CN111637954A - 一种热式mems气体传感器的气流标定方法 - Google Patents

一种热式mems气体传感器的气流标定方法 Download PDF

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谷永先
黄从贵
吴孔培
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Abstract

本发明公开了一种热式MEMS气体传感器的气流标定方法，涉及传感器技术领域，该热式MEMS气体传感器中的测温电路中的微处理器连接并控制恒温差驱动电路的通断，微处理器控制开启恒温差驱动电路并在导通达到第一预定时长后获取测温电桥的第一输出电压，微处理器控制关闭恒温差驱动电路并在断开达到第二预定时长后获取测温电桥的第二输出电压，利用第一输出电压和第二输出电压的差值作为校准电压对气流进行标定，该方法可以有效提高零点电压的稳定性以及整个传感器的测量精度。

Description

一种热式MEMS气体传感器的气流标定方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种热式MEMS气体传感器的气流标定方法。
背景技术
MEMS气体流量传感器芯片或者差压传感器芯片的常规结构如图1所示，图2为传感器芯片的感测区域的放大图，芯片在硅衬底1上制作有四个电阻，分别为环境温度检测电阻2、加热电阻3、温度检测电阻4和温度检测电阻5。
热式MEMS气体芯片，可以采用恒电流、恒电压、恒功率或恒温差等模式的驱动电路。以恒温差电路为例，采用芯片上的环境温度检测电阻2和加热电阻3，再加上外围电阻和运放，便可形成恒温差电路，如图3所示。温度检测电阻4和温度检测电阻5构成惠斯通电桥形成测温电路，如图4所示。气体流量越大，温度检测电阻4和温度检测电阻5测得的温差越大，惠斯通电桥输出的电压越大，电压经过可编程放大器(PGA)进行放大，再经过模数转换(ADC)进入微处理器(MCU)，微处理器根据标定数据，采用模拟信号或数字信号输出气体流量的数值。理论上温度检测电阻4和5的阻值Ru和Rd大小相等，阻值随着温度的升高而升高。当气体流量为零时，加热电阻3形成对称的温度场，温度检测电阻4和5升高相同的温度，理论上图4所示的惠斯通电桥输出电压为零。当气体流量不为零时，加热电阻3形成非对称的温度场，处于气流上游的温度检测电阻温升较低，处于气流下游的温度检测电阻温升较高，图4所示的惠斯通电桥输出电压不为零，根据输出电压的大小可以推算出气流大小。
但实际上由于工艺等原因，温度检测电阻4和5的阻值Ru和Rd很难做到相等，另外图4中，外围匹配的两个电阻R1和R2也很难做到阻值一致，导致即使气体流量为零，惠斯通电桥输出的实际电压也不为零，此时的电压称为零点电压。在对传感器进行流量标定时，无论是采用公式法或者查表法，通常认为零点电压不随时间变化，根据测得的电压可以推算出流量的大小。而实际上经过长期的工作，零点电压会随着时间的变化而变化，零点电压变化之后，一定流量所对应的电压也会发生相应的变化，而根据电压推出的流量大小也发生变化，因此直接根据惠斯通电桥输出的电压进行气流标定会存在流量测量的精度变差的情况。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种热式MEMS气体传感器的气流标定方法，本发明的技术方案如下：
一种热式MEMS气体传感器的气流标定方法，该热式MEMS气体传感器至少包括恒温差驱动电路和测温电路，恒温差驱动电路中至少包括加热电阻，测温电路至少包括两个温度检测电阻和两个匹配电阻构成的测温电桥，测温电桥的输出端依次连接可编程放大器、模数转换器和微处理器，微处理器连接并控制恒温差驱动电路的通断，该方法包括：
微处理器控制开启恒温差驱动电路；
当恒温差驱动电路导通达到第一预定时长后，微处理器获取测温电桥的第一输出电压，并控制关闭恒温差驱动电路；
当恒温差驱动电路断开达到第二预定时长后，微处理器获取测温电桥的第二输出电压；
确定校准电压为第一输出电压和第二输出电压的差值，利用校准电压对气流进行标定。
其进一步的技术方案为，微处理器控制开启恒温差驱动电路，并在恒温差驱动电路的开启时长达到预设导通时长时控制关闭恒温差驱动电路，并在恒温差驱动电路的关闭时长达到预设断开时长时重新执行控制开启恒温差驱动电路的步骤，恒温差驱动电路间歇性工作；其中，预设导通时长大于第一预定时长，预设断开时长大于第二预定时长。
其进一步的技术方案为，预设导通时长和预设断开时长在十毫秒级别或百毫秒级别。
其进一步的技术方案为，恒温差驱动电路的供电端通过电源芯片连接供电电源，微处理器连接电源芯片的使能端，微处理器通过控制供电端的通断控制恒温差驱动电路的开启和关闭。
其进一步的技术方案为，恒温差驱动电路的供电端处设置开关元件，微处理器连接并控制开关元件的状态以控制恒温差驱动电路的开启和关闭。
其进一步的技术方案为，开关元件为三极管或场效应管。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种热式MEMS气体传感器的气流标定方法，该方法由MCU控制恒温差驱动电路间歇性工作，从而使得其中的加热电阻间歇工作，利用加热电阻工作达到稳定时的电桥的输出电压以及加热电阻不工作并达到稳定时的电桥的输出电压得到校准电压对气流流量进行标定，能够有效提高零点电压的稳定性以及整个传感器的测量精度。
附图说明
图1是现有常规的热式MEMS气体传感器的常规结构图。
图2是图1中传感器芯片的感测区域的放大图。
图3是现有的热式MEMS气体传感器内部的恒温差驱动电路的电路图。
图4是现有的热式MEMS气体传感器内部的测温电路的电路图。
图5是本申请中恒温差驱动电路和测温电路一种连接结构图。
图6是本申请中恒温差驱动电路和测温电路另一种连接结构图。
图7是本申请中MCU控制恒温差驱动电路通断的时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种热式MEMS气体传感器的气流标定方法，该热式MEMS气体传感器至少包括恒温差驱动电路和测温电路，恒温差驱动电路中至少包括加热电阻3以及环境温度检测电阻2，本申请中的恒温差驱动电路的电路结构与现有技术中的基本相同，可以参考如图3，Rs、Ra、Rb和Rc均为外围电路，该恒温差驱动电路的供电端VCC获取到电压后开始工作。
测温电路至少包括两个温度检测电阻4、5和两个匹配电阻Ru和Rd构成的测温电桥，测温电路的电路结构与现有技术中的基本相同，可以参考图4，测温电桥的输出端依次连接可编程放大器PGA、模数转换器ADC和微处理器MCU，测温电路的供电端Vref获取到电压后开始工作。
除此之外，在本申请中，微处理器MCU还连接并控制恒温差驱动电路的通断，通常是通过控制恒温差驱动电路的供电端的通断来控制的。主要有两种方式：
(1)如图5所示，恒温差驱动电路的供电端VCC通过电源芯片U1连接供电电源Vin，微处理器MCU连接电源芯片U1的使能端EN，微处理器MCU通过对电源芯片U1进行使能可以控制供电端VCC的通断，从而控制恒温差驱动电路的开启和关闭。电源芯片U1可以由现有市售的各类型号的电源IC实现。
(2)如图6所示，恒温差驱动电路的供电端VCC处设置开关元件K，微处理器MCU连接并控制开关元件K的状态，从而控制恒温差驱动电路的开启和关闭。其中，该开关元件为三极管或场效应管。
无论采用上述何种控制方法，微处理器MCU控制恒温差驱动电路间歇性工作，具体的做法是：微处理器MCU控制开启恒温差驱动电路，则恒温差驱动电路中的加热电阻开始升温并逐渐达到稳定，当恒温差驱动电路的开启时长达到预设导通时长Ton时控制关闭恒温差驱动电路，则加热电阻逐渐降温直至完全冷却与环境温度一致，当恒温差驱动电路的关闭时长达到预设断开时长Toff时重新执行控制开启恒温差驱动电路的步骤，以此实现间歇性工作，时序图请参考图7。其中，预设导通时长Ton和预设断开时长Toff在十毫秒级别或百毫秒级别。
以一次Ton时长的导通和Toff时长的断开为一个周期，在每个周期的导通过程中，当恒温差驱动电路导通达到第一预定时长T1后，表示加热电阻已经升温达到稳定的工作状态，此时微处理器MCU获取测温电桥的第一输出电压Von。继续导通直至Ton时长后，微处理器MCU控制关闭恒温差驱动电路，当恒温差驱动电路断开达到第二预定时长T2后，表示加热电阻已经完全冷却与环境温度一致，此时微处理器MCU获取测温电桥的第二输出电压Voff。因此预设导通时长Ton大于第一预定时长T1，预设断开时长Toff大于第二预定时长T2，T1和T2的具体时长根据芯片结构的不同可通过实验确定。
确定校准电压Vdiff为第一输出电压Von和第二输出电压的差值Voff，也即确定Vdiff＝Von-Voff，当气流为零时，校准电压Vdiff的值非常接近于零电压，从而消除了零电压的影响，因此利用该校准电压Vdiff对气流进行标定，可以提高零点的稳定性以及整个传感器的测量精度。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热式MEMS气体传感器的气流标定方法，其特征在于，所述热式MEMS气体传感器至少包括恒温差驱动电路和测温电路，所述恒温差驱动电路中至少包括加热电阻，所述测温电路至少包括两个温度检测电阻和两个匹配电阻构成的测温电桥，所述测温电桥的输出端依次连接可编程放大器、模数转换器和微处理器，所述微处理器连接并控制所述恒温差驱动电路的通断，则所述方法包括：
所述微处理器控制开启所述恒温差驱动电路；
当所述恒温差驱动电路导通达到第一预定时长后，所述微处理器获取所述测温电桥的第一输出电压，并控制关闭所述恒温差驱动电路；
当所述恒温差驱动电路断开达到第二预定时长后，所述微处理器获取所述测温电桥的第二输出电压；
确定校准电压为所述第一输出电压和所述第二输出电压的差值，利用所述校准电压对气流进行标定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述微处理器控制开启所述恒温差驱动电路，并在所述恒温差驱动电路的开启时长达到预设导通时长时控制关闭所述恒温差驱动电路，并在所述恒温差驱动电路的关闭时长达到预设断开时长时重新执行所述控制开启所述恒温差驱动电路的步骤，所述恒温差驱动电路间歇性工作；其中，所述预设导通时长大于所述第一预定时长，所述预设断开时长大于所述第二预定时长。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设导通时长和所述预设断开时长在十毫秒级别或百毫秒级别。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述恒温差驱动电路的供电端通过电源芯片连接供电电源，所述微处理器连接所述电源芯片的使能端，所述微处理器通过控制所述供电端的通断控制所述恒温差驱动电路的开启和关闭。
5.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述恒温差驱动电路的供电端处设置开关元件，所述微处理器连接并控制所述开关元件的状态以控制所述恒温差驱动电路的开启和关闭。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述开关元件为三极管或场效应管。
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胡梦飞 等: "基于MEMS技术热温差式流量传感器的设计与标定", 《传感器与微系统》 *

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