热隔离式MEMS气体流量传感器的设计

徐洋

（1.煤矿安全技术国家重点实验室 辽宁省抚顺市 113122 2.煤科集团沈阳研究院有限公司 辽宁省抚顺市 113122）

微机电系统MEMS 概念最早被提出是在1988年，最初是由美国加州大学伯克利分校Tai 等人，通过利用微电子平面加工技术研制出直径为100 微米硅微机械马达，将机械结构、电路集成在了一个芯片当中，让人们看到了完整的微型机电系统实现的可能。因此，MEMS 的概念应运而生，并成为了国际研究重点话题。石油化工产业生产中，由于其中含有易燃易爆物，必须要对整个生产线进行控制，并实时监测整个产生系统的运行情况，发现系统运行数据可以及时报警、启动救援系统，避免危害进一步增加。而基于热隔离式的气体流量传感器，不需要额外设置压力传感器、温度传感器，可以有效的测量气体质量流量。在实际应用中，MEMS 具有系统结构简单、可靠、生产成本低等特点。由此可见，加强热隔离式MEMS气体流量传感器设计工作有着重要意义。

1 MEMS芯片结构与工作原理

MEMS 芯片中包含了4 个铂电阻，包括环境电阻、上游测温电阻、加热电阻、下游测温电阻。气体流入系统中环境电阻可以直接测量气流温度，通过加热电阻对温度补偿，产生恒温差电阻，剩余电阻采用正面湿法腐蚀产生相互隔离悬空结构，间隔量为240μm。该悬空热隔离结构相比三根电阻处在相同薄膜结构，加热电阻热力借助气体介质传输到上下游测温电阻当中，这样有助于避免经过膜传导造成的热损失问题，进一步提升了气体流量监测效率、反应速度。温差电阻主要是加热电阻、环境电阻形成，也就是加热电阻相对流入气体要高出一定的数值，加热电阻两侧均匀分布上下游测温电阻，如果没有检测到气体流量（为0 时），加热电阻生成的热能会让上下游测温电阻温度同时提升。如果检测到气体流量时，则控制上游电阻升温高度，而下游电阻会持续升温，直到能够满足系统恒温为止，结合测温电桥输出电压即可获取到流量值。

2 传感器模型与工艺制备

2.1 传感器模型

热隔离式MEMS 气体流量传感器是以托马斯的“流体的热传递与其质量流量成正比”理论为基础提出的新型设备。流体在流动当中加热元器件两侧温度分布有一定规律可循，通过反演流速得出测量结果。在实际应用中，具有探测范围广、灵敏度高、分辨流向能力强等优势，有助于进一步朝向多功能化、微型化方向发展。因此MEMS 气体流量传感器已经成为了当下微流量传感器领域的研究热点[1]。

以MEMS 为基础的气体流量传感器中，热敏电阻器在加热电阻器两端，如果流体静止不动时，热量分布图以热源为中心呈正态分布形式；气体流动产生热力偏移情况时，会导致上下游热敏电阻器阻止产生变化。通过惠斯登电桥将所得电阻值转化为相对应电桥输出量，即可推算出气体流速量。传统的MEMS 温差流量传感器集成了连个电阻器，外部连接了连个电阻器，容易受到外部环境的负面影响，一旦产生了外界干扰问题，产生偏移问题后会直接影响电桥输出，对流速测算造成很大的干扰。而在设计中采用热隔离式可以有效避免温差效应带来的负面影响，通过热隔离降低热辐射，保证气体流量检测精度，同时要重点考虑电阻器的集成，并且让初始值相等，这样整体结构就变得更加简单，提高了系统的稳定性。相关文献还表明了电桥输出电压和流体特性、流速、传感器结构、材料密度有直接关系。在实际设计中可以有效调节加热电阻、热敏电阻器距离，控制电桥输出电压，保证整个系统的灵敏度。

2.2 工艺制备（硬件框架设计）

本文所提出的热隔离式MEMS 气体流量传感器应用于石油化工领域，因此要保证传感器硬件系统可以满足化工环境生产要求。设计中将热隔离式MEMS 气体流量传感器将那热敏电阻器硅基掏空，这样有助于减少衬底热传导，发挥热隔离的效用，保证气体流量监测的灵敏度、反应速度。硬件选择电阻温度系数较大的Pt 热敏电阻器，温度系数为3.908*10-3/℃。结合MEMS 传感器模型理论，电桥输出电压和温度系数成正比，温度系数增加也会增大输出电压，有助于提升传感器灵敏度。再加上Pt 热敏电阻器化学惰性高，加工工艺在多年发展中十分成熟，保证了电阻器在石油化工领域中应用的稳定性。SU-8 光刻胶具机械性能强、密封性好、抗腐蚀性强、热稳定性好、电阻率高，因此在石油化工领域应用也十分广泛。硬件设计流程为：

（1）硅基底LPCVD 上增加一层 Si3N4。

（2）使用正胶光刻技术，获取热敏电阻器、加热电阻器图形。

（3）磁控设置一层Cr/Pt,厚度为30nm/100nm，完成热电阻器、热敏电阻器。

（4）利用正胶光刻获取电极图形，磁控增设一层Cr/Au，厚度为30nm/300nm，完成电极[2]。

（5）背面正胶光刻，热敏电阻下放的硅要暴露出来，深刻蚀硅层，将热敏电阻器下方硅层控制在10μm。

（6）在硅片表面上涂一层AZ4500 厚胶，在显影后即可完成沟道模具。

（7）使用SU-8 胶制作的沟道与热面电阻器契合密封，得出隔热式MEMS 流量传感器芯片。

3 热隔离式MEMS气体流量传感器系统设计

结合MEMS 原理设计热隔离式MEMS 气体流量传感器系统，整个传感器系统中涵盖了恒温差电路、上下游测温电路、模数转换电路、单片机电路。

3.1 恒温差电路

恒温差电路系统要分别在PCB 板上安装R1、R2、R3 三个电阻，芯片上两个电阻分别为Ra 和Rb，芯片中的Ra 电阻引线分别与R1和R3 连接，Rb 电阻引线与R2 连接，两个线路为并联电阻，并联线路分别为连接AD8628，形成反馈回路。AD8628 为单电源供电，失调电压为1μV，同时可以实现轨到轨输入输出功能。结合系统运防的虚短虚断特性，即可得出外部电阻适应值，实现电路恒温差[3]。实现恒温差，要结合以下公式：

公式中，α 表示薄膜铂电阻温度系数，相对铂体材料温度系数低一些；R0 表示环境电阻在0℃温度的电阻；△T 表示温差。

3.2 上下游测温电路

惠斯通电桥是由上下游测温电阻组成，PCB 板外部电阻为Rs、Rx，二者取相同阻值。严格控制两路阻值，如果阻值过小，会造成Rs、Rx 电流增加，增加自身发热量；阻值过高会造成电桥输入电压过小，降低信噪比。综合取值中，电桥电压为3V、Rs 取值为3kΩ、Rx 取值1.5kΩ。

3.3 单片机电路

采用增强型单片机，最新增强型单片机具备8K 字节程序存储空间、512 字节SRAM。内部集成512 字节EEPROM，借助应用编程IAP 技术与程序空间分开一块flash 空间共同组成EEPROM，用于标定数据存储。本程序采取UART 串口烧录，后续更新、升级较为方便。流量值采用UART 串口直接输出数字量，这样无须对模块转换即可实现功能，应用更加便捷[4]。借助复合支撑薄膜的电调制红外辐射源，实现信息采集，串口与微孔粉尘过滤器、低温除湿器连接，可以实时采集设备的运行数据，第一时间掌握设备的运行状态，实现了MEMS 与IC 集成。

3.4 模数转换电路

模数转换芯片采用HX711，该芯片为24 位，具有稳压电源集成功能，通过搭配少量外部元件即可为传感器提供电能，如HX711芯片可以为电桥提供3V 电压。电源输出量可控，分别为10Hz、80Hz 输出速率，可以根据用户实际情况进行选择。HX711 中内部还集成了低噪声可编程放大器，分别对两个通道A 和B 进行增益，其中，通道A 增益量为128 倍或64 倍；B 通道增益量为32 倍，负责放大上下游测温电路输出电压，结合电压输出范围，正确选择通道A 的增益[5]。共模电压输入量相比地电压高1.2V、相比低电源电压少1.3V。这样即可通过电阻作用让分差电压共模电压提升到合理范围内。

3.5 管道结构

管道只要是借助开模注塑工艺，内径采用葫芦形设计，本设计管道长度为105mm，接口口径为5mm，之后逐渐扩大到12mm， 最后在逐渐缩小到8mm，在管道侧壁中设置芯片。这种管道设计方案和结构，可以让气流经过更加稳定。在管道中设置过滤网，可以进一步稳定气流，同时还起到了防尘作用。

3.6 标定

可能受到人为因素、自然因素影响造成传感器的性能差异，例如芯片阻值差、芯片在管道装配位置等，这就要标定传感器。压缩空气经过气流稳定器实现了稳流作用，借助稳定器的调控按钮对流量进行调节，待标定流量传感器和商业流量传感器气路串联。调节时将流量调节为，之后逐次调节流量点，单片机会逐渐获取HX711 中模数转换值，借助串口将模数转换值传输给上位机。上位机通过采集传感器所采集的流量值，对所采集的多个流量点采用MATLAB 进行拟合。在完成了数据拟合完成后，均分A/D 值，将传感器采集数据形成的曲线图和A/D 值均分步距存入单片机EEPROM 中。在完成了标定工作后，单片机会结合存储的A/D 值，根据内部编程设定完成的查表推算流量值。该标定方法可以同时对多个串口连接传感器进行标定，上位机也可以直接获取多线路待标定传感器A/D 值[6]。

上述标定方法，可以对单片机程序进行设计，电源为单片机提供电能之后，串口得到传感器标定数据后，将标定数据存储到EEPROM 中。如果是未标定，直接由串口输出A/D 值，并将A/D值上传给单片机；完成标定直接通过查表输出流量值。

4 热隔离式MEMS气体流量传感器功能与应用

本设计方案主要是控制、监控石油化工生产，可以实现与生产设备集成生产环境监测以及应急救援功能。其主要表现在：

4.1 生产环境安全监测

借助复合支撑薄膜的电调制红外辐射源，单片电容式硅基微传声器，负责采集设备运行产生的红外线辐射量，判定生产设备运行情况。传感器负责采集生产设备的红外辐射，将红外辐射数据通过串口（标定之后）传递给单片机EEPROM，根据查表信息判定热辐射数据是否满足正常生产标准。通过借助PLC、微孔粉尘过滤、低温除湿技术，根据单片机EEPROM 数据标准下达操控指令，控制机械运行参数、管路粉尘过滤、调节环境湿度，自动化完成生产系统调整，实现了MEMS 和IC 工艺的集成[7]。

4.2 应急救援

在MEMS 气体流量传感器系统基础上，配套工业级长光程气体池及光路系统，集成优化光源与检测器，借助PLC、传感器系统、上位机，开发仪器自动操控软件、可扩充多气体分析软件，如果串口标定数据与EEPROM 查表数据不符，上位机自动操控软件可以自动断开故障线路，在不影响其他区域正常功能情况下将故障损失降到最低；同时根据气体流量实际数值，上位机可扩充多气体分析软件对所采集的气体数据进行分析，由上位机统一下达操控指令，实现应急救援。通过一整套的在线监测系统，以传感器采集、串口传输、单片机分析、上位机控制，从而形成一套完整的化工区域安全监测及突发应急救援系统。

5 结束语

综上所述，本文重点提出了一种热隔离式MEMS 气体流量传感器，提出了系统设计方法和实际应用功能。传感器能量测量的气体流量可以有效满足石油化工企业生产监测、控制标准，并且系统结构简单、成本低、应用便捷，随着科学技术不断发展，未来传感器系统功能还会进一步完善。