摘 要：介紹了多參量MEMS氣體質量流量計的原理、性能和應用。該流量計采用MEMS流量芯片作為一次傳感的核心部件。并配以專門的低功耗二次智能儀表，具有超大量程、微功耗、無壓損、小流量靈敏、響應時間快及易于遠傳和網絡化管理等優點，相信該流量計會有很廣闊的應用前景。

關鍵字：多參量 低功耗 智能儀表

    1 各類流量計的發展

    氣體流量計量技術也是始于機械技術。從現代流量計量技術的角度來看，氣體流量計量技術的發展可以以20世紀50年代作為分水嶺，50年代前的技術可稱之為傳統流量計量技術，而50年代以后的技術稱之為現代流量計量技術，80年代后期發展起來的電子技術則代表當前計量技術的發展方向。這兩種技術盡管經過了長期的實際使用驗證，有著其相應的優點，但其缺點也是十分明顯的。以上個世紀20年代即用于天然氣輸氣干線上的節流式孔板流量計而言，無論是早期的分體化或現在的一體化構造，其突出優點是結構簡單，性能穩定可靠，但其量程狹窄，一般不超過5:1，并且壓力損耗大，影響其精度的因素繁多，其輸出信號為模擬信號，重復性也較差。渦輪流量計雖然在精度、重復性和量程方面都較孔板流量計有了很大的提高。但由于渦輪不斷地轉動造成軸承磨損，從而其精度不易長期得到保證。此外，管道內流體的流動特性乃至流體的物理特性的變動都會對其測量精度產生很大的影響。容積式流量計（膜式，橢圓齒輪式及腰輪式流量計）的量程范圍較寬，最大可達到150:1，且相對而言計量精度也較高，無需外接能源，安裝條件及氣體的質量對流量計的工作都無太大的影響，但由于氣體具熱漲冷縮的溫度效應，因而溫度效應造成的誤差往往遠大于其標準的精度。同時單一容積量測不能區分氣體的差異，這使得公平貿易難以實現。另外，因其主要部件為固定大小的氣體容積室，使得其體積龐大。目前在工業發達國家中，容積式的流量計的使用特別是容積式商用表的使用比例已呈逐年下降的趨勢。由于上述計量技術均為機械技術，為適應當代數據傳輸和管理的需要，在其應用中各類相應功能的電子附件（通常稱之為二次裝置，如機電轉換器、電子顯示、電子管理系統等）也成為了必不可少的配件，但與此同時其成本也大大提高。

    現代氣體流量計量技術的代表是科里奧利質量流量計、熱質量流量計（也稱為“熱絲”或熱線式質量流量計）、超聲波流量計和振動式流量計（如渦街流量計等）。在這些流量技術中，機械技術的成份越來越少，電子技術的成份越來越多。同時對氣體的測量更注重于其質量的計量，而不僅僅是測量其容積。而美國早在1978年就通過了法令，規定天然氣的貿易以天然氣的實際能量含量作為貿易標準，用戶按標準的熱值來付費。在上述流量計中，科里奧利質量流量計精度較高，但若流體的密度不大（如小流量的氣體）則往往無法測量。渦街流量計壓力損耗小，量程較寬及精度高，但在流量計兩側的直管段必須較長，對小流量或低雷諾數的流體測量誤差較大。超聲波流量計在氣體計量中的應用是自上個世紀90年代以來發展最快的一種技術。超聲波流量計是全電子式的，很容易與當代的通信技術或網絡管理技術相結合。它的特點是精度高、無壓力損耗、量程寬。目前超聲波流量計應用的主要障礙是穩定超聲波發射器的制造難度較高，其成本，特別是小流量計的成本遠高于類似的機械技術產品。

    熱質量流量計也是近年來發展較快的一項產品。特別是伴隨半導體工業的發展，生產過程中所用氣體的質量計量的要求越來越高，熱質量流量計以其直接測量流體的質量流量，特別是對小流量的氣體的靈敏度較高而得到了越來越多地應用，其技術水平也得到了長足的進步；同時，質量流量計量也是氣體公平貿易的一個重要指標。然而，雖然其原理簡單，并且多年來有過各式各樣的產品，但由于其穩定性、零點漂移、一致性差、功耗大等原因，它的應用也受到了諸多的限制^[3]。

    2 MEMS流量芯片計量技術

    MEMS技術是指在芯片大小的范疇內，采用現代加工工藝和材料生長及合成技術制造的具有機械、電子及其他物理特性的微系統。大多數的MEMS雖其工藝遠未達到標準化，主要工藝仍是構筑在硅片上的，因而這一類的產品也稱之為“MEMS芯片”。MEMS芯片應用于流量計量至今已有近20年的歷史，所采用的原理有多種形式，如壓電原理、科里奧利原理、杠桿原理等。但較為成功且目前在市面上有產品出售的多為利用“能量平衡”也稱為“熱分布式”的熱質量流量計的工作原理。流體的質量與流速直接與傳感器上的溫度場的變化相關聯。傳統的傳感器一般是在特制的細小陶瓷忖桿上用鉑電阻絲繞制成傳感器核心，再用陶瓷覆蓋經燒結為傳感器。這一工藝技術常常難以保證傳感器的電阻值的一致性，從而導致傳感器在各個法線方向熱傳導速度的差異。因而在傳感器的調校及使用過程中的產品穩定性上都存在問題。并且，由于一致性是熱質量流量計的重要標志之一，因而在實際應用中的熱質量流量計的價格都十分昂貴，大規模應用是無法達成的。而MEMS芯片技術是采用了大規模集成電路的工藝，保證了傳感器的高度一致性，從而解決了這一方法的根本問題。另外，MEMS芯片的功耗大大小于普通的熱質量流量計，因而其安全性能更好。同時，大規模集成電路的工藝使得集成多個傳感器于一體，制作超大量程的流量計成為可能，也為低成本和廣泛使用創造了條件。目前，MEMS芯片流量傳感器已應用于醫療儀器、通風控制、工業氣體流量控制等多個領域。

    圖1是MEMS流量芯片應用于氣體的測量原理示意圖及一個典型的MEMS流量芯片的掃瞄電子顯微鏡照片。在該芯片上，一個微熱源及分別處于微熱源上下游的溫度傳感器集成在采用MEMS的特有工藝制作的鏤空“橋”面上。采用這樣的橋式方法制作有利于熱傳導，使其動態響應時間大大提高，從而提高其測量流量的靈敏度。當傳感器工作時，微熱源與環境溫度之間保持一定的溫差（通常在100℃左右），在芯片周圍形成固定的溫度場分布。如氣體是單向流動，則氣道中的溫度場可用下述公式來計算^[5~6]：

    式中：x為氣體流動方向；v為速度；α為擴散率。

    

    從圖1可以看到，當氣體流過芯片時將會帶走熱量，使得芯片的溫度場發生變化。氣體的流速越快，帶走的熱量越多；同樣，氣體的密度越大，帶走的熱量也越多，因而，MEMS流量芯片的測量基于氣體流速的氣體質量流量。芯片所能探測到的氣體的流量范圍取決于芯片上微熱源的溫度及傳感器的具體設計。不同設計的傳感器將可以測量到不同流量范圍的氣體。另外，有別于通常的熱質量流量傳感器，為進一步減少環境溫度對測量的影響，在微機電系統流量芯片上，溫度場的變化由兩個傳感器所測到的溫度差來決定，從而使得環境溫度的變化對測量的結果幾乎無影響。十分明顯，采用這種方式制作的流量計，傳統機械流量計中的壓力損耗問題將不復存在。

    3 多參量MEMS流量計

    目前國際上采用MEMS技術生產流量芯片的幾個廠家中，所生產的芯片只能用于小流量的測量如表1所示，其應用大多集中在醫療和半導體工業行業。日本的山武公司是最早提供大流量流量計產品的公司，但由于其芯片本身的設計原因，其流量計的測量精度、可靠性及量程比都不能與傳統的機械流量計相比，因而其應用也受到了極大的限制。

    由美國矽翔公司自主設計、開發和生產的MEMS芯片與現有的其他生產MEMS流量芯片的廠家相比，采用了更為優良的工藝和集成化，除了集成多個流量傳感器，極大地增強了流量測量范圍外，還可以提供溫度和壓力的參數；同時，在同一芯片上還可集成高靈敏度的氣體濃度傳感器，從而實現了多參數的流量芯片技術。壓力傳感器采用目前市場上常用的壓電傳感的原理，用相同的MEMS工藝完成。流量芯片的測量原理仍采用“能量平衡”的原理，在微熱源的上下游集成多個溫度傳感器來探測由于氣體流動帶來圍繞傳感器周圍的溫度場的變化。特別設計并集成在同一芯片上的環境溫度傳感器一方面可以測量氣體的溫度；另一方面也為流量的測量提供參考及反饋控制，使得微熱源能保持常量。這樣，流量芯片將不會因為氣體流速過快而達到飽和。在流量芯片特別在芯片的設計和封裝上開發了一系列專利技術，使得芯片在防水、防潮以及防止導電雜質等方面都得到了保障。表1為主要MEMS流量芯片生產廠家的芯片性能比較表。

表1 芯片性能對比

MEMS流量傳感器廠家	流速范圍	量程比	流量計功耗
美國霍尼威爾	0.06~6.50m/s	1:100	50mW
日本山武	0.15~1.20m/s 1~22m/s	1:8/1:20	>1000mW
瑞士紳昂傳感	1.20~12m/s	1:10	>450mW
荷蘭圖威	0.50~6m/s	1:12	>500mW
美國矽翔	0.01~65m/s	>1:1000	>20mW

    表中霍尼韋爾僅限傳感器。

    美國矽翔公司用該芯片作為一次傳感的核心部件開發的產品目前已應用于多個不同的領域。其中FS1000/2000系列的傳感器提供防水防潮的封裝，具有自動變量程切換和雙向測量的功能，應用于呼吸機和麻醉機；MF1000系列的流量計應用于自來水廠中氯氣的監控及制造廠生產線上壓縮空氣的測控；FS4000系列的產品應用于氧氣機的流量和濃度的測量，可在測量空氣的流量的同時測量空氣中氧氣的濃度變化并同時提供氣體溫度的數據。其他的應用包括在樓宇自控中采用插入式的方式測量氣道中的氣體流速和燃料電池中用于燃料的氣體或液體的流量測量和管理。

    用MEMS芯片作為一次傳感核心部件并配以自主開發的智能低功耗儀表電路而制造的氣體質量流量計與傳統的熱質量流量計相比，其顯著的特點在于其超低的功耗和優良的零點穩定性，特別是極高的小流量靈敏度和準確度。從而從根本上變革了熱質量流量計的技術，提供了具有實質意義的超大量程的氣體質量流量計。當前國際上知名熱質量流量計廠家所生產的流量計的主要性能比較如表2所示。

表2 產品性能比較

廠家	型號	測量精度	量程比	功耗
FCI	ST98L	±(1%+0.5%FS)	100:1	7W
Sisrra	780S Hat-Trak	±(2%+0.5%FS)	<100:1	12W
Fox Thermal	10A	±(0.75%+0.5%FS)	100:1	18W
ABB	FMT200-D	±(1.8%+0.05%FS)	100:1	15W
美國矽翔	MFM-系列	±(1.5%+0.15%FS)	>300:1	20W

    表2的數據表明，MEMS氣體質量流量計對于氣體計量而言在技術上有很大的變革意義。就當前的進展，MEMS技術大多限于相對純凈的氣體測量，在液體及其它如煙道氣中尚不能與傳統的熱質量流量計相比，還有極大的進步空間。

    4 結束語

    氣體熱質量流量計的優點是對氣體質量的量度，能夠有效地對生產用氣過程進行管理，提高產品的質量，已越來越多地受到生產廠家的重視；另一方面，經過對標準氣體調校后，其測量值易于轉換為熱值量，從而使得按氣質計量和貿易成為可能。

    MEMS芯片流量計的裝配、生產、調校、測試也較傳統流量計的相應生產工序簡單許多，調校和測試均可自動完成。加之由大規模集成電路工藝類似的生產線上生產出來的MEMS芯片的成本將隨著產品產量的增加而大大地降低。可以預期，隨著市場與用戶的不斷反饋，對控制電路與MEMS芯片集成化的進一步強化，MEMS氣體流量計將會得到越來越廣泛的應用。

    參考文獻

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