高于室温环境的热式气体微流量传感器性能分析*

李 伟,李杰超,闫卫平

(大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁 大连 116024)



高于室温环境的热式气体微流量传感器性能分析*

李 伟,李杰超,闫卫平*

(大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁 大连 116024)

为了探索平板微热管的传热特性,了解微热管内不同温度区间的蒸汽传输特性,开展了热式气体微流量传感器及其检测系统的设计。设计了一种便于探索最佳温度测量点的热式微流量传感器结构,利用MEMS工艺进行加工制作,在不同环境温度下对其性能进行了测试,得到了环境温度与热式微流量传感器性能的关系。基于MSP430单片机和C#语言自主开发了流量传感器检测系统,可对一定范围内的流量进行实时检测,并实时绘制流速随时间的变化曲线。研究表明,采用本文设计的热式微流量传感器结构,可以检测高于室温环境下的微流量气体,并可通过提高加热器温度或改变测温电阻对的测量位置来提高测量灵敏度。

热式气体微流量传感器;Pt薄膜电阻;流量检测系统;高于室温环境

热式流量传感器在工业、汽车、医疗等很多领域具有非常广泛的应用。随着MEMS技术的不断成熟,具有体积小、精度高、功耗低等诸多优点的微流量传感器有了长足的发展[1-5]。

热式气体流量传感器是基于气流对于加热器周围温度场的影响,通过测量对称分布在加热器周围的温度传感器温差,从而获得流体的流速[2-3,5-8]。其测量灵敏度受到加热器功率、材料的导热性能、流体的热交换系数[9]、以及温度传感器和加热器的相对位置[4]等因素的影响。

由于热式微流量传感器受周围温度场的影响很大,所以目前国内外都主要开展室温环境下的热式微流量传感器的研究,这些研究涵盖了动态性能仿真[10]、不同检测方向[11]、时间响应特性[12]等,而对于在较高温度下工作的此类传感器性能的研究却未见报道。为了探索平板微热管的传热特性,了解微热管内不同温度区间的蒸汽传输特性,本文开展了高于室温环境下热式微流量传感器及其检测系统的设计,利用MEMS工艺进行加工制作,在不同环境温度下对其性能进行了测试,得到了环境温度与热式微流量传感器性能的关系。

1 工作原理及测温元件特性

1.1 热式气体微流量传感器工作原理

如图1所示,当加热器H不加热时,对称分布在加热器上下游的温度传感器T1和T2检测到的是相同的环境温度。当加热器加热到一定温度时,由于T1和T2对称地分布在加热器周围,所以检测到的温度仍然相等但均高于环境温度。当一定流速的气体流过传感器表面时,加热器温度场分布会沿气流方向产生一个梯度,此时T2>T1,根据公式推导有[13-15]:

ΔT12=TC0V1/2

(1)

式中:ΔT12为传感器T2与传感器T1的温差,TC0是一个与外界条件相关的常量,V为气体流速。从式(1)可以看出,传感器对的温度差与流体流速的平方根成正比,只要测出ΔT12,即可求出气体流速V。

图1 热式气体流量传感器工作原理

1.2 Pt薄膜电阻温度特性

金属Pt作为一种温敏特性材料被广泛应用于制作温度传感器,Pt100已广泛用于诸多领域的温度检测[16-17]。本文利用磁控溅射技术直接在铬版玻璃表面制备Pt薄膜电阻[18],可实现热式微流量传感器的微型化及一体化。为了探索Pt薄膜电阻的温度特性,本文对铬版玻璃上同一批溅射工艺制作的不同阻值的Pt薄膜电阻的温度特性进行了测量,结果如图2所示。

图2 相同工艺下不同阻值的Pt薄膜电阻温度特性曲线

从图2可以看出,相同工艺条件下制作的不同Pt薄膜电阻的阻值,均随随温度的升高而线性增加,且增长的斜率非常接近。对曲线进行拟合并做归一化处理,得到如下公式:

R(T)=R0(AT+1)

(2)

式中:R(T)、R0分别为T ℃和0 ℃下Pt薄膜电阻的阻值,A为电阻温度系数(TCR)。不同阻值的薄膜电阻温度系数如表1所示。

表1 不同阻值薄膜电阻温度系数

从表1中可以看出,不同阻值的薄膜电阻,其电阻温度系数可以近似为一个常数,将式(2)代入式(1)可得:

ΔRT1,T2=RT2-RT1=AR0TC0V1/2

(3)

即流体的速度与温度传感器T1和T2的阻值变化量相关,利用桥式电路可转换成电信号,根据式(3)即可在一定条件下对流量传感器进行标定。

2 结构设计及制作

如前所述,热式微流量传感器的测量灵敏度与加热器的加热面积及温度传感器相对于加热器的位置密切相关,为了探索最佳测量点,本文提出了如图3所示的结构设计。其中,Pt电阻条宽度50μm,电极宽度1.5mm,Pt薄膜厚度190nm,温度传感器之间的距离为2mm。

图3 热式微流量传感器版图结构

传感器的制作过程如图4所示,首先设计掩膜版,并将设计文件发送到代工厂加工出金属掩膜版,然后在MEMS实验室进行制作。制作完成的流量传感器在实验室进行封装。

图4 热式流量传感器的制作过程

3 测试结果及分析

3.1 测试系统搭建

测试系统如图5所示,通过调节恒温箱中的温度,可以控制微流量传感器的环境温度,利用七星华创公司生产的流量计,可以精确控制管道中的气体流量。

图5 测试系统示意图

3.2 不同环境温度下加热器温度场分布

首先调节恒温箱中的温度为25 ℃,当气体流量分别为0 sccm和300 sccm时,加热器周围的温度场分布如图6所示。其中,加热器位于X=0处,7对温度传感器pair 1～pair 7分别均匀分布在加热器两边,相邻传感器间的实际距离为2 mm,为了描述方便用X=±1至X=±7表示。从图6中可以看出,当气体流量为零时,加热器周围温度场呈对称性分布。当有一定流量的气体流过时,加热器周围对称分布的温度场被破坏,对称位置的下游传感器温度高于上游传感器的温度。

为了探索最佳测量点,固定环境温度TE为25 ℃,加热器温度TH为66 ℃,测出不同流量下不同传感器对的温差如图7所示。从图中可以看出,当加热器温度一定时,各温度传感器对的温差随着流量的增加先增大,后减小,且pair 2传感器为最佳测量点。

图6 室温不同流量下温度场分布

图7 室温下各传感器温差随流量的变化

改变恒温箱温度为40 ℃,在无气体流过及300 sccm流量下分别进行同样的测试。检测结果表明,没有气体流过时加热器两端的测温电阻依然保持对称分布,当有一定流量的气体流过时,温度场分布呈现出同室温类似的变化。

为了探索40 ℃环境下的最佳测量点,同样保持加热器温度为66 ℃,各传感器对的温差检测结果如图8所示。从图中可以看出:各传感器温差随着流量的增加而增大,当增大到一定程度时不再明显变化;与室温环境的测量结果相对比,相同流量下各传感器对的温差均下降;最佳测量点仍为pair 2。

继续升高环境温度至60 ℃,此时无气体流过及流量为300 sccm时的温度场分布仍然类似于室温和40 ℃环境温度的检测结果。保持加热器为66 ℃不变,各传感器对的温差随流量的变化如图9所示。从图中可以看出,各传感器对的温差进一步减小,且最佳测量点向加热器方向移动。在环境温度仍旧保持在60 ℃环境下,将加热器温度提高到90 ℃,各传感器对的温差随流量的变化增大,但最佳传感器对的测量位置向远离加热器的方向移动,如图10所示。

图8 环境温度为40 ℃,加热器温度为66 ℃时各传感器对的温差随流量的变化

图9 环境温度为60 ℃,加热器温度为66 ℃时各传感器对的温差随流量的变化

图10 环境温度为60 ℃,加热器温度为90 ℃时各传感器对的温差随流量的变化

图11 不同环境温度下流量传感器测量灵敏度

保持加热器温度为66 ℃不变,环境温度分别为室温、40 ℃、60 ℃时,利用pair 2测量不同流量的灵敏度曲线如图11所。从图中可以看出,随着环境温度的升高,测量灵敏度有所下降。这是因为环境温度升高,加热器对周围环境温度场的影响变小,从而导致一对测温传感器的温差变小,进而使得灵敏度降低。

3.3 实验数据分析

在流体力学的研究中,雷诺数Re定义为:

(4)

式中U0为特征速度,l为特征长度,在管道中可以将二者理解为平均流速和管道半径,ζ为黏滞度。

当雷诺数Re较小时,可认为流体流动对加热器附近温度分布影响较小,温度分布满足:

(5)

(6)

T0为无流体流动时的解。

若气体在一个在半径为R、长度为b的圆筒内以U0的速度均匀流动,则此时温度场的增量T1(x)分布可近似表示为:

(7)

即温度的增量T1(x)是x的函数,且与最初的温度场分布T0(x)有关。根据本文的实验数据,T0(x)和T(x)具有图6所示的温度分布。通过推导可知,温度传感器的最佳位置应处于温度分布曲线斜率最大的位置[19]。从图6可知,pair2处的温度梯度最大,所以pair2为流量传感器的最佳测量点。

3.4 测试结果

在以上分析的基础上,本文利用课题组自行组建的测试系统,以pair2为测量点,加热器温度设定为90 ℃,在60 ℃环境下对气体流量进行了实际测量,并利用七星华创的流量计进行流量控制,流量变化范围在0～500mL/min之间,测试结果如图12所示。

图12 测试结果

从测试结果可以看出,本文设计的热式微流量传感器实现了在高于室温环境下对气体流量的测量。当气体流量小于300 mL/min时,标定值与实测值吻合较好;当流量大于300 mL/min时,标定值高于实测值,这是由于当流量增加到一定值时,温度传感器对的温差不再随流量信号而明显变化,和之前的测量数据相一致。

4 结束语

本文基于热式流量传感器基本原理,自主设计研制了微型流量传感器,并在高于室温环境下测试分析了流量传感器的性能。研究结果表明:①通过合理的结构设计,热式微流量传感器可以用于高于室温环境下的微流量气体检测。②当环境温度升高时,热式微流量传感器测量灵敏度有所降低,此时可通过提高加热器温度或者改变测温电阻对的测量位置来提高测量灵敏度。③当气体流量较低时,测量值和实际值吻合较好;随着流量的增加,测量噪声的影响逐渐显著,且信号不再随流速的增加明显改变。

[1] Sun Jianhai,Cui Dafu,Zhang Lulu,et al.Fabrication and Characterization of A Double-Heater Based MEMS Thermal Flow Sensor[J].Sensors and Actuators A,2013,193:25-29.

[2]Rui Feng,Jamal Bahari,John Dewey Jones,et al.MEMS Thermal Gyroscope with Self-Compensation of the Linear Acceleration Effect[J].Sensors and Actuators A,2013,203:563-567.

[3]Wu S,Lin Q,Yuen Y,et al.MEMS Flow Sensors for Nano-Fluidic Applications[J].Sensor and Actuators A,2001,89:152-158.

[4]N Sabate,J Santander,L Fonseca,et al.Multi-Rangesilicon Micro-Machined Flow Sensor[J].Sensor and Actuators A,2004 110:82-88.

[5]Moser D,Baltes H.A High Sensitivity CMOS Gas Flow Sensor on A Thin Dielectric Membrane[J].Sensor and Actuators A,1993,37-38:33-37.

[6]Nguyen N T.Micro-Machined Flow Sensors—A Review[J].Flow Measurement and Instrumentation,1997,8(1):7-16.

[7]Ashauer M,Glosch H,Hedrich F,et al.Thermal Flow Sensor for Liquids and Gases Based on Combinations of Two Principles[J].Sensors and Actuators A,1999,73:7-13.

[8]Qiu L,Hein S,Obermeier E,et al.Micro Gas-Flow Sensor with Integrated Heat Sink and Flow Guide[J].Sensors and Actuators A,1996,(54):547-551.

[9]Lammerink T S K,Tas N R,Elwenspoek M,et al.Micro-Liquid Flow Sensor[J].Sensors and Actuators A,1993,37-38:45-50.

[10]吴晓波,赵梦恋,严晓浪.一种基于温差测量原理工作的集成型流量传感器[J].传感技术学报,2004,(1):101-105.

[11]Ali Sukru Cubukcua,Diego F Reyes Romeroa,Gerald A Urbana.A Dynamic Thermal Flow Sensor for Simultaneous Measurement of Thermal Conductivity and Flow Velocity of Gases[J].Sensors and Actuators A:Physical,2014,208:73-87.

[12]Milad Yarali,Sanjeev K Khanna.Microfabrication of A Variable Range and Multi-Directionally Sensitive Thermal Flow Sensor[J].Sensors and Actuators A,2014,220:159-167.

[13]Sosna C,Walter T,Lang W.Response Time of Thermal Flow Sensors with Air as Fluid[J].Sensors and Actuators A,2011,172(1):15-20.

[14]吴克刚.热膜式空气质量流量传感器的动态响应[J].长安大学学报(自然科学版),2005,25(5):99-102.

[15]Mayer F,Salis G,Funk J.Sealing of Thermal CMOS Gas Flow Microsensors:Experiment and Simulation[C]//IEEE MEMS’96,San Diego,California,1996.

[16]朱杰,郭涛.一种Pt100温度传感器的动态热响应模型[J].传感技术学报,2013,26(1):73-77.

[17]杨勇,常洪龙,谢中建,等.基于间断性腐蚀法的铂热敏传感器的研制[J].传感技术学报,2012,25(10):1366-1369.

[18]李伟,李杰超,闫卫平.多通道高温度性温度检测系统[J].仪表技术与传感器,2014(4):46-49.

[19]陶家渠,李应选,万达,等.硅微机械传感器[M].北京:中国宇航出版社.

Performance Analysis of Thermal Micro Flow Sensor Above Room Temperature*

LIWei,LIJiechao,YANWeiping*

(School of Electronic Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

In order to explore flat micro heat pipes’ transfer characteristics and understand vapor transmission characteristics at different temperatures,this paper carried out the research on thermal micro flow sensor and its detection system.This paper designed a kind of thermal micro flow sensor structures which is easy to explore the optimum detection points.The micro flow sensor was fabricated with MEMS technology and the relationship between its performance and environment temperature has been described by testing in different temperature environment conditions.The flow sensor detection system that can real-time display the flow rate within a certain range and draw the curve of flow rate versus time was developed based on MSP430 microcontroller and C # language.Studies showed that the structure of the thermal micro flow sensor designed in this paper could detect the micro gas flow rate above room temperature,and the measurement sensitivity could be improved by increasing the heater temperature or changing the position of temperature sensor pairs.

thermal gas micro flow sensor;Pt thin film resistors;detection and display system;higher than room temperature

李 伟(1989-),男,甘肃陇南人,大连理工大学微电子学与固体电子学硕士研究生,主要研究方向为微流量传感器、微热管测试等,leiwei.ok@163.com;

李杰超(1982-),男,河北邯郸人,大连理工大学微电子学与固体电子学博士研究生,主要研究方向为微槽道平板热管等,lijiechao@mail.dlut.edu.cn;

闫卫平(1950-),女,1975年毕业于吉林大学半导体化学专业,1989年于吉林大学获得硕士学位。现为大连理工大学教授,博士生导师,主要研究方向为半导体传感器及集成微流控生物芯片等,yanwp@dlut.edu.cn。

项目来源:国家自然科学基金项目(61376115)

2014-10-27 修改日期:2014-11-28

C:7320E

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.002

TB937

A

1004-1699(2015)02-0160-05