MEMS流量传感器的发展历史与原理

发布时间：

2024-07-19

概要

Part.1

发展历史

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微电子机械系统）流量传感器的发展历史可以追溯到20世纪50-60年代，随着集成电路芯片的出现，人们开始探索在芯片上制作微小机械结构和系统的可能性。这种利用半导体材料制作电子与机械结构的思想，为MEMS技术的诞生奠定了理论基础。

在1980年代，随着微加工技术的进步，各类MEMS器件如震动传感器、流量传感器、打印头等被成功研发。进入1990年代，美国明确提出了MEMS的概念，并推动了该技术的快速增长。21世纪后，MEMS技术得到了飞速发展，应用领域不断扩大，已成为一个多亿美元级的新兴产业。

在MEMS流量传感器的发展过程中，经历了多次技术革新和产业浪潮。特别是在汽车行业、消费电子产品的推动下，MEMS流量传感器得以广泛应用并不断优化。如今，MEMS流量传感器已成为气体流量测量领域的重要设备，其性能不断提升，成本逐渐降低，应用领域持续扩大。

Part.2

工作原理

MEMS流量传感器是一种基于微电子机械系统技术的流量测量设备，通过测量流体通过传感器时产生的物理效应来确定流量。根据测量原理的不同，MEMS流量传感器可分为多种类型，其中最常见的是压差式MEMS流量传感器和热式MEMS流量传感器。

1. 压差式MEMS流量传感器

压差式MEMS流量传感器通过测量流体通过传感器时产生的压力差来测量流量。其工作原理如下：

传感器结构：压差式MEMS流量传感器通常由两个或多个微型通道组成，其中一个通道称为“探测通道”，另一个通道称为“参考通道”。这些通道之间通过微小孔隙或微型阀门连接。
流体进入：流体进入传感器后，分流到探测通道和参考通道。
压力差产生：流体通过探测通道时，由于通道的几何形状和流体的速度，会产生一定的压力降。而参考通道则相对较为平缓，压力较低。
压力传感器：探测通道和参考通道的两端分别安装了压力传感器，用于测量通道两端的压力差。
压力差转换：传感器将测得的压力差转换为电信号，通过处理电路进行放大和滤波，然后输出。
流量计算：根据已知的传感器特性和流体力学原理，使用计算公式将压力差转换为流体的流量。

压差式MEMS流量传感器的优点是结构简单，制造成本低，响应速度快。然而，它对流体的粘度和密度变化较为敏感，需要进行定标和校正以获得准确的流量测量。

热式MEMS流量传感器

热式MEMS流量传感器则利用流体通过传感器时的热传导效应来测量流量。其工作原理如下：

传感器结构：热式MEMS流量传感器通常由两个或多个微型热敏电阻（RTD）组成，这些电阻被制造在微型通道中，与流体接触。
加热元件：其中一个电阻作为加热元件，通过加热产生一定的温度差。
测温元件：其他电阻作为测温元件，用于测量流体通过传感器时的温度变化。
热传导：流体通过传感器时，温度差会导致热量传导到流体中，使测温元件的温度发生变化。
电阻变化：测温元件的电阻随温度变化而变化。通过测量电阻变化，可以确定流体的流量。
电路处理：传感器将测得的电阻变化转换为电信号，通过处理电路进行放大和滤波，然后输出。
流量计算：根据已知的传感器特性和热传导原理，使用计算公式将电阻变化转换为流体的流量。

热式MEMS流量传感器的优点是对流体的粘度和密度变化不敏感，适用于多种流体。然而，它对传感器的加热功率和温度测量的精度要求较高，需要进行定标和校正以获得准确的流量测量。

Part.3

总结与展望

MEMS流量传感器作为微电子机械系统技术的重要应用之一，在气体流量测量领域发挥着重要作用。随着技术的不断进步和市场的持续扩大，MEMS流量传感器的性能将不断提升，成本将进一步降低，应用领域也将更加广泛。未来，MEMS流量传感器将与其他前沿技术如5G、人工智能等充分结合，开拓更多新的应用场景，为工业和社会的发展做出更大贡献。

Part.4

青岛芯笙热式MEMS技术

青岛芯笙微纳电子科技有限公司产品采用MEMS芯片原理，以MEMS技术为基础，基于有限元仿真尺寸优化，采用灵敏度高的悬膜结构，并沉积半导体涂层以提高芯片可靠性。MEMS热温差式流量传感器是以托马斯提出的“流体的放热量或吸热量与其质量流量成正比”的理论为基础的，利用气体流动过程中微加热器两侧的温度场分布来反演流量大小，区别于毛细管结构或差压结构等大压损流道设计，以直通型流道结构设计实现前所未有的超低差压控制。

利用压电膜片的形变对流量进行精确控制，制作工艺简单，降低成本，又能测量到非常微小的流量变化，提高了质量流量控制器的测量精度，可以更好的把控生产过程，提高生产效率和产品质量。

优势：

①MEMS芯片信噪比更高，芯片热容和热响应远小于毛细管原理的同类产品，响应速度更快，量程比更优；

②利用测温元件进行气体流量监测，成本低，损坏后可单独更换元件，有利于降低维护成本。

③抗污染能力强，MEMS MFC不存在毛细管堵塞问题（甚至不需要过滤网）。
④采用片上温补冗余设计，具有极低温漂系数，确保0-50℃内的误差均能保持在±1%FS以内。