Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Honeywell/D19880203Elc032.shtml

Новый интегральный датчик-расходомер

УДК 681.586'33

Джерри Лаймен (Jerry Lyman)
Редакция Electronics

Jerry Lyman. How Micro Switch's new kind of air-flow sensor does it, pp.85,86.

Рассматривается интегральный датчик-измеритель скорости воздушного потока, на поверхности кристалла которого размещается нагреватель и мостовые схемы. Датчик имеет небольшие размеры и отличается высокой чувствительностью и быстродействием.

Новый датчик весового (массового) расхода воздуха, разработанный специалистами отделения Micro Switch фирмы Honeywell на базе полупроводниковой и толстопленочной технологий, намного превосходит по чувствительности и быстродействию все используемые в настоящее время конструкции: термоанемометры, механические крыльчатки и дифференциальные датчики давления. Датчики старых типов рассчитаны на измерение достаточно больших значений скорости потока — обычно от 50 до 1000 см3/мин. Во многих случаях значительные размеры и низкая чувствительность препятствуют использованию этих изделий для измерения интенсивности или обнаружения очень слабых потоков газа.

Датчик весового расхода воздуха AWM2000 содержит микроминиатюрные элементы, реализующие мостовые конфигурации в физическом и электрическом смысле. Недостатки прежних конструкций удалось устранить путем применения тонкопленочных резистивных цепей, напыляемых на поверхность кремниевого кристалла, в сочетании с микрообработкой самой подложки. Микроминиатюрные мосты, выполняющие в датчике роль измерительных элементов, теплоизолированы от подложки и непосредственно измеряют величину и направление скорости потока. Новая конструкция корпуса обеспечивает равномерное движение воздушного потока, что необходимо для повышения точности измерений.

«Новый датчик позволяет измерять скорость потока в пределах до 1 см3/мин, — говорит Роберт Бикинг, технический руководитель отделения Micro Switch компании Honeywell Inc. (Фрипорт, шт.Иллинойс).— Подобные измерения ранее выполнялись термоанемометром — прибором, который превосходит новый интегральный датчик по размерам, цене и потребляемой мощности и, кроме того, не чувствителен к направлению потока».

Прибор фирмы Micro Switch отличается и очень малой тепловой инерционностью; тепловая постоянная времени составляет около 3 мс. Очень высокое быстродействие достигается благодаря хорошей тепловой изоляции и уменьшению размера датчика, что позволяет увеличить допустимые изменения температуры чувствительного элемента, вызываемые проходящим потоком воздуха.

Новый датчик найдет применение в таких изделиях, как системы управления энергоагрегатами, устройства контроля за средой внутри помещений и медицинская аппаратура. Серийное производство прибора начнется в конце 1987г.

Различают два типа тепловых измерителей скорости потока. Одни оценивают результат охлаждающего воздействия потока воздуха, проходящего над нагретым элементом, а другие — контролируют процесс переноса тепла между двумя или большим числом точек, расположенных вдоль направления движения воздуха. Принцип измерения скорости расхода жидкости по оценке теплопередачи используется в одном из распространенных приборов — калориметрическом расходомере. Это устройство измеряет температуру потока в двух точках: на входе нагревателя и на выходе из него. Скорость потока оценивается по разности показаний термометра. Однако калориметрический датчик не обеспечивает нужного быстродействия и чувствительности при измерениях относительно больших скоростей, характерных для воздушных потоков.

Датчик AWM2000 фирмы Micro Switch также использует принцип оценки эффективности теплопередачи, однако для повышения точности измерений и снижения размеров корпуса он выполнен по кремниевой технологии и снабжен новым чувствительным элементом. На первом этапе технологического процесса изготовления датчика на поверхность кремниевой подложки напыляется 1-мкм пленка, состоящая из двух слоев нитрида кремния, разделенных металлическим резистивным слоем, сопротивление которого зависит от температуры. Эта пленка используется затем для изготовления двух расположенных рядом мостовых структур шириной 400 и длиной 500 мкм.

Мосты перекрывают канал глубиной 130 мкм, формируемый в кремнии (рис.1) фотолитографией и анизотропным травлением. Эти два моста образуют термоизолированную область из диэлектрической пленки.

Датчик-измеритель весового (массового) расхода фирмы Micro Switch построен на базе двух термоизолированных тонкопленочных мостовых структур, перекрыва
Рис.1. Датчик-измеритель весового (массового) расхода фирмы Micro Switch построен на базе двух термоизолированных тонкопленочных мостовых структур, перекрывающих вытравленный в кремниевой подложке канал.

Каждый мост содержит тонкопленочные резисторы с сопротивлением в несколько сотен ом, которые формируют плечи мостовой схемы Уитстона — чувствительного элемента датчика. Другой резистор делится пополам между двумя мостами, располагается между соседними их сторонами и выполняет функции нагревателя. Два других чувствительных резистора помещены в непосредственной близости от каждой из сторон нагревателя и воспринимают создаваемый им тепловой поток. Схема управления поддерживает заданную разность температур между нагревателем и окружающей средой.

Во время работы датчика воздушный поток направляется через канал с боковой стороны и проходит под мостами. Поток охлаждает чувствительный резистор первого моста и переносит тепло резистору второго. Результирующее дифференциальное падение напряжения на этих резисторах, как говорит Бикинг, пропорционально весовому расходу воздуха.

Датчик может калиброваться для измерения весового (массового) расхода, средней скорости потока в канале или дифференциального давления между входом и выходом канала. Если направление потока воздуха через прибор изменится на противоположное, произойдет смена знака дифференциального напряжения и выходного сигнала. Таким образом, датчик AWM2000 можно использовать для измерения интенсивности потока воздуха в любом из двух направлений.

Конструкция изделия обеспечивает тепловую изоляцию нагревателя и чувствительных резисторов от остальной части кристалла, что очень важно для правильной работы датчика. С обеих сторон канал строго ограничен кристаллическими плоскостями. Моделирование на компьютере показало, что из-за малой толщины диэлектрической пленки ее теплопроводность оказывается пренебрежимо малой и почти вся тепловая энергия от резистора нагревателя переносится к чувствительным резисторам только с воздушным потоком.

Специалисты фирмы Micro Switch разработали исключительно эффективный нагреватель, коэффициент теплопередачи которого составляет 15 °С/мВт. Схема нагревателя функционирует таким образом, что выходное напряжение датчика оказывается пропорциональным весовому расходу. Температура нагревателя поддерживается на заданном уровне относительно температуры окружающей среды независимо от ее колебаний и изменений интенсивности воздушного потока.

В обычных условиях температура нагревателя превышает температуру окружающей среды на 160°С, однако из-за тепловой изоляции изменение температуры самого кристалла не превышает 1°С. В результате температура окружающего воздуха может измеряться с помощью расположенных на том же кристалле термочувствительных резисторов. Кроме того, значительные тепловые градиенты образуются в таком случае в непосредственной близости от нагревателя, что очень важно для повышения чувствительности датчика к изменению скорости воздушного потока. До настоящего времени такими свойствами выпускаемые в продажу изделия не обладали. Работа нагревателя также ослабляет — хотя и не устраняет полностью — влияние на результаты измерений таких характеристик воздуха или газа, как, например, плотность или влажность, которые могут изменять температурную зависимость проводимости резисторов.

Конструкция корпуса датчика (рис.2) должна удовлетворять двум основным требованиям. Очевидно, что микроструктуру изделия нужно защищать от воздействия окружающей среды. В то же время для получения точных и воспроизводимых результатов измерений необходим канал, обеспечивающий равномерный поток воздуха.

Конструкция корпуса обеспечивает строгий контроль равномерности потока воздуха через микроструктуру датчика.
Рис.2. Конструкция корпуса обеспечивает строгий контроль равномерности потока воздуха через микроструктуру датчика.

Кристалл с микроминиатюрными мостами крепится эпоксидным клеем к керамической подложке площадью 6,5 см2. На подложке размещается толстопленочная схема (может разрабатываться в расчете на специализированный интерфейс для ИС датчика), которая содержит не только соединительные проводники к выводам печатной платы, но и резисторы (без активных элементов) с лазерной подстройкой, необходимые для регулировки схемы находящегося на кристалле моста Уитстона. С помощью толстопленочных резисторов устраняются разброс чувствительности и смещение нуля от экземпляра к экземпляру.

После того как ИС датчика электрически соединяется с толстопленочной подложкой приваркой золотых проводников, на ее поверхность над кристаллом устанавливается воздушная трубка, отлитая из полистирола. Реальный размер канала, по которому проходит воздушный поток над кристаллом, важен для минимизации турбулентностей и поддержания ламинарного характера движения воздуха. В новом датчике канал имеет размер всего 100*20 мм1{В оригинале, возможно, опечатка. Следует читать мкм. — Прим. ред.}.

Толстопленочные резисторы собранного узла подстраиваются лазером так, чтобы для заданной скорости потока получить определенное значение выходного напряжения. Датчик закрывается внешним двухэлементным защелкивающимся корпусом из полистирола, который обеспечивает дополнительное крепление подложки, защищает схему от внешних воздействий и позволяет устанавливать изделие на печатные платы. Корпус имеет размер около 31*31*15 мм.

С помощью датчика AWM2000 можно измерять три величины: среднюю скорость (объемный расход) воздуха в канале, часто используемую в газоанализаторах; динамическое значение дифференциального давления между входом и выходом канала, необходимое для устройств управления энергоустановками и медицинских приложений, а также весовой (массовый) расход воздуха через канал.

До сих пор самыми крупными потребителями нового датчика были отрасли, поставляющие системы управления энергоагрегатами и устройства контроля за средой внутри помещений. В сфере медицинского оборудования это изделие находит применение в респираторах и спирометрах, в наркозных аппаратах и системах подачи воздуха пациентам, требующим непрерывной терапии. Здесь высокая чувствительность нового полупроводникового датчика приобретает особое значение. Прибор с микроминиатюрными мостами точно регистрирует как вдох, так и выдох пациента, что позволяет подавать нужный газ только на время вдоха, сокращая общий его расход более чем вдвое.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 60, No.20 (778), 1987г - пер. с англ. М.: Мир, 1987, стр.50

Electronics Vol.60 No.20 October 1, 1987 A McGraw-Hill Publication

Jerry Lyman. How Micro Switch's new kind of air-flow sensor does it, pp.85,86.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Контрольно-измерительные приборы





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Honeywell/D19880203Elc032.shtml