柔性MEMS流速傳感器的電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)范文

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摘要:針對(duì)MEMS流速傳感器量程小及無法應(yīng)用于曲面的不足，設(shè)計(jì)制造了一種柔性mems流速傳感器，其結(jié)構(gòu)主要包含加熱電阻和3對(duì)測(cè)溫?zé)犭娮瑁瑫r(shí)結(jié)合熱損失和熱溫差工作原理來實(shí)現(xiàn)寬量程的流速測(cè)量。設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償?shù)碾p惠斯登電橋測(cè)控電路，利用STM32微處理器ADC模塊對(duì)多路流速測(cè)量結(jié)果進(jìn)行采樣。測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了0～32m/s的輸入風(fēng)速測(cè)量，其中在1m/s以下的低風(fēng)速段內(nèi)傳感器具有100mV/(m•s－1)的較高靈敏度，在風(fēng)速(1～7m/s)和(7～32m/s)下的靈敏度分別為83．1mV/(m•s－1)和28．3mV/(m•s－1)。該柔性MEMS流速傳感器可貼于曲面應(yīng)用，測(cè)量范圍大、精度高。

關(guān)鍵詞:柔性MEMS;流速傳感器;雙惠斯登電橋;溫度補(bǔ)償

引言

近年來MEMS流速/流量傳感器由于具有質(zhì)量慣性和熱慣性小、響應(yīng)速度高、易集成、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)，得到了快速發(fā)展，并已應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域［1－2］。MEMS流速傳感器主要基于兩種熱敏原理:熱損失風(fēng)速計(jì)式原理和熱溫差熱量計(jì)式原理，其中前者在大流速時(shí)具有較好的精度［3］，后者在小流速測(cè)量時(shí)具有較好的精度［4］。但是大部分的流速傳感器都只適用于低速或者高速范圍，無法在寬量程內(nèi)獲得高精度的測(cè)量。將兩種熱敏原理結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)從低速到高速的寬量程高精度測(cè)量是MEMS流速傳感器的一個(gè)發(fā)展方向［5－6］。另一方面，大部分傳感器都是以具有高熱導(dǎo)率的硅和玻璃等剛性材料為襯底，絕熱性能差，損失的熱量多。并且，剛性襯底柔性小不易彎曲，傳感器無法適應(yīng)彎曲表面。上述問題都限制了流速傳感器的更廣范圍的應(yīng)用。針對(duì)現(xiàn)有MEMS流速傳感器量程小及無法曲面應(yīng)用的問題，作者曾設(shè)計(jì)了一種可貼附于曲面應(yīng)用的基于聚酰亞胺柔性膜的柔性MEMS熱敏式流速傳感器，其結(jié)構(gòu)主要包含加熱電阻和3對(duì)測(cè)溫?zé)犭娮瑁瑫r(shí)結(jié)合熱損失和熱溫差工作原理實(shí)現(xiàn)寬量程的流速測(cè)量［7］。為了滿足傳感器寬量程高精度測(cè)量的要求，本文設(shè)計(jì)制作了高、低流速測(cè)控電路，并利用STM32多通路ADC系統(tǒng)同時(shí)采樣多路輸出電壓數(shù)字信號(hào);搭建了高、低速風(fēng)速輸入測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置并測(cè)得了不同大小風(fēng)速輸入與傳感器的輸出電壓關(guān)系。

1寬量程柔性流速傳感器的結(jié)構(gòu)

如1為寬量程柔性流速傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)剖面圖，正中間的Rh為測(cè)高速的加熱電阻，在以Rh為中心的兩邊對(duì)稱位置設(shè)置了3對(duì)測(cè)溫電阻對(duì)(R1，R6)、(R2，R5)和(R3，R4)，以增加低速測(cè)量的分辨率。左右各有一個(gè)測(cè)量環(huán)境溫度的補(bǔ)償電阻Rf1和Rf2。圖2是采用柔性MEMS工藝微加工制造的聚酰亞胺襯底的流速傳感器芯片及其敏感結(jié)構(gòu)局部照片，芯片尺寸為9mm×7mm×30μm，敏感熱阻器均為蜿蜒狀的Cr/Pt熱線結(jié)構(gòu)，最小線寬6μm。圖1傳感器結(jié)構(gòu)剖面示意圖圖2制造的柔性傳感器芯片及其熱敏結(jié)構(gòu)局部圖測(cè)高速時(shí)，傳感器利用加熱電阻采用熱損失原理，主要根據(jù)King's公式來獲取流速［7］。測(cè)低速時(shí)，利用在加熱電阻兩邊的3對(duì)測(cè)溫電極采用熱溫差工作原理:工作時(shí)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱會(huì)在傳感器表面形成薄的熱邊界層，使得加熱電極兩側(cè)上下游測(cè)溫電極對(duì)的溫度產(chǎn)生差值，即產(chǎn)生正比于流速的熱電阻差。

2柔性流速傳感器的測(cè)控電路設(shè)計(jì)

柔性流速傳感器的流速測(cè)量采用了一種帶溫度補(bǔ)償?shù)暮銣夭顪y(cè)控電路，該電路主要依靠雙惠斯登電橋電路實(shí)現(xiàn)。由于在單電橋補(bǔ)償電路中，所需的溫度補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮枳柚狄葴y(cè)量的熱敏電阻的阻值大幾倍，所以采用雙電橋的補(bǔ)償方案可以消除上述影響，并且這里設(shè)計(jì)制造的溫度補(bǔ)償電阻比其他熱敏電阻大。針對(duì)加熱電阻的高速測(cè)量通道和測(cè)溫電極對(duì)的三路低速測(cè)量通道，采用了STM32微處理器將各通道輸出為數(shù)字量，便于多路數(shù)據(jù)信號(hào)處理。

2．1帶溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)控電路設(shè)計(jì)

圖3為傳感器測(cè)量流速的測(cè)控電路原理圖，上半部分測(cè)量高流速，下半部測(cè)量低流速(1m/s以內(nèi))。在測(cè)量高流速的電路中，Rs是加熱電阻，用來對(duì)傳感器進(jìn)行加熱。圖3完整的測(cè)控電路原理圖在高速電路的第2個(gè)電橋中熱敏電阻Rt是用來起到調(diào)節(jié)補(bǔ)償作用的，可以消除由于環(huán)境溫度的變化而帶來的測(cè)量的偏差。在電路中使用了LT1167運(yùn)算放大器，它的放大倍數(shù)G取決于RG的阻值，表達(dá)式如下:G=49．4kΩ/RG(1)式中RG為接在運(yùn)算放大器1號(hào)與8號(hào)管腳之間的電阻(圖3中R9)。為了防止Rt支路上的電流過大從而導(dǎo)致Rt的溫度過高，設(shè)置R13和R14為較大的阻值，使得流過Rt的電流較小。采用雙電橋方案可能會(huì)使流體溫度的變化對(duì)溫度補(bǔ)償有很大的影響。為了消除這個(gè)影響，使溫度補(bǔ)償?shù)碾姌蚬ぷ鳒囟扰c環(huán)境溫度保持溫差恒定的狀態(tài)。在測(cè)控電路的高速部分中，當(dāng)電橋保持平衡時(shí)，由于R11，R2，R3是固定電阻，為了使流過熱敏電阻Rs電流比較大，從而導(dǎo)致熱敏電阻的溫度迅速升高，所以設(shè)置R2和R3的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R11和Rs的阻值。當(dāng)電路處于恒溫平衡狀態(tài)時(shí)，有下面的等式:RsR2=R11R3(2)由此可知差分運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端電壓相等，所以差分運(yùn)放OP27的輸出電壓為0。當(dāng)平衡被破壞，流過Rs上的電流會(huì)增加，使得Rs的溫度會(huì)上升。在低速測(cè)控電路中(圖3下半部分電路)，R33和R44是傳感器加熱電阻左右兩邊處于對(duì)稱位置的測(cè)溫電阻，在傳感器制作的過程中，對(duì)稱的測(cè)溫電阻在室溫下具有近似相等的電阻。平衡時(shí)，電橋左右兩路的電阻相同，輸入到差分放大器的電流也相同，此時(shí)電路的輸出是一個(gè)很小的值(理論上為0)。當(dāng)傳感器表面由于風(fēng)速的變化帶走加熱電阻上產(chǎn)生的熱量，使加熱電阻兩邊產(chǎn)生溫差，從而導(dǎo)致對(duì)稱的測(cè)溫電阻出現(xiàn)電阻的差值。此時(shí)電橋平衡被破壞，兩個(gè)差分放大器的輸入就會(huì)不同，最終導(dǎo)致輸出電壓會(huì)根據(jù)風(fēng)速的變化而變化。

2．2傳感器的多路數(shù)字輸出電路系統(tǒng)

為便于一路高流速和三路低流速的測(cè)量信號(hào)處理，利用基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32微處理器ADC轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，將各路測(cè)控電路輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。將通常只能采樣一路輸出的ADC轉(zhuǎn)換改進(jìn)為可以同時(shí)測(cè)量4路輸出電壓的ADC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如圖4所示。同時(shí)為了便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)的處理，在ADC轉(zhuǎn)換的程序中添加了均值濾波算法進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的處理，使得采樣的結(jié)果更加精確。圖4傳感器多路數(shù)字輸出采樣系統(tǒng)

3柔性流速傳感器的測(cè)速實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3．1風(fēng)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)風(fēng)速輸入測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置整體

如圖5(a)所示。測(cè)試裝置主要包括熱敏式風(fēng)速計(jì)(型號(hào)GM8903，用于高風(fēng)速標(biāo)定)、可調(diào)風(fēng)速鼓風(fēng)機(jī)(用于產(chǎn)生高風(fēng)速)、精密注射泵(型號(hào)LSP02－1B，用于產(chǎn)生勻速低風(fēng)速)及儲(chǔ)氣針管(針筒直徑5cm)、柔性流速傳感器芯片及其制作的測(cè)控電路。高風(fēng)速測(cè)量時(shí)由可調(diào)變速鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)噴嘴吹向柔性流速傳感器，并通過傳感器對(duì)面的熱敏式風(fēng)速計(jì)測(cè)出實(shí)際風(fēng)速大小，傳感器處的局部圖見圖5(b)。低風(fēng)速測(cè)試時(shí)采用精密注射泵推動(dòng)針管在輸出細(xì)管內(nèi)可產(chǎn)生低于0．1m/s的精確低流速。圖5(c)是針管管路流經(jīng)柔性傳感器處的局部圖，傳感器貼于電路板表面并置于細(xì)管道內(nèi)。通過調(diào)節(jié)注射泵流量大小產(chǎn)生勻速氣流流經(jīng)傳感器表面，由流量大小除以傳感器敏感處的氣流截面積大小即可算出實(shí)際風(fēng)速大小。圖5風(fēng)速測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，環(huán)境溫度25℃，測(cè)試的風(fēng)速范圍為0～32m/s，其中，風(fēng)速0～1m/s下利用低速測(cè)量系統(tǒng)，1～32m/s下時(shí)利用高速測(cè)量系統(tǒng)。

3．2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6、圖7分別為高、低速測(cè)控電路輸出電壓與風(fēng)速的關(guān)系。在圖7中，低風(fēng)速下對(duì)應(yīng)著有3個(gè)不同的輸出，分別對(duì)應(yīng)著流速傳感器加熱電阻兩旁對(duì)稱分布的3對(duì)測(cè)溫電阻，由圖1可知，(3，4)電極對(duì)分布在最靠近中心加熱電極的位置，然后接下來依次是(2，5)和(1，6)電極對(duì)。圖6高風(fēng)速下測(cè)控電路輸出電壓值圖7低風(fēng)速下測(cè)控電路輸出電壓值由輸出電壓的曲線圖可知，離加熱電極越遠(yuǎn)，輸出的電壓越大，即最外層的一對(duì)電極在風(fēng)吹下產(chǎn)生最大幅度的溫度差，輸出電壓最大。由于低速電路采用惠斯登電橋并且左右兩路電橋在平衡狀態(tài)下完全相同，所以測(cè)控電路對(duì)于電橋上電阻的(下轉(zhuǎn)第17頁)變化具有很高的靈敏度，由圖7可以看出:在0～0．4m/s的范圍內(nèi)，輸出電壓的值上升的很快，而再往后漸漸趨于平緩。由輸出特性曲線可知，輸出電壓與流速基本近似為線性關(guān)系，隨著流體速度的增加，輸出電壓也變大。經(jīng)過對(duì)輸出電壓曲線的擬合計(jì)算，得到在中低風(fēng)速(1～7m/s)下，傳感器的靈敏度為83．1mV/(m•s－1)，在較高風(fēng)速下(7～32m/s)傳感器的靈敏度為28．3mV/(m•s－1)，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平緩的階段。在低風(fēng)速下(0～1m/s)，以(1，6)電極對(duì)為例，傳感器的靈敏度為100mV/(m•s－1)。

4結(jié)束語

針對(duì)設(shè)計(jì)制造的寬量程柔性MEMS熱敏式流速傳感器，本文通過高速與低速兩種電橋結(jié)構(gòu)的測(cè)控電路設(shè)計(jì)制作和測(cè)速實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了流速傳感器0～32m/s的寬量程風(fēng)速測(cè)量。設(shè)計(jì)制作了帶溫度補(bǔ)償?shù)母咚倥c低速情況下的惠斯登電橋測(cè)控電路，利用STM32微處理器及ADC模塊實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量傳感器4路信號(hào)輸出。最后，搭建了高、低速風(fēng)速輸入測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了傳感器性能測(cè)試。測(cè)速實(shí)驗(yàn)表明，中低風(fēng)速(1～7m/s)下傳感器的靈敏度為83．1mV/(m•s－1)，高風(fēng)速(7～32m/s)下靈敏度為28．3mV/(m•s－1)，在1m/s以下的較低風(fēng)速下，靈敏度可大于100mV/(m•s－1)，顯著提高了寬量程測(cè)速下的測(cè)量精度。后續(xù)工作將在完成各路熱電阻的測(cè)速電路輸出與輸入流速的標(biāo)定后，通過STM32微處理器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)熱電阻工作的切換，實(shí)現(xiàn)多段量程流速信號(hào)選擇合成輸出。

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作者：樊冬 崔峰 張衛(wèi)平 劉武 吳校生 單位：上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室