基于銅懸臂梁開關(guān)的低功耗熱式流量計(jì)研制

馬曉明，張志利，劉春平，高慧敏

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

熱式流量計(jì)需要不斷對(duì)流體進(jìn)行加熱，因此在電路的設(shè)計(jì)中必須要考慮節(jié)能。本文提出采用銅懸臂梁作為電路開關(guān)，利用懸臂梁的靜態(tài)特性，感應(yīng)氣體流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電路的控制，對(duì)加熱器供電并檢測(cè)流速和計(jì)加累積數(shù)。無氣流時(shí)電路關(guān)斷，既降低功耗又減輕電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜難度[1]。

1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，懸臂梁開關(guān)由一個(gè)金屬懸臂梁和一個(gè)金屬觸點(diǎn)兩部分構(gòu)成。將懸臂梁置于通道中，使得懸臂梁彎曲方向與通道中氣體的流向平行。當(dāng)有流體通過時(shí)，流體壓力使懸臂梁向下彎曲，懸臂梁末端與觸點(diǎn)接觸，信號(hào)導(dǎo)通；當(dāng)沒有外界流體后，懸臂梁末端與觸點(diǎn)脫離接觸，電路斷開。

圖1 通道中流量計(jì)結(jié)構(gòu)

2 懸臂梁原理

2.1 懸臂梁的仿真

使用intelliSuite仿真軟件對(duì)銅懸臂梁進(jìn)行建模仿真，對(duì)銅懸臂梁施加條件，從懸臂梁的根部向尖端添加氣流，利用微觀條件下氣流引起的黏著力對(duì)懸臂梁造成形變，使其向下彎曲，與下端的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，從而電路導(dǎo)通。由于懸臂梁在氣路中是垂直于通道的，所以重力的效果可以忽略[2-3]。

仿真結(jié)果表明，懸臂梁的彎曲程度隨懸臂梁膜厚的增大而呈指數(shù)下降，隨寬度增加而增加，隨著懸臂梁長(zhǎng)度的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。所以為了滿足低壓力下懸臂梁開關(guān)的作用，應(yīng)該在條件允許的條件下盡可能降低懸臂梁的厚度。

2.2 懸臂梁制作

依據(jù)上述仿真結(jié)果，本設(shè)計(jì)采用納米壓印的技術(shù)結(jié)合微電子的光刻工藝制作了懸臂梁。懸臂梁厚度0.1 μm，長(zhǎng)度200 μm。

如圖2所示，本設(shè)計(jì)的懸臂梁底層是硅層，主要起絕緣和支撐作用。中間是下電極和接觸金屬，對(duì)梁起到一定的支撐作用，是懸臂梁的關(guān)鍵層。上層是金屬層，是懸臂梁開關(guān)的懸臂梁。懸臂梁和懸臂梁接觸金屬之間的距離為2 μm。考慮設(shè)備的抗腐蝕性以及制作成本，本設(shè)計(jì)選取銅作為懸臂梁開關(guān)的材質(zhì)。

圖2 懸臂梁開關(guān)示意

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的有效性，本文設(shè)計(jì)了基于銅懸臂梁開關(guān)的熱式流量計(jì)的控制電路，并編寫了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。系統(tǒng)采用LPC2104作為控制器，采用TI公司24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS1232作為A/D轉(zhuǎn)換器。懸臂梁開關(guān)作為L(zhǎng)PC2104的外部中斷源，用于觸發(fā)和喚醒系統(tǒng)工作。

3.1 懸臂梁開關(guān)電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，懸臂梁開關(guān)連接在LPC2104的外部管腳上，將該管腳設(shè)置為外部中斷。懸臂梁開關(guān)的一端連接5 V電平，一端連接三級(jí)管的基極。

圖3 流量計(jì)原理框

當(dāng)流量計(jì)的管道中有氣體流動(dòng)時(shí)，懸臂梁開關(guān)閉合，三極管導(dǎo)通，此時(shí)LPC2104的管腳由低電平變?yōu)楦唠娖剑|發(fā)LPC2104外部中斷，將流量計(jì)從低功耗睡眠狀態(tài)喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)。三極管的作用有兩個(gè)：（1）提高系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，通過電源直接對(duì)電容C4充電，使得電平快速由低電平變?yōu)楦唠娖健＃?）保護(hù)懸臂梁開關(guān)。電容和電阻組成低通濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除懸臂梁開關(guān)震動(dòng)對(duì)電路的影響，提高采集精度[4]。

3.2 算法設(shè)計(jì)

本文中熱式質(zhì)量流量計(jì)采用“熱耗散”的原理，其熱耗散過程遵循“金氏定律”。金氏定律的加熱絲熱散失率各參量間的關(guān)系為：

其中：S是加熱器面積，H/S是單位長(zhǎng)度熱散失率；T是熱絲高于自由流速的平均升高溫度；λ是流體的熱導(dǎo)率；Cv是定容比熱容；ρ是密度；U是流體的流速；d是熱絲直徑。

所以耗散功率P與溫度差ΔT、流速之間的關(guān)系如式（2）所示：

其中：f是常數(shù)。

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，設(shè)定系統(tǒng)的加熱功率P，即可測(cè)量得到溫度差ΔT，依此可計(jì)算得到系統(tǒng)的流速。

4 實(shí)驗(yàn)

依據(jù)上述理論，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基本樣機(jī)并進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)懸臂梁開關(guān)功能進(jìn)行了測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中，將懸臂梁放置在管道內(nèi)部，通過示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)懸臂梁2管腳和LPC2104的管腳上的電壓，當(dāng)管道內(nèi)有氣體流過時(shí)，這兩個(gè)管腳上如果是高電平5 V，說明懸臂梁在氣體流動(dòng)產(chǎn)生的壓力壓迫下實(shí)現(xiàn)了開關(guān)作用；如果都為低電平0 V，說明懸臂梁沒有動(dòng)作，懸臂梁沒能關(guān)閉。如果懸臂梁在流動(dòng)空氣壓迫下產(chǎn)生抖動(dòng)，關(guān)閉不完全，此時(shí)懸臂梁2號(hào)管腳上會(huì)有方波出現(xiàn)，此時(shí)單片機(jī)管腳電壓處于0～5 V。通過測(cè)試，在上述流量下，這兩個(gè)管腳均為高電平5 V左右，說明懸臂梁開關(guān)工作正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)語

本文利用低功耗熱式流量計(jì)開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)了基于銅材質(zhì)的懸臂梁開關(guān)，并對(duì)其性能作仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明銅材質(zhì)的懸臂梁適合作為熱式流量計(jì)的開關(guān)，功能滿足需求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。