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
0 引言
基于热式原理的气体质量流量传感器，无需额外的温度及压力传感器，即可直接测量气体的质量流量[1]。在测量气体质量流量的应用中，具有系统简单可靠，生产成本低的优点。随着MEMS技术的发展，由铂电阻丝构成的传统热式气体质量流量传感器，逐步被功耗低、灵敏度高、响应快、易批量生产、体积小的MEMS传感器所取代[2-3]。
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[1,4]。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中存储的标定数据，计算出气体的质量流量数值并采用串口输出。
1 MEMS芯片结构及工作原理
MEMS芯片包含4个铂电阻(环境电阻Rr、上游测温电阻Ru、加热电阻Rh以及下游测温电阻Rd)，如图1所示。
图1 传感器芯片结构
环境电阻测量流入气体的温度，用于对加热电阻进行温度补偿从而形成恒温差电路，其余电阻通过正面湿法腐蚀形成相互隔离的悬空结构，间隔240 μm。这种完全悬空热隔离的结构相对于3根电阻处于同一薄膜上的结构，加热电阻的热量只能通过气体传导至上下游测温电阻，从而避免薄膜热传导引起的热量损失，提高气体流量的检测响应速率及灵敏度。
环境电阻和加热电阻构成恒温差电路，即加热电阻的温度总比流入气体的温度高出一个恒定数值，由于上下游测温电阻对称地分布在加热电阻两边，当气体的流量为零时，加热电阻形成的温度场使得上下游测温电阻具有相同的温升；当气体流量不为零时，上游电阻的温升较小，下游电阻的温升较大，根据测温电桥的输出电压可以得出流量值。
2 系统设计
根据上述原理设计了数字输出热隔离式MEMS气体质量流量传感器系统，结构框图如图2所示。主要由恒温差电路、上下游测温电路、模数转换电路、单片机电路组成。
图2 系统结构框图
2.1 恒温差电路
恒温差电路的基本构成如图3所示, Ra，Rb，Rc为外部安装于PCB板上的电阻，与芯片上的Rr和Rh一起经过运放AD8628形成反馈回路。
图3 恒温差电路
AD8628采用单电源供电，具有1 μV低失调电压以及轨到轨的输入输出特性，根据运放的虚短虚断特性，可以设计出合适的外部电阻取值，使电路实现恒温差。恒温差的条件为[5]：
Ra/Rb=Rr/Rh
Rc=αRr0ΔT
式中：α为薄膜铂电阻的温度系数，一般低于铂体材料的温度系数，实验测得数据为2.4×10-3/K；Rr0为环境电阻在0 ℃时的电阻；ΔT为温差，取40 K。
2.2 上下游测温电路
上下游测温电阻构成的惠斯通电桥，如图4所示。R1与R2为安装于PCB板上的外部电阻，取相同的阻值。阻值过小会导致Ru与Rd流过的电流较大从而引起自身发热；阻值过大会导致电桥的输出电压过小而降低信噪比。施加在电桥上的电压为3 V，R1与R2都取3 kΩ，R3为1.5 kΩ。
图4 上下游测温电路及模数转换
2.3 HX711模数转换电路
HX711是24位模数转换芯片，集成了稳压电源，配置少量的外部元件可直接向外部传感器提供电源，图4电桥上所加的3 V电压即由HX711提供。输出速率可以设置为10 Hz和80 Hz。文中采用10 Hz，满足流量计的输出速率要求。内部集成了低噪声可编程放大器，A通道可编程增益为128或64，B通道可编程增益为32，可以对上下游测温电路的输出电压进行放大，根据输出电压范围，采用A通道64倍增益。输入共模电压范围需要高于地电压1.2 V，低于电源电压1.3 V，所以图4中R3的作用是使差分电压的共模电压提升到合适的范围。
2.4 STC15W408AS单片机电路
STC15W408AS单片机是增强型8051单片机，具有8 K字节的程序存储空间以及512字节的SRAM。内部集成了512字节的EEPROM，利用在应用编程IAP技术将与程序空间分开的一块Flash空间当成EEPROM，可以用来保存标定数据。程序采用UART串口烧录，方便更新升级。流量值也采用UART串口直接输出数字量，无需再次进行模数转换，使用方便。
2.5 管道结构
传感器的整体结构如图5所示，管道采用开模注塑工艺，长度105 mm，接口内径5 mm，逐渐扩宽到内径12 mm，又逐渐收窄到中间的8 mm内径区域，芯片置于此区域管道的侧壁。这种文丘里结构，可以起到稳定气流的作用。管道内部加入了过滤网，既具有防尘的作用，又具有进一步稳定气流的作用。
图5 传感器管道结构
3 标定方法
多种因素可以导致流量传感器之间的性能差异，如芯片之间阻值，芯片装配到管道中的位置等，所以流量传感器都需要标定。传感器标定装置如图6所示。压缩空气通过气流稳定器进行稳流，通过气流稳定器的旋钮调节流量，待标定的流量传感器与商业流量传感器气路串联。从零流量开始，每次调节一个流量点，单片机获取HX711输出的模数转换值，通过串口传输到上位机。上位机同时采集商业流量传感器输出的流量值，采集到多个流量点的数据后，进行数据拟合，上位机的数据采集与数据拟合采用MATLAB完成。
图6 传感器标定装置
图7是流量传感器的输出特性曲线，输出曲线比较平滑。数据拟合完成后，对A/D值均分之后，获取拟合曲线上相应的流量值连同A/D值的均分步距一同存入单片机的EEPROM。标定完成后，单片机根据A/D值，再通过查表的方式推算出流量值。这一标定方法可以同时标定多个传感器，只需将多个传感器进行气路串联，上位机通过多路选择电路获取多个待标定传感器的A/D值。
图7 流量传感器输出特性曲线
根据以上的标定思路，可以设计出单片机的程序流程，单片机上电之后，如果串口接收到标定命令及数据，则将标定数据存入EEPROM；如果还没有标定，则串口输出A/D值，用于传输给上位机；如果已经标定，则查表输出流量值。
4 结束语
设计了数字输出型热隔离式MEMS气体质量流量传感器，给出了硬件及标定系统的设计方法。传感器能够测量0～20 L/min的气体流量，系统简单、成本低、使用方便，已在家用制氧机行业得到初步应用。
