環境溫度對集成微溝道溫差空氣流量傳感器的影響及其補償*

余柏林，王瑞春，龔漢東，余法紅

(1．深圳信息職業技術學院電子通信技術系，廣東深圳518029;)2．武漢大學 軟件工程國家重點實驗室，武漢430074

熱式微型空氣流量傳感器是以托馬斯提出的“氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質量流量成正比”理論為基礎，利用外熱源對傳感器探頭加熱，氣體流動時會帶走一部分熱量，使探頭溫度改變，通過測量因氣體流動而造成的溫度變化來反映氣體的質量流量［1－15］。目前主要有熱線損失線型和熱膜溫差熱膜型。前者由于存在交叉靈敏度，熱紊亂很大，熱線抗污染腐蝕能力差等;限制了它的進一步發展［16－18］。伴隨著微電子加工技術發展以及MEMS技術的興起，熱膜式氣體質量流量傳感器成為新的研究焦點。采用硅微機械加工技術制成的具有體積小、成本低、穩定性好、兼容性強、精確度高、功耗低、響應時間短等特點。2000年Hung等人發展出新型的熱敏電阻傳熱式流量傳感器，該傳感器的靈敏度為3．2638℃/mV，其響應速度小于5 ms，測量速度高于1．5 m/s，該傳感器用新型“網式”薄膜結構代替傳統的微型傳感器結構［19］。2004年 Seunghyun Kim等人發展出一種可以探測流動方向和流量大小的環形熱式微型流量傳感器。傳感器的技術指標為:方向最大角度差5°，速度誤差不超過0．5 m/s，功率為80 mW，傳感器的整體尺寸3 mm×3 mm［10］。2006年，美國Honeywell物理科學中心研制出基于石英的微流量計主要用于高壓流體中的流量測試，具有抗壓能力強的特點，其抗流體的壓強可高達5 000 psi，響應時間為 3 ms。

本文中研究了環境溫度對空氣流量傳感器測試的影響，熱膜式空氣傳感器的測試原理是基于溫度場的變化而反映流速大小的。不同的環境溫度下，橫膈膜上的對流換熱也會不同，因此，加熱電阻的溫度恒定的工作模式下，當周圍環境溫度改變時，加熱電阻的上下游的溫度差也會隨之改變，導致測試結果出現偏差。文中分析了環境溫度對其測試影響的大小和趨勢。另外，本文中還提出了增加環境測溫電阻的補償方式，并驗證了在該補償下，不同環境測試時的一致性。

1 環境溫度對測試結果影響的分析

本文中是以集成微溝道的空氣流量傳感器為研究對象，其結構設計示意圖如圖1所示，在橫膈膜下方設計一條微通道，通過微溝道的導向作用，時橫膈膜上下表均有流體流過，增加橫膈膜表面的強迫對流換熱面積As，從而達到增加橫膈膜上的強迫對流換熱，提高傳感器的測試精度。如圖1分別給出了集成微溝道流量傳感器的立體剖面圖和橫截面圖。

在沒有溫度補償時，加熱電阻的溫度控制電路中，將加熱電阻和一個固定阻值的外電阻對等連結，如圖2所示。根據惠斯通電橋原理有:

其中Rh和Rh0分別為當前溫度和273 K下的加熱電阻阻值，α為薄膜電阻材料的溫特系數，Th為當前溫度。由式(1)和(2)可得，Th只與電路中外部電阻Ra，Rb和R'有關，在外部電阻固定的情況下，Th為常數。

圖1 集成微溝道流量傳感器結構圖

圖2 恒溫控制電路

加熱電阻的溫度Th恒定為400 K，研究了環境溫度分別為0℃，15℃，27℃，40℃和50℃下流量傳感器的輸出特性。圖3為空氣流量傳感器在不同環境溫度下輸出信號電壓與流速的關系，其中信號電壓放大1 000倍。從圖中可以看出，不同環境溫度下，電壓信號出現很大的誤差，隨著環境溫度的增加，電壓信號明顯減弱，給流量傳感器的測量帶來很大的誤差。加熱電阻的溫度保持在400 K時，隨著環境溫度升高，加熱電阻與環境的溫差減小，則加熱電阻的強迫對流減弱，同時橫膈膜整體溫度也升高，流體邊界層溫度梯度變小，使得橫膈膜上沿流向方向上的溫度梯度變緩，各種熱交換和熱傳遞都減小。因此，在相同流速下，環境溫度越高，上下游的溫差越小，從而輸出的信號電壓也越小。當流速為2．5 m/s，環境溫度分別為0℃，27℃和50℃時，其測試的輸出電壓信號分別為4．5 V，3．6 V 和2．4 V。從圖中可以看出，隨著環境溫度的降低，信號輸出電壓的飽和現象越顯著。這是由于這兩種傳感器的橫膈膜上的溫度梯度較大，環境溫度越低，流體與橫膈膜的溫差越大，強迫對流越明顯，則隨著流速的增加這種對流換熱越容易達到飽和。傳感器中不同環境溫度，其測試量程發生很大的改變。當環境溫度為0℃時，最大測試流速為2．5 m/s。

圖3 傳感器在不同環境溫度下輸出電壓與流速的關系

2 環境溫度的補償

本中提出在空氣流量傳感器的補償方法，即傳感器芯片最上游放置一根環境溫度測試電阻Rk，通過該測試電阻反映流道進口溫度，將該溫度轉化為電阻信號，作為環境溫度補償依據，使得加熱電阻與進口空氣之間的溫差保持恒定值，采用的加熱電阻的控制電路原理如圖4所示。將環境溫度測試電阻Rk作為惠斯頓電橋橋臂的一部分串入電路中。

圖4 帶溫度補的償恒溫控制電路

根據圖4，則:Ra:Rb=Rh:R'+Rk，又由于 αRk0= αRh0設定 Rk0=Rh0，Ra=Rb，其中 Rk0和 Rh0分別為0℃下Rk和Rh的值，由于環境溫度測試電阻與加熱電阻在制備中的一致性，其溫敏系數均為α，由此可得

式中Th和T0分別為加熱電阻的溫度和環境溫度，因此該電路實現了加熱電阻與環境溫度差保持恒定。

如圖5所示為不考慮流速的情況下，加熱電阻和環境溫度測試電阻的阻值隨著環境溫度的變化曲線。由于αRk0=αRh0，所以在電阻溫度曲線中Rk和Rh的斜率相等。圖中Rk和Rh的電阻阻值之差即為溫度差的反映。從圖中可以看出，Rk和Rh的阻值溫度曲線為兩條成平行線，其差固定在一個值R'。當環境溫度為0℃時，Rk和Rh分別為63 Ω和79 Ω，Rk和Rh所處的溫度分別為0℃和100℃，其溫差為100℃。同樣，當環境溫度為40℃時，Rk和Rh分別為76 Ω和110 Ω，Rk和Rh所處的溫度分別為40℃和140℃，其溫差維持100℃不變。所以該電路維持了加熱電阻與進口空氣之間的溫度。并可可以通過改變R'的阻值來調節該溫差。

圖5 加熱電阻和環境溫度測試電阻的阻值與環境溫度的關系

如圖6為環境溫度補償后，傳感器的輸出信號電壓與流速的關系。環境溫度為0～50℃，芯片橫截面的流速為0～6 m/s時傳感器的信號輸出與流速的關系。從圖中可以看出，經過Rk的溫度補償之后，在不同環境溫度下的傳感器輸出信號電壓表現出的一致性相對較好。相比沒有溫度補償時信號電壓，其誤差大大縮小，但還不能完全避免誤差。隨著溫度升高，流體的熱導率越高，強迫對流越大，固體熱導率小，根據橫膈膜上熱平衡方程:

圖6 溫度補償后傳感器的輸出信號電壓與流速的關系

3 結論

本文中研究環境溫度對流量傳感器的輸出電壓信號的影響，隨著環境溫度的增加，電壓信號明顯減弱，這會給流量計中作過程中帶來很大的誤差。隨著環境溫度的降低其飽和現象越顯著，甚至影響到空氣流量傳感器的測試量程。當環境溫度為50℃時，傳感器的最大測試流速分別為2．5 m/s。

并提出環境溫度的補償方案，在傳感器芯片最上游放置一根環境溫度測試電阻Rk，并將環境溫度測試電阻Rk作為惠斯頓電橋橋臂的一部分串入電路中，使得加熱電阻與進口空氣之間的溫差保持恒定值，得到信號輸出電壓的誤差大大減小。隨著溫度升高，流體的熱導率越高，強迫對流越大，固體熱導率小，導致信號電壓越大。當流速為2．5 m/s，環境溫度分別為0℃，27℃和50℃時，補償前傳感器的輸出電壓信號分別為 4．5 V、3．6 V 和 2．4 V，補償后傳感器的輸出電壓信號分別為3．62 V、3．68 V和 3．75 V。

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