車嘯婷, 王振宇, 管軼華, 郜晚蕾, 金慶輝

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)

0 引 言

液體流速的測量有著極為重要的意義[1],已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)中[2],隨著研究不斷深入,液體流速測量儀器不再局限于電磁流速計(jì)、超聲波流速計(jì)等大型儀器設(shè)備,測試裝置朝著小型化、微型化發(fā)展[3],對流速的測量環(huán)境也不僅滿足于普通流場,針對低流速區(qū)域的測量也成為市場需求[4]。

熱式流速傳感器是在微機(jī)電系統(tǒng)(micro-elecro-mechanical system,MEMS)技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合介質(zhì)的熱傳遞原理制備的傳感器[5]。根據(jù)測試原理不同,熱式流速傳感器有三種形式,分別為熱分布式、熱脈沖式和熱損失式[6]。本文所研制的熱分布式傳感器在結(jié)構(gòu)上通常由兩類元件組成[7]：芯片中心放置加熱元件,在兩側(cè)一定距離對稱放置熱敏電阻作為測溫元件(根據(jù)流速方向,后文將對稱分布的測溫元件稱為上游電阻和下游電阻),對加熱元件通入恒定功率加熱,為芯片表面提供平穩(wěn)分布的熱源,有流速通過時表面熱場發(fā)生改變,上游和下游電阻發(fā)生變化,產(chǎn)生溫度差,對測溫元件通入電流后,可以利用上、下游電阻電壓差得到流速變化信息。

基于熱式原理的流速傳感器在目前的研究制備中主要針對氣體流速測量或與微流控技術(shù)相結(jié)合[8]。本文的熱分布式流速傳感器經(jīng)過合適的尺寸設(shè)計(jì),將其運(yùn)用到液體低流速區(qū)域的測量,有較好的測試結(jié)果。

1 測試原理

熱分布式流速傳感器通過流體流動改變芯片表面的熱場分布狀態(tài)來測量流速[9],如圖1(a)所示。在加熱功率穩(wěn)定的情況下,對不同電阻表面熱量變化進(jìn)行分析：初始狀態(tài),上、下游電阻表面溫度相同；當(dāng)流速小于某一值時,熱源中只有少部分熱量被流體介質(zhì)帶至下游,此時上、下游的溫度差(ΔT1)隨流速的增大而逐漸增大；當(dāng)流速大于某一值時,芯片表面的較大部分熱量被流體介質(zhì)帶至下游,此時上、下游的溫度差(ΔT2)隨流速的增大而減小；當(dāng)流速繼續(xù)增大時,上、下游溫度差接近于0,因?yàn)榇藭r芯片表面絕大部分的熱量被流體介質(zhì)帶走,上、下游電阻測得的溫度都接近于流體環(huán)境溫度,此分析可以得到上、下游電阻溫差隨著流速的增大呈先上升后下降的關(guān)系,如圖1(b)所示。

圖1 分布式流速傳感器工作原理

2 設(shè) 計(jì)

液體低流速測量熱分布式流速傳感器設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 傳感器設(shè)計(jì)

襯底采用低熱導(dǎo)率的玻璃,可以減少芯片表面熱量通過襯底的流失[10],加熱元件和測溫元件均采用金屬鉑,鉑電阻具有線性度好、穩(wěn)定性較高、電阻率大等優(yōu)點(diǎn)。表面的電阻分布結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)中心對稱分布、線條迂回設(shè)計(jì)的特點(diǎn),芯片中心放置加熱電阻,四周對稱放置測溫電阻,測量流速時只需要使用加熱電阻和任意兩側(cè)的一對測溫電阻即可。芯片和電阻元件尺寸設(shè)計(jì)如下：整個流速傳感器芯片的尺寸為10 mm×10 mm,中心加熱電阻的線條寬度為30 μm,線條間距為50 μm,四周測溫電阻距離中心加熱電阻的距離為0.8 mm,測溫電阻的線條寬度為15 μm,線條間距設(shè)計(jì)為40 μm,四周焊點(diǎn)部分設(shè)計(jì)為1 mm×1 mm。

3 制 作

本文所提出的熱分布式流速傳感器芯片詳細(xì)的工藝流程如圖3所示。采用厚度為500 μm的玻璃基底,如圖3(a)～(b),在表面旋涂2.4 μm的LC100A型光刻膠,在光刻機(jī)下進(jìn)行曝光,曝光時間為15 s,隨后放置在FHD—320型顯影液中顯影45 s得到被圖形化的光刻膠。利用金屬剝離工藝(lift-off)制備鉑(250 nm)和鉻(作為粘附層,20 nm)電極,得到預(yù)期的圖案化蛇形紋電阻,如圖3(d),(e)所示。在芯片表面覆蓋一層具有很高的介電常數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性的氮化硅絕緣層：采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)方法沉積氮化硅(厚度為350 nm),如圖3(f),采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)工藝對傳感器芯片進(jìn)行圖形刻蝕,如圖3(g),(h)所示,最后用丙酮溶液去除氮化硅層上的殘余光刻膠,如圖3(i)。

圖3 傳感器制作工藝流程

將玻璃基片按照設(shè)計(jì)尺寸切割為10 mm×10 mm的芯片,用已設(shè)計(jì)好的印刷電路板(printed circuit board,PCB)對不同尺寸的芯片進(jìn)行貼片打線以便焊接導(dǎo)線,最后用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封裝投入使用。圖4(a)為熱分布式流速傳感器芯片立體結(jié)構(gòu)圖,三層結(jié)構(gòu)從下至上分別為玻璃基底、工作電極和氮化硅層,圖4(b)為傳感器在顯微鏡下的工作電極照片。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)和工作電極照片

4 傳感器性能測試

4.1 Pt測溫電阻性能測試

加工完成后的芯片在20 ℃的環(huán)境溫度下,中心加熱電阻的阻值為108.8 Ω,四周距離0.8 mm的測溫電阻的平均阻值為525.2 Ω。為了研究本器件性能,首先對傳感器表面上、下游測溫鉑電阻進(jìn)行線性擬合和一致性的測量,測溫電阻良好的性能是熱分布式流速傳感器工作的前提。因?yàn)槟硢我环较虻牧魉僦粫绊懼行募訜犭娮枳笥覂蓚?cè)的電阻,所以在性能分析中,只針對某對上、下游電阻完成測量即可。

利用恒溫水箱對上、下游的測溫鉑電阻進(jìn)行標(biāo)定,設(shè)定在5～40 ℃中每隔5 ℃測量一次電阻值結(jié)果,其中30～40 ℃時每隔1 ℃測量一次,如圖5所示,結(jié)果表明,本傳感器的上、下游測溫電阻具有非常好的線性度,可以達(dá)到0.999 9以上。

圖5 上、下游測溫電阻的線性度測試

4.2 傳感器適用量程測試

由于低流速流場易受到外界干擾,為了模擬穩(wěn)定平穩(wěn)的流場環(huán)境,設(shè)計(jì)如圖6所示測試環(huán)境。將傳感器用提前做好的支架固定在恒溫水槽底部,保持整個實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度為20 ℃,固定聚氯乙烯(PVC)軟管連接抽水泵頭抽取恒溫水箱中的水流,另外固定機(jī)械原理的轉(zhuǎn)子流速計(jì)探頭標(biāo)定流速。測溫電阻的電極點(diǎn)焊接導(dǎo)線后用兩臺電化學(xué)工作站為其通入0.1 mA電流,分別讀取上、下游測溫電阻在不同流速下的輸出電壓,中心加熱電阻的電極點(diǎn)焊接導(dǎo)線后利用外接電源供電加熱。

圖6 低流速測量環(huán)境搭建

理論上給中心加熱電阻提供高電流或者高功率加熱,芯片表面會產(chǎn)生更多熱量,提高流速傳感器工作性能,但微納制造的微米(μm)級電阻絲無法承受長期通入高電流,會加快芯片的損耗,所以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中,通入0.25 W的加熱功率作為中心加熱電阻穩(wěn)定的熱量來源,在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境中測量上、下游測溫電阻的電壓變化情況,并根據(jù)兩者電壓差得到與流速的曲線關(guān)系圖。

選取在相同工藝、同一批次制備的3只傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程中,調(diào)節(jié)抽水泵頭使得轉(zhuǎn)子流速計(jì)的標(biāo)定流速在0～150 mm/s區(qū)間內(nèi),期間每增加10 mm/s,對上、下游兩個測溫電阻的輸出電壓讀值,最終測量結(jié)果取3只傳感器電壓穩(wěn)定后的平均值,得到如圖7、圖8所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在流速v=0的情況下,芯片表面沒有熱量產(chǎn)生,上游和下游電阻的電壓相等,為53.48 mV,此值也為20 ℃狀態(tài)下測溫Pt電阻的正常阻值。隨著流速的不斷增大,上游電阻的熱量被逐漸帶至下游,造成下游電阻的電壓有短暫上升過程,隨后逐漸下降,而上游電阻的電壓在流速增大的過程中持續(xù)下降。在流速達(dá)到90 mm/s時,上、下游的電阻電壓恢復(fù)為流體常溫狀態(tài)下的電阻值,為525.2 Ω左右,此時芯片表面的熱量已完全被流體帶走。

圖7 上、下游電阻電壓隨流速的變化關(guān)系

圖8 上、下游電阻的電壓差隨流速的變化關(guān)系

分析上、下游測溫電阻電壓差與流速的關(guān)系可得到圖8,圖中曲線的變化趨勢與前文的理論分析基本吻合,實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步得到了該熱分布式流速傳感器可測量的低流速量程范圍為0～90 mm/s。

4.3 極低流速下傳感器性能測試

從上文的圖8可以看出,上、下游測溫電阻的電壓差與流速的關(guān)系為分段曲線,所以接下來針對0～20 mm/s極低流速區(qū)域做測試,設(shè)定在此區(qū)間內(nèi)每3 mm/s間隔對兩側(cè)測溫電阻進(jìn)行電壓取值,通過與前文同樣實(shí)驗(yàn)方式得到極低流速狀態(tài)下上、下游電阻的電壓差和流速的曲線關(guān)系,如圖9所示。

圖9 低流速下上、下游測溫電阻的電壓差隨流速的變化關(guān)系

對圖9的結(jié)果進(jìn)行二階非線性擬合,擬合系數(shù)R2達(dá)到0.999,表明該熱分布式流速傳感器能在極低流速下有較好的測試性能。對輸出曲線結(jié)果做一次求導(dǎo),表征傳感器在此低流速范圍內(nèi)的靈敏度曲線,由于流速變化及熱量擴(kuò)散是一個動態(tài)過程,所以在0～20 mm/s內(nèi)靈敏度呈曲線變化,隨著流速的增大,靈敏度逐漸下降,在該低流速范圍內(nèi)的最高靈敏度達(dá)到0.06 mV/(mm·s-1)。最后測量測溫電阻在測試過程中的誤差波動,在20 mm/s的固定流速下,電壓穩(wěn)定輸出后持續(xù)20 s,每隔1 s取一次電壓值,觀察上、下游測溫電阻電壓差的波動情況,結(jié)果如圖10所示,兩側(cè)電阻電壓差的最大波動幅度為0.04 mV,20 s內(nèi)輸出的平均值為0.819 72 mV,誤差波動范圍不超過4 %,說明該傳感器工作在極低流速情況下,一段工作時間內(nèi)也有較好的穩(wěn)定性。

圖10 20 mm/s流速下兩側(cè)電阻電壓差的波動情況

5 結(jié) 論

本文成功研制了一種可測量液體在低流速情況下使用的熱分布式流速傳感器,通過后期實(shí)驗(yàn),該傳感器在一定的環(huán)境下適用于極低范圍的液體流速測試。該熱分布式流速傳感器集成芯片表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和較高的靈敏度,并且尺寸小、成本低、可以實(shí)現(xiàn)大量批量制造以滿足任何低流速場合檢測的需要。