一種熱溫差式懸空結(jié)構(gòu)氣體流量傳感器設(shè)計(jì)*

李 輝，朱向冰，王建亮

(1.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000;2.北方光電集團(tuán)焦作研究所，河南焦作454150)

0 引言

流量測(cè)量是工業(yè)界基本的需求，在冶煉、化工、能源等領(lǐng)域是不可或缺的。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(lèi)流量計(jì)技術(shù)成熟，性能可靠，精度也能滿足要求。但是這些流量計(jì)大都是機(jī)械式設(shè)備，應(yīng)用于生化、醫(yī)療等領(lǐng)域就顯得不太合適，往往存在起始量程偏大，量程范圍小，需要溫度壓力補(bǔ)償以及體積重量偏大等問(wèn)題［1］。由于這些領(lǐng)域需要的微流體測(cè)量控制系統(tǒng)的流量范圍大都位于μL/min～mL/min，因此，微流量傳感器需要具有精度高、體積小、功耗低、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)技術(shù)的日益發(fā)展，基于此類(lèi)技術(shù)的流量傳感器因其固有的優(yōu)點(diǎn)，使得人們對(duì)其在分析儀器和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用日益關(guān)注［2，3］。

本文利用MEMS技術(shù)加工制備了微型氣體流量傳感器，設(shè)計(jì)懸空式熱敏電阻器，并采用機(jī)械性能和密封性能好的SU—8膠制備氣流溝道，這種設(shè)計(jì)具有靈敏度高、工藝簡(jiǎn)單、成本較低、適合批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，能夠滿足生化檢測(cè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 傳感器工作原理

熱溫差式流量傳感器是以托馬斯提出的“流體的放熱量或吸熱量與其質(zhì)量流量呈正比”的理論為基礎(chǔ)，利用流動(dòng)過(guò)程中加熱元件(熱源)兩側(cè)的溫度分布來(lái)反演流量與流速大小，其優(yōu)點(diǎn)是具有很高的靈敏度，探測(cè)范圍寬，下限小，適用于極微弱流量的檢測(cè)，并具備分辨流向能力和進(jìn)一步微型化，多功能化的發(fā)展趨勢(shì)［4］。

基于MEMS技術(shù)的熱溫差式質(zhì)量流量傳感器一般包含一個(gè)熱源和一對(duì)測(cè)溫元件，分別置于熱源的兩側(cè)，當(dāng)傳感器表面接觸的氣體靜止時(shí)，熱源所建立的熱量分布圖為以加熱元件為中心的正態(tài)分布;當(dāng)氣體流動(dòng)時(shí)，氣體分子從傳感器表面帶走的熱量使該熱源建立的熱量分布圖發(fā)生偏移;利用這種偏移造成的上下游熱敏元件的電阻變化就可以推算流體流速［5］。目前，常用的測(cè)算電路為惠斯登電橋，基本原理如圖1 所示［6］。

圖1 惠斯登電橋測(cè)算電路Fig 1 Wheatstone bridge estimation circuit

2 工藝制備

本流量傳感器采用了熱敏電阻器懸空式結(jié)構(gòu)，2只熱敏電阻器懸空在氣流溝道內(nèi)，避免了襯底的熱傳導(dǎo)，從而具有良好的熱隔離性能，因此，對(duì)流速具有較高的響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)速度［8］。R3，R4為高穩(wěn)定精密電阻，不隨溫度變化而變化。為了進(jìn)一步提高流量計(jì)的靈敏度，本文選擇電阻溫度系數(shù)大的VO2制備熱敏電阻器。而VO2的電阻溫度系數(shù)α較大(TCR為-3.4×10-2～4×10-2K-1，相比之下，Pt的TCR為-3.9×10-3K-1)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓也就較大，這就使得傳感器的靈敏度較高;同時(shí)VO2的化學(xué)惰性較高，這對(duì)保證制得的傳感器電極的穩(wěn)定性是十分有利的［8］。

2.1 懸空式熱敏電阻器制備工藝

1)以硅為基底，首先在硅的表面熱氧化出一層500 nm的SiO2絕緣層，再用LPCVD工藝淀積一層500 nm的Si3N4作為熱敏電阻器的支撐梁;

2)在硅表面涂覆一層2μm的正型光刻膠，曝光光刻得到熱敏電阻器的圖形;

3)利用磁控濺射的方法沉積一層250 nm的VO2，經(jīng)剝離后得到熱敏電阻器，阻值為150Ω;

4)涂覆正膠并光刻得到氣流溝道圖形，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)去掉暴露出來(lái)的 Si3N4和 SiO2，然后利用30%的KOH腐蝕液腐蝕40 min，將熱敏電阻器下面的硅腐蝕掉，從而釋放熱敏電阻器，使熱敏電阻器通過(guò)Si3N4和SiO2的雙層支撐梁懸空在氣流溝道中。

2.2 SU—8膠氣流溝道制備工藝

由于SU—8光刻膠具有良好的機(jī)械性能、抗化學(xué)腐蝕性、熱穩(wěn)定性和密封性能，同時(shí)它的體積電阻率極高。由于它的諸多優(yōu)點(diǎn)，SU—8光刻膠在MEMS微加工和芯片封裝領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［9］。因此，本文將利用SU—8膠來(lái)制備氣流溝道。

1)在硅片上涂覆一層AZ4600厚膠，厚度為10μm，光刻顯影后得到SU—8膠模具圖形;

2)利用深刻蝕技術(shù)，將暴露表面的硅刻蝕60μm，去掉厚膠后即可得到SU—8膠模具;

3)在模具上澆注SU—8膠，在120℃的烘箱內(nèi)固化2 h，脫模后即得到SU—8膠微型溝道;

4)將SU—8膠上的微溝道與熱敏電阻器所在的硅片表面的微型溝道對(duì)準(zhǔn)密封，即可得到微型流量傳感器芯片。最終制得的傳感器熱敏電阻器SEM圖和成品圖分別如圖2與圖3所示。

圖2 熱敏電阻器SEM圖Fig 2 SEM photo of thermistor

圖3 微型流量傳感器成品Fig 3 Product of micro flow sensor

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N2，氣流經(jīng)減壓閥降壓到0.5 MPa，接入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的氣體質(zhì)量流量計(jì)，量程為(0～100 mL/min);在標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)后接上待測(cè)試的流量計(jì)，其輸出信號(hào)測(cè)量采用自主研制的超低噪聲信號(hào)采集卡。

3.2 流速測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1)8 V偏壓下傳感器響應(yīng)特性

實(shí)驗(yàn)首先是在沒(méi)有通入氣體時(shí)，設(shè)定電橋偏壓為8 V，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R3或R4，使輸出電壓盡量逼近0 mV，然后通入氣體，流速?gòu)牡偷礁撸瑫r(shí)記錄下相應(yīng)的電壓值，最終得到的氣體流速—輸出電壓曲線如圖4所示。由圖可見(jiàn)氣體流速為1～30 mL/min，電壓輸出幾乎是線性的，超過(guò)30 mL/min曲線斜率下降，意味著傳感器靈敏度降低。

2)不同偏壓下傳感器響應(yīng)特性比較

圖4 傳感器響應(yīng)特性(偏壓8V)Fig 4 Response characteristic of sensor(offset voltage is 8 V)

當(dāng)加載的電橋偏壓分別是8，10，12V時(shí)，氣體流速—輸出電壓曲線如圖5所示。由圖可見(jiàn)氣體流速為1～35 mL/min，較大的偏壓帶來(lái)較大的輸出電壓，意味著傳感器靈敏度提高，但是隨著偏壓的增大，線性范圍減小，達(dá)到12 V偏壓時(shí)線性范圍上限減小到25 mL/min。

圖5 不同偏壓下傳感器響應(yīng)特性Fig 5 Response characteristic of sensor under different offset voltage

4 結(jié)論

本文使用MEMS技術(shù)研制了微型氣體流量傳感器，設(shè)計(jì)采用了熱敏電阻器懸空式結(jié)構(gòu)，具有良好的熱隔離性能;傳感器氣流溝道利用SU—8膠制備，工藝簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性好，適合批量生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)傳感器處于適當(dāng)偏壓下時(shí)，在0～30mL/min的范圍內(nèi)具有良好的線性度與靈敏度，適用于生化檢測(cè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有很好的推廣前景。

［1］彭杰綱，周兆英，葉雄英.基于MEMS技術(shù)的微型流量傳感器的研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2005，35(3):361-376.

［2］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.

［3］Lofdahl L.MEMSapplication in turbulence and flow control［J］.Process in Aerospace Science，1999，35:101-103.

［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］Kim S U，Kim S，Kim Y，et al.Design and fabrication of a flow sensor detecting flow direct ion and velocity［C］∥The12th International Conference on Transducers，Solid State Sensors，Actuators and Microsystems，2003:1927-1928.

［6］段萱苡，謝海波，傅 新，等.微型熱式液體流量傳感器的設(shè)計(jì)［J］.傳感器技術(shù)，2005，24(8):83-85.

［7］Sun Jianhai，Cui Dafu.Design，modeling，micro fabrication and characterization of novel micro thermal conductivity detector［J］.Sensors ＆ Actuators B:Chemical，2011，160(1):936-941.

［8］Wang Lixia，Li Jianping.Fabrication of vanadium dioxide films at low temperature and researches on properties of the films［J］.Acta Phys，2006，55(6):2846-2851.

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