李麗偉

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

?

微氣流角速度傳感原理及幾個(gè)關(guān)鍵問題

李麗偉

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

研究了密閉腔內(nèi)定向微流體的角速度敏感原理、驅(qū)動(dòng)控制及氣流效應(yīng)檢測(cè).基于哥氏效應(yīng)和熱平衡方程建立了氣體流速及熱敏絲溫度變化之間的關(guān)系模型,獲得了輸入角速度與傳感檢測(cè)輸出電壓信號(hào)間的傳遞關(guān)系;利用擠壓膜阻尼探討了微氣流與其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)耦合,分析了密閉腔體結(jié)構(gòu)以及熱敏絲設(shè)置等對(duì)氣流效應(yīng)及檢測(cè)的影響,結(jié)果表明,圓柱腔體及平行熱敏絲可有效避免氣流效應(yīng)的交叉耦合.

微機(jī)電系統(tǒng); 角速度傳感; 微流體; 壓電驅(qū)動(dòng)

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)將微傳感技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和微電子控制技術(shù)集于一體,其特征是尺寸極小,學(xué)科交叉廣泛.[1-2]MEMS慣性敏感器件的核心之一是角速度傳感器,主要用于回轉(zhuǎn)體角速度的測(cè)量,輸出與角速度成比例的電信號(hào).隨著MEMS技術(shù)的應(yīng)用,角速度傳感器等陀螺慣性器件已獲微型化,而該微型化是以微機(jī)械陀螺為主的.[3-4]由于微機(jī)械陀螺采用活動(dòng)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)作為敏感元件,導(dǎo)致其抗振動(dòng)、抗沖擊性能低.相反,氣流式慣性傳感器以受迫流動(dòng)氣體作為敏感質(zhì)量,具有高抗振性及抗沖擊性,但僅限于宏觀尺度上得以實(shí)現(xiàn).目前,利用對(duì)流氣體來敏感加速度的微機(jī)械熱對(duì)流加速度傳感器率先實(shí)現(xiàn)了氣流式慣性器件的微型化,這為氣流式角速度傳感器的微型化奠定了基礎(chǔ).[5-6]本文結(jié)合已有宏觀尺度的壓電射流角速度傳感器原理及微機(jī)械熱對(duì)流加速度傳感器,探討了基于微氣流的角速度傳感原理及其實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵問題.

1 基于微氣流的角速度傳感原理

微氣流角速度傳感的基本原理是通過哥氏力使密閉循環(huán)氣流偏離原來的軌跡來實(shí)現(xiàn)角參數(shù)的測(cè)量,如圖1所示.循環(huán)氣流經(jīng)壓電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生速度為Vc的定向流動(dòng)氣流束,氣流束流動(dòng)信號(hào)由兩根平行設(shè)置的熱敏絲敏感.當(dāng)輸入角速度ω時(shí),由于哥氏加速度的作用,氣流束偏離中心位置,即原來從兩根熱敏絲對(duì)稱中心通過的氣流束會(huì)向某一方向偏離,造成兩根熱敏絲的溫度發(fā)生變化,引起電阻改變,電橋失去平衡,輸出與角速度ω相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào).

圖1 微氣流角速度傳感原理示意

作用于傳感微氣流的輸入角速度ω與傳感檢測(cè)元件的輸出電壓信號(hào)之間通過以下3個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)立,可導(dǎo)出輸入與輸出信號(hào)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

1.1 輸入角速度與氣體流速

氣流束偏離的量值和方向取決于外加的角速度矢量.

如圖1所示,若偏離量為Y,則哥氏加速度為:

(1)

由式(1)可得,因哥氏加速度的作用而產(chǎn)生的氣流速度分量和偏離量分別為:

(2)

(3)

若熱敏電阻與氣流束槽道之間的距離為L(zhǎng),則有:

(4)

將式(4)分別代入式(2)和式(3),可得:

(5)

(6)

由式(5)可知,氣流速度分量Vy正比于輸入角速度ω,而氣流速度分量Vx即為氣流穩(wěn)定流速Vc.氣流流過熱線時(shí)的速度為:

(7)

氣流速度為:

(8)

式(8)描述了氣流速度V隨輸入角速度ω的變化關(guān)系.

1.2 氣體流速與熱敏絲溫度變化

在微氣流角速度傳感結(jié)構(gòu)中,兩根平行設(shè)置的熱敏絲分別連接于惠斯登電橋的橋臂上,用于敏感氣流速度變化信號(hào),如圖1所示.熱敏絲的敏感機(jī)理基于能量交換原理,當(dāng)被加熱熱敏絲處于流體之中時(shí),隨著流體速度的增加,熱敏絲被帶走的熱量也隨之增加,溫度下降,這一物理過程中流速與熱敏絲的溫度之間存在一定的依賴關(guān)系,結(jié)合理論分析及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可獲得氣體流速與熱敏絲溫度變化之間的關(guān)系為:

(9)

式中:A,B——由熱線尺寸、流體特性和流動(dòng)條件決定的參數(shù),對(duì)于給定傳感結(jié)構(gòu)和特定流體,可認(rèn)為A和B為常數(shù);Thotw——熱敏絲溫度;

Tflow——流體溫度.

1.3 熱敏絲溫度變化與輸出電壓

在一定的環(huán)境溫度范圍內(nèi),檢測(cè)零位電壓和溫度的關(guān)系可近似為二次曲線關(guān)系,即:

(10)

式中:α1,α2——常數(shù),且α2<<α1;T0——標(biāo)準(zhǔn)溫度;U0——標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的零位電壓.

從輸入角速度ω到熱敏絲輸出電壓Uout之間的傳遞關(guān)系如圖2所示.

圖2 輸入角速度與熱敏絲輸出電壓的關(guān)系

因此,當(dāng)流體的動(dòng)力學(xué)粘度、密度和熱傳導(dǎo)特性一定時(shí),若熱敏電阻絲周圍流體的速度不同,帶走熱敏電阻絲的熱量也不同,從而引起熱敏電阻絲兩端的電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化.在靜止?fàn)顟B(tài)下,敏感元件流過熱敏電阻絲的氣流速度相同,即UPt1=UPt2,這時(shí)氣流對(duì)熱敏電阻絲的影響相同,熱敏電阻絲的溫升也相同,電橋平衡,輸出電壓檢測(cè)為零;當(dāng)敏感元件有角速度輸入時(shí),此時(shí)UPt1UPt2,隨著角速度的加大,引起兩熱敏電阻絲的溫度變化之差就越大,電橋失去平衡,傳感檢測(cè)元件輸出一個(gè)與角速度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào).

2 微氣流的驅(qū)動(dòng)與控制

微氣流的驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)角速度傳感的關(guān)鍵元件,作為重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其主要功能是實(shí)現(xiàn)力或位移的輸出.MEMS微驅(qū)動(dòng)元件的種類很多,例如壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金膜片驅(qū)動(dòng)等,其中,壓電驅(qū)動(dòng)的位移控制精度高,可小于0.01m,響應(yīng)速度快,約為10s,輸出力大(各尺寸比),可達(dá)數(shù)千帕,功耗低,在使物體保持一定高度位置時(shí),器件幾乎無功耗,體積小,微小位移輸出穩(wěn)定,適合制作從納米級(jí)到微米級(jí)的微驅(qū)動(dòng)元器件,[3-4]因此已成為微氣流角速度傳感樣件的首選驅(qū)動(dòng)方式.

微氣流的驅(qū)動(dòng)及協(xié)調(diào)控制是傳感原理實(shí)現(xiàn)的重要前提,該過程涉及復(fù)合驅(qū)動(dòng)元件的電-固耦合,以及受到驅(qū)動(dòng)的微氣流與復(fù)合驅(qū)動(dòng)之間的交互作用,即氣-固-電多物理場(chǎng)耦合,密閉流體能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定向流動(dòng)進(jìn)而構(gòu)成強(qiáng)氣流信號(hào),關(guān)鍵在于微氣流與壓電驅(qū)動(dòng)間耦合控制的精確性和有效性.

3 微氣流的效應(yīng)及檢測(cè)

當(dāng)傳感器件基體受到哥氏力作用后,密閉腔體內(nèi)的氣體流動(dòng)以強(qiáng)迫對(duì)流為主,腔體內(nèi)氣體流動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)流換熱主要包括氣流與熱線之間及氣流與腔體壁之間的對(duì)流換熱.因此,敏感腔體結(jié)構(gòu)及熱線的設(shè)置對(duì)微氣流效應(yīng)有極大的影響.

通常圓柱體或球體是比較理想的腔體結(jié)構(gòu),因?yàn)樵擃惽惑w內(nèi)表面均為圓滑過渡,可避免氣體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生湍流.而矩形等方腔體結(jié)構(gòu)由于內(nèi)表面存在直角連接面,氣體流過交接過渡面時(shí)易形成“渦”,如圖3所示.

圖3 不同腔體結(jié)構(gòu)中的氣體流動(dòng)

同時(shí),為減小腔體結(jié)構(gòu)與氣體之間的對(duì)流換熱,敏感腔體的材料選擇也很重要,盡可能選用如硅等導(dǎo)熱性能好的材料.[7]

傳感結(jié)構(gòu)中,氣體的流動(dòng)范圍涉及兩個(gè)區(qū)域,即腔體區(qū)和檢測(cè)區(qū),如圖4所示.

圖4 氣體流經(jīng)的兩大區(qū)域

氣體受驅(qū)動(dòng)后,從腔體區(qū)經(jīng)通槽流入檢測(cè)區(qū)的過程中,經(jīng)歷了復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合,主要包括氣流與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)耦合、氣流與腔體壁之間的對(duì)流換熱,以及氣流與熱線之間的對(duì)流換熱.從可行性方面考慮,通常重點(diǎn)研究腔體區(qū)氣流與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)耦合,以及檢測(cè)區(qū)氣流與熱線之間的對(duì)流換熱,兩個(gè)過程均具可控性和可測(cè)性.

在腔體區(qū),如果不考慮氣體之間以及氣體和腔體壁之間的對(duì)流換熱,則流動(dòng)氣體與驅(qū)動(dòng)膜之間的耦合振動(dòng)可視為等溫過程.在等溫條件下,氣體與驅(qū)動(dòng)膜的耦合振動(dòng)可等效為兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)平行平板間的空氣擠壓膜阻尼效應(yīng),[8]腔基體固定,驅(qū)動(dòng)膜相對(duì)基體沿z向運(yùn)動(dòng),如圖5所示.

圖5 氣體與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耦合振動(dòng)分析方案

在檢測(cè)區(qū),氣流效應(yīng)為氣流與熱線之間的對(duì)流換熱.熱敏元件(熱線)是微氣流角速度傳感樣件的核心檢測(cè)元件,其結(jié)構(gòu)直接決定樣件的性能.常用的熱敏絲結(jié)構(gòu)有單絲結(jié)構(gòu)、交叉結(jié)構(gòu)和平行絲結(jié)構(gòu)等.角速度的測(cè)量需解決角速度的大小及方向兩個(gè)參數(shù).若采用單絲結(jié)構(gòu),腔基體受到哥氏加速度作用后,雖然電橋有不平衡電壓輸出,但不能反映輸入角速度的方向性.而采用交叉絲結(jié)構(gòu),輸出靈敏度較高,但其交叉耦合影響較大,這對(duì)角速度的測(cè)量是不利的.本文采用平行絲結(jié)構(gòu),將兩根熱敏絲作為惠斯通電橋的兩個(gè)臂,當(dāng)輸入不同轉(zhuǎn)向的角速度時(shí),電橋輸出符號(hào)不同的電壓信號(hào).平行絲在腔體內(nèi)放置的距離對(duì)測(cè)量范圍、靈敏度、零位穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)的重復(fù)性都有影響.因此,設(shè)計(jì)時(shí)需要認(rèn)真考慮兩根平行絲在腔體內(nèi)的位置.

另外,電源電壓過高或過低時(shí)的輸出信號(hào)、線性度和零位都不穩(wěn)定,且供電電壓較高易使傳感樣件的輸出很快達(dá)到飽和狀態(tài).

4 結(jié) 論

(1) 受到驅(qū)動(dòng)的MEMS微流體定向流動(dòng)時(shí),因哥氏效應(yīng)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)角參量測(cè)量,微氣流的驅(qū)動(dòng)及其流動(dòng)效應(yīng)的檢測(cè)是影響傳感精度的關(guān)鍵;

(2) 溫度變化不大時(shí),腔體區(qū)氣流與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的耦合振動(dòng)可采用等溫?cái)D壓膜阻尼有效近似,也可通過修正阻尼項(xiàng)來考慮溫度的影響;

(3) 腔體區(qū)氣流與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和壁面間,以及檢測(cè)區(qū)氣流與熱線間的交互作用會(huì)產(chǎn)生不利的交叉耦合,采用圓柱腔體和平行熱線可避免過渡面湍流和交叉耦合.

[1] 馮焱穎,周兆英,葉雄英,等.微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2002,32(1):1-16.

[2] YAO J J.RF MEMES from a device perspective[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2000(10):9-38.

[3] 許紅平,葛成立,陳剛,等.微型驅(qū)動(dòng)器及其測(cè)試技術(shù)[J].福建電腦,2002(5):6-7.

[4] LIU Tiegen,JIANG Shibin,NEUMANN Neils.Advanced sensor systems and applications VI[C]∥Proceedings of SPIE,2014:406-463.

[5] PAULl M.PZT thin films for microsensors and actuators;where do we stand? [J].Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2000,47(4):903-915.

[6] HO P J,YOSHIDA K,YOKOTA S.Resonantly driven piezoelectric micro pump:fabrication of a micropump having high power density[J].Mechatronics,1999(9):687-702.

[7] WANG Yuhang,LEE Chiayen,CHIANG Cheming.A MEMES-based air flow sensor with a free-standing micro cantilever structure[J].Sensors,2007(7):2 389-2 401.

[8] BAO Minhang,YANG Heng.Squeeze film air damping in MEMS[J].Sensor and Actuators A:Physical,2007(1):3-27.

(編輯 胡小萍)

Sensing Principle of Micro Airflow Angular Rate and Several Related Key Techniques

LI Liwei

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

To investigate the sensing principle of angular rate,actuating and measuring of directed micro airflow inside the sealed cavity,the transfer relation model between the signal of input angular rate and the output voltage is established according to the Coriolis effect and equation of heat balance.Several key techniques such as the actuating and controlling of micro airflow and the measuring of effect of micro fluid are discussed.And the influences of the structure of the sealed cavity and the setup of hot wires on the micro fluid and related measuring are analysed separately.The comparison shows that the cross coupling of micro airflow can be inhibited effectively by employing the cylindrical cavity and parallel wire.

MEMS; micro angular rate sensor; micro fluid; piezoelectric actuator

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.005

2015-03-23

簡(jiǎn)介：李麗偉(1968-),女,博士后,副教授,山東定陶人.主要研究方向?yàn)槲C(jī)械,微驅(qū)動(dòng).E-mail:liliwei@shiep.edu.cn.

TM38

A

1006-4729(2016)05-0433-04