基于銅懸臂梁開關的低功耗熱式流量計研制

馬曉明，張志利，劉春平，高慧敏

（天津中德應用技術大學，天津 300350）

熱式流量計需要不斷對流體進行加熱，因此在電路的設計中必須要考慮節能。本文提出采用銅懸臂梁作為電路開關，利用懸臂梁的靜態特性，感應氣體流動，實現電路的控制，對加熱器供電并檢測流速和計加累積數。無氣流時電路關斷，既降低功耗又減輕電路設計的復雜難度[1]。

1 系統原理

如圖1所示，懸臂梁開關由一個金屬懸臂梁和一個金屬觸點兩部分構成。將懸臂梁置于通道中，使得懸臂梁彎曲方向與通道中氣體的流向平行。當有流體通過時，流體壓力使懸臂梁向下彎曲，懸臂梁末端與觸點接觸，信號導通；當沒有外界流體后，懸臂梁末端與觸點脫離接觸，電路斷開。

圖1 通道中流量計結構

2 懸臂梁原理

2.1 懸臂梁的仿真

使用intelliSuite仿真軟件對銅懸臂梁進行建模仿真，對銅懸臂梁施加條件，從懸臂梁的根部向尖端添加氣流，利用微觀條件下氣流引起的黏著力對懸臂梁造成形變，使其向下彎曲，與下端的兩個節點連接，從而電路導通。由于懸臂梁在氣路中是垂直于通道的，所以重力的效果可以忽略[2-3]。

仿真結果表明，懸臂梁的彎曲程度隨懸臂梁膜厚的增大而呈指數下降，隨寬度增加而增加，隨著懸臂梁長度的增加呈指數增長。所以為了滿足低壓力下懸臂梁開關的作用，應該在條件允許的條件下盡可能降低懸臂梁的厚度。

2.2 懸臂梁制作

依據上述仿真結果，本設計采用納米壓印的技術結合微電子的光刻工藝制作了懸臂梁。懸臂梁厚度0.1 μm，長度200 μm。

如圖2所示，本設計的懸臂梁底層是硅層，主要起絕緣和支撐作用。中間是下電極和接觸金屬，對梁起到一定的支撐作用，是懸臂梁的關鍵層。上層是金屬層，是懸臂梁開關的懸臂梁。懸臂梁和懸臂梁接觸金屬之間的距離為2 μm。考慮設備的抗腐蝕性以及制作成本，本設計選取銅作為懸臂梁開關的材質。

圖2 懸臂梁開關示意

3 系統設計

為了驗證上述設計的有效性，本文設計了基于銅懸臂梁開關的熱式流量計的控制電路，并編寫了相應的數據處理軟件。系統采用LPC2104作為控制器，采用TI公司24位數模轉換器ADS1232作為A/D轉換器。懸臂梁開關作為LPC2104的外部中斷源，用于觸發和喚醒系統工作。

3.1 懸臂梁開關電路設計

如圖3所示，懸臂梁開關連接在LPC2104的外部管腳上，將該管腳設置為外部中斷。懸臂梁開關的一端連接5 V電平，一端連接三級管的基極。

圖3 流量計原理框

當流量計的管道中有氣體流動時，懸臂梁開關閉合，三極管導通，此時LPC2104的管腳由低電平變為高電平，觸發LPC2104外部中斷，將流量計從低功耗睡眠狀態喚醒，進入工作狀態。三極管的作用有兩個：（1）提高系統的驅動能力，通過電源直接對電容C4充電，使得電平快速由低電平變為高電平。（2）保護懸臂梁開關。電容和電阻組成低通濾波網絡，濾除懸臂梁開關震動對電路的影響，提高采集精度[4]。

3.2 算法設計

本文中熱式質量流量計采用“熱耗散”的原理，其熱耗散過程遵循“金氏定律”。金氏定律的加熱絲熱散失率各參量間的關系為：

其中：S是加熱器面積，H/S是單位長度熱散失率；T是熱絲高于自由流速的平均升高溫度；λ是流體的熱導率；Cv是定容比熱容；ρ是密度；U是流體的流速；d是熱絲直徑。

所以耗散功率P與溫度差ΔT、流速之間的關系如式（2）所示：

其中：f是常數。

根據熱傳導理論，設定系統的加熱功率P，即可測量得到溫度差ΔT，依此可計算得到系統的流速。

4 實驗

依據上述理論，本文設計了一個基本樣機并進行了測試，對懸臂梁開關功能進行了測試。在實驗中，將懸臂梁放置在管道內部，通過示波器實時監測懸臂梁2管腳和LPC2104的管腳上的電壓，當管道內有氣體流過時，這兩個管腳上如果是高電平5 V，說明懸臂梁在氣體流動產生的壓力壓迫下實現了開關作用；如果都為低電平0 V，說明懸臂梁沒有動作，懸臂梁沒能關閉。如果懸臂梁在流動空氣壓迫下產生抖動，關閉不完全，此時懸臂梁2號管腳上會有方波出現，此時單片機管腳電壓處于0～5 V。通過測試，在上述流量下，這兩個管腳均為高電平5 V左右，說明懸臂梁開關工作正常，達到了設計目的。

5 結語

本文利用低功耗熱式流量計開關的結構原理，設計了基于銅材質的懸臂梁開關，并對其性能作仿真分析和實驗驗證，結果表明銅材質的懸臂梁適合作為熱式流量計的開關，功能滿足需求，具有實際應用價值。