熱隔離式MEMS氣體流量傳感器的設(shè)計(jì)

徐洋

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧省撫順市 113122 2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

微機(jī)電系統(tǒng)MEMS 概念最早被提出是在1988年，最初是由美國加州大學(xué)伯克利分校Tai 等人，通過利用微電子平面加工技術(shù)研制出直徑為100 微米硅微機(jī)械馬達(dá)，將機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路集成在了一個芯片當(dāng)中，讓人們看到了完整的微型機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可能。因此，MEMS 的概念應(yīng)運(yùn)而生，并成為了國際研究重點(diǎn)話題。石油化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中，由于其中含有易燃易爆物，必須要對整個生產(chǎn)線進(jìn)行控制，并實(shí)時監(jiān)測整個產(chǎn)生系統(tǒng)的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可以及時報警、啟動救援系統(tǒng)，避免危害進(jìn)一步增加。而基于熱隔離式的氣體流量傳感器，不需要額外設(shè)置壓力傳感器、溫度傳感器，可以有效的測量氣體質(zhì)量流量。在實(shí)際應(yīng)用中，MEMS 具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。由此可見，加強(qiáng)熱隔離式MEMS氣體流量傳感器設(shè)計(jì)工作有著重要意義。

1 MEMS芯片結(jié)構(gòu)與工作原理

MEMS 芯片中包含了4 個鉑電阻，包括環(huán)境電阻、上游測溫電阻、加熱電阻、下游測溫電阻。氣體流入系統(tǒng)中環(huán)境電阻可以直接測量氣流溫度，通過加熱電阻對溫度補(bǔ)償，產(chǎn)生恒溫差電阻，剩余電阻采用正面濕法腐蝕產(chǎn)生相互隔離懸空結(jié)構(gòu)，間隔量為240μm。該懸空熱隔離結(jié)構(gòu)相比三根電阻處在相同薄膜結(jié)構(gòu)，加熱電阻熱力借助氣體介質(zhì)傳輸?shù)缴舷掠螠y溫電阻當(dāng)中，這樣有助于避免經(jīng)過膜傳導(dǎo)造成的熱損失問題，進(jìn)一步提升了氣體流量監(jiān)測效率、反應(yīng)速度。溫差電阻主要是加熱電阻、環(huán)境電阻形成，也就是加熱電阻相對流入氣體要高出一定的數(shù)值，加熱電阻兩側(cè)均勻分布上下游測溫電阻，如果沒有檢測到氣體流量（為0 時），加熱電阻生成的熱能會讓上下游測溫電阻溫度同時提升。如果檢測到氣體流量時，則控制上游電阻升溫高度，而下游電阻會持續(xù)升溫，直到能夠滿足系統(tǒng)恒溫為止，結(jié)合測溫電橋輸出電壓即可獲取到流量值。

2 傳感器模型與工藝制備

2.1 傳感器模型

熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器是以托馬斯的“流體的熱傳遞與其質(zhì)量流量成正比”理論為基礎(chǔ)提出的新型設(shè)備。流體在流動當(dāng)中加熱元器件兩側(cè)溫度分布有一定規(guī)律可循，通過反演流速得出測量結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，具有探測范圍廣、靈敏度高、分辨流向能力強(qiáng)等優(yōu)勢，有助于進(jìn)一步朝向多功能化、微型化方向發(fā)展。因此MEMS 氣體流量傳感器已經(jīng)成為了當(dāng)下微流量傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

以MEMS 為基礎(chǔ)的氣體流量傳感器中，熱敏電阻器在加熱電阻器兩端，如果流體靜止不動時，熱量分布圖以熱源為中心呈正態(tài)分布形式；氣體流動產(chǎn)生熱力偏移情況時，會導(dǎo)致上下游熱敏電阻器阻止產(chǎn)生變化。通過惠斯登電橋?qū)⑺秒娮柚缔D(zhuǎn)化為相對應(yīng)電橋輸出量，即可推算出氣體流速量。傳統(tǒng)的MEMS 溫差流量傳感器集成了連個電阻器，外部連接了連個電阻器，容易受到外部環(huán)境的負(fù)面影響，一旦產(chǎn)生了外界干擾問題，產(chǎn)生偏移問題后會直接影響電橋輸出，對流速測算造成很大的干擾。而在設(shè)計(jì)中采用熱隔離式可以有效避免溫差效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，通過熱隔離降低熱輻射，保證氣體流量檢測精度，同時要重點(diǎn)考慮電阻器的集成，并且讓初始值相等，這樣整體結(jié)構(gòu)就變得更加簡單，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相關(guān)文獻(xiàn)還表明了電橋輸出電壓和流體特性、流速、傳感器結(jié)構(gòu)、材料密度有直接關(guān)系。在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以有效調(diào)節(jié)加熱電阻、熱敏電阻器距離，控制電橋輸出電壓，保證整個系統(tǒng)的靈敏度。

2.2 工藝制備（硬件框架設(shè)計(jì)）

本文所提出的熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，因此要保證傳感器硬件系統(tǒng)可以滿足化工環(huán)境生產(chǎn)要求。設(shè)計(jì)中將熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器將那熱敏電阻器硅基掏空，這樣有助于減少襯底熱傳導(dǎo)，發(fā)揮熱隔離的效用，保證氣體流量監(jiān)測的靈敏度、反應(yīng)速度。硬件選擇電阻溫度系數(shù)較大的Pt 熱敏電阻器，溫度系數(shù)為3.908*10-3/℃。結(jié)合MEMS 傳感器模型理論，電橋輸出電壓和溫度系數(shù)成正比，溫度系數(shù)增加也會增大輸出電壓，有助于提升傳感器靈敏度。再加上Pt 熱敏電阻器化學(xué)惰性高，加工工藝在多年發(fā)展中十分成熟，保證了電阻器在石油化工領(lǐng)域中應(yīng)用的穩(wěn)定性。SU-8 光刻膠具機(jī)械性能強(qiáng)、密封性好、抗腐蝕性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、電阻率高，因此在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用也十分廣泛。硬件設(shè)計(jì)流程為：

（1）硅基底LPCVD 上增加一層 Si3N4。

（2）使用正膠光刻技術(shù)，獲取熱敏電阻器、加熱電阻器圖形。

（3）磁控設(shè)置一層Cr/Pt,厚度為30nm/100nm，完成熱電阻器、熱敏電阻器。

（4）利用正膠光刻獲取電極圖形，磁控增設(shè)一層Cr/Au，厚度為30nm/300nm，完成電極[2]。

（5）背面正膠光刻，熱敏電阻下放的硅要暴露出來，深刻蝕硅層，將熱敏電阻器下方硅層控制在10μm。

（6）在硅片表面上涂一層AZ4500 厚膠，在顯影后即可完成溝道模具。

（7）使用SU-8 膠制作的溝道與熱面電阻器契合密封，得出隔熱式MEMS 流量傳感器芯片。

3 熱隔離式MEMS氣體流量傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合MEMS 原理設(shè)計(jì)熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器系統(tǒng)，整個傳感器系統(tǒng)中涵蓋了恒溫差電路、上下游測溫電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)電路。

3.1 恒溫差電路

恒溫差電路系統(tǒng)要分別在PCB 板上安裝R1、R2、R3 三個電阻，芯片上兩個電阻分別為Ra 和Rb，芯片中的Ra 電阻引線分別與R1和R3 連接，Rb 電阻引線與R2 連接，兩個線路為并聯(lián)電阻，并聯(lián)線路分別為連接AD8628，形成反饋回路。AD8628 為單電源供電，失調(diào)電壓為1μV，同時可以實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入輸出功能。結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)防的虛短虛斷特性，即可得出外部電阻適應(yīng)值，實(shí)現(xiàn)電路恒溫差[3]。實(shí)現(xiàn)恒溫差，要結(jié)合以下公式：

公式中，α 表示薄膜鉑電阻溫度系數(shù)，相對鉑體材料溫度系數(shù)低一些；R0 表示環(huán)境電阻在0℃溫度的電阻；△T 表示溫差。

3.2 上下游測溫電路

惠斯通電橋是由上下游測溫電阻組成，PCB 板外部電阻為Rs、Rx，二者取相同阻值。嚴(yán)格控制兩路阻值，如果阻值過小，會造成Rs、Rx 電流增加，增加自身發(fā)熱量；阻值過高會造成電橋輸入電壓過小，降低信噪比。綜合取值中，電橋電壓為3V、Rs 取值為3kΩ、Rx 取值1.5kΩ。

3.3 單片機(jī)電路

采用增強(qiáng)型單片機(jī)，最新增強(qiáng)型單片機(jī)具備8K 字節(jié)程序存儲空間、512 字節(jié)SRAM。內(nèi)部集成512 字節(jié)EEPROM，借助應(yīng)用編程IAP 技術(shù)與程序空間分開一塊flash 空間共同組成EEPROM，用于標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲。本程序采取UART 串口燒錄，后續(xù)更新、升級較為方便。流量值采用UART 串口直接輸出數(shù)字量，這樣無須對模塊轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)功能，應(yīng)用更加便捷[4]。借助復(fù)合支撐薄膜的電調(diào)制紅外輻射源，實(shí)現(xiàn)信息采集，串口與微孔粉塵過濾器、低溫除濕器連接，可以實(shí)時采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，第一時間掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了MEMS 與IC 集成。

3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用HX711，該芯片為24 位，具有穩(wěn)壓電源集成功能，通過搭配少量外部元件即可為傳感器提供電能，如HX711芯片可以為電橋提供3V 電壓。電源輸出量可控，分別為10Hz、80Hz 輸出速率，可以根據(jù)用戶實(shí)際情況進(jìn)行選擇。HX711 中內(nèi)部還集成了低噪聲可編程放大器，分別對兩個通道A 和B 進(jìn)行增益，其中，通道A 增益量為128 倍或64 倍；B 通道增益量為32 倍，負(fù)責(zé)放大上下游測溫電路輸出電壓，結(jié)合電壓輸出范圍，正確選擇通道A 的增益[5]。共模電壓輸入量相比地電壓高1.2V、相比低電源電壓少1.3V。這樣即可通過電阻作用讓分差電壓共模電壓提升到合理范圍內(nèi)。

3.5 管道結(jié)構(gòu)

管道只要是借助開模注塑工藝，內(nèi)徑采用葫蘆形設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)管道長度為105mm，接口口徑為5mm，之后逐漸擴(kuò)大到12mm， 最后在逐漸縮小到8mm，在管道側(cè)壁中設(shè)置芯片。這種管道設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)，可以讓氣流經(jīng)過更加穩(wěn)定。在管道中設(shè)置過濾網(wǎng)，可以進(jìn)一步穩(wěn)定氣流，同時還起到了防塵作用。

3.6 標(biāo)定

可能受到人為因素、自然因素影響造成傳感器的性能差異，例如芯片阻值差、芯片在管道裝配位置等，這就要標(biāo)定傳感器。壓縮空氣經(jīng)過氣流穩(wěn)定器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)流作用，借助穩(wěn)定器的調(diào)控按鈕對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，待標(biāo)定流量傳感器和商業(yè)流量傳感器氣路串聯(lián)。調(diào)節(jié)時將流量調(diào)節(jié)為，之后逐次調(diào)節(jié)流量點(diǎn)，單片機(jī)會逐漸獲取HX711 中模數(shù)轉(zhuǎn)換值，借助串口將模數(shù)轉(zhuǎn)換值傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)通過采集傳感器所采集的流量值，對所采集的多個流量點(diǎn)采用MATLAB 進(jìn)行擬合。在完成了數(shù)據(jù)擬合完成后，均分A/D 值，將傳感器采集數(shù)據(jù)形成的曲線圖和A/D 值均分步距存入單片機(jī)EEPROM 中。在完成了標(biāo)定工作后，單片機(jī)會結(jié)合存儲的A/D 值，根據(jù)內(nèi)部編程設(shè)定完成的查表推算流量值。該標(biāo)定方法可以同時對多個串口連接傳感器進(jìn)行標(biāo)定，上位機(jī)也可以直接獲取多線路待標(biāo)定傳感器A/D 值[6]。

上述標(biāo)定方法，可以對單片機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，電源為單片機(jī)提供電能之后，串口得到傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)后，將標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲到EEPROM 中。如果是未標(biāo)定，直接由串口輸出A/D 值，并將A/D值上傳給單片機(jī)；完成標(biāo)定直接通過查表輸出流量值。

4 熱隔離式MEMS氣體流量傳感器功能與應(yīng)用

本設(shè)計(jì)方案主要是控制、監(jiān)控石油化工生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)設(shè)備集成生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測以及應(yīng)急救援功能。其主要表現(xiàn)在：

4.1 生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)測

借助復(fù)合支撐薄膜的電調(diào)制紅外輻射源，單片電容式硅基微傳聲器，負(fù)責(zé)采集設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的紅外線輻射量，判定生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行情況。傳感器負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)設(shè)備的紅外輻射，將紅外輻射數(shù)據(jù)通過串口（標(biāo)定之后）傳遞給單片機(jī)EEPROM，根據(jù)查表信息判定熱輻射數(shù)據(jù)是否滿足正常生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。通過借助PLC、微孔粉塵過濾、低溫除濕技術(shù)，根據(jù)單片機(jī)EEPROM 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)下達(dá)操控指令，控制機(jī)械運(yùn)行參數(shù)、管路粉塵過濾、調(diào)節(jié)環(huán)境濕度，自動化完成生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了MEMS 和IC 工藝的集成[7]。

4.2 應(yīng)急救援

在MEMS 氣體流量傳感器系統(tǒng)基礎(chǔ)上，配套工業(yè)級長光程氣體池及光路系統(tǒng)，集成優(yōu)化光源與檢測器，借助PLC、傳感器系統(tǒng)、上位機(jī)，開發(fā)儀器自動操控軟件、可擴(kuò)充多氣體分析軟件，如果串口標(biāo)定數(shù)據(jù)與EEPROM 查表數(shù)據(jù)不符，上位機(jī)自動操控軟件可以自動斷開故障線路，在不影響其他區(qū)域正常功能情況下將故障損失降到最低；同時根據(jù)氣體流量實(shí)際數(shù)值，上位機(jī)可擴(kuò)充多氣體分析軟件對所采集的氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由上位機(jī)統(tǒng)一下達(dá)操控指令，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援。通過一整套的在線監(jiān)測系統(tǒng)，以傳感器采集、串口傳輸、單片機(jī)分析、上位機(jī)控制，從而形成一套完整的化工區(qū)域安全監(jiān)測及突發(fā)應(yīng)急救援系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文重點(diǎn)提出了一種熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和實(shí)際應(yīng)用功能。傳感器能量測量的氣體流量可以有效滿足石油化工企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測、控制標(biāo)準(zhǔn)，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、應(yīng)用便捷，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，未來傳感器系統(tǒng)功能還會進(jìn)一步完善。