CN106895886B - 基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置及方法 - Google Patents

基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置及方法，装置包括若干个环绕在管道外壁上的巨压阻传感器，巨压阻传感器包括自下至上叠放的玻璃基底层、硅底层和绝缘二氧化硅层，绝缘二氧化硅层四周设置有硅铝异质结，硅铝异质结包括自内而外依次嵌套的内层硅、中间层铝和外层硅，硅铝异质结的两端设置有金属边，金属边通过引线连接金属片，金属片通过其上引出的电极连接铝端子；本发明采用硅铝异质结在相同应力下产生更大的阻值变化，使得压阻系数与应变系数成倍的增加，提升了灵敏度，使得测量数据更加准确；巨压阻传感器以120°环绕安装在通过待测气体的管道上，可以测量管道不同位置的数据，得到真实的气体流量值。

Description

基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置及方法
技术领域
本发明属于微纳机电系统传感器技术领域，特别涉及一种基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置及方法。
背景技术
随着社会的不断发展，气体流量的测量在工业生产源头以及过程控制中占有越来越重要的地位，气体的流量参数逐渐成为各种科学实验、工业生产和进行经济核算所必需的重要参数。在工业生产自动化程度越来越高的当今时代，气体流量传感器在国民经济中的作用日益重要，高灵敏度和高精度的气体流量测量，有助于人们更好的掌握气体的流动过程，从而优化生产工艺，更好的提高生产质量与效率。一般而言，在涉及到气体流量传感器使用的社会各行业中，气体流量传感器的测量灵敏度、测量精度、工作稳定性、环境适应能力、智能化水平以及性价比等各指标都会极大地影响着该种类行业的发展，例如，气体能源等领域使用的传统气体流量测量仪器存在稳定性差、容易受到温度影响、灵敏度和精度较低的问题，无法满足越发提高的现实要求，因而迫切需要灵敏度和精度更高的气体流量传感器。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置及方法，利用硅铝异质结巨压阻传感器极大地提升了测量装置的灵敏度和准确性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置，包括若干个均匀环绕安装在被测气体的管道外壁上的巨压阻传感器，每个巨压阻传感器包括自下至上依次叠放的玻璃基底层、硅底层和绝缘二氧化硅层，所述绝缘二氧化硅层上表面的四周分别设置有一组硅铝异质结，每组硅铝异质结包括自内而外依次嵌套的内层硅、中间层铝和外层硅，硅铝异质结的两端均设置有金属边，每个金属边各自通过引线连接金属片，金属片通过其上引出的电极连接有铝端子。
进一步的，所述硅底层底部向上设置有凹槽，位于凹槽上方的硅底层为巨压阻传感器的受力应变薄膜。
进一步的，所述硅铝异质结为圆柱状结构，其中内层硅和中间层铝之间的硅铝接触区域形成第一接触势垒，中间层铝和外层硅之间的硅铝接触区域形成第二接触势垒。
进一步的，所述四组硅铝异质结分别设置于绝缘二氧化硅层上表面的四周，其中两组面对面设置硅铝异质结位于受力应变薄膜相对应的范围内，另外两组面对面设置的硅铝异质结位于受力应变薄膜相对应的范围外，位于受力应变薄膜相对应的范围内两组硅铝异质结的连线与位于受力应变薄膜相对应的范围外两组硅铝异质结的连线互相垂直。
进一步的，位于受力应变薄膜相对应的范围内两组硅铝异质结是被测端；位于受力应变薄膜相对应的范围外两组硅铝异质结是参考端。
进一步的，相邻的巨压阻传感器相对于被测气体的管道轴向的旋转角度为120°。
进一步的，所述被测气体的管道内壁上设置有若干个温度传感器。
进一步的，气体流量测量装置还包括电源、信号调理电路、A/D转换器、单片机、显示器和HID，其中信号调理电路包括运算放大器和滤波器，
进一步的，所述电源分别连接巨压阻传感器、信号调理电路、A/D转换器、单片机，并为其供电；所述巨压阻传感器的电极和温度传感器分别连接运算放大器，再经滤波器和A/D转换器传递至单片机，所述单片机连接显示器和HID。
进一步的，所述电源通过供电电极向巨压阻传感器和温度传感器提供基准恒流源。
进一步的，所述单片机是MCU，其型号为STM32，所述显示器为液晶显示屏，其型号为LCD12864，所述温度传感器的型号为DHT11，所述HID为LED灯。
一种基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量方法，包括以下步骤：
(1)让被测气体通过安装有巨压阻传感器和温度传感器的管道，巨压阻传感器将测得的信号发送给信号调理电路，然后由单片机处理后得到数字化的差压值△P，代入公式
Figure BDA0001268870400000031
测得气体流速veff，其中s为巨压阻传感器与管道的接触面积，ρ为气体密度，气体密度通过查表或者公式ρ＝m/V计算得出，c为常数；
(2)将气体流速veff带入公式得到管道压力
Figure BDA0001268870400000032
其中μ为气体粘滞常数，R为管道半径，l为管道长度，kdh为管道摩擦常数；
(3)阻力
Figure BDA0001268870400000041
l为通道长度，kdh为管道摩擦常数；
(4)通过步骤(2)中得到的管道压力和步骤(3)得到的阻力，计算气体体积流量
Figure BDA0001268870400000042
此时，管道压力信号与流量线性相关；
为了考虑环境温度对气体本身的影响，对气体体积流量公式进行改进，则气体体积流量计算公式为
Figure BDA0001268870400000043
其中TC为温度传感器标定时的温度，T0为标准状况下的温度，T为气体流量测量装置实际的工作温度；
利用单片机根据改进的气体体积流量计算公式
Figure BDA0001268870400000044
输出温度补偿以后的气体流量值，并在显示器上进行显示。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明让被测气体通过安装有巨压阻传感器和温度传感器的管道，由此测量出压力差，然后气体流量测量装置通过检测出被测端与参考端的压力差值，输出相应的弱电压信号，该信号经过运算放大器放大后，经滤波器提供给STM32自带的A/D转换器，就可以得到数字化的差压值，测得通过管道的气体流量，提高装置的测量精度；温度传感器测量管道内部温度，送给单片机做温度补偿，进一步提高装置的测量精度。本发明采用硅铝异质结作为测量结构，在相同应力下产生更大的阻值变化，使得压阻系数与应变系数成倍的增加，极大地提升了灵敏度，使得测量数据更加准确；巨压阻传感器以120°角环绕安装在通过待测气体的管道上，可以测量管道不同位置的数据，得到了更为真实的气体流量值。
附图说明
图1是本发明中巨压阻传感器的安装示意图；
图2是本发明中温度传感器的安装示意图；
图3是本发明中巨压阻传感器内部结构的俯视图；
图4是本发明中硅铝异质结的结构示意图；
图5是本发明中硅铝异质结的截面图；
图6是本发明中图3中A-A的剖面图；
图7是本发明的模块框图；
图8是本发明中气体流量测量流程图；
其中：1-巨压阻传感器，2-硅铝异质结，3-金属边，4-引线，5-金属片，6-电极，7-铝端子，8-内层硅，9-第一接触势垒，10-中间层铝，11-第二接触势垒，12-外层硅，13-绝缘二氧化硅层，14-硅底层，15-玻璃基底层，16-受力应变薄膜，17-温度传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
一种基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置，包括若干个均匀环绕安装在被测气体的管道外壁上的巨压阻传感器1，每个巨压阻传感器1包括自下至上依次叠放的玻璃基底层15、硅底层14和绝缘二氧化硅层13，所述绝缘二氧化硅层13上表面的四周分别设置有一组硅铝异质结2，每组硅铝异质结2包括自内而外依次嵌套的内层硅8、中间层铝10和外层硅12，硅铝异质结2的两端均设置有金属边3，金属边3作为防护，每个金属边3各自通过引线4连接金属片5，金属片5通过其上引出的电极6连接有铝端子7。
如图1所示，若干个均匀环绕安装在被测气体的管道外壁上的巨压阻传感器1，相邻的巨压阻传感器1相对于被测气体的管道轴向的旋转角度为120°，巨压阻传感器1的玻璃基底层15接触被测气体的管道外壁，在应用时，使得多个巨压阻传感器1能共同作用，测得管道不同位置的信息，提高数据的可靠性和准确性，单片机将接收到的数据进行计算处理，可得到真实的气体流量值。
如图2所示，所述被测气体的管道内壁上设置有若干个温度传感器17，优选为两个温度传感器17，用于补偿外界温度变化对气体本身影响而带来的误差，减少环境误差带来的影响。
如图4和5所示，所述硅铝异质结2为圆柱状结构，且内层硅8、中间层铝10和外层硅12为同心圆，其中内层硅8和中间层铝10之间的硅铝接触区域形成第一接触势垒9，中间层铝10和外层硅12之间的硅铝接触区域形成第二接触势垒11。
如图6所示，所述硅底层14底部向上设置有凹槽，位于凹槽上方的硅底层14为巨压阻传感器1的受力应变薄膜16。
如图3所示，所述四组硅铝异质结2分别设置于绝缘二氧化硅层13上表面的四周，其中两组面对面设置硅铝异质结2位于受力应变薄膜16相对应的范围内，另外两组面对面设置的硅铝异质结2位于受力应变薄膜16相对应的范围外，位于受力应变薄膜16相对应的范围内两组硅铝异质结2的连线与位于受力应变薄膜16相对应的范围外两组硅铝异质结2的连线互相垂直。
位于受力应变薄膜16相对应的范围内两组硅铝异质结2是被测端；位于受力应变薄膜16相对应的范围外两组硅铝异质结2，由于其不形变，则为参考端；利用被测端和参考端做差分运算可以消除温度等共模信号对巨压阻传感器本身测量信号的影响。
如图7所示，气体流量测量装置，还包括电源、信号调理电路、A/D转换器、单片机、显示器和HID，其中信号调理电路包括运算放大器和滤波器，所示运算放大器为差分放大电路是现有技术，所述电源分别连接巨压阻传感器、信号调理电路、A/D转换器、单片机，并为其供电；所述巨压阻传感器的电极和温度传感器分别连接运算放大器，再经滤波器和A/D转换器传递至单片机，所述单片机连接显示器和HID，使用巨压阻传感器来测量气体压力，灵敏度数量级提高，通过信号调理电路处理后，再由单片机MCU进行温度补偿计算最终得到气体流量；运算放大器的输入端连接了压力传感器的检测端电极对以及参考端电极对，滤波器和A/D转换器将得到的信号进行处理，从而得到数字化的差压值，单片机接收巨压阻传感器以及温度传感器发送的信号进行算法处理，进行温度补偿的同时计算出待测气体的流量；最后将计算得到的结果在显示器上进行显示。
所述电源通过供电电极向巨压阻传感器和温度传感器提供基准恒流源。
所述单片机是MCU，其型号为STM32，所述显示器为液晶显示屏，其型号为LCD12864，所述温度传感器的型号为DHT11，所述HID为LED灯，作为装置显示灯，用于显示装置是否正常工作。
为了达到较高灵敏度的测量，本发明采用了同心圆形式的硅铝异质结，使得压阻系数与应变系数成倍的增加，极大地提升了灵敏度，同时使得测得的数据更加准确。本发明在应用时，气体流经管道，管道内产生应力，就会在应变薄膜层形成一个沿应力方向的应力梯度分布，处于受力应变薄膜上的硅铝异质结的压力敏感结构硅和铝接触区域的接触势垒会随应力的变化而变化，最终导致压敏结构的电阻发生变化，实现了巨压阻效应。
如图8所示，一种基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量方法，当气体流量测量系统接通电源时，表示装置工作状态的LED灯亮起，装置进入初始化界面，巨压阻传感器和温度传感器正常工作；
利用巨压阻传感器和温度传感器的输出信号计算气体流量的具体方法，包括以下步骤：
(1)让被测气体通过安装有巨压阻传感器和温度传感器的管道，压力传感器测得相应的数据，将测得的信号发送给信号处理电路；温度传感器将采集的数据传送给信号处理电路进行处理，减小环境因素带来的误差；输出的电压经过A/D转换成数字信号经过单片机处理得到数字化的差压值△P，巨压阻传感器检测出的被测端与参考端的数据计算差压值△P，再进行算法补偿运算得到去除了温度影响的气体流量值，其中差压值△P，代入公式
Figure BDA0001268870400000081
测得气体流速veff，其中s为巨压阻传感器与管道的接触面积，ρ为气体密度，气体密度通过查表或者公式ρ＝m/V计算得出，c为常数；
(2)将气体流速veff带入公式得到管道压力
Figure BDA0001268870400000082
其中μ为气体粘滞常数，R为管道半径，l为管道长度，kdh为管道摩擦常数；
(3)阻力
Figure BDA0001268870400000091
l为通道长度，kdh为管道摩擦常数；
(4)通过步骤(2)中得到的管道压力和步骤(3)得到的阻力，计算气体体积流量
Figure BDA0001268870400000092
此时，管道压力信号与流量线性相关；
为了考虑环境温度对气体本身的影响，对气体体积流量公式进行改进，则气体体积流量计算公式为
Figure BDA0001268870400000093
其中TC为温度传感器标定时的温度，T0为标准状况下的温度，T为气体流量测量装置实际的工作温度；
利用单片机根据改进的气体体积流量计算公式
Figure BDA0001268870400000094
输出温度补偿以后的气体流量值，并在显示器上进行显示；显示时通过LCD12864液晶显示屏进行数据显示、温度传感器将测得的温度传输给单片机实现对环境的温度补偿、系统显示灯HID显示系统是否正常工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置，其特征在于：包括若干个环绕安装在被测气体的管道外壁上的巨压阻传感器，每个巨压阻传感器包括自下至上依次叠放的玻璃基底层、硅底层和绝缘二氧化硅层，所述绝缘二氧化硅层上表面的四周分别设置有一组硅铝异质结，每组硅铝异质结包括自内而外依次嵌套的内层硅、中间层铝和外层硅，硅铝异质结的两端均设置有金属边，每个金属边各自通过引线连接金属片，金属片通过其上引出的电极连接有铝端子；
所述硅底层底部向上设置有凹槽，位于凹槽上方的硅底层为巨压阻传感器的受力应变薄膜；
所述硅铝异质结为圆柱状结构，其中内层硅和中间层铝之间的硅铝接触区域形成第一接触势垒，中间层铝和外层硅之间的硅铝接触区域形成第二接触势垒；
所述四组硅铝异质结分别设置于绝缘二氧化硅层上表面的四周，其中两组面对面设置硅铝异质结位于受力应变薄膜相对应的范围内，另外两组面对面设置的硅铝异质结位于受力应变薄膜相对应的范围外，位于受力应变薄膜相对应的范围内两组硅铝异质结的连线与位于受力应变薄膜相对应的范围外两组硅铝异质结的连线互相垂直；
位于受力应变薄膜相对应的范围内两组硅铝异质结是被测端；位于受力应变薄膜相对应的范围外两组硅铝异质结是参考端。
2.根据权利要求1所述的基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置，其特征在于：相邻的巨压阻传感器相对于被测气体的管道轴向的旋转角度为120°。
3.根据权利要求1所述的基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置，其特征在于：所述被测气体的管道内壁上设置有若干个温度传感器。
4.根据权利要求1所述的基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置，其特征在于：还包括电源、信号调理电路、A/D转换器、单片机、显示器和HID，其中信号调理电路包括运算放大器和滤波器，
所述电源分别连接巨压阻传感器、信号调理电路、A/D转换器、单片机，并为其供电；所述巨压阻传感器的电极和温度传感器分别连接运算放大器，再经滤波器和A/D转换器传递至单片机，所述单片机连接显示器和HID。
5.根据权利要求4所述的基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置，其特征在于：所述电源通过供电电极向巨压阻传感器和温度传感器提供基准恒流源。
6.根据权利要求4所述的基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置，其特征在于：所述单片机是MCU，其型号为STM32，所述显示器为液晶显示屏，其型号为LCD12864，所述温度传感器的型号为DHT11，所述HID为LED灯。
7.一种包括权利要求1-6任一所述的基于巨压阻传感器的高灵敏度气体流量测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)让被测气体通过安装有巨压阻传感器和温度传感器的管道，巨压阻传感器将测得的信号发送给信号调理电路，然后由单片机处理后得到数字化的差压值ΔP，代入公式
Figure FDA0004189013630000031
测得气体流速veff，其中s为巨压阻传感器与管道的接触面积，ρ为气体密度，气体密度通过查表或者公式ρ＝m/V计算得出，c为常数；
(2)将气体流速veff带入公式得到管道压力
Figure FDA0004189013630000032
其中μ为气体粘滞常数，R为管道半径，l为管道长度，kdh为管道摩擦常数；
(3)阻力
Figure FDA0004189013630000033
l为通道长度，kdh为管道摩擦常数；
(4)通过步骤(2)中得到的管道压力和步骤(3)得到的阻力，计算气体体积流量
Figure FDA0004189013630000034
此时，管道压力信号与流量线性相关；
为了考虑环境温度对气体本身的影响，对气体体积流量公式进行改进，则气体体积流量计算公式为
Figure FDA0004189013630000035
其中TC为温度传感器标定时的温度，T0为标准状况下的温度，T为气体流量测量装置实际的工作温度；
利用单片机根据改进的气体体积流量计算公式
Figure FDA0004189013630000036
输出温度补偿以后的气体流量值，并在显示器上进行显示。
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