熱隔離式MEMS氣體流量傳感器的設計

徐洋

（1.煤礦安全技術國家重點實驗室 遼寧省撫順市 113122 2.煤科集團沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

微機電系統MEMS 概念最早被提出是在1988年，最初是由美國加州大學伯克利分校Tai 等人，通過利用微電子平面加工技術研制出直徑為100 微米硅微機械馬達，將機械結構、電路集成在了一個芯片當中，讓人們看到了完整的微型機電系統實現的可能。因此，MEMS 的概念應運而生，并成為了國際研究重點話題。石油化工產業生產中，由于其中含有易燃易爆物，必須要對整個生產線進行控制，并實時監測整個產生系統的運行情況，發現系統運行數據可以及時報警、啟動救援系統，避免危害進一步增加。而基于熱隔離式的氣體流量傳感器，不需要額外設置壓力傳感器、溫度傳感器，可以有效的測量氣體質量流量。在實際應用中，MEMS 具有系統結構簡單、可靠、生產成本低等特點。由此可見，加強熱隔離式MEMS氣體流量傳感器設計工作有著重要意義。

1 MEMS芯片結構與工作原理

MEMS 芯片中包含了4 個鉑電阻，包括環境電阻、上游測溫電阻、加熱電阻、下游測溫電阻。氣體流入系統中環境電阻可以直接測量氣流溫度，通過加熱電阻對溫度補償，產生恒溫差電阻，剩余電阻采用正面濕法腐蝕產生相互隔離懸空結構，間隔量為240μm。該懸空熱隔離結構相比三根電阻處在相同薄膜結構，加熱電阻熱力借助氣體介質傳輸到上下游測溫電阻當中，這樣有助于避免經過膜傳導造成的熱損失問題，進一步提升了氣體流量監測效率、反應速度。溫差電阻主要是加熱電阻、環境電阻形成，也就是加熱電阻相對流入氣體要高出一定的數值，加熱電阻兩側均勻分布上下游測溫電阻，如果沒有檢測到氣體流量（為0 時），加熱電阻生成的熱能會讓上下游測溫電阻溫度同時提升。如果檢測到氣體流量時，則控制上游電阻升溫高度，而下游電阻會持續升溫，直到能夠滿足系統恒溫為止，結合測溫電橋輸出電壓即可獲取到流量值。

2 傳感器模型與工藝制備

2.1 傳感器模型

熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器是以托馬斯的“流體的熱傳遞與其質量流量成正比”理論為基礎提出的新型設備。流體在流動當中加熱元器件兩側溫度分布有一定規律可循，通過反演流速得出測量結果。在實際應用中，具有探測范圍廣、靈敏度高、分辨流向能力強等優勢，有助于進一步朝向多功能化、微型化方向發展。因此MEMS 氣體流量傳感器已經成為了當下微流量傳感器領域的研究熱點[1]。

以MEMS 為基礎的氣體流量傳感器中，熱敏電阻器在加熱電阻器兩端，如果流體靜止不動時，熱量分布圖以熱源為中心呈正態分布形式；氣體流動產生熱力偏移情況時，會導致上下游熱敏電阻器阻止產生變化。通過惠斯登電橋將所得電阻值轉化為相對應電橋輸出量，即可推算出氣體流速量。傳統的MEMS 溫差流量傳感器集成了連個電阻器，外部連接了連個電阻器，容易受到外部環境的負面影響，一旦產生了外界干擾問題，產生偏移問題后會直接影響電橋輸出，對流速測算造成很大的干擾。而在設計中采用熱隔離式可以有效避免溫差效應帶來的負面影響，通過熱隔離降低熱輻射，保證氣體流量檢測精度，同時要重點考慮電阻器的集成，并且讓初始值相等，這樣整體結構就變得更加簡單，提高了系統的穩定性。相關文獻還表明了電橋輸出電壓和流體特性、流速、傳感器結構、材料密度有直接關系。在實際設計中可以有效調節加熱電阻、熱敏電阻器距離，控制電橋輸出電壓，保證整個系統的靈敏度。

2.2 工藝制備（硬件框架設計）

本文所提出的熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器應用于石油化工領域，因此要保證傳感器硬件系統可以滿足化工環境生產要求。設計中將熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器將那熱敏電阻器硅基掏空，這樣有助于減少襯底熱傳導，發揮熱隔離的效用，保證氣體流量監測的靈敏度、反應速度。硬件選擇電阻溫度系數較大的Pt 熱敏電阻器，溫度系數為3.908*10-3/℃。結合MEMS 傳感器模型理論，電橋輸出電壓和溫度系數成正比，溫度系數增加也會增大輸出電壓，有助于提升傳感器靈敏度。再加上Pt 熱敏電阻器化學惰性高，加工工藝在多年發展中十分成熟，保證了電阻器在石油化工領域中應用的穩定性。SU-8 光刻膠具機械性能強、密封性好、抗腐蝕性強、熱穩定性好、電阻率高，因此在石油化工領域應用也十分廣泛。硬件設計流程為：

（1）硅基底LPCVD 上增加一層 Si3N4。

（2）使用正膠光刻技術，獲取熱敏電阻器、加熱電阻器圖形。

（3）磁控設置一層Cr/Pt,厚度為30nm/100nm，完成熱電阻器、熱敏電阻器。

（4）利用正膠光刻獲取電極圖形，磁控增設一層Cr/Au，厚度為30nm/300nm，完成電極[2]。

（5）背面正膠光刻，熱敏電阻下放的硅要暴露出來，深刻蝕硅層，將熱敏電阻器下方硅層控制在10μm。

（6）在硅片表面上涂一層AZ4500 厚膠，在顯影后即可完成溝道模具。

（7）使用SU-8 膠制作的溝道與熱面電阻器契合密封，得出隔熱式MEMS 流量傳感器芯片。

3 熱隔離式MEMS氣體流量傳感器系統設計

結合MEMS 原理設計熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器系統，整個傳感器系統中涵蓋了恒溫差電路、上下游測溫電路、模數轉換電路、單片機電路。

3.1 恒溫差電路

恒溫差電路系統要分別在PCB 板上安裝R1、R2、R3 三個電阻，芯片上兩個電阻分別為Ra 和Rb，芯片中的Ra 電阻引線分別與R1和R3 連接，Rb 電阻引線與R2 連接，兩個線路為并聯電阻，并聯線路分別為連接AD8628，形成反饋回路。AD8628 為單電源供電，失調電壓為1μV，同時可以實現軌到軌輸入輸出功能。結合系統運防的虛短虛斷特性，即可得出外部電阻適應值，實現電路恒溫差[3]。實現恒溫差，要結合以下公式：

公式中，α 表示薄膜鉑電阻溫度系數，相對鉑體材料溫度系數低一些；R0 表示環境電阻在0℃溫度的電阻；△T 表示溫差。

3.2 上下游測溫電路

惠斯通電橋是由上下游測溫電阻組成，PCB 板外部電阻為Rs、Rx，二者取相同阻值。嚴格控制兩路阻值，如果阻值過小，會造成Rs、Rx 電流增加，增加自身發熱量；阻值過高會造成電橋輸入電壓過小，降低信噪比。綜合取值中，電橋電壓為3V、Rs 取值為3kΩ、Rx 取值1.5kΩ。

3.3 單片機電路

采用增強型單片機，最新增強型單片機具備8K 字節程序存儲空間、512 字節SRAM。內部集成512 字節EEPROM，借助應用編程IAP 技術與程序空間分開一塊flash 空間共同組成EEPROM，用于標定數據存儲。本程序采取UART 串口燒錄，后續更新、升級較為方便。流量值采用UART 串口直接輸出數字量，這樣無須對模塊轉換即可實現功能，應用更加便捷[4]。借助復合支撐薄膜的電調制紅外輻射源，實現信息采集，串口與微孔粉塵過濾器、低溫除濕器連接，可以實時采集設備的運行數據，第一時間掌握設備的運行狀態，實現了MEMS 與IC 集成。

3.4 模數轉換電路

模數轉換芯片采用HX711，該芯片為24 位，具有穩壓電源集成功能，通過搭配少量外部元件即可為傳感器提供電能，如HX711芯片可以為電橋提供3V 電壓。電源輸出量可控，分別為10Hz、80Hz 輸出速率，可以根據用戶實際情況進行選擇。HX711 中內部還集成了低噪聲可編程放大器，分別對兩個通道A 和B 進行增益，其中，通道A 增益量為128 倍或64 倍；B 通道增益量為32 倍，負責放大上下游測溫電路輸出電壓，結合電壓輸出范圍，正確選擇通道A 的增益[5]。共模電壓輸入量相比地電壓高1.2V、相比低電源電壓少1.3V。這樣即可通過電阻作用讓分差電壓共模電壓提升到合理范圍內。

3.5 管道結構

管道只要是借助開模注塑工藝，內徑采用葫蘆形設計，本設計管道長度為105mm，接口口徑為5mm，之后逐漸擴大到12mm， 最后在逐漸縮小到8mm，在管道側壁中設置芯片。這種管道設計方案和結構，可以讓氣流經過更加穩定。在管道中設置過濾網，可以進一步穩定氣流，同時還起到了防塵作用。

3.6 標定

可能受到人為因素、自然因素影響造成傳感器的性能差異，例如芯片阻值差、芯片在管道裝配位置等，這就要標定傳感器。壓縮空氣經過氣流穩定器實現了穩流作用，借助穩定器的調控按鈕對流量進行調節，待標定流量傳感器和商業流量傳感器氣路串聯。調節時將流量調節為，之后逐次調節流量點，單片機會逐漸獲取HX711 中模數轉換值，借助串口將模數轉換值傳輸給上位機。上位機通過采集傳感器所采集的流量值，對所采集的多個流量點采用MATLAB 進行擬合。在完成了數據擬合完成后，均分A/D 值，將傳感器采集數據形成的曲線圖和A/D 值均分步距存入單片機EEPROM 中。在完成了標定工作后，單片機會結合存儲的A/D 值，根據內部編程設定完成的查表推算流量值。該標定方法可以同時對多個串口連接傳感器進行標定，上位機也可以直接獲取多線路待標定傳感器A/D 值[6]。

上述標定方法，可以對單片機程序進行設計，電源為單片機提供電能之后，串口得到傳感器標定數據后，將標定數據存儲到EEPROM 中。如果是未標定，直接由串口輸出A/D 值，并將A/D值上傳給單片機；完成標定直接通過查表輸出流量值。

4 熱隔離式MEMS氣體流量傳感器功能與應用

本設計方案主要是控制、監控石油化工生產，可以實現與生產設備集成生產環境監測以及應急救援功能。其主要表現在：

4.1 生產環境安全監測

借助復合支撐薄膜的電調制紅外輻射源，單片電容式硅基微傳聲器，負責采集設備運行產生的紅外線輻射量，判定生產設備運行情況。傳感器負責采集生產設備的紅外輻射，將紅外輻射數據通過串口（標定之后）傳遞給單片機EEPROM，根據查表信息判定熱輻射數據是否滿足正常生產標準。通過借助PLC、微孔粉塵過濾、低溫除濕技術，根據單片機EEPROM 數據標準下達操控指令，控制機械運行參數、管路粉塵過濾、調節環境濕度，自動化完成生產系統調整，實現了MEMS 和IC 工藝的集成[7]。

4.2 應急救援

在MEMS 氣體流量傳感器系統基礎上，配套工業級長光程氣體池及光路系統，集成優化光源與檢測器，借助PLC、傳感器系統、上位機，開發儀器自動操控軟件、可擴充多氣體分析軟件，如果串口標定數據與EEPROM 查表數據不符，上位機自動操控軟件可以自動斷開故障線路，在不影響其他區域正常功能情況下將故障損失降到最低；同時根據氣體流量實際數值，上位機可擴充多氣體分析軟件對所采集的氣體數據進行分析，由上位機統一下達操控指令，實現應急救援。通過一整套的在線監測系統，以傳感器采集、串口傳輸、單片機分析、上位機控制，從而形成一套完整的化工區域安全監測及突發應急救援系統。

5 結束語

綜上所述，本文重點提出了一種熱隔離式MEMS 氣體流量傳感器，提出了系統設計方法和實際應用功能。傳感器能量測量的氣體流量可以有效滿足石油化工企業生產監測、控制標準，并且系統結構簡單、成本低、應用便捷，隨著科學技術不斷發展，未來傳感器系統功能還會進一步完善。