双区域MEMS热式流量传感器：在宽流速范围内具有增强的灵敏度和线性度
2025-06-29 09:48:48   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

以往研究已经探索了多种方法来提升量热式微流量传感器的性能。这些研究主要集中于提升器件灵敏度、减少振动影响以及优化器件结构设计，但仍存在一些长期未解决的局限性，包括在高流量下灵敏度降低、传感器响应非线性，以及在不同流量范围内准确性下降等方面。

据麦姆斯咨询报道，近期，伊朗乌尔米亚大学（Urmia University）联合香港科技大学的研究团队提出了一种新型MEMS热式流量传感器，旨在实现宽气体流速范围的高灵敏度和线性度。该传感器采用单个微加热器，并将两对热敏电阻对称排布在加热器周围，同时策略性地布置障碍物以提高其性能。为了确保在不同流量条件下的准确性，该传感器被分为两个功能区域：一个区域针对低流速（0 – 1 m/s）优化，另一个区域针对高流速（1 – 6 m/s）优化。这种双区域设计凸显了传感器在处理宽流速范围时的灵活性，使其适用于医疗、工业和环境监测等应用领域。这项研究以“A Dual-Region MEMS Thermal Flow Sensor with Obstacle-Enhanced Sensitivity and Linearity Across Wide Velocity Ranges”为题发表在Electronics期刊上。

在MEMS热式流量传感器设计中，实现高灵敏度和线性响应仍是一项重大挑战。一种有效的解决方案是在气体流动路径中引入障碍物。这种方法降低了传感器附近的气体流速，从而延长了气体与受热表面之间的相互作用时间，进而提升了热传递效率。因此，传感器对气体流量的微小变化的灵敏度得到了显著提高。此外，优化关键设计参数（例如调整加热器与传感器之间的距离、缩短加热器长度、优化传感器几何结构），对提升响应线性度起着至关重要的作用。图1展示了本研究所提出的MEMS热式流量传感器结构。

图1 具有两对热敏电阻的MEMS热式流量传感器的三维结构示意图

图2展示了MEMS气体流量传感器的工作原理。在无气体流量状态下，加热器作为唯一热源，由于缺乏气体促使热量传递，产生的热量均匀地分散到周围环境。相反，当气体流动时，气体通过加热器增强对流热量传递，导致加热器温度降低。随着气体流速的增加，更多热量被带走，导致上游与下游传感器之间存在明显的温差。这种温差被转换成电信号，并表现为与气体流量成正比的输出电压。这种机制反映了该传感器的工作原理，即输出电压的变化与气体流速直接相关，从而实现对流量的准确测量。

图2 MEMS气体流量传感器的工作原理流程图

在MEMS热式流量传感器结构中加入障碍物会显著改变传感器附近的气体流动行为。当高速气流经过传感器时，障碍物能有效降低气流速度。这种气流速度降低可使气流与加热器保持更长时间的接触，从而促进传感器的热传递效率。研究人员对有障碍物和无障碍物的MEMS热式流量传感器的灵敏度进行了模拟和分析，相关结果如图3所示。

图3 对有障碍物和无障碍物的MEMS热式流量传感器的灵敏度进行了模拟和分析

如图4所示，模拟结果表明，障碍物的设计不会在传感器工作区域内引发湍流或气流扰动。气流保持平稳，而障碍物主要增强了气体与受热表面之间的热相互作用。这种设计在不影响其准确性的前提下，提升了传感器对流量测量的灵敏度。

图4 通道内存在障碍物时气体流量分布的模拟图

该MEMS热式流量传感器采用惠斯通电桥读出法设计了读出电路，如图5所示。

图5 MEMS热式流量传感器的读出电路设计

综上所述，这项研究提出了一种新型MEMS热式流量传感器，旨在实现高灵敏度、高线性度和低功耗。传感器的线性度对其整体性能至关重要，对传感器的灵敏度和准确性均有显著影响。在该传感器设计中引入障碍物对提升线性度具有显著效果。具体而言，传感器包含两个优化区域：优化低流速传感区域以及优化高流速传感区域。这项研究凸显了双区域设计和障碍物集成的优势，为多样化条件下的精确流量测量提供了可靠的解决方案。

论文链接：https://doi.org/10.3390/electronics14112128

延伸阅读：

《MEMS热式气体质量流量传感器产品对比分析-2023版》