热膜式气体质量流量传感器的研制

热膜式气体质量流量传感器的研制 摘要：本文在简单阐述热式气体质量流量传感器的基础理论之上，对传感器敏

感头芯片热敏电阻材料的选取、热敏电阻的结构设计和制备、信号处理电路设计等方面进行了理论分析。本文想通过现有工艺制备出热式气体流量传感器。

关键字：流量传感器，热膜式，气体质量流量，MEMS工艺

0 引 言 传感技术被发达国家列为核心技术之，流量传感器就是其中的一种。它在工业生产、科学实验、、保证产品质量、提高生产效率、节约能源、促进科技的发展等方面都有很重要的作用。尤其是在能源危机、工业自动化程度越来越高的当今时代，气体流量传感器在国民经济中的作用越来越明显。流量传感器的精度高低、稳定性好坏及适应工作环境能力的大小，智能化水平和功能价格比高低等性能指标都极大的影响着社会各行业的发展。

气体流量传感器的种类比较多，目前己研制出的气体流量传感器有截流式、容积式、涡街式、电磁式、热式、超声波式等若干种。多数是采集流体的温度、压力等信号，再换算成流量。但由于气体流动状态不稳定，使其流量测量准确性受到影响。直到由美国的科学家发明了插入式托马斯热线式气体质量流量传感器，才为流量的测量量带来了一场革命，实现了直接测量流体质量流量的目的[1]。且测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿。随着数字技术的发展，其连续测量的特点显得具有难以替代的优势，但受多个参量的影响，存在交叉灵敏度，从而，影响它的稳定性以及灵敏度，流量与电信号的对应关系是非线性的，要进行线性补偿[2]。

近几十年，由于电子技术的飞速发展，各种补偿技术不断提高，使热线式流量传感器的精度大大提高，测量范围扩大，但热线一致性很差，难以进行批量生产：当测低流速流体时，热紊乱很大；热线抗污染腐蚀能力差，价格高，易损坏；测量中有电子噪声，导致它的响应速度下降。热膜式气体质量流量传感器成为一种正在发展且具有广阔前景的新技术产品。 热膜式气体质量流量传感器本身具有许多特有的性质，如体积小、成本低、易于规模生产、稳定性好、功耗低、不受温度和压力影响等特点[3]，所以热膜式气体质量流量传感器从问世到如今，一直都在飞速发展。但国内的技术还不成熟，国内市场上大部分的产品都是进口而来。在国外，主要有瑞士、荷兰、欧美和日本等技术发达的国家，凭借他们先进的半导体技术大力发展热式流量传感器，并已取得了喜人的成果刚。但总的看来，目前市场上这类产品相互不兼容，产品还没有实现商业化，应用也没有普遍化，高精度符合客户要求的热式气体质量流量传感器尚在进一步的研究中。

热膜式气体质量流量传感器以其卓越的性价比来赢得市场，国内一些公司开发的与进口产品性能相近的产品的制造成本不到进口产品的10%，可见这类产品极具市场开发的潜质，有益于促进国家经济的增长。同时，热膜式气体流量传感器采用MEMS技术制造，将来随着微机械电子技术的发展，一方面由于硅集成技术的应用，使其可以实现大批量的生产，保证它的性能稳定，价格低廉，体积微型化；另一方面，将电路集成在同一芯片上，实现流体的智能测试[4]，使流量传感器的性能达到一个新的水平，将更大的方便流量传感器的推广使用。本文对热膜式气体质量流量传感器进行了全面分析，采用MEMS工艺设计了制造热膜式气体质量流量传感器的工艺过程。

1 原理与结构 （1）原理简介 热式质量流量计(Thermal Mass Flowmeters，简称TMF)在国内习惯称量热式流量计，是利用热传导和热耗散的原理制作的[5]，气体的放热量或吸热量与该气体的质量成正比。结构上主要包括加热电阻和测温电阻。作为热源的加热器放置在管道中间，使被测流体的温度升高。加热器两侧各放置一个测温热敏电阻器，用以检测加热器两侧的温度变化，将热敏电阻器与外接的两个固定电阻组成测量电桥[6]。当流体静止时，由于测温电阻对称地安装在加热器两侧且阻值相等，因此测量电桥处于平衡状态；当流体流动时，沿管道轴向的温度场分布的对称性被扰动而遭到破坏，致使热源前端的温度低于热源后端的温度，因而引起测温电阻器阻值发生变化。两测温电阻器的阻值不等，使电桥失去平衡，输出一个直流电压信号。当被测介质的比热恒定时，其输出的直流电压信号就与被测介质的质量流量成比例关系。

（2）结构 热膜式气体质量流量传感器的结构理论上可以有五种结构[7]，如图1所示。一般，为了减少加热电阻在纵向的热传导，提高测量精度，在硅片的正面做一层膜，在硅片背面腐蚀出一个硅杯结构。

a) b) c) d) c) d)

e) 图1 热模式气体质量流量传感器的结构 图中 1-加热电阻 2-测温电阻 3-环境测温电阻

图a：只有加热电阻，测量的是流体带走的热量与流速的关系。 图b：有一个加热电阻和一个测温电阻原理与a相似。 图c：在加热电阻两侧等距放置两个等值电阻，通过测量温度差来反映流速。 图d：比图c多增加了一个环境温度检测电阻，用于消除环境噪声。 图e：图c的改进，电阻以梁结构制作，尽量减少纵向热传导，但工艺较难。 从图a到图e是一个结构不断改进，性能不断提高的过程，测温电阻与两个外接电阻构成惠斯通测量电桥。当流体流动时，电桥失去平衡，输出一个直流电压信号。当被测介质的比热恒定时，其输出的直流电压信号就与被测介质的质量流量成比例关系。 （3）数学模型 以图c为例，对其原理用数学模型加以推导和说明，如图2所示。

图2 一种热模式气体质量流量传感器结构 气体流向如图2所示，设加热电阻温度为mT，测温电阻温度为1mT、3mT（1mT<3mT），流体初始温度为1fT，加热后的温度为2fT。当气体流经电阻R1时，根据牛顿冷却定律[8]有：11()fmQFTT （1） 其中为对流散热系数，在空气强制对流中有20<(单位:W/m2K)<100，F为薄膜电阻的表面积。由于对流换热系数的存在，电阻的温度可以表示为[9]：

mfTT （2）

对流换热系数是影响薄膜热电阻表面温度的主要因素。根据对流换热理论，引入Nusselt相似准则数N，导出薄膜表面温度1mT与其表面气体流速的关系。对流换热系数：/Nd （3）

其中N是努赛尔数，是空气导热系数，d为薄膜厚度。 N处于空气强制对流散热时有：(/)mNcVd （4）

式中，m<1，一般取0.45---0.5，具体数值根据实验数据分析来确定。式中c为常数（经验值为0.615），为运动粘度系数，将公式（4）带入公式（3）得：

'mcV 其中1'mmmdccV （5） 将（5）代入（2）得：11mmfTVT （6） 设由实验测得的热敏电阻的温度系数为a，温度为0时电阻为0R，则温度为T时的电阻0(1)TRRaT，因此对R1有：101(1)mRRaT （7）

将公式（5）和（6）代入（7）得：''101(1)mfRRacVT （8） 因此，当有流速从V1变化到V2时有：''10112()mmfRRacTVV （9） 同理，当流体经过R3时有：'''30212()mmfRRacTVV （10） 气体的初始温度1fT可由实验测得，由于采用恒流供热，根据牛顿冷却定律有：222()/mfQFTTAIRAUR （11） 222//(/)/fmmmTTQFTAIRFTAURF （12）

当电流电压一定时，可得2fT是一个定植。 将这两个热敏电阻与两个外接电阻构成惠斯通电桥如图3所示，R1、R3是测温电阻，电桥采用恒流源1mA电流源供电。将电阻变化的非电信号转化成电信号。

图3 测量电阻构成惠斯通电桥 理论分析如下：图3电桥的输出141234()ORRVERRRR，当电桥平衡时，有1234RRRR，所以式中12()EIRR。设桥臂比为n，当测温电阻发生变化1R、3R时，输出电压经适当处理得：/(.)JgC。 （13） 总的看来:当桥臂比为n和恒流源供电时，输出电压与热敏电阻变化率有关。综上，建立起了气体的流速V----对流散热系数---测温电阻的温度1mT、3mT---测温电阻的阻值R---输出电压Vo的关系，电流I和电压U恒定，气体的初始温度一定时，输出电压Vo为风速(可以转化为质量)的函数，这就是热膜式气体流量传感器的数学模型原理。

2 传感器芯片的设计 （1）芯片设计的整体思路 在设计一个芯片时，首先要进行总体的方案设计，设计一般需要考虑如下原则：

a设计遵循从整体到局部的原则， 把复杂难处理的问题分为若干简单的、 较容易处理的问题，分别加以解决。 b经济性要求。为了获得较高的性能价格比，设计时不应盲目追求复杂高级的方案。在满足性能指标的条件下，应尽可能采用简单的设计方案。因为简单的方案意味着用元器件较少，可靠性高，且比较经济。

c可靠性要求。产品的可靠性决定产品的运行、实用价值。因此，可靠性的考虑应贯穿设计的每一个环节，采用各种措施提高可靠性，保证测量系统长时间稳定上作。

（2）设计方案的选定 对于本课题所研制的传感器芯片而言，就是利用现有的工艺条件，采用计算机进行辅助设计。传感器设计的整个工作分为传感器芯片参数的确定，芯片结构的设计和芯片的制备。

由于该传感器处于实验阶段，初级阶段为掌握镍热敏电阻的温度特性以及气体流量与输出电压的关系，所以定下传感器的技术指标：

使用温度：0℃—150℃ 芯片加热电压：<7V(电流<25OmA)