新型CMOS传感器以更快的响应速度来测量气体流量

发布时间：2004-02-09 Sensirion公司

　　以更快的速度来测量气体流量

　　30多年以来，采用在钢毛细管外壁环绕线圈的测量方法，一直是质量流量精确测量及定量给料的标准方法。一项由瑞士制造商Sensirion公司开发的新技术，将这一物理测量原理集成到一种小型的热传感器中，其特点是在一块CMOS微芯片上集成了全部信号调理电路。利用此项技术，再结合专门开发的传感器封装，可生产出一种成本更低、响应速度比以前产品快 10倍（150毫秒）、以及精度明显提高（在10~100% 全刻度读数范围内精度为测量值的0.8%）的流量测量系统。

　　将传感器与估值电路集成在一块CMOS微芯片上，可确保在不产生噪声同时又拥有较高测量精度的情况下，将灵敏的模拟信号放大以及量化。这种传感器还包括用于温度补偿的温度传感器、用于传感器元件功能控制的附加智能以及其他低功率性能等。
　　可控发热元件安装在压稳薄膜的中间位置，温度传感器则对称地安装在发热元件朝流量方向的上、下行通路上。流过压稳薄膜的任何流量都会导致热传输，并由此而产生出精确的可测量信号。由于薄膜所具有的低热质量，故传感器可在1.7 毫秒 (1/e)的短时间内对气体流量变化做出迅速反应。
　　片载估值电路可对产生出的模拟传感器信号进行编程、高精度放大以及估值。一般地讲，气体流量传感器可测量仅有500毫微伏的传感电压，而且具有长期稳定性且不产生噪声。两个相同的集成式16位A/D变换器将流量传感器以及其他温度传感器产生的模拟信号量化为0.7毫秒的数据包，而与输出相连的集成及数字式20位线性化单元，则对特定非线性传感器的每一测量数据包进行校正，同时用温度信号来对可能产生的温度效应进行补偿，然后再在一个可编程周期内对经过线性化校正后的数据包进行平均，即产生出速度极快且精度极高的传感器信号。

　　精确、快捷
　　热质量流量控制器性能的决定性因素是控制速度。对于传统的热质量流量控制器（MFC）而言，其传感器元件一般都具有数秒钟的反应时间。因此，为加快好的MFC的控制速度，可在信号改变前对传感器的反应进行分析，并提前利用附加电路来对可能产生的最终值进行估计。这能产生量级接近一秒的更快控制速度，但要付出更高的系统成本及更低的控制稳定性代价。由于CMOS质量流量传感器的热反应速度大约要快1000倍，因此可实现直接、且速度快很多的控制。
　　MFC的另一个重要特性是它的精度及基本的可再现性。在这一点上，信号调理电路的稳定性及抗干扰能力以及传感器的偏移灵活性等，显得尤为重要。通过将传感器元件及偏移补偿估值电路对称地集成在传感器芯片中，CMOS气流传感器通常可达到小于全刻度读数0.01%的年偏移稳定性，以及0.8%测量值的精度。
　　这种高动态范围可改变对相应测量仪器的选择及使用。控制器精度是用设置点百分比（%SP）、而不是用全刻度百分比（%FS）来表示，这意味着同样的MFC可用于400 sccm（标准立方厘米）及40 sccm的不同量程，且都具有0.8%设置点的测量精度。而在以前，运用传统技术的MFC要求有单独的、针对每一量程来校准的仪器。

　　可靠、安全
　　硅芯片流量传感器的两个弱项是压阻与传感器盒（封装）的紧密性。因此在开发流量传感器的同时，人们也在开发一种用于电气接触的集成气流通道及真空玻璃套管。玻璃套管技术已被证明是一种用于极紧密及插入封装的最佳真空技术。现在，由硅芯片制成的气体流量传感器可以完全采用不锈钢来密封，但只将玻璃及镀金管脚用作密封材料。
　　电子仪器的可靠性基本上取决于电接触点的数量，由不良焊点形成的电接触可随时间变得极不可靠。对于CMOSens传感器而言，全部模拟信号处理都在同一块芯片上进行，因此拥有可消除易使微弱模拟信号受噪声影响的焊点的优势。

　　应用
　　测量精度、动态范围及高集成度，使得 CMOS 传感器特别适用于性能与成本最重要的 OEM应用。典型应用包括分析仪器、过程控制设备、校准系统、医学应用（例如麻醉流量计）甚至燃料电池等。
　　目前流量控制器中所采用的 Sensirion 公司生产的 CMOS 传感器的例子包括：B焤kert公司现场总线控制及高端MFC、V歡tlin / Insentys公司经济高效的Red-y SMART 以及 Sensirion 公司的 PerformanceLine 等。
　　而其他特性也开辟了一些全新的应用，CMOS 芯片的高集成度首次实现了能用电池来供电的系统。以COMPACT系列，V歡tlin/Insentys 公司生产出可用一块AA锂电池连续工作2万小时（超过两年）的热质量流量计。

　　局限
　　所有以前实现的CMOSens解决方案大都局限于最大10巴的工作压强。理论上可有更高的工作压强，但并不是经常能这样。传统的MFC可在超过 200巴的工作压强下使用，因此如果您需要一种可在极高工作压强下使用的 MFC，您目前还需要依靠传统的技术。
　　另一劣势是带有玻璃钝化层的硅直接与气体相接触，鉴于这一原因，建议在测量极为粗糙的气体时，使用带不锈钢毛细管的传统 MFC，而且这也适用于那些要求有光洁不锈钢表面的高纯度处理。
　　高性能与低系统成本的结合，使CMOSens技术在经过30年的钢毛细管热质量流量测量技术以后，有可能创造出一种全新的测量仪器。但钢毛细管流量计在可预计的将来仍不会完全被取代。在压强极高以及被测气体极为粗糙的应用中，传统MFC在短期内无疑仍为首选的气体流量计，但如果性能或成本是最重要的因素，则CMOSens将很快成为新的标准。

Sensirion公司的PerformanceLine型流量控制器

　　由Sensirion 公司(www.sensirion.com) 提供的CMOSens PerformanceLine流量控制器基于全新的CMOSens技术。传感器芯片上的高系统集成，与传统的流量控制器相比，具有更高的性能价格比。密封于不锈钢封装中的传感器，可在极为恶劣的条件下使用。PerformanceLine最重要的特性如下：
　　◆ 精度：设置点的0.8%（在10%至100%测量范围内）；
　　◆ 控制速度：t98 = 150 毫秒（新设置点达到2%精度所用时间）；
　　◆控制范围：1:1000；
　　◆数字校准、线性化及温度补偿；
　　◆模拟接口；
　　◆ 针对OEM的低系统成本等。