本文设计了一种新型的热膜流量传感器。
传感器在温度平衡模式下运行，可以通过控制芯片表面的温度平衡来检测360°全向流动。芯片包含四个恒温差（CTD）模块，每个模块包含一个加热元件和一个灵敏度传感器。个CTD模块用于加热芯片，并且通过控制每个区域的加热功率以维持芯片区域之间的温度平衡，可以使用四个加热功率之间的差动操作来监控流量。向的。试后，基于温度平衡控制系统的全向流量监控系统的流向测试误差小于2°。过去的20年中，基于微机械硅的流量传感器得到了广泛的研究[1]。中，半导体热流量传感器被认为是最有效的传感器之一。前，它们已被广泛用于天气监测，工业自动化控制和汽车发动机控制。于室外应用，传感器表面必须保持足够平坦，并且传感器周围不能有障碍物，因此必须特别注意传感器的包装。前，由于陶瓷材料的良好机械和热性能，一些热流传感器是在陶瓷基板上制备的，或者用陶瓷材料包裹传感器芯片[2]-[3] 。度平衡（TB）模式是热流量传感器控制系统的主要模式之一。模式通过控制不同加热元件之间的功率差以保持芯片每个区域的温度来消除传感器芯片每个区域的温度差。
差恒定为0。B模式的最大优势当流量为0时，输出信号为0，避免了芯片环境温度变化引起的测试误差，可以对流体进行360°全向测试。文提出的热流传感器是在陶瓷基板上制备的，该传感器包含4个恒温差（CTD）模块，每个模块均包含一个加热元件和一个采用热耦合的温度测量元件。热元件和温度测量元件。方面，控制芯片的每个区域的温度保持平衡，另一方面，芯片的整体温度保持在高于环境温度的固定值。响传热的主要因素有三个，即热传导，热对流和热辐射。于热流传感器，通过检测芯片表面的热损失和由流体引起的热分布变化，可以获得速度和流向信息。效应的这种变化仅由热对流因子引起。图1所示，设计的传感器包括4个CTD模块，恒温阀芯称为E1，E2，E3和E4。4个模块在芯片表面对称分布。个CTD模块都包含一个加热元件（分别命名为HE1）。HE2，HE3，HE4）和温度测量元件（分别命名为SE1，SE2，SE3，SE4）。过调节注入到每个CTD模块中的加热功率，每个CTD模块在恒定温差模式下独立运行。句话说，传感器芯片的上游和下游区域的温度可以比流体的温度高一个固定值（ΔT），同时确保传感器芯片的上游和下游区域之间的温度差。片为零。中，Ptot代表CTD模块的总加热功率，Pcond代表由于热传导引起的热损失，Pconv代表由于热对流造成的热损失。表CTD模块和流体之间的温差，L是CTD模块的尺寸。λ= kc / D是芯片基板的热导率，其中kc和D分别是芯片基板的热导率和厚度。中，A和B由CTD模块的几何参数，芯片材料和流体的特性决定。
U代表流。流体与芯片的表面接触时，由于加热的芯片表面上的不对称热对流的作用，沿流体方向出现了温度梯度。芯片上游的CTD模块区域中，芯片与流体之间的热交换效率最高，因此位于上游区域的CTD模块的过热温度（ΔTUP）将更高。整个芯片定义的过热温度（ΔT）的同时，位于流体下游区域的CTD模块的过热温度（ΔTDOWN）的降低程度只会小于过热温度（ΔT） ）由芯片整体定义。于一维流量传感器，为了使位于流体上游和下游区域的CTD模块的过热温度既恒定又高于流体温度的定义过热温度（ΔT），需要额外注入上游CTD模块和下游CTD模块所需的功率注入上游CTD模块的功率远大于注入下游CTD模块的功率。入功率满足公式（3）。
ΔPUP和ΔPDOWN表示注入上游CTD模块和下游CTD模块的附加功率。式5显示，注入上游CTD模块和下游CTD模块的附加功率之间的差异与流体的流量有关，遵守金定律并与流量U的平方根保持一一对应的关系。维热速度计，通过检测在正交方向分布的两组CTD模块之间的差功率，可以同时获得速度信息和流向信息。中，ΔPEi-Ej（i，j = 1〜4）是四个CTD模块之间的差分能量消耗。
中，α是温度检测元件的灵敏度系数，ΔT0是沿着流速方向的传感器的上游区域和下游区域之间的温度差。感器芯片上的每个CTD模块都包含一个CTD控制电路.CTD控制电路是具有热反馈的闭环控制环路，用于控制CTD模块区域中芯片的温度。定温度高于室温，以保持温度在流体温度之间。定温差以获得恒定温差控制。制电路CTD的输出由系统的四个ADC模块采样，然后转换为数字信号，并传输到单片机模块进行数据处理，用于计算流量和方向。系统的DAC模块用于将来自单芯片模块的控制信号转换为电流信号，以调节传感器的静态极化；一方面，它可以控制芯片的总过热温度，另一方面，它可以控制芯片的整体过热温度。也可以用来补偿芯片封装误差带。响力。计的传感器芯片尺寸为4mm×4mm，芯片上加热元件线和温度测量元件的尺寸为20mm，芯片基板采用双面抛光陶瓷底座，基板厚度为500毫米。感器芯片由MEMS技术处理和制备。体的芯片制备过程如下：首先，在清洁的陶瓷基板上离心1 mm厚的光敏树脂，并通过光刻工艺对光敏树脂进行建模以暴露出位置必须准备Ti / Pt电阻线的地方。后依次喷涂1000 Ti和5000 Pt，然后通过蚀刻工艺去除光敏树脂，然后将要制备的金属电阻Ti / Pt留在陶瓷基板上以形成加热电阻和测量电阻温度。
后使用相同的工艺步骤在Ti / Pt焊盘上准备一个5000 Au的金属层，以粘结导线。中，准备金属层Ti作为在金属层Pt下方的粘附层，以改善金属层Pt与陶瓷基板的表面之间的粘附特性。金属电阻Ti / Pt的平均温度系数约为2550 ppm /°C。量传感器系统已使用标准鼓风机进行了测试。个CTD模块的初始功耗已调整为50 mW。试结果表明，每个CTD模块的功耗与平方根函数的关系相对应，上游CTD模块（模块1和模块4）的功耗明显高于下游CTD模块（模块2）的功耗。模块3）。
）能耗较高。流量为30 m / s时，模块1和模块4的电耗约为130 mW。前，模块2和模块3的功耗约为80mW，这表明模块1和模块4的加热功率对流量的敏感性。大于模块2和3的加热功率对流量的敏感度。2显示了固定速率（30 m / s）的四个CTD模块的加热能耗与速率方向之间的关系。试曲线表明，每个CTD模块的加热能耗和流向都满足正弦/余弦关系。个CTD模块的加热能量消耗之间存在大约90°的相位差。过计算每个模块的加热功率之间的比例关系，可以根据公式和公式计算出流向的大小。文设计了一种在温度平衡模式下运行的全新全向流量传感器机器控制系统。感器包含4个独立的恒定温差（CTD）模块，每个CTD模块控制芯片的1/4区域，并且通过控制芯片的功率将芯片的每个区域的温度保持在高于流体的温度。个CTD模块的注入。度是恒定的设定值，这也实现了芯片的不同区域之间的温度差始终保持为零。此，利用每个CTD模块的注入功率的差，可以获得流速和流向信息。试结果表明，该流量测试系统可以测试流速小于30 m / s的流体，流向测试误差小于±2°。
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