热隔离式MEMS气体质量流量传感器设计

谷永先，曾鸿江，邬　林，胡娜娜，钱江蓉（中国电子科技集团公司第三十八研究所微电子封装研究中心，安徽合肥230000）

热隔离式MEMS气体质量流量传感器设计

谷永先，曾鸿江，邬林，胡娜娜，钱江蓉
（中国电子科技集团公司第三十八研究所微电子封装研究中心，安徽合肥230000）

研制了一种热隔离式微机电系统（MEMS）气体质量流量传感器。加热电阻器和上下游测温电阻器采用热隔离悬梁式结构，间隔240 μm。对恒温差电路的设计要点进行了分析并制作了系统电路。测试拟合了传感器输出电压随气体流量的关系曲线，并对传感器进行了标定。测试结果表明：在0～20 L/min的流量范围内，传感器响应速度快，灵敏度高，输出信号平滑，适合于工业及医疗等领域。

微机电系统；热隔离；气体质量流量传感器；恒温差

0　引言

根据托马斯（Thomas）的理论［1］“气体放出的热量或吸收的热量与该气体的质量流量成正比”，热式质量流量计区别于其他的气体流量传感器，能够直接测量气体的质量流量，而无需进行温度和压力补偿。对于需要测量质量流量的场合，降低了系统的成本和复杂度，且提高系统的可靠性。早期的热式质量流量传感器由两根铂丝电阻器构成，存在体积大、成本高、功耗高等缺点。随着微机电系统（MEMS）技术的发展，相比而言，MEMS质量流量传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、功耗低、成本小和易批量加工等优点。

目前商业MEMS质量流量传感芯片以热膜式结构为主［2］，加热电阻器和上下游测温电阻器处于同一个悬空薄膜上，加热电阻器产生的热量既可以通过气体传导到上下游测温电阻器，也可以通过薄膜传导。

本文介绍一种热隔离式的MEMS质量流量传感器，上下游测温电阻器与中间加热电阻器之间完全热隔离，加热电阻器产生的热量只能通过气体传导到上下游测温电阻器，进一步提高传感器的灵敏度和响应时间［3，4］。

1　传感器结构设计

传感器芯片结构如图1所示，芯片尺寸为2.5 mm× 4.7 mm×0.4 mm，包含4只铂电阻器，分别是环境电阻器Rr、上游测温电阻器Ru、加热电阻器Rh以及下游测温电阻器Rd，其阻值分别为1.326 kΩ和246.9，107.9，248.6 Ω。电阻器的表面由氧化硅和氮化硅层覆盖，避免铂金属直接与气体接触。环境电阻器处在衬底上，用于检测待测气体的温度，可以对加热电阻器进行温度补偿，其余3只电阻器的下方通过湿法腐蚀掏空，形成悬空的梁式结构。3只电阻器相互隔离，间隔为240 μm，这种完全热隔离式的设计可以避免薄膜热传导引起的热量损失、提高加热电阻器的加热效率、提高气体流量的检测灵敏度和响应速率。

利用环境电阻器和加热电阻器构成的恒温差电路，可以制成风速计式气体流量传感器，气体流量越大，加热电阻器的热损失越大，通过测量恒温差电路的驱动电压可以确定气体流量的大小，但不能判断气体的流向。在风速计式气体流量传感器的基础上，上下游测温电阻器构成惠斯通电桥，可以制成热量计式气体流量传感器，由于上下游测温电阻器对称地分布在加热电阻器两边，当气体的流量为零时，加热电阻器形成的温度场使得上下游测温电阻器具有相同的温升；当气体流量不为零时，上游电阻器的温升较小，下游电阻器的温升较大。所以，通过测量惠斯通电桥的输出电压，即测得气体流量的大小，同时可以测得气流的方向。

图1　流量传感器芯片版图和芯片实物封装图Fig 1　Chip layout and chip packaging of flow sensor

2　电路设计

热导式流量传感器加热部分的电路主要采用恒温差模式［5，6］，即加热电阻器与待测气体之间的温度差保持为一个恒定的数值，再加入由上下游测温电阻器构成的惠斯通电桥，即组成了传感器的全部工作电路。

2.1恒温差电路

恒温差电路的基本构成如图2所示，Ra，Rb，Rc为外部安装于PCB板上的电阻器，与芯片上的Rr和Rh一起经过运放形成反馈回路。根据运放的虚短虚断特性，可以设计出合适的外部电阻器取值。

图2　恒温差电路Fig 2　Constant temperature difference circuit

恒温差电路没有供电时，Rr及Rh的温度与待测气体的温度相同，设气体的温度为T，根据铂电阻器的温度变化特性，Rh的阻值可以表示为

式中Rh0为0℃时加热电阻器的电阻值，α为铂电阻器的温度系数。同理，环境电阻器Rr的阻值可以表示为

式中Rr0为0℃时环境电阻器的电阻值。恒温差电路通电之后，利用运放的虚断特性，流入运放正向输入端和反向输入端的电流都为零；利用运放的虚断特性，电路达到平衡状态时，正向输入端和反向输入端之间的电压差为零，所以有

式中R＇h为电路达到平衡状态时加热电阻器的电阻值。整理之后可以得到

再利用铂电阻器的温度特性R＇h=Rh0（1+αT'）结合式（4），可以得出电路平衡时加热电阻器的温度表达式

上述结果按情况分析：

1）如果Rc=0且RbRr/Ra＞Rh，联合式（2）与式（5）可以得到

式中ΔT与T相关，随着气体温度的变化而变化，说明如果不引入Rc，仅仅通过Ra与Rb设定加热电阻器温度的电路不能实现恒温差。

2）如果Rc＞0且Ra/Rb=Rr/Rh，再结合式（2）与式（5）可以得到

式中ΔT为一个常量，不受气体温度影响。所以，恒温差电路的条件为

对于批量生产的流量传感器，并不能保证每个传感器都严格满足式（8），所以，考虑更一般情况，Ra/Rb≈Rr/Rh，设Rc=αRr0τ，τ时一个常数，带入式（5），并结合式（1）和式（2）得到

如果Ra/Rb=Rr/Rh，式（10）可以简化为ΔT=τ，结果与式（7）相同；如果RbRr/RaRh=0.99，式（10）右边受气体温度影响的第二项为0.01 T，气体温度变化范围为60℃时，ΔT变化0.6℃，是一个比较小的值。所以，批量生产时可以测得同一批流片流量芯片Rr/Rh的平均值，使得Ra/ Rb的值尽量接近这一平均值，再利用式（9）设置加热电阻器的温差。

选择Ra为619 Ω，Rb为49.9 Ω，则RbRr/RaRh=0.99，接近式（8）的恒温差条件。经过测试，铂电阻器的温度系数α=2.4×10-3/K，设置温差为40 K，根据式（9），Rc取为127 Ω。

2.2上下游电阻器构成的惠斯通电桥

图3为上下游测温电阻器构成的流量测量电路，R1与R2为外部安装于PCB板上的电阻器，取相同的阻值。阻值过小会导致Ru与Rd流过的电流较大从而引起自身发热；阻值过大会导致电桥的输出电压太小而降低信噪比。该电路中VREF的电压为3V，R1与R2均取为3kΩ。惠斯通电桥输出的电压首先经过程控放大器PGA放大一定的倍数，再经过模/数转换（ADC）转变为数字信号，最终经过单片机MCU运算并输出流量值。

图3　上下游电阻器构成的测量电路Fig 3　Measurement circuit formed by upstream and downstream resistors

3　测试结果

热隔离式MEMS芯片响应速度快，因此，研究了恒温差电路的上电稳定过程。图4测量的是恒温差电路运放输出端的电压随时间的变化，电压在上电初始时刻达到运放能够输出的最大值，Rh流过较大电流并开始发热，500 μs左右，Rh的温度出现了高温过冲，导致运放的输出电压向下走低，接着Rh的温度又出现了低温过冲，如此反复，直至大约1.6 ms之后，运放的输出电压达到稳定值1.3 V。

图4　恒温差电路上电稳定过程Fig 4　Stable process of constant temperature difference circuit after power on

图5给出了传感器的整体结构，管道采用文丘里结构，有利于稳定气流，管道的进气口加入了防尘过滤网，一方面起到防尘的作用，另一方面还具有稳定气流的作用。芯片置于管道的侧壁，测量区域的管道内径为8 mm。

为了测试上下游测温电阻器构成的电桥的输出电压与气体流量的关系曲线，采用商业气体质量流量计与本文中的传感器气路串联，通过商业流量计读出流量值，单片机读出的模/数转换值推算出电桥的输出电压，由此可以得出图6所示的曲线，可以看出曲线比较平滑。

传感器的标定采用查表法，首先对曲线进行多项式拟合，再生成足够多的离散数据点保存在单片机中，单片机测得电桥的电压后通过查表插值的方式得到流量值。样品研制完成之后，在安徽省计量科学研究院进行了测试，总体误差在±3%以内，与市面上商业气体质量流量传感器的误差相当，达到实用化水平。

图5　传感器整体结构Fig 5　Whole structure of sensor

图6　上下游测温电阻器构成的电桥输出电压随空气流量的变化Fig 6　Output voltage of bridge formed by upstrea m and downstream resistors changes with gas flow

4　结论

研制了一种热隔离式MEMS质量流量传感器，MEMS传感器采用悬梁热隔离式结构，分析了恒温差电路的设计要点，并制作了恒温差电路及上下游测温电路。传感器采用文丘里管道结构，经过测试并标定，达到了实用性能。产品已在家用制氧机行业得到初步应用，将逐步推广。

［1］李辉，张持健.一种高性能MEMS气体流量传感器设计［J］.传感器与微系统，2014，33（2）：77-79.

［2］ 李艳杰，齐虹.基于MEMS工艺的热膜式流量传感器芯片的研制［J］.传感器与微系统，2012，31（5）：82-84.

［3］赵文杰，施云波，罗毅，等.一种AlN基热隔离MEMS阵列风速传感器设计［J］.仪器仪表学报，2012，33（12）：2819-2824.

［4］代富，高杨，官承秋，等.电阻悬浮的MEMS热模式气体流量传感器设计［J］.MEMS与传感器，2012，49（9）：596-606.

［5］Que Ruiyi，Zhu Rong，Wei Qingzhen，et al.Temperature compensation for thermal anemometers using temperature sensors independent of flow sensors［J］.Measurement Science and Technology，2011，22（8）：085404-085408.

［6］Sosna Christoph，Buchner Rainer，Lang Walter.A temperature compensation circuit for thermal flow sensors operated in constant-temperature-difference mode［J］.IEEE Tansactions on Instrumentation and Measurement，2010，59（6）：1715-1721.

Design of thermal isolated MEMS gas mass flow sensor

GU Yong-xian，ZENG Hong-jiang，WU Lin，HU Na-na，QIAN Jiang-rong
（Microelectronics Packaging Research Center，The 38th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230000，China）

A thermal isolated micro-electro-mechanical system（MEMS）gas mass flow sensor is developed.The thermal isolated cantilever structure is adopted for heating resistor，upstream and downstream resistors with 240μm interval.The design key point of constant temperature difference circuit is analyzed，and system circuit is made. The curve of relationship between sensor output voltage and gas flow is measured，and accordingly sensor is calibrated.Test result shows that at flow range of 0～20 L/min，the sensor has fast response speed，high sensibility，smooth output signal，so the sensor is suitable for industrial and medical fields.

MEMS；thermal isolated；gas mass flow sensor；constant temperature difference

TP212

A

1000—9787（2016）06—0072—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0072—03

2016—02—03

谷永先（1984-），男，江苏盐城人，博士，中级工程师，主要研究方向为MEMS。