流量傳感器概述

流量傳感器概述流量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)流量是工業(yè)生產(chǎn)和生活中一個(gè)重要參數(shù)。單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道某一截面的流體數(shù)量，稱為瞬時(shí)流量。瞬時(shí)流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。流量傳感器是測(cè)量流體流量的傳感器。流量傳感器是測(cè)量技術(shù)中重要的一類儀器，它被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、生活科技、商業(yè)應(yīng)用、軍事等領(lǐng)域。近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類需求的發(fā)展，流量傳感器也在不斷的發(fā)展。下面簡(jiǎn)單介紹一下流量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。高精度，高分辨率隨著自動(dòng)化程度不斷提高，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和生活中對(duì)流量的對(duì)流量傳感器的精度要求越來(lái)越高，如生物制藥領(lǐng)域。必須研制出具有靈敏度高，精度高，響應(yīng)速度快的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動(dòng)化可靠性。所以高精度傳感器是流量傳感器發(fā)展趨勢(shì)之一[1]。智能化所謂的智能化傳感器就是將傳感器所獲取信息的基本功能與專用未處理器的信息分析、處理功能緊密的結(jié)合在一起，并具有診斷、數(shù)字雙向通信等新功能的傳感器。由于微處理器具有強(qiáng)大的計(jì)算和邏輯判斷功能，故可以方便的進(jìn)行濾波、變換、校正補(bǔ)償、儲(chǔ)存記憶及輸出標(biāo)準(zhǔn)化等；同時(shí)實(shí)現(xiàn)必要的自診斷、自檢測(cè)、自校驗(yàn)以及通信與控制等功能[2]。小型化、集成化各種測(cè)量控制儀器的設(shè)備的功能越來(lái)越多，要求各個(gè)部件的體積越小越好，因而傳感器本身的體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的敏感材料及微細(xì)加工技術(shù)。集成化技術(shù)是將傳感器與接口電路集成在一塊芯片上或?qū)⒍鄠€(gè)傳感器集成在一起，縮小傳感器的體積，提高傳感器抗干擾能力[3]。4．微功耗及無(wú)源化流量傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為電量，工作時(shí)離不開電源，在野外現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方，往往是用電池或用太陽(yáng)能燈供電，開發(fā)微功耗及無(wú)源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省電能又可以提高系統(tǒng)的壽命[4]。5.數(shù)字化、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器的應(yīng)用日益廣泛，以其具有傳統(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢(shì)漸漸成為新技術(shù)的趨勢(shì)和主流。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無(wú)處不在的、有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”系統(tǒng)。6.無(wú)線測(cè)量流量傳感器經(jīng)常需要放置在密封的環(huán)境或者是惡劣的環(huán)境中測(cè)量流量，這種情況下無(wú)法直接用導(dǎo)線將信號(hào)傳輸出來(lái)，這就需要傳感器與外部測(cè)量系統(tǒng)之間進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[4]。流量傳感器類型流量傳感器是工業(yè)和生活中最常見的一種傳感器，分為測(cè)量氣體和液體兩大方面。流量傳感器按測(cè)量物理量可分為體積流量和質(zhì)量流量 ;按結(jié)構(gòu)類型可分為差壓式、渦輪式、電磁式、流體振動(dòng)式、轉(zhuǎn)子式、往復(fù)活塞式、旋轉(zhuǎn)活塞式、沖擊板式、分流旋翼式、熱動(dòng)式。差壓式流量傳感器是利用伯努利定律制作而成的，被測(cè)流量由節(jié)流變送器輸送到壓力傳輸通道，再到壓力差傳感器直到信號(hào)輸出。渦輪式流量傳感器是通過(guò)測(cè)量渦輪轉(zhuǎn)速來(lái)讀出流度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成流量。水表就是一種典型的渦輪式流量傳感器。電磁流量傳感器是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量導(dǎo)電性液體的流量的。是基于垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體會(huì)在導(dǎo)體上感應(yīng)出與導(dǎo)體垂直、并與流體速度成線性比例關(guān)系電壓的原理構(gòu)成的。電磁式流量傳感器是基于電磁感應(yīng)原理做成的，所以不能用于磁性流體的場(chǎng)合。以上幾種流量傳感器都是速度式傳感器。流體振動(dòng)式流量傳感器有渦街流量傳感器和旋進(jìn)式流量傳感器兩種類型。這是種新型的流量傳感器，在將來(lái)很有發(fā)展前途。轉(zhuǎn)子式流量傳感器是種面積流量傳感器，它有轉(zhuǎn)子和錐形管所組成，轉(zhuǎn)子的高度就是流量讀數(shù)。往復(fù)活塞式流量傳感器象一個(gè)容器，可以測(cè)量累計(jì)的流量。它幾乎不受流體性質(zhì)的影響而且精度很高。旋轉(zhuǎn)式活塞流量傳感器是在有壓力差的情況下致使活塞運(yùn)動(dòng)，活塞的速度跟流量成正比，然后通過(guò)轉(zhuǎn)化測(cè)量總流量。沖擊板式流量傳感器可以測(cè)量固定流量，它由沖擊板和流量?jī)x所組成，一般所測(cè)物體的單個(gè)重量不超過(guò)沖擊板重量的百分之五。分流旋翼式流量傳感器主要用于測(cè)量氣體流量，它具有體積小、重量輕、水平垂直都可安裝的直接安裝的有點(diǎn)。熱動(dòng)式流量傳感器是通過(guò)測(cè)量溫度變化來(lái)測(cè)量流量的傳感器，它先把流體加熱，這樣流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫差，加熱物體也會(huì)產(chǎn)生溫度變化，這種溫度變化速度可以轉(zhuǎn)化成流速。流量傳感器的工藝與結(jié)構(gòu)下面以一種MEMS熱絲式微流量傳感器[5]簡(jiǎn)單介紹一下流量傳感器的制作工藝、結(jié)構(gòu)等。這種流量傳感器是由兩個(gè)測(cè)量流量的熱絲組成的并且具有咬合薄膜結(jié)構(gòu)的MEMS流量傳感器。熱絲是由雙層梁支撐并懸浮在流體通道中。為了提高流量傳感器的靈敏度，用高溫度系數(shù)的鉑制造熱絲。另外，為了提高可靠性降低加工成本，用PDMS制造微通道以及密封熱絲。下面介紹其工藝流程：在硅圓片上注入硼離子形成硼離子層，這個(gè)層作為刻蝕的掩膜和支撐熱絲的懸臂梁。硼離子的濃度為1019/cm3,足夠使硼自刻蝕停止。用低壓化學(xué)氣相沉積在硅圓片上沉積一層40nm氮化硅。用磁控濺射技術(shù)在其上形成20nm/150nm的Cr/Pt層再用垂直刻蝕技術(shù)將其刻蝕以形成熱絲。鉑層以接觸電極連接，接觸電極是用磁控濺射技術(shù)形成30nm/350nm的Cr/Au，再用垂直刻蝕技術(shù)刻蝕實(shí)現(xiàn)。覆蓋一層2um的正光刻膠，為氮化硅刻蝕掩膜。光刻之后，氮化硅再經(jīng)過(guò)反應(yīng)離子刻蝕。之后再用深反應(yīng)離子刻蝕去除硼離子擴(kuò)散層。用KOH溶液刻蝕，去除100um的硅就可得到微通道。支撐熱絲的懸臂梁也得到釋放。用電子束蒸發(fā)鋁在P型硅表面沉積0.2um厚的鋁薄膜，作為刻蝕掩膜。沉積一層2um的光刻膠作為Al的掩膜。隨后用H3PO4將鋁和光刻膠移除。

用深反應(yīng)離子刻蝕去除100um的硅，去除鋁掩膜之后就可以獲得一個(gè)微通道的模型。將將部分聯(lián)合在一起，形成完整的基于PDMS的微流量傳感器。SiPtCtSiPtCtSiN匚］photoresist口AlSiN口PDMS圖3.1熱絲式流量傳感器工藝流程圖4流量傳感器的測(cè)量電路流量傳感器最常用的測(cè)量電路就是惠斯通電橋。 下面以一種微流量傳感器的智能接口電路介紹流量傳感器的測(cè)量電路［2］。該傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示：SiOi-SijN^SiN^

membrane圖4.1熱膜式流量傳感器截面圖四個(gè)熱敏電阻薄膜組成惠斯通電橋，如圖 4.2所示:圖4.2四個(gè)熱敏薄膜電阻組成的惠斯通電橋四個(gè)熱敏薄膜電阻都具有負(fù)溫度系數(shù)。電壓Ub和Uo都是流的函數(shù)—RihJRlh‘4Rih.l十^ih,2十^ih.3十Rth,4Ub的符號(hào)與流體的流向有關(guān)。rr.Dr(&h」+Rth.2)(&h.3+^th,4)11)=/rAr=/b 局h」+用扎2+RthB+&h占Uo的符號(hào)與流體的流向無(wú)關(guān)。圖4.3給出了傳感器接口電路的框圖和相關(guān)信號(hào)：UB(U,7§)=t'B(S7s)+ (E)Uo(u,7s)—Uq(v.7s)+t/offset,o(7s)式中Ts為傳感器工作溫度。輸出頻率f為：f=fo(Js)+ ?s)式中fo為無(wú)流體時(shí)的中心頻率，ki是頻率靈敏度；輸出信號(hào)的占空比de為：de=-+仙7s)

式中k2是占空比靈敏度，式中Us為：Us(o,Ts)=Uq(°,Is)+Urbo—"sti(7s)所以de可以寫成；de=—+k^Us(5T§)=deQ(T§)+幻％(叭7s)■^―*輸出信號(hào)的幅度可以寫成：A=Ao+k^Ts式中k3是幅度靈敏度。ELECTRONICINTERFACEFLOWSENSORRew VMultiple-outputcurrentgeneiratori8>=nii 呀TArnpera^ureitoVdtageConvorlBrUbur -*FLOWSENSORRew VMultiple-outputcurrentgeneiratori8>=nii 呀TArnpera^ureitoVdtageConvorlBrUbur -*八卜朋）+也網(wǎng)）dc=^=d^}+kfi^Ts）A=j^+k^圖4.3傳感器的接口電路與相關(guān)信號(hào)5總結(jié)與展望本文對(duì)流量傳感器作了簡(jiǎn)單概述，首先介紹了流量傳感器發(fā)展趨勢(shì)，然后介紹了流量傳感器的類型，接著又介紹了流量傳感器的制作工藝和接口電路。 流量傳感器在人類的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著人類的需求不斷增加，發(fā)展新型的材料，新工藝和新結(jié)構(gòu)以不斷提高流量傳感器的性能是必要的。參考文獻(xiàn)JulianM.Lippmann，AlbertP.Pisano.“SIMPLE,HIGH-PRECISION,MICROLITERPERMINUTE,FLUID-FLOWSENSOR,”MEMS2011,Cancun,MEXICO,January23-27,2011,pp.1197.SimoneDalolaetal..“MEMSThermalFlowSensorWithSmartElectronicInterfaceCircuit,”IEEESENSORSJOURNAL,VOL.12,NO.12,DECEMBER2012,pp.3319-3324.MassimoPiottoetal..“SmartFlowSensorWithOn-ChipCMOSInterfacePerformingOffsetandPressureEffectCompensatio”nIEEESENSORSJOURNAL,VOL.12,NO.12,DECEMBER2012,pp.3309-3316.4.DarrenGould,HannesSturm,andWalterLang.“ThermoelectricFlowSensorIntegratedIntoanInductivelyPoweredWirelessSystem”,IEEESENSORSJOURN