热隔离式MEMS气体流量传感器的设计及标定.pdf

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1、2016年仪表技术与传感器2016第8期InstrumentTechniqueandSensorNo．8热隔离式MEMS气体流量传感器的设计及标定谷永先，邬林，曾鸿江，胡娜娜，钱江蓉(中国电子科技集团公司第三十八研究所微电子封装研究中心，安徽合肥230000)、摘要：设计了一种数字输出热隔离式MEMS气体质量流量传感器，芯片加热电阻与测温电阻完全热隔离，流量值采用UART串口输出。分析了恒温差电路、上下游测温电路、HX711模数转换电路及STC15W408AS单片机电路的设计。针对制造中存在的性能差异，设计了适用于

2、批量制造的标定方法。测试结果表明：传感器具有平滑的输出特性，经过标定后，具有较高的一致性及重复性，适合于工业等领域关键词：微机电系统；数字输出；热隔离；气体质量流量；标定中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002-1841(2016)08-0018—03DesignandCalibrationofThermalIsolatedMEMSGasFlowSensorGUYong—xian，WULin，ZENGHong-jiang，HUNa—na，QIANJiang-rong(MicroelectronicsP

3、ackagingResearchCenter，the38thInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation，Hefei230000，China)Abstract：AdigitaloutputthermalisolatedMEMSgasmassflowsensorwasdesigned，thechipheatingresistorandtempera—turemeasurementresistorsweretotallythermalisolatdd，and

4、theflowvaluewasoutputtedbyUARTserialport．Theconstanttem—peraturedifferencecircuit，upstreamanddownstreamtemperaturemeasurementcircuit，HX711analog—to—digitalconversioncir-cuit，andSTC15W408ASmicrocontrollercircuitwereanalyzed．Accordingtotheperformancedifferenceex

5、istedinthemanufac—turing，calibratingmethodwhichcanbeusedinmassproductionwasdesigned．Theexperimentshowsthatthesensorhasasmoothoutputcharacteristic，andhighconsistencyandrepeatabilityaftercalibration，SOitissuitableforindustrialfieldsandSOon．Keywords：MEMS；digitalo

6、utput；thermalisolated；gasmassflow；calibration0引言定数据，计算出气体的质量流量数值并采用串口基于热式原理的气体质量流量传感器．无需额外输出。的温度及压力传感器，即可直接测量气体的质量流1MEMS芯片结构及工作原理量[1]在测量气体质量流量的应用中，具有系统简单MEMS芯片包含4个铂电阻(环境电阻R、上游可靠，生产成本低的优点。随着MEMS技术的发展，测温电阻R加热电阻R以及下游测温电阻R)，如由铂电阻丝构成的传统热式气体质量流量传感器，逐图1所示。步被功耗低、灵敏度高、

7、响应快、易批量生产、体积小环境电阻R。加热电阻R的MEMS传感器所取代[2J。上游测温电阻游测温电阻R本文介绍一种数字输出热隔离式的MEMS质量流量传感器．测温电阻与加热电阻之间完全热隔离．加热电阻产生的热量只能通过气体传导到测温电阻。这种结构能够进一步提高传感器的响应时间及灵敏度lJ’4]。采用低失调电压，轨到轨运放AD8628构成恒温差电路，24位模数转换芯片HX711对温差测量电桥的微小电压进行放大及模数转换。STC15W408AS微控制器根据模数转换结果及EEPROM中存储的标图1传感器芯片结构环境电阻测量

8、流人气体的温度，用于对加热电阻收稿日期：2016—04—08进行温度补偿从而形成恒温差电路，其余电阻通过正第8期谷永先等：热隔离式MEMS气体流量传感器的设计及标定19面湿法腐蚀形成相互隔离的悬空结构，间隔240m。的温度系数，实验测得数据为2．4x10～／K；R为环境这种完全悬空热隔离的结构相对于3根电阻处于同一电阻在0oC时的电阻：△为温差。取40K。薄