CN220084743U - 一种mems气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种MEMS气体传感器，包括PCB线路板，所述PCB线路板的上部设有MCU模块、远传模块、模拟调理电路模块和电源管理模块；所述电源管理模块为PCB线路板提供电源，模拟调理电路模块采集并处理气体管道中的气体信号，传送至MCU模块运算输出流量、温度和压力值，最后通过远传模块将气体管道中的流量、温度和压力值传送至燃气公司的服务器上，方便燃气公司查看，同时方便燃气公司进行管理，并根据数据进行管控；能做到覆盖整个燃气终端网络的监控，有效提升燃气运营能力，且不会带来太多的成本要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体传感器技术领域，是一种MEMS气体传感器。
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。
燃气调压箱：是燃气输配系统中的重要组成部分，因其结构紧凑、占地面积小、节省投资、安装使用方便等优势得到广泛的推广应用。箱内的基本配置有进、出口阀门、过滤器、调压器及相应的测量仪表，也可加装波纹补偿器、超压放散阀、超压切断阀等附属安全设备。同时，根据使用情况和用户要求，可以组装成单路、双路或多路的燃气调压箱。
天然气销售运营公司向终端客户，如居民、工商户提供天燃气都需要用到一种叫做调压箱的装置。燃气调压箱可以将燃气管网中的高中压燃气调压到适用于终端用户压力(一般小于10KPa)的天然气，也有过滤灰尘杂质，压力超压切断保护等功能。在实际生产应用中，燃气运营公司想得到调压箱的气体数据，包括流量、温度、压力等，用于监控调压箱的运营情况，通常的做法是在调压箱内安装一台具有远传功能的超声波流量计或者机械流量计。这种做法的问题主要有两个：
一：超声波流量计或者机械流量计单台平均价格都上万，甚至几万，燃气公司成本压力大；二：超声波流量计或者机械流量计体积很大，且对安装要求高，小体积的调压箱安装不下。所以燃气公司在实际运营过程中，安装有超声波流量计或者机械流量计的调压箱不足10％，远没有达到燃气运营公司希望监控整个管网终端的目的。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种MEMS气体传感器，解决了现有技术中的调压箱在实际应用中获取流量、温度、压力等数据时存在一定的困难的问题。
技术方案：本实用新型提供了一种MEMS气体传感器，包括PCB线路板，所述PCB线路板的上部设有MCU模块、远传模块、模拟调理电路模块和电源管理模块；所述电源管理模块为PCB线路板提供电源，模拟调理电路模块采集并处理气体管道中的气体信号，传送至MCU模块运算输出流量、温度和压力值，最后通过远传模块将气体管道中的流量、温度和压力值传送至燃气公司的服务器上。
进一步地，所述模拟调理电路模块包括流量检测调理电路、温度检测调理电路和压力检测调理电路。
进一步地，所述流量检测调理电路包括恒温差电路和流量采样电路，所述恒温差电路上的外部安装于PCB线路板的上电阻Ra、Rb和Rc与设置在mems芯片上的环境电阻器Rr和加热电阻器Rh一起经过运放构成反馈回路；所述流量检测调理电路上外部安装于PCB线路板上的R1、R2电阻器，与上游测温电阻器Ru和下游测温传感器Rd构成惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经过电容滤波后的电压信号输送至MCU模块，经过MCU模块内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块运算输出流量值。
进一步地，所述温度检测调理电路上的外部安装于PCB线路板上电阻器R3、R4、R5和测温电阻器Rt构成的惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经电容滤波后的电压信号输送至MCU模块，经过MCU模块内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块运算输出温度值。Rt与受温度影响具有单调线性带有电阻特性的温度传感器。
进一步地，所述压力检测调理电路上的由外部安装于PCB线路板上的电阻器R6、R7、R8和电阻应变片Rp构成惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经电容滤波后的电压信号输送至MCU模块，经过MCU模块内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块运算输出压力值。
进一步地，所述PCB线路板的材质为FR-4，所述PCB线路板的厚度为0.8mm，并且PCB线路板上铜箔厚度为35um。
进一步地，所述MCU模块、远传模块、模拟调理电路模块和电源管理模块所在的PCB线路板外部包覆有塑料层，所述塑料层采用ABS塑料，并且塑料层的厚度为0.3mm。
进一步地，所述MCU模块采用MSP430AFE233或MSP430AFE253，并且MCU模块的信号输入端可采集MEMS压力传感器和MEMS流量温度传感器的MEMS气体流量信号、MEMS温度信号、mems压力信号，所述MCU模块上的UART接口可与远传模块通信。
进一步地，所述远传模块采用BC28-CNV NB通讯模组。
上述技术方案可以看出，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型所述的MEMS气体传感器，具有如下优点：
一：成本低，单台成本小于千元，燃气公司完全可以承受成本压力。
二：体积小：高小于20厘米，长和宽均小于10厘米。任何一台调压箱都可以安装得下。
三：能够提供气体流量、温度、压力等参数，并通过远传的方式定时传送到后台，方便燃气公司查看。
燃气公司采用本专利发明的mems气体传感器，能做到覆盖整个燃气终端网络的监控，有效提升燃气运营能力，且不会带来太多的成本要求。
附图说明
图1为本实用新型所述MEMS气体传感器的结构示意图；
图2为本实用新型所述MCU模块的结构示意图；
图3为本实用新型所述远传模块的结构示意图；
图4为本实用新型所述流量检测调理电路的结构示意图；
(a)恒温差电路的电路图；
(b)流量采样电路的电路图；
图5为本实用新型所述温度检测调理电路的电路图；
图6为本实用新型所述压力检测调理电路的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，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，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
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。在本实用新型的描述中，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。
在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，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
如图1所示地一种MEMS气体传感器，包括PCB线路板1，所述PCB线路板1的上部设有MCU模块2、远传模块3、模拟调理电路模块4和电源管理模块5；所述电源管理模块5为PCB线路板1提供电源，模拟调理电路模块4采集并处理气体管道中的气体信号，传送至MCU模块2运算输出流量、温度和压力值，最后通过远传模块3将气体管道中的流量、温度和压力值传送至燃气公司的服务器上。
本实施例中所述模拟调理电路模块4包括流量检测调理电路、温度检测调理电路43和压力检测调理电路44。
其中，所述流量检测调理电路包括恒温差电路41和流量采样电路42，如图4(a)所示，所述恒温差电路41上的外部安装于PCB线路板的上电阻Ra、Rb和Rc与设置在mems芯片上的环境电阻器Rr和加热电阻器Rh一起经过运放构成反馈回路；如图4(b)所示，所述流量检测调理电路42上外部安装于PCB线路板1上的R1、R2电阻器，与上游测温电阻器Ru和下游测温传感器Rd构成惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经过电容滤波后的电压信号输送至MCU模块2，经过MCU模块2内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块2内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块2运算输出流量值。
利用环境电阻器Rr和加热电阻器Rh构成的恒温差电路41，可以制成气体流量传感器，气体流量越大，加热电阻器Rh的热损失越大，通过测量恒温差电路41的驱动电压可以确定气体流量的大小，但不能判断气体的流向。在气体流量传感器的基础上，上下游测温电阻器构成惠斯通电桥，可以制成热量计式气体流量传感器，由于上下游测温电阻器对称地分布在加热电阻器两边，当气体的流量为零时，加热电阻器Rh形成的温度场使得上下游测温电阻器具有相同的温升；当气体流量不为零时，上游电阻器的温升较小，下游电阻器的温升较大。所以，通过测量惠斯通电桥的输出电压，即测得气体流量的大小，同时可以测得气流的方向。
本实施例中Rr和Rh均为铂电阻，位于气体流量传感器的内部，且相邻，Rh阻值较小，通电发热作为热源电阻，Rr阻值较大，作为感温电阻，当Rh通电发热时，Rr会受热，根据铂电阻热性温度改变，铂电阻阻值大小线性变化，通过调节恒温差电路41中的Ra、Rb、Rc的电阻值，可以控制Rh和Rr的温差值，且保持要求的恒定温差。
如图6所示，所述恒温差电路41包括Ra、Rb、Rc、Rr、Rh和运算放大器411。Ra，Rb，Rc为外部安装于PCB线路板上的电阻器，与芯片上的Rr和Rh一起经过运放形成反馈回路。根据运放的虚短虚断特性，可以设计出合适的外部电阻器取值。恒温差电路没有供电时，Rr及Rh的温度与待测气体的温度相同，设气体的温度为T，根据铂电阻器的温度变化特性，Rh的阻值可以表示为Rh＝Rh0(1+αT)(1),Rh0为0℃时加热电阻器的电阻值，α为铂电阻器的温度系数。同理，环境电阻器Rr的阻值可以表示为Rr＝Rr0(1+αT)(2)。式中Rr0为0℃时环境电阻器的电阻值。恒温差电路通电之后，利用运放的虚断特性，流入运放正向输入端和反向输入端的电流都为零；利用运放的虚断特性，电路达到平衡状态时，正向输入端和反向输入端之间的电压差为零，所以有：
Rr+RcRa+Rr+Rc＝R'hRb+R'h(3)；
式中R'h为电路达到平衡状态时加热电阻器的电阻值。整理之后可以得到：
R'h＝Rb(Rc+Rr)/Ra(4)；
再利用铂电阻器的温度特性R'h＝Rh0(1+αT')结合。
式(4)，可以得出电路平衡时加热电阻器的温度表达式。
T'＝(Rb(Rc+Rr)RaRh0－1)/α(5)；
上述结果按情况分析：
1)如果Rc＝0且RbRr/Ra＞Rh，联合式(2)与式(5)可以得到：
ΔT＝T'－T＝(RbRrRaRh－1)/α+(RbRrRaRh－1)T(6)；
式中ΔT与T相关，随着气体温度的变化而变化，说明如果不引入Rc，仅仅通过Ra与Rb设定加热电阻器温度的电路不能实现恒温差。
2)如果Rc＞0且Ra/Rb＝Rr/Rh，再结合式(2)与式(5)
可以得到ΔT＝T'－T＝Rc/αRr0(7)；
式中ΔT为一个常量，不受气体温度影响。所以，恒温差
电路的条件为Ra/Rb＝Rr/Rh(8)；
Rc＝αRr0ΔT(9)；
对于批量生产的流量传感器，并不能保证每个传感器都严格满足式(8)，所以，考虑更一般情况，Ra/Rb≈Rr/Rh，设Rc＝αRr0τ，τ时一个常数，带入式(5)，并结合式(1)和式(2)得到：
ΔT＝T'－T＝RbRrRaRhτ+(RbRrRaRh－1)T+(RbRrRaRh－1)/α(10)；如果Ra/Rb＝Rr/Rh，式(10)可以简化为ΔT＝τ，结果与式(7)相同；如果RbRr/RaRh＝0.99，式(10)右边受气体温度影响的第二项为0.01T，气体温度变化范围为60℃时，ΔT变化0.6℃，是一个比较小的值。所以，批量生产时以测得同一批流片流量芯片Rr/Rh的平均值，使得Ra/Rb的值尽量接近这一平均值，再利用式(9)设置加热电阻器的温差。
如图4(b)所示R1与R2为外部安装于PCB板1上的电阻器，取相同的阻值。阻值过小会导致Ru与Rd流过的电流较大从而引起自身发热；阻值过大会导致电桥的输出电压太小而降低信噪比。惠斯通电桥输出的电压首先经过MCU模块内置的放大器PGA放大一定的倍数，再经过MCU模块内置的ADC转变为数字信号，最终经过单片机MCU模块2运算并输出流量值。本实施例中惠斯通电桥的输出电压与气体流量成曲线关系。
其中，R1与下游测温电阻器Rd并联，R2和上游测温电阻器Ru串联，再并联构成惠斯通电桥，由于上游测温电阻器Ru和下游测温电阻器Rd对称地分布在加热电阻器Rh两边，当气体的流量为零时，加热电阻器形成的温度场使得上游测温电阻器Ru和下游测温电阻器Rd具有相同的温升；当气体流量不为零时，上游测温电阻器Ru的温升较小，下游测温电阻器Rd的温升较大。所以，通过测量惠斯通电桥的输出电压，即测得气体流量的大小，同时可以测得气流的方向。
如图5所示，所述温度检测调理电路43上的外部安装于PCB线路板1上电阻器R3、R4、R5和测温电阻器Rt构成的惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经电容滤波后的电压信号输送至MCU模块2，经过MCU模块2内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块2运算输出温度值。图中温度检测调理电路上外部安装于PCB线路板上电阻器R3、R4、R5和测温电阻器Rt构成的惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经电容滤波后的电压信号输送至MCU模块，经过MCU模块内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块运算输出温度值。Rt与受温度影响具有单调线性带有电阻特性的温度传感器。其中，R3和R4串联，R5和Rt串联，再并联构成惠斯通电桥；Rt受温度影响，具有单调或者线性的带有电阻特性的传感器，惠斯通电桥输出的电压首先经过MCU模块2内置的放大器PGA放大一定的倍数，再经过MCU模块2内置的ADC转变为数字信号，最终经过单片机MCU模块2运算并输出温度值。本实施例中惠斯通电桥输出的电压与温度值成线性关系。
图中所述压力检测调理电路44上的由外部安装于PCB线路板上的电阻器R6、R7、R8和电阻应变片Rp构成惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经电容滤波后的电压信号输送至MCU模块2，经过MCU模块2内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块运算输出压力值。其中，R6与R7串联，R8与Rp串联，再并联构成惠斯通电桥，惠斯通电桥输出的电压首先经过MCU模块2内置的放大器PGA放大一定的倍数，再经过MCU模块2内置的ADC转变为数字信号，最终经过单片机MCU模块2运算并输出压力值。本实施例中惠斯通电桥输出的电压与压力值成线性关系。
本实施例中Rp封装于硅压式mes压力传感器101中，硅压式mes压力传感器101邦定于PCB线路板1上，制作时，首先在抛光的硅衬底上经光刻注入生成一根电阻应变片Rp，电阻应变片Rp被设计在硅膜表面应力最大处，组成惠斯顿电桥，然后在圆片背面，从硅片中部刻蚀出一个应力杯。最后键合圆片背面。根据产品应用，即可以在应力杯中抽真空制成绝压MEMS器件，也可以维持应力杯和大气相通制成表压MEMS器件。产品封装后，当硅膜两边的压力差发生变化时，应力硅膜会发生弹性形变，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。
如图3所示的远传模块3上海移远公司生产的BC28-CNV NB通讯模组，该模组体积小，通讯频段支持全网通。
本实施例中电源管理模块5为MEMS气体传感器提供模拟电源和数字电源。
本实施例中所述PCB线路板1设计为一个长为150mm宽为70mm的异形PCB，并且PCB线路板1的材质为FR-4，所述PCB线路板1的厚度为0.8mm，并且PCB线路板1上铜箔厚度为35um。所述MCU模块2、远传模块3、模拟调理电路模块4和电源管理模块5所在的PCB线路板1外部包覆有塑料层，所述塑料层采用ABS塑料，并且塑料层的厚度为0.3mm。将MCU模块2、远传模块3、模拟调理电路模块4和电源管理模块5采用SMT生产，贴装于PCB上。
本实施例中5只铂电阻器，分别是环境电阻器Rr、上游测温电阻器Ru、加热电阻器Rh以及下游测温电阻器Rd，测温电阻器Rt集成到一个mems芯片100上，mems芯片100裸露设置在PCB线路板1上，与气体充分接触。其中mems芯片100的芯片尺寸为3mm×5mm×0.3mm，包含其中前4个电阻器配合构成流量传感器。测温电阻器Rt用于温度测量。电阻器的表面由氧化硅和氮化硅层覆盖，避免铂金属直接与气体接触。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种MEMS气体传感器，其特征在于：包括PCB线路板（1），所述PCB线路板（1）的上部设有MCU模块（2）、远传模块（3）、模拟调理电路模块（4）和电源管理模块（5）；所述电源管理模块（5）为PCB线路板（1）提供电源，模拟调理电路模块（4）采集并处理气体管道中的气体信号，传送至MCU模块（2）运算输出流量、温度和压力值，最后通过远传模块（3）将气体管道中的流量、温度和压力值传送至燃气公司的服务器上。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于：所述模拟调理电路模块（4）包括流量检测调理电路（41）、温度检测调理电路（43）和压力检测调理电路（44）。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于：所述流量检测调理电路（41）包括恒温差电路（411）和流量采样电路（412），所述恒温差电路（411）上的外部安装于PCB线路板的上电阻Ra、Rb和Rc与设置在mems芯片上的环境电阻器Rr和加热电阻器Rh一起经过运放构成反馈回路；所述流量检测调理电路（41）上外部安装于PCB线路板（1）上的R1、R2电阻器，与上游测温电阻器 Ru和下游测温传感器Rd构成惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经过电容滤波后的电压信号输送至MCU模块（2）， 经过MCU模块（2）内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块（2）内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块（2）运算输出流量值。
4.根据权利要求2所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于：所述温度检测调理电路（43）上的外部安装于PCB线路板（1）上电阻器R3、R4、R5和测温电阻器Rt构成的惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经电容滤波后的电压信号输送至MCU模块（2）， 经过MCU模块（2）内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块（2）运算输出温度值。
5.根据权利要求2所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于：所述压力检测调理电路（44）上的由外部安装于PCB线路板（1）上的电阻器R6、R7、R8 和电阻应变片Rp构成惠斯通电桥，惠斯通电桥输出电压经电容滤波后的电压信号输送至MCU模块（2）， 经过MCU模块（2）内置的放大器PGA放大，再经过MCU模块（2）内置的ADC转变为数字信号，最后经过MCU模块（2）运算输出压力值。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于：所述PCB线路板（1）的材质为FR-4，所述PCB线路板（1）的厚度为0.8mm，并且PCB线路板（1）上铜箔厚度为35um。
7.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述MCU模块（2）、远传模块（3）、模拟调理电路模块（4）和电源管理模块（5）所在的PCB线路板（1）外部包覆有塑料层，所述塑料层采用ABS塑料，并且塑料层的厚度为0.3mm。
8.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述MCU模块（2）采用MSP430AFE233或MSP430AFE253。
9.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述远传模块（3）采用BC28-CNV NB通讯模组。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202320987153.4U CN220084743U (zh) | 2023-04-27 | 2023-04-27 | 一种mems气体传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
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| CN220084743U true CN220084743U (zh) | 2023-11-24 |
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Family Applications (1)
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| CN202320987153.4U Active CN220084743U (zh) | 2023-04-27 | 2023-04-27 | 一种mems气体传感器 |
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