來源：青島芯笙流量計(jì)和控制器

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發(fā)展歷史

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）流量傳感器的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)50-60年代，隨著集成電路芯片的出現(xiàn)，人們開始探索在芯片上制作微小機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的可能性。這種利用半導(dǎo)體材料制作電子與機(jī)械結(jié)構(gòu)的思想，為MEMS技術(shù)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。

在1980年代，隨著微加工技術(shù)的進(jìn)步，各類MEMS器件如震動(dòng)傳感器、流量傳感器、打印頭等被成功研發(fā)。進(jìn)入1990年代，美國(guó)明確提出了MEMS的概念，并推動(dòng)了該技術(shù)的快速增長(zhǎng)。21世紀(jì)后，MEMS技術(shù)得到了飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已成為一個(gè)多億美元級(jí)的新興產(chǎn)業(yè)。

在MEMS流量傳感器的發(fā)展過程中，經(jīng)歷了多次技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)浪潮。特別是在汽車行業(yè)、消費(fèi)電子產(chǎn)品的推動(dòng)下，MEMS流量傳感器得以廣泛應(yīng)用并不斷優(yōu)化。如今，MEMS流量傳感器已成為氣體流量測(cè)量領(lǐng)域的重要設(shè)備，其性能不斷提升，成本逐漸降低，應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)大。

工作原理

MEMS流量傳感器是一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的流量測(cè)量設(shè)備，通過測(cè)量流體通過傳感器時(shí)產(chǎn)生的物理效應(yīng)來確定流量。根據(jù)測(cè)量原理的不同，MEMS流量傳感器可分為多種類型，其中最常見的是壓差式MEMS流量傳感器和熱式MEMS流量傳感器。

1. 壓差式MEMS流量傳感器

壓差式MEMS流量傳感器通過測(cè)量流體通過傳感器時(shí)產(chǎn)生的壓力差來測(cè)量流量。其工作原理如下：

傳感器結(jié)構(gòu)：壓差式MEMS流量傳感器通常由兩個(gè)或多個(gè)微型通道組成，其中一個(gè)通道稱為“探測(cè)通道”，另一個(gè)通道稱為“參考通道”。這些通道之間通過微小孔隙或微型閥門連接。

流體進(jìn)入：流體進(jìn)入傳感器后，分流到探測(cè)通道和參考通道。

壓力差產(chǎn)生：流體通過探測(cè)通道時(shí)，由于通道的幾何形狀和流體的速度，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力降。而參考通道則相對(duì)較為平緩，壓力較低。

壓力傳感器：探測(cè)通道和參考通道的兩端分別安裝了壓力傳感器，用于測(cè)量通道兩端的壓力差。

壓力差轉(zhuǎn)換：傳感器將測(cè)得的壓力差轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過處理電路進(jìn)行放大和濾波，然后輸出。

流量計(jì)算：根據(jù)已知的傳感器特性和流體力學(xué)原理，使用計(jì)算公式將壓力差轉(zhuǎn)換為流體的流量。

壓差式MEMS流量傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，響應(yīng)速度快。然而，它對(duì)流體的粘度和密度變化較為敏感，需要進(jìn)行定標(biāo)和校正以獲得準(zhǔn)確的流量測(cè)量。

熱式MEMS流量傳感器

熱式MEMS流量傳感器則利用流體通過傳感器時(shí)的熱傳導(dǎo)效應(yīng)來測(cè)量流量。其工作原理如下：

傳感器結(jié)構(gòu)：熱式MEMS流量傳感器通常由兩個(gè)或多個(gè)微型熱敏電阻（RTD）組成，這些電阻被制造在微型通道中，與流體接觸。

加熱元件：其中一個(gè)電阻作為加熱元件，通過加熱產(chǎn)生一定的溫度差。

測(cè)溫元件：其他電阻作為測(cè)溫元件，用于測(cè)量流體通過傳感器時(shí)的溫度變化。

熱傳導(dǎo)：流體通過傳感器時(shí)，溫度差會(huì)導(dǎo)致熱量傳導(dǎo)到流體中，使測(cè)溫元件的溫度發(fā)生變化。

電阻變化：測(cè)溫元件的電阻隨溫度變化而變化。通過測(cè)量電阻變化，可以確定流體的流量。

電路處理：傳感器將測(cè)得的電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過處理電路進(jìn)行放大和濾波，然后輸出。

流量計(jì)算：根據(jù)已知的傳感器特性和熱傳導(dǎo)原理，使用計(jì)算公式將電阻變化轉(zhuǎn)換為流體的流量。

熱式MEMS流量傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)流體的粘度和密度變化不敏感，適用于多種流體。然而，它對(duì)傳感器的加熱功率和溫度測(cè)量的精度要求較高，需要進(jìn)行定標(biāo)和校正以獲得準(zhǔn)確的流量測(cè)量。

總結(jié)與展望

MEMS流量傳感器作為微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，在氣體流量測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的持續(xù)擴(kuò)大，MEMS流量傳感器的性能將不斷提升，成本將進(jìn)一步降低，應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣泛。未來，MEMS流量傳感器將與其他前沿技術(shù)如5G、人工智能等充分結(jié)合，開拓更多新的應(yīng)用場(chǎng)景，為工業(yè)和社會(huì)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

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審核編輯 黃宇