高文平

摘要：設(shè)計(jì)、制造和評(píng)價(jià)了一種新型波紋結(jié)構(gòu)的低流速流量計(jì)。對(duì)于小流量的測(cè)量，在給定的空氣流量下，應(yīng)提高敏感度相關(guān)因素、空氣阻力和輸出信號(hào)。該裝置具有槳葉結(jié)構(gòu)，在垂直氣流作用下獲得最大的空氣阻力。采用波紋結(jié)構(gòu)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行了改進(jìn)，并采用壓阻檢測(cè)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于小于1 m/s風(fēng)速，相比平面流量計(jì)，波紋結(jié)構(gòu)流量計(jì)具有更高的靈敏度和響應(yīng)速度。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)表明波紋結(jié)構(gòu)流量計(jì)具有很高的重復(fù)性。

關(guān)鍵詞：流量計(jì);波紋結(jié)構(gòu);微機(jī)電系統(tǒng);壓阻檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0227-03

1 概述

流量計(jì)是測(cè)量氣流速度的最重要的設(shè)備之一，在包括汽車(chē)應(yīng)用在內(nèi)的環(huán)境和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。流量計(jì)具有多種測(cè)量方式，可分為熱對(duì)流式和空氣阻力式兩類(lèi)。

熱對(duì)流流量計(jì)是目前使用最廣泛的流量計(jì)。通過(guò)中心加熱器周?chē)臏囟茸兓瘉?lái)測(cè)量流量的，這種流量計(jì)的分辨率很高，約為0.01 m/s。因?yàn)樾枰B續(xù)供電加熱，熱對(duì)流式流量計(jì)的能耗相對(duì)較高。Neda、Kim、Mailly研制的熱對(duì)流流量傳感器分別具有6m、80mW、20mW的功率。商用流量計(jì)能耗較大，從幾十毫瓦到幾瓦。此外，外部溫度對(duì)流量計(jì)的測(cè)量有影響，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

采用空氣阻力的流量計(jì)無(wú)須加熱部件，能耗較低。杯型流量計(jì)的功耗為零，但是這種流量計(jì)是由運(yùn)動(dòng)部件組裝而成，連接部件會(huì)出現(xiàn)一些磨損問(wèn)題。

相比之下，利用空氣阻力制作的微型流量計(jì)具有單芯片結(jié)構(gòu)，磨損對(duì)這些流量計(jì)來(lái)說(shuō)不是關(guān)鍵問(wèn)題。這種流量計(jì)采用彎曲懸臂或附加結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)空氣阻力。然而，彎曲結(jié)構(gòu)需要適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力，且應(yīng)嚴(yán)格控制其過(guò)程。與傳統(tǒng)的平面工藝相比，高寬比柱結(jié)構(gòu)存在著同樣的問(wèn)題。而且，由于主設(shè)備不垂直于氣流，這些流量計(jì)中的阻力減小。因此，流量計(jì)的分辨率和靈敏度會(huì)降低，通常用于檢測(cè)流速超過(guò)2 m/s的空氣流量或液體流量。

由于在生物、人類(lèi)和環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行的研究，需要檢測(cè)小于1 m/s的低風(fēng)速。如上所述，對(duì)流型傳感器存在功耗問(wèn)題，而阻力型傳感器的靈敏度較低。

本文設(shè)計(jì)制作了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉的低風(fēng)速空氣流量計(jì)。在給定的空氣流量下，采用波紋和槳葉結(jié)構(gòu)提高測(cè)量精度，裝置相對(duì)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(cè)作為測(cè)量機(jī)構(gòu)，與電容式檢測(cè)相比，其制作工藝更為簡(jiǎn)單，制作好的器件可以測(cè)量1m/s以下的風(fēng)速。

2 設(shè)計(jì)

2.1 流量計(jì)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)基于氣流的阻力，需要有較高靈敏度用來(lái)測(cè)量小于1 m/s的風(fēng)速。如果靈敏度定義為相對(duì)于氣流的信號(hào)變化，則應(yīng)在給定氣流下增加阻力和輸出信號(hào)等與靈敏度相關(guān)的因素。當(dāng)裝置與氣流垂直時(shí)，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(jié)構(gòu)的氣流，其靈敏度相對(duì)較低。此外，應(yīng)嚴(yán)格控制其制造工藝，以獲得適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力。我們的設(shè)備垂直放置在氣流中，空氣阻力最大。同時(shí)采用了波紋結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變變化比平面結(jié)構(gòu)大。波紋結(jié)構(gòu)在隔膜結(jié)構(gòu)中使用，因?yàn)樗@示出更好的應(yīng)變變化。

圖1為波紋懸臂和槳葉的裝置結(jié)構(gòu)。懸臂結(jié)構(gòu)中，L、t、w分別表示長(zhǎng)度、厚度和寬度，a表示槳葉結(jié)構(gòu)的一側(cè)長(zhǎng)度。一般情況下，隨著波紋深度的增加，應(yīng)變變化較好。但是，如果采用太深的波紋結(jié)構(gòu)，在以后的旋涂過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)PR積累等問(wèn)題。由于約1.5 μm厚的光阻用于許多商業(yè)CMOS工藝中，為了便于制造和商業(yè)化，波紋深度被限制為2μm。

在自由懸臂端采用槳葉結(jié)構(gòu)，增加空氣阻力，波紋結(jié)構(gòu)固定端，應(yīng)變變化更好。槳葉尺寸為200 x 200μm2，懸臂長(zhǎng)度為100，300，500μm。考慮到制造過(guò)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(jié)構(gòu)的仿真

本課室使用商用有限元程序COMSOL Multiphysics 3.5來(lái)評(píng)估給定風(fēng)速下的應(yīng)變變化。采用P = 1/2qv2將風(fēng)速轉(zhuǎn)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(fēng)速。

圖2（a）顯示了波紋結(jié)構(gòu)的放大圖。波紋的每一個(gè)波長(zhǎng)分為四個(gè)部分，如1-4和5-8。波紋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變變化是很難得到的，總的應(yīng)變變化是用各部分的中間值來(lái)計(jì)算的。圖2（b）顯示了平面和波紋結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果，對(duì)比圖如圖2（c）所示。波紋結(jié)構(gòu)的第一扁平部分與同一扁平部分相比，應(yīng)變變化較小。但是，由于變形集中在波紋部分，波紋結(jié)構(gòu)在第二部分波紋結(jié)構(gòu)后表現(xiàn)出較好的應(yīng)變變化。因此，考慮到整體結(jié)構(gòu)，應(yīng)變變化可以提高5%以上。

3 制造

圖3為波紋結(jié)構(gòu)流量計(jì)的制作過(guò)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(kāi)始。在0.5μm厚場(chǎng)氧化物長(zhǎng)大后，確定了波紋結(jié)構(gòu)。雖然較大的波紋深度對(duì)應(yīng)變較好，但為便于后續(xù)加工，波紋深度限制在2 μm以?xún)?nèi)。TMAH各向異性濕蝕刻采用光滑的形狀，和由此產(chǎn)生的深度約1.8 μm （b），低應(yīng)力氮化硅層為設(shè)備層沉積再生氧化層后用LPCVD壓力補(bǔ)償（c），厚0.1 μm鉑用于壓阻材料和金屬線(xiàn)形成與Cr /非盟層（d），正面圖案后RIE過(guò)程（e），背面的設(shè)備釋放深硅蝕刻（f）。

4 結(jié)果

4.1 制造結(jié)果

采用上述工藝制作波紋結(jié)構(gòu)流量計(jì)。制作過(guò)程中的圖片如圖4所示。圖4（a）顯示了定義的波長(zhǎng)為16μm的波紋結(jié)構(gòu)。在這種情況下，波紋的單個(gè)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(jì)。在正面蝕刻時(shí)，應(yīng)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(zhǎng)度和各向異性腐蝕，應(yīng)進(jìn)行70%的過(guò)匹配工藝。圖4（d）顯示了觀察到清晰波紋結(jié)構(gòu)的流量計(jì)的掃描電鏡照片。

4.2 測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在風(fēng)洞室溫條件下進(jìn)行，如圖5所示。風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)量采用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)轱L(fēng)量隨測(cè)量位置的變化而變化。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)是一種傳統(tǒng)的熱線(xiàn)式空氣流量計(jì)，在中心區(qū)域檢測(cè)到穩(wěn)定均勻的氣流。所制作的流量計(jì)位于均勻氣流區(qū)，靠近標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)。制作的流量計(jì)與外部電路連接，用示波器測(cè)量輸出信號(hào)。雖然器件芯片有如圖4（c）所示的兩個(gè)流量計(jì)，但每個(gè)實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)流量計(jì)。

利用示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換成dr/r進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。響應(yīng)時(shí)間按到達(dá)時(shí)間從最終值的0%到90%計(jì)算，如圖6所示，上升情況下響應(yīng)時(shí)間約為3.72秒，達(dá)到穩(wěn)定的最終零信號(hào)需要25秒以上。

圖7為平面與波紋狀結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。波紋狀結(jié)構(gòu)的DR/R大于扁平結(jié)構(gòu)，且隨著風(fēng)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(nèi)，波紋結(jié)構(gòu)的平均DR/R為1.157E-2/ms，與平面結(jié)構(gòu)的1.029E-2/ms相比，波紋結(jié)構(gòu)的平均DR/R提高了15%?？紤]到仿真結(jié)果，這種改進(jìn)相當(dāng)大。這些差異可能來(lái)自應(yīng)力集中和制造誤差。在仿真情況下，選取波紋件的平均應(yīng)變變化，并沒(méi)有很好地應(yīng)用最大應(yīng)變部分進(jìn)行靈敏度計(jì)算。雖然改進(jìn)量與仿真值不同，但測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果有相似的趨勢(shì)。

圖7（b）顯示了扁平和波紋裝置的響應(yīng)時(shí)間。在0.5 m/s氣流速度的情況下，波紋器件的響應(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間，減小了兩種裝置之間的差異。

關(guān)于裝置長(zhǎng)度的測(cè)量結(jié)果如圖8所示。每個(gè)流量計(jì)有三個(gè)波紋和16μm波長(zhǎng)，有300、500、700μm不同長(zhǎng)度。隨著長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)響應(yīng)時(shí)間有負(fù)面影響。因此，可以考慮響應(yīng)時(shí)間和靈敏度之間的權(quán)衡來(lái)選擇器件長(zhǎng)度。而且，由于較短的器件更緊湊，也應(yīng)考慮制造成品率。

對(duì)流量計(jì)的其他性能進(jìn)行了測(cè)試。如圖9所示，用重復(fù)氣流測(cè)量裝置的響應(yīng)。將0.5 m/s風(fēng)速的短氣流反復(fù)施加到裝置上，并在每個(gè)測(cè)量中觀察到均勻的響應(yīng)，如圖9（a）。還測(cè)量了對(duì)長(zhǎng)期重復(fù)氣流的響應(yīng)。每周在裝置上通入氣流2個(gè)月，觀察到7%誤差范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出信號(hào)，如圖9（b）所示。

流量計(jì)工作在小空氣流量中連續(xù)工作7分鐘，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，如圖10所示。雖然沒(méi)有測(cè)量使用壽命，流量計(jì)的穩(wěn)定性和重復(fù)性結(jié)果說(shuō)明，設(shè)計(jì)的流量計(jì)測(cè)量小流量的性能良好。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、制作和評(píng)價(jià)了一種新型的低風(fēng)速空氣流量傳感器。采用槳葉結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)改善了壓阻檢測(cè)的輸出信號(hào)。在風(fēng)速小于1 m/s的條件下進(jìn)行了各種試驗(yàn)，得到了較為完善的響應(yīng)信號(hào)。所研制的流量計(jì)在靈敏度和響應(yīng)時(shí)間上均顯示出較好的輸出特性，為小流量空氣流量的測(cè)量提供了一個(gè)有前途的方向。

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】