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熱式質量流量計結合溫差式和風速計式兩種檢測原理的器件結構，將風速計的恒溫差控制信號反饋到溫差式測量的下游, 以起到提高靈敏度和量程的作用。利用Mat lab/ Simulink 仿真并設計了能實現穩(wěn)定熱源和環(huán)境溫度溫差控制的電路; *后制造實現了流量計芯片, 并進行了0~ 1 L/ min 流量范圍內的測試驗證。
熱式質量流量計結合溫差式和風速計式兩種檢測原理的器件結構，設計并制造了一種新型結構的MEMS熱式質量流量計，在對溫差式質量流量計的靈敏度、量程等特性進行了有限元仿真的基礎上, 優(yōu)化設計了器件結構，同時, 提出了一種利用M atlab/ Simulink時域仿真實現熱源控制電路設計的方法，采用MEMS微加工技術研制了新型結構的熱式質量流量計，測試結果表明該新設計比傳統(tǒng)MEMS熱式質量流量計靈敏度提高近4 倍。
流量測量是研究物質量變的科學, 凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一, 它被廣泛應用于冶金、化工食品、醫(yī)藥及人民日常生活等國民經濟各個領域, 在國民經濟中占用重要的地位[ 1] 。
熱式質量流量計利用流動中的流體與熱源( 流體中加熱體或測量管外加熱體) 之間熱量交換的關系來確定流量大小。傳統(tǒng)的熱式流量計又分溫差式和風速計式[ 2] 。
本文采用ANSYS 有限元仿真, 研究了傳統(tǒng)MEMS溫差式質量流量計的工作狀態(tài), 發(fā)現氣流在流動時, 下游溫度的下降會導致器件靈敏度的下降和量程的減小等問題。針對這個問題本文提出了一種新結構的MEMS熱式質量流量計[ 3] 。
新設計在器件結構上結合了溫差式和風速計式兩種檢測原理, 實現方法如下: 采用帶熱源的溫差式流量計基本結構, 利用上下游溫差測定流量大小, 主熱源與流體溫度保持恒定溫差; 在上下游測量溫度的熱電阻下方各有一個輔助熱源, 輔助熱源的發(fā)熱量由控制主熱源保持恒定溫差的電學信號直接控制, 該控制信號即主熱源作為單熱絲風速計檢測流量時的輸出信號, 同流量亦呈線性關系。在一維流體環(huán)境下工作時, 利用電路開關控制處于下游的輔助熱源工作, 借助輔助熱源的加熱作用使得下游溫度升高, 上下游溫差變大。籍由上述方法,新設計使得器件同時具有溫差式的高靈敏度和風速計式的大量程, 并且采用全橋的方式使得輸出信號的靈敏度和線性度進一步提高。
同時, 本文提出了一種采用Mat lab/ Simulink設計熱源控制電路的方法。僅需改變仿真參數就可針對不同的芯片設計調整熱源控制電路的參數取值, 以達到保持熱源與環(huán)境溫度恒定溫差和瞬態(tài)響應快的目的。并*終實現了芯片的制造, 測試驗證了新結構對流量計靈敏度性能的提升作用, 分析了測試結果。
1 新型結構設計和有限元仿真
1. 1 新型結構設計方案
本文提出的新型結構MEMS熱式質量流量計與傳統(tǒng)MEMS質量流量計的結構示意圖如圖1 所示。傳統(tǒng)MEMS 風速計的特征是[ 4] , 傳感器上有一根熱絲或一片熱膜, 在流體中熱絲所產生的熱量被帶走, 直接或間接測量帶走熱量的多少可以標定流量的大小。熱源的控制方式又分恒溫式和恒功率式。其結構如圖1( a) 。
傳統(tǒng)MEMS 溫差式流量計的特征是[ 5] , 由一個恒溫熱源提供發(fā)熱, 在沿流速方向距熱源等距的上下游兩側分別有一個測熱單元。測熱單元可以是熱電阻或熱電堆等等。利用在一定流速下, 上下游溫差的不同標定流速的大小。其結構如圖1( b) 。
新結構的特征是以溫差式流量計為原型, 在下游測熱點下方添加一個輔助熱源以改變下游溫度。利用控制主熱源處于恒溫差的電學信號對輔助熱源的升溫量進行調控, 使得下游溫度能夠隨流速變化而變化, 同時保持上游測熱對流速變化的高靈敏度。利用控制熱源處于恒溫差的電信號進行流量測量是風速計式流量計的測量原理, 所以本文是將兩種測量方法結合到了一個器件上, 其結構如圖1( c) 。
1. 2 有限元仿真
采用ANSYS 進行有限元分析, 仿真了傳統(tǒng)溫差式MEMS熱式質量流量計的工作情況, 觀察并分析其靈敏度和量程方面的性能。
ANSYS 的流體動力學模塊FLOTRAN 提供了流體分析( CFD) 功能?？梢詫α黧w、固流、熱交換等進行分析[ 6] 。
MEMS 熱式流量計仿真模型的具體尺寸見表1。模型由管道和流量計兩部分構成, 流量計位于管道的正中間。ANSYS CFD 的2D 分析使用Fluid141 單元, 在劃分單元時不同的材料, 并加以對應的約束條件, 從而區(qū)分不同區(qū)域。Fluid 141 單元擁有四個節(jié)點, 每個節(jié)點擁有x、y、z三個方向的流速、壓強、溫度、動能等自由度。對于非流體, 支持的材料參數有導熱率、比熱容、密度; 對于流體, 支持的材料參數有導熱率、比熱容、密度、粘滯系數。
圖2 是模型劃分網格后的*終結果。該模型的仿真敏感區(qū)域為處于的芯片熱源及其周圍的流體。網格形狀、大小、分布疏密和過渡由人為,步驟如下: 劃分網格時先利用LESIZE 命令模型上各線段的尺寸, 芯片熱源部分的線段尺寸取1微米, 硅襯底處的線段尺寸取5 微米至150 微米, 距離熱源越遠線段尺寸逐漸增大; 表示管道壁處的線段尺寸取01 5 毫米; 劃分好線段后再劃分面的網格,對于不規(guī)則多邊形形狀的區(qū)域利用MSHAPE 命令定義網格為2D 三角形形狀, 對于規(guī)則的四邊形區(qū)域利用MSHKEY 命令定義劃分成映射的類型, 即長方形的規(guī)則形狀。劃分面的網格后單元的尺寸和分布疏密將自動由之前劃分的線段尺寸所決定, 使得網格分布在仿真敏感的區(qū)域更細化, 其他部分的單元大小變化更均勻和分布盡可能對稱。
1. 3 仿真邊界條件的施加和層流湍流運算切換
( 1) 溫度
管道的入口處施加恒定環(huán)境溫度, 作為流體的流入溫度; 因為構成流量計芯片的硅襯底熱質量大且導熱率高, 所以底座可以施加同樣的恒定環(huán)境溫度; 微結構熱源熱質量和體積都非常小, 內部的溫度分布可以忽略; 質量流量計的熱源施加上恒定的溫度條件。
( 2) 流速
管道的入口處施加流入的流速; 在管道邊緣、芯片邊緣等非流體的表面施加各個方向流速均為0 的邊界條件。
( 3) 壓強
管道出口處施加0 Pa 的壓強邊界條件。
( 4) 層流湍流運算器切換
1. 4 有限元仿真結果
對流速從01 001~ 01 01, 01 01~ 01 1, 01 1~ 1, 1~ 10, 10~ 60 m/ s 分區(qū)間都進行詳細的仿真分析,可以直觀地看到溫度分布變化和模型的量程, 對應流量范圍為41 7 mL/ min 到282 L/ min。圖3( a) 是流速在01 2 m/ s 時流體場的溫度分布云圖。
ANSYS 軟件通用后處理器所提供的路徑觀察功能能滿足詳細觀察的需要, 本文進行分析時所用路徑的位置示意圖如圖3( b) 。流速分別為0 m/ s、01 2 m/ s、1 m/ s、10 m/ s、60 m/ s 時沿流速方向路徑的溫度分布情況如下圖3( c) 。溫差式的熱式質量流量計是利用上下游溫差與流速的對應關系來工作,分別在沿路徑距路徑起點350 Lm( 上游) 和650 Lm( 下游) 處讀取該點在不同流速下的溫度, 并整理成上下游溫差隨流速變化的關系圖, 如圖3( d) , 從圖中可以得到以下結論:
1 上游溫度下降顯著, 流速和溫度差的關系以及溫差式流量計的高靈敏度主要由上游溫度決定;
o 上游溫度下降至與環(huán)境溫度相等后, 即熱邊界層脫離測熱點時, 所對應的流速既為上限流速, 對于仿真所用的模型上限流速約在10 m/ s;
? 下游溫度并不會隨著流體流動而溫度上升,并且同一位置的溫度也不是單調變化的, 有先降后升再降的趨勢。*后的下降趨勢使得溫差的輸出變小流量計失效。所以應該減小下游溫度隨環(huán)境溫度變化在輸出中的影響。同樣的現象在 N.Sabat?等人研究[ 7] 中也有體現。
? 圖中流體處于非穩(wěn)定狀態(tài)時利用層流或湍流運算器分析會得到不同溫度結果, 尤其對下游溫度的仿真影響更大。下游溫度變化的趨勢始終是劇烈下降。
本文的新結構即是針對仿真中發(fā)現的上述問題而設計, 以求提高熱式質量流量計在靈敏度和量程等方面的性能。
2 主熱源恒溫差控制仿真
2. 1 建模
為了使溫差式流量計正常工作, 熱源必須與環(huán)境溫度保持恒定溫差。熱源控制的基本電路如圖4( a) 所示。針對不同的芯片, 基本電路中的電阻電容都需要根據芯片的具體情況重新取值, 從而保證穩(wěn)定的溫差和較快的瞬態(tài)響應。為設計熱源控制電路, 本文提出了一種利用Mat lab/ Simulink 建立時域模型的仿真方法。
熱源控制電路的仿真包含了兩個物理學領域的規(guī)律: 電路理論和熱傳遞。其控制過程是一個瞬態(tài)平衡的過程, 所以仿真設計必須要實現瞬態(tài)響應的模擬, 即模型必須是時域的。通過Mat lab/ Simulink 可以實現這一仿真。利用Mat lab/ Simulink 的時域模型可以研究電橋平衡、RC 常數等對熱源控制性能的影響。
本文利用Matlab/ Simulink 建立了熱源恒溫差控制電路的自動控制模型。
熱源恒溫差控制電路的簡化原理圖如圖4( a) 。
1 根據理想運算放大器積分電路的RC 關系、電路節(jié)電方程和運放/ 虛短虛斷0的特點, 可以得到關于電路的三個方程:
? 通過能量守恒將電學的功率和熱量、散熱量結合起來:
在Mat lab/ Simulink 下建模后的結果, 如圖4( b) 所示。該模型是熱源恒溫差控制電路的時域模型, f 1~ f 6 子函數模塊所描述就是上述1 至?中的f 1 ~ f 6 各式, 各模塊的輸入輸出對應上述f 1 ~f 6 各式中的代數, 數據傳輸采用Mat lab/ Simulink的默認方式。
2. 2 仿真結果
( 1) T CR 失配與恒溫差控制
采用片外鉑絲電阻Pt100 替代片上的薄膜電阻將會有T CR 不匹配的問題。鉑金絲( PT100 型號)的T CR 為01 003 85 e - 1 , 仿真中設置片上鉑金薄膜電阻的T CR 取值01 003 e - 1 。從圖5( b ) 中可知, 當環(huán)境溫度改變時, 由于T CR 不匹配將使得熱源溫度不能有效地跟隨變化, 因此熱源溫度與環(huán)境溫度的差值發(fā)生偏移, 導致溫度場分布變化, 從而影響了流量計的正常工作。要解決這一問題需要改變R6 的取值方法。圖5( a) 是熱源控制電路中的電橋,要排除環(huán)境溫度Tg 的影響就要在電橋平衡的方程中約去帶Tg 的項。描述電橋平衡的方程如下:
其中, R40 ,R50分別是R4 , R5 在0 攝氏度時的阻值; A1 , A2 分別為R5 , R4 的T CR; △T 是熱源與環(huán)境的溫差; T g 是環(huán)境溫度; x 是電橋比值。整理上式得:
從上面的計算可看出, TCR 相等是計算R6 的一種特殊情況, 并且當TCR 不匹配時, 電橋的電流比x 不能任意取值。為了盡量避免環(huán)境溫度檢測電阻R4 的自熱現象, x 取值要盡量大, 即增大R4 0 /R50的比值。在本文中, R4 用鉑絲Pt100 為1008,R5 為片上熱源電阻約十幾歐姆, 可以滿足避免自熱現象的要求。圖5( b) 是修改R6 取值前后熱源溫度變化的仿真結果比較。
( 2) RC 常數與瞬態(tài)響應
MEMS熱式質量流量計的熱源熱質量很小, 所以本身的溫度響應很快。為了在流體散熱和升熱的動態(tài)平衡中實現平穩(wěn)的恒溫差控制, 圖4( a) 中的RC 積分電路是必需的。圖6( a) 是流速發(fā)生變化后熱源重新建立恒定溫差的瞬態(tài)響應。從圖中可見, 過大的RC 值導致響應太慢, 嚴重影響恒溫差控制; 圖6( b) 表明過小的RC 常數會造成熱源恒溫差控制的不穩(wěn)定。嘗試不同R C 組合后, *后選定R =500 8 , C= 100 nF, 其仿真結果如圖6( b) 。
3 工藝制造
本文利用硅基的微加工傳統(tǒng)工藝實現了器件的制造, 并完成了封裝。*終的截面示意圖如圖7( a)。采用< 100> 晶向p-雙面拋光的3 inch 硅片。支撐層為熱生長氧化硅緩沖層和LPCVD 氮化硅。加熱和測熱電阻均采用Ti/ Pt 濺射工藝制造。兩側金屬之間的絕熱層是PECVD 氮化硅。*后在KOH 中進行傳感器橋結構的釋放。完成后的芯片尺寸約31 1 mm x 21 8 mm。圖7( b-d) 是進行到部分工藝步驟時的顯微鏡圖片。
完成后的芯片利用環(huán)氧樹脂粘結在PCB 上, 并用鋁線鍵合芯片和PCB 上的熱壓腳。*后封裝的結果如圖8 所示。
4 結果與分析
本文考察了流量為0, 500 mL/ min 和1 000 mL/ min 下傳感器的輸出, 如下圖9 所示, 氣體為高純氮氣, 環(huán)境溫度15 ℃ :
為比較和驗證新結構與傳統(tǒng)MEMS溫差式熱式質量流量計的性能差別, 測試時在PCB 上利用一組開關實現了同一芯片切換不同工作狀態(tài), 包括: 是否使用輔助熱源、采用全橋或半橋的讀出電路、采用不同的熱源與環(huán)境溫度溫差。例如, 當切換到不使用輔助熱源的工作狀態(tài)時, 芯片就按照傳統(tǒng)方式工作, 由此實現新結構和傳統(tǒng)流量計的比較。/ 對同一芯片切換不同工作方式0 的比較方法使得測試結果更有可比性。
圖中Vout1 為使用輔助熱源的設計, 方式I; Vout2為沒有使用輔助熱源時的輸出, 方式II; Vout3為使用半橋讀出電路的輸出, 方式III; Vou t4 為熱源與環(huán)境的設計溫差100 e 時的輸出, 方式IV ; Vout ( sim) 為仿真結果。以上各工作狀態(tài)除特別說明外: 熱源與環(huán)境的設計溫差均為55 e , 使用全橋讀出電路, 并采用有輔助熱源的設計。
表2 是各種工作狀態(tài)下流量計靈敏度的比較。從表中可以看到, 采用輔助熱源的設計比傳統(tǒng)設計的靈敏度高31 8 倍; 和半橋的讀出電路相比, 全橋電路的靈敏度提高了21 1 倍; 使用更高的熱源環(huán)境溫度溫差的工作狀態(tài), 靈敏度可進一步提高了。
研究測量結果后發(fā)現, 傳感器的輸出數值小于仿真結果2~ 3 倍。為討論測量結果優(yōu)良值小的原因, 本文還考察并測量了各個電阻的TCR 大小, 圖10 考察了在溫度為16 ℃ , 30 ℃ , 45 ℃ 和57. 7 ℃下各個電阻的阻值。
從圖中可以看出, PT 100 鉑絲電阻較為接近其標準的0. 003 8 ℃- 1。片上各個T i/ Pt 電阻的T CR 均約為0. 001 5 ℃ - 1 , 說明Ti/ Pt 濺射工藝實現了較好的一致性。表4 列出了各電阻的T CR 實驗值。
從以上討論中發(fā)現: ( 1) 實際測量的結果都小于仿真結果, 這主要是由于1 測熱電阻T CR 值過小,影響測量結果, 而在仿真時使用的TCR 參數為0. 003 ℃ - 1 ; o 為了加強器件的機械強度, 在熱源下方保留了3~ 5 Lm 經過濃硼擴散的硅橋, 由于硅橋導熱的影響, 熱源和環(huán)境溫度的實際溫差小于設計溫差, 比較Vout1 和Vout4 的結果可以發(fā)現, 溫差大小會影響流量計的靈敏度; ( 2) 實際測量的結果在流速為0 時輸出信號不為0, 這是因為1 輔助熱源需要的調零信號很小, 變阻器的電阻分壓法不能**地實現調零; o 工藝制造時的不對稱性。
5 結論
本文通過ANSYS 有限元仿真分析了溫差式流量計的工作環(huán)境, 發(fā)現了下游溫度下降對流量計性能的影響; 在此基礎上設計了一種新型結構的MEMS 熱式質量流量計, 該設計結合了溫差式和風速計式兩種測熱原理, 將風速計的恒溫差控制信號反饋到溫差式測量的下游, 以起到提高靈敏度和量程的作用。利用Mat lab/ Simulink 仿真并設計了能實現穩(wěn)定熱源和環(huán)境溫度溫差控制的電路; *后制造實現了流量計芯片, 并進行了0~ 1 L/ min 流量范圍內的測試驗證。結果表明:
1 采用輔助熱源設計和全橋讀出電路的流量計比無輔助熱源和半橋電路的設計能提高MEMS熱式質量流量計靈敏度達近4 倍;
o 提高熱源與環(huán)境溫度之間的溫度可以進一步改善流量計的靈敏度。
下一步工作包括:
1 對器件在大流量高流速的環(huán)境下進行測量,驗證新設計對質量流量計器件量程性能的改善作用;
o 改善工藝條件, 實現無硅橋支撐的二氧化硅氮化硅橋結構;
? 嘗試采用熱電堆替代鉑金測熱電阻, 考察其對質量流量計性能的影響。
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