热式MEMS流量传感器的设计及测试

胡梦飞，杨露露，刘亚伟，谷永先，胡国俊，吕 品

（1.合肥工业大学 工业与装备技术学院，安徽 合肥 230009；2.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）

热式MEMS流量传感器的设计及测试

胡梦飞1，杨露露1，刘亚伟1，谷永先2，胡国俊2，吕 品1

（1.合肥工业大学 工业与装备技术学院，安徽 合肥 230009；2.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）

根据已有的热式MEMS气体微流量传感器芯片的各部分热敏电阻热串扰现象严重,造成很大的测量误差，改进设计了一种MEMS热式流量传感器，将加热电阻和上下游测温电阻采用悬臂梁隔离结构，并相互隔离,有效的避免了热膜流量传感器各部分热敏电阻间相互热串扰现象。基于改进的MEMS热式流量传感器，设计了流量传感器的测试系统，包括恒温差电路、桥式测量电路及放大、滤波电路，所采集的流量信号经过滤波放大后输入AD模块进行模数转换，最后经过单片机处理，利用单片机与计算机串口通信功能，在不同流速下打印出不同的电压值；通过Matlab对所测出的数据进行拟合，完成对传感器性能的检测。测量结果表明：在一定的流量范围内，该流量传感器具有测量精度高、响应速率快、输出信号平滑等特点，能够广泛应用于工业、医疗领域的流量测量。

热串扰；微机电系统；悬臂梁；恒温差；模数转换；串口通信

热式MEMS气体微流量传感器具有反应速度快、测量精度高、集成度高和功耗低等优点[1,2]，其依据的基本原理是托马斯理论“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”。区别于其他类型的流量传感器，热式气体微流量传感器能够直接测量出气体的质量流量。早期的热式流量传感器经历过铂丝电阻、发热棒模型等，但是普遍存在体积大、结构复杂、功耗高等缺陷[3,4]。近年来随着微机电系统（MEMS）技术的发展，基于MEMS技术所设计出的热式气体微流量传感器具有灵敏度高、测量精度好、易批量加工等优点，从而得到广泛应用。

当前设计的MEMS热式流量传感器的芯片大多采用薄膜结构，即利用磁控溅射技术在基底表面制作一层薄膜电阻，该结构中热电阻和上下游测温电阻同处在一个悬空薄膜上[5]，从而造成加热电阻所产生的热量既能通过气体传导到上下游测温电阻，也能通过热膜来进行热量传递，形成电阻器的热串扰现象，影响测量结果的准确性。

针对以上问题，本文改进设计了一种MEMS热式流量传感器，上下游电阻、加热电阻完全隔离的结构设计，有效避免流量测量过程中热量以非流动形式传递，确保了测量精度；测试系统首先通过惠斯通电桥采集流量信号后，经放大滤波电路处理后输入模数转换模块，最后经过单片机处理，电压值利用单片机与计算机串口通信功能打印出来。

1 MEMS流量传感器原理及结构

热式流量测量所依据的原理是气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比，即利用热源与流体的热量交换。

传统的MEMS热式流量传感器热源与测温电阻同处于一个基底上，但是这种设计还存在热量以非流动形式散失情况。为了进一步提高传感器的精度、响应时间，减少测量误差，我们改进设计了一种新型热MEMS热式流量传感器，具体方案是，将加热器、测温电阻设计成完全隔离的悬臂梁形式，完全隔绝了热量以非流量形式的传播[6]。其实物图如图1a所示，传感器的显微镜放大结构如图1b所示。

在图1b中，环境电阻和中间加热电阻构成恒温电路，保证了测量过程中热源和环境温度始终保持恒定。另外，通过湿法腐蚀形成相互隔离的电阻结构，在测量时，热量只能通过气流传导至下游电阻，避免了热量以非流动形式散失[7,8]，提高了测量的精度和响应速度。

图1 流量传感器PCB封装图

流量传感器的薄膜电阻使用Pt，其阻值会随着温度改变而变化，具有良好的温度系数，表面覆盖氮化硅，避免Pt直接与气体接触。根据热式流量传感器的测量原理，当没有流量通过时，上下游测温电阻在中间热源的影响下保持温度一致，电阻值没有发生变化，所以没有电压信号输出；当有流量通过时，上游电阻的部分热量被带到下游电阻，上下游温度发生变化，从而阻值也发生变化，通过电桥电路将会输出电压信号。

2 流量传感器测试系统设计

本文设计的MEMS流量传感器检测系统如图2所示。主要由恒温电路、桥式电路、放大及滤波电路、模数转换模块及单片机组成。

图2 测试系统结构框图

2.1 恒温差电路

为了减小测量过程中环境温度对测量结果的影响，设计了一种恒温差电路，实现测量过程中环境温度与中间热源温度差保持恒定。电路如图3所示，Ra、Rb、Rc为焊接在外部电阻；Rr、Rh分别为 MEMS流量传感器环境电阻和加热电阻，阻值分别为1.326k、107.9。通过一个运算放大器的反馈作用实现恒温差。

图3 恒温差电路

根据上述运放的虚短、虚断特性，设计出合适的外部电阻，实现测量过程中环境与热源之间的恒温差，需满足条件[9,10]

式中：α——铂电阻的温度系数，α=2.4×10-3/K；

Rr0——环境电阻在温度为0℃时的阻值；

△T——实验中所控制的温差，设定为40K。

选择外部电阻Ra为620Ω,为50Ω,根据前述的Rr和 Rh值，满足（1）式恒温差条件；再根据（2）式，可得 Rc为 127Ω。

2.2 桥式测量电路

在上述恒温电路的调节下，传感器采集到的流量信号通过桥式电路将流量信号转换为电压信号。在没有流量通过时，上下游测温电阻只在中间热源的影响下，保持温度相同从而阻值也一致，没有电压输出；当有流量通过时，在流量的作用下，上游测温电阻的部分热量将被带到下游，从而导致下游的测温电阻的温度将高于上游电阻，最终造成二者阻值上的不同，有电压信号产生。桥式测量电路如图4所示。Ru、Rd分别是传感器上下游测温电阻；R1、R2为外部电阻，阻值均为3K，VCC为3V。利用两个对称分布的测温电阻实现流量信号的采集。

图4 桥式测量电路

上下游测温电阻间应满足的关系如下：

式中：α——铂的电阻温度系数，为固定值；

R0——温度为0℃时上下游测温电阻的阻值；

Ru、Rd——分别为上下游测温电阻的温度变化值，二者的温差为：

同时，上下游测温电阻之间满足：

当有流量通过时，测量电桥产生的压差：

将（6）式带入（7）并化简得：

其中Ru、Rh＜＜R,所以桥式电路所输出的电压约为

从上式可看出，桥式电路所获得的压差与上下游测温电阻之间的温差理论上成正比关系，所以设计的桥式测量电路合理。

2.3 放大滤波电路

由于经过传感器采集的信号非常微弱，约为豪伏级别，所以需要对采集到的电压信号进行放大和滤波处理。本文设计了前级放大电路对电压信号进行放大，最后通过一个滤波电路对信号进行滤波处理，除去不必要的杂波。

2.3.1 差分放大电路

原始信号在进入A/D转换模块之前必须要通过运算放大器放大而获取合适的电压，本文选取型号为INA128的仪表放大器，其电压增益由一个外接电阻 来决定，因此我们可以通过调节外接电阻的值而获取相应的电压增益，操作方便。

桥式电路所采集的微弱信号约为毫伏级别，因此差分放大器所要放大的增益约为1000。根据INA128差分放大器的电压增益公式：

所以外接电阻Rg的取值约为50Ω。

2.3.2 滤波电路

流量传感器所采集到的微弱信号往往包含了一些不需要的噪声信号。由于实际中MEMS流量传感器响应速度为几十毫秒，至少能测几十赫兹的气流。在差分放大电路对电压信号进行处理后，设计了一个二阶有源低通滤波电路对噪声进行滤波处理，并使截至频率设计在40Hz。

滤波电路中选择型号为LM358运算放大器，并采用双电源5V供电。电路中取R2=R3=50K，C1=C2=80nF，理论截止频率应该为1/2ⅡRC=39.81。模拟电路部分如图5所示。

2.4 A/D转换模块与8051单片机

使用前级差分放大电路，滤波电路对采集的电压信号处理后，将信号输入模数转换电路进行模数转换。ADC0804是一种集成的A/D转换器，其中输入的电压范围是0～5V，分辨率为8位，转换时间是100us，两个模拟信号输入端，可以接收单极性、双极性和差模输入信号。通过ADC0804对放大后的模拟电压信号A进行采集，转换后输出数字量D，两者之间的关系为：

图5 流量信号放大滤波电路

式中：VREF——ADC0804的参考电压；

A——放大后的模拟电压值。

图6 流量传感器数据处理电路

ADC0804无需外接元器件就可以完成A/D转换。逻辑控制信号输入包括CS、RD、WR分别与单片机P1.0-P1.2口相连。CS为片选输入端，在模数转换中置低；WR、RD为读写控制端，控制A/D转换的启动和数据转换。CLKR、CLK与电容和电阻组成RC振荡电路，为ADC0804工作提供所需脉冲；A/D采集后将信号输入单片机，DB0-DB7为单片机数据输入端。

本文使用的是51内核的STC89C52RC型号的单片机，单片机内部含有Flash E2PROM存储器，内部程序的存储空间大小为8KB，RAM（随机读写存储器）的大小为512K。利用单片机的串口打印功能，将单片机采集回来的A/D值经过处理后，发送到上位机，在上位机上用一个简单的串口工具就能看到采集到流量信号的数字量,通过上述A/D转换数字量与模拟之间的转换公司可以得出对应的电压值。

利用MAX232芯片实现计算机RS-232电平与单片机TTL电平之间的转换。MAX232的11脚连接单片机P3.1，TTL电平从单片机P3.1口发出，经过MAX232转换为RS-232电平后从14脚输出至串口座第3脚，再经过串口线，连接至PC机串口座第2脚RXD端。相反，PC机发送数据从PC机的串口第3脚TXD端发出，逆向流向单片机的P3.0，从而实现单片机与计算机之间的串口通信。通过如图6所示单片机及外围电路的连接完成传感器数据的采集和处理。

3 测试原理及结果

为了测量上下游测温电阻经过测量电桥、放大滤波电路后的输出电压与气体流速之间的关系，考虑到传感器的量程，实验中气流流速单位为mm/s，利用压缩空气作为气流源，调节气流流速，利用标准的流量计作为参照，获取在不同流速情况下所测得的电压值，测得数据采用MATLAB拟合。传感器的测试原理如图7a所示，测试结果如图7b所示。

4 结论

为了改进现有热式MEMS流量传感器所存在的热串扰现象对测量过程带来的影响，设计了一种新型热式MEMS流量传感器，给出了所设计出的传感器检测系统方案，包括恒温电路、桥式测量电路、差分放大电路及滤波电路的设计等。实验测得在一定流速下，流量值与输出电压之间关系接近于线性关系。因此，该MEMS流量传感器具有系统简单、测量精度高等优点，能够广泛应用于工业、医疗等领域流量的测量。

图7 流量传感器的测试原理及测试结果

[1]彭杰纲，周兆英，叶雄英.基于MEMS技术的微型流量计的研究进展[J]，力学进展，2005，35：361-376.

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[3]Constant Temperature Anemometer（CTA） -Functional Mechanisms,http://www.azosensors.com/article.aspx?ArticleID=26.

[4]Kaltsas G,Petropoulos A,Tsougeni K,Pagonis1 D N,Speliotis T,Gogolides E,Nassiopoulou A G..A novel microfabrication technology on organic substrates- application to a thermal flow.sensor,Journal of Physics:Conference Series,2007,92:012046.

[5]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.

[6]谷永先，曾鸿江，邬 林，等.热隔离式MEMS气体质量流量传感器设计[J].传感器与微系统，2016，35（6）：72-74.

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Design and test of thermal MEMS flow sensor

HU Mengfei1,YANG Lulu1,LIU Yawei1,GU Yongxian2,HU Guojun2,LV Pin1
（1.Industrial and Equipment Technology Research Institute,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China；2.Microelectronics Packaging Research Center,The 38th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230000,Anhui China）

The thermal resistance thermal crosstalk of various parts for original thermal MEMS gas micro-flow sensor chip has been serious,which causes a large measurement error.A kind of MEMS thermal flow sensor has been improved and designed.The heating resistor and the upstream&downstream temperature measurement resistors have been separated by the cantilever beam and isolated from each other,which effectively avoids the thermal crosstalk between the thermal resistors of the hot film flow sensor.On basis of the improved MEMS thermal flow sensor,the testing system of the flow sensor has been designed,including the constant temperature difference circuit,bridge measurement circuit& amplification,and filter circuit.The collected flow has been input into the AD module for analog-digital conversion after being filtered and amplified.Finally,through the single-chip processing,by use of communication function between single-chip and computer serial,the different voltage values have been printed at different flow rates.The fitting has been conducted to the measured data by Matlab to complete the detection of the sensor performance.The measurement results show that the flow sensor has the characteristics of high measurement precision,fast response rate and smooth output signal in a certain flow range,which can be widely used in industrial and medical field measurement.

Thermal crosstalk；MEMS；Cantilever beam；Constant temperature difference；Analog-digital conversion；Serial communication

TP212.1

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.010

1672-0121（2017）04-0032-05

2017-03-23；

2017-05-16

胡梦飞（1993-），男，硕士在读，主攻MEMS传感器设计研究。E-mail：2294490630@qq.com