一種高性能MEMS氣體流量傳感器設(shè)計(jì)*

李 輝，張持健

（安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

0 引言

流量測(cè)量是人類生產(chǎn)與生活的基本需求，相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器和方法廣泛應(yīng)用于冶金、化工、食品、醫(yī)藥及民生等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要的地位。目前廠礦企業(yè)廣泛使用的流量計(jì)有渦輪流量計(jì)、羅茨流量計(jì)和皮膜式流量計(jì)等，這類流量計(jì)技術(shù)成熟，性能可靠，精度也能滿足一般的要求。但是這類機(jī)械式流量計(jì)應(yīng)用于生化、醫(yī)療等領(lǐng)域就顯得不太合適。這是由于這些領(lǐng)域的流量范圍大都處于μL/min到mL/min量級(jí)，因此，要求傳感器具有精度高、體積小、功耗低、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，而機(jī)械式流量計(jì)往往存在量程起始點(diǎn)偏大，測(cè)量范圍小，需要溫度壓力補(bǔ)償以及體積重量偏大等問(wèn)題［1］。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）具有體積微小、耗能低、能方便地進(jìn)行微細(xì)操作等優(yōu)點(diǎn)［2］，基于此類技術(shù)的流量傳感器因其固有的優(yōu)點(diǎn)，使得人們對(duì)其在生化、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用日益關(guān)注。

本文將利用MEMS技術(shù)加工制備微型氣體流量傳感器;在設(shè)計(jì)中將采用有利于提高檢測(cè)靈敏度的器件結(jié)構(gòu)和工藝材料，以及機(jī)械性能和密封性能良好的封裝方法，使得傳感器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、成本可控等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足生化檢測(cè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的需要。

1 傳感器模型

熱溫差式流量傳感器是以托馬斯提出的“流體的熱傳遞與其質(zhì)量流量呈正比”理論為基礎(chǔ)，利用流體流動(dòng)過(guò)程中加熱元件（熱源）兩側(cè)的溫度分布來(lái)反演流速;其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、探測(cè)范圍寬，具備分辨流向的能力，以及進(jìn)一步微型化、多功能化的發(fā)展?jié)摿?目前已成為微流量傳感器研究的熱點(diǎn)［3］。

基于MEMS技術(shù)的熱溫差式流量傳感器的基本工作原理如圖1所示。熱敏電阻器置于加熱電阻器的兩側(cè)，當(dāng)流體靜止時(shí)，熱量分布圖為以熱源為中心的正態(tài)分布;流動(dòng)時(shí)熱量分布圖發(fā)生偏移，造成上下游熱敏電阻器的阻值變化;利用惠斯登電橋?qū)⒆柚底兓D(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電橋輸出就可以推算流體流速［4］。

圖1 溫差式流量傳感器原理圖Fig 1 Principle of differential calorimetric flow sensor

設(shè)橋臂比n=R3/R1=R4/R2，由文獻(xiàn)［5］可知，當(dāng)R1=R2=R時(shí)，電橋輸出電壓Vo滿足

其中，α為熱敏電阻器溫度系數(shù)，ΔT為R1，R2的溫差，可見Vo與橋臂比n直接相關(guān)。傳統(tǒng)的MEMS溫差式流量傳感器片內(nèi)只集成了R1，R2;R3，R4為外接精密電阻器的電阻，這種結(jié)構(gòu)容易受到外界環(huán)境的干擾，一旦R3，R4發(fā)生漂移就會(huì)影響電橋輸出，從而對(duì)流速測(cè)算構(gòu)成干擾，所以，本設(shè)計(jì)將電橋4只電阻器都集成在芯片中，且初始值相等，這樣就簡(jiǎn)化了分析，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［6］已經(jīng)證明，電橋輸出電壓V0是與流速、流體特性、傳感器結(jié)構(gòu)及材料密切相關(guān)的，因此，在設(shè)計(jì)中合理地調(diào)節(jié)加熱電阻器與熱敏電阻器的距離可以調(diào)整電橋輸出電壓，從而獲得不同的靈敏度。

2 工藝制備

本MEMS流量傳感器將熱敏電阻器下面的硅基底掏空，有效減少了襯底的熱傳導(dǎo)，具有良好的熱隔離性能，因此，對(duì)流速具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度。本文選擇電阻溫度系數(shù)大的 Pt熱敏電阻器（Pt溫度系數(shù):3.908×10-3/℃）。由式（1）可知電橋輸出電壓V0與溫度系數(shù)α呈正比，較大的α對(duì)應(yīng)的輸出電壓也就較大，從而提高了傳感器的靈敏度;同時(shí)Pt的化學(xué)惰性強(qiáng)，加工工藝成熟，有效保證了制得電阻器的高穩(wěn)定性［7］。由于SU—8光刻膠具有良好的機(jī)械、抗腐蝕、密封性能與熱穩(wěn)定性，同時(shí)體積電阻率極高，因此，在MEMS加工和封裝領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［8］。本文也將利用SU—8膠來(lái)制備氣流溝道，流量傳感器的完整加工工藝如圖2所示。

具體流程如下:

1）在硅基底上LPCVD一層Si3N4;

2）甩正膠光刻，得到熱敏電阻器和加熱電阻器的圖形;

3）磁控濺射一層Cr/Pt，厚度為30 nm/100 nm，得到加熱電阻器和熱敏電阻器;

圖2MEMS工藝流程圖Fig 2 MEMS technological process

4）甩正膠光刻，得到電極圖形，磁控濺射一層Cr/Au，厚度為30 nm/300 nm，得到電極;

5）背面甩正膠光刻，暴露出熱敏電阻器正下方的硅，深刻蝕硅層，直到熱敏電阻器正下方的硅層約10 μm;

6）在硅片表面涂覆一層AZ4600厚膠，光刻顯影后得到制作溝道的模具;

7）在模具上澆灌SU—8膠，室溫下放置24 h即可剝離得到氣流溝道;

8）將SU—8膠制得的溝道與熱敏電阻器對(duì)準(zhǔn)密封，即可得到溫差式流量傳感器芯片。

最終制得的傳感器加熱電阻器與熱敏電阻器SEM圖和成品圖分別如圖3（a）、3（b）所示。圖3（a）中的1，2，3分別為加熱電阻器與熱敏電阻器不同的位置，從而完成輸出靈敏度的調(diào)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試裝置

在本實(shí)驗(yàn)中，恒流源為Agilent E364xA，為加熱電阻器提供恒定電流;電壓源為Keithley 2400 SourceMeter，為橋式電路提供偏壓。氣源采用高純度氮?dú)猓∟2），氣流接入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的氣體流量計(jì)作為流速標(biāo)定;標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)輸出接待測(cè)試的流量傳感器，其輸出信號(hào)采用自主研制的超低噪聲信號(hào)采集卡測(cè)量［9］。

3.2 流量測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)首先進(jìn)行小量程測(cè)試，設(shè)定電橋偏壓E為10V，氣體流量從0升高到1.2 mL/min，同時(shí)記錄下相應(yīng)的電壓值，最終得到的氣體流量—輸出電壓曲線如圖4（a）所示，曲線1代表圖3（a）中加熱電阻器與熱敏電阻器間距為2的情況，曲線2則代表間距為1。

圖3 加熱電阻器與熱敏電阻器SEM圖和MEMS傳感器成品Fig 3 SEM photo of heating resistor and thermal resistor and MEMS sensor

圖4 流量測(cè)試結(jié)果Fig 4 Result of flow test

由圖可見，間距為2時(shí)靈敏度較高，因此，熱敏電阻器與加熱電阻器之間的距離是影響靈敏度的一個(gè)重要因素，合適的距離能獲得較高的靈敏度。隨后進(jìn)行大量程測(cè)試，量程為0～20 mL/min，曲線如圖4（b）所示，可見傳感器在此量程范圍內(nèi)具有較好的線性度。

4 結(jié)論

本文使用MEMS技術(shù)研制了微型氣體流量傳感器。本傳感器將熱敏電阻器、加熱電阻器與電橋其它兩臂電阻器集成在一起，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)采用熱隔離性能良好的硅襯底挖空結(jié)構(gòu)，且熱敏電阻器與熱源距離可調(diào)，從而保證了較高的靈敏度和響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)表明:合適的電阻器距離可以獲得較高的靈敏度;同時(shí)在0～20 mL/min的量程范圍內(nèi)系統(tǒng)線性度較好。本傳感器適用于生化檢測(cè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有良好的推廣前景。

［1］美國(guó)矽翔微機(jī)電系統(tǒng)有限公司.Siargo燃?xì)饬髁坑?jì)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)及案例［R/OL］.2010—03—01.http://www.siargo.com.cn.

［2］趙曉峰，溫殿忠.MEMS研究與發(fā)展前景［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（1）:65-69.

［3］Lofdahl L，Gad-el-Hak M.MEMS applications in turbulence and flow control［J］.Progress in Aerospace Science，1999，35:101-203.

［4］蘆 琦.基于測(cè)熱式原理的集成微流體流量傳感器的設(shè)計(jì)、制作及信號(hào)處理［D］.上海:上海交通大學(xué)，2010.

［5］李 輝，朱向冰.一種熱溫差式懸空結(jié)構(gòu)氣體流量傳感器的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（2）:84-86.

［6］李 雯.熱式質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

［7］黃 碩.微型熱式氣體流量傳感器的穩(wěn)態(tài)傳熱研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2009.

［8］McDonald J C，Duffy D C，Anderson J R，et al.Fabrication of microfluidic systems in polydimethylsiloxane［J］.Electrophoresis，2000，21:27-40.

［9］李 輝，劉 鯤.一種應(yīng)用于微型氣體流量計(jì)的低噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（11）:81-83.