MEMS氣體流量傳感器的簡(jiǎn)易流量測(cè)試裝置*

高 楊， 代 富， 席仕偉， 劉婷婷,3

(1.中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010；3.重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

MEMS氣體流量傳感器的簡(jiǎn)易流量測(cè)試裝置*

高 楊1,3， 代 富2， 席仕偉1， 劉婷婷2,3

(1.中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010；3.重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

為了完成所研制的MEMS氣體流量傳感器樣品的流量測(cè)試與標(biāo)定，設(shè)計(jì)制作了一種由標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器和傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路組成的簡(jiǎn)易流量測(cè)試裝置。標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器由注射器和可更換的砝碼組成，利用不同的砝碼配重，在注射器出氣口產(chǎn)生合適的恒定氣體流速。通過理論分析和Ansys有限元數(shù)值仿真，驗(yàn)證了簡(jiǎn)易標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器的可行性。傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路基于內(nèi)建多路A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有傳感器加熱電阻器的恒溫控制、流量信號(hào)的數(shù)字檢測(cè)和顯示的功能。采用該簡(jiǎn)易流量測(cè)試裝置對(duì)自行研制的MEMS氣體流量傳感器進(jìn)行了流量測(cè)試與標(biāo)定，獲得了待測(cè)器件的標(biāo)定參數(shù)、傳感器流量測(cè)量的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。

微機(jī)電系統(tǒng)； 氣體流量傳感器； 測(cè)試； 標(biāo)定； 有限元分析

0 引 言

氣體流量的測(cè)量已深入到工業(yè)控制、醫(yī)療、汽車、化工和制藥等領(lǐng)域[1,2]。流量傳感器的精度、穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)能力、智能化水平和性價(jià)比等指標(biāo)極大地影響著產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能耗等方面[3,4]。傳統(tǒng)的流量傳感器存在著很大的局限性[5]，“龐大”的體積不利于微流體的測(cè)量。隨著智能化發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)新型流量傳感器的需求越來越迫切[6]。

熱式氣體流量傳感器是基于傳熱學(xué)原理來測(cè)量氣體質(zhì)量流量的一種新型氣體流量傳感器，由于其機(jī)械與電路的結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單[7]，與傳統(tǒng)的渦輪流量傳感器、旋進(jìn)旋渦流量傳感器、差壓式流量傳感器、渦街流量傳感器等相比具有壓損小、精度高、測(cè)量范圍大、無可動(dòng)部件以及能夠測(cè)量極低流速等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而，在氣體檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展迅速[8,9]。

1974年，Van Putten和Middelhoek首次利用標(biāo)準(zhǔn)硅技術(shù)制作出硅流量傳感器。1980年代以來，微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展為流量傳感器提供了技術(shù)創(chuàng)新的新條件。經(jīng)過三十余年的發(fā)展，熱式氣體流量傳感器技術(shù)得到了長(zhǎng)足進(jìn)展,其敏感元件，從最初的p型擴(kuò)散電阻發(fā)展到今天的薄膜型p型多晶硅和n型多晶硅熱電堆;其襯底材料，從硅拓展到聚合物、有機(jī)物等材料;其電路結(jié)構(gòu)，從最初的惠斯通電橋發(fā)展到能進(jìn)行溫度補(bǔ)償且包括A/D轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)在內(nèi)的復(fù)雜電路;其制備工藝，從最初的雙極型工藝發(fā)展到今天的CMOS和MEMS工藝;器件的功能，也從多芯片實(shí)現(xiàn)一維流速測(cè)量發(fā)展到單芯片實(shí)現(xiàn)多維流速和多參數(shù)的測(cè)量(同時(shí)測(cè)量流速、流向、溫度、壓力等)[10, 11]。

為了實(shí)現(xiàn)高性能，本文研制了一種熱膜式MEMS氣體流量傳感器[12],并制作了流量傳感器的標(biāo)定與測(cè)試裝置，通過實(shí)驗(yàn)獲得了比較理想的參數(shù)。

1 器件制備

待測(cè)器件(device under test，DUT)為前述的電阻懸浮的熱膜式MEMS氣體流量傳感器[13～15]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，是硅微流道—敏感芯片(玻璃基板上的薄膜電阻)—硅微流道的夾層結(jié)構(gòu)。微細(xì)加工完成后的玻璃基板與上、下硅微流道采用硅—玻璃鍵合的方式形成如流量傳感器芯片整體，如圖2所示。

圖1 MEMS氣體流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Diagram of MEMS gas flow sensor

圖2 粘合后的流量傳感器芯片F(xiàn)ig 2 Conglutinated flow sensor chip

為了獲得可測(cè)試的DUT，將傳感器芯片封裝在一個(gè)殼體內(nèi)；硅微流道與外部流體管道連接，接頭處使用環(huán)氧樹脂密封；敏感芯片電氣引線焊接后引出。簡(jiǎn)易封裝后的DUT實(shí)物如圖3所示。

圖3 環(huán)氧樹脂密封的MEMS氣體流量傳感器Fig 3 Epoxy packaged MEMS gas flow sensor

2 測(cè)試裝置

測(cè)試裝置需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量，由傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路采集傳感器檢測(cè)信號(hào)，其構(gòu)成如圖4所示。

圖4 測(cè)試裝置原理框圖Fig 4 Principle block diagram of test device

2.1 標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器

目前，市面還沒有現(xiàn)成的專用于微流量傳感器標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器，為此，本文采用一個(gè)注射器改裝制作，其基本思路是：給注射器的注射手柄施加一個(gè)適量的恒力(如砝碼)，注射器出氣口將得到恒定氣體流速；通過改變作用在注射手柄上恒力的大小(如不同質(zhì)量的砝碼)可以得到一定范圍內(nèi)的氣體流速。

如圖5所示，注射器圓筒內(nèi)腔尺寸為φ4 cm×14 cm；注射器活塞直徑為4 cm，與注射圓筒直徑相同；流體出口內(nèi)徑為4 mm。

圖5 注射器和砝碼組成的標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器Fig 5 Standard flow generator composed of injector and weight

設(shè)環(huán)境溫度為25 ℃，設(shè)砝碼質(zhì)量為m，則施加到注射器手柄上的恒力為F=mg。設(shè)活塞與注射圓筒的壁面摩擦力f，由于活塞運(yùn)動(dòng)較慢，屬于低速運(yùn)動(dòng)，因而，忽略摩擦生熱對(duì)注射圓筒的影響，既可認(rèn)為摩擦力f恒定。因此，活塞平面上的壓強(qiáng)為也為一常數(shù)

(1)

取注射器出口平面高度為0基點(diǎn)，注射器活塞平面與出口平面的相對(duì)高度為h，由伯努利方程可得

(2)

式中 p為注射器活塞平面相對(duì)于出口平面的氣體壓強(qiáng)；p0為環(huán)境大氣壓強(qiáng)；ρ為氣體密度；v1和v2分別為注射器活塞平面與出口平面的氣體流速；pf為注射器活塞與內(nèi)壁面摩擦力導(dǎo)致的損耗壓強(qiáng)。

對(duì)于選取的注射器，h≤0.14，ρgh可忽略不計(jì)。聯(lián)立式(1)、式(2)，得到所施加的力與注射器出口的流速的關(guān)系

(3)

根據(jù)式(3)，在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，如果取較短的活塞行程，則可以忽略氣體密度ρ、活塞壁面摩擦導(dǎo)致的損耗壓強(qiáng)pf的變化，認(rèn)為注射器出口平面的氣體流速v2是一個(gè)恒定值，且可以用砝碼質(zhì)量m調(diào)整。

通過雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)來判斷管中流體的流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)是一種可用來表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)，以Re表示

(4)

式中 v,ρ,η分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為一特征長(zhǎng)度。

對(duì)于注射器改裝的標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器，流體為空氣，在環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，取黏性系數(shù)η=1.8×10-5Pa·s，密度ρ=1.29kg/m3。連接到流量標(biāo)定系統(tǒng)后，注射器中的流體流速v將受限于DUT的最大量程，因此,取v≤0.1m/s；根據(jù)注射器活塞平面與出口平面的尺寸，取特征長(zhǎng)度為d=4×10-2。

代入式(4)，得到該注射器中氣體流動(dòng)的雷諾數(shù)

(5)

一般管道中雷諾數(shù)Re<2 300為層流狀態(tài)，Re>4 000為紊流狀態(tài)，Re=2 300～4 000為過渡狀態(tài)。因此，本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器工作在層流狀態(tài)。

注射器的注射過程屬于流體動(dòng)力學(xué)范疇，Ansys中的FLUID141和FLUID142單元可解決管中流體的復(fù)雜三維流動(dòng)問題。根據(jù)注射器的結(jié)構(gòu)尺寸，在Ansys中建模，設(shè)定流體的邊界層流速為0，采用層流分析，流體出口相對(duì)進(jìn)口的壓強(qiáng)為0，給進(jìn)口施加一定壓強(qiáng)，則可得出不同壓強(qiáng)下注射器出口的流速。仿真得到的標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器的流速—壓強(qiáng)曲線，如圖6所示。在前面的解析計(jì)算中，忽略了注射器活塞的壁面摩擦力f。從圖6的仿真結(jié)果看，由于標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器的流速—壓強(qiáng)曲線具有良好的線性，可以認(rèn)為注射器活塞的壁面摩擦力f對(duì)標(biāo)定所需的恒流速的穩(wěn)定性沒有影響，僅相當(dāng)于砝碼配重的系統(tǒng)誤差。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器的流速—壓強(qiáng)曲線Fig 6 Flow rate-pressure curve of standard flow generator

2.2 傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路

MEMS氣體流量傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路如圖7所示，其主要功能是：傳感器加熱電阻器的恒溫控制，流量信號(hào)的數(shù)字檢測(cè)和顯示。

流量信號(hào)檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)加熱電阻器Rh，環(huán)境熱敏電阻器Rt，以及傳感器上、下游熱敏電阻器Ru和Rd的信號(hào)采集與處理。選用片內(nèi)集成8路10 bit A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)STC12C5A60S2完成溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、恒溫控制、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等功能。其中，溫度檢測(cè)和恒溫控制功能是為了抑制環(huán)境溫度對(duì)傳感器性能的影響。選用TI公司10 bit A/D轉(zhuǎn)換器芯片TLC5615完成溫度檢測(cè)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。流量信號(hào)顯示采用8位數(shù)碼管。

圖7 MEMS氣體流量傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路Fig 7 Signal read-out and data acquisition circuit of MEMS gas flow sensor

3 測(cè)試結(jié)果與分析

采用圖5所示由注射器和可更換的砝碼組成的標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量(流速)，采用圖7所示MEMS氣體流量傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路檢測(cè)并顯示DUT輸出的流量信號(hào)，兩者比對(duì)得到傳感器的標(biāo)定曲線。

采用單片機(jī)STC12C5A60S2片內(nèi)集成的10 bit A/D轉(zhuǎn)換器采集傳感器輸出信號(hào)A，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量D為

(6)

式中VADC為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。

標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器產(chǎn)生n個(gè)不同的流速(v1,v2,v3,v4,…,vn)，則DUT輸出對(duì)應(yīng)的n個(gè)電壓(u1,u2,u3,u4,…,un)、測(cè)試裝置采集到對(duì)應(yīng)的n個(gè)數(shù)字量(D1,D2,D3,D4,…,Dn) ，其中,n≤1024。

考慮到MEMS氣體流量傳感器的量程，流速單位為mm/s。一只DUT的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，流速與數(shù)字量有良好的線性關(guān)系。為了獲得標(biāo)定參數(shù)(偏值、線性系數(shù)和二階系數(shù))，采用Matlab對(duì)表1中的11組標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法的二次曲線擬合。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)連接曲線與二階擬合曲線的比較，如圖8所示。從圖中可以看出，二階擬合曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。從Matlab中獲取這只DUT的二階擬合多項(xiàng)式

v=-6×10-4D2+2.1D-1,

(7)

式中D為單片機(jī)STC12C5A60S2片內(nèi)10 bit A/D轉(zhuǎn)換器采集到的DUT輸出數(shù)字量，v為數(shù)字量D對(duì)應(yīng)的流速。

對(duì)于這只DUT，式(7)即為標(biāo)定后的傳感器輸入—輸出特性。通過式(7)計(jì)算得到的流體速度，與微流道的截面積相乘，即可得到DUT的流量。

圖8 一只DUT的測(cè)試數(shù)據(jù)及其二階擬合曲線Fig 8 Test datas of a DUT and its sencond-order fitting curve

從表1可以看出：1)0～1 400 mm/s流速范圍內(nèi)，隨著流速的增加，傳感器流速測(cè)量的絕對(duì)誤差越來越大，但流速的相對(duì)誤差基本穩(wěn)定，平均值約為4.3 %；2) 在流速量程的中段，流速測(cè)量的相對(duì)誤差最大，達(dá)到7.62 %。

表1 一只DUT的流量測(cè)量結(jié)果Tab 1 Flow measurement results of a DUT

4 結(jié) 論

為了完成所研制的MEMS氣體流量傳感器樣品的流量測(cè)試與標(biāo)定，設(shè)計(jì)制作了一種由標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器和傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路組成的簡(jiǎn)易流量測(cè)試裝置。標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器由注射器和可更換的砝碼組成，利用不同的砝碼配重，在注射器出氣口產(chǎn)生合適的恒定氣體流速。通過理論分析和Ansys有限元數(shù)值仿真，驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生器的可行性。傳感器信號(hào)讀出與數(shù)據(jù)采集電路基于內(nèi)建多路A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器加熱電阻器的恒溫控制、流量信號(hào)的數(shù)字檢測(cè)和顯示的功能。采用該簡(jiǎn)易流量測(cè)試裝置，對(duì)自行研制的MEMS氣體流量傳感器DUT進(jìn)行了流量測(cè)試與標(biāo)定，獲得了DUT的標(biāo)定參數(shù)、流量測(cè)量的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，證明這種簡(jiǎn)易的流量測(cè)試裝置適用于MEMS氣體流量傳感器的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和標(biāo)定。

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Simplified flow test device for MEMS gas flow sensors*

GAO Yang1,3， DAI Fu2， XI Shi-wei1， LIU Ting-ting2,3

(1.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China； 2.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China； 3.Key Laboratory of Optoelectronic Technology and System,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

To fulfill flow test and calibration of the developed MEMS gas flow sensor prototypes,a simplified flow test device composed of standard flow generator and a signal read-out and data acquisition circuit is designed and fabricated.The standard flow generator is composed of an injector and a variable weight,with a variable weight,a series of suitable constant gas flow rates can be generated at the injector outlet.Feasibility of the simplified standard flow generator is verified by theoretical analysis and numerical simulation with the Ansys software.The sensor read-out circuit and data acquisition circuit are realized based on microcontroller with multi-channel built-in A/D convertors,which has functions as constant temperature control of sensor heater,digital detection and display of flow signals.Using the simplified flow test device,flow test and calibration on the developed MEMS gas flow sensor prototypes is accomplished.Calibration parameters,absolute error and relative error of flow tests of sensor is obtained.

micro-electro-mechanical system(MEMS); gas flow sensor; test; calibration;finite element analysis(FEA)

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0109—04

2014—01—09

中國工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(2012CJMZZ00009)；重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室訪問學(xué)者基金資助項(xiàng)目(2013MS04)；西南科技大學(xué)制造過程測(cè)試技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(11ZXZK03)；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(13YCJJ31,13YCJJ36)

TH 814; TF 068.23

A

1000—9787(2014)08—0109—04

高 楊(1972-)，男，四川綿陽人，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)镸EMS。