应用于汽车的流量传感器研究.doc

2012-07-1T9h#e #R#es#ea#r#ch#o#f#F#lo#w#S#e2ns0o1r 2Ba-s0ed7-on1A9p#p#l i#ca#t i#on#2#0of#1A2u-to0m7o-b1ile9#Y U B o2l i n1 , 2 , 3 , GA N Z h i2y i n1 , 3 3 , L U O X i ao2bi n g 3 , 4 , CA O H ui 1 , 3 , X U J i n g2p i n g 21 . I nst i t ute o f M i c ros y ste ms , H u az hon g U ni ve rsi t y o f S cience an d T ech nol o g y , W u han 430074 , Chi na;2 . De p a rt ment o f El ect roni c S ci ence an d Tec h nol o g y , H u az hon g U ni ve rsi t y o f S cience an d T ec hnol o g y , W u h an Chi na ;3 . W u han N at i onal L ab o f O p t oelect roni cs , H u az hon g U ni ve rsi t y o f S cience & T ec h nol o g y , W u h an 430074 , Chi na ;4 . S chool o f Ene r g y an d Pow e r En gi nee ri n g , H uaz hon g U ni ve rsi t y o f S cience & Tec h nol o g y , W u han 430074 , Chi naAbstract : The t her mal fil m f lo w se n so r ha s bee n re sea rc hed . The me mbra ne i s ma de of multi2fil m wit h hi ghmecha nical ro bu st ne ss a nd lo w cro ss di rectio n t her mal co nductivit y. The t e mp erat ure di st ri butio n of me m2 bra ne ha s bee n si mulat e d ; t he va riatio n of t e mp erat ure o n me mbra ne ha s bee n a nal yzed at diff ere nt f lo w rat e . B y co mp a ri ng t he re sult s of e xp e ri me nt wit h t he re sult s of si mulatio n , a co nfo r mi ng co ncl u sio n i s o b2 t ai ned : at lo w f lo w rat e , t he f alli ng of t e mp erat ure i n up st rea m by cool eff ect i s re ma r ka ble , t he t e mp era2 t ure i n do w n st rea m i ncrea se s sli ght l y , a nd t he t e mp erat ure diff e re nce bet wee n up st rea m a nd do w n st rea m i s no t a ble . Wit h t he f lo w rat e i ncrea si ng , t he t e mp e rat ure i n up st rea m di st a nce reache s sat uratio n , a nd be2 ca u se t here i s a w hole cool eff ect o n t he chip at hi gh f lo w rat e , t he t e mp erat ure i n do w n st rea m di st a nce be2 gi n s to decrea se sli ght l y. Therefo re , t he f lo w mea suri ng ra nge o bt ai ned by t e mp erat ure va riatio n of di s2 t a nce mea suri ng re si sto r i s small . Two p ai r s of mea suri ng re si sto r s a re p laced i n up st rea m a nd do w n st rea m re sp ectivel y , w hic h e n ha nce s t he mea suri ng p reci sio n a nd wi de n s mea suri ng ra nge . Co mp a ri ng wit h si ngle o utp ut volt a ge val ue , t he sup erpo sitio n val ue i s hi gh a lo t . The p ea k val ue of si ngle volt a ge si gnal reache s15 . 7 mV , w he rea s , t he p ea k val ue of sup e rpo sitio n volt a ge ca n reach 28 . 6 mV . Mea nw hile , mea suri ng ra nge ha s bee n bro a de ne d.Key words : f lo w se n so r ; multi2fil m ; t e mp erat ure si mulatio n ;calo ri met ric t yp eEEACC :7230 ; 7320 W应用于汽车的流量传感器研究余柏林1 ,2 ,3 ,甘志银1 ,3 3,罗小兵3 ,4 ,曹蕙1 ,3 ,徐静平21 . 华中科技大学微系统研究中心 , 武汉 430074 ;2 . 华中科技大学电子学与技术系 , 武汉 430074 ;3 . 华中科技大学武汉光电国家实验室 , 武汉 430074 ;4 . 华中科技大学能源与动力工程学院 , 武汉 430074摘 要 :研究了横膈膜式热膜流量传感器 ,横膈膜采用多层薄膜结构 ,增加其机械强度 ,同时保持其较低的横向热导率 。模拟了横膈膜上温度的分布 ,分析了在不同流速下各点的温度变化 。通过实验和理论模拟 ,得到了比较一致的结论 : 在低流速 下 ,上游的冷却作用使温度明显下降 ,而下游的温度增加 ; 上下游的温度差变化比较明显 ; 随着流速增加到一定程度时 ,各种变化趋势变缓 ,上游远端甚至出现温度饱和现象 ,由于空气流速也对所有的芯片表面有冷却作用 ,下游远端也出现温度略微下降的现象 ,导致了上下游的温度差增加趋势变缓 。因此 ,通过远端的电阻温度变化反映出来的流量量程较小 。本研究中在 加热电阻上游和下游放置两对测试电阻 ,提高传感器的精度和增加其量程 。叠加信号电压相比单个的输出明显加强 ,单个信 号的最大值为 15 . 7 mV ,而叠加后的信号增强到 28 . 6 mV 。同时叠加后的测试量程也得到拓宽 。关键词 :流量传感器 ,多层膜 ,温度模拟 ,温差式2012-中0图7分-类1号9:T#P#21#2 . #1 #文2献0标1识2码-:A07-文1章9编#号#:10#04#21#269#09(#120208-) 0012700-4142095 #内燃机进气流量是一个非常重要的测量参数 ,电控汽油喷射系统的空燃比决 定了 发动 机的 动 力 性 、经济性和排放性能指标 ,空燃比的调节是采用调 整与进气量相匹配的喷油量的方式 1 。目前主要是 采用热式微型流量传感器测试 ,其测量值不因压力 的波动而失准 。热式微型流量传感器是以托马斯提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比”的 理论为基础 ,利用外热源对传感器探头加热 ,气体流 动时会带走一部分热量 ,使探头温度改变 ,通过测量 因气体流动而造成的温度变化来反映气体的质量流 量 2216 。目前主要有热线损失线型和热膜温差热膜 型 。前者由于存在交叉灵敏度 ,热紊乱很大 ,热线抗 污染腐蚀 能力 差 等 ; 限制 了它 的进 一 步 发 展 17219 。 伴随着微电子加工技术发展以及 M EM S 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 。 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 。2000 年 H ung 等人发 展出 新型 的 热 敏电 阻 传 热 式 流 量 传 感 器 , 该 传 感 器 的 灵 敏 度 为3 . 2638 / mV ,其响应速度小于 5 ms , 测量速度高 于 1 . 5 m/ s ,该传感器用新型“网式”薄膜结构代替传统 的 微 型 传 感 器 结 构 20 。2004 年 Se unghyun Ki m 等人发展出一种可以探测流动方向 和流 量 大 小的环形热式微型流量传感器 。传感器的技术指标 为 : 方向最大角度差5度 ,速度误差不超过0 . 5 m/ s , 功率为8 0 m W ,传感器的整体尺寸3 mm 3 mm 10 。内燃机进气质量流量范围一般为 2 g/ s 100 g/ s 1 , 21 ,通过流道设计使流体流速测试段的流态变 为层流 ,并且流速范围为 0 . 15 m/ s 22 。本文中研 究了横膈膜式热膜流量传感器 ,横膈膜采用多层薄 膜结构 ,增加其机械强度 ,同时保持其较低的横向热导率 。本文中模拟了横膈膜上温度的分布 ,分析了 在不同流速下各点的温度变化 。通过实验和理论模 拟 ,得到了比较一致的结论 : 在低流速下 ,温度差变 化比较明显 ,当流速增加到一定程度时 ,增加趋势变 缓 ,在加热电阻的远端还出现了饱和现象 ,使得流量的测试量程缩小 。分别在加热电阻上游和下游放置 两对测试电阻 , 提高 传感 器 的精 度和 增 加其 量程 。 叠加信号电压相比单个的输出明显加强 ,单个信号 的最大值为 15 . 7 mV ,而叠加后的信号增强到 28 . 6 mV 。同时叠加后的测试量程也得到拓宽 。图 。以一块双面打磨 ,晶格方向为 100 的硅片作为基体 衬 底 。在 硅 基 片 表 面 氧 化 一 层 SiO2 , 采 用 L PCVD 方法在 SiO2 上分别沉积一层 Si3 N4 , 并采 用再氧化法制备 SiO2 , 再采用光刻胶作为掩模板 ,通过溅射在 SiO2 上制备厚度为 180 n m 的 Pt 电阻 ,在加热电阻的上下游分别有两对热敏电阻 ,每个电 阻由四条宽 5m 、相间 5m 的薄膜电阻组成 ,分别 以离加热 电阻 为 100 m 和 160 m 为 中 心 放 置 。 并在芯片 表 面进 行 一 层 Si3 N4 的 涂 层 。最 后 在 Si 基衬底上采用 KO H 刻蚀出锲形窗口 。图 1 传感器的芯片结构示意图在静止的气体流体中 ,加热电阻两边的温度呈 对称分布 ;当有一定的流速时 ,由于强迫热对流效应 使对称的温度平衡被打破 ,也就是说热量被流体带 走 ,在加热电阻的上游存在冷却效应 ,而在下游存在 温度增加 。每点处的温度变化取决于与加热元件的 距离 。图 2 为传感器表面在不同流速下空气流动中 , 加热电阻周围温 度 的二 维分 布 。从 图 2 中 可以 看 出 ,随流速增加上游 的 温度 下降 , 而 下游 的 温度 上 升 。在速度较低时 ,上游的冷却作用使温度明显下 降 ,而热量被流体带到下游而使其温度增加 ;随着流 速的增加 ,上游远端的温度出现饱和现象 ;下游的温 度也会有一定程度下降 ,与加热电阻的距离越远越 显著 ,这是由于空气流速也对所有的芯片表面有冷 却作用 ,下游测试点 离 加热 电阻 越 远 , 带 入 热量 越 少 ,升温作用越弱 ,冷却作用越显著 。从图 2 中已经 反映出来 。这种现象也被 T. S. J . L a mmeri nk 等 人发现 16 。对于加热电阻 R h 建立热平衡方程 :Ph = Qfc + Qnc + Qrad + Qc = I2 Rh( 1)h其中 , P为加热电阻的加热功率 , Q为加热电阻的hfc强迫对流 , Qnc 为加热电阻的自然对流 , Qrad 为加热电阻的热辐射 , Q传导 。c 为加热电阻通过横膈膜的横向热1传感器原理以及温度模拟1) 强迫对流可以表示为 :Qfc = hA s ( Ts - T )( 2)在理想的流体中 , 能量传输支配方程 12 :TV TcpV 9T +c pV v +- = rrr9t( 9)元体粘性耗散功率变成的热流量 。横膈膜上温度的支配方程 :92 Ts 9 T+ h A ( Ts - T f ) = cp ( 10)9r29A 为横膈膜的截面积 ,的名义热传导系数 。在稳态情况下 ,cp 9T = 0 。由于薄膜材料与体材料的9热导率存在较大的差异 ,在薄膜材料中存在较大的界面散射和晶界散射作用 ,明显减小了声子的平均自由 程 ,导致热导率有显著的下降 。金属 Pt 薄膜的厚度 为 180 nm时 ,其热导率下降到40 W m - 1 K- 1 23 ,SiO2 的 厚 度 为 5 0 0 nm 时 , 其 热 导 率 下 降 为 0 . 8 3W m - 1 K- 1 24 , 当 Si3 N4 的 薄 膜 厚 度 为 400 nm时 ,其热导率下降约为 6 W m - 1 K- 1 25 。 图 2 不同流速下 ,加热电阻周围温度的二维分布h 强迫对流换热系数 , 与空气的热传导系数 k 和努塞尔特 ( N u sselt ) 数 N i 有关 :试验结果与讨论图 3 为 Pt 电阻的实验温敏特性 ,金属 Pt 在以 内 ,理论上 其 电 阻 与 温 度 的 关 系 符 合 公 式 : , 其 中 为 0 时的电阻值 , A 一般为 24 10 - 3 / ,B 为- 4 - 6 10 - 7 / ,本试验的电阻 测 试温 度范 围 为 20150 ,其二 次 项 可 以 忽 略 , 因 此 可 以 将 电 阻的温度特性看作为线性的 。通过 在 高低 温循 环箱中测 试 了 传 感 器 芯 片 上 的 热 敏 电 阻 的 温 度 特 性 ,得出 Pt 电阻的温度特性呈现良好的线性特性 , 如图 4 所示 。2kC1 Pm m1/ 2r aA c L ) - 1/ 2 h =( )3L 为散热体的特征长度 。Pr 为普朗特数 , 对于 - 50 100 的空气 Pr = 0. 71 , Rel 为特征长度为 L 的雷诺数 ma 流过传感器的空气质量流量 ma = A c 。Qfc = kC1 Pm m1/ 2r aAc L ) - 1/ 2 A s Ts -()T (4)在强迫对流的情况下 , 自然对流可以忽略 。2) 热辐射可表示为下式 ,A s (T 4- H )( 5)Qrad=s为传感电阻 Rs 表面的总发射系数 ;为斯台芬 2 波尔 兹 曼 常 数 ,传 感 电 阻 吸 收 比 。= 5 . 6 7 1 0- 8W m- 2 k- 4 , H 为单位面积 ,单位时间的入射辐射热 。3) 横膈膜的导热 流量传感器中导热主要是加热电阻 R h 通过横膈膜向传感器电阻热传导 ,= A 9T( 6)Qc9sA 为横膈膜的截面积 , 9T 为横膈膜上的温度梯度 ,9s图 3 Pt 电阻的温敏特性试验测试值的名义热传导系数 。在流体中 , 单位体积内能量平衡关系式 :Q1 + 2 + Q3= E( 7)Q1 为以传导方式进入元体的净的热流量 ;Q2 为以对流方式进入元体的净的热流量 ;Q3 为元体粘性耗散功率变成的热流量 ;E 为元体的焓随时间的变化率 。在稳态情况下 ,E = 0 。则 :图 4 流道的实验设计示意图图 4 为流体测试实验示意图 ,空气从气罐中通 过阀门以及标准的流量控制器 ,再在测试前端经过 一段平稳段 ,进入测试部分 。图 5 为分别在实验上992 t2 tu 9t + v 9tc p= + ( 8)+22和理论上两对电阻在不同流速下的温度差 ,从图中可以看出 ,其试验值和理论值较好地吻合 。在低流 速下 ,温度差随着流速的增加而明显增加 ;但当流速 增加到一定程度时 ,温度差增加的趋势变缓 ,特别是 在远端电阻处 ,温度差几乎出现了饱和现象 。这与 横膈膜固体横向热导和与流体之间的强迫对流传热 比值有关 ,因为在横膈膜远端 ,当流速增加到一定程度 ,膜上固体与流体的温度差相对变小 ,因此强迫对 流传热也变小 ;而横膈膜上温度梯度变化不大 ,因此 该处的温度主要取决于横膈膜的固体传热 ,流速对 其影响变弱 。因此 ,放置远端处由于饱和现象的出 现使其测试范围相对缩小 。在电阻对 R1 R2和 R3 R4处 ,流速为0 . 1 m/ s 、0 . 5 m/ s 、1 . 0 m/ s 、2 . 0 m/ s 、5 . 0 m/ s 时 ,实验上其 温 度 差 分 别 对 应 为 : 0 . 5 K和 0 . 4 4 K 、1 . 8 6 K和1 . 75 K、2 . 97 K 和 2 . 8 K、4 . 11 K 和 4 . 18 K、4 . 66K 和 5 . 5 K。在低流速下 ,远端温度差变化更加显 著 。图 6 传感器输出电路原理图图 7输出电压 V 1 、V 2 和 V 与空气流速的关系V 1 、V 2 和 V 分别为两对电阻单独输出信号和叠加信号膜采用多层薄膜结构 , 增加其机械强度 , 同时保持其 较低的横向热导率 。模拟了横膈膜上温度的分布 , 分析了在不同流速下各点的温度变化 。在速度较低 时 , 上游的冷却作用使温度明显下降 , 而热量被流体 带到下游而使其温度增加 ; 随着流速的增加 , 上游远 端的温度出现饱和现象 ; 下游的温度也会有一定程 度下降 , 与加热电阻的距离越远越显著 。通过在高 低温循环箱中测试了传感器芯片上的热敏电阻的温 度特性 , 得出 Pt 电阻的温度特性呈现良好的线性特 性 。在不同流速下 , 通过对横膈膜的温度场的实验 和理论模拟 , 得到了比较一致的结论 :在低流速下 , 温度差变化比较明显 , 当流速增加到一定程度时 , 增 加趋势变缓 , 在加热电阻的远端还出现了饱和现象 , 使得流量的测试量程缩小 。分别在加热电阻上游和 下游放置两对测试电阻 , 提高传感器的精度和增加 其量程 。叠加信号电压相比单个的输出明显加强 , 单个信号的最大值为 15 . 7 mV ,而叠加后的信号增 强到 28 . 6 mV 。同时叠加后的测试量程也得到拓 宽 。图 5 实验上和理论上两对电阻在不同流速下的温度差对比3流量传感器输出电压本研究中分别在上游和下游设置了两对测温电阻 R1 / R2 和 R3 / R4 , 提高了测试精度和拓宽了测试量程 。如图 6 所示 , 为测试电阻的输出电路 , 该电路 由两个联合的惠斯通电桥组成 , 四个测试电阻分别 为该电桥的四个桥臂 , 另外两个桥臂由两个等值电 阻组成 。V 1 和 V 2 分别为两对测试电阻处的温度差 变化产生的信号 , V 为两者信号叠加的输出信号 , 均 为没有经过放大的原始信号 。图 7 为 V 1 、V 2 和 V 与 空气流速的关系 。从图中可以看出 , 叠加信号电压相 比单个的输出明显加强 , 单个信号的最大值为 15 . 7 mV , 而叠加后的信号增强到 28 . 6 mV 。同时相对于 电阻 Rs2 / Rs2 的输出信号来说 , 叠加后的测试量程 也得到拓宽 。其中 , 试验与理论的最大相对误差为7 . 8 % 。参考文献 :4结论 1 丹东 ,李巍 ,利用数据流检测时代超人空气流量计 J . 汽车维 2 Maill y F , Gia ni A , Bo nno t R , et al , A ne mo met er wit h HotPlati num Thi n Fil mJ . Sen so r s a nd Act uato r s A 94 ( 2001 ) :32238 .Nguyen N T , Micro machi ned Flo w Sen so r s2a Review J . Flo w Mea s. Inst r um. 8 :726 .彭杰纲 ,周兆英 ,叶雄英 ,基于 M EMS 技术的微型流量传感器的研究发展J . 力学进展 ,35 :3612376 .斯东浩 ,李艳松 ,基于 M EMS 技术的热式质量流量传感器 ,传 感器技术J . 49252 .Gla ni nger A , J achi mo wicz A , Ko hl F ,et al , Wi de Ra nge Se m2ico nducto r Flo w Sen so r sJ . Sen so r s and Act uato r s 2000 . 85 :1392146 .孙承松 ,李瑞 ,热式气体质量流量传感器研究与发展 ,传感器世 界J . 2005 ,10 :29232 .Buchner R , Ro hloff K , Benecke W , et al , A Hi gh2Ther mopile Fa bricatio n Proce ss fo r Ther mal Flo w Sen so r s C / / The 13t h Int er natio nal Co nf erence o n Solid2St at e Sen so r s Act uato r s a nd Micro syst e ms Seo ul , Ko rea , J une , 2005 I EE E , 5752578 . 吴克刚 ,温差式热膜空气质量流量传感器 J . 长安大学学报 ,2002 ,22 :86288 .Ratio n of Re si st a nce s J . Senso r s and Act uato r s A 114 ( 2004) : 2122218 . 15 Qi u L , O ber meier E , a nd Schubert A , A Micro senso r wit h Int er grat ed Heat Si nk a nd Flo w Gui de fo r Ga s Flo w Sen si ng Applicatio ns C / / The 8t h Int er natio nal Co nf erence o n Soli d2St at e Senso r s a nd Act uato r s a nd Euro sen so r s IX , Stock hol m , Sweden , 1995 ,5202523 . 16 Ki m Seunghyun , Ki m Sunghyun , Ki m Yo ngdu k , Choi Siey2o ung , Par k Se kwa ng , De sign a nd Fa bricatio n of a Flo w Sen so r Det ecti ng Flo w Di rectio n a nd Velocit y C / / Tran sducer s , Sol2 id2St at e Sen so r s , Act uato r s a nd Micro syst e ms , 12t h Int er na2 tio nal Co nf erence o n , 2004 ,2 : 192721930 . 17 Put t en V , A F P . a nd Middel hoek S , Int egrat ed Silico n A ne2mo met er J . Elect ro nic L et t er s , 1974 ,10 : 4252426 . 18 Va n B W , Oudheu sden , Silico n Flo w Sen so r s J . I EE Pro2ceedi ngs 1988 ,135 :3732380 . 3 4 5 6 7 8 19 J oo st W. va n Ho nscho t en , Vit al y B . Sveto vo y , Gij s J . M . Krij nen , a nd Mi ko C. El wen spoe k , Op ti mizatio n of a Ther mal Flo w Senso r fo r Aco ustic Par ticle Velocit y Mea surement s J .J o ur nal of Microelect ro mechanical Syst e ms , 2005 , 14 : 4362443 . 9 10 Ki mSeunghyun , Na m Teckji n , Pa r k Se kwa ng , Mea surement of Flo w Di rectio n a nd Velocit y U si ng a Micro Machi ned Flo w Sen so r J . Sen so r s a nd Act uato r s , 114 , 2004 :3122318 . 11 Sa bat e N , Sa nt a nder J , Fo nseca L et al , Mul ti2Range Silico nMicro machi ned Flo w Sen so r J . Sen so r s a nd Act uato r s A 110 ,2004 :2822288 . 12 Furje s P , L egradi G , Ducsl C ,et al . Ther mal Charact eri sati2 o n of a Di rectio n Dep endent Flo w Sen so r J . Senso r s and Ac2 t uato r s A 115 ( 2004) :4172423 . 13 Nguyen N T , Do tzel W , A symmet rical Locatio n s of Heat er s a nd Sen so r s Relati ve to Each Ot her U si ng Heat er A r rays : a No vel Met ho d fo r De signi ng Multi2Ra nge Elect rocalo ric Ma ss2Flo w Sen so r s J . Sen so r s a nd Act uato r s A 62 ( 1997 ) : 5062512 . 14 Na m T , Ki m S , a nd Par k S , The Te mp erat ure Co mp ensa2tio n of a Ther mal Flo w Senso r by Cha ngi ng t he Slop e a nd t he 20 H ung Shi h2Ta , Wo ng Shwi n2Chung , Fang Weileun