热式MEMS气体质量流量计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：陈光远（1993），男，汉族，江苏金湖人，本科，江苏华尔威科技集团有限公司，初级职称，研究方向计算机软件及应用。-76-热式 MEMS 气体质量流量计 陈光远 陈雪中 程来杰 陈雪松 江苏华尔威科技集团有限公司，江苏 淮安 211600 摘要：摘要：研究设计了一款精度高、响应速度快，重复性好，功耗低，同时依靠复杂流场模型、多数据融合算法和温湿度混合气体流量补偿算法的热式 MEMS 气体质量流量传感器，设计有高可靠性的气体质量流量控制器的信号放大、控制、检测电路设计，采用百分百国产自主芯片完成系统硬件电路设计，提供自主知识产权的检测介质测量模型软件功能。经过研究，本文研制的热式 MEMS 质量流量计具有出色的精度、快速响应、良好的重复性和低功耗等优点，可以用来测量微小流量。关键词：关键词：流量传感器；电路设计；微小流量 中图分类号：中图分类号：TH81 流量是生产过程中不可或缺的变量，它不仅是能源计量的基础，也是实现可持续发展的关键因素。它在确保产品质量、提升效率、节约能源等方面扮演着至关重要的角色。特别在工业生产中，流量是经常需要测量和控制的重要参数之一，由于流量测量技术的复杂性，以及科学技术的迅速发展对流量计量提出了更新、更高的要求，流量计量的性能远不能满足当前精细化生产、智能化改造、数字化转型的需要，尤其是石油化工、电力、食品加工、汽车等行业对一些微小流量测量的需求。起初用于流量测量的传感器大多只能间接地测量流量，因此数据的可靠性得不到保障，导致工业生产无法更进一步，上个世纪中期微电子机械系统（MEMS）设想的提出使质量流量传感器的发展转向微型化、无干扰、集成度高的方向。在国外，主要有荷兰、瑞士、美国和日本等技术发达国家，他们利用先进的半导体技术大力的发展热式流量传感器，并且已经取得了一定的成果。如加拿大生产的塞尔瑟斯 TF 系列热式气体流量计，德国生产的赛多利斯热式气体流量计，包括核级热式质量气体流量计在内的众多工业用高精度流量计，大多使用西门子、ABB、艾默生、科隆、霍尼韦尔等国外企业的产品。但总的来看，目前市场上这类产品之间并不兼容，应用也还没有普遍化，高精度、符合客户要求的热式气体质量流量传感器还在进一步的研制中。世界上生产热式气体质量流量计的有美国的 FCI(FLUIDCOMPONENTS INTL)公司、美 国 的 FOX 公 司、美 国 的 布 鲁 克 斯 (BROOKS INSTRUMENT)公司、美国的 KURZ 公司、德国的 BOSCH 公司、韩国的 IENTEK 公司、加拿大的 SAILSORS 公司等。在 1964 年，FCI 公司研制出了第一台热式气体流量开关，目前该公司的流量开关和流量计在国际市场的占有率在美国权威杂志的综合评比均领先于其它产品，该产品在中国的石化行业当中也有较多的应用。我国对基于MEMS技术的微型热式流量传感器研究较国外晚十多年，但研究的起点较高。1999 年，清华大学周兆英等人设计了谐振式气体流量传感器，据测试，该传感器在 1200ml/min 范围内的气体流量下，可以保持良好的线性度。2007 年，其课题组团队的常红梅对德国 Bosch 公司的热膜式气体流量传感器进行了深入分析，制备出具有温度补偿、测量重复性好的热膜式气体流量传感器。2013 年，哈尔滨工业大学的刘亮等人采用 PI 材料为基底，以金属镍为热敏材料，结合 FPC 工艺，研制出一种测量精度为0.1m/s、低功耗的柔性热膜式气体质量流量传感器，该传感器的测量范围为 0-10m/s，金属薄膜电阻最小线宽为 40m，测量范围相比其他热膜式气体流量传感器有了较大提升，但是器件尺寸较大。2019 年，华南理工大学的李初阳研发了一种边界层恒功率式热式流量计。该研究采用了微机电系统工艺的温度传感器，该流量计能有效减小流场的不规则流动对测量的干扰，有较高的灵敏度。目前国内MEMS气体传感器的研究水平无论在功能，还是灵敏度可靠性等方面，都与国际先进水平存在很大差距，但也有很多企业在对 MEMS 技术的研究上从未停止过脚步，例如，明石微纳推出的 MSFM4000 气体流中国科技期刊数据库 工业 A-77-量传感器采用微机电系统(MEMS)流量传感芯片，具有宽测量范围、高灵敏度，可靠性，高稳定性和低成本的性能特点。气体流量计发展至今，国内采用的传感器主要有热式传感器、容积式传感器和压差式传感器等，这类流量计技术成熟，性能可靠，精度也能满足要求。但是这些流量计大都是机械式设备，应用于生化、医疗等领域就显得不太合适，往往存在起始量程偏大，测量范围小，需要温度压力补偿以及体积重量偏大等问题。传统的流量传感器已很难胜任，迫切需要 MEMS 微流量流体传感器的重大突破与实用化，因此本文的目的在于设计一款具有重复性好、功耗低、高灵敏度的热式 MEMS 气体质量流量传感器，用以满足某些需要检测小流量的场合。该热式MEMS气体质量流量传感器的研发具有巨大的社会价值和经济价值，能够填补国内微小流量传感器在研发设计和生产制造上的空白，满足化工、石油、电力等重要行业对微小流量测量的需求，能够打破国外垄断，替代部分国外产品。同时也能为行业提供技术借鉴与指导，对我国微小流量传感器的研发和生产有一个很大的推进作用，对相关产业的转型升级和高质量发展、专业人才的培养有着重要的意义。1 结构与原理 二代热型气体流量传感器是随着微电子技术的迅速发展而产生的，它是对第一代热型传感器件的一种改进。其优点是体积小，成本低，灵敏度高。它的基础是托马斯学说1：气体放出的热量或吸收的热量与该气体的质量流量成正比。这类芯片设计加工的难点在于敏感薄膜的制备和电阻器的加工。电阻器作为加热体，用以对流过管道的气体进行加热。敏感薄膜作为传感器，用以检测温度场的变化。通过建立温度与输出电压的数学关系，根据温度场的变化所得到的温差得到传感器输出电压的变化。再建立输出电压与流道流量的数学关系，从而导出流道中的流量。热式 MEMS流量传感器按其工作原理可分为热损失型、热脉冲型和量热型三大类23。本论文所研制的传感元件为量热式。它的工作方式在图 1 中显示。从图 2 中可以看出，该传感器主要由加热电阻、温度电阻、基板和空气流道构成45。通常采用铂电阻器，它可以将热量均匀地和稳定地辐射到两个温度传感器上。在没有外加流体的情况下，加热源在其周围产生稳定均匀的热场。由于热传导作用，对称于加热源的两个测温元件有着相同的温度，理论上此时两元件的温度差为零。根据电阻的热效应，温度升高时，两测温电阻的阻值会上升，阻值变化的数值一致。当施加流量时，由于流体的运动，加热源及其周围的热场不再分布均匀，而是按一定阶梯分布，两侧测温元件处的温度不一致，阻值的变化量也不相同。此时可通过上下游的测温元件之间的温度差 T间接反应流速大小。通过设计惠斯通电桥，就可以测量由于温度差导致的阻值差，进而可以测量流速67。图 1 量热式流量传感器工作原理 图 2 量热式原理示意图 2 流量传感器测试系统设计 流量传感器为气体专用，可测量各种气体的质量流量。流量传感器的基本构成由测量流量的 MEMS 流量传感器芯片、放大其输出的放大电路、以及根据用途经 CAE(computer-aided engineering)优化的流路结构构成。由于气流是矢量流，因此这三个构成要素的优化设计非常重要。图 3 测试系统结构框图 本文设计的传感器测试系统如图 3 所示。系统主要包括两大部分：传感器的硬件电路和信号的采集、中国科技期刊数据库 工业 A-78-处理和发送系统电路。其中的传感器硬件电路包含恒温压差电路、测温桥式电路和信号调理电路，而信号的采集、处理和发送系统电路包括信号采集电路、单片机控制电路和串行通讯电路。2.1 恒温压差电路 恒温压差电路用于稳定加热元件的工作温度。这个电路是一个反馈放大电路，由电阻和放大器组成。电路原理如图 4 所示，R1、R2、R3 是外部电阻，主要用于限流和分压；RR 值和 RH 值是 MEMS 流量传感器的环境电阻值和加热器电阻值。整个电路相当于一个负反馈系统。图 4 恒温压差电路 具体参数分析如下：RR 的数值是由芯片的加工工艺所决定的，其为 206 ohm，当设置的加热温度为 200时，依据铂电阻的特性曲线可以得到大概阻值在 306 ohm，依次选择 R3 阻值为 100 ohm，R1 和 R2 的阻值为200 ohm 的电阻。2.2 测温电桥电路 图 5 测温电桥电路 传感器的测温电桥电路结构如图 3-3 所示，电桥由上游测温电阻 RU、下游测温电阻 RD 和传感器上的温度补偿电阻 R6，R7 构成。在测温电桥电路后配置放大电路，来实现输出电压的调幅。当加热电阻加热形成稳定的流场时，RU、RD 的阻值相同，在施加流速的情况下，会导致 RD RU，因而能够形成电压信号。上下游测温电阻间应满足的关系如下：10UTRRU 10DTRRD 式中：铂电阻的温度系数，=2.410-3/K；R0温度为 273K 时，测温电阻的阻值；电阻 R6 和 R7 的阻值设定为 R；RU、RD分别为上下游测温电阻随温度变化后的值，二者的温度差值为：UDTTT 同时，在上游和下游温度测量电阻间的匹配关系：TRRURD0 当有气体通过传感器时，测量电桥将会产生压差：CCVRRURURRDRDV 结合公式（4）和（5）可得：CCVRRURRDTRRV)(0 化简公式可得：CCVRRURRDTRRV110 其中 RD、RUR,所以测温电路所输出的压差约为：CCTVRRV0 在传感器芯片中，由于上下游测温元件阻值变化率与气体流速的热交换速率等同，所以温差T 与气体质量流量会成正比例关系：GKTc 式中 K 是常数、G 是质量流量、c 是比热容。把公式（9）带入公式（8）可得到输出表达式：KcGVRRVCC0 从式（10）可看出，理论上测温电路输出的压差正比于气体质量流量，所以设计的温度测量电路合理。2.3 信号调理电路 信号调理电路主要由信号放大电路和滤波电路等构成，用于测温电桥输出压差的整定。中国科技期刊数据库 工业 A-79-2.3.1 信号放大电路 测温电路输出的差压信号很弱，只有毫伏特，因此当压差信号经过放大器时，可以得到需要的适当的电压。本文选取 INA128 的运放，其放大倍数是取决于一个外接电阻的大小，因此可以选择外接电阻的大小来取得相应的放大倍数，工作十分简便。选取放大器的放大倍率可以达到 1000 倍。桥型温度测量电路的输出电压差值是毫伏，因此需要放大 100倍及以上。根据差分放大器的电压增益公式：GVRKA501 所以选择外接电阻 RG 的取值为 50ohm。此时放大倍数大致为 101 倍，满足实验要求。模拟电路如图 6所示。图 6 信号放大电路 2.3.2 滤波电路 为了降低杂乱的波形对系统的影响，在放大器之后，我们还采用了一个低通滤波器来过滤放大信号，使得输出信号不易对系统造成干扰。设计滤波电路如图 7 所示。图 7 滤波电路 2.4 信号采集传输电路 2.4.1 信号采集传输电路硬件设计 图 8 为实现由微处理器和周边线路组成的传感数据信号的获取与处理发送的电路板。本设计采用 MCU（STM8L152）作为核心，并配备了复位、下载、串口通信等相关的外围电路。本文利用 STM8L 实现传感器数据采集以及串口通讯等功能。根据使用情况以及想要实现的功能可以确定单片机的型号。选择的STM8L152C6T6，该型号有 32K 的 Flash、内部集成有USART、12 位 ADC 等资源可以满足日常的测试。图 8 信号采集传输电路 2.4.2 信号采集传输电路软件设计 流量检测系统的信号采集传输是通过采集MEMS流量传感器输出的电压信号，通过 ADC 芯片对信号进行采集处理，实现模拟信号对数字信号的转换，进而实现与上位机的数据通讯功能。整个信号采集传输板的核心就是 STM8L 微处理器。信号采集和传输的功能由STM8L 及其配套电路来实现。图 9 展现的是 STM8L 的工作流程。首先在上电时，MCU 初始化所有的驱动程序，包括对用到的 IO 引脚进行初始化，对 USART 进行初始化。在初始化之后 STM8L 进行 AD 采样。单次的采样数据可能存在一定的波动误差，我们选择多次，之后对数据进行均值处理，就得到了电压信号。之后通过串口通信，将我们的每次采集到的电压信号以数字信号的形式传输给上位机。图 9 STM8L 工作流程图 中国科技期刊数据库 工业 A-80-3 测试原理及结果 图 10 测试系统原理 图 11 测试结果 为了测试传感器的性能，考虑到传感器的测量范围，在测量范围内以毫米每秒为单位，采用压缩空气作为风源，利用质量流量控制器对流速进行调整，获得了在各种速度下的测量结果。测试传感器性能的系统原理如图 10，结果如图 11。4 结论 该项目结合当前气体质量流量计的市场以及生产过程的实际需求，在原有产品设计基础上，针对热式流量传感器研发、热式流量传感器生产设备、气体质量流量计软模型、控制器立项展开行业标杆课题研究，综合运用先进的、稳定的、可靠的、前沿的流量计产品技术以及前沿的传感器技术形成全新的高可靠性、高智能化的气体质量流量计系列产品。本文介绍了恒温压差电路、测温电桥电路、信号调理电路等设计方案。试验结果表明，在某一流速下，输出电压与流量的关系近似为直线关系。证明该 MEMS 流量传感器系统简单、测量精度高，能在石油、化工、冶金等行业客户中进行推广使用。参考文献 1林煌.高精度微型量热式 MEMS 气体流量传感器研究D.北京:北京化工大学,2022.2马静.热式质量流量计的设计及优化D.太原:中北大学,2021.3肖世瑾.MEMS 热式质量流量传感器研制D.济南:山东大学,2021.4许奎伟,李经民,李名扬,丁来钱,郭利华.新型 MEMS 流量传感器的设计与制作J.机电技术,2020(5):18-21.5俞植馨.热式气体质量流量计的改进研究D.济南:山东大学,2020.6黄延禄,李初阳,王庆标.热式气体质量流量计的设计与计算J.自动化与仪表,2019,34(5):67-71.7吕丽.热式质量流量计的设计及应用D.北京:北京工业大学,2014.