熱式氣體質量流量傳感器研究與發展
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一、引言
氣體流量的測量是工業生產過程，科學實驗計量的重要參數，是能源計量的重要組成部分。它對于保證產品質量，提高生產效率，節約能源，促進科技的發展都有很重要的作用[1]流量傳感器的精度高低、穩定性好壞及適應工作環境的能力大小，智能化水平和性價比的高低等性能指標極大地影響著社會各行業的發展。 。
用于測量氣體流量的傳感器種類很多，例如截流流量傳感器、葉輪流量傳感器等，多數是采集流體的溫度、壓力等信號，再換算成流量。但由于氣體流動狀態不穩定，使其流量測量準確性受到影響。直到熱式質量流量傳感器的出現為流量傳感器量帶來了一場革命，實現了直接測量流體質量流量的目的。且測量值不因溫度或壓力的波動而失準，不需要溫度壓力補償[2]。
二、熱式氣體質量流量傳感器的發展和應用
最早發明的熱式氣體質量流量傳感器是熱線式氣體流量傳感器，利用放置在流場中具有加熱電流的細金屬絲來測量流體的流速、流量。隨著數字技術的發展，其連續測量的特點顯得具有難以替代的優勢，但由于熱線式氣體流量傳感器受多個參量的影響，存在交叉靈敏度，從而，影響它的穩定性以及靈敏度，流量與電信號的對應關系是非線性的，要進行補償。到了近幾十年，由于電子技術的飛速發展，各種補償技術不斷提高，使熱線式流量傳感器的精度大大提高，測量范圍擴大。但熱線一致性很差，難以進行批量生產；當測低流速流體時，熱紊亂很大；熱線抗污染腐蝕能力差，價格高，易損壞；測量中有電子噪聲，導致它的響應速度下降等因素限制了它的進一步發展。
伴隨著微電子加工技術發展以及MEMS技術的興起，熱膜式氣體質量流量傳感器成為新的研究焦點。熱膜式氣體質量流量傳感器作為熱線式氣體流量傳感器的改進產品，是采用硅微機械加工技術 制成的具有體積小、成本低、穩定性好、兼容性強、精確度高、功耗低、響應時間短等特點。
熱式氣體質量流量傳感器的應用范圍非常廣泛：
1、鍋爐、裂解爐用燃料氣質量流量測量控制；
2、石油化工、采油、火炬氣質量流量測量；
3、燃燒爐用空氣質量流量測量控制;燃汽輪機氫氣質量流量和控制；
4、食品加工及飲料氣體質量流量和控制；
5、水廠氯氣質量流量控制；
6 、生產半導體時高純度氣體質量流量測量；
7、催化劑、化學添加劑質量流量測量；
8、泵的保護控制、泵密封、潤滑油池泄漏檢測；
9、空調系統控制；
10、儀表用空氣、工藝空氣、氮氣等質量流量測量[6]。
1、鍋爐、裂解爐用燃料氣質量流量測量控制；
2、石油化工、采油、火炬氣質量流量測量；
3、燃燒爐用空氣質量流量測量控制;燃汽輪機氫氣質量流量和控制；
4、食品加工及飲料氣體質量流量和控制；
5、水廠氯氣質量流量控制；
6 、生產半導體時高純度氣體質量流量測量；
7、催化劑、化學添加劑質量流量測量；
8、泵的保護控制、泵密封、潤滑油池泄漏檢測；
9、空調系統控制；
10、儀表用空氣、工藝空氣、氮氣等質量流量測量[6]。
三、熱膜式氣體質量流量傳感器原理和結構
1、原理
熱膜式氣體質量流量傳感器是利用熱傳導和熱耗散的原理制作的[3]。當有氣體流過熱敏電阻表面時，會帶走一部分熱量，引起電阻阻值的變化，這個變化量與氣體的流速和溫度有關。
2、結構
熱膜式氣體質量流量傳感器的結構理論上可以有五種結構，如圖1所示。一般，為了減少加熱電阻在縱向的熱傳導，提高
測量精度，在硅片的正面做一層SiO2，在硅片背面腐蝕出一個硅杯結構。
測量精度，在硅片的正面做一層SiO2，在硅片背面腐蝕出一個硅杯結構。圖（a）只有加熱電阻，類似于熱線式氣體質量流量傳感器，主要計算熱耗散與流速的關系。它的氣體流向是雙向的。
圖（b）中有一個加熱電阻和一個測溫電阻（測溫電阻有時也用由熱電偶串聯而組成的熱電堆來代替），主要用測溫電阻來反映流速。它的氣體流向是單向的。
圖（c）中加熱電阻兩側放置了阻值相等，且與加熱電阻等距離的測溫電阻，是一個對稱結構，主要用測溫電阻來反映流速。它的氣體流向是雙向的。
圖（d）是在圖（c）的基礎上，在氣體流入方向上放置了一個環境測溫電阻，它與加熱電阻和外電路的兩個固定電阻構成測量電橋，通過一個PID（比例+積分+微分）比較控制電路來保證加熱電阻與流體的溫差，它的氣體流向是單向的。
圖1（e）是圖（c）的改進結構，只將電阻的四個角與底面接觸，形成梁式結構，盡量減少熱縱向傳導。由于采用膜工藝，這類結構工藝實現比較困難，將會在高度精密測量方面發揮很大的作用。這種結構的產品尚在積極的研制過程中。
從圖1（a）到圖1（d），是一個結構不斷改進，性能不斷提高的過程。
測溫電阻與外電路的固定阻值的電阻形成惠斯登測量電橋。當流體流動時，電橋失去平衡,輸出一個直流電壓信號[4]。當被測介質的比熱恒定時，其輸出的直流電壓信號就與被測介質的質量流量成比例關系。
3、數學模型
以圖1（e）為例，對熱膜式氣體質量流量傳感器用數學模型加以說明。
設氣體的初始溫度Tf ，加熱電阻溫度Tm。1，被加熱的氣體的溫度為Tf2，測溫電阻的溫度為Tm1、Tm3（Tm3＞Tm1）
當氣體流經電阻R1時，根據牛頓冷卻定律有：
（1）中，a—對流散熱系數（單位：W/m2K），在空氣強制對流中有20 a 100；
F—薄膜電阻的表面積。
由于對流散熱系數a 
對流放熱系數aNusselt相似準則數Nu導出薄膜表面溫度Tm1與其表面氣體流速的關系。對流放熱系數：是影響薄膜熱電阻表面溫度的主要因素。根據對流放熱理論，引入的存在，
對流放熱系數aNusselt相似準則數Nu導出薄膜表面溫度Tm1與其表面氣體流速的關系。對流放熱系數：是影響薄膜熱電阻表面溫度的主要因素。根據對流放熱理論，引入的存在，
（2） 式中，Nuld—薄膜的寬度。—空氣導熱系數；—努賽爾數；
Nu 
（3）處于空氣強制對流散熱時有
（3）處于空氣強制對流散熱時有式中，c0.615）；vm，一般取0.45～0.5，具體數值根據實驗數據分析來確定。1—運動粘度系數；—常數（經驗值為
由此得： 
設熱敏電阻的溫度系數為a，由實驗測得，則溫度為T時的電阻為：
（ 4）當t0為0℃時，0℃時的電阻設為R0，由試驗測得。公式變為
則： 
將 
帶入（5）中，得： 
帶入（5）中，得： 當只有速度從V1變化到V2時，有：
當氣體經過電阻R3時，氣體溫度被加熱為 
，設電阻R 
，對流換熱系數為：
，設電阻R ，對流換熱系數為：
當只有速度從V1變化到V2時，有：
實驗中，可測出氣體的初始溫度 
，由于采用恒溫供熱，根據牛頓冷卻定有：
，由于采用恒溫供熱，根據牛頓冷卻定有：
（6） 
（7）當電流電壓一定時，可得 是一個定值。
是一個定值。R3。輸出電壓為：1 、R3測溫熱敏電阻和外電路兩個固定電阻構成惠斯登差動測量電路，如圖
（8） 當電阻發生變化，設R1的變化了DR1，R3的變化了DR3時，有：
設橋臂比 
，由于△R1R1 ，△R3R3，分母中可忽略這兩項，得：
，由于△R1R1 ，△R3R3，分母中可忽略這兩項，得：
（9）輸出電壓與熱敏電阻及其變化有關。
綜上，建立起了氣體的流速V→對流散熱系數α→測溫電阻的溫度Tm1，Tm3→測溫電阻的阻值R→輸出電壓V0的關系，電流I和電壓U恒定，氣體的初始溫度一定時，輸出電壓VO為風速的函數，這就是熱膜式氣體流量傳感器的原理。
研究中需要認真解決以下幾個問題：
（1）兩個測溫電阻的對稱性與一致性、重復性；
（2）對于小流量測量要求測溫電阻有足夠的靈敏度；
（3）電阻下面膜片厚度的一致性與重復性。
（2）對于小流量測量要求測溫電阻有足夠的靈敏度；
（3）電阻下面膜片厚度的一致性與重復性。
以上幾個問題在設計和制作中應引起足夠的重視。
四、目前的水平和未來的發展方向
目前，國內市場上大部分的熱膜式氣體質量流量傳感器都是進口的，價錢昂貴。由于此類產品性價比高、市場廣，國內一些高校和公司也致力于這方面的研究，并已取得了一定的成果。但國內熱膜式氣體質量流量傳感器的研究起步較晚，大多數型號未實現國產化。
在國外，主要有瑞士、荷蘭、歐美和日本技術發達國家，憑借他們的先進的半導體技術大力發展熱式流量傳感器，并已取得了喜人的成果[5]加拿大SAILSORS（塞爾瑟斯）的TF系列熱式氣體流量計，德國賽多利斯熱式氣體流量計，美國HoneyWell的CMS 系列和AMW系列等氣體質量流量計。。例如：
未來的發展方向主要是以下幾方面：
1、微型化和智能化：熱膜式氣體流量傳感器采用硅杯鍍膜結構，將來隨著SOC技術和MCM技術的發展，一方面由于硅集成技術的應用，使其實現大批量的生產，保證其性能穩定，價格低廉，體積微型化。另一方，可以將許多信號處理電路集成在同一芯片上，采用數字通信與微機相連，實現流體的智能測試。
2、傳感器輸出信號的數字化和網絡化：由于傳感器網絡化發展正在興起，生產過程中的控制、管理和維護的計算機集成系統CMMS(Control,Management,and Maintenance System)對傳感器網絡的信號進行處理時，要求傳感器的輸出信號必須是數字信號，可以通過現場總線進行傳輸，目前國外許多行業都在大力推行傳感器數字化和網絡化，制定傳感器輸出信號標準。所以國內在研究開發流量傳感器時應該有意識的設計符合這一要求的流量傳感器。
3、多功能化：將流量測量與溫度測量、壓力測量等功能中的一種或多種結合到一起。采用新技術、新材料，研制新的傳感器。
4、其它發展方向：要求量程比寬，應用范圍廣，可靠性高，性價比高，安裝維修方便，壽命長。流量傳感器的研究應與經濟性緊密相連。
五、結束語
總的來說，目前市場上這類產品各類間不兼容，產品還沒有實現商品化，應用也沒有普遍化，高精度符合客戶要求的熱式氣體質量流量傳感器尚在進一步的研制中。因此， 一方面要加強科研成果與市場的結合，另一方面要推廣產品的商品化。尤其是我國現行研制和生產的傳感器在性價比方面和國外的產品存在著很大的差距，因此，研制和批量生產新型、多功能、可靠性高、性能質量好的新一代傳感器，滿足市場的需求應是傳感器研制和生產單位迫在眉睫的任務。
參考文獻：
[1]戴克中,李偉.熱敏電阻式風速表[J].傳感器技術,1996,82(6):54-56.
[2]南海,魏華勝,修吉平等.熱式和多項流式等多種流量傳感器的研究和發展[J].傳感器世界,1998, 6:19-23.
[3]Rasmussen A, Zaghloul M E. the flow with MEMS [J]. IEEE Circuits and Devices Magazine, 1998, 14(4): 12-25.
[4]曹晏,鄧金明,胡靖文.量熱式氣體質量流量計及其應用[J].化工自動化及儀表,1995,22(4):40-43.
[5] Martin Mischler, etal. IEEE Region 10Annual international Conference,1995,20～23.
[6]黃步余,顧祥柏,王立奉,王鳳瑞.熱質量流量傳感器及其應用[J].儀器儀表與應用,1998,4:46-50.
[2]南海,魏華勝,修吉平等.熱式和多項流式等多種流量傳感器的研究和發展[J].傳感器世界,1998, 6:19-23.
[3]Rasmussen A, Zaghloul M E. the flow with MEMS [J]. IEEE Circuits and Devices Magazine, 1998, 14(4): 12-25.
[4]曹晏,鄧金明,胡靖文.量熱式氣體質量流量計及其應用[J].化工自動化及儀表,1995,22(4):40-43.
[5] Martin Mischler, etal. IEEE Region 10Annual international Conference,1995,20～23.
[6]黃步余,顧祥柏,王立奉,王鳳瑞.熱質量流量傳感器及其應用[J].儀器儀表與應用,1998,4:46-50.
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Research And Development Of Thermal –Film Air-Mass Sensor
Abstract:The principles and applications of a thermal-film air-mass sensor are introduced in detail.The challenges for the development of the sensor are discussed and the future direction is also presensted.
Keywords: thermal-film air-mass sensor; MEMS
作者簡介：
孫承松：沈陽工業大學信息科學與工程學院教授，從事傳感器開發與研究。
通訊地址：遼寧省沈陽市鐵西區興華南街58號沈陽工業大學591信箱
電話：024-25691398， E-mail：suncs@sut.edu.cn
李瑞：微電子與固體電子學專業碩士研究生，沈陽工業大學信息科學與工程學院
電話：024-82078321 郵編：110023
E-mail：ruirui_199200@163.com
通訊地址：遼寧省沈陽市鐵西區興華南街58號沈陽工業大學591信箱
電話：024-25691398， E-mail：suncs@sut.edu.cn
李瑞：微電子與固體電子學專業碩士研究生，沈陽工業大學信息科學與工程學院
電話：024-82078321 郵編：110023
E-mail：ruirui_199200@163.com
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