一种结合温差式和风速计式的新结构MEMS热式流量计

　　流量测量是研究物质量变的科学, 凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一, 它被广泛应用于冶金、化工食品、医药及人民日常生活等国民经济各个领域, 在国民经济中占用重要的地位[ 1] 。

　　热式质量流量计利用流动中的流体与热源( 流体中加热体或测量管外加热体) 之间热量交换的关系来确定流量大小。传统的热式流量计又分温差式和风速计式[ 2] 。

　　本文采用ANSYS 有限元仿真, 研究了传统MEMS 温差式流量计的工作状态, 发现气流在流动时, 下游温度的下降会导致器件灵敏度的下降和量程的减小等问题。针对这个问题本文提出了一种新结构的MEMS 热式流量计[ 3] 。

　　新设计在器件结构上结合了温差式和风速计式两种检测原理, 实现方法如下: 采用带中央热源的温差式流量计基本结构, 利用上下游温差测定流量大小, 中央主热源与流体温度保持恒定温差; 在上下游测量温度的热电阻下方各有一个辅助热源, 辅助热源的发热量由控制中央主热源保持恒定温差的电学信号直接控制, 该控制信号即主热源作为单热丝风速计检测流量时的输出信号, 同流量亦呈线性关系。在一维流体环境下工作时, 利用电路开关控制处于下游的辅助热源工作, 借助辅助热源的加热作用使得下游温度升高, 上下游温差变大。籍由上述方法,新设计使得器件同时具有温差式的高灵敏度和风速计式的大量程, 并且采用全桥的方式使得输出信号的灵敏度和线性度进一步提高。

　　同时, 本文提出了一种采用Mat lab/ Simulink设计热源控制电路的方法。仅需改变仿真参数就可针对不同的芯片设计调整热源控制电路的参数取值, 以达到保持热源与环境温度恒定温差和瞬态响应快的目的。并最终实现了芯片的制造, 测试验证了新结构对流量计灵敏度性能的提升作用, 分析了测试结果。

　　1 新型结构设计和有限元仿真

　　1. 1 新型结构设计方案

　　本文提出的新型结构MEMS 热式流量计与传统MEMS 流量计的结构示意图如图1 所示。传统MEMS 风速计的特征是[ 4] , 传感器上有一根热丝或一片热膜, 在流体中热丝所产生的热量被带走, 直接或间接测量带走热量的多少可以标定流量的大小。热源的控制方式又分恒温式和恒功率式。其结构如图1( a) 。

　　传统MEMS 温差式流量计的特征是[ 5] , 由一个恒温热源提供发热, 在沿流速方向距热源等距的上下游两侧分别有一个测热单元。测热单元可以是热电阻或热电堆等等。利用在一定流速下, 上下游温差的不同标定流速的大小。其结构如图1( b) 。