流量測量是研究物質(zhì)量變的科學(xué), 凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一, 它被廣泛應(yīng)用于冶金、化工食品、醫(yī)藥及人民日常生活等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域, 在國民經(jīng)濟(jì)中占用重要的地位[ 1] 。
熱式質(zhì)量流量計(jì)利用流動中的流體與熱源( 流體中加熱體或測量管外加熱體) 之間熱量交換的關(guān)系來確定流量大小。傳統(tǒng)的熱式流量計(jì)又分溫差式和風(fēng)速計(jì)式[ 2] 。
本文采用ANSYS 有限元仿真, 研究了傳統(tǒng)MEMS溫差式質(zhì)量流量計(jì)的工作狀態(tài), 發(fā)現(xiàn)氣流在流動時(shí), 下游溫度的下降會導(dǎo)致器件靈敏度的下降和量程的減小等問題。針對這個(gè)問題本文提出了一種新結(jié)構(gòu)的MEMS熱式質(zhì)量流量計(jì)[ 3] 。
新設(shè)計(jì)在器件結(jié)構(gòu)上結(jié)合了溫差式和風(fēng)速計(jì)式兩種檢測原理, 實(shí)現(xiàn)方法如下: 采用帶熱源的溫差式流量計(jì)基本結(jié)構(gòu), 利用上下游溫差測定流量大小, 主熱源與流體溫度保持恒定溫差; 在上下游測量溫度的熱電阻下方各有一個(gè)輔助熱源, 輔助熱源的發(fā)熱量由控制主熱源保持恒定溫差的電學(xué)信號直接控制, 該控制信號即主熱源作為單熱絲風(fēng)速計(jì)檢測流量時(shí)的輸出信號, 同流量亦呈線性關(guān)系。在一維流體環(huán)境下工作時(shí), 利用電路開關(guān)控制處于下游的輔助熱源工作, 借助輔助熱源的加熱作用使得下游溫度升高, 上下游溫差變大。籍由上述方法,新設(shè)計(jì)使得器件同時(shí)具有溫差式的高靈敏度和風(fēng)速計(jì)式的大量程, 并且采用全橋的方式使得輸出信號的靈敏度和線性度進(jìn)一步提高。
同時(shí), 本文提出了一種采用Mat lab/ Simulink設(shè)計(jì)熱源控制電路的方法。僅需改變仿真參數(shù)就可針對不同的芯片設(shè)計(jì)調(diào)整熱源控制電路的參數(shù)取值, 以達(dá)到保持熱源與環(huán)境溫度恒定溫差和瞬態(tài)響應(yīng)快的目的。并*終實(shí)現(xiàn)了芯片的制造, 測試驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)對流量計(jì)靈敏度性能的提升作用, 分析了測試結(jié)果。
1 新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元仿真
1. 1 新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
本文提出的新型結(jié)構(gòu)MEMS熱式質(zhì)量流量計(jì)與傳統(tǒng)MEMS質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。傳統(tǒng)MEMS 風(fēng)速計(jì)的特征是[ 4] , 傳感器上有一根熱絲或一片熱膜, 在流體中熱絲所產(chǎn)生的熱量被帶走, 直接或間接測量帶走熱量的多少可以標(biāo)定流量的大小。熱源的控制方式又分恒溫式和恒功率式。其結(jié)構(gòu)如圖1( a) 。
傳統(tǒng)MEMS 溫差式流量計(jì)的特征是[ 5] , 由一個(gè)恒溫?zé)嵩刺峁┌l(fā)熱, 在沿流速方向距熱源等距的上下游兩側(cè)分別有一個(gè)測熱單元。測熱單元可以是熱電阻或熱電堆等等。利用在一定流速下, 上下游溫差的不同標(biāo)定流速的大小。其結(jié)構(gòu)如圖1( b) 。
新結(jié)構(gòu)的特征是以溫差式流量計(jì)為原型, 在下游測熱點(diǎn)下方添加一個(gè)輔助熱源以改變下游溫度。利用控制主熱源處于恒溫差的電學(xué)信號對輔助熱源的升溫量進(jìn)行調(diào)控, 使得下游溫度能夠隨流速變化而變化, 同時(shí)保持上游測熱對流速變化的高靈敏度。利用控制熱源處于恒溫差的電信號進(jìn)行流量測量是風(fēng)速計(jì)式流量計(jì)的測量原理, 所以本文是將兩種測量方法結(jié)合到了一個(gè)器件上, 其結(jié)構(gòu)如圖1( c) 。
1. 2 有限元仿真
采用ANSYS 進(jìn)行有限元分析, 仿真了傳統(tǒng)溫差式MEMS熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作情況, 觀察并分析其靈敏度和量程方面的性能。
ANSYS 的流體動力學(xué)模塊FLOTRAN 提供了流體分析( CFD) 功能?？梢詫α黧w、固流、熱交換等進(jìn)行分析[ 6] 。
MEMS 熱式流量計(jì)仿真模型的具體尺寸見表1。模型由管道和流量計(jì)兩部分構(gòu)成, 流量計(jì)位于管道的正中間。ANSYS CFD 的2D 分析使用Fluid141 單元, 在劃分單元時(shí)不同的材料, 并加以對應(yīng)的約束條件, 從而區(qū)分不同區(qū)域。Fluid 141 單元擁有四個(gè)節(jié)點(diǎn), 每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有x、y、z三個(gè)方向的流速、壓強(qiáng)、溫度、動能等自由度。對于非流體, 支持的材料參數(shù)有導(dǎo)熱率、比熱容、密度; 對于流體, 支持的材料參數(shù)有導(dǎo)熱率、比熱容、密度、粘滯系數(shù)。
圖2 是模型劃分網(wǎng)格后的*終結(jié)果。該模型的仿真敏感區(qū)域?yàn)樘幱诘男酒瑹嵩醇捌渲車牧黧w。網(wǎng)格形狀、大小、分布疏密和過渡由步驟如下: 劃分網(wǎng)格時(shí)先利用LESIZE 命令模型上各線段的尺寸, 芯片熱源部分的線段尺寸取1微米, 硅襯底處的線段尺寸取5 微米至150 微米, 距離熱源越遠(yuǎn)線段尺寸逐漸增大; 表示管道壁處的線段尺寸取01 5 毫米; 劃分好線段后再劃分面的網(wǎng)格,對于不規(guī)則多邊形形狀的區(qū)域利用MSHAPE 命令定義網(wǎng)格為2D 三角形形狀, 對于規(guī)則的四邊形區(qū)域利用MSHKEY 命令定義劃分成映射的類型, 即長方形的規(guī)則形狀。劃分面的網(wǎng)格后單元的尺寸和分布疏密將自動由之前劃分的線段尺寸所決定, 使得網(wǎng)格分布在仿真敏感的區(qū)域更細(xì)化, 其他部分的單元大小變化更均勻和分布盡可能對稱。
1. 3 仿真邊界條件的施加和層流湍流運(yùn)算切換
( 1) 溫度
管道的入口處施加恒定環(huán)境溫度, 作為流體的流入溫度; 因?yàn)闃?gòu)成流量計(jì)芯片的硅襯底熱質(zhì)量大且導(dǎo)熱率高, 所以底座可以施加同樣的恒定環(huán)境溫度; 微結(jié)構(gòu)熱源熱質(zhì)量和體積都非常小, 內(nèi)部的溫度分布可以忽略; 質(zhì)量流量計(jì)的熱源施加上恒定的溫度條件。
( 2) 流速
管道的入口處施加流入的流速; 在管道邊緣、芯片邊緣等非流體的表面施加各個(gè)方向流速均為0 的邊界條件。
( 3) 壓強(qiáng)
管道出口處施加0 Pa 的壓強(qiáng)邊界條件。
( 4) 層流湍流運(yùn)算器切換
1. 4 有限元仿真結(jié)果
對流速從01 001~ 01 01, 01 01~ 01 1, 01 1~ 1, 1~ 10, 10~ 60 m/ s 分區(qū)間都進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析,可以直觀地看到溫度分布變化和模型的量程, 對應(yīng)流量范圍為41 7 mL/ min 到282 L/ min。圖3( a) 是流速在01 2 m/ s 時(shí)流體場的溫度分布云圖。
ANSYS 軟件通用后處理器所提供的路徑觀察功能能滿足詳細(xì)觀察的需要, 本文進(jìn)行分析時(shí)所用路徑的位置示意圖如圖3( b) 。流速分別為0 m/ s、01 2 m/ s、1 m/ s、10 m/ s、60 m/ s 時(shí)沿流速方向路徑的溫度分布情況如下圖3( c) 。溫差式的熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用上下游溫差與流速的對應(yīng)關(guān)系來工作,分別在沿路徑距路徑起點(diǎn)350 Lm( 上游) 和650 Lm( 下游) 處讀取該點(diǎn)在不同流速下的溫度, 并整理成上下游溫差隨流速變化的關(guān)系圖, 如圖3( d) , 從圖中可以得到以下結(jié)論:
1 上游溫度下降顯著, 流速和溫度差的關(guān)系以及溫差式流量計(jì)的高靈敏度主要由上游溫度決定;
o 上游溫度下降至與環(huán)境溫度相等后, 即熱邊界層脫離測熱點(diǎn)時(shí), 所對應(yīng)的流速既為上限流速, 對于仿真所用的模型上限流速約在10 m/ s;
? 下游溫度并不會隨著流體流動而溫度上升,并且同一位置的溫度也不是單調(diào)變化的, 有先降后升再降的趨勢。*后的下降趨勢使得溫差的輸出變小流量計(jì)*失效。所以應(yīng)該減小下游溫度隨環(huán)境溫度變化在輸出中的影響。同樣的現(xiàn)象在 N.Sabat?等人研究[ 7] 中也有體現(xiàn)。
? 圖中流體處于非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)利用層流或湍流運(yùn)算器分析會得到不同溫度結(jié)果, 尤其對下游溫度的仿真影響更大。下游溫度變化的趨勢始終是劇烈下降。
本文的新結(jié)構(gòu)即是針對仿真中發(fā)現(xiàn)的上述問題而設(shè)計(jì), 以求提高熱式質(zhì)量流量計(jì)在靈敏度和量程等方面的性能。
2 主熱源恒溫差控制仿真
2. 1 建模
為了使溫差式流量計(jì)正常工作, 熱源必須與環(huán)境溫度保持恒定溫差。熱源控制的基本電路如圖4( a) 所示。針對不同的芯片, 基本電路中的電阻電容都需要根據(jù)芯片的具體情況重新取值, 從而保證穩(wěn)定的溫差和較快的瞬態(tài)響應(yīng)。為設(shè)計(jì)熱源控制電路, 本文提出了一種利用Mat lab/ Simulink 建立時(shí)域模型的仿真方法。
熱源控制電路的仿真包含了兩個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域的規(guī)律: 電路理論和熱傳遞。其控制過程是一個(gè)瞬態(tài)平衡的過程, 所以仿真設(shè)計(jì)必須要實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)的模擬, 即模型必須是時(shí)域的。通過Mat lab/ Simulink 可以實(shí)現(xiàn)這一仿真。利用Mat lab/ Simulink 的時(shí)域模型可以研究電橋平衡、RC 常數(shù)等對熱源控制性能的影響。
本文利用Matlab/ Simulink 建立了熱源恒溫差控制電路的自動控制模型。
熱源恒溫差控制電路的簡化原理圖如圖4( a) 。
1 根據(jù)理想運(yùn)算放大器積分電路的RC 關(guān)系、電路節(jié)電方程和運(yùn)放/ 虛短虛斷0的特點(diǎn), 可以得到關(guān)于電路的三個(gè)方程:
? 通過能量守恒將電學(xué)的功率和熱量、散熱量結(jié)合起來:
在Mat lab/ Simulink 下建模后的結(jié)果, 如圖4( b) 所示。該模型是熱源恒溫差控制電路的時(shí)域模型, f 1~ f 6 子函數(shù)模塊所描述就是上述1 至?中的f 1 ~ f 6 各式, 各模塊的輸入輸出對應(yīng)上述f 1 ~f 6 各式中的代數(shù), 數(shù)據(jù)傳輸采用Mat lab/ Simulink的默認(rèn)方式。
2. 2 仿真結(jié)果
( 1) T CR 失配與恒溫差控制
采用片外鉑絲電阻Pt100 替代片上的薄膜電阻將會有T CR 不匹配的問題。鉑金絲( PT100 型號)的T CR 為01 003 85 e - 1 , 仿真中設(shè)置片上鉑金薄膜電阻的T CR 取值01 003 e - 1 。從圖5( b ) 中可知, 當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí), 由于T CR 不匹配將使得熱源溫度不能有效地跟隨變化, 因此熱源溫度與環(huán)境溫度的差值發(fā)生偏移, 導(dǎo)致溫度場分布變化, 從而影響了流量計(jì)的正常工作。要解決這一問題需要改變R6 的取值方法。圖5( a) 是熱源控制電路中的電橋,要排除環(huán)境溫度Tg 的影響就要在電橋平衡的方程中約去帶Tg 的項(xiàng)。描述電橋平衡的方程如下:
其中, R40 ,R50分別是R4 , R5 在0 攝氏度時(shí)的阻值; A1 , A2 分別為R5 , R4 的T CR; △T 是熱源與環(huán)境的溫差; T g 是環(huán)境溫度; x 是電橋比值。整理上式得:
從上面的計(jì)算可看出, TCR 相等是計(jì)算R6 的一種特殊情況, 并且當(dāng)TCR 不匹配時(shí), 電橋的電流比x 不能任意取值。為了盡量避免環(huán)境溫度檢測電阻R4 的自熱現(xiàn)象, x 取值要盡量大, 即增大R4 0 /R50的比值。在本文中, R4 用鉑絲Pt100 為1008,R5 為片上熱源電阻約十幾歐姆, 可以滿足避免自熱現(xiàn)象的要求。圖5( b) 是修改R6 取值前后熱源溫度變化的仿真結(jié)果比較。
( 2) RC 常數(shù)與瞬態(tài)響應(yīng)
MEMS熱式質(zhì)量流量計(jì)的熱源熱質(zhì)量很小, 所以本身的溫度響應(yīng)很快。為了在流體散熱和升熱的動態(tài)平衡中實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的恒溫差控制, 圖4( a) 中的RC 積分電路是必需的。圖6( a) 是流速發(fā)生變化后熱源重新建立恒定溫差的瞬態(tài)響應(yīng)。從圖中可見, 過大的RC 值導(dǎo)致響應(yīng)太慢, 嚴(yán)重影響恒溫差控制; 圖6( b) 表明過小的RC 常數(shù)會造成熱源恒溫差控制的不穩(wěn)定。嘗試不同R C 組合后, *后選定R =500 8 , C= 100 nF, 其仿真結(jié)果如圖6( b) 。
3 工藝制造
本文利用硅基的微加工傳統(tǒng)工藝實(shí)現(xiàn)了器件的制造, 并完成了封裝。*終的截面示意圖如圖7( a)。采用< 100> 晶向p-雙面拋光的3 inch 硅片。支撐層為熱生長氧化硅緩沖層和LPCVD 氮化硅。加熱和測熱電阻均采用Ti/ Pt 濺射工藝制造。兩側(cè)金屬之間的絕熱層是PECVD 氮化硅。*后在KOH 中進(jìn)行傳感器橋結(jié)構(gòu)的釋放。完成后的芯片尺寸約31 1 mm x 21 8 mm。圖7( b-d) 是進(jìn)行到部分工藝步驟時(shí)的顯微鏡圖片。
完成后的芯片利用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在PCB 上, 并用鋁線鍵合芯片和PCB 上的熱壓腳。*后封裝的結(jié)果如圖8 所示。
4 結(jié)果與分析
本文考察了流量為0, 500 mL/ min 和1 000 mL/ min 下傳感器的輸出, 如下圖9 所示, 氣體為高純氮?dú)? 環(huán)境溫度15 ℃ :
為比較和驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)MEMS溫差式熱式質(zhì)量流量計(jì)的性能差別, 測試時(shí)在PCB 上利用一組開關(guān)實(shí)現(xiàn)了同一芯片切換不同工作狀態(tài), 包括: 是否使用輔助熱源、采用全橋或半橋的讀出電路、采用不同的熱源與環(huán)境溫度溫差。例如, 當(dāng)切換到不使用輔助熱源的工作狀態(tài)時(shí), 芯片就按照傳統(tǒng)方式工作, 由此實(shí)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)流量計(jì)的比較。/ 對同一芯片切換不同工作方式0 的比較方法使得測試結(jié)果更有可比性。
圖中Vout1 為使用輔助熱源的設(shè)計(jì), 方式I; Vout2為沒有使用輔助熱源時(shí)的輸出, 方式II; Vout3為使用半橋讀出電路的輸出, 方式III; Vou t4 為熱源與環(huán)境的設(shè)計(jì)溫差100 e 時(shí)的輸出, 方式IV ; Vout ( sim) 為仿真結(jié)果。以上各工作狀態(tài)除特別說明外: 熱源與環(huán)境的設(shè)計(jì)溫差均為55 e , 使用全橋讀出電路, 并采用有輔助熱源的設(shè)計(jì)。
表2 是各種工作狀態(tài)下流量計(jì)靈敏度的比較。從表中可以看到, 采用輔助熱源的設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈敏度高31 8 倍; 和半橋的讀出電路相比, 全橋電路的靈敏度提高了21 1 倍; 使用更高的熱源環(huán)境溫度溫差的工作狀態(tài), 靈敏度可進(jìn)一步提高了。
研究測量結(jié)果后發(fā)現(xiàn), 傳感器的輸出數(shù)值小于仿真結(jié)果2~ 3 倍。為討論測量結(jié)果優(yōu)良值小的原因, 本文還考察并測量了各個(gè)電阻的TCR 大小, 圖10 考察了在溫度為16 ℃ , 30 ℃ , 45 ℃ 和57. 7 ℃下各個(gè)電阻的阻值。
從圖中可以看出, PT 100 鉑絲電阻較為接近其標(biāo)準(zhǔn)的0. 003 8 ℃- 1。片上各個(gè)T i/ Pt 電阻的T CR 均約為0. 001 5 ℃ - 1 , 說明Ti/ Pt 濺射工藝實(shí)現(xiàn)了較好的一致性。表4 列出了各電阻的T CR 實(shí)驗(yàn)值。
從以上討論中發(fā)現(xiàn): ( 1) 實(shí)際測量的結(jié)果都小于仿真結(jié)果, 這主要是由于1 測熱電阻T CR 值過小,影響測量結(jié)果, 而在仿真時(shí)使用的TCR 參數(shù)為0. 003 ℃ - 1 ; o 為了加強(qiáng)器件的機(jī)械強(qiáng)度, 在熱源下方保留了3~ 5 Lm 經(jīng)過濃硼擴(kuò)散的硅橋, 由于硅橋?qū)岬挠绊? 熱源和環(huán)境溫度的實(shí)際溫差小于設(shè)計(jì)溫差, 比較Vout1 和Vout4 的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), 溫差大小會影響流量計(jì)的靈敏度; ( 2) 實(shí)際測量的結(jié)果在流速為0 時(shí)輸出信號不為0, 這是因?yàn)? 輔助熱源需要的調(diào)零信號很小, 變阻器的電阻分壓法不能**地實(shí)現(xiàn)調(diào)零; o 工藝制造時(shí)的不對稱性。
5 結(jié)論
本文通過ANSYS 有限元仿真分析了溫差式流量計(jì)的工作環(huán)境, 發(fā)現(xiàn)了下游溫度下降對流量計(jì)性能的影響; 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的MEMS 熱式質(zhì)量流量計(jì), 該設(shè)計(jì)結(jié)合了溫差式和風(fēng)速計(jì)式兩種測熱原理, 將風(fēng)速計(jì)的恒溫差控制信號反饋到溫差式測量的下游, 以起到提高靈敏度和量程的作用。利用Mat lab/ Simulink 仿真并設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定熱源和環(huán)境溫度溫差控制的電路; *后制造實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)芯片, 并進(jìn)行了0~ 1 L/ min 流量范圍內(nèi)的測試驗(yàn)證。結(jié)果表明:
1 采用輔助熱源設(shè)計(jì)和全橋讀出電路的流量計(jì)比無輔助熱源和半橋電路的設(shè)計(jì)能提高M(jìn)EMS熱式質(zhì)量流量計(jì)靈敏度達(dá)近4 倍;
o 提高熱源與環(huán)境溫度之間的溫度可以進(jìn)一步改善流量計(jì)的靈敏度。
下一步工作包括:
1 對器件在大流量高流速的環(huán)境下進(jìn)行測量,驗(yàn)證新設(shè)計(jì)對質(zhì)量流量計(jì)器件量程性能的改善作用;
o 改善工藝條件, 實(shí)現(xiàn)無硅橋支撐的二氧化硅氮化硅橋結(jié)構(gòu);
? 嘗試采用熱電堆替代鉑金測熱電阻, 考察其對質(zhì)量流量計(jì)性能的影響。
