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用于光气动探测的微流量传感器

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2013正 仪表技术与传感器 2013 第3期 Instrument Technique and Sensor No.3 用于光气动探测的微流量传感器 赵永翠,何秀丽,赵玲,李建平,高晓光,贾建 (中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室,北京100190) 摘要:针对气体红外吸收的气动探测应用,设计了基于MEMS技术的Sandwich结构硅基微流量传感器。在1 mm 面 积内制备了阻值约1.6 kfl的蛇形Pt薄膜作为加热及测温电阻,其电阻一温度系数(TCR)约2.2×10 /cc.Pt薄膜采用 4 m厚氮化硅悬梁作支撑,在125℃工作温度下功耗约44 mw.研究了Pt薄膜电阻对的间距以及工作温度对微流量传感 器性能的影响,并将其用于CO 气体检测。在0—1 mL/min的测试范围内,该微流量传感器输出信号与气体流量成线性 关系,理论检测下限约8.5 p ̄L/min,可用于气体红外吸收的气动探测。 关键词:非分光红外;光气动探测;微流量传感器 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002—1841(2013)03—0001—03 Micro--lfow Sensor for Opto-pneumatic Detection ZHAO Yong-cui,HE Xiu-li,ZHAO Ling,LI Jian—ping,GAO Xiao—guang,JIA Jian (State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China) Abstract:A silicon—based micro—flow sensor with Sandwich structure was designed according to the mechanism of opto—pneu- matic detection and fabricated by micro—electro—mechanical system(MEMS)technology.A snaky platinum iflm resistor of 1.6 kft with the temperature coefficient of resistnace of 2.2×10~/oC was fabricated as the heater and the thermometer.The platinum iflm was suppoaed by beams of 4 m silicon nitride and the power consumption is 44 mW at the operating temperature of 125 oC. The effects of the space between two platinum resistors and the working temperature on the properties of the micro—flow sensor were investigated and the sensor was applied for CO2 gas detection.The developed micro—flow senor exhibits linear relationship between singal and gas flow with the flow range from 0 to 1 mL/min and the detection limit is about 8.5 i ̄L/min,which are suitable for op— to・pneumatic detection for infrared gas absorption. Key words:NDIR;opto—pneumatic detection;micro-lfow sensor 0引言 等制备了MEMS硅基微流量传感器,检测限在mL/min量级,但 非分光红外(NDIR)气体检测系统具有灵敏度高、稳定性 未见相关气体检测报导 。西门子和爱默生公司均有以微流 好、抗干扰能力强等优点,被广泛应用于环境气体检测、工业废 探测器为核心器件的NDIR气体分析仪,但未见微流量传感器 气以及尾气排放监测等领域。NDIR气体检测技术的原理是朗 的相关报导。目前,微流量传感器产品受检测精度的制约无法 伯一比尔(Lambert—Beer)定律。当脉冲红外光入射到样品气 用于NDIR气体检测。 室,经待测气体吸收后,由探测器检测因吸收引起的特定波长 文中设计制备了基于MEMS技术的硅基微流量传感器,测 光强变化,进而确定待测气体浓度。 试了Pt薄膜的电阻温度系数及功耗,分析了Pt薄膜电阻对问 探测器是NDIR气体检测系统的核心。检测密封腔室内的 距及工作温度对气流响应灵敏度的影响,并尝试了在气体红外 气体在吸收调制的红外光后产生的压力变化或微小气体流动 吸收气动探测方面的应用。 的探测器称为光气动探测器,包括光声探测器和微流探测器。 1微流探测原理及微流量传感器设计 微流探测器检测精度高、检测限低、受振动影响小,是常用的光 气体红外吸收的微流探测原理如图1所示。NDIR气体探 气动探测器” 。微流量传感器是微流探测器的核心器件。 测系统包括红外光源、样品气室和微流探测器3部分。微流探 虽然微流量传感器种类很多,但用于微流探测器的多为热式传 测器由微流量传感器以及通过微流通道连接的前后两个吸收 感器,通过两个温敏电阻测量由于气体流动引起的温度差异来 腔室组成,腔室内充有高浓度待测气体。当以一定频率调制的 确定气流大小。热式微流量传感器在低流量时线性度较好,灵 红外光照射到微流探测器时,前后腔室中气体因吸收的红外辐 敏度较高,适合微小流量检测,其理论检测限可达0.1 nL/s 射强度不同而产生周期性压力差,从而导致气体的微小流动, I9 J.20世纪90年代后,由于微加工工艺和微电子工艺的逐步 气流大小同入射红外光强有关。置于前后腔室之间的微流量 成熟,基于MEMS技术的热式流量传感器成为主流,报导的检 传感器通过探测气流大小而实现对入射红外光强度的探测,从 测分辨率可达IxL/min量级 …。针对红外气动探测,K.Jasek 而可计算出样品气室中待测气体的浓度。 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA04Z328) 根据气体红外吸收的微流探测原理,考虑到气体在前后腔 收稿日期:2012—04—06收修改稿日期:2012—12—10 室的流动特性,设计了如图2(a)所示的“Sandwich”结构硅基微 第3期 赵永翠等:用于光气动探测的微流量传感器 3 流量,通入1 mL/min的N:,对不同电阻间距的微流传感器进行 微流量传感器灵敏度结果如图6所示。当间距恒定时,工作温 度越高传感器灵敏度越大。当工作温度恒定时,电阻间距对传 微流探测器信号变化量为响应值,得到如图8(b)所示的探测 CO 的响应值分别约为2.2 mV和7 mV,检测范围内响应值同 气体浓度成线性关系。 性能测试。设定间距分别为100 txm、200 m和300 m,所得 0 器响应值同CO2浓度关系曲线。系统对700 ppm和5 000 ppm 踟∞∞∞∞踟∞∞ 感器灵敏度有影响,间距为100 m时传感器的灵敏度最低,间 距为200 m和300 m时传感器的灵敏度相近,并且在不同工 作温度点规律相同。以下测试选取电阻间距为300 Ixm. } l置 二 邑 ≥ 富 埘 藉 70 80 90 lOO l10 120 l30 温度/℃ 图6微流量传感器电阻对间距和工作温度与灵敏度的关系 规定气流通过微流量传感器的一个方向为正,在不同工作 温度下,从正反两方向对传感器进行N:流量测试,uv审姆器鞲 ∞ 蝎 ¨ 结果如图7 抱 所示。在不同工作温度下,输出信号与气体流量在0~1 mL/ rain的测试范围内均成线性变化趋势,正反方向的灵敏度一致。 在工作温度为125℃时传感器灵敏度最高,为176 mV/(mL/ min),输出信号噪声为0.5 mV,由此计算出传感器检测下限(3 倍噪声等效气体流量)约为8.5 I/min. 丑 羹 舞 图7微流量传感器在不同工作温度下的输出信号与流量的关系 4光气动探测实验 将微流量传感器封装在容积分别为0.8 mL的前后腔室之 间,密闭腔室内充常压纯CO:气体,形成微流探测器。利用由 HelioWorks EF一8532脉冲电调制热辐射红外光源、15 cm长内 壁镀金不锈钢气室和微流探测器组成NDIR气体测试系统进行 CO 气体检测实验。CO 浓度范围为700—5 000 ppm,背景气 体为N:。光源调制频率为1 Hz,微流探测器输出为同频率交流 信号,取其峰峰值作为探测信号。(1 ppm=10 ) 图8(a)为CO 气体响应/恢复曲线。当样品气室内通入 CO:气体时,由于气体的红外吸收,入射到微流探测器的红外 光强变弱,使得探测信号减小并达到稳定值;样品气室通人N: 后,探测信号恢复到起始值。定义由于CO:气体通人而引起的 lOO 200 300 400 500 600 时间/s (a)CO2气体响应/恢复曲线 (b)探测器响应值同CO2浓度关系 图8基于微流探测器的NDIR系统CO2气体检测结果 5结束语 设计制备了基于MEMS技术的SiNx膜支撑Sandwich结构 微流量传感器。N:流量测试结果表明,传感器在125 oC工作温 度下功耗约为44 mw;理论检测下限约为8.5 I ̄L/min;0~ 1 mL/min范围内输出信号同流量成线性关系,正反向灵敏度相 同。光气动探测实验表明,该微流量传感器可用于CO:气体红 外吸收气动探测。 参考文献: [1]JOSEPH W.60 Years of CO analysis by NDIR gas anlayzers.50th An— nual ISA Analysis Division Symposium—-50 Years of Analytical Solu・- tions,Houston,TX,United states,2005. [2] CHOU J.Chapter 5 Infrared Gas Sensors,in Hazardous Gas Monitosr: A Practical Guide to Selection,Operation and Applications.1 st ed. [S.1.]:McGraw—Hill Professional,1999:55~72. [3]JASEK K,MAZUREK B,PASTERNAK M.Frequency characteristic of an optopneumatic detector.Molecular and Quantum Acoustics,2007, 28:131—136. [4]JASEK K,BUDZYNSKI T,STRYSZAK E.Optopneumatic detector with platinum flow sensor.Acta Physica Polonica A,2009,1 16(3): 321—324. [5]WANG G F,CHEN C C,YAO Y H,et a1.Integrated micromachined thermal mass flow sensor and methods of making the same:US, 7908096B2,201 1. (下转第6页) 6 Instrument Technique and Sensor Mat.2013 把图5中的可变电阻阻值调整至R=47 k Q,测量传感器 振子参数。在10—500 kHz范围内,从小到大调整激励源信号 频率,当第一次出现CH:和CH。通道的波形位相一致时,得到 的数据为 =83 kHz, 190 kHz,U2 :1/2 =1/2 =80 V,U =1 V.第二次出 ∥ s 现两通道波形位相一致时(如图8所示),得到的数据为, = =80 V,Ul =0.1 V. 图9夹持状态下振子谐振波形 与所处的夹持条件有关。 4结束语 使用设计的传感器参数测量电路,直观、准确地测量了谐 振频率、反谐振频率、等效电阻和静态电容等参数。通过参数 测量发现,当传感器振子处于自由状态时,谐振频率、反谐振频 It-S 率数值不高,但两者差值较大,几乎达100 kHz,谐振态、反谐振 态的等效纯电阻阻值都不高;当传感器处于夹持状态时,谐振 图8自由状态下振子谐振波形 振子的反谐振频率为 =83 kHz,反谐振等效电阻: (80—1)/R=1/R R =R/79=47k/79:595 Q 频率、反谐振频率增高,反谐振的等效电阻值亦明显增大,达12 kQ;夹持状态下压电传感器静态等效电容值大于自由状态下压 电振子的静态等效电容值;使用高频变压器易于实现激励源和 传感器之间的阻抗直接匹配。 参考文献: [1]郭璇,毕卫红.两相流电容层析成像中图像重建的研究.仪表技术 与传感器,2009(1):97—98. 振子的谐振频率为 =190 kHz,谐振等效电阻: 79.9/R=0.1/R R =4.7 kl//79.9=59 Q 当激励源频率在190 kHz时,等效纯电阻为59 Q,数值较 小,此时频率即为谐振频率 . . [2]CHEN E J,JENKINS W K,O’BRIEN W D.The impact of various im— a ng p ̄ametem on ultrasonic displacement and velocity estimates. IEEE.Trans on Ultrasonics.Ferroeleetrics and Frequency Contml, 3.2传感器参数测量结果 一 容Co=1.2 nF.在夹持条件下,传感器静态电容值变大,~一 分析这 在环境温度20℃,测量压电传感器(夹持条件下)静态电 是由夹持条件和静态压力造成的。 把测量电路中的可变电阻阻值调至1 kft,激励信号频率在 10—200 kHz范围内逐步增高,CH。通道电压波形位相落后于 CH:通道电压波形,说明传感器此时呈现电容性。 1994,41(3):293—301. [3] BOLOMEY J.Recent European developments in active microwave ima- lfing for industrial,scientiic,and medifcal印plication.IEEE.Trans. Microwave Theory Tech,1989,37(12):2109—21 17. [4]MOLYNEUX J E nda WITrEN A.Diffraction topographic imaging in a monostatie measurement environment.IEEE.Trans.Geosei.Remote 激励信号频率从200 kHz再次逐渐逐步增高。在203 kHz Sensing,1993,31(2):507—511. 和568 kHz时,两通道电压波形出现位相一致。信号源频率在 203 kHz时的同相位波形如图9所示。 [5] 翁洁知,惠晶.动态匹配超声波换能器谐振电感的方法与实现.电 力电子技术,2007,41(12):96—97. 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