高性能MEMS熱膜式氣體流量傳感器設(shè)計.pdf

1、流量傳感器是一種使用十分廣泛的流量檢測前端器件，隨著智能化的普及，工業(yè)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域?qū)τ脕硗瓿闪髁恐悄芸刂频牧髁總鞲衅饕笤絹碓礁?。而以熱傳遞為基本理論的熱溫差型流量傳感器由于其所具有的優(yōu)越性能，已成為研究的熱點。本課題以此為出發(fā)點，以分析影響流量傳感器性能的因素為重點，設(shè)計了一種基于MEMS工藝的高性能熱溫差式氣體流量傳感器，并提出了一種新的流量傳感器外圍電路，實現(xiàn)了流量的精確測量。
　　采用有限元仿真軟件ANSYS分析了熱損

2、失、環(huán)境溫度變化、傳感器敏感元件自熱效應(yīng)等對熱式流量傳感器的影響，設(shè)計了一種新的電阻結(jié)構(gòu)懸浮的熱膜式氣體流量傳感器。分析表明:熱膜電阻懸浮的流量傳感器的性能要優(yōu)于一般傳感器，其熱量損失大大降低，靈敏度為一般傳感器的3.6倍，理論響應(yīng)時間僅為0.17ms，比一般傳感器低了好幾倍;在環(huán)境溫度及加熱電阻溫度改變的過程中，發(fā)現(xiàn)只要兩者的溫度差值維持恒定，則傳感器的輸出信號偏差較小;熱敏電阻在工作過程中會產(chǎn)生自熱現(xiàn)象，但當上下游熱敏電阻的功率接近

3、且較小時，傳感器的輸出信號比較穩(wěn)定。
　　在分析加工要求與約束的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工藝水平，討論可行的加工方案，設(shè)計掩膜版，制作了敏感芯片和流道，并進行了粘合和封裝。完成了所設(shè)計的流量傳感器芯片制作。
　　利用電路分析軟件，從環(huán)境溫度與加熱電阻溫度差值恒定的思路出發(fā)，結(jié)合目前補償方法存在的不足—導(dǎo)線引入誤差、環(huán)境溫度檢測電阻的自熱效應(yīng)使得其檢測出錯誤的環(huán)境溫度、加熱電阻受被測流體冷卻后使測量發(fā)生偏差以及供電電源波動的影響等，提

4、出了一種可行的補償方案，包括對前端信號采集電路的優(yōu)化和后續(xù)單片機電路的設(shè)計，使得影響流量傳感器測量性能的諸多因素被削弱，且控制也更靈活。通過分析驗證，在相同測試條件下，所提出的方法比常用補償方法的測試精度高出1.2％左右。
　　從分析熱溫差型微流量傳感器的熱敏電阻自熱對測量的影響出發(fā)，結(jié)合惠斯通電橋作為前端信號采集電路的不足，提出了相應(yīng)的解決方法。以恒流電路作為信號檢測前端電路，不但可以基本消除傳感器熱敏電阻自熱所造成的測量誤差，

5、而且改善了由于電源不穩(wěn)定給傳感器測量造成的影響。
　　根據(jù)提出的外圍電路方案，設(shè)計了PCB版，將其與普通注射器改裝成的標準流量發(fā)生器和單片機系統(tǒng)等一起構(gòu)成了流量傳感器測試平臺。通過在搭建的測試系統(tǒng)上編寫相關(guān)的測量軟件，實現(xiàn)了流量傳感器相關(guān)參數(shù)的測量。
　　經(jīng)過測試，加熱電阻溫度與環(huán)境溫度的差值恒定為60℃時，恒溫電路的恒溫誤差為0.37％（環(huán)境溫度10℃左右）及0.50％（環(huán)境溫度24℃左右），比現(xiàn)存的1％誤差要好一些，但是