MEMS质量流量计在城市天然气计量的应用

　　1微机械电子系统( MEMS) 简介

　　微机械电子系统( Micro Electro Mechanical Sys-tem) 简称 MEMS，是采用现代加工工艺和材料生长及合成技术制造的具有机械、电子及其他物理特性的微系统。大多数微机械电子系统是借用了大规模集成电路的主要工艺构筑在硅片上的，因此也称为微机电系统芯片。

　　微机电系统芯片可获得某些宏观机电器件不能实现的功能。典型的微机电系统芯片包含微传感器、微调节器及智能电子控制线路。微传感器能感应环境的热、机械、磁、光、化学或生物特性，通过微调节器及智能电子控制线路来完成相关功能。

　　MEMS 质量流量计采用美国 SIARGO 公司生产的热式质量流量传感器芯片，通过气体流动产生的热场变化来测量气体的流量。由于不同质量的气体对热场具有不同的影响，因此它所测量的流量为质量流量。

　　微机电系统芯片热式质量流量传感器采用多个温度传感器及 1 个微热源，大大减小了环境对测量的影响。其热源十分微小，采用插入式，在相对大的静态流场中，热源对介质环境没有影响，不会像传统的热丝式质量流量计那样造成气体的对流。因此，微机电系统芯片热式质量流量传感器具有优良的零点稳定性和极短的响应时间[1 -2]。

　　2 MEMS 质量流量计的构造和工作原理

　　2.1 MEMS 质量流量计的构造

　　MEMS 质量流量计的构造见图 1，核心部件为流量传感器组件。对于工业用户，流量计的平均功耗不大于 0. 8 mW，其所采用的 19AH 锂电池组可以支持 3 年以上的不间断工作。组合整流器包含直流和整流两个功能。表体的管道通常采用文丘里结构，有利于流场的稳定。

　　传感器的封装对流量计的性能有较大影响。由于传感器属于芯片，在单晶硅上制作而成，厚度为0.5 mm。因此可以将之封装成平板状，插入流场中，使流场实现边界层状态。因此，流体到达传感器时将重新分布，使传感器测量的流体为层流状态，测量重复性可达到理想的状态。

　　2.2 MEMS 质量流量计的工作原理[3]

　　与传统热式质量流量计的测量原理类似，流体的质量流量与流过传感器所带走的热量相对应。在MEMS 流量芯片上，1 个微热源的上、下游各对称地设置 1 个温度传感器，还设置了 1 个环境温度传感器，用来调节环境温度变化对微热源的影响。流体的质量流量，微热源上、下游的温度变化及微热源的功率是芯片的主要参数。传感器所测量的流量为与温度和压力无关的质量流量。尽管如此，控制电路的温度补偿是流量计温度效应的主要来源。