电阻悬浮的MEMS热膜式气体流量传感器设计

设计了一种新型电阻悬浮结构的热膜式气体流量传感器,具有测量精度高、灵敏度好、抗压能力强、微加工工艺简单等特点。采用ANSYS软件对传感器芯片在不同流速下的温度场进行了有限元仿真,得出了上下游温差与流速的关系曲线。通过比较热膜电阻非悬浮与悬浮时的导热损失和压力分布,得到了将热膜电阻悬浮的流量传感器的性能要优于一般传感器的结论,其灵敏度为一般传感器的3.6倍。分析表明,传感器的响应时间仅为0.17 ms,比一般传感器快了好几倍;流速在0～0.5 m/s和0.5～2.5 m/s时,传感器输出信号都有较好的线性度,使其能够应用于小流量和大流量的测量当中;流道高度为150μm时,流量为0～2.7 L/h。根据工艺条件和仿真结果,确定了传感器芯片的结构尺寸和微加工工艺流程。

基于气旋原理的MEMS热膜式气体流量传感器除尘装置

为了提高MEMS热膜式气体流量传感器的防尘能力,设计了一种基于气旋原理的除尘装置。运用正交试验的方法,在适当的范围内选取尺寸参数进行组合,以提高除尘效率为优化目标,通过仿真确定了除尘装置尺寸参数的具体数值,并且进一步分析了除尘装置的除尘性能。通过实验测量除尘装置的支路流量比例、压力损失和除尘效率,验证了仿真分析的结果,测定了防尘装置的实际工作性能。结果表明:除尘装置对粒径在5μm以上的粉尘具有良好的除尘效果,除尘效率最高可达80%。

热电堆式MEMS气体流量传感器设计及性能研究

提出一种由微加热器和热电堆构成的热式MEMS气体流量传感器用以实现高灵敏、快响应且低功耗的气体流量检测。采用N/P型重掺杂多晶硅材料构造双层堆叠的热电堆结构,可以实现低热导和高塞贝克系数,具有更高的温度敏感性。实验测试表明,该传感器件在0~1000 sccm的气流范围内灵敏度可达0.309 mV/sccm(58.22 mV/ms-1),响应时间仅约139 ms,其工作电压为2.56 V时,微加热器的加热功耗仅有34.9 mW。该器件的整体尺寸仅有1300 mm×1300 mm,有利于检测系统的小型化和集成化,在动力氢燃料电池、医疗辅助呼吸设备等流速流量检测场景中具有一定应用价值。

基于MEMS的量热式传感器气体流量测量的模型研究

气体流量测量广泛应用于呼吸监测、管道运输等领域。本研究细致分析了MEMS量热式传感器温度一维分布模型中的热边界层参数,进行了相应的经验修正。并且在温度一维分布模型的基础上,针对具有两对上下游测温电阻芯片结构的MEMS量热式传感器,提出了一种新的传感器输出电压关于气体流量的半修正理论模型。该理论模型能够适用于不同类型的单介质气体。同时,开展了N_(2)、CO_(2)流量测量实验,与理论模型进行对比,证明所提出的理论模型可以正确预测不同气体介质的流量,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.15%。此外,结合理论分析,提出了一种高精度,拟合形式简单、针对确定气体适用性更好的测量模型,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.05%。

热隔离式MEMS气体质量流量传感器设计

研制了一种热隔离式微机电系统（MEMS）气体质量流量传感器。加热电阻器和上下游测温电阻器采用热隔离悬梁式结构,间隔240μm。对恒温差电路的设计要点进行了分析并制作了系统电路。测试拟合了传感器输出电压随气体流量的关系曲线,并对传感器进行了标定。测试结果表明：在0～20 L/min的流量范围内,传感器响应速度快,灵敏度高,输出信号平滑,适合于工业及医疗等领域。

MEMS热膜式微型流量传感器的研制

针对微型流量传感器的应用问题,提出了一种可以准确测量各种气体微型流量、基于MEMS工艺的新型MEMS热膜式传感器。基于热量传递原理的热膜式流量传感器由一个加热器和一对微型温度传感器组成,只要测得两个温度传感器的温度差值,就能得到气体的流量。分析了该器件的原理并进行了ANSYS仿真,设计了器件的结构,进行MEMS工艺开发,制作出可实用化的产品。测试表明,该器件的测量量程达到0.5～200m3/h,精度1.5级,响应时间20ms,量程比1:400,显示该器件测量流量的功能达到了实用化水平。

MEMS热膜式微流量传感器

针对气体红外吸收的气动探测应用,设计并制备了一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的热膜式微流量传感器。研究了热敏电阻间距以及工作温度对传感器灵敏度的影响。当热敏电阻间距为200μm、工作温度为150℃以及气体流量在-5～5 mL/min时,微流量传感器输出信号与气体流量成线性关系,灵敏度约为299 mV/(mL/min)。微流量传感器气体流量理论检测下限约为1.7μL/min,在气体流量为6μL/min时,响应时间(90%)和恢复时间(90%)分别为16和34 ms。研究了微流量传感器温度补偿方法,消除了环境温度对灵敏度的影响。

基于恒温法的热膜式气体流量传感器的设计

设计了一种新的基于恒温法的热膜式气体流量传感器,介绍了该传感器的建模过程及其敏感元件的结构设计,并给出了流量传感器的详细设计方案。仿真和实测结果表明:该流量传感器既能对小流量信号敏感又能准确地反映大流量的输出,功耗低于0.1W,响应时间小于50m s,精度可达到0.6%FS,能够满足低功耗、快响应、高精度等性能技术指标的要求。

污染物对热膜式气体流量传感器精度的影响

为了预测污染物对热膜式气体流量传感器精度的影响,研究传感器精度下降机理。首先,分析传感器测量原理,建立传感器电压输出理论数学模型,并基于绕流理论推导气体流经污染物后流速公式;然后,搭建污染物颗粒累积试验平台,进行长时间颗粒累积试验,验证理论模型合理性。研究结果表明:传感器的输出电压与所测气体流速、基底隔膜厚度以及导热系数有关;气体流速下降幅度随污染物高度增加而增大,随污染物与加热电阻中心距离增加而减小;污染物颗粒主要围绕热膜电阻周边呈“U”型分布,热膜电阻上方基本无累积,说明传感器精度下降主要是由热膜电阻前端累积的污染物改变气流流速所致;传感器电压输出理论计算值和试验测量值相吻合,证实了理论模型的合理性。

一种高性能MEMS气体流量传感器设计

使用MEMS技术研制出一种高灵敏度热温差式流量传感器.器件采用热隔离性能良好的衬底挖空结构,且热敏电阻器与热源距离可调,保证了系统的灵敏度和响应速度.同时热敏电阻器、加热电阻器与电桥电阻器集成在传感器片内,提高了系统的稳定性.实验表明：合适的电阻器间距可以获得较高的灵敏度,而在0～20 mL/min的量程范围内系统线性度较好,因此,在生化检测、医疗等领域具有良好的推广前景.

密立根法测量热膜式气体流量传感器中污染物颗粒带电量

热膜式气体流量传感器在实际使用过程中,其芯片表面很容易被微小颗粒污染,使精度达不到工作要求。试验研究发现,传感器通电工作时,芯片表面电场力是造成污染物颗粒吸附堆积的主要因素。因此,污染物颗粒带电量的大小对芯片表面颗粒的堆积有着直接影响。文中采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪和密立根油滴仪联合测量了颗粒群的平均粒径和平均带电量。激光粒度分析仪所测污染物颗粒的平均粒径为3.311μm,根据此平均粒径值,密立根油滴仪所测3.2~3.4μm范围内的颗粒所带平均带电量为6.4×10^(-17) C,此带电量即为整个颗粒群的平均带电量。

热膜式气体流量传感器异物污染流场仿真分析

为研究MEMS热膜式流量传感器异物污染后的测量精度变化与污染程度的关系,通过试验分析了芯片表面污染物分布情况,建立了异物堆积模拟示意图。采用fluent流体分析软件,研究了异物堆积后MEMS芯片表面流速的变化。通过分析可知,当有异物堆积时,芯片表面附近区域流速会发生变化,比无异物堆积时变小,且速度差随入口速度的增加而增加。

热隔离式MEMS气体流量传感器的设计

本文设计了一种热隔离式MEMS气体流量传感器系统,系统基于复合支撑薄膜电调制红外辐射源,是单片式电容硅基微传声器,借助接口连接微孔粉尘过滤、低温除湿器,实现MEMS与IC集成。在紧急应急方面,借助长光程气体池、光路系统,对光源、检测器进一步优化,通过可扩充多气体分析软件、仪器自动操控软件,在线监测化工区域生产数据,一旦出现突发问题会自动启动应急救援系统,避免灾害进一步扩大。

热Σ-Δ调制技术及在MEMS气体传感器中的应用

微加热器是MEMS气体传感器的重要功能部件,其结构设计与温度控制是MEMS气体传感器设计的重要环节。针对一类典型MEMS气体传感器设计了一款采用热Σ-Δ调制技术的电路,对其微加热器进行闭环温度控制,相比传统的模拟闭环控制电路,该电路结构简单,对元件失配性要求低,在实现温度控制的同时实现了加热器激励信号的数字化。此外,作为调节控制的MOS管工作在开关状态,显著降低其功耗和对功率容量的要求。重点介绍了微加热器的热电等效模型、热Σ-Δ调制控制的基本工作原理、实现电路与测试结果等,实验数据表明微加热器温度控制环路信噪比可达60 dB以上。将其应用于一款可探测挥发性有机物(VOC)的MEMS气体传感器,温度控制稳定性达到0.75%,满足了传感器性能要求。

MEMS热式微流量传感器发展综述

MEMS热式微流量传感器具有灵敏度高、量程宽、响应时间短等优点,在生化医疗等领域具有重要的实用价值和意义。本综述首先介绍了MEMS热式流量传感器的工作原理和基本结构,随后阐述了此类传感器的分类、发展历史与技术特性,最后展望了其今后的发展趋势和应用前景。

油污对热膜式气体流量传感器测量精度影响研究

为探究油污对热膜式气体流量传感器测量精度的影响,建立了传感器内部流道的三维几何模型以及基于厚度和位置分布的油污模型,仿真分析了不同流量条件下油污厚度和位置对传感器测量值的影响。进行了分阶段油污自然沉积试验,分析了各油污污染阶段传感器精度的变化。仿真和实验结果表明:油污沉积在传感器芯片中间电阻上时,对传感器测量精度的影响显著,随着油污厚度的增加,传感器的测量误差逐渐增大。

基于热膜探头的新型气体流量传感器研究

基于热膜探头的热传递原理,设计了一种新型的气体流量传感器。首先研究了在不同环境温度和电流下热膜探头的温度特性,确定其工作电流。然后分析热膜探头中测量电阻和补偿电阻之间的关系,设计了具有温度补偿功能的气体流量传感器电路,减小了环境温度对气体流量测量的影响。最后根据气体流量标定实验数据,建立了流量传感器的数学模型。实验结果表明,该气体流量传感器具有较好的一致性,测量精度优于0.8%,流量量程比达100∶1。

热膜式空气质量流量传感器块联模型结构辨识

同时利用稳态和动态校准数据,辨识了基于Hammerstein模型的热膜式空气质量流量(MAF)传感器的模型结构。在用多项式逼近静态非线性特性的基础上,动态线性环节分别选取带外生输入的自回归(ARX)模型、输出误差(OE)模型和Box-Jenkins(BJ)模型结构,采用交叉准则法进行参数估计和阶次选择,通过残差分析和仿真比较对模型进行检验。结果表明,用估计数据选择阶次时,最终预报误差(FPE)准则与最终输出误差(FOE)准则具有良好的一致性,基于预测误差法的2阶OE模型和BJ模型均可用于热膜式空气质量流量传感器Hammerstein模型动态线性环节的建模。

热电薄膜型气体流量传感器的热模拟分析

本文利用有限元分析工具ANSYS/FLOTRAN ,模拟并分析了一个基于薄膜结构的热电型气体流量传感器的温度场 .并具体地分析了在气体流量通道入口处气体的流向角度对传感器输出信号以及气体流动状态的影响 .将最终的模拟计算结果与实验数据进行比较 ,发现二者基本吻合 .利用此热学模型来模拟和分析此类传感器 ,不但可以减少大量的模拟分析过程而且可以降低计算的复杂度 。

一种热温差式悬空结构气体流量传感器设计

基于热温差原理,利用MEMS技术加工制备出高灵敏度微型气体流量传感器。该流量传感器采用热敏电阻器悬空结构,其热隔离性能较好,并利用温度系数大的VO2制备热敏电阻器;同时,利用机械性能和密封性能好的SU—8胶制备气流沟道,工艺简单,稳定性好,且成本较低,适合批量生产。实验表明:当传感器处于适当偏压下时,在0～30 mL/min的流速范围内响应速度快,灵敏度高,而且具有良好的线性度,适合生化检测、医疗等领域的应用。