高于室溫環(huán)境的熱式氣體微流量傳感器性能分析*

李 偉,李杰超,閆衛(wèi)平

(大連理工大學電子科學與技術學院,遼寧 大連 116024)

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高于室溫環(huán)境的熱式氣體微流量傳感器性能分析*

李 偉,李杰超,閆衛(wèi)平*

(大連理工大學電子科學與技術學院,遼寧 大連 116024)

為了探索平板微熱管的傳熱特性,了解微熱管內(nèi)不同溫度區(qū)間的蒸汽傳輸特性,開展了熱式氣體微流量傳感器及其檢測系統(tǒng)的設計。設計了一種便于探索最佳溫度測量點的熱式微流量傳感器結(jié)構(gòu),利用MEMS工藝進行加工制作,在不同環(huán)境溫度下對其性能進行了測試,得到了環(huán)境溫度與熱式微流量傳感器性能的關系。基于MSP430單片機和C#語言自主開發(fā)了流量傳感器檢測系統(tǒng),可對一定范圍內(nèi)的流量進行實時檢測,并實時繪制流速隨時間的變化曲線。研究表明,采用本文設計的熱式微流量傳感器結(jié)構(gòu),可以檢測高于室溫環(huán)境下的微流量氣體,并可通過提高加熱器溫度或改變測溫電阻對的測量位置來提高測量靈敏度。

熱式氣體微流量傳感器;Pt薄膜電阻;流量檢測系統(tǒng);高于室溫環(huán)境

熱式流量傳感器在工業(yè)、汽車、醫(yī)療等很多領域具有非常廣泛的應用。隨著MEMS技術的不斷成熟,具有體積小、精度高、功耗低等諸多優(yōu)點的微流量傳感器有了長足的發(fā)展[1-5]。

熱式氣體流量傳感器是基于氣流對于加熱器周圍溫度場的影響,通過測量對稱分布在加熱器周圍的溫度傳感器溫差,從而獲得流體的流速[2-3,5-8]。其測量靈敏度受到加熱器功率、材料的導熱性能、流體的熱交換系數(shù)[9]、以及溫度傳感器和加熱器的相對位置[4]等因素的影響。

由于熱式微流量傳感器受周圍溫度場的影響很大,所以目前國內(nèi)外都主要開展室溫環(huán)境下的熱式微流量傳感器的研究,這些研究涵蓋了動態(tài)性能仿真[10]、不同檢測方向[11]、時間響應特性[12]等,而對于在較高溫度下工作的此類傳感器性能的研究卻未見報道。為了探索平板微熱管的傳熱特性,了解微熱管內(nèi)不同溫度區(qū)間的蒸汽傳輸特性,本文開展了高于室溫環(huán)境下熱式微流量傳感器及其檢測系統(tǒng)的設計,利用MEMS工藝進行加工制作,在不同環(huán)境溫度下對其性能進行了測試,得到了環(huán)境溫度與熱式微流量傳感器性能的關系。

1 工作原理及測溫元件特性

1.1 熱式氣體微流量傳感器工作原理

如圖1所示,當加熱器H不加熱時,對稱分布在加熱器上下游的溫度傳感器T1和T2檢測到的是相同的環(huán)境溫度。當加熱器加熱到一定溫度時,由于T1和T2對稱地分布在加熱器周圍,所以檢測到的溫度仍然相等但均高于環(huán)境溫度。當一定流速的氣體流過傳感器表面時,加熱器溫度場分布會沿氣流方向產(chǎn)生一個梯度,此時T2>T1,根據(jù)公式推導有[13-15]:

ΔT12=TC0V1/2

(1)

式中:ΔT12為傳感器T2與傳感器T1的溫差,TC0是一個與外界條件相關的常量,V為氣體流速。從式(1)可以看出,傳感器對的溫度差與流體流速的平方根成正比,只要測出ΔT12,即可求出氣體流速V。

圖1 熱式氣體流量傳感器工作原理

1.2 Pt薄膜電阻溫度特性

金屬Pt作為一種溫敏特性材料被廣泛應用于制作溫度傳感器,Pt100已廣泛用于諸多領域的溫度檢測[16-17]。本文利用磁控濺射技術直接在鉻版玻璃表面制備Pt薄膜電阻[18],可實現(xiàn)熱式微流量傳感器的微型化及一體化。為了探索Pt薄膜電阻的溫度特性,本文對鉻版玻璃上同一批濺射工藝制作的不同阻值的Pt薄膜電阻的溫度特性進行了測量,結(jié)果如圖2所示。

圖2 相同工藝下不同阻值的Pt薄膜電阻溫度特性曲線

從圖2可以看出,相同工藝條件下制作的不同Pt薄膜電阻的阻值,均隨隨溫度的升高而線性增加,且增長的斜率非常接近。對曲線進行擬合并做歸一化處理,得到如下公式:

R(T)=R0(AT+1)

(2)

式中:R(T)、R0分別為T ℃和0 ℃下Pt薄膜電阻的阻值,A為電阻溫度系數(shù)(TCR)。不同阻值的薄膜電阻溫度系數(shù)如表1所示。

表1 不同阻值薄膜電阻溫度系數(shù)

從表1中可以看出,不同阻值的薄膜電阻,其電阻溫度系數(shù)可以近似為一個常數(shù),將式(2)代入式(1)可得:

ΔRT1,T2=RT2-RT1=AR0TC0V1/2

(3)

即流體的速度與溫度傳感器T1和T2的阻值變化量相關,利用橋式電路可轉(zhuǎn)換成電信號,根據(jù)式(3)即可在一定條件下對流量傳感器進行標定。

2 結(jié)構(gòu)設計及制作

如前所述,熱式微流量傳感器的測量靈敏度與加熱器的加熱面積及溫度傳感器相對于加熱器的位置密切相關,為了探索最佳測量點,本文提出了如圖3所示的結(jié)構(gòu)設計。其中,Pt電阻條寬度50μm,電極寬度1.5mm,Pt薄膜厚度190nm,溫度傳感器之間的距離為2mm。

圖3 熱式微流量傳感器版圖結(jié)構(gòu)

傳感器的制作過程如圖4所示,首先設計掩膜版,并將設計文件發(fā)送到代工廠加工出金屬掩膜版,然后在MEMS實驗室進行制作。制作完成的流量傳感器在實驗室進行封裝。

圖4 熱式流量傳感器的制作過程

3 測試結(jié)果及分析

3.1 測試系統(tǒng)搭建

測試系統(tǒng)如圖5所示,通過調(diào)節(jié)恒溫箱中的溫度,可以控制微流量傳感器的環(huán)境溫度,利用七星華創(chuàng)公司生產(chǎn)的流量計,可以精確控制管道中的氣體流量。

圖5 測試系統(tǒng)示意圖

3.2 不同環(huán)境溫度下加熱器溫度場分布

首先調(diào)節(jié)恒溫箱中的溫度為25 ℃,當氣體流量分別為0 sccm和300 sccm時,加熱器周圍的溫度場分布如圖6所示。其中,加熱器位于X=0處,7對溫度傳感器pair 1～pair 7分別均勻分布在加熱器兩邊,相鄰傳感器間的實際距離為2 mm,為了描述方便用X=±1至X=±7表示。從圖6中可以看出,當氣體流量為零時,加熱器周圍溫度場呈對稱性分布。當有一定流量的氣體流過時,加熱器周圍對稱分布的溫度場被破壞,對稱位置的下游傳感器溫度高于上游傳感器的溫度。

為了探索最佳測量點,固定環(huán)境溫度TE為25 ℃,加熱器溫度TH為66 ℃,測出不同流量下不同傳感器對的溫差如圖7所示。從圖中可以看出,當加熱器溫度一定時,各溫度傳感器對的溫差隨著流量的增加先增大,后減小,且pair 2傳感器為最佳測量點。

圖6 室溫不同流量下溫度場分布

圖7 室溫下各傳感器溫差隨流量的變化

改變恒溫箱溫度為40 ℃,在無氣體流過及300 sccm流量下分別進行同樣的測試。檢測結(jié)果表明,沒有氣體流過時加熱器兩端的測溫電阻依然保持對稱分布,當有一定流量的氣體流過時,溫度場分布呈現(xiàn)出同室溫類似的變化。

為了探索40 ℃環(huán)境下的最佳測量點,同樣保持加熱器溫度為66 ℃,各傳感器對的溫差檢測結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出:各傳感器溫差隨著流量的增加而增大,當增大到一定程度時不再明顯變化;與室溫環(huán)境的測量結(jié)果相對比,相同流量下各傳感器對的溫差均下降;最佳測量點仍為pair 2。

繼續(xù)升高環(huán)境溫度至60 ℃,此時無氣體流過及流量為300 sccm時的溫度場分布仍然類似于室溫和40 ℃環(huán)境溫度的檢測結(jié)果。保持加熱器為66 ℃不變,各傳感器對的溫差隨流量的變化如圖9所示。從圖中可以看出,各傳感器對的溫差進一步減小,且最佳測量點向加熱器方向移動。在環(huán)境溫度仍舊保持在60 ℃環(huán)境下,將加熱器溫度提高到90 ℃,各傳感器對的溫差隨流量的變化增大,但最佳傳感器對的測量位置向遠離加熱器的方向移動,如圖10所示。

圖8 環(huán)境溫度為40 ℃,加熱器溫度為66 ℃時各傳感器對的溫差隨流量的變化

圖9 環(huán)境溫度為60 ℃,加熱器溫度為66 ℃時各傳感器對的溫差隨流量的變化

圖10 環(huán)境溫度為60 ℃,加熱器溫度為90 ℃時各傳感器對的溫差隨流量的變化

圖11 不同環(huán)境溫度下流量傳感器測量靈敏度

保持加熱器溫度為66 ℃不變,環(huán)境溫度分別為室溫、40 ℃、60 ℃時,利用pair 2測量不同流量的靈敏度曲線如圖11所。從圖中可以看出,隨著環(huán)境溫度的升高,測量靈敏度有所下降。這是因為環(huán)境溫度升高,加熱器對周圍環(huán)境溫度場的影響變小,從而導致一對測溫傳感器的溫差變小,進而使得靈敏度降低。

3.3 實驗數(shù)據(jù)分析

在流體力學的研究中,雷諾數(shù)Re定義為:

(4)

式中U0為特征速度,l為特征長度,在管道中可以將二者理解為平均流速和管道半徑,ζ為黏滯度。

當雷諾數(shù)Re較小時,可認為流體流動對加熱器附近溫度分布影響較小,溫度分布滿足:

(5)

(6)

T0為無流體流動時的解。

若氣體在一個在半徑為R、長度為b的圓筒內(nèi)以U0的速度均勻流動,則此時溫度場的增量T1(x)分布可近似表示為:

(7)

即溫度的增量T1(x)是x的函數(shù),且與最初的溫度場分布T0(x)有關。根據(jù)本文的實驗數(shù)據(jù),T0(x)和T(x)具有圖6所示的溫度分布。通過推導可知,溫度傳感器的最佳位置應處于溫度分布曲線斜率最大的位置[19]。從圖6可知,pair2處的溫度梯度最大,所以pair2為流量傳感器的最佳測量點。

3.4 測試結(jié)果

在以上分析的基礎上,本文利用課題組自行組建的測試系統(tǒng),以pair2為測量點,加熱器溫度設定為90 ℃,在60 ℃環(huán)境下對氣體流量進行了實際測量,并利用七星華創(chuàng)的流量計進行流量控制,流量變化范圍在0～500mL/min之間,測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出,本文設計的熱式微流量傳感器實現(xiàn)了在高于室溫環(huán)境下對氣體流量的測量。當氣體流量小于300 mL/min時,標定值與實測值吻合較好;當流量大于300 mL/min時,標定值高于實測值,這是由于當流量增加到一定值時,溫度傳感器對的溫差不再隨流量信號而明顯變化,和之前的測量數(shù)據(jù)相一致。

4 結(jié)束語

本文基于熱式流量傳感器基本原理,自主設計研制了微型流量傳感器,并在高于室溫環(huán)境下測試分析了流量傳感器的性能。研究結(jié)果表明:①通過合理的結(jié)構(gòu)設計,熱式微流量傳感器可以用于高于室溫環(huán)境下的微流量氣體檢測。②當環(huán)境溫度升高時,熱式微流量傳感器測量靈敏度有所降低,此時可通過提高加熱器溫度或者改變測溫電阻對的測量位置來提高測量靈敏度。③當氣體流量較低時,測量值和實際值吻合較好;隨著流量的增加,測量噪聲的影響逐漸顯著,且信號不再隨流速的增加明顯改變。

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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 偉(1989-),男,甘肅隴南人,大連理工大學微電子學與固體電子學碩士研究生,主要研究方向為微流量傳感器、微熱管測試等,leiwei.ok@163.com;

李杰超(1982-),男,河北邯鄲人,大連理工大學微電子學與固體電子學博士研究生,主要研究方向為微槽道平板熱管等,lijiechao@mail.dlut.edu.cn;

閆衛(wèi)平(1950-),女,1975年畢業(yè)于吉林大學半導體化學專業(yè),1989年于吉林大學獲得碩士學位。現(xiàn)為大連理工大學教授,博士生導師,主要研究方向為半導體傳感器及集成微流控生物芯片等,yanwp@dlut.edu.cn。

項目來源:國家自然科學基金項目(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