中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近期，伊朗烏爾米亞大學(xué)（Urmia University）聯(lián)合香港科技大學(xué)的研究團隊提出了一種新型MEMS熱式流量傳感器，旨在實(shí)現寬氣體流速范圍的高靈敏度和線(xiàn)性度。該傳感器采用單個(gè)微加熱器，并將兩對熱敏電阻對稱(chēng)排布在加熱器周?chē)?，同時(shí)策略性地布置障礙物以提高其性能。為了確保在不同流量條件下的準確性，該傳感器被分為兩個(gè)功能區域：一個(gè)區域針對低流速（0 – 1 m/s）優(yōu)化，另一個(gè)區域針對高流速（1 – 6 m/s）優(yōu)化。這種雙區域設計凸顯了傳感器在處理寬流速范圍時(shí)的靈活性，使其適用于醫療、工業(yè)和環(huán)境監測等應用領(lǐng)域。這項研究以“A Dual-Region MEMS Thermal Flow Sensor with Obstacle-Enhanced Sensitivity and Linearity Across Wide Velocity Ranges”為題發(fā)表在Electronics期刊上。
在MEMS熱式流量傳感器設計中，實(shí)現高靈敏度和線(xiàn)性響應仍是一項重大挑戰。一種有效的解決方案是在氣體流動(dòng)路徑中引入障礙物。這種方法降低了傳感器附近的氣體流速，從而延長(cháng)了氣體與受熱表面之間的相互作用時(shí)間，進(jìn)而提升了熱傳遞效率。因此，傳感器對氣體流量的微小變化的靈敏度得到了顯著(zhù)提高。此外，優(yōu)化關(guān)鍵設計參數（例如調整加熱器與傳感器之間的距離、縮短加熱器長(cháng)度、優(yōu)化傳感器幾何結構），對提升響應線(xiàn)性度起著(zhù)至關(guān)重要的作用。圖1展示了本研究所提出的MEMS熱式流量傳感器結構。
圖1 具有兩對熱敏電阻的MEMS熱式流量傳感器的三維結構示意圖
圖2展示了MEMS氣體流量傳感器的工作原理。在無(wú)氣體流量狀態(tài)下，加熱器作為唯一熱源，由于缺乏氣體促使熱量傳遞，產(chǎn)生的熱量均勻地分散到周?chē)h(huán)境。相反，當氣體流動(dòng)時(shí)，氣體通過(guò)加熱器增強對流熱量傳遞，導致加熱器溫度降低。隨著(zhù)氣體流速的增加，更多熱量被帶走，導致上游與下游傳感器之間存在明顯的溫差。這種溫差被轉換成電信號，并表現為與氣體流量成正比的輸出電壓。這種機制反映了該傳感器的工作原理，即輸出電壓的變化與氣體流速直接相關(guān)，從而實(shí)現對流量的準確測量。
圖2 MEMS氣體流量傳感器的工作原理流程圖
在MEMS熱式流量傳感器結構中加入障礙物會(huì )顯著(zhù)改變傳感器附近的氣體流動(dòng)行為。當高速氣流經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，障礙物能有效降低氣流速度。這種氣流速度降低可使氣流與加熱器保持更長(cháng)時(shí)間的接觸，從而促進(jìn)傳感器的熱傳遞效率。研究人員對有障礙物和無(wú)障礙物的MEMS熱式流量傳感器的靈敏度進(jìn)行了模擬和分析，相關(guān)結果如圖3所示。
圖3 對有障礙物和無(wú)障礙物的MEMS熱式流量傳感器的靈敏度進(jìn)行了模擬和分析
如圖4所示，模擬結果表明，障礙物的設計不會(huì )在傳感器工作區域內引發(fā)湍流或氣流擾動(dòng)。氣流保持平穩，而障礙物主要增強了氣體與受熱表面之間的熱相互作用。這種設計在不影響其準確性的前提下，提升了傳感器對流量測量的靈敏度。
圖4 通道內存在障礙物時(shí)氣體流量分布的模擬圖
該MEMS熱式流量傳感器采用惠斯通電橋讀出法設計了讀出電路，如圖5所示。
圖5 MEMS熱式流量傳感器的讀出電路設計
綜上所述，這項研究提出了一種新型MEMS熱式流量傳感器，旨在實(shí)現高靈敏度、高線(xiàn)性度和低功耗。傳感器的線(xiàn)性度對其整體性能至關(guān)重要，對傳感器的靈敏度和準確性均有顯著(zhù)影響。在該傳感器設計中引入障礙物對提升線(xiàn)性度具有顯著(zhù)效果。具體而言，傳感器包含兩個(gè)優(yōu)化區域：優(yōu)化低流速傳感區域以及優(yōu)化高流速傳感區域。這項研究凸顯了雙區域設計和障礙物集成的優(yōu)勢，為多樣化條件下的精確流量測量提供了可靠的解決方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/electronics14112128
