MEMS技术在智能燃气计量中的应用及发展趋势

时间:2019-07-10 17:15来源:www.winsensor.com 作者:郑州炜盛科技 点击:

导读:MEMS是Micro-electro-mechanical-Systems的英文缩写,用硅做的比较多。它是经过光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微机电加工等工艺加工制作的高科技电子机械器件。

 

01、国内外MEMS流量检测芯片介绍

MEMS热式流量检测原理

MEMS 流量检测芯片由两个温度传感器和一个加热器组成,温度传感器对称地分布在加热器的上、下游,加热器和温度传感器处于一个隔热底座上。

加热器对温度传感器进行加热,当流体静止时,加热器两侧对称位置的温度相同,两个温度传感器测量出的温度没有差别。当流体从右向左流动时,等温线向左侧倾斜,加热器两侧对称位置的温度不再相同,两个温度传感器感测出的信号也不再相同。流体流速越大上下游温差也就越大。

通过测量上下游温度传感器的温差信号即可测量流体的流速,当管道截面积一定时,不同的流速即代表不同的流量。由于流体的传热只与流体质量和流体的热容有关,因此传感器可直接测出流体质量流量,有时也称此原来的传感器叫热式质量流量传感器。

 

 

国外MEMS流量检测芯片

 

霍尼韦尔是 MEMS 热式流量检测发明人,他们采用微桥隔热结构,铂电阻加热和测温技术,陶瓷 PCB 工艺。采用微桥隔热结构可以大幅减小加热器的加热功率,比传统热式流量加热功率低1到2个数量级。

霍尼韦尔流量芯片绑定点没有采用环氧胶保护,在检测不清洁气体流量时污染物会粘附电极上,可能会产生电极间漏电造成传感器异常。

微桥结构结构为了降低传感器功耗,一般把热膜厚度做的只有微米级厚度,这样就会存在结构强度低问题,霍尼韦尔规定每秒流量变化率不大于 6L/S,否则会造成传感器损坏。

 

 

日本山武,原来叫日本雅马哈,他们 MEMS 流量检测芯片在微桥上做了一些加强,可以改善气流冲击造成的检测部件损坏,他们加热器及测温传感器采用金属铂。

 

 

下面这个是郑州炜盛的 MEMS 流量检测芯片,它采用多孔硅隔热技术、多晶硅加热器及热偶堆测温传感器。

多孔硅隔热技术既能实现很好的绝热性能又具有结构强度大优点。

多晶硅加热器相比铂加热器工艺成本更低,更适应于大批量使用。

热偶堆测温无需偏置电压,不存在偏置漂移现象,使用性能更稳定。

流量芯片两侧预留点胶位,可以进行点胶保护避免气体杂质损坏传感器。

 

 

已面世的MEMS燃气表

 

 

02、燃气检测领域对MEMS流量芯片技术要求

耐脏污要求:

目前已有很多企业已经研发出 MEMS 燃气表,但并未见市场上有大量推广。首先一个问题就是燃气表耐脏污的问题,国内的天气热比国际的要脏很多,即使产品在实验室测试都没有问题,但在真正运用到实际中,在某些特殊地区有些表使用半年就不准了,因为天然气内的杂质敷着在MEMS流量检测芯片上,造成了输出信号漂移从而影响了燃气表精度。

提高耐污要求主要有以下几方面:

第一:芯片表面要足够光滑,表面光滑脏污不容易敷着,悬臂梁隔热结构的流量芯片因为需要做背腔隔热表面有凹坑,用于燃气检测性能稍差;

第二:MEMS流量芯片封装设计要平整,表面不平脏污会在凹陷处堆积影响燃气表性能;

第三:流道设计,因为脏污为固体一般比气体密度大,通过特殊的流道设计可以让脏污不通过 MEMS 流量检测芯片,从而大大延长使用寿命。

功耗要求:

根据JJG577-2012要求,燃气表寿命不低于6年,MEMS燃气表寿命应比这个长或接近于此标准,因为 MEMS 流量检测芯片需要耗电,过大的功耗会导致产品成本的升高及体积的增大,所以对 MEMS 流量检测的功耗就提出了要求;

降低功耗主要有以下几方面:

第一:脉冲加热。因为 MEMS 流量检测响应时间很快,可以达到毫秒级,而燃气流量一般工矿相对稳定,所以平时可以 1 秒、5 秒甚至或更长时间检测一次,检测到流量后再把检测时间缩短以提高检测精度。通过脉冲加热可以把功耗降低到原来的十分之一甚至百分之一,达到到微瓦级;

第二:MEMS隔热及热感应灵敏度提高。为了保证恒定的加热温度,隔热效果好坏直接决定了加热功率的大小,从而影响传感器的功耗。在相同的温差信号下热感性灵敏度越高就需要加热器功率越低,设计高敏感度的温度传感器可以明显降低加热功率,从而降低整体功耗;

第三:信号调理电路性能提高。信号调理电路对功耗影响相对较小但也不容忽视,好的信号调理电路可以降低 50%以整机上功耗。为了获得一定的信号灵敏度需要信号调理电路具有较大的增益,由于生产工艺存在离散性传感器零点及灵敏度存在差异,有时流量信号灵敏度还没有传感器零点离散型大,为了避免放大造成信号失真就无法选用加大增益。通过一定的技术手段降低零点差异,就可以对信号进行大增益放大,从而降低功耗。

 

03、未来发展趋势

智能化:

①大流量、小流量报警关阀。膜式燃气表为机械结构,单机械结构基表无法实现一些智能功能。基于MEMS流量检测技术的燃气表为电子技术产品,因采用电子技术很容易集成一些实用的智能功能,如燃气管破裂导致的管道流量过大,此时燃气表检测到远远超出量程时自动切断燃气管道,避免泄露产生的事故;因基于MEMS流量检测技术的燃气表始动流量小,可以达到量程的千分之一,这个性能大大超过传统膜式燃气表,在一些阀门使用时间过久或其他原因导致的轻微泄露时很容易检测到,并采取必要的措施。

②加入气体组分检测。因不同气体介质的密度及热容不同,MEMS热式流量检测技术很容易实现组分检测及判断。加入组分判断可以避免用户向燃气表反向通入空气使燃气表翻转偷气,还可以根据组分不同实现热值计量,使燃气计量上升一个新台阶。

集成化:

流量检测和信号处理电路、显示驱动、无线联网集成单芯片。目前大部分MEMS流量检测芯片与传统的COMS工艺兼容性不好无法实现简单集成,这造成整机成本高。

目前业界瑞士盛世瑞恩、郑州炜盛、无锡美芯等厂家已能在标准COMS工艺下做MEMS流量检测芯片和信号调理电路,使流量检测部分成本大幅降低。在流量检测部分实现集成后,显示驱动电路、电源管理电路也会进行集成,使电路成本进一步降低。 

最近几年短距离无线通讯技术逐渐成熟,无线抄表也成为行业趋势,预计五到十年会面世MEMS燃气表单芯片解决方案,将会集成流量检测、组分识别、显示驱动、电源管理、无线通讯等功能。

 

让我们迎接这一天的到来吧!

 

写在最后:
特此感谢炜盛科技研发中心刘工供稿