一種高性能MEMS氣體流量傳感器設計*

李 輝，張持健

（安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽蕪湖 241000）

0 引言

流量測量是人類生產與生活的基本需求，相應的測量儀器和方法廣泛應用于冶金、化工、食品、醫(yī)藥及民生等國民經濟的各個領域，在國民經濟中占據(jù)重要的地位。目前廠礦企業(yè)廣泛使用的流量計有渦輪流量計、羅茨流量計和皮膜式流量計等，這類流量計技術成熟，性能可靠，精度也能滿足一般的要求。但是這類機械式流量計應用于生化、醫(yī)療等領域就顯得不太合適。這是由于這些領域的流量范圍大都處于μL/min到mL/min量級，因此，要求傳感器具有精度高、體積小、功耗低、響應時間短等特點，而機械式流量計往往存在量程起始點偏大，測量范圍小，需要溫度壓力補償以及體積重量偏大等問題［1］。

微機電系統(tǒng)（MEMS）具有體積微小、耗能低、能方便地進行微細操作等優(yōu)點［2］，基于此類技術的流量傳感器因其固有的優(yōu)點，使得人們對其在生化、醫(yī)藥等領域的應用日益關注。

本文將利用MEMS技術加工制備微型氣體流量傳感器;在設計中將采用有利于提高檢測靈敏度的器件結構和工藝材料，以及機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，能夠滿足生化檢測、醫(yī)療等領域的需要。

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量流量呈正比”理論為基礎，利用流體流動過程中加熱元件（熱源）兩側的溫度分布來反演流速;其優(yōu)點是靈敏度高、探測范圍寬，具備分辨流向的能力，以及進一步微型化、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［3］。

基于MEMS技術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，當流體靜止時，熱量分布圖為以熱源為中心的正態(tài)分布;流動時熱量分布圖發(fā)生偏移，造成上下游熱敏電阻器的阻值變化;利用惠斯登電橋將阻值變化轉換為對應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

設橋臂比n=R3/R1=R4/R2，由文獻［5］可知，當R1=R2=R時，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。傳統(tǒng)的MEMS溫差式流量傳感器片內只集成了R1，R2;R3，R4為外接精密電阻器的電阻，這種結構容易受到外界環(huán)境的干擾，一旦R3，R4發(fā)生漂移就會影響電橋輸出，從而對流速測算構成干擾，所以，本設計將電橋4只電阻器都集成在芯片中，且初始值相等，這樣就簡化了分析，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻［6］已經證明，電橋輸出電壓V0是與流速、流體特性、傳感器結構及材料密切相關的，因此，在設計中合理地調節(jié)加熱電阻器與熱敏電阻器的距離可以調整電橋輸出電壓，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，具有良好的熱隔離性能，因此，對流速具有較高的靈敏度和響應速度。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對應的輸出電壓也就較大，從而提高了傳感器的靈敏度;同時Pt的化學惰性強，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械、抗腐蝕、密封性能與熱穩(wěn)定性，同時體積電阻率極高，因此，在MEMS加工和封裝領域得到了廣泛的應用［8］。本文也將利用SU—8膠來制備氣流溝道，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準密封，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節(jié)。

3 實驗結果與分析

3.1 測試裝置

在本實驗中，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。氣源采用高純度氮氣（N2），氣流接入一個標準的氣體流量計作為流速標定;標準流量計輸出接待測試的流量傳感器，其輸出信號采用自主研制的超低噪聲信號采集卡測量［9］。

3.2 流量測試實驗

實驗首先進行小量程測試，設定電橋偏壓E為10V，氣體流量從0升高到1.2 mL/min，同時記錄下相應的電壓值，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 流量測試結果Fig 4 Result of flow test

由圖可見，間距為2時靈敏度較高，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重要因素，合適的距離能獲得較高的靈敏度。隨后進行大量程測試，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具有較好的線性度。

4 結論

本文使用MEMS技術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。設計采用熱隔離性能良好的硅襯底挖空結構，且熱敏電阻器與熱源距離可調，從而保證了較高的靈敏度和響應速度。實驗表明:合適的電阻器距離可以獲得較高的靈敏度;同時在0～20 mL/min的量程范圍內系統(tǒng)線性度較好。本傳感器適用于生化檢測、醫(yī)療等領域的應用，具有良好的推廣前景。

［1］美國矽翔微機電系統(tǒng)有限公司.Siargo燃氣流量計產品優(yōu)勢及案例［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］.黑龍江大學自然科學學報，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.基于測熱式原理的集成微流體流量傳感器的設計、制作及信號處理［D］.上海:上海交通大學，2010.

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

［6］李 雯.熱式質量流量計的設計［D］.杭州:浙江大學，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，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.一種應用于微型氣體流量計的低噪聲信號采集系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（11）:81-83.