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柔性MEMS流速传感器的电路设计实验

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摘要:针对MEMS流速传感器量程小及无法应用于曲面的不足,设计制造了一种柔性MEMS流速传感器,其结构主要包含加热电阻和3对测温热电阻,同时结合热损失和热温差工作原理来实现宽量程的流速测量。设计了带温度补偿的双惠斯登电桥测控电路,利用STM32微处理器ADC模块对多路流速测量结果进行采样。测试实验实现了0~32m/s的输入风速测量,其中在1m/s以下的低风速段内传感器具有100mV/(m•s-1)的较高灵敏度,在风速(1~7m/s)和(7~32m/s)下的灵敏度分别为83.1mV/(m•s-1)和28.3mV/(m•s-1)。该柔性MEMS流速传感器可贴于曲面应用,测量范围大、精度高。

关键词:柔性MEMS;流速传感器;双惠斯登电桥;温度补偿

引言

近年来MEMS流速/流量传感器由于具有质量惯性和热惯性小、响应速度高、易集成、低功耗和低成本等优点,得到了快速发展,并已应用于工业等领域[1-2]。MEMS流速传感器主要基于两种热敏原理:热损失风速计式原理和热温差热量计式原理,其中前者在大流速时具有较好的精度[3],后者在小流速测量时具有较好的精度[4]。但是大部分的流速传感器都只适用于低速或者高速范围,无法在宽量程内获得高精度的测量。将两种热敏原理结合起来,实现从低速到高速的宽量程高精度测量是MEMS流速传感器的一个发展方向[5-6]。另一方面,大部分传感器都是以具有高热导率的硅和玻璃等刚性材料为衬底,绝热性能差,损失的热量多。并且,刚性衬底柔性小不易弯曲,传感器无法适应弯曲表面。上述问题都限制了流速传感器的更广范围的应用。针对现有MEMS流速传感器量程小及无法曲面应用的问题,作者曾设计了一种可贴附于曲面应用的基于聚酰亚胺柔性膜的柔性MEMS热敏式流速传感器,其结构主要包含加热电阻和3对测温热电阻,同时结合热损失和热温差工作原理实现宽量程的流速测量[7]。为了满足传感器宽量程高精度测量的要求,本文设计制作了高、低流速测控电路,并利用STM32多通路ADC系统同时采样多路输出电压数字信号;搭建了高、低速风速输入测量实验装置并测得了不同大小风速输入与传感器的输出电压关系。

1宽量程柔性流速传感器的结构

如1为宽量程柔性流速传感器设计结构剖面图,正中间的Rh为测高速的加热电阻,在以Rh为中心的两边对称位置设置了3对测温电阻对(R1,R6)、(R2,R5)和(R3,R4),以增加低速测量的分辨率。左右各有一个测量环境温度的补偿电阻Rf1和Rf2。图2是采用柔性MEMS工艺微加工制造的聚酰亚胺衬底的流速传感器芯片及其敏感结构局部照片,芯片尺寸为9mm×7mm×30μm,敏感热阻器均为蜿蜒状的Cr/Pt热线结构,最小线宽6μm。图1传感器结构剖面示意图图2制造的柔性传感器芯片及其热敏结构局部图测高速时,传感器利用加热电阻采用热损失原理,主要根据King's公式来获取流速[7]。测低速时,利用在加热电阻两边的3对测温电极采用热温差工作原理:工作时强迫对流传热会在传感器表面形成薄的热边界层,使得加热电极两侧上下游测温电极对的温度产生差值,即产生正比于流速的热电阻差。

2柔性流速传感器的测控电路设计

柔性流速传感器的流速测量采用了一种带温度补偿的恒温差测控电路,该电路主要依靠双惠斯登电桥电路实现。由于在单电桥补偿电路中,所需的温度补偿的热敏电阻阻值要比测量的热敏电阻的阻值大几倍,所以采用双电桥的补偿方案可以消除上述影响,并且这里设计制造的温度补偿电阻比其他热敏电阻大。针对加热电阻的高速测量通道和测温电极对的三路低速测量通道,采用了STM32微处理器将各通道输出为数字量,便于多路数据信号处理。

2.1带温度补偿的测控电路设计

图3为传感器测量流速的测控电路原理图,上半部分测量高流速,下半部测量低流速(1m/s以内)。在测量高流速的电路中,Rs是加热电阻,用来对传感器进行加热。图3完整的测控电路原理图在高速电路的第2个电桥中热敏电阻Rt是用来起到调节补偿作用的,可以消除由于环境温度的变化而带来的测量的偏差。在电路中使用了LT1167运算放大器,它的放大倍数G取决于RG的阻值,表达式如下:G=49.4kΩ/RG(1)式中RG为接在运算放大器1号与8号管脚之间的电阻(图3中R9)。为了防止Rt支路上的电流过大从而导致Rt的温度过高,设置R13和R14为较大的阻值,使得流过Rt的电流较小。采用双电桥方案可能会使流体温度的变化对温度补偿有很大的影响。为了消除这个影响,使温度补偿的电桥工作温度与环境温度保持温差恒定的状态。在测控电路的高速部分中,当电桥保持平衡时,由于R11,R2,R3是固定电阻,为了使流过热敏电阻Rs电流比较大,从而导致热敏电阻的温度迅速升高,所以设置R2和R3的阻值远远大于R11和Rs的阻值。当电路处于恒温平衡状态时,有下面的等式:RsR2=R11R3(2)由此可知差分运算放大器的两个输入端电压相等,所以差分运放OP27的输出电压为0。当平衡被破坏,流过Rs上的电流会增加,使得Rs的温度会上升。在低速测控电路中(图3下半部分电路),R33和R44是传感器加热电阻左右两边处于对称位置的测温电阻,在传感器制作的过程中,对称的测温电阻在室温下具有近似相等的电阻。平衡时,电桥左右两路的电阻相同,输入到差分放大器的电流也相同,此时电路的输出是一个很小的值(理论上为0)。当传感器表面由于风速的变化带走加热电阻上产生的热量,使加热电阻两边产生温差,从而导致对称的测温电阻出现电阻的差值。此时电桥平衡被破坏,两个差分放大器的输入就会不同,最终导致输出电压会根据风速的变化而变化。

2.2传感器的多路数字输出电路系统

为便于一路高流速和三路低流速的测量信号处理,利用基于Cortex-M3内核的STM32微处理器ADC转换模块进行数据采样,将各路测控电路输出的模拟量转化为数字量。将通常只能采样一路输出的ADC转换改进为可以同时测量4路输出电压的ADC转换系统,如图4所示。同时为了便于后续实验采样数据的处理,在ADC转换的程序中添加了均值滤波算法进行采样数据的处理,使得采样的结果更加精确。图4传感器多路数字输出采样系统

3柔性流速传感器的测速实验及结果分析

3.1风速测量实验风速输入测量实验装置整体

如图5(a)所示。测试装置主要包括热敏式风速计(型号GM8903,用于高风速标定)、可调风速鼓风机(用于产生高风速)、精密注射泵(型号LSP02-1B,用于产生匀速低风速)及储气针管(针筒直径5cm)、柔性流速传感器芯片及其制作的测控电路。高风速测量时由可调变速鼓风机经喷嘴吹向柔性流速传感器,并通过传感器对面的热敏式风速计测出实际风速大小,传感器处的局部图见图5(b)。低风速测试时采用精密注射泵推动针管在输出细管内可产生低于0.1m/s的精确低流速。图5(c)是针管管路流经柔性传感器处的局部图,传感器贴于电路板表面并置于细管道内。通过调节注射泵流量大小产生匀速气流流经传感器表面,由流量大小除以传感器敏感处的气流截面积大小即可算出实际风速大小。图5风速测试实验装置实验测试时,环境温度25℃,测试的风速范围为0~32m/s,其中,风速0~1m/s下利用低速测量系统,1~32m/s下时利用高速测量系统。

3.2实验结果及分析

图6、图7分别为高、低速测控电路输出电压与风速的关系。在图7中,低风速下对应着有3个不同的输出,分别对应着流速传感器加热电阻两旁对称分布的3对测温电阻,由图1可知,(3,4)电极对分布在最靠近中心加热电极的位置,然后接下来依次是(2,5)和(1,6)电极对。图6高风速下测控电路输出电压值图7低风速下测控电路输出电压值由输出电压的曲线图可知,离加热电极越远,输出的电压越大,即最外层的一对电极在风吹下产生最大幅度的温度差,输出电压最大。由于低速电路采用惠斯登电桥并且左右两路电桥在平衡状态下完全相同,所以测控电路对于电桥上电阻的(下转第17页)变化具有很高的灵敏度,由图7可以看出:在0~0.4m/s的范围内,输出电压的值上升的很快,而再往后渐渐趋于平缓。由输出特性曲线可知,输出电压与流速基本近似为线性关系,随着流体速度的增加,输出电压也变大。经过对输出电压曲线的拟合计算,得到在中低风速(1~7m/s)下,传感器的灵敏度为83.1mV/(m•s-1),在较高风速下(7~32m/s)传感器的灵敏度为28.3mV/(m•s-1),进入一个相对平缓的阶段。在低风速下(0~1m/s),以(1,6)电极对为例,传感器的灵敏度为100mV/(m•s-1)。

4结束语

针对设计制造的宽量程柔性MEMS热敏式流速传感器,本文通过高速与低速两种电桥结构的测控电路设计制作和测速实验,实现了流速传感器0~32m/s的宽量程风速测量。设计制作了带温度补偿的高速与低速情况下的惠斯登电桥测控电路,利用STM32微处理器及ADC模块实现同时测量传感器4路信号输出。最后,搭建了高、低速风速输入测试实验装置,进行了传感器性能测试。测速实验表明,中低风速(1~7m/s)下传感器的灵敏度为83.1mV/(m•s-1),高风速(7~32m/s)下灵敏度为28.3mV/(m•s-1),在1m/s以下的较低风速下,灵敏度可大于100mV/(m•s-1),显著提高了宽量程测速下的测量精度。后续工作将在完成各路热电阻的测速电路输出与输入流速的标定后,通过STM32微处理器实现相应热电阻工作的切换,实现多段量程流速信号选择合成输出。

参考文献:

[1]彭杰纲,周兆英,叶雄英.基于MEMS技术的微型流量传感器的研究进展[J].力学进展,2005,35(3):361-376.

[2]张元,李辉.MEMS热式微流量传感器发展综述[J].中国西部科技,2015(1):13-15.

[3]GENEVI-CCEDIL,COMTE-BELLOT,SARAMGR.Con-stantvoltageanemometerpracticeinsupersonicflows[J].AIAAJournal,2001,39(2):261-270.

[4]余柏林,甘志银,刘胜,等.新型空气质量流量传感器的建模与设计[J].传感技术学报,2007,20(7):1517-1521.

[5]陈则,曾祥宇,张晟,等.一种结合温差式和风速计式的新结构MEMS热式流量计[J].传感技术学报,2009,22(7):934-940.

[6]谷永先,邬林,曾鸿江,等.热隔离式MEMS气体流量传感器的设计及标定[J].仪表技术与传感器,2016(8):18-20.

[7]曾庆贵,崔峰,杨刚,等.用于迫弹速度测量的柔性mems流速传感器仿真[J].半导体光电,2016,37(3):318-322.

作者:樊冬 崔峰 张卫平 刘武 吴校生 单位:上海市北斗导航与位置服务重点实验室

柔性MEMS流速传感器的电路设计实验责任编辑:张雨    阅读:人次