摘 要：介绍了多参量MEMS气体质量流量计的原理、性能和应用。该流量计采用MEMS流量芯片作为一次传感的核心部件。并配以专门的低功耗二次智能仪表，具有超大量程、微功耗、无压损、小流量灵敏、响应时间快及易于远传和网络化管理等优点，相信该流量计会有很广阔的应用前景。

关键字：多参量 低功耗 智能仪表

    1 各类流量计的发展

    气体流量计量技术也是始于机械技术。从现代流量计量技术的角度来看，气体流量计量技术的发展可以以20世纪50年代作为分水岭，50年代前的技术可称之为传统流量计量技术，而50年代以后的技术称之为现代流量计量技术，80年代后期发展起来的电子技术则代表当前计量技术的发展方向。这两种技术尽管经过了长期的实际使用验证，有着其相应的优点，但其缺点也是十分明显的。以上个世纪20年代即用于天然气输气干线上的节流式孔板流量计而言，无论是早期的分体化或现在的一体化构造，其突出优点是结构简单，性能稳定可靠，但其量程狭窄，一般不超过5:1，并且压力损耗大，影响其精度的因素繁多，其输出信号为模拟信号，重复性也较差。涡轮流量计虽然在精度、重复性和量程方面都较孔板流量计有了很大的提高。但由于涡轮不断地转动造成轴承磨损，从而其精度不易长期得到保证。此外，管道内流体的流动特性乃至流体的物理特性的变动都会对其测量精度产生很大的影响。容积式流量计（膜式，椭圆齿轮式及腰轮式流量计）的量程范围较宽，最大可达到150:1，且相对而言计量精度也较高，无需外接能源，安装条件及气体的质量对流量计的工作都无太大的影响，但由于气体具热涨冷缩的温度效应，因而温度效应造成的误差往往远大于其标准的精度。同时单一容积量测不能区分气体的差异，这使得公平贸易难以实现。另外，因其主要部件为固定大小的气体容积室，使得其体积庞大。目前在工业发达国家中，容积式的流量计的使用特别是容积式商用表的使用比例已呈逐年下降的趋势。由于上述计量技术均为机械技术，为适应当代数据传输和管理的需要，在其应用中各类相应功能的电子附件（通常称之为二次装置，如机电转换器、电子显示、电子管理系统等）也成为了必不可少的配件，但与此同时其成本也大大提高。

    现代气体流量计量技术的代表是科里奥利质量流量计、热质量流量计（也称为“热丝”或热线式质量流量计）、超声波流量计和振动式流量计（如涡街流量计等）。在这些流量技术中，机械技术的成份越来越少，电子技术的成份越来越多。同时对气体的测量更注重于其质量的计量，而不仅仅是测量其容积。而美国早在1978年就通过了法令，规定天然气的贸易以天然气的实际能量含量作为贸易标准，用户按标准的热值来付费。在上述流量计中，科里奥利质量流量计精度较高，但若流体的密度不大（如小流量的气体）则往往无法测量。涡街流量计压力损耗小，量程较宽及精度高，但在流量计两侧的直管段必须较长，对小流量或低雷诺数的流体测量误差较大。超声波流量计在气体计量中的应用是自上个世纪90年代以来发展最快的一种技术。超声波流量计是全电子式的，很容易与当代的通信技术或网络管理技术相结合。它的特点是精度高、无压力损耗、量程宽。目前超声波流量计应用的主要障碍是稳定超声波发射器的制造难度较高，其成本，特别是小流量计的成本远高于类似的机械技术产品。

    热质量流量计也是近年来发展较快的一项产品。特别是伴随半导体工业的发展，生产过程中所用气体的质量计量的要求越来越高，热质量流量计以其直接测量流体的质量流量，特别是对小流量的气体的灵敏度较高而得到了越来越多地应用，其技术水平也得到了长足的进步；同时，质量流量计量也是气体公平贸易的一个重要指标。然而，虽然其原理简单，并且多年来有过各式各样的产品，但由于其稳定性、零点漂移、一致性差、功耗大等原因，它的应用也受到了诸多的限制^[3]。

    2 MEMS流量芯片计量技术

    MEMS技术是指在芯片大小的范畴内，采用现代加工工艺和材料生长及合成技术制造的具有机械、电子及其他物理特性的微系统。大多数的MEMS虽其工艺远未达到标准化，主要工艺仍是构筑在硅片上的，因而这一类的产品也称之为“MEMS芯片”。MEMS芯片应用于流量计量至今已有近20年的历史，所采用的原理有多种形式，如压电原理、科里奥利原理、杠杆原理等。但较为成功且目前在市面上有产品出售的多为利用“能量平衡”也称为“热分布式”的热质量流量计的工作原理。流体的质量与流速直接与传感器上的温度场的变化相关联。传统的传感器一般是在特制的细小陶瓷忖杆上用铂电阻丝绕制成传感器核心，再用陶瓷覆盖经烧结为传感器。这一工艺技术常常难以保证传感器的电阻值的一致性，从而导致传感器在各个法线方向热传导速度的差异。因而在传感器的调校及使用过程中的产品稳定性上都存在问题。并且，由于一致性是热质量流量计的重要标志之一，因而在实际应用中的热质量流量计的价格都十分昂贵，大规模应用是无法达成的。而MEMS芯片技术是采用了大规模集成电路的工艺，保证了传感器的高度一致性，从而解决了这一方法的根本问题。另外，MEMS芯片的功耗大大小于普通的热质量流量计，因而其安全性能更好。同时，大规模集成电路的工艺使得集成多个传感器于一体，制作超大量程的流量计成为可能，也为低成本和广泛使用创造了条件。目前，MEMS芯片流量传感器已应用于医疗仪器、通风控制、工业气体流量控制等多个领域。

    图1是MEMS流量芯片应用于气体的测量原理示意图及一个典型的MEMS流量芯片的扫瞄电子显微镜照片。在该芯片上，一个微热源及分别处于微热源上下游的温度传感器集成在采用MEMS的特有工艺制作的镂空“桥”面上。采用这样的桥式方法制作有利于热传导，使其动态响应时间大大提高，从而提高其测量流量的灵敏度。当传感器工作时，微热源与环境温度之间保持一定的温差（通常在100℃左右），在芯片周围形成固定的温度场分布。如气体是单向流动，则气道中的温度场可用下述公式来计算^[5~6]：

    式中：x为气体流动方向；v为速度；α为扩散率。

    

    从图1可以看到，当气体流过芯片时将会带走热量，使得芯片的温度场发生变化。气体的流速越快，带走的热量越多；同样，气体的密度越大，带走的热量也越多，因而，MEMS流量芯片的测量基于气体流速的气体质量流量。芯片所能探测到的气体的流量范围取决于芯片上微热源的温度及传感器的具体设计。不同设计的传感器将可以测量到不同流量范围的气体。另外，有别于通常的热质量流量传感器，为进一步减少环境温度对测量的影响，在微机电系统流量芯片上，温度场的变化由两个传感器所测到的温度差来决定，从而使得环境温度的变化对测量的结果几乎无影响。十分明显，采用这种方式制作的流量计，传统机械流量计中的压力损耗问题将不复存在。

    3 多参量MEMS流量计

    目前国际上采用MEMS技术生产流量芯片的几个厂家中，所生产的芯片只能用于小流量的测量如表1所示，其应用大多集中在医疗和半导体工业行业。日本的山武公司是最早提供大流量流量计产品的公司，但由于其芯片本身的设计原因，其流量计的测量精度、可靠性及量程比都不能与传统的机械流量计相比，因而其应用也受到了极大的限制。

    由美国矽翔公司自主设计、开发和生产的MEMS芯片与现有的其他生产MEMS流量芯片的厂家相比，采用了更为优良的工艺和集成化，除了集成多个流量传感器，极大地增强了流量测量范围外，还可以提供温度和压力的参数；同时，在同一芯片上还可集成高灵敏度的气体浓度传感器，从而实现了多参数的流量芯片技术。压力传感器采用目前市场上常用的压电传感的原理，用相同的MEMS工艺完成。流量芯片的测量原理仍采用“能量平衡”的原理，在微热源的上下游集成多个温度传感器来探测由于气体流动带来围绕传感器周围的温度场的变化。特别设计并集成在同一芯片上的环境温度传感器一方面可以测量气体的温度；另一方面也为流量的测量提供参考及反馈控制，使得微热源能保持常量。这样，流量芯片将不会因为气体流速过快而达到饱和。在流量芯片特别在芯片的设计和封装上开发了一系列专利技术，使得芯片在防水、防潮以及防止导电杂质等方面都得到了保障。表1为主要MEMS流量芯片生产厂家的芯片性能比较表。

表1 芯片性能对比

MEMS流量传感器厂家	流速范围	量程比	流量计功耗
美国霍尼威尔	0.06~6.50m/s	1:100	50mW
日本山武	0.15~1.20m/s 1~22m/s	1:8/1:20	>1000mW
瑞士绅昂传感	1.20~12m/s	1:10	>450mW
荷兰图威	0.50~6m/s	1:12	>500mW
美国矽翔	0.01~65m/s	>1:1000	>20mW

    表中霍尼韦尔仅限传感器。

    美国矽翔公司用该芯片作为一次传感的核心部件开发的产品目前已应用于多个不同的领域。其中FS1000/2000系列的传感器提供防水防潮的封装，具有自动变量程切换和双向测量的功能，应用于呼吸机和麻醉机；MF1000系列的流量计应用于自来水厂中氯气的监控及制造厂生产线上压缩空气的测控；FS4000系列的产品应用于氧气机的流量和浓度的测量，可在测量空气的流量的同时测量空气中氧气的浓度变化并同时提供气体温度的数据。其他的应用包括在楼宇自控中采用插入式的方式测量气道中的气体流速和燃料电池中用于燃料的气体或液体的流量测量和管理。

    用MEMS芯片作为一次传感核心部件并配以自主开发的智能低功耗仪表电路而制造的气体质量流量计与传统的热质量流量计相比，其显著的特点在于其超低的功耗和优良的零点稳定性，特别是极高的小流量灵敏度和准确度。从而从根本上变革了热质量流量计的技术，提供了具有实质意义的超大量程的气体质量流量计。当前国际上知名热质量流量计厂家所生产的流量计的主要性能比较如表2所示。

表2 产品性能比较

厂家	型号	测量精度	量程比	功耗
FCI	ST98L	±(1%+0.5%FS)	100:1	7W
Sisrra	780S Hat-Trak	±(2%+0.5%FS)	<100:1	12W
Fox Thermal	10A	±(0.75%+0.5%FS)	100:1	18W
ABB	FMT200-D	±(1.8%+0.05%FS)	100:1	15W
美国矽翔	MFM-系列	±(1.5%+0.15%FS)	>300:1	20W

    表2的数据表明，MEMS气体质量流量计对于气体计量而言在技术上有很大的变革意义。就当前的进展，MEMS技术大多限于相对纯净的气体测量，在液体及其它如烟道气中尚不能与传统的热质量流量计相比，还有极大的进步空间。

    4 结束语

    气体热质量流量计的优点是对气体质量的量度，能够有效地对生产用气过程进行管理，提高产品的质量，已越来越多地受到生产厂家的重视；另一方面，经过对标准气体调校后，其测量值易于转换为热值量，从而使得按气质计量和贸易成为可能。

    MEMS芯片流量计的装配、生产、调校、测试也较传统流量计的相应生产工序简单许多，调校和测试均可自动完成。加之由大规模集成电路工艺类似的生产线上生产出来的MEMS芯片的成本将随着产品产量的增加而大大地降低。可以预期，随着市场与用户的不断反馈，对控制电路与MEMS芯片集成化的进一步强化，MEMS气体流量计将会得到越来越广泛的应用。

    参考文献

    1 J.Yoder.Sensors[J].2003，20（23）.
    2 Flowmseareh Inc.The World Market for Flowmeters[M].Wake-field，2002
    3 D.W . Spitzer Flow measurement：practical guides for measurement and control[M].ISA，New York，2001.
    4 蔡武昌，应启戛.新型流量检测仪表[M].北京：化学工业出版社，2006.
    5 F.Mayer，G.Salis，J.Funk，et a1.Scaling of Thermal CMOS Gas Flow Mircrosensors：Experiment and Simulation [J].Proceeding IEEE Micro Electro Mechanical Systems.1996.（9）：116-121.