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

01、國內(nèi)外MEMS流量檢測芯片介紹

MEMS熱式流量檢測原理

MEMS 流量檢測芯片由兩個溫度傳感器和一個加熱器組成，溫度傳感器對稱地分布在加熱器的上、下游，加熱器和溫度傳感器處于一個隔熱底座上。

加熱器對溫度傳感器進行加熱，當流體靜止時，加熱器兩側對稱位置的溫度相同，兩個溫度傳感器測量出的溫度沒有差別。當流體從右向左流動時，等溫線向左側傾斜，加熱器兩側對稱位置的溫度不再相同，兩個溫度傳感器感測出的信號也不再相同。流體流速越大上下游溫差也就越大。

通過測量上下游溫度傳感器的溫差信號即可測量流體的流速，當管道截面積一定時，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，因此傳感器可直接測出流體質(zhì)量流量，有時也稱此原來的傳感器叫熱式質(zhì)量流量傳感器。

國外MEMS流量檢測芯片

霍尼韋爾是 MEMS 熱式流量檢測發(fā)明人，他們采用微橋隔熱結構，鉑電阻加熱和測溫技術，陶瓷 PCB 工藝。采用微橋隔熱結構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個數(shù)量級。

霍尼韋爾流量芯片綁定點沒有采用環(huán)氧膠保護，在檢測不清潔氣體流量時污染物會粘附電極上，可能會產(chǎn)生電極間漏電造成傳感器異常。

微橋結構結構為了降低傳感器功耗，一般把熱膜厚度做的只有微米級厚度，這樣就會存在結構強度低問題，霍尼韋爾規(guī)定每秒流量變化率不大于 6L/S，否則會造成傳感器損壞。

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

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

多孔硅隔熱技術既能實現(xiàn)很好的絕熱性能又具有結構強度大優(yōu)點。

多晶硅加熱器相比鉑加熱器工藝成本更低，更適應于大批量使用。

熱偶堆測溫無需偏置電壓，不存在偏置漂移現(xiàn)象，使用性能更穩(wěn)定。

流量芯片兩側預留點膠位，可以進行點膠保護避免氣體雜質(zhì)損壞傳感器。

已面世的MEMS燃氣表

02、燃氣檢測領域對MEMS流量芯片技術要求

耐臟污要求：

目前已有很多企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出 MEMS 燃氣表，但并未見市場上有大量推廣。首先一個問題就是燃氣表耐臟污的問題，國內(nèi)的天氣熱比國際的要臟很多，即使產(chǎn)品在實驗室測試都沒有問題，但在真正運用到實際中，在某些特殊地區(qū)有些表使用半年就不準了，因為天然氣內(nèi)的雜質(zhì)敷著在MEMS流量檢測芯片上，造成了輸出信號漂移從而影響了燃氣表精度。

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，懸臂梁隔熱結構的流量芯片因為需要做背腔隔熱表面有凹坑，用于燃氣檢測性能稍差；

第二：MEMS流量芯片封裝設計要平整，表面不平臟污會在凹陷處堆積影響燃氣表性能；

第三：流道設計，因為臟污為固體一般比氣體密度大，通過特殊的流道設計可以讓臟污不通過 MEMS 流量檢測芯片，從而大大延長使用壽命。

功耗要求：

根據(jù)JJG577-2012要求，燃氣表壽命不低于6年，MEMS燃氣表壽命應比這個長或接近于此標準，因為 MEMS 流量檢測芯片需要耗電，過大的功耗會導致產(chǎn)品成本的升高及體積的增大，所以對 MEMS 流量檢測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。因為 MEMS 流量檢測響應時間很快，可以達到毫秒級，而燃氣流量一般工礦相對穩(wěn)定，所以平時可以 1 秒、5 秒甚至或更長時間檢測一次，檢測到流量后再把檢測時間縮短以提高檢測精度。通過脈沖加熱可以把功耗降低到原來的十分之一甚至百分之一，達到到微瓦級；

第二：MEMS隔熱及熱感應靈敏度提高。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。在相同的溫差信號下熱感性靈敏度越高就需要加熱器功率越低，設計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：信號調(diào)理電路性能提高。信號調(diào)理電路對功耗影響相對較小但也不容忽視，好的信號調(diào)理電路可以降低 50%以整機上功耗。為了獲得一定的信號靈敏度需要信號調(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及靈敏度存在差異，有時流量信號靈敏度還沒有傳感器零點離散型大，為了避免放大造成信號失真就無法選用加大增益。通過一定的技術手段降低零點差異，就可以對信號進行大增益放大，從而降低功耗。

03、未來發(fā)展趨勢

智能化：

①大流量、小流量報警關閥。膜式燃氣表為機械結構，單機械結構基表無法實現(xiàn)一些智能功能。基于MEMS流量檢測技術的燃氣表為電子技術產(chǎn)品，因采用電子技術很容易集成一些實用的智能功能，如燃氣管破裂導致的管道流量過大，此時燃氣表檢測到遠遠超出量程時自動切斷燃氣管道，避免泄露產(chǎn)生的事故；因基于MEMS流量檢測技術的燃氣表始動流量小，可以達到量程的千分之一，這個性能大大超過傳統(tǒng)膜式燃氣表，在一些閥門使用時間過久或其他原因導致的輕微泄露時很容易檢測到，并采取必要的措施。

②加入氣體組分檢測。因不同氣體介質(zhì)的密度及熱容不同，MEMS熱式流量檢測技術很容易實現(xiàn)組分檢測及判斷。加入組分判斷可以避免用戶向燃氣表反向通入空氣使燃氣表翻轉偷氣，還可以根據(jù)組分不同實現(xiàn)熱值計量，使燃氣計量上升一個新臺階。

集成化：

流量檢測和信號處理電路、顯示驅動、無線聯(lián)網(wǎng)集成單芯片。目前大部分MEMS流量檢測芯片與傳統(tǒng)的COMS工藝兼容性不好無法實現(xiàn)簡單集成，這造成整機成本高。

目前業(yè)界瑞士盛世瑞恩、鄭州煒盛、無錫美芯等廠家已能在標準COMS工藝下做MEMS流量檢測芯片和信號調(diào)理電路，使流量檢測部分成本大幅降低。在流量檢測部分實現(xiàn)集成后，顯示驅動電路、電源管理電路也會進行集成，使電路成本進一步降低。

最近幾年短距離無線通訊技術逐漸成熟，無線抄表也成為行業(yè)趨勢，預計五到十年會面世MEMS燃氣表單芯片解決方案，將會集成流量檢測、組分識別、顯示驅動、電源管理、無線通訊等功能。

讓我們迎接這一天的到來吧！

寫在最后：
特此感謝煒盛科技研發(fā)中心劉工供稿