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摘要:針對MEMS流速傳感器量程小及無法應用于曲面的不足，設計制造了一種柔性mems流速傳感器，其結構主要包含加熱電阻和3對測溫熱電阻，同時結合熱損失和熱溫差工作原理來實現寬量程的流速測量。設計了帶溫度補償的雙惠斯登電橋測控電路，利用STM32微處理器ADC模塊對多路流速測量結果進行采樣。測試實驗實現了0～32m/s的輸入風速測量，其中在1m/s以下的低風速段內傳感器具有100mV/(m•s－1)的較高靈敏度，在風速(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用，測量范圍大、精度高。

關鍵詞:柔性MEMS;流速傳感器;雙惠斯登電橋;溫度補償

引言

近年來MEMS流速/流量傳感器由于具有質量慣性和熱慣性小、響應速度高、易集成、低功耗和低成本等優點，得到了快速發展，并已應用于工業等領域［1－2］。MEMS流速傳感器主要基于兩種熱敏原理:熱損失風速計式原理和熱溫差熱量計式原理，其中前者在大流速時具有較好的精度［3］，后者在小流速測量時具有較好的精度［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，無法在寬量程內獲得高精度的測量。將兩種熱敏原理結合起來，實現從低速到高速的寬量程高精度測量是MEMS流速傳感器的一個發展方向［5－6］。另一方面，大部分傳感器都是以具有高熱導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，傳感器無法適應彎曲表面。上述問題都限制了流速傳感器的更廣范圍的應用。針對現有MEMS流速傳感器量程小及無法曲面應用的問題，作者曾設計了一種可貼附于曲面應用的基于聚酰亞胺柔性膜的柔性MEMS熱敏式流速傳感器，其結構主要包含加熱電阻和3對測溫熱電阻，同時結合熱損失和熱溫差工作原理實現寬量程的流速測量［7］。為了滿足傳感器寬量程高精度測量的要求，本文設計制作了高、低流速測控電路，并利用STM32多通路ADC系統同時采樣多路輸出電壓數字信號;搭建了高、低速風速輸入測量實驗裝置并測得了不同大小風速輸入與傳感器的輸出電壓關系。

1寬量程柔性流速傳感器的結構

如1為寬量程柔性流速傳感器設計結構剖面圖，正中間的Rh為測高速的加熱電阻，在以Rh為中心的兩邊對稱位置設置了3對測溫電阻對(R1，R6)、(R2，R5)和(R3，R4)，以增加低速測量的分辨率。左右各有一個測量環境溫度的補償電阻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構局部照片，芯片尺寸為9mm×7mm×30μm，敏感熱阻器均為蜿蜒狀的Cr/Pt熱線結構，最小線寬6μm。圖1傳感器結構剖面示意圖圖2制造的柔性傳感器芯片及其熱敏結構局部圖測高速時，傳感器利用加熱電阻采用熱損失原理，主要根據King's公式來獲取流速［7］。測低速時，利用在加熱電阻兩邊的3對測溫電極采用熱溫差工作原理:工作時強迫對流傳熱會在傳感器表面形成薄的熱邊界層，使得加熱電極兩側上下游測溫電極對的溫度產生差值，即產生正比于流速的熱電阻差。

2柔性流速傳感器的測控電路設計

柔性流速傳感器的流速測量采用了一種帶溫度補償的恒溫差測控電路，該電路主要依靠雙惠斯登電橋電路實現。由于在單電橋補償電路中，所需的溫度補償的熱敏電阻阻值要比測量的熱敏電阻的阻值大幾倍，所以采用雙電橋的補償方案可以消除上述影響，并且這里設計制造的溫度補償電阻比其他熱敏電阻大。針對加熱電阻的高速測量通道和測溫電極對的三路低速測量通道，采用了STM32微處理器將各通道輸出為數字量，便于多路數據信號處理。

2．1帶溫度補償的測控電路設計

圖3為傳感器測量流速的測控電路原理圖，上半部分測量高流速，下半部測量低流速(1m/s以內)。在測量高流速的電路中，Rs是加熱電阻，用來對傳感器進行加熱。圖3完整的測控電路原理圖在高速電路的第2個電橋中熱敏電阻Rt是用來起到調節補償作用的，可以消除由于環境溫度的變化而帶來的測量的偏差。在電路中使用了LT1167運算放大器，它的放大倍數G取決于RG的阻值，表達式如下:G=49．4kΩ/RG(1)式中RG為接在運算放大器1號與8號管腳之間的電阻(圖3中R9)。為了防止Rt支路上的電流過大從而導致Rt的溫度過高，設置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使流體溫度的變化對溫度補償有很大的影響。為了消除這個影響，使溫度補償的電橋工作溫度與環境溫度保持溫差恒定的狀態。在測控電路的高速部分中，當電橋保持平衡時，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，從而導致熱敏電阻的溫度迅速升高，所以設置R2和R3的阻值遠遠大于R11和Rs的阻值。當電路處于恒溫平衡狀態時，有下面的等式:RsR2=R11R3(2)由此可知差分運算放大器的兩個輸入端電壓相等，所以差分運放OP27的輸出電壓為0。當平衡被破壞，流過Rs上的電流會增加，使得Rs的溫度會上升。在低速測控電路中(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稱位置的測溫電阻，在傳感器制作的過程中，對稱的測溫電阻在室溫下具有近似相等的電阻。平衡時，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，此時電路的輸出是一個很小的值(理論上為0)。當傳感器表面由于風速的變化帶走加熱電阻上產生的熱量，使加熱電阻兩邊產生溫差，從而導致對稱的測溫電阻出現電阻的差值。此時電橋平衡被破壞，兩個差分放大器的輸入就會不同，最終導致輸出電壓會根據風速的變化而變化。

2．2傳感器的多路數字輸出電路系統

為便于一路高流速和三路低流速的測量信號處理，利用基于Cortex－M3內核的STM32微處理器ADC轉換模塊進行數據采樣，將各路測控電路輸出的模擬量轉化為數字量。將通常只能采樣一路輸出的ADC轉換改進為可以同時測量4路輸出電壓的ADC轉換系統，如圖4所示。同時為了便于后續實驗采樣數據的處理，在ADC轉換的程序中添加了均值濾波算法進行采樣數據的處理，使得采樣的結果更加精確。圖4傳感器多路數字輸出采樣系統

3柔性流速傳感器的測速實驗及結果分析

3．1風速測量實驗風速輸入測量實驗裝置整體

如圖5(a)所示。測試裝置主要包括熱敏式風速計(型號GM8903，用于高風速標定)、可調風速鼓風機(用于產生高風速)、精密注射泵(型號LSP02－1B，用于產生勻速低風速)及儲氣針管(針筒直徑5cm)、柔性流速傳感器芯片及其制作的測控電路。高風速測量時由可調變速鼓風機經噴嘴吹向柔性流速傳感器，并通過傳感器對面的熱敏式風速計測出實際風速大小，傳感器處的局部圖見圖5(b)。低風速測試時采用精密注射泵推動針管在輸出細管內可產生低于0．1m/s的精確低流速。圖5(c)是針管管路流經柔性傳感器處的局部圖，傳感器貼于電路板表面并置于細管道內。通過調節注射泵流量大小產生勻速氣流流經傳感器表面，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際風速大小。圖5風速測試實驗裝置實驗測試時，環境溫度25℃，測試的風速范圍為0～32m/s，其中，風速0～1m/s下利用低速測量系統，1～32m/s下時利用高速測量系統。

3．2實驗結果及分析

圖6、圖7分別為高、低速測控電路輸出電壓與風速的關系。在圖7中，低風速下對應著有3個不同的輸出，分別對應著流速傳感器加熱電阻兩旁對稱分布的3對測溫電阻，由圖1可知，(3，4)電極對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。圖6高風速下測控電路輸出電壓值圖7低風速下測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，輸出的電壓越大，即最外層的一對電極在風吹下產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下完全相同，所以測控電路對于電橋上電阻的(下轉第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，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系，隨著流體速度的增加，輸出電壓也變大。經過對輸出電壓曲線的擬合計算，得到在中低風速(1～7m/s)下，傳感器的靈敏度為83．1mV/(m•s－1)，在較高風速下(7～32m/s)傳感器的靈敏度為28．3mV/(m•s－1)，進入一個相對平緩的階段。在低風速下(0～1m/s)，以(1，6)電極對為例，傳感器的靈敏度為100mV/(m•s－1)。

4結束語

針對設計制造的寬量程柔性MEMS熱敏式流速傳感器，本文通過高速與低速兩種電橋結構的測控電路設計制作和測速實驗，實現了流速傳感器0～32m/s的寬量程風速測量。設計制作了帶溫度補償的高速與低速情況下的惠斯登電橋測控電路，利用STM32微處理器及ADC模塊實現同時測量傳感器4路信號輸出。最后，搭建了高、低速風速輸入測試實驗裝置，進行了傳感器性能測試。測速實驗表明，中低風速(1～7m/s)下傳感器的靈敏度為83．1mV/(m•s－1)，高風速(7～32m/s)下靈敏度為28．3mV/(m•s－1)，在1m/s以下的較低風速下，靈敏度可大于100mV/(m•s－1)，顯著提高了寬量程測速下的測量精度。后續工作將在完成各路熱電阻的測速電路輸出與輸入流速的標定后，通過STM32微處理器實現相應熱電阻工作的切換，實現多段量程流速信號選擇合成輸出。

參考文獻:

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作者：樊冬 崔峰 張衛平 劉武 吳校生 單位：上海市北斗導航與位置服務重點實驗室