新型波紋流量計的設計與制造

高文平

摘要：設計、制造和評價了一種新型波紋結構的低流速流量計。對于小流量的測量，在給定的空氣流量下，應提高敏感度相關因素、空氣阻力和輸出信號。該裝置具有槳葉結構，在垂直氣流作用下獲得最大的空氣阻力。采用波紋結構對輸出信號進行了改進，并采用壓阻檢測對輸出信號進行測量。對于小于1 m/s風速，相比平面流量計，波紋結構流量計具有更高的靈敏度和響應速度。重復性實驗表明波紋結構流量計具有很高的重復性。

關鍵詞：流量計;波紋結構;微機電系統;壓阻檢測

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0227-03

1 概述

流量計是測量氣流速度的最重要的設備之一，在包括汽車應用在內的環境和工業領域有著廣泛的應用。流量計具有多種測量方式，可分為熱對流式和空氣阻力式兩類。

熱對流流量計是目前使用最廣泛的流量計。通過中心加熱器周圍的溫度變化來測量流量的，這種流量計的分辨率很高，約為0.01 m/s。因為需要連續供電加熱，熱對流式流量計的能耗相對較高。Neda、Kim、Mailly研制的熱對流流量傳感器分別具有6m、80mW、20mW的功率。商用流量計能耗較大，從幾十毫瓦到幾瓦。此外，外部溫度對流量計的測量有影響，需要進行溫度補償。

采用空氣阻力的流量計無須加熱部件，能耗較低。杯型流量計的功耗為零，但是這種流量計是由運動部件組裝而成，連接部件會出現一些磨損問題。

相比之下，利用空氣阻力制作的微型流量計具有單芯片結構，磨損對這些流量計來說不是關鍵問題。這種流量計采用彎曲懸臂或附加結構來增強空氣阻力。然而，彎曲結構需要適當的殘余應力，且應嚴格控制其過程。與傳統的平面工藝相比，高寬比柱結構存在著同樣的問題。而且，由于主設備不垂直于氣流，這些流量計中的阻力減小。因此，流量計的分辨率和靈敏度會降低，通常用于檢測流速超過2 m/s的空氣流量或液體流量。

由于在生物、人類和環境相關領域進行的研究，需要檢測小于1 m/s的低風速。如上所述，對流型傳感器存在功耗問題，而阻力型傳感器的靈敏度較低。

本文設計制作了一種結構簡單成本低廉的低風速空氣流量計。在給定的空氣流量下，采用波紋和槳葉結構提高測量精度，裝置相對于空氣流量垂直定位，以獲得最大的空氣阻力。選擇壓阻式檢測作為測量機構，與電容式檢測相比，其制作工藝更為簡單，制作好的器件可以測量1m/s以下的風速。

2 設計

2.1 流量計設計

本文設計的流量計基于氣流的阻力，需要有較高靈敏度用來測量小于1 m/s的風速。如果靈敏度定義為相對于氣流的信號變化，則應在給定氣流下增加阻力和輸出信號等與靈敏度相關的因素。當裝置與氣流垂直時，可以獲得最大的空氣阻力。從理論上講，以前的裝置都是平行于彎曲結構的氣流，其靈敏度相對較低。此外，應嚴格控制其制造工藝，以獲得適當的殘余應力。我們的設備垂直放置在氣流中，空氣阻力最大。同時采用了波紋結構，其應變變化比平面結構大。波紋結構在隔膜結構中使用，因為它顯示出更好的應變變化。

圖1為波紋懸臂和槳葉的裝置結構。懸臂結構中，L、t、w分別表示長度、厚度和寬度，a表示槳葉結構的一側長度。一般情況下，隨著波紋深度的增加，應變變化較好。但是，如果采用太深的波紋結構，在以后的旋涂過程中可能會出現PR積累等問題。由于約1.5 μm厚的光阻用于許多商業CMOS工藝中，為了便于制造和商業化，波紋深度被限制為2μm。

在自由懸臂端采用槳葉結構，增加空氣阻力，波紋結構固定端，應變變化更好。槳葉尺寸為200 x 200μm2，懸臂長度為100，300，500μm。考慮到制造過程中的安全性，我們分別將懸臂厚度和寬度確定為1和40 μm。

2.2 平面和波紋結構的仿真

本課室使用商用有限元程序COMSOL Multiphysics 3.5來評估給定風速下的應變變化。采用P = 1/2qv2將風速轉換為分布荷載，其中q和v分別表示空氣密度（1.204 kg/m3， 20℃）和風速。

圖2（a）顯示了波紋結構的放大圖。波紋的每一個波長分為四個部分，如1-4和5-8。波紋結構中的應變變化是很難得到的，總的應變變化是用各部分的中間值來計算的。圖2（b）顯示了平面和波紋結構的模擬結果，對比圖如圖2（c）所示。波紋結構的第一扁平部分與同一扁平部分相比，應變變化較小。但是，由于變形集中在波紋部分，波紋結構在第二部分波紋結構后表現出較好的應變變化。因此，考慮到整體結構，應變變化可以提高5%以上。

3 制造

圖3為波紋結構流量計的制作過程。為了工藝的方便，所有的制造工藝都是基于商用CMOS工藝。制造從如圖3（a）所示的硅晶圓開始。在0.5μm厚場氧化物長大后，確定了波紋結構。雖然較大的波紋深度對應變較好，但為便于后續加工，波紋深度限制在2 μm以內。TMAH各向異性濕蝕刻采用光滑的形狀，和由此產生的深度約1.8 μm （b），低應力氮化硅層為設備層沉積再生氧化層后用LPCVD壓力補償（c），厚0.1 μm鉑用于壓阻材料和金屬線形成與Cr /非盟層（d），正面圖案后RIE過程（e），背面的設備釋放深硅蝕刻（f）。

4 結果

4.1 制造結果

采用上述工藝制作波紋結構流量計。制作過程中的圖片如圖4所示。圖4（a）顯示了定義的波長為16μm的波紋結構。在這種情況下，波紋的單個部分有4μm左右，這是方便制造的合適寬度。如圖4（b）所示，鉑和Cr/Au層被清楚地定義。圖4（c）表示深硅腐蝕后最終釋放的流量計。在正面蝕刻時，應考慮111和100平面之間氮化硅層的厚度差?？紤]到RIE工藝的垂直長度和各向異性腐蝕，應進行70%的過匹配工藝。圖4（d）顯示了觀察到清晰波紋結構的流量計的掃描電鏡照片。

4.2 測量結果

實驗在風洞室溫條件下進行，如圖5所示。風洞內的風量采用標準流量計進行測量，因為風量隨測量位置的變化而變化。標準流量計是一種傳統的熱線式空氣流量計，在中心區域檢測到穩定均勻的氣流。所制作的流量計位于均勻氣流區，靠近標準流量計。制作的流量計與外部電路連接，用示波器測量輸出信號。雖然器件芯片有如圖4（c）所示的兩個流量計，但每個實驗使用一個流量計。

利用示波器對信號進行實時測量，并將其轉換成dr/r進行后續計算。響應時間按到達時間從最終值的0%到90%計算，如圖6所示，上升情況下響應時間約為3.72秒，達到穩定的最終零信號需要25秒以上。

圖7為平面與波紋狀結構對比圖。波紋狀結構的DR/R大于扁平結構，且隨著風速的增大，這種差異逐漸增大，如圖7（a）所示。在0.2-1 m/s范圍內，波紋結構的平均DR/R為1.157E-2/ms，與平面結構的1.029E-2/ms相比，波紋結構的平均DR/R提高了15%?？紤]到仿真結果，這種改進相當大。這些差異可能來自應力集中和制造誤差。在仿真情況下，選取波紋件的平均應變變化，并沒有很好地應用最大應變部分進行靈敏度計算。雖然改進量與仿真值不同，但測量結果與仿真結果有相似的趨勢。

圖7（b）顯示了扁平和波紋裝置的響應時間。在0.5 m/s氣流速度的情況下，波紋器件的響應時間為11.24秒，比平板器件快1.44秒以上。隨著氣流速度的增加，獲得了快速響應時間，減小了兩種裝置之間的差異。

關于裝置長度的測量結果如圖8所示。每個流量計有三個波紋和16μm波長，有300、500、700μm不同長度。隨著長度的增加，平均dr/r從9.758e-3/ms增加到11.248e-3/ms，靈敏度提高。然而，增加的長度對響應時間有負面影響。因此，可以考慮響應時間和靈敏度之間的權衡來選擇器件長度。而且，由于較短的器件更緊湊，也應考慮制造成品率。

對流量計的其他性能進行了測試。如圖9所示，用重復氣流測量裝置的響應。將0.5 m/s風速的短氣流反復施加到裝置上，并在每個測量中觀察到均勻的響應，如圖9（a）。還測量了對長期重復氣流的響應。每周在裝置上通入氣流2個月，觀察到7%誤差范圍內的穩定輸出信號，如圖9（b）所示。

流量計工作在小空氣流量中連續工作7分鐘，測量結果穩定，如圖10所示。雖然沒有測量使用壽命，流量計的穩定性和重復性結果說明，設計的流量計測量小流量的性能良好。

5 結論

本文設計、制作和評價了一種新型的低風速空氣流量傳感器。采用槳葉結構，該裝置垂直于氣流方向，以獲得最大的空氣阻力。采用波紋結構改善了壓阻檢測的輸出信號。在風速小于1 m/s的條件下進行了各種試驗，得到了較為完善的響應信號。所研制的流量計在靈敏度和響應時間上均顯示出較好的輸出特性，為小流量空氣流量的測量提供了一個有前途的方向。

【通聯編輯：朱寶貴】