1、熱對流式傳感器熱對流是自然界中客觀存在的基本物理現(xiàn)象之一，例如冬天的暖氣片、大洋的洋流 以及地幔的運動等，任意存在溫差的流體或者液體之間總是不停的發(fā)生由于質(zhì)點位移而 產(chǎn)生的熱交換直到溫差消失為止。熱對流式傳感器指的是利用外界物理量（例如加速度、 流體以及角速度等）改變流體原有的對流熱交換狀態(tài)，導(dǎo)致流場內(nèi)的溫度分布發(fā)生變化， 最后將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號的輸出的傳感器。相對于傳統(tǒng)的基于力檢測原理的傳感器，熱對流傳感器使用流體代替敏感單元，因 此它具有結(jié)構(gòu)簡單抗外部沖擊以及靈敏度高、線性度高的特點。通過不斷采用新結(jié)構(gòu)、 新工藝以及新材料，熱對流式傳感器在精密測量領(lǐng)域會有更加非常廣泛的應(yīng)用。熱對流的基

2、本定義以及原理熱量傳遞是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分之間的溫度差而引起的，熱量傳遞方向總 是由高溫處自動地向低溫處移動。溫度差越大，熱能的傳遞越快，溫度趨向一致，就停 止傳熱。所以傳熱過程的推動力是溫度差。根據(jù)傳熱機理的不同，熱量傳遞的基本方式有三種：即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。熱對流又稱對流傳熱，是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程。熱對流 可分為自然對流和強制對流，強制對流傳熱狀況比自然對流好。熱對流這種傳熱方式僅 發(fā)生在液體和氣體中。對流傳熱實質(zhì)上就是由于流體質(zhì)點的宏觀運動而引起的熱量傳遞。通常傳熱的冷熱 兩個流體總是通過某金屬壁面進行熱量交換，其表現(xiàn)就是流體將熱量傳給壁面或者由壁

3、 面將熱量傳給流體的過程。1.1熱對流的基本模型以及傳熱方程流體沿固體壁面流動時，無論流動主體湍動的多么激烈，靠近管壁處總存在著一層 層流內(nèi)層。由于在層流內(nèi)層中不產(chǎn)生與固體壁面成垂直方向的流體對流混合，所以固體 壁面與流體間進行傳熱時，熱量只能以熱傳導(dǎo)方式通過層流內(nèi)層。雖然層流內(nèi)層的厚度 很薄，但導(dǎo)熱的熱阻值卻很大，因此層流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)將產(chǎn)生較大的溫度差。另一方面， 在湍流主體中，由于對流使流體質(zhì)點混合劇烈，熱量十分迅速的傳遞，因此湍流主體中 的溫度差極小，其傳熱就是典型的對流傳熱。圖1對流傳熱的溫度分布示意圖圖1對流傳熱的溫度分布示意圖，由于層流內(nèi)層的導(dǎo)熱熱阻大,所需要的推動力溫度 差就比較

4、大,溫度曲線較陡，幾乎成直線下降。一般將流動流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱 為傳熱邊界層。流傳導(dǎo)的基本物理量定義以及公式如下：熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：木 ，dT(1 )中=人A dx(1 )式中，為熱流量（J/s或者W），人為熱傳導(dǎo)系數(shù)（J.mT.KT.sT ），A為傳熱面積（m2），Td/為溫度梯度（Km-1）。熱流量或者熱流密度定義為：q = O / A（2）其中導(dǎo)熱系數(shù)人為：人=人 G + C/（P*d/T）（3）1.2影響對流傳熱系數(shù)的因素凡是影響邊界層導(dǎo)熱和邊界層外對流的條件都和人有關(guān),目前所能設(shè)計的實驗表明， 影響力的因素主要有：1）流體的種類,如液體、氣體和蒸汽；2）流體的物理性質(zhì),如

5、密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等；3）流體的相態(tài)變化，在傳熱過程中有相變發(fā)生時的力值遠大于沒有相變發(fā)生 時的力值；4）流體對流的狀況,強制對流時的人值大于自然對流時的力值；5）流體的運動狀況，湍流時的力值大于層流時的人值；6）傳熱壁面的形狀、位置、大小、管或板、水平或垂直、直徑、長度和高度 等。熱對流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理熱對流式傳感器的基本原理是基于流體和固體之間的熱交換原理，一般為在一個腔 體之內(nèi)存在加熱元件以及一組對稱的熱敏元件。當(dāng)加熱元件工作時，會把腔體中的流體 加熱，在流體穩(wěn)定的條件下，熱流體會與周圍較冷的流體發(fā)生熱對流傳導(dǎo)。在自然對流 的情況下，兩個熱敏元件探測的溫度是相等的

6、。如果在外界的作用力下發(fā)生強迫熱交換， 即打破原本的熱對流狀態(tài)，那么兩邊的溫度變化會導(dǎo)致熱電阻的電阻值變化。這種阻值 變化可以反映外界物理量的變化，因此這種器件可以用來測量外部加速度，角速度以及 流體流量等的變化。圖2熱流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)以及溫度分布在圖中，加熱絲由于熱對流引起的熱量耗散量為：QC =兀 Dhl（Th T）（4 ）式中，l為熱絲長度，d為熱絲的直徑，h為熱對流換熱系數(shù)，Th為熱絲溫度，七 為流體溫度。根據(jù)強迫對流熱交換理論，可以得到熱絲散失的熱量與流體的速度之間存在的關(guān)系式:QC = （a + B$ *七-孔）（5）式中，A、B為與熱對流傳導(dǎo)率與熱絲的幾何尺寸有關(guān)的物理常數(shù)。

7、設(shè)熱絲電阻為Rh，通過它的電流為I，則熱絲單位時間內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱Q1為Q1 = * Rh（6）當(dāng)達到熱平衡時，即有Q1 = QCIHRh =（4 + B&th -T）（7）上式為流體與熱絲熱交換達到恒定時的表達式。根據(jù)兩邊熱敏元件的溫度差異，通過惠 斯通電橋就可以測得流體的狀態(tài)。測量電路3.1熱流式傳感器的測量電路熱流式傳感器基于溫度差分輸出電壓測量原理，因此基本調(diào)理電路是針對于 Wheatstone電橋的差分電壓放大電路。由于熱流式加速度傳感器的工作原理是基于熱傳 導(dǎo)，因此它的響應(yīng)頻率比較低，在電壓放大的基礎(chǔ)上增加了帶寬補償電路，通用補償方 法有自動增益控制（AGC）、系統(tǒng)傳遞函數(shù)以及零極點

8、并聯(lián)（串聯(lián)）補償法以及發(fā)射極 電容補償方法1。轅出轅出圖3流式傳感器調(diào)理以及補償電路3.2熱流式傳感器的溫度補償熱流式傳感器一般工作在恒溫條件下，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，將會給測量帶來誤 差，因此一般采用橋接方式以及熱敏電阻補償器方法環(huán)境溫度引起的測量誤差。圖4圖4熱流量傳感器測量電路圖中R1, R2, R3是固定電阻器，Rh是傳感器電阻，Rf是用于感測流體溫度的電 阻，具有溫度系數(shù)，可以補償環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響。當(dāng)流體溫度不隨時間變 化而變化時，Rf是一個常數(shù)。若假設(shè)在室溫條件下，R2R3，且Rf = Rh （ Rh是室 溫條件下的電阻值），則電源提供的電流大部分都流向R3和Rh支路。

9、接通電源后，Rh 被加熱，阻值升高到Rh時，電橋處于平衡狀態(tài)。 TOC o 1-5 h z R =+ R）（R/ %）（8）相應(yīng)的輸出電壓v 在數(shù)值上則為電阻R的變化量，即 。1hV1 =（%h -R%h -rJ（9）在實際測量過程中，Rf的阻值經(jīng)常會發(fā)生變化，由于Rf與Rh的變化率不一致， 輸出電壓也不再與Rf的變化成正比關(guān)系，造成測量誤差。(10)設(shè)在0 C是，電阻Rf的阻值為Rf0，當(dāng)流體溫度為T時，R3的值為 + 吒）=%, 0 +a (10)當(dāng)電橋平衡時，有(11)為了使Rh與Rf具有相同的變化率，必須對Rh進行斜率補償，即對上式的第二項乘以 一個系數(shù)RR3，令補償后的Rh的值為Rc

10、，即(12)R + Rf)R IR + ( + Rf(12)232因此，進行電阻的變化率對惠斯通電橋的輸出溫度漂移進行了校正。熱對流式傳感器的應(yīng)用4.1熱流式加速度傳感器熱對流加速度計包含一個密閉的腔體，腔體中充有流體，其中有一個把腔體中加熱 元件周圍的流體加熱，加熱后的流體發(fā)生膨脹而密度下降，在重力的作用下上升，周圍 相對冷的流體填補到空位置上，這樣反復(fù)循環(huán)而造成熱對流傳導(dǎo)。加熱元件和兩個敏感 元件都是懸空的，結(jié)構(gòu)如圖所示2-4。熱成元將圖5熱流式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)流體圍繞它們做對流運動，保證能夠較好地傳熱。當(dāng)除了重力加速度以外沒有其他 加速度時，流體的流動是在垂直于通過熱源的平面上關(guān)于中間

11、加熱元件對稱的，兩個熱 敏元件探測的溫度是相等的。如果對這個密封腔體加一個橫向的加速度或者產(chǎn)生一個傾 斜，那么氣體分子由于加速度或者傾斜的對流形式的變化，從而使對稱的熱敏元件的溫 度產(chǎn)生差異。如果熱敏元件是電阻的話，那么用一個簡單的Wheatstone電橋電路就可以 把熱敏電阻的差值測量出來，這個差值和它的加速度有一個比例的關(guān)系。微加速度計目前廣泛應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域，諸如機器人、消費、通訊電子、娛樂 以及機械電子設(shè)備，測量加速度和傾斜主要應(yīng)用壓電、壓阻、力平衡以及電容加速度計。 壓電加速度計無法測量靜態(tài)信號，壓阻式加速度傳感器受外部環(huán)境的影響因素較大，力 平衡式加速度傳感器精度非常高但是成本

12、高昂，電容式加速度傳感器主要受限于體積。 熱流式傳感器相較于上述加速度器件的主要優(yōu)點為體積下、重量輕、抗沖擊能力強以及 性能優(yōu)良等特點，可以輕松承受其幾千倍量程的沖擊，但是它的輸出性能隨著加熱功率 的變化而變化，而且它的功耗比一般微加速度計要大。熱流式加速度傳感器發(fā)展至其技術(shù)比較成熟，典型的代表有美新半導(dǎo)體（MEMSIC） 公司的MX系列熱流式加速度傳感器，其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性以及高達50,000g的抗沖擊 性能5。結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖6美新MX系列熱流式加速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.2熱流式微流量傳感器根據(jù)工作模式可以把熱流式微流量傳感器分為：熱損失式微流量傳感器、熱行程式微流量傳感器和熱分布式微流

13、量傳感器。熱分布式微流量傳感器又稱為熱梯度式微流量 傳感器，它是通過測量流體流動引起微加熱器兩端溫度非對稱性的變化量，再通過實驗 標(biāo)定來確定流體的流量，工作原理如圖所示。圖7圖7流式微流量傳感器中間的微加熱器對微流量傳感器的微流道進行加熱，微流道中流體流量為零時，微 流道壁上的軸向溫度分布如圖中的虛線所示，相對于微加熱器是對稱分布的。當(dāng)流體 流量不為零時，由于流體對微流道的非均勻冷卻促使微流道內(nèi)壁表面形成一個熱邊界層， 其厚度隨著流體從微流道的上游向下游運動距離的加大而增加。這表明隨著流體流向加 熱器時，流體的溫度不斷上升刀。微流道牧圖微流道牧圖8流式微流量傳感器的溫度分布由于熱邊界層的存在，

14、微流道壁上的軸向溫度相對于微加熱器不再是對稱分布，沿流體流向，上游溫度傳感器的溫度將低于下游溫度傳感器的溫度，這時微流道壁上的軸 向溫度分布如圖中的實線所示。因此，利用加熱器兩側(cè)對稱制作的兩個溫度傳感器就 可以測出這個溫度差。在分別測得上、下游溫度傳感器溫度差的情況下，可導(dǎo)出流體流 量g，即：q = K-A 安（5）m PCp式中：P為微加熱器的加熱功率；Cp為被測流體介質(zhì)的定壓比熱容；A為微加熱 器與周圍環(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；K為系統(tǒng)修正系數(shù)。在本論文中，因微流 道壁材料為石英，具有相對較高熱導(dǎo)率，且其值不變，因此A的變化可簡化為主要是 流體邊界層熱導(dǎo)率的變化。當(dāng)流體在某一流量范圍

15、時，A、Cp均可視為常量，則流體流 量僅與上、下游溫度傳感器的溫度差成正比，如圖中A段所示。圖9體流量與溫度傳感器溫差關(guān)系A(chǔ)段為微流量傳感器正常測量范圍，微流量傳感器中流體帶走少量熱量；流量增大 超過A點時，有更多的熱量被帶走而呈現(xiàn)非線性；流量超過B點則大量熱量被帶走。 為了獲得良好的線形輸出，必須保持層流流動。因微加熱器和溫度傳感器的尺寸以及兩 者間距離均很小，且微流道的內(nèi)徑尺寸也很小，所以微流量傳感器檢測精度較高，加熱 所需的能量也很少。熱流式傳感器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于公共、食品、能源、冶金以及衛(wèi)生領(lǐng)域中的流體流量 測量，其工作穩(wěn)定，對微小流量靈敏度高，如下圖10所示。圖10貝爾分析儀器系列的氣體流量傳感器參考文獻1梁長垠，張守權(quán).熱流量傳感器溫度補償方法研究J.傳感器與微系統(tǒng),2006, 25(4):18-19.李立杰，梁春廣.微機械熱對流加速度計J.半導(dǎo)體學(xué)報,2001, 22(4):465-468.王俊云.熱對流式加速度傳感器原理及應(yīng)用J.世界產(chǎn)品與技術(shù),2006(3