MEMS流量傳感器的發(fā)展歷史與原理

來源：青島芯笙流量計和控制器

編輯：感知芯視界 Link

發(fā)展歷史

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微電子機械系統(tǒng)）流量傳感器的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀50-60年代，隨著集成電路芯片的出現(xiàn)，人們開始探索在芯片上制作微小機械結構和系統(tǒng)的可能性。這種利用半導體材料制作電子與機械結構的思想，為MEMS技術的誕生奠定了理論基礎。

在1980年代，隨著微加工技術的進步，各類MEMS器件如震動傳感器、流量傳感器、打印頭等被成功研發(fā)。進入1990年代，美國明確提出了MEMS的概念，并推動了該技術的快速增長。21世紀后，MEMS技術得到了飛速發(fā)展，應用領域不斷擴大，已成為一個多億美元級的新興產業(yè)。

在MEMS流量傳感器的發(fā)展過程中，經歷了多次技術革新和產業(yè)浪潮。特別是在汽車行業(yè)、消費電子產品的推動下，MEMS流量傳感器得以廣泛應用并不斷優(yōu)化。如今，MEMS流量傳感器已成為氣體流量測量領域的重要設備，其性能不斷提升，成本逐漸降低，應用領域持續(xù)擴大。

工作原理

MEMS流量傳感器是一種基于微電子機械系統(tǒng)技術的流量測量設備，通過測量流體通過傳感器時產生的物理效應來確定流量。根據測量原理的不同，MEMS流量傳感器可分為多種類型，其中最常見的是壓差式MEMS流量傳感器和熱式MEMS流量傳感器。

1. 壓差式MEMS流量傳感器

壓差式MEMS流量傳感器通過測量流體通過傳感器時產生的壓力差來測量流量。其工作原理如下：

傳感器結構：壓差式MEMS流量傳感器通常由兩個或多個微型通道組成，其中一個通道稱為“探測通道”，另一個通道稱為“參考通道”。這些通道之間通過微小孔隙或微型閥門連接。

流體進入：流體進入傳感器后，分流到探測通道和參考通道。

壓力差產生：流體通過探測通道時，由于通道的幾何形狀和流體的速度，會產生一定的壓力降。而參考通道則相對較為平緩，壓力較低。

壓力傳感器：探測通道和參考通道的兩端分別安裝了壓力傳感器，用于測量通道兩端的壓力差。

壓力差轉換：傳感器將測得的壓力差轉換為電信號，通過處理電路進行放大和濾波，然后輸出。

流量計算：根據已知的傳感器特性和流體力學原理，使用計算公式將壓力差轉換為流體的流量。

壓差式MEMS流量傳感器的優(yōu)點是結構簡單，制造成本低，響應速度快。然而，它對流體的粘度和密度變化較為敏感，需要進行定標和校正以獲得準確的流量測量。

熱式MEMS流量傳感器

熱式MEMS流量傳感器則利用流體通過傳感器時的熱傳導效應來測量流量。其工作原理如下：

傳感器結構：熱式MEMS流量傳感器通常由兩個或多個微型熱敏電阻（RTD）組成，這些電阻被制造在微型通道中，與流體接觸。

加熱元件：其中一個電阻作為加熱元件，通過加熱產生一定的溫度差。

測溫元件：其他電阻作為測溫元件，用于測量流體通過傳感器時的溫度變化。

熱傳導：流體通過傳感器時，溫度差會導致熱量傳導到流體中，使測溫元件的溫度發(fā)生變化。

電阻變化：測溫元件的電阻隨溫度變化而變化。通過測量電阻變化，可以確定流體的流量。

電路處理：傳感器將測得的電阻變化轉換為電信號，通過處理電路進行放大和濾波，然后輸出。

流量計算：根據已知的傳感器特性和熱傳導原理，使用計算公式將電阻變化轉換為流體的流量。

熱式MEMS流量傳感器的優(yōu)點是對流體的粘度和密度變化不敏感，適用于多種流體。然而，它對傳感器的加熱功率和溫度測量的精度要求較高，需要進行定標和校正以獲得準確的流量測量。

總結與展望

MEMS流量傳感器作為微電子機械系統(tǒng)技術的重要應用之一，在氣體流量測量領域發(fā)揮著重要作用。隨著技術的不斷進步和市場的持續(xù)擴大，MEMS流量傳感器的性能將不斷提升，成本將進一步降低，應用領域也將更加廣泛。未來，MEMS流量傳感器將與其他前沿技術如5G、人工智能等充分結合，開拓更多新的應用場景，為工業(yè)和社會的發(fā)展做出更大貢獻。

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審核編輯 黃宇