CN212513175U - 一种基于mems气体流量传感器的流量检测模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，包括差分放大电路模块和气体流量传感器，所述差分放大电路模块用于对气体流量传感器检测到的气体流量电压信号进行差分放大处理，差分放大电路模块的第一输入端口和第二输入端口分别连接气体流量传感器的第一输出端口和第二输出端口，差分放大电路模块的输出端Vout连接MCU。上述基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，通过差分放大电路模块对气体流量传感器的输出电压进行处理，并放大后输出至MCU中处理，既能对属于差模信号的气体流量传感器的两个输出电压进行放大，亦能对属于共模信号的温度变化造成输出电压同步变化进行抑制，有效避免了外部温度环境对气体流量传感器的测量影响。

Description

一种基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块

技术领域

本实用新型涉及气体流量传感器及其检测电路领域，尤其是一种基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块。

背景技术

气体流量传感器，是一种能够检测气体流量大小的传感器器件。该器件能够检测到气体流量的大小的信号，并转化为电信号，电路通过识别电信号，达到识别气体流量大小的目的。气体传感器的实现方式有多种，如旋浆式，浮子式，超声波式，热线式等。气体流量传感器广泛应用于气体堵塞检测、燃烧控制、管道风量控制等场合。随着人工智能，物联网等电子技术的发展，传感器类的元器件需求快速增长，特别是具有封装小，功耗低，灵敏度高的气体传感器最受欢迎。

本实用新型侦测气体部分采用的是封装小，功耗低，且灵敏度高的MEMS热线式结构传感器，放大电路采用高输入阻抗的运算放大器和多个电阻组成，由于采用MEMS技术的气体流量传感器具有功耗低的特性，其输出信号较为微弱，如何对传感器输出的微弱信号进行线性放大，是本实用新型攻克的难题。

实用新型内容

鉴于上述状况，有必要提供一种基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，解决对气体流量传感器的传输信号进行线性放大的问题，且避免外部温度环境对气体流量传感器的测量影响。

一种基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，包括差分放大电路模块和气体流量传感器，所述差分放大电路模块用于对气体流量传感器检测到的气体流量电压信号进行差分放大处理，差分放大电路模块的第一输入端口和第二输入端口分别连接气体流量传感器的第一输出端口和第二输出端口，差分放大电路模块的输出端Vout连接MCU。

优选的，差分放大电路模块包括运算放大器一U1、运算放大器二U2、运算放大器三U3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7，运算放大器一U1的同相输入端作为差分放大电路模块的第一输入端口，第四电阻R4的第一引脚同时连接第三电阻R3的第一引脚和运算放大器一U1的反相输入端，第四电阻R4的第二引脚同时连接运算放大器一U1的输出端和第一电阻R1的第一引脚，第一电阻R1的第二引脚同时连接第二电阻R2的第一引脚和运算放大器三U3的反相输入端，第二电阻R2的第二引脚连接运算放大器三U3的输出端，运算放大器U3的输出端差分放大电路模块的输出端Vout，运算放大器二U2的同相输入端作为差分放大电路模块的第二输入端口，运算放大器二U2的反相输入端同时连接第三电阻R3的第二引脚和第七电阻R7的第一引脚，第七电阻R7的第二引脚同时连接运算放大器U2的输出端和第五电阻R5的第一引脚，第五电阻R5的第二引脚同时连接运算放大器U3的同相输入端和第六电阻R6的第一引脚，第六电阻R6的第二引脚接地。

优选的，第一电阻R1和第五电阻R5的阻值相等，第二电阻R2和第六电阻R6的阻值相等，第四电阻R4和第七电阻R7的阻值相等。

优选的，气体流量传感器包括底座、外壳、MEMS热线式气流传感器芯片、加热组件RT、热电堆传感器一、热电堆传感器二，所述加热组件RT、热电堆传感器一和热电堆传感器二集成于MEMS热线式气流传感器芯片130上，所述加热组件RT通过稳压器LDO连接电源VCC，MEMS热线式气流传感器芯片固定在底座上，外壳同样设置在底座上，且外壳罩住MEMS热线式气流传感器芯片，MEMS热线式气流传感器芯片通过金线与底座的引脚邦定，外壳上设置有两个对流孔便于气流流过MEMS热线式气流传感器芯片的表面，所述MEMS热线式气流传感器芯片的第一输出端口和第二输出端口所在引脚邦定的对应的所述底座的引脚分别连接所述差分放大电路模块的第一输入端口和第二输入端口，所述热电堆传感器一的输出端作为所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的第一输出端口，所述热电堆传感器二的输出端作为所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的第二输出端口。

优选的，MEMS热线式气流传感器芯片通过固晶技术固定于底座上，金线的一端焊接在MEMS热线式气流传感器芯片的功能引脚上，另一端焊接在底座的焊盘上，使功能引脚与焊盘两者导通。

优选的，对流孔包括第一对流孔和第二对流孔，第一对流孔和第二对流孔在外壳上相对设置。

优选的，外壳呈扁平的立方体状，第一对流孔设置在外壳的侧面上，第二对流孔设置在第一对流孔相对的侧面上。

优选的，第一对流孔的大小以及形状与第二对流孔完全相同。

优选的，第一对流孔大于或小于第二对流孔。

上述基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，通过差分放大电路模块对气体流量传感器的输出电压进行处理，并放大后输出至MCU中处理，既能对属于差模信号的气体流量传感器的两个输出电压进行放大，亦能对属于共模信号的温度变化造成输出电压同步变化进行抑制，有效避免了外部温度环境对气体流量传感器的测量影响；

上述MEMS气体流量传感器，通过使用MEMS气体流量传感器，具备体积小、能耗低、响应快等特点，利用对流孔减小回风干扰以及减小芯片对气流通道阻碍的影响，从而在保证高性能的同时实现了小尺寸封装。

附图说明

图1是本实用新型基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块的电路结构图；

图2是本实用新型MEMS气体流量传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参见图1-2，本实用新型一种基于MEMS气体流量传感器100的流量检测模块，包括差分放大电路模块200和气体流量传感器100，所述差分放大电路模块200用于对气体流量传感器100检测到的气体流量电压信号进行差分放大处理，所述差分放大电路模块200的第一输入端口和第二输入端口分别连接所述气体流量传感器100的第一输出端口和第二输出端口，所述差分放大电路模块200的输出端Vout连接MCU。

所述气体流量传感器100包括加热组件RT、热电堆传感器一、热电堆传感器二，所述加热组件RT通过稳压器LDO连接电源VCC，所述热电堆传感器一的输出端作为气体流量传感器100的第一输出端口，所述热电堆传感器二的输出端作为气体流量传感器100的第二输出端口。

所述差分放大电路模块200包括运算放大器一U1、运算放大器二U2、运算放大器三U3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7，所述运算放大器一U1的同相输入端作为所述差分放大电路模块200的第一输入端口，所述第四电阻R4的第一引脚同时连接所述第三电阻R3的第一引脚和所述运算放大器一U1的反相输入端，所述第四电阻R4的第二引脚同时连接所述运算放大器一U1的输出端和第一电阻R1的第一引脚，所述第一电阻R1的第二引脚同时连接所述第二电阻R2的第一引脚和所述运算放大器三U3的反相输入端，所述第二电阻R2的第二引脚连接所述运算放大器三U3的输出端，所述运算放大器U3的输出端差分放大电路模块200的输出端Vout，所述运算放大器二U2的同相输入端作为所述差分放大电路模块200的第二输入端口，所述运算放大器二U2的反相输入端同时连接所述第三电阻R3的第二引脚和所述第七电阻R7的第一引脚，所述第七电阻R7的第二引脚同时连接所述运算放大器U2的输出端和所述第五电阻R5的第一引脚，所述第五电阻R5的第二引脚同时连接所述运算放大器U3的同相输入端和第六电阻R6的第一引脚，所述第六电阻R6的第二引脚接地。

所述第一电阻R1和第五电阻R5的阻值相等，所述第二电阻R2和第六电阻R6的阻值相等，所述第四电阻R4和第七电阻R7的阻值相等。

也即，所述差分放大电路模块200为一种对称电路。

本实施例的原理如下：

具体的，加热组件加热并产生热量，在气体通过加热组件上方时，热量会发生热移动，设置于气体移动方向上的加热组件两侧的热电堆传感器会对热量进行感应并产生不同的感应电压信号。

具体的，热电堆传感器一产生的电压信号Vu通过运算放大器U1的同相输入端进入所述差分放大电路模块200的第一输入端口，热电堆传感器二产生的电压信号Vd通过运算放大器U2的同相输入端进入所述差分放大电路模块200的第二输入端口。

具体的，由于差分电路只有在两个输入端口的电压信号存在差异时，才会对该信号进行放大，故，在没有气体通过气体流量传感器100时，差分放大电路模块200的输出端Vout是没有信号的，而且差分电路只放大差模而抑制共模的特性，使得本电路在抗干扰方面具有很大的作用。

具体的，差分放大电路具有电路对称性的特点，本实施例中，第一电阻R1和第五电阻R5的阻值相等，所述第二电阻R2和第六电阻R6的阻值相等，所述第四电阻R4和第七电阻R7的阻值相等。

本实施例的放大公式为：

具体的，气体流量传感器100为MEMS热线式传感器。

具体的，气体流量传感器100和差分放大电路模块200均设置在一块PCB板上。

具体的，气体流量传感器100包括底座120、外壳110、MEMS热线式气流传感器芯片130、加热组件RT、热电堆传感器一、热电堆传感器二，所述加热组件RT、热电堆传感器一和热电堆传感器二集成于MEMS热线式气流传感器芯片(130)上，所述加热组件RT通过稳压器LDO连接电源VCC，所述MEMS热线式气流传感器芯片130固定在所述底座120上，所述外壳110同样设置在所述底座120上，且所述外壳110罩住所述MEMS热线式气流传感器芯片130，所述MEMS热线式气流传感器芯片130通过金线140与所述底座120的引脚绑定，所述外壳110上设置有两个对流孔便于气流流过所述MEMS热线式气流传感器芯片130的表面，所述MEMS热线式气流传感器芯片130的第一输出端口和第二输出端口所在引脚邦定的对应的所述底座120的引脚分别连接所述差分放大电路模块200的第一输入端口和第二输入端口，所述热电堆传感器一的输出端作为所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的第一输出端口，所述热电堆传感器二的输出端作为所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的第二输出端口。本实用新型由于采用了MEMS热线式气体流量传感器100，具备体积小、能耗低、响应快、压力损失小等特点，利用对流孔减小回风干扰以及减小芯片对气流通道阻碍的影响，从而在保证高性能的同时实现了小尺寸封装。

具体的，加热组件RT、热电堆传感器一和热电堆传感器二集成于MEMS热线式气流传感器芯片130上，热电堆传感器一的输出端连接MEMS热线式气流传感器芯片130第一输出端口，热电堆传感器二的输出端连接MEMS热线式气流传感器芯片130第二输出端口。

更进一步地，所述MEMS热线式气流传感器芯片130通过固晶技术固定于所述底座120上。固晶技术通常用于LED芯片的固定，具体为点胶（导电胶或者绝缘胶）加烘烤，使芯片固定于支架上，在本实用新型中，MEMS热线式气流传感器芯片130也是通过这一方式固定在底座120上的。底座120采用的是陶瓷材质，也可以是PCB等其他常用材质，在此不做具体的限定。

更进一步地，所述金线140的一端焊接在所述MEMS热线式气流传感器芯片130的功能引脚上，另一端焊接在所述底座120的焊盘上，使功能引脚与焊盘两者导通。邦定一词来源于bonding，意译为“芯片打线”或者“帮定”。邦定是芯片生产工艺中一种打线的方式，一般用于封装前将芯片内部电路用金线140或铝线与封装管脚或线路板镀金铜箔连接，来自超声波发生器的超声波（一般为40-KHz）,经换能器产生高频振动，通过变幅杆传送到劈刀，当劈刀与引线及被焊件接触时，在压力和振动的作用下，待焊金属表面相互摩擦，氧化膜被破坏，并发生塑性变形，致使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子距离的结合，最终形成牢固的机械连接。

更进一步地，所述对流孔包括第一对流孔111和第二对流孔112，所述第一对流孔111和所述第二对流孔112在所述外壳110上相对设置。

更进一步地，所述外壳110呈扁平的立方体状，所述第一对流孔111设置在所述外壳110的侧面上，所述第二对流孔112设置在所述第一对流孔111相对的侧面上。可以理解的是，气流通过第一对流孔111或者第二对流孔112进入外壳110内，并从第二对流孔112或者第一对流孔111流出，对流孔的设置降低了外壳110内的回风干扰，使芯片能够保证高灵敏度。

更进一步地，所述第一对流孔111的大小以及形状与所述第二对流孔112完全相同。

更进一步地，所述第一对流孔111大于或小于第二对流孔112。

在使用时，选择与管道相切的方向进行安装，同时保证第一对流孔111和第二对流孔112的方向与管道内气流的流向相对应，保证了气流流过MEMS热线式气流传感器芯片130的表面的顺畅，同时也减小传感器对于管道内气流流动的阻碍。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：包括差分放大电路模块（200）和气体流量传感器（100），所述差分放大电路模块（200）用于对气体流量传感器（100）检测到的气体流量电压信号进行差分放大处理，所述差分放大电路模块（200）的第一输入端口和第二输入端口分别连接所述气体流量传感器（100）的第一输出端口和第二输出端口，所述差分放大电路模块（200）的输出端Vout连接MCU。

2.如权利要求1所述的基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：所述差分放大电路模块（200）包括运算放大器一U1、运算放大器二U2、运算放大器三U3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7，所述运算放大器一U1的同相输入端作为所述差分放大电路模块（200）的第一输入端口，所述第四电阻R4的第一引脚同时连接所述第三电阻R3的第一引脚和所述运算放大器一U1的反相输入端，所述第四电阻R4的第二引脚同时连接所述运算放大器一U1的输出端和第一电阻R1的第一引脚，所述第一电阻R1的第二引脚同时连接所述第二电阻R2的第一引脚和所述运算放大器三U3的反相输入端，所述第二电阻R2的第二引脚连接所述运算放大器三U3的输出端，所述运算放大器U3的输出端差分放大电路模块（200）的输出端Vout，所述运算放大器二U2的同相输入端作为所述差分放大电路模块（200）的第二输入端口，所述运算放大器二U2的反相输入端同时连接所述第三电阻R3的第二引脚和所述第七电阻R7的第一引脚，所述第七电阻R7的第二引脚同时连接所述运算放大器U2的输出端和所述第五电阻R5的第一引脚，所述第五电阻R5的第二引脚同时连接所述运算放大器U3的同相输入端和第六电阻R6的第一引脚，所述第六电阻R6的第二引脚接地。

3.如权利要求2所述的基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：所述第一电阻R1和第五电阻R5的阻值相等，所述第二电阻R2和第六电阻R6的阻值相等，所述第四电阻R4和第七电阻R7的阻值相等。

4.如权利要求1所述的基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：所述气体流量传感器（100）包括底座（120）、外壳（110）、MEMS热线式气流传感器芯片（130）、加热组件RT、热电堆传感器一、热电堆传感器二，所述加热组件RT、热电堆传感器一和热电堆传感器二集成于MEMS热线式气流传感器芯片(130)上，所述加热组件RT通过稳压器LDO连接电源VCC，所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）固定在所述底座（120）上，所述外壳（110）同样设置在所述底座（120）上，且所述外壳（110）罩住所述MEMS热线式气流传感器芯片（130），所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）通过金线（140）与所述底座（120）的引脚邦定，所述外壳（110）上设置有两个对流孔便于气流流过所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的表面，所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的第一输出端口和第二输出端口所在引脚邦定的对应的所述底座（120）引脚分别连接所述差分放大电路模块（200）的第一输入端口和第二输入端口，所述热电堆传感器一的输出端作为所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的第一输出端口，所述热电堆传感器二的输出端作为所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的第二输出端口。

5.如权利要求4所述的基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）通过固晶技术固定于所述底座（120）上，所述金线（140）的一端焊接在所述MEMS热线式气流传感器芯片（130）的功能引脚上，另一端焊接在所述底座（120）的焊盘上，使功能引脚与焊盘两者导通。

6.如权利要求4所述的基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：所述对流孔包括第一对流孔（111）和第二对流孔（112），所述第一对流孔（111）和所述第二对流孔（112）在所述外壳（110）上相对设置。

7.如权利要求6所述的基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：所述外壳（110）呈扁平的立方体状，所述第一对流孔（111）设置在所述外壳（110）的侧面上，所述第二对流孔（112）设置在所述第一对流孔（111）相对的侧面上。

8.如权利要求6所述的基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：所述第一对流孔（111）的大小以及形状与所述第二对流孔（112）完全相同。

9.如权利要求6所述的基于MEMS气体流量传感器的流量检测模块，其特征在于：所述第一对流孔（111）大于或小于第二对流孔（112）。

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