MEMS流量傳感器的發(fā)展歷史與原理

發(fā)布時間：

2024-07-19

概要

Part.1

發(fā)展歷史

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微電子機械系統(tǒng)）流量傳感器的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀50-60年代，隨著集成電路芯片的出現(xiàn)，人們開始探索在芯片上制作微小機械結(jié)構和系統(tǒng)的可能性。這種利用半導體材料制作電子與機械結(jié)構的思想，為MEMS技術的誕生奠定了理論基礎。

在1980年代，隨著微加工技術的進步，各類MEMS器件如震動傳感器、流量傳感器、打印頭等被成功研發(fā)。進入1990年代，美國明確提出了MEMS的概念，并推動了該技術的快速增長。21世紀后，MEMS技術得到了飛速發(fā)展，應用領域不斷擴大，已成為一個多億美元級的新興產(chǎn)業(yè)。

在MEMS流量傳感器的發(fā)展過程中，經(jīng)歷了多次技術革新和產(chǎn)業(yè)浪潮。特別是在汽車行業(yè)、消費電子產(chǎn)品的推動下，MEMS流量傳感器得以廣泛應用并不斷優(yōu)化。如今，MEMS流量傳感器已成為氣體流量測量領域的重要設備，其性能不斷提升，成本逐漸降低，應用領域持續(xù)擴大。

Part.2

工作原理

MEMS流量傳感器是一種基于微電子機械系統(tǒng)技術的流量測量設備，通過測量流體通過傳感器時產(chǎn)生的物理效應來確定流量。根據(jù)測量原理的不同，MEMS流量傳感器可分為多種類型，其中最常見的是壓差式MEMS流量傳感器和熱式MEMS流量傳感器。

1. 壓差式MEMS流量傳感器

壓差式MEMS流量傳感器通過測量流體通過傳感器時產(chǎn)生的壓力差來測量流量。其工作原理如下：

傳感器結(jié)構：壓差式MEMS流量傳感器通常由兩個或多個微型通道組成，其中一個通道稱為“探測通道”，另一個通道稱為“參考通道”。這些通道之間通過微小孔隙或微型閥門連接。
流體進入：流體進入傳感器后，分流到探測通道和參考通道。
壓力差產(chǎn)生：流體通過探測通道時，由于通道的幾何形狀和流體的速度，會產(chǎn)生一定的壓力降。而參考通道則相對較為平緩，壓力較低。
壓力傳感器：探測通道和參考通道的兩端分別安裝了壓力傳感器，用于測量通道兩端的壓力差。
壓力差轉(zhuǎn)換：傳感器將測得的壓力差轉(zhuǎn)換為電信號，通過處理電路進行放大和濾波，然后輸出。
流量計算：根據(jù)已知的傳感器特性和流體力學原理，使用計算公式將壓力差轉(zhuǎn)換為流體的流量。

壓差式MEMS流量傳感器的優(yōu)點是結(jié)構簡單，制造成本低，響應速度快。然而，它對流體的粘度和密度變化較為敏感，需要進行定標和校正以獲得準確的流量測量。

熱式MEMS流量傳感器

熱式MEMS流量傳感器則利用流體通過傳感器時的熱傳導效應來測量流量。其工作原理如下：

傳感器結(jié)構：熱式MEMS流量傳感器通常由兩個或多個微型熱敏電阻（RTD）組成，這些電阻被制造在微型通道中，與流體接觸。
加熱元件：其中一個電阻作為加熱元件，通過加熱產(chǎn)生一定的溫度差。
測溫元件：其他電阻作為測溫元件，用于測量流體通過傳感器時的溫度變化。
熱傳導：流體通過傳感器時，溫度差會導致熱量傳導到流體中，使測溫元件的溫度發(fā)生變化。
電阻變化：測溫元件的電阻隨溫度變化而變化。通過測量電阻變化，可以確定流體的流量。
電路處理：傳感器將測得的電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，通過處理電路進行放大和濾波，然后輸出。
流量計算：根據(jù)已知的傳感器特性和熱傳導原理，使用計算公式將電阻變化轉(zhuǎn)換為流體的流量。

熱式MEMS流量傳感器的優(yōu)點是對流體的粘度和密度變化不敏感，適用于多種流體。然而，它對傳感器的加熱功率和溫度測量的精度要求較高，需要進行定標和校正以獲得準確的流量測量。

Part.3

總結(jié)與展望

MEMS流量傳感器作為微電子機械系統(tǒng)技術的重要應用之一，在氣體流量測量領域發(fā)揮著重要作用。隨著技術的不斷進步和市場的持續(xù)擴大，MEMS流量傳感器的性能將不斷提升，成本將進一步降低，應用領域也將更加廣泛。未來，MEMS流量傳感器將與其他前沿技術如5G、人工智能等充分結(jié)合，開拓更多新的應用場景，為工業(yè)和社會的發(fā)展做出更大貢獻。

Part.4

青島芯笙熱式MEMS技術

青島芯笙微納電子科技有限公司產(chǎn)品采用MEMS芯片原理，以MEMS技術為基礎，基于有限元仿真尺寸優(yōu)化，采用靈敏度高的懸膜結(jié)構，并沉積半導體涂層以提高芯片可靠性。MEMS熱溫差式流量傳感器是以托馬斯提出的“流體的放熱量或吸熱量與其質(zhì)量流量成正比”的理論為基礎的，利用氣體流動過程中微加熱器兩側(cè)的溫度場分布來反演流量大小，區(qū)別于毛細管結(jié)構或差壓結(jié)構等大壓損流道設計，以直通型流道結(jié)構設計實現(xiàn)前所未有的超低差壓控制。

利用壓電膜片的形變對流量進行精確控制，制作工藝簡單，降低成本，又能測量到非常微小的流量變化，提高了質(zhì)量流量控制器的測量精度，可以更好的把控生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

優(yōu)勢：

①MEMS芯片信噪比更高，芯片熱容和熱響應遠小于毛細管原理的同類產(chǎn)品，響應速度更快，量程比更優(yōu)；

②利用測溫元件進行氣體流量監(jiān)測，成本低，損壞后可單獨更換元件，有利于降低維護成本。

③抗污染能力強，MEMS MFC不存在毛細管堵塞問題（甚至不需要過濾網(wǎng)）。
④采用片上溫補冗余設計，具有極低溫漂系數(shù)，確保0-50℃內(nèi)的誤差均能保持在±1%FS以內(nèi)。