环境温度对集成微沟道温差空气流量传感器的影响及其补偿*

余柏林，王瑞春，龚汉东，余法红

(1．深圳信息职业技术学院电子通信技术系，广东深圳518029;)2．武汉大学 软件工程国家重点实验室，武汉430074

热式微型空气流量传感器是以托马斯提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比”理论为基础，利用外热源对传感器探头加热，气体流动时会带走一部分热量，使探头温度改变，通过测量因气体流动而造成的温度变化来反映气体的质量流量［1－15］。目前主要有热线损失线型和热膜温差热膜型。前者由于存在交叉灵敏度，热紊乱很大，热线抗污染腐蚀能力差等;限制了它的进一步发展［16－18］。伴随着微电子加工技术发展以及MEMS技术的兴起，热膜式气体质量流量传感器成为新的研究焦点。采用硅微机械加工技术制成的具有体积小、成本低、稳定性好、兼容性强、精确度高、功耗低、响应时间短等特点。2000年Hung等人发展出新型的热敏电阻传热式流量传感器，该传感器的灵敏度为3．2638℃/mV，其响应速度小于5 ms，测量速度高于1．5 m/s，该传感器用新型“网式”薄膜结构代替传统的微型传感器结构［19］。2004年 Seunghyun Kim等人发展出一种可以探测流动方向和流量大小的环形热式微型流量传感器。传感器的技术指标为:方向最大角度差5°，速度误差不超过0．5 m/s，功率为80 mW，传感器的整体尺寸3 mm×3 mm［10］。2006年，美国Honeywell物理科学中心研制出基于石英的微流量计主要用于高压流体中的流量测试，具有抗压能力强的特点，其抗流体的压强可高达5 000 psi，响应时间为 3 ms。

本文中研究了环境温度对空气流量传感器测试的影响，热膜式空气传感器的测试原理是基于温度场的变化而反映流速大小的。不同的环境温度下，横膈膜上的对流换热也会不同，因此，加热电阻的温度恒定的工作模式下，当周围环境温度改变时，加热电阻的上下游的温度差也会随之改变，导致测试结果出现偏差。文中分析了环境温度对其测试影响的大小和趋势。另外，本文中还提出了增加环境测温电阻的补偿方式，并验证了在该补偿下，不同环境测试时的一致性。

1 环境温度对测试结果影响的分析

本文中是以集成微沟道的空气流量传感器为研究对象，其结构设计示意图如图1所示，在横膈膜下方设计一条微通道，通过微沟道的导向作用，时横膈膜上下表均有流体流过，增加横膈膜表面的强迫对流换热面积As，从而达到增加横膈膜上的强迫对流换热，提高传感器的测试精度。如图1分别给出了集成微沟道流量传感器的立体剖面图和横截面图。

在没有温度补偿时，加热电阻的温度控制电路中，将加热电阻和一个固定阻值的外电阻对等连结，如图2所示。根据惠斯通电桥原理有:

其中Rh和Rh0分别为当前温度和273 K下的加热电阻阻值，α为薄膜电阻材料的温特系数，Th为当前温度。由式(1)和(2)可得，Th只与电路中外部电阻Ra，Rb和R'有关，在外部电阻固定的情况下，Th为常数。

图1 集成微沟道流量传感器结构图

图2 恒温控制电路

加热电阻的温度Th恒定为400 K，研究了环境温度分别为0℃，15℃，27℃，40℃和50℃下流量传感器的输出特性。图3为空气流量传感器在不同环境温度下输出信号电压与流速的关系，其中信号电压放大1 000倍。从图中可以看出，不同环境温度下，电压信号出现很大的误差，随着环境温度的增加，电压信号明显减弱，给流量传感器的测量带来很大的误差。加热电阻的温度保持在400 K时，随着环境温度升高，加热电阻与环境的温差减小，则加热电阻的强迫对流减弱，同时横膈膜整体温度也升高，流体边界层温度梯度变小，使得横膈膜上沿流向方向上的温度梯度变缓，各种热交换和热传递都减小。因此，在相同流速下，环境温度越高，上下游的温差越小，从而输出的信号电压也越小。当流速为2．5 m/s，环境温度分别为0℃，27℃和50℃时，其测试的输出电压信号分别为4．5 V，3．6 V 和2．4 V。从图中可以看出，随着环境温度的降低，信号输出电压的饱和现象越显著。这是由于这两种传感器的横膈膜上的温度梯度较大，环境温度越低，流体与横膈膜的温差越大，强迫对流越明显，则随着流速的增加这种对流换热越容易达到饱和。传感器中不同环境温度，其测试量程发生很大的改变。当环境温度为0℃时，最大测试流速为2．5 m/s。

图3 传感器在不同环境温度下输出电压与流速的关系

2 环境温度的补偿

本中提出在空气流量传感器的补偿方法，即传感器芯片最上游放置一根环境温度测试电阻Rk，通过该测试电阻反映流道进口温度，将该温度转化为电阻信号，作为环境温度补偿依据，使得加热电阻与进口空气之间的温差保持恒定值，采用的加热电阻的控制电路原理如图4所示。将环境温度测试电阻Rk作为惠斯顿电桥桥臂的一部分串入电路中。

图4 带温度补的偿恒温控制电路

根据图4，则:Ra:Rb=Rh:R'+Rk，又由于 αRk0= αRh0设定 Rk0=Rh0，Ra=Rb，其中 Rk0和 Rh0分别为0℃下Rk和Rh的值，由于环境温度测试电阻与加热电阻在制备中的一致性，其温敏系数均为α，由此可得

式中Th和T0分别为加热电阻的温度和环境温度，因此该电路实现了加热电阻与环境温度差保持恒定。

如图5所示为不考虑流速的情况下，加热电阻和环境温度测试电阻的阻值随着环境温度的变化曲线。由于αRk0=αRh0，所以在电阻温度曲线中Rk和Rh的斜率相等。图中Rk和Rh的电阻阻值之差即为温度差的反映。从图中可以看出，Rk和Rh的阻值温度曲线为两条成平行线，其差固定在一个值R'。当环境温度为0℃时，Rk和Rh分别为63 Ω和79 Ω，Rk和Rh所处的温度分别为0℃和100℃，其温差为100℃。同样，当环境温度为40℃时，Rk和Rh分别为76 Ω和110 Ω，Rk和Rh所处的温度分别为40℃和140℃，其温差维持100℃不变。所以该电路维持了加热电阻与进口空气之间的温度。并可可以通过改变R'的阻值来调节该温差。

图5 加热电阻和环境温度测试电阻的阻值与环境温度的关系

如图6为环境温度补偿后，传感器的输出信号电压与流速的关系。环境温度为0～50℃，芯片横截面的流速为0～6 m/s时传感器的信号输出与流速的关系。从图中可以看出，经过Rk的温度补偿之后，在不同环境温度下的传感器输出信号电压表现出的一致性相对较好。相比没有温度补偿时信号电压，其误差大大缩小，但还不能完全避免误差。随着温度升高，流体的热导率越高，强迫对流越大，固体热导率小，根据横膈膜上热平衡方程:

图6 温度补偿后传感器的输出信号电压与流速的关系

3 结论

本文中研究环境温度对流量传感器的输出电压信号的影响，随着环境温度的增加，电压信号明显减弱，这会给流量计中作过程中带来很大的误差。随着环境温度的降低其饱和现象越显著，甚至影响到空气流量传感器的测试量程。当环境温度为50℃时，传感器的最大测试流速分别为2．5 m/s。

并提出环境温度的补偿方案，在传感器芯片最上游放置一根环境温度测试电阻Rk，并将环境温度测试电阻Rk作为惠斯顿电桥桥臂的一部分串入电路中，使得加热电阻与进口空气之间的温差保持恒定值，得到信号输出电压的误差大大减小。随着温度升高，流体的热导率越高，强迫对流越大，固体热导率小，导致信号电压越大。当流速为2．5 m/s，环境温度分别为0℃，27℃和50℃时，补偿前传感器的输出电压信号分别为 4．5 V、3．6 V 和 2．4 V，补偿后传感器的输出电压信号分别为3．62 V、3．68 V和 3．75 V。

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