肺功能设备的MEMS热式流量传感器

肺功能设备的MEMS 热式流量传感器
[1]结露: 就是指物体表面温度低于附近空气露点温度时表面出现冷 凝水的现象 [2]寄生效应: 理想状态下，导线是没有电阻，电容和电感的。通电的导 线周围会形成磁场（特别是电流变化时），磁场会产生感 生电场，会对电子的移动产生影响，可以说每条实际的导 线包括元器件的管脚都会产生感生电动势，这也就是寄生 电感。在直流或者低频情况下，这种寄生效应看不太出来。 而在交流特别是高频交流条件下，影响就非常巨大了。根 据复阻抗公式，电容、电感会在交流情况下会对电流的移 动产生巨大阻碍，也就可以折算成阻抗。这种寄生效应很 难克服，也难摸到。只能通过优化线路，尽量使用管脚短 的SMT元器件来减少其影响，要完全消除是不可能的
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4 应用 • 石油天然气工业中气体流量测量:如燃气计量、配气、 气 体质量分析等; • 汽车发动机中气体流量测量、中央空调系统中气体流量测 量; • 医疗设备中气体流量测量、水处理中瀑气流量测量、气象 风速测量; • 各种生产过程管道中气体流量测量:如水泥、卷烟、玻璃、 钢铁等生产过程中气体流量测量。
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• 该工作原理具有以下优点： 是通过对上下游温度差进行二次差分运算,从而在保证 对低速段线性度影响较小的情况下,将流速和输出电压的 关系曲线的饱和点往后推至50m/ s 以后,量程比扩大了10 倍以上。在获得较高速率的情况下,曲线斜率随速度升高 而发生的下降缓慢均匀,没有出现大的抖动,有利于进行线 性化处理 基于热学原理,采用微米级的元件产生热源和排列测量 元件,精确测量气体分子流动时从芯片表面带走的微小热量 和在芯片表面的微小空间里的热场分布变化,直接转换为毫 伏级电压输出信号,计算出气体的质量流量
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• 摘要 在工业国家中，心血管疾病引发了约40%的死亡，并呈现 增加的趋势。睡眠的科学研究已经证明，睡眠呼吸紊乱是 对引发心血管疾病的风险因素之一。因此，对患者呼吸的 监控成为医疗的重要参数之一。我们提出流量传感器的发 展与特殊的适应肺功能的应用。 该传感器具有精度高， 响应时间短 （<1毫秒）和低功耗（10毫瓦）。 此外，加 热结构添加到芯片防止结露[1]。 因此，它体现了一个有 吸引力的解决方案为便携式设备使用和预防医学的探索在 家庭护理领域的应用
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[5] S. Billat, et al., Monolithic integration of micro-channel on disposable flow sensors for medical applications, Sensors and Actuators A 145–146 (2008)66–74. [6] M. Ashauer, et al., Thermal flow sensor for liquids and gases, Sensors and Actuators73 (1999) 7–13. [7] A. Willmann: Entwicklung und Erprobung einer Bypasslösung für thermische Sensoren, Diplomarbeit, HFU Furtwangen, 2006. [8] W. Oczenski, Atmen-Atemhilfen, Atemphysiologie und Beatmungstechnik,Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 2006.
肺功能设备的MEMS 热式流量传感器
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3工作原理 • 热式流量测量是利用传热原理,即流动中的流体与热源(流 体中加热的物体或测量管外加热体) 之间热量交换关系来 测量流量的技术 • 它主要分为风速计式(anemometer) 和测热型(calorimet ric) 两种方式
基于MEMS技术的热式流量传感器的优点 • 该传感器基于热的原则， 这意味着，它对气体的物理性 质有高度的敏感度 • 低功耗 • 工作温度低 • 微系统给病人提供了良好的生活质量，使病人可以在家里 接受护理
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2 传感器实现和集成 • 原始物料一个100毫米直径，300µ米厚，(100)型硅双面经 抛光晶圆 • 首先，放置膜材料(在一个薄氧化层利用LPCVD淀积 150nm硅氮化层)，用一个100nm多晶硅层，一个300nm 铝层进行 标准热电堆制造；其次，为了保护热传感器针 对苛刻的环境，用一个PECVD沉积si3n4层做为钝化层并 且做为掩膜在硅片背面来实现自由膜 • 微系统流量传感器芯片宽2mm，长6mm。敏感硅氮化膜 尺寸300 µm× 600 µm，线加热器放置在膜的中间，两边 是对称结构的热电堆，传感器作为一个热量计使用，能从 而检测流动方向
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5 参考文献 [1] Braunwald’s Heart Disease: A Textbook of Cardiovascular Medicine, Elsevier,Saunders, 2008. [2] Weinmann Homecare, Schlafbezogene Atmungsstörungen und kardiovaskuläres Risiko, 2009. [3] Fiedler, Otto: Strömungs- und Durchflußmeßtechnik/von Otto Fiedler. © 1992 R. Oldenbourg Verlag GmbH, München, Wien, Oldenbourg, 1992, ISBN 3-486-22119-1. [4] Atemstromsensor (DE 10035054 C1), Dräger Medical.
• 输出：
∆U = U2 −U1
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• 其中: Th = 加热器温度, kF = 流体热导率,δ= 边界层 厚度,υ= 平均流速,a= 流体热扩散率, ksi = 衬底材料 热导率,λ= 热电堆赛贝克系数, K =0.5+K t / k δ si d F t d 横膈膜厚度，Lu=加热器到上游传感器的距离;Ld =加热器到下游传感器的距离; • 由此绘出流速v 与∆U 之间的关系曲线,通过测∆U 来 测定流速
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• 本项目采用一种创新 的测热型原理,提高测 量范围和低速段的灵 敏度 • 上游两点温度差 U 1 = λ (T1up 上游两点温度差: • 其中 ： v + v2 +16 2k /δ 2 a
Tup =Th[exp( − 1
− T2up )
×L1up)]
4ak v + v2 +16a2k / δ 2 T2up = Th[exp( − ×L2up)] 4ak
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• 下游两点温度差:
U2 =λ(Tdown−T2down ) 1
Fra Baidu bibliotek
• 其中：
v − v2 +16a2k / δ 2 T1down = Th[exp( × L1down)] 4ak
v − v2 +16a2k / δ 2 T2down = Th [exp( × L2down)] 4ak
传统传感器的缺点 • 目前， 病人的呼吸测定的执行 是由三个悬浮的金属丝组 成的标准流量传感器实现的， 这些传感器有超过1瓦的高 功率消耗并根据运动机械变形或加速，从而导致较高的寄 生效应[2] • 不能检测快速流速 呼吸的变化，从而导致不正确的取得 呼吸量，从而在概率地增加诊断故障
肺功能设备的MEMS 热式流量传感器
肺功能设备的MEMS 热式流量传感器
肺功能设备的MEMS 热式流量传感器
• 当热式流量传感器表面接触的气体静止时,热源所建立的 热量分布图为以加热元件为中心的正态分布;当气体流动 时,流动的气体分子从传感器芯片表面带走的热量使该热 源所建立的热量分布图发生偏移
肺功能设备的MEMS 热式流量传感器
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• 1 简介 • 2 传感器实现和集成 • 3工作原理 • 4 应用 • 5参考文献
肺功能设备的MEMS 热式流量传感器
1 简介 • 在本文中，提出一种新型的肺活量计由一个MEMS热膜传 感器构成，使用在对心血管疾病的温度预防监测系统上
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