導(dǎo)讀：MEMS是Micro-electro-mechanical-Systems的英文縮寫(xiě)，用硅做的比較多。它是經(jīng)過(guò)光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微機(jī)電加工等工藝加工制作的高科技電子機(jī)械器件。

01、國(guó)內(nèi)外MEMS流量檢測(cè)芯片介紹

MEMS熱式流量檢測(cè)原理

MEMS 流量檢測(cè)芯片由兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)加熱器組成，溫度傳感器對(duì)稱(chēng)地分布在加熱器的上、下游，加熱器和溫度傳感器處于一個(gè)隔熱底座上。

加熱器對(duì)溫度傳感器進(jìn)行加熱，當(dāng)流體靜止時(shí)，加熱器兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置的溫度相同，兩個(gè)溫度傳感器測(cè)量出的溫度沒(méi)有差別。當(dāng)流體從右向左流動(dòng)時(shí)，等溫線向左側(cè)傾斜，加熱器兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置的溫度不再相同，兩個(gè)溫度傳感器感測(cè)出的信號(hào)也不再相同。流體流速越大上下游溫差也就越大。

通過(guò)測(cè)量上下游溫度傳感器的溫差信號(hào)即可測(cè)量流體的流速，當(dāng)管道截面積一定時(shí)，不同的流速即代表不同的流量。由于流體的傳熱只與流體質(zhì)量和流體的熱容有關(guān)，因此傳感器可直接測(cè)出流體質(zhì)量流量，有時(shí)也稱(chēng)此原來(lái)的傳感器叫熱式質(zhì)量流量傳感器。

國(guó)外MEMS流量檢測(cè)芯片

霍尼韋爾是 MEMS 熱式流量檢測(cè)發(fā)明人，他們采用微橋隔熱結(jié)構(gòu)，鉑電阻加熱和測(cè)溫技術(shù)，陶瓷 PCB 工藝。采用微橋隔熱結(jié)構(gòu)可以大幅減小加熱器的加熱功率，比傳統(tǒng)熱式流量加熱功率低1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。

霍尼韋爾流量芯片綁定點(diǎn)沒(méi)有采用環(huán)氧膠保護(hù)，在檢測(cè)不清潔氣體流量時(shí)污染物會(huì)粘附電極上，可能會(huì)產(chǎn)生電極間漏電造成傳感器異常。

微橋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)為了降低傳感器功耗，一般把熱膜厚度做的只有微米級(jí)厚度，這樣就會(huì)存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低問(wèn)題，霍尼韋爾規(guī)定每秒流量變化率不大于 6L/S，否則會(huì)造成傳感器損壞。

日本山武，原來(lái)叫日本雅馬哈，他們 MEMS 流量檢測(cè)芯片在微橋上做了一些加強(qiáng)，可以改善氣流沖擊造成的檢測(cè)部件損壞，他們加熱器及測(cè)溫傳感器采用金屬鉑。

下面這個(gè)是鄭州煒盛的 MEMS 流量檢測(cè)芯片，它采用多孔硅隔熱技術(shù)、多晶硅加熱器及熱偶堆測(cè)溫傳感器。

多孔硅隔熱技術(shù)既能實(shí)現(xiàn)很好的絕熱性能又具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大優(yōu)點(diǎn)。

多晶硅加熱器相比鉑加熱器工藝成本更低，更適應(yīng)于大批量使用。

熱偶堆測(cè)溫?zé)o需偏置電壓，不存在偏置漂移現(xiàn)象，使用性能更穩(wěn)定。

流量芯片兩側(cè)預(yù)留點(diǎn)膠位，可以進(jìn)行點(diǎn)膠保護(hù)避免氣體雜質(zhì)損壞傳感器。

已面世的MEMS燃?xì)獗?/strong>

02、燃?xì)鈾z測(cè)領(lǐng)域?qū)EMS流量芯片技術(shù)要求

耐臟污要求：

目前已有很多企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出 MEMS 燃?xì)獗恚⑽匆?jiàn)市場(chǎng)上有大量推廣。首先一個(gè)問(wèn)題就是燃?xì)獗砟团K污的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的天氣熱比國(guó)際的要臟很多，即使產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試都沒(méi)有問(wèn)題，但在真正運(yùn)用到實(shí)際中，在某些特殊地區(qū)有些表使用半年就不準(zhǔn)了，因?yàn)樘烊粴鈨?nèi)的雜質(zhì)敷著在MEMS流量檢測(cè)芯片上，造成了輸出信號(hào)漂移從而影響了燃?xì)獗砭取?/p>

提高耐污要求主要有以下幾方面：

：芯片表面要足夠光滑，表面光滑臟污不容易敷著，懸臂梁隔熱結(jié)構(gòu)的流量芯片因?yàn)樾枰霰城桓魺岜砻嬗邪伎樱糜谌細(xì)鈾z測(cè)性能稍差；

第二：MEMS流量芯片封裝設(shè)計(jì)要平整，表面不平臟污會(huì)在凹陷處堆積影響燃?xì)獗硇阅埽?/p>

第三：流道設(shè)計(jì)，因?yàn)榕K污為固體一般比氣體密度大，通過(guò)特殊的流道設(shè)計(jì)可以讓臟污不通過(guò) MEMS 流量檢測(cè)芯片，從而大大延長(zhǎng)使用壽命。

功耗要求：

根據(jù)JJG577-2012要求，燃?xì)獗韷勖坏陀?年，MEMS燃?xì)獗韷勖鼞?yīng)比這個(gè)長(zhǎng)或接近于此標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)?MEMS 流量檢測(cè)芯片需要耗電，過(guò)大的功耗會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品成本的升高及體積的增大，所以對(duì) MEMS 流量檢測(cè)的功耗就提出了要求；

降低功耗主要有以下幾方面：

：脈沖加熱。因?yàn)?MEMS 流量檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間很快，可以達(dá)到毫秒級(jí)，而燃?xì)饬髁恳话愎さV相對(duì)穩(wěn)定，所以平時(shí)可以 1 秒、5 秒甚至或更長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)一次，檢測(cè)到流量后再把檢測(cè)時(shí)間縮短以提高檢測(cè)精度。通過(guò)脈沖加熱可以把功耗降低到原來(lái)的十分之一甚至百分之一，達(dá)到到微瓦級(jí)；

第二：MEMS隔熱及熱感應(yīng)靈敏度提高。為了保證恒定的加熱溫度，隔熱效果好壞直接決定了加熱功率的大小，從而影響傳感器的功耗。在相同的溫差信號(hào)下熱感性靈敏度越高就需要加熱器功率越低，設(shè)計(jì)高敏感度的溫度傳感器可以明顯降低加熱功率，從而降低整體功耗；

第三：信號(hào)調(diào)理電路性能提高。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)功耗影響相對(duì)較小但也不容忽視，好的信號(hào)調(diào)理電路可以降低 50%以整機(jī)上功耗。為了獲得一定的信號(hào)靈敏度需要信號(hào)調(diào)理電路具有較大的增益，由于生產(chǎn)工藝存在離散性傳感器零點(diǎn)及靈敏度存在差異，有時(shí)流量信號(hào)靈敏度還沒(méi)有傳感器零點(diǎn)離散型大，為了避免放大造成信號(hào)失真就無(wú)法選用加大增益。通過(guò)一定的技術(shù)手段降低零點(diǎn)差異，就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行大增益放大，從而降低功耗。

03、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

智能化：

①大流量、小流量報(bào)警關(guān)閥。膜式燃?xì)獗頌闄C(jī)械結(jié)構(gòu)，單機(jī)械結(jié)構(gòu)基表無(wú)法實(shí)現(xiàn)一些智能功能。基于MEMS流量檢測(cè)技術(shù)的燃?xì)獗頌殡娮蛹夹g(shù)產(chǎn)品，因采用電子技術(shù)很容易集成一些實(shí)用的智能功能，如燃?xì)夤芷屏褜?dǎo)致的管道流量過(guò)大，此時(shí)燃?xì)獗頇z測(cè)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出量程時(shí)自動(dòng)切斷燃?xì)夤艿溃苊庑孤懂a(chǎn)生的事故；因基于MEMS流量檢測(cè)技術(shù)的燃?xì)獗硎紕?dòng)流量小，可以達(dá)到量程的千分之一，這個(gè)性能大大超過(guò)傳統(tǒng)膜式燃?xì)獗恚谝恍╅y門(mén)使用時(shí)間過(guò)久或其他原因?qū)е碌妮p微泄露時(shí)很容易檢測(cè)到，并采取必要的措施。

②加入氣體組分檢測(cè)。因不同氣體介質(zhì)的密度及熱容不同，MEMS熱式流量檢測(cè)技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)組分檢測(cè)及判斷。加入組分判斷可以避免用戶向燃?xì)獗矸聪蛲ㄈ肟諝馐谷細(xì)獗矸D(zhuǎn)偷氣，還可以根據(jù)組分不同實(shí)現(xiàn)熱值計(jì)量，使燃?xì)庥?jì)量上升一個(gè)新臺(tái)階。

集成化：

流量檢測(cè)和信號(hào)處理電路、顯示驅(qū)動(dòng)、無(wú)線聯(lián)網(wǎng)集成單芯片。目前大部分MEMS流量檢測(cè)芯片與傳統(tǒng)的COMS工藝兼容性不好無(wú)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單集成，這造成整機(jī)成本高。

目前業(yè)界瑞士盛世瑞恩、鄭州煒盛、無(wú)錫美芯等廠家已能在標(biāo)準(zhǔn)COMS工藝下做MEMS流量檢測(cè)芯片和信號(hào)調(diào)理電路，使流量檢測(cè)部分成本大幅降低。在流量檢測(cè)部分實(shí)現(xiàn)集成后，顯示驅(qū)動(dòng)電路、電源管理電路也會(huì)進(jìn)行集成，使電路成本進(jìn)一步降低。

最近幾年短距離無(wú)線通訊技術(shù)逐漸成熟，無(wú)線抄表也成為行業(yè)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)五到十年會(huì)面世MEMS燃?xì)獗韱涡酒鉀Q方案，將會(huì)集成流量檢測(cè)、組分識(shí)別、顯示驅(qū)動(dòng)、電源管理、無(wú)線通訊等功能。

讓我們迎接這一天的到來(lái)吧！

寫(xiě)在最后：
特此感謝煒盛科技研發(fā)中心劉工供稿