热式质量流量计结合温差式和风速计式两种检测原理的器件结构，设计并制造了一种新型结构的MEMS热式质量流量计，在对温差式质量流量计的灵敏度、量程等特性进行了有限元仿真的基础上, 优化设计了器件结构，同时, 提出了一种利用M atlab/ Simulink时域仿真实现热源控制电路设计的方法，采用MEMS微加工技术研制了新型结构的热式质量流量计，测试结果表明该新设计比传统MEMS热式质量流量计灵敏度提高近4 倍。

流量测量是研究物质量变的科学, 凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一, 它被广泛应用于冶金、化工食品、医药及人民日常生活等国民经济各个领域, 在国民经济中占用重要的地位[ 1] 。
热式质量流量计利用流动中的流体与热源( 流体中加热体或测量管外加热体) 之间热量交换的关系来确定流量大小。传统的热式流量计又分温差式和风速计式[ 2] 。
本文采用ANSYS 有限元仿真, 研究了传统MEMS温差式质量流量计的工作状态, 发现气流在流动时, 下游温度的下降会导致器件灵敏度的下降和量程的减小等问题。针对这个问题本文提出了一种新结构的MEMS热式质量流量计[ 3] 。
新设计在器件结构上结合了温差式和风速计式两种检测原理, 实现方法如下: 采用带热源的温差式流量计基本结构, 利用上下游温差测定流量大小, 主热源与流体温度保持恒定温差; 在上下游测量温度的热电阻下方各有一个辅助热源, 辅助热源的发热量由控制主热源保持恒定温差的电学信号直接控制, 该控制信号即主热源作为单热丝风速计检测流量时的输出信号, 同流量亦呈线性关系。在一维流体环境下工作时, 利用电路开关控制处于下游的辅助热源工作, 借助辅助热源的加热作用使得下游温度升高, 上下游温差变大。籍由上述方法,新设计使得器件同时具有温差式的高灵敏度和风速计式的大量程, 并且采用全桥的方式使得输出信号的灵敏度和线性度进一步提高。
同时, 本文提出了一种采用Mat lab/ Simulink设计热源控制电路的方法。仅需改变仿真参数就可针对不同的芯片设计调整热源控制电路的参数取值, 以达到保持热源与环境温度恒定温差和瞬态响应快的目的。并*终实现了芯片的制造, 测试验证了新结构对流量计灵敏度性能的提升作用, 分析了测试结果。
1 新型结构设计和有限元仿真
1. 1 新型结构设计方案
本文提出的新型结构MEMS热式质量流量计与传统MEMS质量流量计的结构示意图如图1 所示。传统MEMS 风速计的特征是[ 4] , 传感器上有一根热丝或一片热膜, 在流体中热丝所产生的热量被带走, 直接或间接测量带走热量的多少可以标定流量的大小。热源的控制方式又分恒温式和恒功率式。其结构如图1( a) 。
传统MEMS 温差式流量计的特征是[ 5] , 由一个恒温热源提供发热, 在沿流速方向距热源等距的上下游两侧分别有一个测热单元。测热单元可以是热电阻或热电堆等等。利用在一定流速下, 上下游温差的不同标定流速的大小。其结构如图1( b) 。
新结构的特征是以温差式流量计为原型, 在下游测热点下方添加一个辅助热源以改变下游温度。利用控制主热源处于恒温差的电学信号对辅助热源的升温量进行调控, 使得下游温度能够随流速变化而变化, 同时保持上游测热对流速变化的高灵敏度。利用控制热源处于恒温差的电信号进行流量测量是风速计式流量计的测量原理, 所以本文是将两种测量方法结合到了一个器件上, 其结构如图1( c) 。
1. 2 有限元仿真
采用ANSYS 进行有限元分析, 仿真了传统温差式MEMS热式质量流量计的工作情况, 观察并分析其灵敏度和量程方面的性能。
ANSYS 的流体动力学模块FLOTRAN 提供了流体分析( CFD) 功能。可以对流体、固流、热交换等进行分析[ 6] 。
MEMS 热式流量计仿真模型的具体尺寸见表1。模型由管道和流量计两部分构成, 流量计位于管道的正中间。ANSYS CFD 的2D 分析使用Fluid141 单元, 在划分单元时不同的材料, 并加以对应的约束条件, 从而区分不同区域。Fluid 141 单元拥有四个节点, 每个节点拥有x、y、z三个方向的流速、压强、温度、动能等自由度。对于非流体, 支持的材料参数有导热率、比热容、密度; 对于流体, 支持的材料参数有导热率、比热容、密度、粘滞系数。
图2 是模型划分网格后的*终结果。该模型的仿真敏感区域为处于的芯片热源及其周围的流体。网格形状、大小、分布疏密和过渡由人为,步骤如下: 划分网格时先利用LESIZE 命令模型上各线段的尺寸, 芯片热源部分的线段尺寸取1微米, 硅衬底处的线段尺寸取5 微米至150 微米, 距离热源越远线段尺寸逐渐增大; 表示管道壁处的线段尺寸取01 5 毫米; 划分好线段后再划分面的网格,对于不规则多边形形状的区域利用MSHAPE 命令定义网格为2D 三角形形状, 对于规则的四边形区域利用MSHKEY 命令定义划分成映射的类型, 即长方形的规则形状。划分面的网格后单元的尺寸和分布疏密将自动由之前划分的线段尺寸所决定, 使得网格分布在仿真敏感的区域更细化, 其他部分的单元大小变化更均匀和分布尽可能对称。
1. 3 仿真边界条件的施加和层流湍流运算切换
( 1) 温度
管道的入口处施加恒定环境温度, 作为流体的流入温度; 因为构成流量计芯片的硅衬底热质量大且导热率高, 所以底座可以施加同样的恒定环境温度; 微结构热源热质量和体积都非常小, 内部的温度分布可以忽略; 质量流量计的热源施加上恒定的温度条件。
( 2) 流速
管道的入口处施加流入的流速; 在管道边缘、芯片边缘等非流体的表面施加各个方向流速均为0 的边界条件。
( 3) 压强
管道出口处施加0 Pa 的压强边界条件。
( 4) 层流湍流运算器切换
1. 4 有限元仿真结果
对流速从01 001~ 01 01, 01 01~ 01 1, 01 1~ 1, 1~ 10, 10~ 60 m/ s 分区间都进行详细的仿真分析,可以直观地看到温度分布变化和模型的量程, 对应流量范围为41 7 mL/ min 到282 L/ min。图3( a) 是流速在01 2 m/ s 时流体场的温度分布云图。
ANSYS 软件通用后处理器所提供的路径观察功能能满足详细观察的需要, 本文进行分析时所用路径的位置示意图如图3( b) 。流速分别为0 m/ s、01 2 m/ s、1 m/ s、10 m/ s、60 m/ s 时沿流速方向路径的温度分布情况如下图3( c) 。温差式的热式质量流量计是利用上下游温差与流速的对应关系来工作,分别在沿路径距路径起点350 Lm( 上游) 和650 Lm( 下游) 处读取该点在不同流速下的温度, 并整理成上下游温差随流速变化的关系图, 如图3( d) , 从图中可以得到以下结论:
¹ 上游温度下降显著, 流速和温度差的关系以及温差式流量计的高灵敏度主要由上游温度决定;
º 上游温度下降至与环境温度相等后, 即热边界层脱离测热点时, 所对应的流速既为上限流速, 对于仿真所用的模型上限流速约在10 m/ s;
» 下游温度并不会随着流体流动而温度上升,并且同一位置的温度也不是单调变化的, 有先降后升再降的趋势。*后的下降趋势使得温差的输出变小流量计失效。所以应该减小下游温度随环境温度变化在输出中的影响。同样的现象在 N.Sabat?等人研究[ 7] 中也有体现。
¼ 图中流体处于非稳定状态时利用层流或湍流运算器分析会得到不同温度结果, 尤其对下游温度的仿真影响更大。下游温度变化的趋势始终是剧烈下降。
本文的新结构即是针对仿真中发现的上述问题而设计, 以求提高热式质量流量计在灵敏度和量程等方面的性能。
2 主热源恒温差控制仿真
2. 1 建模
为了使温差式流量计正常工作, 热源必须与环境温度保持恒定温差。热源控制的基本电路如图4( a) 所示。针对不同的芯片, 基本电路中的电阻电容都需要根据芯片的具体情况重新取值, 从而保证稳定的温差和较快的瞬态响应。为设计热源控制电路, 本文提出了一种利用Mat lab/ Simulink 建立时域模型的仿真方法。
热源控制电路的仿真包含了两个物理学领域的规律: 电路理论和热传递。其控制过程是一个瞬态平衡的过程, 所以仿真设计必须要实现瞬态响应的模拟, 即模型必须是时域的。通过Mat lab/ Simulink 可以实现这一仿真。利用Mat lab/ Simulink 的时域模型可以研究电桥平衡、RC 常数等对热源控制性能的影响。
本文利用Matlab/ Simulink 建立了热源恒温差控制电路的自动控制模型。
热源恒温差控制电路的简化原理图如图4( a) 。
¹ 根据理想运算放大器积分电路的RC 关系、电路节电方程和运放/ 虚短虚断0的特点, 可以得到关于电路的三个方程:
¼ 通过能量守恒将电学的功率和热量、散热量结合起来:
在Mat lab/ Simulink 下建模后的结果, 如图4( b) 所示。该模型是热源恒温差控制电路的时域模型, f 1~ f 6 子函数模块所描述就是上述¹ 至¼中的f 1 ~ f 6 各式, 各模块的输入输出对应上述f 1 ~f 6 各式中的代数, 数据传输采用Mat lab/ Simulink的默认方式。
2. 2 仿真结果
( 1) T CR 失配与恒温差控制
采用片外铂丝电阻Pt100 替代片上的薄膜电阻将会有T CR 不匹配的问题。铂金丝( PT100 型号)的T CR 为01 003 85 e - 1 , 仿真中设置片上铂金薄膜电阻的T CR 取值01 003 e - 1 。从图5( b ) 中可知, 当环境温度改变时, 由于T CR 不匹配将使得热源温度不能有效地跟随变化, 因此热源温度与环境温度的差值发生偏移, 导致温度场分布变化, 从而影响了流量计的正常工作。要解决这一问题需要改变R6 的取值方法。图5( a) 是热源控制电路中的电桥,要排除环境温度Tg 的影响就要在电桥平衡的方程中约去带Tg 的项。描述电桥平衡的方程如下:
其中, R40 ,R50分别是R4 , R5 在0 摄氏度时的阻值; A1 , A2 分别为R5 , R4 的T CR; △T 是热源与环境的温差; T g 是环境温度; x 是电桥比值。整理上式得:
从上面的计算可看出, TCR 相等是计算R6 的一种特殊情况, 并且当TCR 不匹配时, 电桥的电流比x 不能任意取值。为了尽量避免环境温度检测电阻R4 的自热现象, x 取值要尽量大, 即增大R4 0 /R50的比值。在本文中, R4 用铂丝Pt100 为1008,R5 为片上热源电阻约十几欧姆, 可以满足避免自热现象的要求。图5( b) 是修改R6 取值前后热源温度变化的仿真结果比较。
( 2) RC 常数与瞬态响应
MEMS热式质量流量计的热源热质量很小, 所以本身的温度响应很快。为了在流体散热和升热的动态平衡中实现平稳的恒温差控制, 图4( a) 中的RC 积分电路是必需的。图6( a) 是流速发生变化后热源重新建立恒定温差的瞬态响应。从图中可见, 过大的RC 值导致响应太慢, 严重影响恒温差控制; 图6( b) 表明过小的RC 常数会造成热源恒温差控制的不稳定。尝试不同R C 组合后, *后选定R =500 8 , C= 100 nF, 其仿真结果如图6( b) 。
3 工艺制造
本文利用硅基的微加工传统工艺实现了器件的制造, 并完成了封装。*终的截面示意图如图7( a)。采用< 100> 晶向p-双面抛光的3 inch 硅片。支撑层为热生长氧化硅缓冲层和LPCVD 氮化硅。加热和测热电阻均采用Ti/ Pt 溅射工艺制造。两侧金属之间的绝热层是PECVD 氮化硅。*后在KOH 中进行传感器桥结构的释放。完成后的芯片尺寸约31 1 mm x 21 8 mm。图7( b-d) 是进行到部分工艺步骤时的显微镜图片。
完成后的芯片利用环氧树脂粘结在PCB 上, 并用铝线键合芯片和PCB 上的热压脚。*后封装的结果如图8 所示。
4 结果与分析
本文考察了流量为0, 500 mL/ min 和1 000 mL/ min 下传感器的输出, 如下图9 所示, 气体为高纯氮气, 环境温度15 ℃ :
为比较和验证新结构与传统MEMS温差式热式质量流量计的性能差别, 测试时在PCB 上利用一组开关实现了同一芯片切换不同工作状态, 包括: 是否使用辅助热源、采用全桥或半桥的读出电路、采用不同的热源与环境温度温差。例如, 当切换到不使用辅助热源的工作状态时, 芯片就按照传统方式工作, 由此实现新结构和传统流量计的比较。/ 对同一芯片切换不同工作方式0 的比较方法使得测试结果更有可比性。
图中Vout1 为使用辅助热源的设计, 方式I; Vout2为没有使用辅助热源时的输出, 方式II; Vout3为使用半桥读出电路的输出, 方式III; Vou t4 为热源与环境的设计温差100 e 时的输出, 方式IV ; Vout ( sim) 为仿真结果。以上各工作状态除特别说明外: 热源与环境的设计温差均为55 e , 使用全桥读出电路, 并采用有辅助热源的设计。
表2 是各种工作状态下流量计灵敏度的比较。从表中可以看到, 采用辅助热源的设计比传统设计的灵敏度高31 8 倍; 和半桥的读出电路相比, 全桥电路的灵敏度提高了21 1 倍; 使用更高的热源环境温度温差的工作状态, 灵敏度可进一步提高了。
研究测量结果后发现, 传感器的输出数值小于仿真结果2~ 3 倍。为讨论测量结果优良值小的原因, 本文还考察并测量了各个电阻的TCR 大小, 图10 考察了在温度为16 ℃ , 30 ℃ , 45 ℃ 和57. 7 ℃下各个电阻的阻值。
从图中可以看出, PT 100 铂丝电阻较为接近其标准的0. 003 8 ℃- 1。片上各个T i/ Pt 电阻的T CR 均约为0. 001 5 ℃ - 1 , 说明Ti/ Pt 溅射工艺实现了较好的一致性。表4 列出了各电阻的T CR 实验值。
从以上讨论中发现: ( 1) 实际测量的结果都小于仿真结果, 这主要是由于¹ 测热电阻T CR 值过小,影响测量结果, 而在仿真时使用的TCR 参数为0. 003 ℃ - 1 ; º 为了加强器件的机械强度, 在热源下方保留了3~ 5 Lm 经过浓硼扩散的硅桥, 由于硅桥导热的影响, 热源和环境温度的实际温差小于设计温差, 比较Vout1 和Vout4 的结果可以发现, 温差大小会影响流量计的灵敏度; ( 2) 实际测量的结果在流速为0 时输出信号不为0, 这是因为¹ 辅助热源需要的调零信号很小, 变阻器的电阻分压法不能**地实现调零; º 工艺制造时的不对称性。
5 结论
本文通过ANSYS 有限元仿真分析了温差式流量计的工作环境, 发现了下游温度下降对流量计性能的影响; 在此基础上设计了一种新型结构的MEMS 热式质量流量计, 该设计结合了温差式和风速计式两种测热原理, 将风速计的恒温差控制信号反馈到温差式测量的下游, 以起到提高灵敏度和量程的作用。利用Mat lab/ Simulink 仿真并设计了能实现稳定热源和环境温度温差控制的电路; *后制造实现了流量计芯片, 并进行了0~ 1 L/ min 流量范围内的测试验证。结果表明:
¹ 采用辅助热源设计和全桥读出电路的流量计比无辅助热源和半桥电路的设计能提高MEMS热式质量流量计灵敏度达近4 倍;
º 提高热源与环境温度之间的温度可以进一步改善流量计的灵敏度。
下一步工作包括:
¹ 对器件在大流量高流速的环境下进行测量,验证新设计对质量流量计器件量程性能的改善作用;
º 改善工艺条件, 实现无硅桥支撑的二氧化硅氮化硅桥结构;
» 尝试采用热电堆替代铂金测热电阻, 考察其对质量流量计性能的影响。