[论文解读] Low-Drift Flow Sensor with Zero-Offset Thermopile-Based Power Feedback
本文提出一种低漂移热流传感器，采用基于零偏置热电堆的反馈系统，以稳定加热器功率并消除电阻失配和电阻值漂移带来的影响。通过动态调节上游和下游加热器的功率，平衡热电堆上的温差，该传感器实现了高精度的流量测量，且漂移极小，实验验证表明其在1.5 µL/min以内具有良好的一致性，与热学建模结果吻合。
A thermal flow sensor has been realised consisting of freely-suspended silicon-rich silicon-nitride microchannels with an integrated Al/poly-Si++ thermopile in combination with up- and downstream Al heater resistors. The inherently zero offset of the thermopile is exploited in a feedback loop controlling the dissipated power in the heater resistors, eliminating inevitable influences of resistance drift and mismatch of the thin-film metal resistors. The control system cancels the flow-induced temperature difference across the thermopile by controlling a power difference between both heater resistors, thereby giving a measure for the flow rate. The flow sensor was characterised for power difference versus water flow rates up to 1.5 ul/min, being in good agreement with a thermal model of the sensor, and the correct low-drift operation of the temperature-balancing control system has been verified.
研究动机与目标
- 解决因电阻失配和电阻值漂移导致的薄膜热流传感器漂移问题。
- 开发一种自校正反馈系统，以在传感器中维持热平衡。
- 在微流体应用中实现高精度流量测量，且长期漂移极小。
- 利用热电堆固有的零偏置特性，实现反馈回路中精确的功率调节。
提出的方法
- 采用自由悬空的富硅氮化硅微流道结构，集成Al/多晶硅++热电堆以及上游和下游分开的Al加热电阻。
- 利用热电堆的零偏置作为参考，检测由流体流动引起的温度不平衡。
- 通过反馈控制系统调节两个加热电阻之间的功率差，使热电堆输出保持为零。
- 所需的功率差与流量成正比，作为流量测量信号。
- 控制系统通过持续补偿，即使在电阻老化或参数变化的情况下，也能维持热平衡。
- 通过水流量测试对传感器进行表征，流量范围达1.5 µL/min，并与热学模型进行对比以验证性能。
实验结果
研究问题
- RQ1基于热电堆的反馈系统能否有效消除因电阻失配和电阻值变化导致的热流传感器漂移？
- RQ2热电堆的零偏置特性如何在闭环控制系统中实现稳定、无漂移的运行？
- RQ3该反馈系统在1.5 µL/min以内的不同流量下，其测量精度能保持多高？
- RQ4实验性能与传感器理论热学模型的吻合程度如何？
- RQ5尽管存在环境和材料漂移，该控制系统能否在长期运行中维持热平衡？
主要发现
- 传感器通过主动调节加热器之间的功率差，使热电堆输出保持为零，实现了低漂移运行。
- 测量得到的功率差与流量的关系在0至1.5 µL/min范围内与热学模型具有良好一致性。
- 反馈系统成功抵消了流体引起的温度差，证实了系统运行的稳定性。
- 通过持续的功率调节，有效缓解了电阻值漂移和失配的影响。
- 零偏置热电堆为控制回路提供了可靠的参考点，实现了高精度测量。
- 该系统在真实微流体环境中得到验证，证实其适用于长期、高精度的流量传感。
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