熱式氣體質(zhì)量流量傳感器研究與發(fā)展

一、引言

氣體流量的測量是工業(yè)生產(chǎn)過程，科學(xué)實(shí)驗(yàn)計量的重要參數(shù)，是能源計量的重要組成部分。它對于保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，促進(jìn)科技的發(fā)展都有很重要的作用^{[1]流量傳感器的精度高低、穩(wěn)定性好壞及適應(yīng)工作環(huán)境的能力大小，智能化水平和性價比的高低等性能指標(biāo)極大地影響著社會各行業(yè)的發(fā)展。} 。

用于測量氣體流量的傳感器種類很多，例如截流流量傳感器、葉輪流量傳感器等，多數(shù)是采集流體的溫度、壓力等信號，再換算成流量。但由于氣體流動狀態(tài)不穩(wěn)定，使其流量測量準(zhǔn)確性受到影響。直到熱式質(zhì)量流量傳感器的出現(xiàn)為流量傳感器量帶來了一場革命，實(shí)現(xiàn)了直接測量流體質(zhì)量流量的目的。且測量值不因溫度或壓力的波動而失準(zhǔn)，不需要溫度壓力補(bǔ)償^[2]。

二、熱式氣體質(zhì)量流量傳感器的發(fā)展和應(yīng)用

最早發(fā)明的熱式氣體質(zhì)量流量傳感器是熱線式氣體流量傳感器，利用放置在流場中具有加熱電流的細(xì)金屬絲來測量流體的流速、流量。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，其連續(xù)測量的特點(diǎn)顯得具有難以替代的優(yōu)勢，但由于熱線式氣體流量傳感器受多個參量的影響，存在交叉靈敏度，從而，影響它的穩(wěn)定性以及靈敏度，流量與電信號的對應(yīng)關(guān)系是非線性的，要進(jìn)行補(bǔ)償。到了近幾十年，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種補(bǔ)償技術(shù)不斷提高，使熱線式流量傳感器的精度大大提高，測量范圍擴(kuò)大。但熱線一致性很差，難以進(jìn)行批量生產(chǎn)；當(dāng)測低流速流體時，熱紊亂很大；熱線抗污染腐蝕能力差，價格高，易損壞；測量中有電子噪聲，導(dǎo)致它的響應(yīng)速度下降等因素限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。

伴隨著微電子加工技術(shù)發(fā)展以及MEMS技術(shù)的興起，熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器成為新的研究焦點(diǎn)。熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器作為熱線式氣體流量傳感器的改進(jìn)產(chǎn)品，是采用硅微機(jī)械加工技術(shù) 制成的具有體積小、成本低、穩(wěn)定性好、兼容性強(qiáng)、精確度高、功耗低、響應(yīng)時間短等特點(diǎn)。

熱式氣體質(zhì)量流量傳感器的應(yīng)用范圍非常廣泛：
1、鍋爐、裂解爐用燃料氣質(zhì)量流量測量控制；
2、石油化工、采油、火炬氣質(zhì)量流量測量；
3、燃燒爐用空氣質(zhì)量流量測量控制;燃汽輪機(jī)氫氣質(zhì)量流量和控制；
4、食品加工及飲料氣體質(zhì)量流量和控制；
5、水廠氯氣質(zhì)量流量控制；
6 、生產(chǎn)半導(dǎo)體時高純度氣體質(zhì)量流量測量；
7、催化劑、化學(xué)添加劑質(zhì)量流量測量；
8、泵的保護(hù)控制、泵密封、潤滑油池泄漏檢測；
9、空調(diào)系統(tǒng)控制；
10、儀表用空氣、工藝空氣、氮?dú)獾荣|(zhì)量流量測量^[6]。

三、熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器原理和結(jié)構(gòu)

1、原理

熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器是利用熱傳導(dǎo)和熱耗散的原理制作的^[3]。當(dāng)有氣體流過熱敏電阻表面時，會帶走一部分熱量，引起電阻阻值的變化，這個變化量與氣體的流速和溫度有關(guān)。

2、結(jié)構(gòu)

熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器的結(jié)構(gòu)理論上可以有五種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。一般，為了減少加熱電阻在縱向的熱傳導(dǎo)，提高測量精度，在硅片的正面做一層SiO₂，在硅片背面腐蝕出一個硅杯結(jié)構(gòu)。

圖（a）只有加熱電阻，類似于熱線式氣體質(zhì)量流量傳感器，主要計算熱耗散與流速的關(guān)系。它的氣體流向是雙向的。

圖（b）中有一個加熱電阻和一個測溫電阻（測溫電阻有時也用由熱電偶串聯(lián)而組成的熱電堆來代替），主要用測溫電阻來反映流速。它的氣體流向是單向的。

圖（c）中加熱電阻兩側(cè)放置了阻值相等，且與加熱電阻等距離的測溫電阻，是一個對稱結(jié)構(gòu)，主要用測溫電阻來反映流速。它的氣體流向是雙向的。

圖（d）是在圖（c）的基礎(chǔ)上，在氣體流入方向上放置了一個環(huán)境測溫電阻，它與加熱電阻和外電路的兩個固定電阻構(gòu)成測量電橋，通過一個PID（比例+積分+微分）比較控制電路來保證加熱電阻與流體的溫差，它的氣體流向是單向的。

圖1（e）是圖（c）的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，只將電阻的四個角與底面接觸，形成梁式結(jié)構(gòu)，盡量減少熱縱向傳導(dǎo)。由于采用膜工藝，這類結(jié)構(gòu)工藝實(shí)現(xiàn)比較困難，將會在高度精密測量方面發(fā)揮很大的作用。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品尚在積極的研制過程中。

從圖1（a）到圖1（d），是一個結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，性能不斷提高的過程。

測溫電阻與外電路的固定阻值的電阻形成惠斯登測量電橋。當(dāng)流體流動時，電橋失去平衡,輸出一個直流電壓信號^[4]。當(dāng)被測介質(zhì)的比熱恒定時，其輸出的直流電壓信號就與被測介質(zhì)的質(zhì)量流量成比例關(guān)系。

3、數(shù)學(xué)模型

以圖1（e）為例，對熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器用數(shù)學(xué)模型加以說明。

設(shè)氣體的初始溫度T_f ，加熱電阻溫度T_m。₁，被加熱的氣體的溫度為T_f2，測溫電阻的溫度為T_m1、T_m3（T_m3＞T_m1）

當(dāng)氣體流經(jīng)電阻R₁時，根據(jù)牛頓冷卻定律有：

（1）

中，a—對流散熱系數(shù)（單位：W/m²K），在空氣強(qiáng)制對流中有20 a 100；

F—薄膜電阻的表面積。

由于對流散熱系數(shù)a 對流放熱系數(shù)aNusselt相似準(zhǔn)則數(shù)N_u導(dǎo)出薄膜表面溫度T_m1與其表面氣體流速的關(guān)系。對流放熱系數(shù)：是影響薄膜熱電阻表面溫度的主要因素。根據(jù)對流放熱理論，引入的存在，

（2）

式中，N_uld—薄膜的寬度。—空氣導(dǎo)熱系數(shù)；—努賽爾數(shù)；

N_u （3）處于空氣強(qiáng)制對流散熱時有

式中，c0.615）；vm，一般取0.45～0.5，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來確定。1—運(yùn)動粘度系數(shù)；—常數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值為

由此得：

設(shè)熱敏電阻的溫度系數(shù)為a，由實(shí)驗(yàn)測得，則溫度為T時的電阻為：

（ 4）

當(dāng)t₀為0℃時，0℃時的電阻設(shè)為R₀，由試驗(yàn)測得。公式變?yōu)?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" height="19" width="81" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20140811/259282_1_8.jpg" />

則：

將 帶入（5）中，得：

當(dāng)只有速度從V₁變化到V₂時，有：

當(dāng)氣體經(jīng)過電阻R₃時，氣體溫度被加熱為 ，設(shè)電阻R ，對流換熱系數(shù)為：

當(dāng)只有速度從V₁變化到V₂時，有：

實(shí)驗(yàn)中，可測出氣體的初始溫度 ，由于采用恒溫供熱，根據(jù)牛頓冷卻定有：

（6）

（7）

當(dāng)電流電壓一定時，可得 是一個定值。

R3。輸出電壓為：₁ 、R₃測溫?zé)崦綦娮韬屯怆娐穬蓚€固定電阻構(gòu)成惠斯登差動測量電路，如圖

（8）

當(dāng)電阻發(fā)生變化，設(shè)R₁的變化了DR₁，R₃的變化了DR₃時，有：

設(shè)橋臂比 ，由于△R₁R₁ ，△R₃R₃，分母中可忽略這兩項(xiàng)，得：

（9）

輸出電壓與熱敏電阻及其變化有關(guān)。

綜上，建立起了氣體的流速V→對流散熱系數(shù)α→測溫電阻的溫度T_m1，T_m3→測溫電阻的阻值R→輸出電壓V₀的關(guān)系，電流I和電壓U恒定，氣體的初始溫度一定時，輸出電壓V_O為風(fēng)速的函數(shù)，這就是熱膜式氣體流量傳感器的原理。

研究中需要認(rèn)真解決以下幾個問題：

（1）兩個測溫電阻的對稱性與一致性、重復(fù)性；
（2）對于小流量測量要求測溫電阻有足夠的靈敏度；
（3）電阻下面膜片厚度的一致性與重復(fù)性。

以上幾個問題在設(shè)計和制作中應(yīng)引起足夠的重視。

四、目前的水平和未來的發(fā)展方向

目前，國內(nèi)市場上大部分的熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器都是進(jìn)口的，價錢昂貴。由于此類產(chǎn)品性價比高、市場廣，國內(nèi)一些高校和公司也致力于這方面的研究，并已取得了一定的成果。但國內(nèi)熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器的研究起步較晚，大多數(shù)型號未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

在國外，主要有瑞士、荷蘭、歐美和日本技術(shù)發(fā)達(dá)國家，憑借他們的先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)大力發(fā)展熱式流量傳感器，并已取得了喜人的成果^{[5]加拿大SAILSORS（塞爾瑟斯）的TF系列熱式氣體流量計，德國賽多利斯熱式氣體流量計，美國HoneyWell的CMS 系列和AMW系列等氣體質(zhì)量流量計。}。例如：

未來的發(fā)展方向主要是以下幾方面：

1、微型化和智能化：熱膜式氣體流量傳感器采用硅杯鍍膜結(jié)構(gòu)，將來隨著SOC技術(shù)和MCM技術(shù)的發(fā)展，一方面由于硅集成技術(shù)的應(yīng)用，使其實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，保證其性能穩(wěn)定，價格低廉，體積微型化。另一方，可以將許多信號處理電路集成在同一芯片上，采用數(shù)字通信與微機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)流體的智能測試。

2、傳感器輸出信號的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化：由于傳感器網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展正在興起，生產(chǎn)過程中的控制、管理和維護(hù)的計算機(jī)集成系統(tǒng)CMMS(Control,Management,and Maintenance System)對傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號進(jìn)行處理時，要求傳感器的輸出信號必須是數(shù)字信號，可以通過現(xiàn)場總線進(jìn)行傳輸，目前國外許多行業(yè)都在大力推行傳感器數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，制定傳感器輸出信號標(biāo)準(zhǔn)。所以國內(nèi)在研究開發(fā)流量傳感器時應(yīng)該有意識的設(shè)計符合這一要求的流量傳感器。

3、多功能化：將流量測量與溫度測量、壓力測量等功能中的一種或多種結(jié)合到一起。采用新技術(shù)、新材料，研制新的傳感器。

4、其它發(fā)展方向：要求量程比寬，應(yīng)用范圍廣，可靠性高，性價比高，安裝維修方便，壽命長。流量傳感器的研究應(yīng)與經(jīng)濟(jì)性緊密相連。

五、結(jié)束語

總的來說，目前市場上這類產(chǎn)品各類間不兼容，產(chǎn)品還沒有實(shí)現(xiàn)商品化，應(yīng)用也沒有普遍化，高精度符合客戶要求的熱式氣體質(zhì)量流量傳感器尚在進(jìn)一步的研制中。因此， 一方面要加強(qiáng)科研成果與市場的結(jié)合，另一方面要推廣產(chǎn)品的商品化。尤其是我國現(xiàn)行研制和生產(chǎn)的傳感器在性價比方面和國外的產(chǎn)品存在著很大的差距，因此，研制和批量生產(chǎn)新型、多功能、可靠性高、性能質(zhì)量好的新一代傳感器，滿足市場的需求應(yīng)是傳感器研制和生產(chǎn)單位迫在眉睫的任務(wù)。

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Research And Development Of Thermal –Film Air-Mass Sensor

Abstract:The principles and applications of a thermal-film air-mass sensor are introduced in detail.The challenges for the development of the sensor are discussed and the future direction is also presensted.

Keywords: thermal-film air-mass sensor; MEMS

作者簡介：

孫承松：沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授，從事傳感器開發(fā)與研究。
通訊地址：遼寧省沈陽市鐵西區(qū)興華南街58號沈陽工業(yè)大學(xué)591信箱
電話：024-25691398， E-mail：suncs@sut.edu.cn
李瑞：微電子與固體電子學(xué)專業(yè)碩士研究生，沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院
電話：024-82078321 郵編：110023
E-mail：ruirui_199200@163.com