胡夢(mèng)飛， 劉亞偉， 楊露露， 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)研究院，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)

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)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(cè)量領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，因此基于MEMS技術(shù)微型流量傳感器成為科研研究的重點(diǎn)。

傳熱式流量測(cè)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(cè)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(jì)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(cè)量原理比較具有更大的測(cè)量優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用?；趥鳠崾皆淼牧髁總鞲衅魍ǔ＞哂懈叩撵`敏度、更寬的測(cè)量范圍等優(yōu)勢(shì)，但是基底與熱源之間的傳熱問題將是影響測(cè)量精度的重要因素，因此設(shè)計(jì)一種熱隔離結(jié)構(gòu)將是熱式傳感器的一個(gè)重要研究方向。

本文提出一種基本MEMS技術(shù)熱溫差式流量傳感器的設(shè)計(jì)與標(biāo)定。測(cè)量時(shí)，流量信號(hào)通過橋式電路產(chǎn)生電壓信號(hào)，并經(jīng)過硬件檢測(cè)系統(tǒng)處理，通過串口傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)通過MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集并標(biāo)定傳感器。

1 流量計(jì)的檢測(cè)原理與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳熱式流量傳感器由熱源電阻器、上下游測(cè)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(cè)溫電阻器通過薄膜沉積技術(shù)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(cè)量誤差，在基底背面采用濕法腐蝕技術(shù)刻蝕單晶硅，使得熱源與測(cè)溫電阻器形成懸空結(jié)構(gòu)。環(huán)境補(bǔ)償電阻器直接沉積在襯底上，用于檢測(cè)周圍環(huán)境溫度并對(duì)測(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使得熱源的工作為恒溫差模式。上下游測(cè)溫電阻器以熱源為中心對(duì)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(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。如圖1(b)、圖1(c)所示，沒有流量通過時(shí)，中間熱源主要以熱傳導(dǎo)的形式向周圍散熱，上下游測(cè)溫電阻器溫度相同；當(dāng)流量通過時(shí)，熱源將與流量進(jìn)行對(duì)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(cè)溫電阻器，導(dǎo)致上下游測(cè)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(guān)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(jié)構(gòu)及工作原理

2 流量檢測(cè)系統(tǒng)

后端硬件處理電路的流量檢測(cè)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(jī)控制系統(tǒng)等。

圖2 流量傳感器檢測(cè)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(shí)，上下游測(cè)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(shè)計(jì)橋式電路將流量信號(hào)用電壓信號(hào)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(cè)溫電阻器，R1,R2為固定電阻器，且阻值相同。當(dāng)有流量通過時(shí)，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(shè)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(cè)溫電阻的溫差，且ΔTuα?Ru，ΔTdα?Rd，因此計(jì)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(shè)計(jì)了環(huán)境補(bǔ)償電阻器，與熱源電阻器通過外部電阻器實(shí)現(xiàn)測(cè)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(bǔ)償電阻器，Ra,Rb和Rc為外部固定電阻器，若要實(shí)現(xiàn)恒溫差設(shè)計(jì)，則需要滿足關(guān)系

Ra/Rb=Rr/Rh,Rc=αRr0ΔT

(4)

式中α為鉑金屬溫度電阻系數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得約為0.004 28;ΔT為所需要設(shè)計(jì)的溫差值。

2.1.3 差分放大電路

本文選用型號(hào)為INA114的儀用集成運(yùn)算放大器,對(duì)橋式輸出電壓放大處理。放大該集成放大器只需要改變?cè)鲆嬲{(diào)整電阻值RG的大小，即可獲得所需要的增益值A(chǔ)V，二者之間的關(guān)系為

AV=1+50 kΩ/RG

(5)

通過設(shè)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(hào)經(jīng)過流量采集電路和差分放大電路處理后，實(shí)現(xiàn)了將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。但仍需通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能被單片機(jī)進(jìn)行處理，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0804是一種單片集成的A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 μs，輸入電壓為0～5 V，可以滿足文中流量計(jì)設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 單片機(jī)控制與串口通信

本文控制系統(tǒng)選用8051單片機(jī)。模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器處理后將數(shù)字量輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)再通過串口電路將信號(hào)傳輸至上位機(jī)，單片機(jī)與PC機(jī)之間使用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，數(shù)字電路連接如圖5。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)字電路

3 測(cè)試與結(jié)果分析

為了測(cè)試橋式電路輸出電壓與流量值之間的關(guān)系，搭建了以下測(cè)試系統(tǒng)，如圖6(a)。檢測(cè)系統(tǒng)由壓縮空氣(提供氣源)、氣體穩(wěn)定器、標(biāo)準(zhǔn)流量傳感器、待測(cè)流量計(jì)及PC5個(gè)部分組成。測(cè)量時(shí)，流量信號(hào)通過設(shè)計(jì)的硬件檢測(cè)系統(tǒng)處理后，由單片機(jī)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(guān)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(cè)試流程及測(cè)試結(jié)果

標(biāo)定時(shí)，打開壓縮機(jī)模擬流量源，通過調(diào)節(jié)閥控制流量大小，流量信號(hào)通過設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)處理后，由單片機(jī)通過串口將數(shù)字量傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)中利用MATLAB采集信號(hào)，進(jìn)行擬合標(biāo)定，擬合結(jié)果如圖7所示。

圖7 流量傳感器標(biāo)定擬合曲線

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于MEMS技術(shù)熱溫差式流量傳感器,傳感器中熱源與上下游測(cè)溫電阻設(shè)計(jì)成懸空結(jié)構(gòu)，襯底上環(huán)境補(bǔ)償電阻與熱源通過硬件電路實(shí)現(xiàn)恒溫差工作模式。設(shè)計(jì)硬件檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行傳感器的測(cè)試及標(biāo)定，結(jié)果表明:傳感器性能良好，能夠應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域流量測(cè)量。