陳 佩, 趙玉龍, 田 邊(1. 長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院, 西安 710064; . 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710054)

MEMS梁膜結(jié)構(gòu)流量傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 佩1,*, 趙玉龍2, 田 邊2
(1. 長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院, 西安 710064; 2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710054)

流量是工業(yè)檢測(cè)重要參數(shù)之一。流量檢測(cè)技術(shù)隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，向著小型化、高精度、智能化的方向發(fā)展?；贛EMS技術(shù)設(shè)計(jì)了一種梁膜結(jié)合的壓差式流量傳感器結(jié)構(gòu)，分析了其基本工作原理，采用硅微加工工藝對(duì)傳感器進(jìn)行了流片加工，然后對(duì)封裝完成的傳感器樣機(jī)進(jìn)行了氣流和水流靜態(tài)性能測(cè)試。氣流測(cè)試靈敏度為0.3508mV/(ms-1)2，測(cè)試基本精度為0.5885%FS；水流測(cè)試靈敏度為41.5241mV/(ms-1)2，測(cè)試基本精度為0.9323%FS。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)傳感器具有較高的靈敏度與基本精度，從而能完成流量信號(hào)的檢測(cè)。

微機(jī)電系統(tǒng)；流量；傳感器；梁膜結(jié)構(gòu)；微加工

0 引 言

流量是工業(yè)檢測(cè)重要參數(shù)之一，在制造業(yè)、物理化學(xué)、生命科學(xué)及國防安全中均是需要重點(diǎn)檢測(cè)的物理量[1-3]。流量傳感器的發(fā)展具有悠久的歷史。自20世紀(jì)50年代以來，隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)的興起和發(fā)展，使得流量傳感器的研究方向朝著小型化、高精度和智能化的方向發(fā)展[4-6]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)基于MEMS技術(shù)的流量傳感器展開了廣泛研究，最常見的是基于傳熱學(xué)原理的熱式微型流量傳感器[7-8]。MEMS熱式流量傳感器具有較寬的測(cè)量范圍，較高的靈敏度，低的流量測(cè)量下限，以及較好的工藝可控性等。熱式流量傳感器經(jīng)過近40年發(fā)展，已經(jīng)占據(jù)了流量測(cè)量的主流市場。然而，熱式流量傳感器也有著其固有缺點(diǎn)，如襯底熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的測(cè)量誤差、功耗較大、容易發(fā)生零漂以及響應(yīng)時(shí)間過長等。此外，當(dāng)流體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，傳感器熱導(dǎo)率可能增加，從而帶來較大的測(cè)量誤差。

非熱式流量傳感器可以較好地克服以上缺點(diǎn)，具有零點(diǎn)漂移小、功耗低、檢測(cè)電路簡單、測(cè)量方式多樣和響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。非熱式流量傳感器逐漸成為近年來的研究熱點(diǎn)，現(xiàn)有典型的非熱式流量傳感器結(jié)構(gòu)有懸臂梁式、曲梁式和平膜式等。直梁結(jié)構(gòu)的代表是由Ozaki等制作的壓差式流量傳感器[9]。該傳感器用于測(cè)試水流流量，其量程為0.2～1m/s，靈敏度31.45mV/(ms-1)2，非線性0.8254%FS。曲梁結(jié)構(gòu)的代表是由Yu-Hsiang Wang等制作的流量傳感器[10]。該傳感器用于氣流測(cè)試，但靈敏度和精度較低。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)氣流二維流向的辨別，量程為15～30m/s，靈敏度0.1048mV/(ms-1)2，非線性1.3521%FS。平膜結(jié)構(gòu)的代表是由Richter等在壓力傳感器膜片中央刻蝕一個(gè)小孔制作而成的一種壓差式流量傳感器[11]。該傳感器水流測(cè)試靈敏度為40.4mV/(ms-1)2，其文中并未報(bào)道測(cè)量下限。以上各類傳感器靈敏度和精度均有提升空間，且無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣流測(cè)試和水流測(cè)試。

本文采用MEMS技術(shù)，提出一種具有梁膜結(jié)構(gòu)的壓差式流量傳感器，以解決現(xiàn)有非熱式流量傳感器靈敏度低、測(cè)量精度差等問題。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

目前常見的MEMS壓差式流量傳感器敏感單元結(jié)構(gòu)主要有懸臂梁式、平膜式和曲梁式等。這些結(jié)構(gòu)都是利用壓阻效應(yīng)，在梁或膜的應(yīng)力集中部位制作壓敏電阻，以達(dá)到對(duì)流量信號(hào)的測(cè)量目的。綜合考慮測(cè)量精度、靈敏度及加工精度等方面的因素，本傳感器彈性單元采用梁膜結(jié)合的四梁傳感器結(jié)構(gòu)，由中央膜片、敏感梁和硅支撐體3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器芯片整體尺寸為2.5mm×2.5mm×0.25mm。

中央膜片直接受到運(yùn)動(dòng)流體的沖擊作用，應(yīng)力通過中央膜片傳遞到敏感梁上，在敏感梁根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，在此布置壓敏電阻可提高傳感器的靈敏度。硅支撐體主要用于封裝過程中與傳感器殼體鍵合。在4個(gè)敏感梁靠近硅支撐體一端各設(shè)計(jì)有1個(gè)壓敏電阻，4個(gè)壓敏電阻組成惠斯通全橋電路，如圖2所示。

當(dāng)傳感器受到一定速度的流體沖擊作用時(shí)，在中央膜片的上下表面會(huì)產(chǎn)生壓力差Δp，在Δp的作用下敏感梁發(fā)生變形，使得壓敏電阻阻值發(fā)生變化，從而惠斯通電橋輸出一個(gè)電壓U0。

當(dāng)流體作用于傳感器時(shí)，所產(chǎn)生的壓力差Δp可表示為[12]：

式中：Δp為中央膜片上下表面的壓力差；CD為與傳感器結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)確定之后，其值為一常量；ρ為流體密度；V為流體速度。

在Δp的作用下惠斯通電橋輸出電壓U0可表示為[13]：

式中：U為惠斯通電橋輸入電壓；K0為材料的應(yīng)變系數(shù)；E為材料彈性模量；l、b、h分別為敏感梁的長、寬、厚；ACH為流體通道面積；AM為中央膜片面積。以上參數(shù)均為常量。

式(2)表明，惠斯通電橋輸出電壓與流體速度的平方成正比關(guān)系。通過標(biāo)定試驗(yàn)，可以得到惠斯通電橋輸出電壓與流體速度的關(guān)系式，從而將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。

2 傳感器芯片微加工與封裝

2.1 傳感器芯片的微加工

本傳感器需要采用離子注入、光刻、ICP刻蝕、金屬引線濺射等工藝來完成敏感電阻、敏感梁及中央膜片的制作，每個(gè)工藝流程都需要制作不同的掩模版來完成[14-16]。因此，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了用于形成敏感電阻的電阻版(M1)，用于形成電阻與導(dǎo)線連接的歐姆接觸版(M2)，用于形成金屬引線及焊盤的引線版(M3)，用于實(shí)現(xiàn)硅片減薄形成薄膜結(jié)構(gòu)的背腔版(M4)，用于釋放敏感梁形成梁膜結(jié)構(gòu)的正面穿透版(M5)。此外，由于傳感器應(yīng)用環(huán)境要求，還設(shè)計(jì)了保護(hù)傳感器芯片的氧化膜版(M6)，以增加傳感器芯片密封性。傳感器芯片的微加工工藝流程如圖3所示。

(1) 選用厚度為250μm的n型雙面拋光4寸(100)晶面硅片加工傳感器芯片，電阻率為10Ω·cm，使用HF溶液清洗硅片去除氧化層。

(2) 對(duì)n型硅片采用雙面高溫氧化法來獲得SiO2電絕緣層，同時(shí)，表面微加工時(shí)硅的犧牲層掩膜也可以使用該SiO2層。

(3) 光刻硅片正面，形成壓敏電阻條形狀，然后將暴露出的氧化層采用濕法腐蝕及反應(yīng)離子刻蝕去除，并進(jìn)行硼離子擴(kuò)散，從而獲得p型摻雜的壓敏電阻，其中注入能量80keV，注入劑量3×1014cm-2。

(4) 光刻引線孔，將引線孔上的SiO2刻蝕掉，為了降低金屬引線與電阻之間的接觸電阻，通過Pt合金化來形成引線孔。Pt覆蓋層為100nm，p型硅與PtSi合金的接觸電阻為0.02Ω。

(5) 光刻引線，通過濺射分別生成厚150、300和1500?的Ti-Pt-Au膜；通過光刻技術(shù)得到光致抗蝕劑掩膜，采用Ti作為與電阻條接觸金屬，為采用Pt作為中間的阻擋層擴(kuò)散金屬，采用Au作為外界金屬層，從而實(shí)現(xiàn)金絲與電阻條間的電氣連接。然后通過濕法腐蝕金屬層，獲得電極引線；光刻電極工藝后，進(jìn)行金屬化處理[17]。

(6) 背腔刻蝕。利用背腔版M4對(duì)硅片背面進(jìn)行ICP刻蝕[18]，刻蝕深度230μm，形成厚20μm的膜片。 (7) 正面穿透刻蝕。采用正面穿透版M5在硅片正面進(jìn)行光刻，得到梁膜結(jié)構(gòu)的外形，剩余硅膜采用ICP繼續(xù)刻蝕，釋放敏感結(jié)構(gòu)。

(8) 涂覆氧化層，采用氧化絕緣層版M6對(duì)傳感器芯片表面除焊盤以外的位置涂覆一層絕緣氧化層，增強(qiáng)傳感器的絕緣性能，為其能夠進(jìn)行液體測(cè)量打下基礎(chǔ)。 加工完成的傳感器芯片如圖4所示,整體芯片尺寸為2.5mm×2.5mm×0.25mm。

2.2 傳感器芯片封裝

由于MEMS傳感器芯片的特殊性，如不采用必要的封裝保護(hù)則不能應(yīng)用于實(shí)際中。所設(shè)計(jì)傳感器具有可動(dòng)結(jié)構(gòu)，需要與流體相互作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，才能完成流量測(cè)量。對(duì)于MEMS梁膜結(jié)構(gòu)流量傳感器的封裝，主要有以下要求：(1) 保護(hù)傳感器芯片可動(dòng)結(jié)構(gòu)不受破壞，高可靠性，高穩(wěn)定性；(2) 增強(qiáng)傳感器密封性，適應(yīng)液體環(huán)境測(cè)量要求；(3) 使傳感器免受安裝帶來的應(yīng)力影響；(4) 提供可靠的引線方式和電氣連接；(5) 盡量減小因封裝過程而引入的傳感器系統(tǒng)誤差，減小溫度變化引起的熱應(yīng)力對(duì)傳感器性能影響；(6) 安裝簡易、成本低廉，封裝制造能與標(biāo)準(zhǔn)的微電子制造工藝兼容。

針對(duì)以上要求，本文采用PCB轉(zhuǎn)接板結(jié)合不銹鋼殼體的封裝方式，對(duì)傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性封裝。不銹鋼殼體主要對(duì)傳感器芯片和PCB板提供載體，并保護(hù)傳感器芯片。傳感器芯片、PCB轉(zhuǎn)接板與殼體相互粘接成為一體結(jié)構(gòu)，并在表面涂覆一層硅膠，以增加傳感器密封性。圖5為所采用的封裝方案示意圖，圖6為封裝完成的傳感器。

3 傳感器性能測(cè)試

設(shè)計(jì)的MEMS梁膜結(jié)構(gòu)壓差式流量傳感器性能測(cè)試試驗(yàn)主要包括氣體(壓縮空氣)流速測(cè)試和液體(水)流速測(cè)試。

3.1 氣流測(cè)試

氣流測(cè)試中，流動(dòng)氣體采用壓縮空氣源提供，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)采用SY-M100L-CRWE便攜式標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定裝置。氣流測(cè)試框圖如圖7所示。

氣流試驗(yàn)是在溫度20℃，相對(duì)濕度50%RH的環(huán)境下進(jìn)行，采用±5V恒壓源供電，測(cè)量范圍0～30m/s。試驗(yàn)時(shí)，氣流速度的輸入由0m/s開始，每增加3m/s測(cè)采集一次，每次穩(wěn)定時(shí)間設(shè)定為30s，直至達(dá)到試驗(yàn)量程；之后，進(jìn)行反行程卸載測(cè)試，測(cè)試流速間隔及穩(wěn)定時(shí)間與加載過程相同。循環(huán)測(cè)量3次，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

擬合后的曲線方程為：

式中：U為輸出電壓；v為流體速度。

3.2 水流測(cè)試

水流測(cè)試采用水槽標(biāo)定裝置完成試驗(yàn)，其試驗(yàn)圖如圖9所示。

水流試驗(yàn)是在水溫10℃環(huán)境下進(jìn)行的，采用±5V恒壓源供電，測(cè)量范圍為0～3m/s。試驗(yàn)時(shí)，水流速度的輸入由0m/s開始，每增加0.3m/s測(cè)量一次，每一次穩(wěn)定時(shí)間30s，直到達(dá)到試驗(yàn)量程；之后，進(jìn)行反行程卸載測(cè)試，測(cè)試流速間隔與穩(wěn)定時(shí)間與加載過程相同。每個(gè)傳感器加載卸載循環(huán)過程進(jìn)行3次，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

擬合后的曲線方程為：

3.3 傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)

通過分析傳感器標(biāo)定測(cè)試結(jié)果，得到其各項(xiàng)靜態(tài)性能如表1所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)傳感器能夠完成氣流和水流流量的測(cè)試工作。其中氣流測(cè)試靈敏度為0.3508mV/(ms-1)2，測(cè)試基本精度為0.5885%FS；水流測(cè)試靈敏度為41.5241mV/(ms-1)2，測(cè)試基本精度為0.9323%FS。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)傳感器具有足夠的靈敏度與基本精度從而完成流量信號(hào)的測(cè)量工作。 性能指標(biāo)中量程存在測(cè)量下限的原因主要有2點(diǎn)：(1) 當(dāng)流速較低時(shí)，流體粘度對(duì)傳感器影響較大，使得測(cè)量精度降低；(2) 當(dāng)流速小于1m/s時(shí)，流速越小，則其平方值會(huì)更小，使得傳感器無輸出電壓。存在測(cè)量下限是壓差式流量傳感器目前所無法克服的一個(gè)缺點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)傳感器氣流測(cè)試下限為1.2m/s，水流測(cè)試下限為0.11m/s，相比較現(xiàn)有壓差式流量傳感器，具有更低的測(cè)量下限。

表1 傳感器標(biāo)定測(cè)試結(jié)果Table 1 Result of calibration test

4 結(jié) 論

(1) MEMS流量傳感器采用可與IC加工工藝集成的加工技術(shù)，其低成本、微型化以及可批量生產(chǎn)的潛力可使MEMS傳感器在未來智能檢測(cè)領(lǐng)域中得到大量應(yīng)用。

(2) MEMS壓差式流量傳感器測(cè)量過程中電極與流體無接觸，且測(cè)量過程中無能量輸入到被測(cè)流體中，對(duì)流體溫度幾乎無影響，尤其適用對(duì)溫度敏感的流量測(cè)量領(lǐng)域。

(3) 所設(shè)計(jì)傳感器敏感單元采用新型梁膜結(jié)構(gòu)，提高了傳感器的測(cè)量靈敏度，且加工工藝簡單。

(4) 通過性能測(cè)試試驗(yàn)可以看出，MEMS梁膜結(jié)構(gòu)傳感器具有較高的靈敏度和精度，較低的測(cè)量下限，且可同時(shí)用于氣體和液體環(huán)境流量信號(hào)的測(cè)量。

[1]Schena E, Massaroni C, Saccomandi P, et al. Flow measurement in mechanical ventilation:a review[J]. Medical Engineering & Physics, 2015, 37(3): 257-264.

[2]蔡武昌. 從FLOMEKO 2010看流量測(cè)量技術(shù)和儀表的發(fā)展[J]. 石油化工自動(dòng)化, 2011,(05): 1-4. Cai W C. View of flow measurement technology and instrument development from FLOMEKO 2010[J]. Automation in Petro-chemical Industry, 2011, (05): 1-4

[3]Worsfold P J, Clough R, Lohan M C, et al. Flow injection analysis as a tool for enhancing oceanographic nutrient measurements-a review[J]. Analytica Chimica Acta, 2013, 803: 15-40.

[4]Nguyen N T. Micromachined flow sensors-a review[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 1997, 8(1): 7-16.

[5]Zhou L X. A review of measurements and numerical studies for the effect of wall roughness on the gas-particle flow behavior[C]. 8th International Symposium on Measurement Techniques for Multiphase Flows, 2014: 115-120.

[6]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,(03): 361-376. Peng J G, Zhou Z Y, Ye X Y. Progresses on micromachined flow sensors based on mems technology[J]. Advances in Mechanics, 2005, (03): 361-376

[7]Kuo J T W, Yu L, Meng E. Micromachined thermal flow sensors-a review[J]. Micromachines, 2012, 3(3): 550-573.

[8]Nawi M N M, Abd M A, Arshad M R, et al. Review of MEMS flow sensors based on artificial hair cell sensor[J]. Microsystem Technologies-Micro-and Nanosystems-Information Storage and Processing Systems, 2011, 17(9): 1417-1426.

[9]Ozaki Y, Ohyama T, Yasuda T, et al. Air flow sensor modeled on wind receptor hairs of insects[J]. Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems(MEMS), 2000: 531-536

[10]Ma R H, Chou P C, Wang Y H, et al. A microcantilever-based gas flow sensor for flow rate and direction detection[J]. Micro-system Technologies Micro and Nano systems Information Storage and Processing Systems, 2009, 15(8): 1201-1205.

[11]Richter M, Wackerle M, Woias P, et al. A novel flow sensor with high time resolution based on differential pressure principle[C]. MEMS 99: Twelfth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Technical Digest, New York, 1999: 118-123.

[12]Chen P, Zhao Y L, Tian B A, et al. Design and fluid-structure interaction analysis of a micromachined cantilever-based differential pressure flow sensor[J]. Micro & Nano Letters, 2014, 9(10): 650-654.

[13]Chen P, Zhao Y L, Li Y Y. Design, simulation and fabrication of a micromachined cantilever-based flow sensor[C]. 8th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems(NEMS),2013: 681-684.

[14]Fitzpatrick JAJ, Inouye Y, Manley S, et al. From “there’s plenty of room at the bottom” to seeing what is actually there[J]. Chemphyschem, 2014, 15(4): 547-549.

[15]Stylios G K. There is plenty of room at the bottom, RP Feynman[J]. International Journal of Clothing Science and Technology, 2013, 25(5): 336-337.

[16]SD S. MEMS materials and processes handbook[M]. New York: Springer, 2011

[17]Erdmann A, Liang R G, Sezginer A, et al. Advances in lithography: introduction to the feature[J]. Applied Optics, 2014, 53(34): L1-L2.

[18]Mendaros R G, Marcelo M T. ICP-RIE platinum(Pt) sputter etching[C]. 2014 IEEE 21st International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits, 2014: 114-117.

(編輯：楊 娟)

Design and development of MEMS based beam-membrane structure flow sensor

Chen Pei1,*, Zhao Yulong2, Tian Bian2

(1. School of Construction Machinery, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710054, China)

Flow is one of the important parameters in industrial detection. With the development and application of the Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology, flow detection is developing towards miniaturization, high precision and intelligence. A MEMS beam-membrane structure based differential pressure flow sensor is designed, and its working principle is analyzed. The sensor is fabricated by the silicon micromachining technology, and then the airflow test and water flow test are conducted. The sensitivity by the airflow test is 0.3508mV/(ms-1)2and the basic accuracy is 0.5885%FS. The sensitivity by the water flow test is 41.5241mV/(ms-1)2and the basic accuracy is 0.9323%FS. The results show that the designed sensor has sufficient sensitivity and basic accuracy for the flow measurement.

MEMS;flow;sensor;beam-membrane structure;micromachining

2016-12-12;

2017-02-24

ChenP,ZhaoYL,TianB.DesignanddevelopmentofMEMSbasedbeam-membranestructureflowsensor.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(2): 34-38. 陳 佩, 趙玉龍, 田 邊.MEMS梁膜結(jié)構(gòu)流量傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(2): 34-38.

1672-9897(2017)02-0034-05

10.11729/syltlx20170001

TH814

A

陳 佩(1989-)，男，陜西西安人，博士，講師。研究方向：MEMS傳感器設(shè)計(jì)與制造。通信地址：陜西省西安市南二環(huán)路中段(710064)。E-mail: chdchenpei@chd.edu.cn

*通信作者 E-mail: chdchenpei@chd.edu.cn