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【专利解密】祎智量芯改进MEMS计量传感器装置 有效降低计量功耗

来源:爱集微

#专利解密#

2022-11-05

【爱集微点评】祎智量芯公开的降低MEMS计量功耗的装置及工作方案,该方案对现有的MEMS传感器的结构进行了优化。当气体感应装置主体被气流推开的时候,磁感应芯片无法感应到磁铁的位置,从而告诉流量计控制器管道有无气流,流量计则马上开始流速采样,防止计量信息丢失,有效提高其计量的精准性,还能够有效节省该流量计的功耗。

集微网消息,微机电系统(MEMS)是一个新兴技术领域,主要属于微米技术范畴。采用类似集成电路(IC)的生产工艺和加工过程,用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。

市场上基于MEMS技术的热式流量计,开发和应用已经有一定的时间。但是普遍存在的一个问题就是MEMS热式流量计不更换电池的情况下,只能用1~3年,而传统的机械流量计不更换电池可以用到10年以上。

如上图,是MEMS流量计量芯片简易模型。MEMS计量的大致原理为:MEMS计量芯片中间是加热源,上下游电阻与中心加热源距离相当,上下游电阻阻值相等且阻值随温度线性变化。在流量计工作时,MEMS流量芯片加热源发热,当没有气流时,因为上下游检测电阻接收到辐射热是一样的,所以上下游的阻值一样;当有气流通过时,气流会带走一部分热量,沿气流方向,上游电阻温度会降低,而下游电阻温度会升高,所以上下游电阻的阻值会发生变化。该变化值可通过调理电路转换为电压值,再通过标准设备标定,得到流速与电压的关系,以达到计量的目的。

一些MEMS流量计厂家通过让MEMS芯片采用间隙性工作的方法,如1秒工作1次,每次工作20ms,即以这20ms内的气体流速,当作1秒内的平均流速。甚至为了进一步降低功耗,将采集周期变得更长,如10秒检测一次。这样的做法虽然可以降低MEMS芯片的功耗,但是对于MEMS计量精度是有牺牲的,对于气体流量计量不太稳定的情况下,无法达到用户要求的计量精度的。

如上图,为现有技术中MEMS流量计通过间隙性工作方式的示意图。该方案依次通过模拟调理电路、数字调理电路将流速信号提取出来,最终转换为计量信息。但是现有的技术方案无法获知当前管道内是否有气体在流动,为了防止出现计量信息丢失,所以只能频繁地让MEMS传感器工作,从而增加了功耗。

针对上述问题,祎智量芯在2022年4月1日申请了一项名为“一种降低MEMS计量功耗的装置及工作方法”的发明专利(申请号:202210348414.8),申请人为祎智量芯(江苏)电子科技有限公司。

根据该专利申请目前公开的相关资料,让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图,为该专利申请中披露的降低mems计量功耗装置的结构示意图,该装置主要包括有:气体流道1、MEMS传感器2、气体感应装置3、磁铁4、磁感应装置5和控制装置。MEMS传感器与气体流道连接,气体感应装置设于气体流道内,磁铁设于气体感应装置上,磁感应装置设于气体流道的内壁。其中,MEMS传感器、气体感应装置和磁感应装置均与控制装置连接。

如上图,为该气体流动感应装置的安装示意图。其中,磁感应装置由第一电阻、感应芯片、第一电容、第二电容、第二电阻以及MCU组成(图中未示出)。第一电阻的一端与电源连接,另一端通过导线分别与感应芯片的引脚U1和第一电容连接。第一电容与第二电容连接,感应芯片的引脚U3通过导线与第一电容和第二电容之间的线路连接。

感应芯片的引脚U2与第二电阻连接,第二电阻的另一端与MCU连接,第二电容远离第一电容的一端通过导线与感应芯片和第二电容之间线路连接,且第一电容与感应芯片的引脚U2连接的电路通过电路与接地端连接。

如上图,为该电路处理模块的示意图,该装置包括有MEMS传感器控制模块、气流感应控制模块、磁感应控制模块、数字处理模块、模拟调理模块和控制器。MEMS传感器控制模块与MEMS传感器连接,气流感应控制模块与气体感应装置连接,磁感应控制模块与磁感应装置连接,气流感应控制模块的输出端与磁感应控制模块的输入端连接。

此外,磁感应控制模块的输出端与数字处理模块的输入端、数字处理模块的输出端与模拟调理模块的输入端以及模拟调理模块的输出端与MEMS传感器控制模块均为双向连接。其中,MEMS传感器控制模块、气流感应控制模块、磁感应控制模块、数字处理模块和模拟调理模块均与控制器连接。

该装置在工作时,具体的工作方法分为以下五个步骤:

1)当气体流道内有气体流动时,利用气体流动的压力或动力,推动气体感应装置移动,从而打开流量计管道;

2)在气体感应装置移动时,其将带动其上的磁铁一起移动,让磁铁靠近磁感应装置;

3)当磁感应装置中的感应芯片感应到磁铁靠近时,将把通过控制器将信号传送给数字处理模块,如果管道内有气体流动,则可以开始计量;

4)当气体流动消失后,气体感应装置将在重力作用或者是复位弹簧的推力下回至原位;

5)在气体感应装置回归原位的过程时,其将带动磁铁远离磁感应装置,感应芯片感应到磁铁远离时,将信息传递数字处理模块,管道内气体流动停止,可以结束计量。

以上就是祎智量芯披露的降低MEMS计量功耗的装置及工作方案,该方案对现有的MEMS传感器的结构进行了优化。当气体感应装置主体被气流推开的时候,磁感应芯片无法感应到磁铁的位置,从而告诉流量计控制器管道有无气流,流量计则马上开始流速采样,防止计量信息丢失,有效提高其计量的精准性,还能够有效节省该流量计的功耗。

关于爱集微知识产权

“爱集微知识产权”由曾在华为、富士康、中芯国际等世界500强企业工作多年的知识产权专家、律师、专利代理人、商标代理人以及资深专利审查员组成,熟悉中欧美知识产权法律理论和实务。依托爱集微在ICT领域的长期积累,围绕半导体及其智能应用领域,在高价值专利培育、投融资知识产权尽职调查、上市知识产权辅导、竞争对手情报策略、专利风险预警和防控、专利价值评估和资产盘点、贯标和专利大赛辅导等业务上具有突出实力。在全球知识产权申请、挖掘布局、专利分析、诉讼、许可谈判、交易、运营、一站式托管服务、专利标准化、专利池建设等方面拥有丰富的经验。我们的愿景是成为“ICT领域卓越的知识产权战略合作伙伴”。

(校对/赵月)

责编: 李梅

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