0分別為加熱電阻的溫度和環(huán)境溫度，因此該電路實(shí)現(xiàn)了加熱電阻與環(huán)境溫度差保持恒定。

如圖5所示為不考慮流速的情況下，加熱電阻和環(huán)境溫度測(cè)試電阻的阻值隨著環(huán)境溫度的變化曲線。由于αRk0=αRh0，所以在電阻溫度曲線中Rk和Rh的斜率相等。圖中Rk和Rh的電阻阻值之差即為溫度差的反映。從圖中可以看出，Rk和Rh的阻值溫度曲線為兩條成平行線，其差固定在一個(gè)值R'。當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，Rk和Rh分別為63 Ω和79 Ω，Rk和Rh所處的溫度分別為0℃和100℃，其溫差為100℃。同樣，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時(shí)，Rk和Rh分別為76 Ω和110 Ω，Rk和Rh所處的溫度分別為40℃和140℃，其溫差維持100℃不變。所以該電路維持了加熱電阻與進(jìn)口空氣之間的溫度。并可可以通過(guò)改變R'的阻值來(lái)調(diào)節(jié)該溫差。

圖5 加熱電阻和環(huán)境溫度測(cè)試電阻的阻值與環(huán)境溫度的關(guān)系

如圖6為環(huán)境溫度補(bǔ)償后，傳感器的輸出信號(hào)電壓與流速的關(guān)系。環(huán)境溫度為0～50℃，芯片橫截面的流速為0～6 m/s時(shí)傳感器的信號(hào)輸出與流速的關(guān)系。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)Rk的溫度補(bǔ)償之后，在不同環(huán)境溫度下的傳感器輸出信號(hào)電壓表現(xiàn)出的一致性相對(duì)較好。相比沒(méi)有溫度補(bǔ)償時(shí)信號(hào)電壓，其誤差大大縮小，但還不能完全避免誤差。隨著溫度升高，流體的熱導(dǎo)率越高，強(qiáng)迫對(duì)流越大，固體熱導(dǎo)率小，根據(jù)橫膈膜上熱平衡方程:

圖6 溫度補(bǔ)償后傳感器的輸出信號(hào)電壓與流速的關(guān)系

3 結(jié)論

本文中研究環(huán)境溫度對(duì)流量傳感器的輸出電壓信號(hào)的影響，隨著環(huán)境溫度的增加，電壓信號(hào)明顯減弱，這會(huì)給流量計(jì)中作過(guò)程中帶來(lái)很大的誤差。隨著環(huán)境溫度的降低其飽和現(xiàn)象越顯著，甚至影響到空氣流量傳感器的測(cè)試量程。當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，傳感器的最大測(cè)試流速分別為2．5 m/s。

并提出環(huán)境溫度的補(bǔ)償方案，在傳感器芯片最上游放置一根環(huán)境溫度測(cè)試電阻Rk，并將環(huán)境溫度測(cè)試電阻Rk作為惠斯頓電橋橋臂的一部分串入電路中，使得加熱電阻與進(jìn)口空氣之間的溫差保持恒定值，得到信號(hào)輸出電壓的誤差大大減小。隨著溫度升高，流體的熱導(dǎo)率越高，強(qiáng)迫對(duì)流越大，固體熱導(dǎo)率小，導(dǎo)致信號(hào)電壓越大。當(dāng)流速為2．5 m/s，環(huán)境溫度分別為0℃，27℃和50℃時(shí)，補(bǔ)償前傳感器的輸出電壓信號(hào)分別為 4．5 V、3．6 V 和 2．4 V，補(bǔ)償后傳感器的輸出電壓信號(hào)分別為3．62 V、3．68 V和 3．75 V。

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