热式气体质量流量传感器研究与发展
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一、引言
气体流量的测量是工业生产过程，科学实验计量的重要参数，是能源计量的重要组成部分。它对于保证产品质量，提高生产效率，节约能源，促进科技的发展都有很重要的作用[1]流量传感器的精度高低、稳定性好坏及适应工作环境的能力大小，智能化水平和性价比的高低等性能指标极大地影响着社会各行业的发展。 。
用于测量气体流量的传感器种类很多，例如截流流量传感器、叶轮流量传感器等，多数是采集流体的温度、压力等信号，再换算成流量。但由于气体流动状态不稳定，使其流量测量准确性受到影响。直到热式质量流量传感器的出现为流量传感器量带来了一场革命，实现了直接测量流体质量流量的目的。且测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿[2]。
二、热式气体质量流量传感器的发展和应用
最早发明的热式气体质量流量传感器是热线式气体流量传感器，利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝来测量流体的流速、流量。随着数字技术的发展，其连续测量的特点显得具有难以替代的优势，但由于热线式气体流量传感器受多个参量的影响，存在交叉灵敏度，从而，影响它的稳定性以及灵敏度，流量与电信号的对应关系是非线性的，要进行补偿。到了近几十年，由于电子技术的飞速发展，各种补偿技术不断提高，使热线式流量传感器的精度大大提高，测量范围扩大。但热线一致性很差，难以进行批量生产；当测低流速流体时，热紊乱很大；热线抗污染腐蚀能力差，价格高，易损坏；测量中有电子噪声，导致它的响应速度下降等因素限制了它的进一步发展。
伴随着微电子加工技术发展以及MEMS技术的兴起，热膜式气体质量流量传感器成为新的研究焦点。热膜式气体质量流量传感器作为热线式气体流量传感器的改进产品，是采用硅微机械加工技术 制成的具有体积小、成本低、稳定性好、兼容性强、精确度高、功耗低、响应时间短等特点。
热式气体质量流量传感器的应用范围非常广泛：
1、锅炉、裂解炉用燃料气质量流量测量控制；
2、石油化工、采油、火炬气质量流量测量；
3、燃烧炉用空气质量流量测量控制;燃汽轮机氢气质量流量和控制；
4、食品加工及饮料气体质量流量和控制；
5、水厂氯气质量流量控制；
6 、生产半导体时高纯度气体质量流量测量；
7、催化剂、化学添加剂质量流量测量；
8、泵的保护控制、泵密封、润滑油池泄漏检测；
9、空调系统控制；
10、仪表用空气、工艺空气、氮气等质量流量测量[6]。
1、锅炉、裂解炉用燃料气质量流量测量控制；
2、石油化工、采油、火炬气质量流量测量；
3、燃烧炉用空气质量流量测量控制;燃汽轮机氢气质量流量和控制；
4、食品加工及饮料气体质量流量和控制；
5、水厂氯气质量流量控制；
6 、生产半导体时高纯度气体质量流量测量；
7、催化剂、化学添加剂质量流量测量；
8、泵的保护控制、泵密封、润滑油池泄漏检测；
9、空调系统控制；
10、仪表用空气、工艺空气、氮气等质量流量测量[6]。
三、热膜式气体质量流量传感器原理和结构
1、原理
热膜式气体质量流量传感器是利用热传导和热耗散的原理制作的[3]。当有气体流过热敏电阻表面时，会带走一部分热量，引起电阻阻值的变化，这个变化量与气体的流速和温度有关。
2、结构
热膜式气体质量流量传感器的结构理论上可以有五种结构，如图1所示。一般，为了减少加热电阻在纵向的热传导，提高
测量精度，在硅片的正面做一层SiO2，在硅片背面腐蚀出一个硅杯结构。
测量精度，在硅片的正面做一层SiO2，在硅片背面腐蚀出一个硅杯结构。图（a）只有加热电阻，类似于热线式气体质量流量传感器，主要计算热耗散与流速的关系。它的气体流向是双向的。
图（b）中有一个加热电阻和一个测温电阻（测温电阻有时也用由热电偶串联而组成的热电堆来代替），主要用测温电阻来反映流速。它的气体流向是单向的。
图（c）中加热电阻两侧放置了阻值相等，且与加热电阻等距离的测温电阻，是一个对称结构，主要用测温电阻来反映流速。它的气体流向是双向的。
图（d）是在图（c）的基础上，在气体流入方向上放置了一个环境测温电阻，它与加热电阻和外电路的两个固定电阻构成测量电桥，通过一个PID（比例+积分+微分）比较控制电路来保证加热电阻与流体的温差，它的气体流向是单向的。
图1（e）是图（c）的改进结构，只将电阻的四个角与底面接触，形成梁式结构，尽量减少热纵向传导。由于采用膜工艺，这类结构工艺实现比较困难，将会在高度精密测量方面发挥很大的作用。这种结构的产品尚在积极的研制过程中。
从图1（a）到图1（d），是一个结构不断改进，性能不断提高的过程。
测温电阻与外电路的固定阻值的电阻形成惠斯登测量电桥。当流体流动时，电桥失去平衡,输出一个直流电压信号[4]。当被测介质的比热恒定时，其输出的直流电压信号就与被测介质的质量流量成比例关系。
3、数学模型
以图1（e）为例，对热膜式气体质量流量传感器用数学模型加以说明。
设气体的初始温度Tf ，加热电阻温度Tm。1，被加热的气体的温度为Tf2，测温电阻的温度为Tm1、Tm3（Tm3＞Tm1）
当气体流经电阻R1时，根据牛顿冷却定律有：
（1）中，a—对流散热系数（单位：W/m2K），在空气强制对流中有20 a 100；
F—薄膜电阻的表面积。
由于对流散热系数a 
对流放热系数aNusselt相似准则数Nu导出薄膜表面温度Tm1与其表面气体流速的关系。对流放热系数：是影响薄膜热电阻表面温度的主要因素。根据对流放热理论，引入的存在，
对流放热系数aNusselt相似准则数Nu导出薄膜表面温度Tm1与其表面气体流速的关系。对流放热系数：是影响薄膜热电阻表面温度的主要因素。根据对流放热理论，引入的存在，
（2） 式中，Nuld—薄膜的宽度。—空气导热系数；—努赛尔数；
Nu 
（3）处于空气强制对流散热时有
（3）处于空气强制对流散热时有式中，c0.615）；vm，一般取0.45～0.5，具体数值根据实验数据分析来确定。1—运动粘度系数；—常数（经验值为
由此得： 
设热敏电阻的温度系数为a，由实验测得，则温度为T时的电阻为：
（ 4）当t0为0℃时，0℃时的电阻设为R0，由试验测得。公式变为
则： 
将 
带入（5）中，得： 
带入（5）中，得： 当只有速度从V1变化到V2时，有：
当气体经过电阻R3时，气体温度被加热为 
，设电阻R 
，对流换热系数为：
，设电阻R ，对流换热系数为：
当只有速度从V1变化到V2时，有：
实验中，可测出气体的初始温度 
，由于采用恒温供热，根据牛顿冷却定有：
，由于采用恒温供热，根据牛顿冷却定有：
（6） 
（7）当电流电压一定时，可得 是一个定值。
是一个定值。R3。输出电压为：1 、R3测温热敏电阻和外电路两个固定电阻构成惠斯登差动测量电路，如图
（8） 当电阻发生变化，设R1的变化了DR1，R3的变化了DR3时，有：
设桥臂比 
，由于△R1R1 ，△R3R3，分母中可忽略这两项，得：
，由于△R1R1 ，△R3R3，分母中可忽略这两项，得：
（9）输出电压与热敏电阻及其变化有关。
综上，建立起了气体的流速V→对流散热系数α→测温电阻的温度Tm1，Tm3→测温电阻的阻值R→输出电压V0的关系，电流I和电压U恒定，气体的初始温度一定时，输出电压VO为风速的函数，这就是热膜式气体流量传感器的原理。
研究中需要认真解决以下几个问题：
（1）两个测温电阻的对称性与一致性、重复性；
（2）对于小流量测量要求测温电阻有足够的灵敏度；
（3）电阻下面膜片厚度的一致性与重复性。
（2）对于小流量测量要求测温电阻有足够的灵敏度；
（3）电阻下面膜片厚度的一致性与重复性。
以上几个问题在设计和制作中应引起足够的重视。
四、目前的水平和未来的发展方向
目前，国内市场上大部分的热膜式气体质量流量传感器都是进口的，价钱昂贵。由于此类产品性价比高、市场广，国内一些高校和公司也致力于这方面的研究，并已取得了一定的成果。但国内热膜式气体质量流量传感器的研究起步较晚，大多数型号未实现国产化。
在国外，主要有瑞士、荷兰、欧美和日本技术发达国家，凭借他们的先进的半导体技术大力发展热式流量传感器，并已取得了喜人的成果[5]加拿大SAILSORS（塞尔瑟斯）的TF系列热式气体流量计，德国赛多利斯热式气体流量计，美国HoneyWell的CMS 系列和AMW系列等气体质量流量计。。例如：
未来的发展方向主要是以下几方面：
1、微型化和智能化：热膜式气体流量传感器采用硅杯镀膜结构，将来随着SOC技术和MCM技术的发展，一方面由于硅集成技术的应用，使其实现大批量的生产，保证其性能稳定，价格低廉，体积微型化。另一方，可以将许多信号处理电路集成在同一芯片上，采用数字通信与微机相连，实现流体的智能测试。
2、传感器输出信号的数字化和网络化：由于传感器网络化发展正在兴起，生产过程中的控制、管理和维护的计算机集成系统CMMS(Control,Management,and Maintenance System)对传感器网络的信号进行处理时，要求传感器的输出信号必须是数字信号，可以通过现场总线进行传输，目前国外许多行业都在大力推行传感器数字化和网络化，制定传感器输出信号标准。所以国内在研究开发流量传感器时应该有意识的设计符合这一要求的流量传感器。
3、多功能化：将流量测量与温度测量、压力测量等功能中的一种或多种结合到一起。采用新技术、新材料，研制新的传感器。
4、其它发展方向：要求量程比宽，应用范围广，可靠性高，性价比高，安装维修方便，寿命长。流量传感器的研究应与经济性紧密相连。
五、结束语
总的来说，目前市场上这类产品各类间不兼容，产品还没有实现商品化，应用也没有普遍化，高精度符合客户要求的热式气体质量流量传感器尚在进一步的研制中。因此， 一方面要加强科研成果与市场的结合，另一方面要推广产品的商品化。尤其是我国现行研制和生产的传感器在性价比方面和国外的产品存在着很大的差距，因此，研制和批量生产新型、多功能、可靠性高、性能质量好的新一代传感器，满足市场的需求应是传感器研制和生产单位迫在眉睫的任务。
参考文献：
[1]戴克中,李伟.热敏电阻式风速表[J].传感器技术,1996,82(6):54-56.
[2]南海,魏华胜,修吉平等.热式和多项流式等多种流量传感器的研究和发展[J].传感器世界,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,邓金明,胡靖文.量热式气体质量流量计及其应用[J].化工自动化及仪表,1995,22(4):40-43.
[5] Martin Mischler, etal. IEEE Region 10Annual international Conference,1995,20～23.
[6]黄步余,顾祥柏,王立奉,王凤瑞.热质量流量传感器及其应用[J].仪器仪表与应用,1998,4:46-50.
[2]南海,魏华胜,修吉平等.热式和多项流式等多种流量传感器的研究和发展[J].传感器世界,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,邓金明,胡靖文.量热式气体质量流量计及其应用[J].化工自动化及仪表,1995,22(4):40-43.
[5] Martin Mischler, etal. IEEE Region 10Annual international Conference,1995,20～23.
[6]黄步余,顾祥柏,王立奉,王凤瑞.热质量流量传感器及其应用[J].仪器仪表与应用,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
作者简介：
孙承松：沈阳工业大学信息科学与工程学院教授，从事传感器开发与研究。
通讯地址：辽宁省沈阳市铁西区兴华南街58号沈阳工业大学591信箱
电话：024-25691398， E-mail：suncs@sut.edu.cn
李瑞：微电子与固体电子学专业硕士研究生，沈阳工业大学信息科学与工程学院
电话：024-82078321 邮编：110023
E-mail：ruirui_199200@163.com
通讯地址：辽宁省沈阳市铁西区兴华南街58号沈阳工业大学591信箱
电话：024-25691398， E-mail：suncs@sut.edu.cn
李瑞：微电子与固体电子学专业硕士研究生，沈阳工业大学信息科学与工程学院
电话：024-82078321 邮编：110023
E-mail：ruirui_199200@163.com
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