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多参量MEMS芯片计量技术的质量流量计
发布日期:2019/8/6 17:24:55
1.质量流量计概述
现代气体流量计量技术的代表是科里奥利质量流量计、热式质量流量计(也称为“热丝”或热线式质量流量计)在这些流量技术中,机械技术的成份越来越少,电子技术的成份越来越多。同时对气体的测量更注重于其质量的计量,而不仅仅是测量其容积。在上述流量计中,科里奥利质量流量计精度较高,但若流体的密度不大(如小流量的气体)则往往无法测量。例如涡街流量计压力损耗小,量程较宽及精度高。但在流量计两侧的直管段必须较长,对小流量或低雷诺数的流体测量误差较大。热式质量流量计也是近年来发展较快的一项产品特别是伴随半导体工业的发展,生产过程中所用气体的质量计量的要求越来越高热质量流量计以其直接测量流体的质量流量,特别是对小流量的气体的灵敏度较高而得到了越来越多地应用,其技术水平也得到了长足的进步;同时,质量流量计量也是气体公平贸易的一个重要指标。然而,虽然其原理简单,并且多年来有过各式各样的产品,但由于其稳定性、零点漂移、一致性差、功耗大等原因,它的应用也受到了诸多的限制。
 
2.MEMS流量芯片计量技术
MEMS技术是指在芯片大小的范畴内,采用现代加工工艺和材料生长及合成技术制造的具有机械、电子及其他物理特性的微系统。大多数的MEMS虽其工艺远未达到标准化,主要工艺仍是构筑在硅片上的,因而这类的产品也称之为“MEMS芯片”。MEMS芯片应用于流量计量,所采用的原理有多种形式,如压电原理、科里奥利原理、杠杆原理等。但较为成功且目前在市面上有产品出售的多为利用“能量平衡”也称为“热分布式”的热式质量流量的工作原理。流体的质量与流速直接与传感器上的温度场的变化相关联。传统的传感器一般是在特制的细小陶瓷付杆上用铂电阻丝绕制成传感器核心,再用陶瓷覆盖经烧结为传感器。这一工艺技术常常难以保证传感器的电阻值的一致性,从而导致传感器在各个法线方向热传导速度的差异。因而在传感器的调校及使用过程中的产品稳定性上都存在问题。并且,由于一致性是热质量流量计的重要标志之一,因而在实际应用中的热质量流量计的价格都昂贵,大规模应用是无法达成的。而MEMS芯片技术是采用了大规模集成电路的工艺,保证了传感器的高度一致性,从而解决了这一方法的根本问题。另外,MEMS芯片的功耗大大小于普通的热式质量流量计,因而其安全性能更好。同时,大规模集成电路的工艺使得集成多个传感器于一体,制作超大量程的流量计成为可能,也为低成本和广泛使用创造了条件。目前,MEMS芯片流量传感器已应用于E疗仪器、通风控制、工业气体流量控制等多个领域。
 
3.多参量MEMS质量流量计
采用了更为优良的工艺和集成化,除了集成多个流量传感器,极大地增强了流量测量范围外,还可以提供温度和压力的参数;同时,在同一芯片上还可集成高灵敏度的气体浓度传感器,从而实现了多参数的流量芯片技术。压力传感器采用目前市场上常用的压电传感的原理,用相同的MEMS工艺完成。流量芯片的测量原理仍采用“能量平衡”的原理,在微热源的上下游集成多个温度传感器来探测由于气体流动带来围绕传感器周围的温度场的变化。特别设计并集成在同一芯片上的环境温度传感器一方面可以测量气体的温度;另方面也为流量的测量提供参考及反馈控制,使得微热源能保持常量。这样,流量芯片将不会因为气体流速过快而达到饱和。在流量芯片特别在芯片的设计和封装上开发,使得芯片在防水、防潮以及防止导电杂质等方面都得到了保障。
 
气体热式质量流量计的优点是对气体质量的量度,能够有效地对生产用气过程进行管理,提高产品的质量,已越来越多地受到生产厂家的重视;另一方面,经过对标准气体调校后,其测量值易于转换为热值量,从而使得按气质计量和贸易成为可能。MEMS芯片流量计的装配、生产、调校、测试也较传统流量计的相应生产工序简单许多,调校和测试均可自动完成。加之由大规模集成电路工艺类似的生产线上生产出来的MEMS芯片的成本将随着产品产量的增加而大大地降低。可以预期,随着市场与用户的不断反馈,对控制电路与MFMS芯片集成化的进步强化,MEMS气体质量流量计将会得到越来越广泛的应用。
 
 
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