MEMS气体流量传感器的简易流量测试装置*

高 杨， 代 富， 席仕伟， 刘婷婷,3

(1.中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621999；2.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621010；3.重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)

MEMS气体流量传感器的简易流量测试装置*

高 杨1,3， 代 富2， 席仕伟1， 刘婷婷2,3

(1.中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621999；2.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621010；3.重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)

为了完成所研制的MEMS气体流量传感器样品的流量测试与标定，设计制作了一种由标准流量发生器和传感器信号读出与数据采集电路组成的简易流量测试装置。标准流量发生器由注射器和可更换的砝码组成，利用不同的砝码配重，在注射器出气口产生合适的恒定气体流速。通过理论分析和Ansys有限元数值仿真，验证了简易标准流量发生器的可行性。传感器信号读出与数据采集电路基于内建多路A/D转换器的单片机实现，具有传感器加热电阻器的恒温控制、流量信号的数字检测和显示的功能。采用该简易流量测试装置对自行研制的MEMS气体流量传感器进行了流量测试与标定，获得了待测器件的标定参数、传感器流量测量的绝对误差和相对误差。

微机电系统； 气体流量传感器； 测试； 标定； 有限元分析

0 引 言

气体流量的测量已深入到工业控制、医疗、汽车、化工和制药等领域[1,2]。流量传感器的精度、稳定性、环境适应能力、智能化水平和性价比等指标极大地影响着产品质量、生产效率和能耗等方面[3,4]。传统的流量传感器存在着很大的局限性[5]，“庞大”的体积不利于微流体的测量。随着智能化发展的趋势，对新型流量传感器的需求越来越迫切[6]。

热式气体流量传感器是基于传热学原理来测量气体质量流量的一种新型气体流量传感器，由于其机械与电路的结构都很简单[7]，与传统的涡轮流量传感器、旋进旋涡流量传感器、差压式流量传感器、涡街流量传感器等相比具有压损小、精度高、测量范围大、无可动部件以及能够测量极低流速等诸多优点，因而，在气体检测领域发展迅速[8,9]。

1974年，Van Putten和Middelhoek首次利用标准硅技术制作出硅流量传感器。1980年代以来，微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的迅速发展为流量传感器提供了技术创新的新条件。经过三十余年的发展，热式气体流量传感器技术得到了长足进展,其敏感元件，从最初的p型扩散电阻发展到今天的薄膜型p型多晶硅和n型多晶硅热电堆;其衬底材料，从硅拓展到聚合物、有机物等材料;其电路结构，从最初的惠斯通电桥发展到能进行温度补偿且包括A/D转换器(analog-to-digital converter,ADC)在内的复杂电路;其制备工艺，从最初的双极型工艺发展到今天的CMOS和MEMS工艺;器件的功能，也从多芯片实现一维流速测量发展到单芯片实现多维流速和多参数的测量(同时测量流速、流向、温度、压力等)[10, 11]。

为了实现高性能，本文研制了一种热膜式MEMS气体流量传感器[12],并制作了流量传感器的标定与测试装置，通过实验获得了比较理想的参数。

1 器件制备

待测器件(device under test，DUT)为前述的电阻悬浮的热膜式MEMS气体流量传感器[13～15]，其结构如图1所示，是硅微流道—敏感芯片(玻璃基板上的薄膜电阻)—硅微流道的夹层结构。微细加工完成后的玻璃基板与上、下硅微流道采用硅—玻璃键合的方式形成如流量传感器芯片整体，如图2所示。

图1 MEMS气体流量传感器结构示意图Fig 1 Diagram of MEMS gas flow sensor

图2 粘合后的流量传感器芯片Fig 2 Conglutinated flow sensor chip

为了获得可测试的DUT，将传感器芯片封装在一个壳体内；硅微流道与外部流体管道连接，接头处使用环氧树脂密封；敏感芯片电气引线焊接后引出。简易封装后的DUT实物如图3所示。

图3 环氧树脂密封的MEMS气体流量传感器Fig 3 Epoxy packaged MEMS gas flow sensor

2 测试装置

测试装置需要一个标准流量发生器产生标准流量，由传感器信号读出与数据采集电路采集传感器检测信号，其构成如图4所示。

图4 测试装置原理框图Fig 4 Principle block diagram of test device

2.1 标准流量发生器

目前，市面还没有现成的专用于微流量传感器标定的标准流量发生器，为此，本文采用一个注射器改装制作，其基本思路是：给注射器的注射手柄施加一个适量的恒力(如砝码)，注射器出气口将得到恒定气体流速；通过改变作用在注射手柄上恒力的大小(如不同质量的砝码)可以得到一定范围内的气体流速。

如图5所示，注射器圆筒内腔尺寸为φ4 cm×14 cm；注射器活塞直径为4 cm，与注射圆筒直径相同；流体出口内径为4 mm。

图5 注射器和砝码组成的标准流量发生器Fig 5 Standard flow generator composed of injector and weight

设环境温度为25 ℃，设砝码质量为m，则施加到注射器手柄上的恒力为F=mg。设活塞与注射圆筒的壁面摩擦力f，由于活塞运动较慢，属于低速运动，因而，忽略摩擦生热对注射圆筒的影响，既可认为摩擦力f恒定。因此，活塞平面上的压强为也为一常数

(1)

取注射器出口平面高度为0基点，注射器活塞平面与出口平面的相对高度为h，由伯努利方程可得

(2)

式中 p为注射器活塞平面相对于出口平面的气体压强；p0为环境大气压强；ρ为气体密度；v1和v2分别为注射器活塞平面与出口平面的气体流速；pf为注射器活塞与内壁面摩擦力导致的损耗压强。

对于选取的注射器，h≤0.14，ρgh可忽略不计。联立式(1)、式(2)，得到所施加的力与注射器出口的流速的关系

(3)

根据式(3)，在标定实验中，如果取较短的活塞行程，则可以忽略气体密度ρ、活塞壁面摩擦导致的损耗压强pf的变化，认为注射器出口平面的气体流速v2是一个恒定值，且可以用砝码质量m调整。

通过雷诺数(Reynoldsnumber)来判断管中流体的流动状态。雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示

(4)

式中 v,ρ,η分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。

对于注射器改装的标准流量发生器，流体为空气，在环境温度25 ℃时，取黏性系数η=1.8×10-5Pa·s，密度ρ=1.29kg/m3。连接到流量标定系统后，注射器中的流体流速v将受限于DUT的最大量程，因此,取v≤0.1m/s；根据注射器活塞平面与出口平面的尺寸，取特征长度为d=4×10-2。

代入式(4)，得到该注射器中气体流动的雷诺数

(5)

一般管道中雷诺数Re<2 300为层流状态，Re>4 000为紊流状态，Re=2 300～4 000为过渡状态。因此，本文设计的标准流量发生器工作在层流状态。

注射器的注射过程属于流体动力学范畴，Ansys中的FLUID141和FLUID142单元可解决管中流体的复杂三维流动问题。根据注射器的结构尺寸，在Ansys中建模，设定流体的边界层流速为0，采用层流分析，流体出口相对进口的压强为0，给进口施加一定压强，则可得出不同压强下注射器出口的流速。仿真得到的标准流量发生器的流速—压强曲线，如图6所示。在前面的解析计算中，忽略了注射器活塞的壁面摩擦力f。从图6的仿真结果看，由于标准流量发生器的流速—压强曲线具有良好的线性，可以认为注射器活塞的壁面摩擦力f对标定所需的恒流速的稳定性没有影响，仅相当于砝码配重的系统误差。

图6 标准流量发生器的流速—压强曲线Fig 6 Flow rate-pressure curve of standard flow generator

2.2 传感器信号读出与数据采集电路

MEMS气体流量传感器信号读出与数据采集电路如图7所示，其主要功能是：传感器加热电阻器的恒温控制，流量信号的数字检测和显示。

流量信号检测模块实现传感器内加热电阻器Rh，环境热敏电阻器Rt，以及传感器上、下游热敏电阻器Ru和Rd的信号采集与处理。选用片内集成8路10 bit A/D转换器的单片机STC12C5A60S2完成温度检测、电池电压检测、恒温控制、按键扫描、频谱检测等功能。其中，温度检测和恒温控制功能是为了抑制环境温度对传感器性能的影响。选用TI公司10 bit A/D转换器芯片TLC5615完成温度检测信号的A/D转换。流量信号显示采用8位数码管。

图7 MEMS气体流量传感器信号读出与数据采集电路Fig 7 Signal read-out and data acquisition circuit of MEMS gas flow sensor

3 测试结果与分析

采用图5所示由注射器和可更换的砝码组成的标准流量发生器产生标准流量(流速)，采用图7所示MEMS气体流量传感器信号读出与数据采集电路检测并显示DUT输出的流量信号，两者比对得到传感器的标定曲线。

采用单片机STC12C5A60S2片内集成的10 bit A/D转换器采集传感器输出信号A，其对应的数字量D为

(6)

式中VADC为A/D转换器的参考电压。

标准流量发生器产生n个不同的流速(v1,v2,v3,v4,…,vn)，则DUT输出对应的n个电压(u1,u2,u3,u4,…,un)、测试装置采集到对应的n个数字量(D1,D2,D3,D4,…,Dn) ，其中,n≤1024。

考虑到MEMS气体流量传感器的量程，流速单位为mm/s。一只DUT的实测数据如表1所示，流速与数字量有良好的线性关系。为了获得标定参数(偏值、线性系数和二阶系数)，采用Matlab对表1中的11组标定试验数据进行最小二乘法的二次曲线拟合。实测数据点、实测数据点连接曲线与二阶拟合曲线的比较，如图8所示。从图中可以看出，二阶拟合曲线与实测数据吻合较好。从Matlab中获取这只DUT的二阶拟合多项式

v=-6×10-4D2+2.1D-1,

(7)

式中D为单片机STC12C5A60S2片内10 bit A/D转换器采集到的DUT输出数字量，v为数字量D对应的流速。

对于这只DUT，式(7)即为标定后的传感器输入—输出特性。通过式(7)计算得到的流体速度，与微流道的截面积相乘，即可得到DUT的流量。

图8 一只DUT的测试数据及其二阶拟合曲线Fig 8 Test datas of a DUT and its sencond-order fitting curve

从表1可以看出：1)0～1 400 mm/s流速范围内，随着流速的增加，传感器流速测量的绝对误差越来越大，但流速的相对误差基本稳定，平均值约为4.3 %；2) 在流速量程的中段，流速测量的相对误差最大，达到7.62 %。

表1 一只DUT的流量测量结果Tab 1 Flow measurement results of a DUT

4 结 论

为了完成所研制的MEMS气体流量传感器样品的流量测试与标定，设计制作了一种由标准流量发生器和传感器信号读出与数据采集电路组成的简易流量测试装置。标准流量发生器由注射器和可更换的砝码组成，利用不同的砝码配重，在注射器出气口产生合适的恒定气体流速。通过理论分析和Ansys有限元数值仿真，验证了标准流量发生器的可行性。传感器信号读出与数据采集电路基于内建多路A/D转换器的单片机实现，可以实现传感器加热电阻器的恒温控制、流量信号的数字检测和显示的功能。采用该简易流量测试装置，对自行研制的MEMS气体流量传感器DUT进行了流量测试与标定，获得了DUT的标定参数、流量测量的绝对误差和相对误差，证明这种简易的流量测试装置适用于MEMS气体流量传感器的实验室测试和标定。

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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

中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金资助项目(2012CJMZZ00009)；重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室访问学者基金资助项目(2013MS04)；西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室开放课题(11ZXZK03)；西南科技大学研究生创新基金资助项目(13YCJJ31,13YCJJ36)

TH 814; TF 068.23

A

1000—9787(2014)08—0109—04

高 杨(1972-)，男，四川绵阳人，博士，研究员，硕士生导师，主要研究方向为MEMS。