CN114577286A - 一种降低mems计量功耗的装置及工作方法 - Google Patents

一种降低mems计量功耗的装置及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低mems计量功耗的装置，包括：气体流道、mems传感器、气体感应装置、磁铁、磁感应装置和控制装置，所述mems传感器与气体流道连接，所述气体感应装置设于气体流道内，所述磁铁设于气体感应装置上，所述磁感应装置设于气体流道的内壁，所述mems传感器、气体感应装置和磁感应装置均与控制装置连接。本发明对其结构进行了优化，气体流动的原因，气流将气体感应装置主体推动打开，当气体感应装置主体被气流推开的时候，磁铁远离了磁感应芯片，磁感应芯片无法感应到磁铁的位置，告诉流量计控制器管道有无气流，流量计马上开始流速采样，防止计量信息丢失，有效提高其计量的精准性，还能够有效节省该流量计的功耗。

Description

一种降低mems计量功耗的装置及工作方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，特别涉及一种降低mems计量功耗的装置及工作方法。
背景技术
MEMS：全称Micro Electromechanical System，微机电系统。MEMS是一个新兴技术领域，主要属于微米技术范畴。采用类似集成电路(IC)的生产工艺和加工过程，用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。
市场上基于MEMS技术的热式流量计，开发和应用已经有一定的时间。但是普遍存在的一个问题就是MEMS热式流量计不更换电池的情况下，只能用1~3年，而传统的机械流量计不更换电池可以用到10年以上。这个问题造成Mems流量计在推广应用上产生了瓶颈。
如图1所示的是Mems流量计量芯片简易模型。Mems计量的大致原理是：Mems计量芯片中间是加热源，上下游电阻与中心加热源距离相当，上下游电阻阻值相等，且阻值随温度线性变化。Mems流量计工作时，Mems流量芯片加热源发热，当没有气流时，因为上下游检测电阻接收到辐射热是一样的，所以上下游的阻值一样; 当有气流通过时，气流会带走一部分热量，沿气流方向，上游电阻温度会降低，而下游电阻温度会升高，所以上下游电阻的阻值会发生变化，该变化值可通过调理电路转换为电压值，再通过标准设备标定，得到流速与电压的关系，达到计量的目的。
因为上面mems计量的原理，为了达到精准计量，mems计量芯片的加热源功率不能做得太小，否则上下游电阻的温度就不能变化灵敏，从而达不到精确计量。
通过实际应用测试，mem加热源的功率需要达到几十mW以上，才能在Mems流量计上得到好的应用。但是这样大的功率，对于以电池为电源的计量设备来说，功耗太大，严重影响mems流量计的维护周期和推广。
一些Mems流量计厂家通过让mems芯片采用间隙性工作的方法，如1秒工作1次，每次工作20ms,即以这20ms内的气体流速，当作1秒内的平均流速。甚至为了进一步降低功耗，将采集周期变得更长，如10秒检测一次。这样的做法虽然可以降低Mems芯片的功耗，但是对于mems计量精度是有牺牲的，对于气体流量计量不太稳定的情况下，无法达到用户要求的计量精度的；
如图2，为现有的技术方案。Mems流量计通过间隙性工作的方式，给mems传感器供电，让mems传感器工作，然后依次通过模拟调理电路，数字调理电路将流速信号提取出来，最终转换为计量信息。但是Mems流量计实际应用中，很长一段时间内管道内是没有气体流动的，但是现有的技术方案无法获知当前管道内是否有气体在流动，为了防止出现计量信息丢失，所以只能频繁地让MEMS传感器工作，从而实际上浪费了很大的功耗；
因而现有的技术无法满足当前市场的需要，还有待于改进。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种降低mems计量功耗的装置，对其结构进行了优化，气体流动的原因，气流将气体感应装置主体推动打开，气流越大，气体感应装置主体被推开的角度越大，最大为完全打开，通过当气体感应装置主体被气流推开的时候，磁铁远离了磁感应芯片，磁感应芯片无法感应到磁铁的位置，告诉流量计控制器管道有无气流，流量计马上开始流速采样，防止计量信息丢失，有效提高其计量的精准性，同时还能够有效的节省该流量计的功耗。
技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种降低mems计量功耗的装置，包括：气体流道、 mems传感器、气体感应装置、磁铁、磁感应装置和控制装置，所述mems传感器与气体流道连接，所述气体感应装置设于气体流道内，所述磁铁设于气体感应装置上，所述磁感应装置设于气体流道的内壁，所述mems传感器、气体感应装置和磁感应装置均与控制装置连接。本发明所述的一种降低mems计量功耗的装置，对其结构进行了优化，气体流动的原因，气流将气体感应装置主体推动打开，气流越大，气体感应装置主体被推开的角度越大，最大为完全打开，通过当气体感应装置主体被气流推开的时候，磁铁远离了磁感应芯片，磁感应芯片无法感应到磁铁的位置，告诉流量计控制器管道有无气流，流量计马上开始流速采样，防止计量信息丢失，有效提高其计量的精准性，同时还能够有效的节省该流量计的功耗，让其更好的满足市场和用户的需要。
其中，所述磁感应装置包括第一电阻、感应芯片、第一电容、第二电容、第二电阻和MCU-IO，所述第一电阻的一端与电源连接，另一端通过导线分别与感应芯片的引脚U1和第一电容连接，所述第一电容与第二电容连接，所述感应芯片的引脚U3通过导线与第一电容和第二电容之间的线路连接，所述感应芯片的引脚U2与第二电阻连接，所述第二电阻的另一端与MCU-IO连接，且所述第二电容远离第一电容的一端通过导线与感应芯片和第二电容之间线路连接，且所述第一电容与感应芯片的引脚U2连接的电路通过电路与接地端连接。
进一步的，所述第一电阻采用限流电阻。
进一步的，所述感应芯片采用霍尔芯片，其工作电流小于3 uA。
优选的，所述气体感应装置采用不锈钢SUS304制成额圆形金属片，其上部通过铰链与气体流道连接，且其与气体流道的管壁相配合。
本发明还包括复位弹簧，所述复位弹簧的两端一端与气体流道连接，另一端与气体感应装置连接。
进一步的，所述磁铁位置能够根据需要对其进行调整。
进一步的，所述控制装置包括mems传感器控制模块、气流感应控制模块、磁感应控制模块、数字处理模块、模拟调理模块和控制器，所述mems传感器控制模块与mems传感器连接，所述气流感应控制模块与气体感应装置连接，所述磁感应控制模块与磁感应装置连接，所述气流感应控制模块的输出端与磁感应控制模块的输入端连接，所述磁感应控制模块的输出端与数字处理模块的输入端双向连接，所述数字处理模块的输出端与模拟调理模块的输入端双向连接，所述模拟调理模块的输出端与mems传感器控制模块双向连接，所述mems传感器控制模块、气流感应控制模块、磁感应控制模块、数字处理模块和模拟调理模块均与控制器连接。
本发明所述的降低mems计量功耗的装置的工作方法，具体的工作方法如下：
1）：当气体流道内有气体流动时，利用气体流动的压力或动力，推动气体感应装置移动，从而打开流量计管道；
2）：在气体感应装置移动时，其将带动其上的磁铁一起移动，让磁铁靠近磁感应装置；
3）：当磁感应装置中的感应芯片感应到磁铁靠近时，将把通过控制器将信号传送给数字处理模块，管道内有气体流动，则可以开始计量；
4）：当气体流动消失后，气体感应装置将在重力作用或者是复位弹簧的推力下回至原位；
5）：在气体感应装置回归原位的过程时，其将带动磁铁远离磁感应装置，感应芯片感应到磁铁远离时，将信息传递数字处理模块，管道内气体流动停止，可以结束计量。
本发明所述的降低mems计量功耗的装置的工作方法，所述磁感应控制模块的具体工作方法如下： 在工作过程中，当没有磁铁靠近时感应芯片U1、U2引脚输出高电平；
当磁铁靠近时，感应芯片U1、U2引脚输出低电平，该电平信号连接到流量计的主控MCU的IO上，MCU可以通过中断或扫描的方式，了及时了解到霍尔芯片输出电平的高低，进行确认管道内气体流动的情况，从而控制mems传感器的工作，达到降低功耗的目的。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述的一种降低mems计量功耗的装置，对其结构进行了优化，气体流动的原因，气流将气体感应装置主体推动打开，气流越大，气体感应装置主体被推开的角度越大，最大为完全打开，通过当气体感应装置主体被气流推开的时候，磁铁远离了磁感应芯片，磁感应芯片无法感应到磁铁的位置，告诉流量计控制器管道有无气流，流量计马上开始流速采样，防止计量信息丢失，有效提高其计量的精准性，同时还能够有效的节省该流量计的功耗，让其更好的满足市场和用户的需要。
2、本发明中磁感应模块的电路原理，VDD是电源，通常是3~5V，通过限流电阻R1给霍尔芯片SL353供电。该芯片工作电流小于3uA。当没有磁铁靠近时，霍尔芯片U1,2脚输出为高电平;当磁铁靠近时，霍尔芯片U1，2脚输出为低电平。该电平信号连接到流量计的主控MCU的IO上。MCU可以通过中断或扫描的方式，了及时了解到霍尔芯片输出电平的高低，进行确认管道内气体流动的情况，从而控制mems传感器的工作，达到降低功耗的目的。
3、本发明中可以将mems流量计气体不流动时的电流消耗由mA级别，降到到uA级别，大大减少了功耗，使mems产品在推广上达到更好的功耗性能。
附图说明
图1为本发明背景技术中的Mems流量计量芯片简易模型；
图2为本发明背景技术MEMS传感器流量计的电路处理模块；
图3为本发明中降低mems计量功耗的装置的结构示意图；
图4为本发明中气体流动感应装置的安装示意图；
图5为本发明中电路处理模块示意图；
图6为本发明中磁感应模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1如图所示的一种降低mems计量功耗的装置，包括：气体流道1、 mems传感器2、气体感应装置3、磁铁4、磁感应装置5和控制装置，所述mems传感器2与气体流道1连接，所述气体感应装置3设于气体流道1内，所述磁铁4设于气体感应装置3上，所述磁感应装置5设于气体流道1的内壁，所述mems传感器2、气体感应装置3和磁感应装置5均与控制装置连接。
本实施例中所述磁感应装置5包括第一电阻51、感应芯片52、第一电容53、第二电容54、第二电阻55和MCU-IO56，所述第一电阻51的一端与电源连接，另一端通过导线分别与感应芯片52的引脚U1和第一电容53连接，所述第一电容53与第二电容54连接，所述感应芯片52的引脚U3通过导线与第一电容53和第二电容54之间的线路连接，所述感应芯片52的引脚U2与第二电阻55连接，所述第二电阻55的另一端与MCU-IO56连接，且所述第二电容54远离第一电容53的一端通过导线与感应芯片52和第二电容54之间线路连接，且所述第一电容53与感应芯片52的引脚U2连接的电路通过电路与接地端连接。
且本实施例中所述的电磁感应芯片可以是磁阻，干簧管等其他磁感应元件。
实施例2
如图所示的一种降低mems计量功耗的装置，包括：气体流道1、 mems传感器2、气体感应装置3、磁铁4、磁感应装置5和控制装置，所述mems传感器2与气体流道1连接，所述气体感应装置3设于气体流道1内，所述磁铁4设于气体感应装置3上，所述磁感应装置5设于气体流道1的内壁，所述mems传感器2、气体感应装置3和磁感应装置5均与控制装置连接。
本实施例中所述磁感应装置5包括第一电阻51、感应芯片52、第一电容53、第二电容54、第二电阻55和MCU-IO56，所述第一电阻51的一端与电源连接，另一端通过导线分别与感应芯片52的引脚U1和第一电容53连接，所述第一电容53与第二电容54连接，所述感应芯片52的引脚U3通过导线与第一电容53和第二电容54之间的线路连接，所述感应芯片52的引脚U2与第二电阻55连接，所述第二电阻55的另一端与MCU-IO56连接，且所述第二电容54远离第一电容53的一端通过导线与感应芯片52和第二电容54之间线路连接，且所述第一电容53与感应芯片52的引脚U2连接的电路通过电路与接地端连接。
且本实施例中所述的电磁感应芯片可以是磁阻，干簧管等其他磁感应元件。
本实施例中所述第一电阻51采用限流电阻。
本实施例中所述感应芯片52采用霍尔芯片，其工作电流小于3 uA。
本实施例中所述气体感应装置3采用不锈钢SUS304制成额圆形金属片，其上部通过铰链与气体流道1连接，且其与气体流道1的管壁相配合。
本实施例中还包括复位弹簧，所述复位弹簧的两端一端与气体流道1连接，另一端与气体感应装置3连接。
本实施例中所述磁铁4位置能够根据需要对其进行调整。
本实施例中所述控制装置包括mems传感器控制模块、气流感应控制模块、磁感应控制模块、数字处理模块、模拟调理模块和控制器，所述mems传感器控制模块与mems传感器2连接，所述气流感应控制模块与气体感应装置3连接，所述磁感应控制模块与磁感应装置5连接，所述气流感应控制模块的输出端与磁感应控制模块的输入端连接，所述磁感应控制模块的输出端与数字处理模块的输入端双向连接，所述数字处理模块的输出端与模拟调理模块的输入端双向连接，所述模拟调理模块的输出端与mems传感器控制模块双向连接，所述mems传感器控制模块、气流感应控制模块、磁感应控制模块、数字处理模块和模拟调理模块均与控制器连接。
本实施例中所述的降低mems计量功耗的装置的工作方法，具体的工作方法如下：
1）：当气体流道1内有气体流动时，利用气体流动的压力或动力，推动气体感应装置3移动，从而打开流量计管道；
2）：在气体感应装置3移动时，其将带动其上的磁铁4一起移动，让磁铁4靠近磁感应装置5；
3）：当磁感应装置5中的感应芯片52感应到磁铁4靠近时，将把通过控制器将信号传送给数字处理模块，管道内有气体流动，则可以开始计量；
4）：当气体流动消失后，气体感应装置3将在重力作用或者是复位弹簧的推力下回至原位；
5）：在气体感应装置3回归原位的过程时，其将带动磁铁远离磁感应装置5，感应芯片52感应到磁铁4远离时，将信息传递数字处理模块，管道内气体流动停止，可以结束计量。
本实施例中所述的降低mems计量功耗的装置的工作方法，其特征在于：所述磁感应控制模块的具体工作方法如下： 在工作过程中，当没有磁铁靠近时感应芯片52U1、U2引脚输出高电平；
当磁铁靠近时，感应芯片52U1、U2引脚输出低电平，该电平信号连接到流量计的主控MCU的IO上，MCU可以通过中断或扫描的方式，了及时了解到霍尔芯片输出电平的高低，进行确认管道内气体流动的情况，从而控制mems传感器的工作，达到降低功耗的目的。
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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种降低mems计量功耗的装置，其特征在于：包括：气体流道（1）、 mems传感器（2）、气体感应装置（3）、磁铁（4）、磁感应装置（5）和控制装置，所述mems传感器（2）与气体流道（1）连接，所述气体感应装置（3）设于气体流道（1）内，所述磁铁（4）设于气体感应装置（3）上，所述磁感应装置（5）设于气体流道（1）的内壁，所述mems传感器（2）、气体感应装置（3）和磁感应装置（5）均与控制装置连接。
2.根据权利要求1所述的降低mems计量功耗的装置，其特征在于：所述磁感应装置（5）包括第一电阻（51）、感应芯片（52）、第一电容（53）、第二电容（54）、第二电阻（55）和MCU-IO（56），所述第一电阻（51）的一端与电源连接，另一端通过导线分别与感应芯片（52）的引脚U1和第一电容（53）连接，所述第一电容（53）与第二电容（54）连接，所述感应芯片（52）的引脚U3通过导线与第一电容（53）和第二电容（54）之间的线路连接，所述感应芯片（52）的引脚U2与第二电阻（55）连接，所述第二电阻（55）的另一端与MCU-IO（56）连接，且所述第二电容（54）远离第一电容（53）的一端通过导线与感应芯片（52）和第二电容（54）之间线路连接，且所述第一电容（53）与感应芯片（52）的引脚U2连接的电路通过电路与接地端连接。
3.根据权利要求2所述的降低mems计量功耗的装置，其特征在于：所述第一电阻（51）采用限流电阻。
4.根据权利要求2所述的降低mems计量功耗的装置，其特征在于：所述感应芯片（52）采用霍尔芯片，其工作电流小于3 uA。
5.根据权利要求2所述的降低mems计量功耗的装置，其特征在于：所述气体感应装置（3）采用不锈钢SUS304制成额圆形金属片，其上部通过铰链与气体流道（1）连接，且其与气体流道（1）的管壁相配合。
6.根据权利要求1所述的降低mems计量功耗的装置，其特征在于：还包括复位弹簧，所述复位弹簧的两端一端与气体流道（1）连接，另一端与气体感应装置（3）连接。
7.根据权利要求1所述的降低mems计量功耗的装置，其特征在于：所述磁铁（4）位置能够根据需要对其进行调整。
8.根据权利要求1所述的降低mems计量功耗的装置，其特征在于：所述控制装置包括mems传感器控制模块、气流感应控制模块、磁感应控制模块、数字处理模块、模拟调理模块和控制器，所述mems传感器控制模块与mems传感器（2）连接，所述气流感应控制模块与气体感应装置（3）连接，所述磁感应控制模块与磁感应装置（5）连接，所述气流感应控制模块的输出端与磁感应控制模块的输入端连接，所述磁感应控制模块的输出端与数字处理模块的输入端双向连接，所述数字处理模块的输出端与模拟调理模块的输入端双向连接，所述模拟调理模块的输出端与mems传感器控制模块双向连接，所述mems传感器控制模块、气流感应控制模块、磁感应控制模块、数字处理模块和模拟调理模块均与控制器连接。
9.根据权利要求1至8任一项所述的降低mems计量功耗的装置的工作方法，其特征在于：具体的工作方法如下：
1）：当气体流道（1）内有气体流动时，利用气体流动的压力或动力，推动气体感应装置（3）移动，从而打开流量计管道；
2）：在气体感应装置（3）移动时，其将带动其上的磁铁（4）一起移动，让磁铁（4）靠近磁感应装置（5）；
3）：当磁感应装置（5）中的感应芯片（52）感应到磁铁（4）靠近时，将把通过控制器将信号传送给数字处理模块，管道内有气体流动，则可以开始计量；
4）：当气体流动消失后，气体感应装置（3）将在重力作用或者是复位弹簧的推力下回至原位；
5）：在气体感应装置（3）回归原位的过程时，其将带动磁铁远离磁感应装置（5），感应芯片（52）感应到磁铁（4）远离时，将信息传递数字处理模块，管道内气体流动停止，可以结束计量。
10.根据权利要求9所述的降低mems计量功耗的装置的工作方法，其特征在于：所述磁感应控制模块的具体工作方法如下： 在工作过程中，当没有磁铁靠近时感应芯片（52）U1、U2引脚输出高电平；
当磁铁靠近时，感应芯片（52）U1、U2引脚输出低电平，该电平信号连接到流量计的主控MCU的IO上，MCU可以通过中断或扫描的方式，了及时了解到霍尔芯片输出电平的高低，进行确认管道内气体流动的情况，从而控制mems传感器的工作，达到降低功耗的目的。
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