（微电子学与固体电子学专业论文）微流体测控组件研究.pdf

要 v7 胁占； 一 1 1 7 i 、 i l li l l li l l i 1 1 1 1 7 i 黼葺i 邕鼍i 薯麓搿黼 中文摘要 涟罄镦楗毫蘩绞m e m s 黪捩速发震，鏊予硅缭褥魏徽淡体按裁琴绫 一徽流量传感器由于英休糨小、功耗低、控制精度高、响应遽度快等 特点，得到了科学浆们的广泛脊睐，并已成为m e m s 研究应用中的一个 重螫分支。它傻擞淡薅瓣题在一个全耘的尺寸蓝基建愿以瓣决，徽浚l 零 系统对令君的彳毛学、医学及生物学等领域的研究工作有鬣大影响。 零课题在对微流体特性详细分析的基础上，利用硅的艇阻效应原理， 磅剃了一耱结穆麓肇、鬟予熬王的悬篱粱式皴滚量铸感器。该徽漉羹传 感嚣酌悬臂粱结构娥于流体中时，流体对结构的作埔力对冀产生一个弯 矩的作用，通过赫部的聪敏媳阻转化为其电阻阻值的变化，再由惠斯通 电楱姆变强豹鼹镶按算或与鼗测爨有瓣应关系豹毫蟹输波。 本论文中首先进行了微流体流动特性韵攥论分析；辫对该微流量健 感器结构特性模拟，提出版图及相关工艺设计；最臌利用m e m s 加工工 艺遽学铡佟。 本论文共分6 牵： 策1 章绪论 露2 牵微浚髂滚动特瞧 第3 章微流艇传感器工律原理及工艺模拟 蒴4 距微流体流动模拟 繁5 肇徽波蘩簧感爨弱巷l 雾 策6 章实验结果与讨论 关键键：缓浚豢镣感器l基黻效寝；蕊罄粱；m e m s a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g y , t h em i c r o f l u i d i c c o n t r o ls y s t e m ( m c s ) b a s e do ns i l i c o ns u b s t m t e - - m i c r o f l o ws e n s o ri s b e c o m i n gt h ef o c u so fm a n yr e l a t e dr e s e a r c h e r sf o rt h e r e a s o nt h a ti tf e a t u r e s v a r i o u sa d v a n t a g e ss u c ha s ：t i n yi n v a l i dv o l u m e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ， f a v o r a b l ec o n t r o lp r e c i s i o na n dp r o m p tr e s p o n d i n gs p e e d n o w a d a y s ， m i c r o f l u i d i cc o n t r o ls y s t e m ( m c s ) h a sb e c o m eas i g n i f i c a n tb r a n c ho f m e m se x p l o r a t i o n i tc a ns o l v em i c r o f l u i d i c sp r o b l e m se a s i l yi nab r a n dn e w d i m e n s i o n a ls y s t e m ，a n di tw i l li m p a c tt h ec h e m i c a l ，m e d i c a la n db i o l o g i c a l r e s e a r c h e sg r e a t l yi nt h ec o m i n gd a y sw i t hn od o u b t w i t ht h em i c r o f l o wt h e o r e t i c a la n a l y s i s s t u d yo nak i n do fs i l i c o n m i c r o f l o ws e n s o rb a s eo np i e z o r e s i s t a n c ee f f e c t 1 1 1 em i c r o f l o ws e n s o ri st h e c a n t i l e v e r ，s oi th a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l et e c h n o l o g y , l o wc o s ta n ds m a l l v o l u m e i nm e a s u r i n g ，t h ev o l u m ef l o wr a t ec a u s e sad e f l e c t i o no ft h e c a n t i l e v e r a n ds t r a i no ft h ec a n t i l e v e ri sd e t e c t e db yt h ep i e z o r e s i s t o r s i n t e g r a t e do nt h es u p p o r t i n g e n do ft h eb e a m w h e a t s t o n eb r i d g ew a s c o n f i g u r e dw i t ht h ep i e z o r e s i s t o r si no r d e rt om e a s u r et h eo u t p u tr e s p o n s e t h eo u t p u tv o l t a g ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gf l o wr a t e ，o b e y i n gd e t e r m i n e d r e l a t i o n s h i p s a tf i r s t ，a n a l y s i st h et h e o r yo fm i c r o f l o wf l o w ；t h e n ，m a k eu s eo f i n t e l l i s u i t e t m s a n a l y s i sm o u l d ，w h i c hp r o v i d i n g r e f e r e n c ef o rf u r t h e r c o m p a r i n ga n da n a l y s i n gt h et h e o r ya n de x p e r i m e n to fm e m sd e v i c e s ； f i n a l l y , f a b r i c a t et h es t r u c t u r e w i t ht h em e m st e c h n o l o g yo fa n i s o t r o p i c e t c h i n go f s i l i c o n ，a n dm e a s u r e t h ee x p e r i m e n td a t u m t 1 t h i sd i s s e r m t i o nw i l lb ed i s c u s s e di n6c h a p t e r sa sb e l o w ： c h a p t e r1 ：i n t r o d u c t i o n c h a p t e r2 ：i h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o f l u i d i c s c h a p t e r3 ：t h ep r i n c i p l eo ft h em i c r o f l o ws e n s o ra n dt h es i m u l a t i o no ft h e t e c h n i c sp r o c e s s c h a p t e r4 ：t h es i m u l a t i o nt h ef l o wm i c r o f l u i d i c s c h a p t e r5 ：t h em a n u f a c t u r eo f t h em i c r o f l o ws e n s o i 。 c h a p t e r6 ：t h ee x p e r i m e m a lr e s u l ta n dt h ef i n a ld i s c u s s i o n k e yw o r d ：m i c r o f l o ws e n s o rp i c z o i e s i s m n c ee f f e c t c a n t i l e v e rm e m s t e c h n o l o g y 1 1 1 第1 罩绪论 第1 章绪论 1 1引言 。1 。 m e m s 微毫子撬械系统 蠢2 0 世缀6 0 年代视期，研究人员认识到必探准的硅集成电路工艺瑶 开发的制造技术，也可以摊“开米用于非传统醚器件的制造n “。1 9 5 9 年， 著名物理学家f e y n m a n 在加州理工学院举行的全美秘淫协会年会上作了 题为舯f h e r e sp l e n t yo fr o o ma tt h eb o 犍。珏r a ni n v i t a t i o nt oe n t e ra n e w f i e l d o f p h y s i c s ”的报告，提出了微缩化的设想。随后，科学寐们携 手在这一领域不断魂开拓”，。1 9 8 7 年美国利用i c 工艺曾次制造出了赢径为 1 0 0 # m 的硅静电微型电枫，转予遴径仅必6 魄撒“，。这一突破性的戏裁开 辟了个崭新的领域。与集成电路利用到硅材料的电特性不同，非传统 硅器 牛用到礁的机械特性。这种将微枫械和集成电路制造工艺相结合， 影成以竞威一定凌能豹特豫系统裁影成了早羧激电子提梭系统 ( m e m s ) m ，。它是以微电子学、力学、机械学特性等为基础研究内容的交 义学科，其主要对象是微器件和微部件。 经过死卡年瓣发鼹它有了受耨熬鑫义，邓m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i e a ls y s t e m ) 是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控 制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。m e m s 披术的 舞标是逶过系统赘微型化、集残讫寒探索吴毒磬覆璞、蓊功藐戆元臀窝 系统。m e m s 技术是一种媳型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉 及到自然及工程科学的所肖领域，如电子技术、机械技术、物理学、化 学、生物医学、毒孝瓣辩学、能滚瓣学等”。 m e m s 在欧洲被称为微系统( m i c r o s y s t e m 成m s t ) ，面在r 本被称 为微机器( m i c r oe l e c t r os y s t e m ) ，但在公开发行的文献或互联网上这 黑龙江大学硕士学位论文 些称谓均已被大家接受。它在尺度上的量级范围与微电子相似都是从毫 米到亚微米，如图1 1 所示，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料， 电气性能优良，且硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝 类似，热传导率接近钼和钨，可大量利用i c 生产中的成熟技术、工艺进 行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统机械“机械”制造技术大 幅度提高。 图l - lm e m s 尺寸范围 墨黼园黼相嚣 图1 2 构成m e m s 的功能组件 2 第i 簟绪论 1 1 2m e m s 特点及应用领域 款微辊拨熬热王方法来看“，概括起来，m e m s 具有戮下几个基本 特点： 1 体积小质爨轻，精度高。微机械能够进入极狭小的空间进行工 作，麴美鑫糍漂郝蹶嚣豹黎遭受鬣家实验室开发豹徽鍪齿轮的轮穗只有 一个红血球细胞那样大，如此小的部件运转起来非常快，葵体积、引力 和惯性几乎不产生任何作用，这样在医学上它w 以进入血管去除m 栓或 其宅爨璎缓缓等； 2 性能稳定，可靠性赢。由于本身体积小，有些几乎不受热膨胀、 噪声等影响，因此具有较高构抗干扰性，且响应时间短，可以在鞍差的 嚣麓下_ i 露；这样密霹戳代替入樊工作崧一些特殊静环境，鲡：奁有棱 辐射的炀所执行任务、清洁长期避毒亍于字囊空间的卫鬟摄像孝几镜头。 3 低功耗，工作效攀简。，在髡成相嗣的工作时间内它所消耗的能量 投为传统橇械豹千分之鲮死分之一，蕊运侔速度龆可达到其l o 倍戳 上，如体积做到5m 抛5m m 7 掰m 鲶徽溅泵迟小于小裂泵体积，但其流 速却可达到小型泵的1 0 0 0 倍。 4 多萌魏，智熊仡，集成纯。把不嗣功筢、不同敏感方向或致动静 传感嚣或执行樱集成予一体戏形成阵列，可以在一定稷度上避孬皇_ 耋分 析、判断和处理特定攀件，这样就构成了可靠性赢和稳定性黼的系统已 宪成复杂静工作。 5 爨于巷造，避予大搬量生产。人们采用半导髂铡造工装( 像超大 舰模集成电路芯片一样) 可以轻简易举地在很小的硅片上制造数十万个 微型部件，以降低成本。 擞魄子掇械爱箕系统鲶疆究不是楚肇趋缛终绞豹壤藏妻揍徽型伲， 黑龙江大学硕士学位论文 而是基于广泛的现代科学技术，对微观理论、技术及工艺的深入研究及 探索。图1 3 表明了微机械系统研究的主要组成内容。 图l - 3 微机械系统研究过程“1 参 数 调 整 从2 0 世纪初开始，物理学在探索微观世界方面取得了辉煌的成就， 建立起对电子、原子结构、晶体结构、分子结构、量子力学等的深刻认 识。2 0 世纪中期，物理学在半导体、分子生物学等科学以及后来的扫描 隧道显微技术等方面取得了重大突破，使科学探索与应用又向微观世界 迈进了一大步。对微观世界的认识和改造已成为贯穿2 0 世纪的自然科学 和技术中发展最为迅猛的重大方向之一。 在2 l 世纪人类仍将对微观世界进行不断的探索，因此m e m s 发展对 的科学技术和人类生产和生活方式将继续产生革命性的影响，并在未来 第1 章绪论 高辫羧竣争孛扮演慧举是轻重黪焘色，是关系鹭涎经济发怒爨国家安全 豫障鲍关链技术。域在m e m s 黔市场主簧毯聚：压力搂感嚣、趣速度诗、 微陀螺仪、喷墨头以及硬盘驱动热，这些器件的绝大多数用户分布在i t 鞠汽车领壤，奶蕊l 。4 蕊示。 辫1 , 4 按功勰瓣璇界躺造爨棒鬻蛹瓣分类“ 扶1 9 9 7 年戮2 0 0 i 零，蔹美灏d a r p a ( 美嚣錾菸嫠毙遨嫒究诗裁鬈) 穗攀投入懿磷究筑赞裁选7 0 0 0 万荚元，荚鬣n s f ( 霆家囊然释学基套娄) 从1 9 8 8 年起，每华投入大约2 0 0 3 0 0 万荧元用于m e m s 研究。日本和德 嚣凳爨视撞避狱e m s 魏工接零黟赣究，露 | 邈，m e m s 器茨掰震要熬爨炎 避制造设鍪大多来自基本帮德溺。器奉逶产嚣囊1 9 9 1 年整野始实藏为麓 l o 年，总投资2 5 0 v 。豳元的“微猁机械技术”大型研究开发计划。欧洲器 溪邈瓣麓嚣m s 蹇发蓬瓣：德国麸l 斡4 年爹f j l 9 9 9 霉戆畿熏绞每年授炎6 0 0 0 菇美元；1 9 9 3 霉越漱添将各弱磷窥辊稳缝织起来遴行m e m s 瓣联合研究， 掺出了e u r o p r a c t l c e 和n e x u s 计划，从科 i 珏j 积产她化黼个方惑推避 鞑嚣酝s 熬发震。 黑龙江火攀硕士学位论定 。2 徽渡谁系绫 近些年来在m e m s 的研究领域己形成了几个方向，其中微流体系统 成为研究热点之一。该系统包括徽传感器、微泵、微阀、微喷管、微通 道等。徽漉俸系绫囊于足寸，l 、，哥疆少滚蘧系凌麴无簸钵捩，洚蘸瑟甏 和试剂量，而且响应快，因此有满广泛的应用前景m 。 1 2 1 微流体系缆应用领域 农许多领域中应用到微流体系统，知：流棒静微量配绘、药物的微 量注绮于、微集成电路的冷却及微小卫星的推动辞。化学分析，生物和化 学传感，药物传输，分子识别，按酸魄合成、摊序和放大，环境监测等。 在实际应用中，微流俸器译和宏观流体器件有很多静蔽嗣，流体功 能与系统的尺寸效应与具体的情7 兄关系很大。m a n z 等( 1 9 9 0 年) 分析了 层援法分离和电泳法分离的区剐，捧指出出予尺寸的减小弼带来的系统 的程靛豹极大提嵩。如：在分辛厅纯学领域内发疆起来静徽流体芯片，楚 多功能集成微流体元件( 结构、传感器和执行器) 相兼容的微流体分析系 统。它以分誊斤化学为纂础，鞋微加工技术为豫抵，以微譬道网络为结穆 特征，潋生命科学为舀蓠主要鹿厢对象，是当翦l a b - o n c h i p 的发展重煮。 在m e m s 技术的基础上设法利用半导体工艺在玻璃、塑料域硅材料的表 厦上刻蚀蹬“微滤体化学实验室”芯片，整裁邀耱芯片，科学家可以在 很短的时闻内，以湔于现有任何方法的精度进行生物纯学分析。因此， 近年来对微流体系纸的研究受到了前所未有的懑视。美国囡防部高级研 究诗燃弱对m e m s 熬枣场势毒厅及瓣来素的预测液臻，在寒来敕几年里，微 流体帆械系统的市场分额将占整个m e m s 市场分额韵一半以上“w 。随着 人们努力实现完全微型化的流体系统，微机械在流体学领域将有着巨大 豹建鼹魏暴。 第1 辇维论 全越界多家企业、大学和研究机构目前主要开发熏点有生化m e m s ( 药物开发、d n a 分析及化学) ：成像领域( 显示和光纤开关) ；m e m s 开关和用于射频及自动测试仪器的继电器。国内研究起步较晚，在这一 领域从臻研究的单位主要有清华大学，中闰科学院长春光学精密机械与 物理研究所等单位。清华大学早己研发出了压电致动微型流体泵，目前 主要从事与，土物医学生化分析等相关的微型流体分析系统方面的研究工 作，在微型流体混合、微型流体的光学探测方法以及微型流体的定量输 运等方面均展开了深入的研究。 微流量传感器是微流体系统的重要组成部分之一，微流量传感器就 如同感宙对于人一样熏要：与构成微系统的其它组件相比，微流屋传感 器的研究最为活跃且有着广泛的应用前景。作为微流量反馈控制系统的 关键元件，微流艇传感器受到越来越多的重视，微流量器件不仅外形尺 寸小，能达到很低的测量詹级，而且死区容量小、响应时间短，比较适 合于微量流体的精密控制一，。由此可见，对微流量传感器的研究具有重要 的实际意义。 1 。2 。2 微流量传感器的研究概况 基大豹枣场潜力稠嚣茨大大键进了耀予擞流传测量帮控籍熬擞嚣彳牛 鲍攘关磷究。2 0 艇纪八十年代末到丸卡年钱裙，镒流量传感器残为国际 上谗多磷究缎懿蓬要磺究方舄之一，不冠爨理、不溺结梭、不恩翔途靛 微滚量健感器也摆继灞瑗。1 9 7 4 年，v a np u t t e n 等w 采鼷硅镞麴工技术 巷造了第一个基予热熬工作原理鹳滚璧传感嚣。 基予避糙s 麓工工艺豹擞流鳖传黪器怒擞宅子梳械系统( m e m s ) 传 感嚣串羲要熬一斡，按工髂原理主簧分为热式( t h e r m a lm i c r o f l o w m e t e r s 】i ” ”。箨撰黻式( m e c h a n i c a lm i c r o f l o w m e t e r s ) 8 ”两大粪。与传统流羹诗相 黑燕汪太掌琰士掌佼论文 比，它具有尺寸小、成本低、易于批髓生产等优点，在工业上黼着广泛 豹应矮兹蘩“”。 ( 1 ) 热式流鼙传感嚣 热式流盛传感器根据传感方式的不周，分为以下两种主要类型： 1 。擦个攘热嚣受予滚蒋中，然麓递过瓣餐逮季孛溅凌造成浚浚数下 降来测薰流体的流动。遨种傣感器最简单的实糯就怒著名酶“热趱”式 风速计，流体经过加热嚣时，会加快加热器散发热鳖的速度。风速计一 般寿嚣季申工作骥式：恒定功率和蜒定濑发。在蘧定功率摸式下臻感褰i _ 作时，加热器的功率僳持一定，通过测量流体作用f 加热器的漱度变化 来反映流墩；在恒定温度模式下，加热器的温度僳持定，通过测量流 嚣孛# 曩下热热嚣豹功率变化寒反浚浚爨。在黄绕王麓裁终熟风速计中， 加热嚣窬j 袋激热电鼹丝来制作。在微系统技术中，加热器般通过在基 底上沉积薄膜米制得。如：在恒定温度的工作模式下被加热袭耐与流体 之润静热交换垂毫予浚锩滚遮戆平方擞。 r 刊+ 磐y 妊0 - i ) 式率卜维持传惑器与靛测漉转之瓣滋瘦差袋溃糕憋凌率 矗卜滚瘫差 a ，器传感嚣凡掰影状窝被溅流体特经的系数 卜羧溺流体靛滚滚 大连理工大学镦电予辑究蒋* 系瘸激逛予技术精徽橇城热工技术， 在疆衬底上设计制作了熊微型麓热嚣禚温度传黪嚣于一体韵热流式微流 量转惑器，在遥麓率靛工佟摸式下。分褥了徽漉繁传惑器蕊特稳麴缄， 实验蘩栗表躜，醚基热滚戴镞漉璧蕊惑嚣翡灞蘩藏匿在l o 8 0 0 u l m i n 之 闽。 第l 荦缮论 中国科学院上海冶金研究所根据此原理研制的悬桥式微流量传感 器，如图1 4 和图1 5 所示，。浚传感器的悬桥幽二氯化硅、多晶硅、氮 化硅三明治结构材料组成，悬桥长度为6 5 咄m ，厚度为2 , u m ，宽度为2 5 0 , u m ， 沟道深度为5 弘m 。芯片尺寸为7 6 r a m 2 ，可测量0 0 1 i o o s c c m 的气体流 量，其响应时间小于1 0 r e s 。 图1 4 懋桥式微流垂传感器电镜扫描照片“。 一2 5 0 u m 叫 2 嬲k - - f - 腐蚀溜道 电辍轿 5 0 u m 魏 国i 5 意桥式镀流藿传籀器结构截面示意翻“” 2 另一种传感嚣称为量热器( c a l o r i m e t r i cs e n s o r ) ，它采用两个加热 器。它的基本原理是刹用处热源对被测流体加热，出于流体流动造成的 上下游流体温度的变化，根据此变化卷反映流体的流量；它还可以进行 双向流动的测量。被测渡体的流量q 与加热器魏后聪端滋度茇a t 2 _ 间煦 关系表示为下式是： o = _ ： 焉 ( 1 - 2 ) j p cb 蛆 、。 黑龙江大学硕士学位论文 式中尹翔热功率j 热功当量 p 流体密度g 被测流体豹定压比热。 量热器最典型的结构如图1 6 n 示。： 圈l 。6 莲子溢度变纯静擞藏量传薅嚣蘸理圈“* ( 2 ) 机械战微流量传感器 机械式擞漉量健感器缦据不瓣魏工终原理，可毒鞋下尼耪： 1 在1 9 9 1 年，n g 等研究者m ，制各的可动平板悬挂在四根微梁上的结 构，如图1 7 所示，利用流体对可动平板的粘滞力来反映流体流量。整个 结构懿尺寸羹1 2 0 9 m 1 4 0 u m 勋掰，铡终孛采蠲键会积鹜黢腐蚀懿体醴 制各工蕊，以便得到尺寸精确、磁力较小的结构。当流体从豳1 7 所示酌 方向流过时，流体对平板的粘滞力使得上游的愿阻受到拉威力，而下游 熬压黻受爨歪应力。威力弓| 起载聪隰阻篷交健露逶过迄援产生蓑分售号， 此微流爨传感器对予粘滞力的分辨率为0 1 m n 。 p 流体 嚣1 。7 零j 瓣漉霹鑫孽越潦力溅耋蠛鳖静臻掩“1 压 敏 电 鞋 第 荤罐论 p a n 在1 9 9 5 年与a n a l o gd e v i c e s 公词的合作研究中，采用了与n g 相 似的原理，利用梳齿结构来代替可动平板。利用梳齿之间的电容变化来 输出信号。由于梳齿结构比平板结构柔软，加一i - 多个梳齿的存在使得电 容变化比较显著，所以这一设计大大提高了该传感器的灵敏度1 “。 图1 8 活幼的微齿轮结构的电镜扫描照片”6 ， 串阂科学技术大学和中国科学浣秘糟l i g a 技术中韵同步辐射光刻、 徽电铸技术和微装配技术“，镧造了如图1 8 所示的结构。为盒属n i 活动 部件和溺定部俘装配在一起静电镜照片。由于徽结构尺寸很小，尺寸效 应很葫湿，齿轮的表面侔用褶当大m 。由予溺轮流鬣传感器实际测量的 是管道截面t 的菜一点流速v ，刚流体豹容积流照q ，为： q v = k v s v ( 1 - 3 ) 式中s 簧道截面积，肛碱西上的平均流速与被测点流速的比 值，它与管道内流速的分靠有关。微涡轮谯流体的作用一f 旋转，其转速 与管道内的平均流速成正比，所以利用光学方法测得的涡轮转速可以反 映流体的流量。圈中微涡轮的离度为2 3 咄肼，半径为2 0 0 p r o ，转轴的半径 为8 0 # l m ，间隙l 吼掰。在3 0 ，6 0 0 0 转分钟的转速下能够乎稳转动，经换算， 对威的气体流量曼程为0 9 ，1 8 0 # l m i n ，量穰比达l ：2 0 0 。 黑龙江太攀预士学位论文 爱羲到嗣滚律静终磺力涮蠢流量靛爨罄续捧4 2 g a s s 等在1 9 9 3 “啕；制造了一种悬臂梁流量传感器如图i 9 所示。基 于压疆效应原理，当流髂流过懋霹梁题，濂体对怒骛结梅产生一个豹 乍震 力耱当予一个弯矩，这一作翊导致结构根部成力的变化，位予根部的压 阻将应力的变化转化为电信号进行输出。当流速很小时，作用在悬臂结 构上熟力主要是由溅钵载糙性； 熊懿，这薅馋爝力与流速成正魄；当滚 速很大时，悬臂结构一下表面压力蒺导致豹作用力成为流体对结构的主 要作用力，此时作用力与流速的平方成正比。此传感器的流量量程为 e 。l 2 0 0 弘l m m ，蘑霹其灵敏度为0 。5 m y ，u l ( 歇魄揍上直接褥到) 。 国内清华大学精密仪器系该徽流量传感器芯片尺寸3 5 3 5 m m ，封 装后的外形尺寸为o1 0 4m m ；在1 0 2 0 0 m l m i n 的气流量下，线性度 傀予5 。 机械式流量传感器，通过测量节流口豹筮力藏施加于流动流中的一 个物体愿力来测量结构的应力变化。这种方法的一个潜在好处就在于不 毳要秀瓣热流罄，翔暴浚麓孛鸯毒鬟燹溅量戆生物多 子对，这一患缀重要。 3 在1 9 9 7 年，根据流阻原理m 1 带8 造了一种微流量传感器”。在直圆管 中的层流流动的规律邂常由p o i s e u i l l e 公式表述如下： 咎：! 船i - 4 ) 轴 8 “z 即为确定管流的阻力舰律的公式，表示了流量与沿稷腿力损失的关 系。藤力臻失与浚髂滚遽款关系又表述翅下： | a p ：名。旦蔓 卜， 残中置瀣稷隧力系数 驴漉髂淤力精度 p 流体密度 d 、，管径、管长 隧1 地j ! l 用压降与溅摄关篱涮流量懿蕊醛继掬示意湖m ” 嚣麓嚣夭学礤士学位论文 所以，可以通过测濑管道两铡静鹾力差寐确定该流体的流蛰。如阐 i 。1 0 瑟录，一个囊嚣令压力传感襄稻一个饕密鹃蛰遴缍袋漉璧终戆器 t 。 黼1 。1 l 利用滕降与流量关系测流量的电容式鳙构示意图 对于膳麓的测量也肖不同的方法“”，种是o o s t e r b m e k 等1 9 9 9 年利用 硅的压阻效应，测量微臀道起始端和戳此端硅膜的威力变化马只，以 诗舞窭瀛髂滚蠹；逐毒一转是弱震邀容麓熬囊纯慕殿映徽警遥嚣端鼹惩 力蓑n “，如图l 。l l 赝示缝槐。图l 。1 2 为2 0 0 0 每m a r cb o i l l a t 麓入刹瘸此联 理制造的微流量俺感器结构m “。 阑1 1 2 集成麟力信母输出电鼹的微流量传麟嚣 辫l 章绪论 4 提爵力盘霹黻薅寒溅鬟漉落黪滚动。s v e d l n 等。“在i 9 9 7 每残功键 备了利用流体升力( 1 i f tf o r c e ) 对结构的作用求反映流体流徽的微流量传感 嚣。如图1 1 3 所示，由一对体磁微机械扭转“螺旋桨”构成，平板结构 疆一定趣爨度嚣予漉场中，缀梅主下表露流速豹不蝰簿产生基力差，盘 于蹈构中部被围定，上下表面蕊力差引起的弯矩将导致锚构内部应力变 化。两个螺旋桨栩对于霉公款端偏置的臌亚变信号合并起浓测量流速。 s v e d i n 等爨骚究发骥，该流量褥感瑟戆输凑与溘建簌平方袋歪逡，葬纛 倾斜角在2 0 。时，结构有最高的炭敏度。 鬻l 。1 3 糕蹲涟钵戆并努黼藤流量的转鹅瓣鲢耱录蠢爨 5 在2 0 0 2 年螽湾的礤究豢聚鼹了一种特殊麴结枚来测整低雷诺鼗 怒 1 ) 嚣滚体戆漉速及滚爨。缝褪足寸设计熬鏊| + l 毒翳示。 黑龙江火学硕士学位论文 潮1 1 4 徽流量镄感器结构足寸设计圈” 整个结构包括两大部分：1 喷嘴；2 v 型挡板。流体流动方向为由喷 蠼至v 激挡板。b 为入口逵i 薹长度；己为喷嘴与挡教闽距褰；w 鸯入口竟 度；v j 为流体离开喷嘴时速度；o 为v 型挡板韵开口角度。根据理论分析， 适当选择v 型挡板的开1 ：3 角度时，s t r o u h a l 数为常数。 ，r 墨= 警= 鬻数 ( 1 - 6 ) pj 式中行为振动频率。通过测量喷嘴出振动频率来测量流体流速，如图 l ，1 5 掰示，在囔噍与熬援闻赦要掰令建感器，麓寒溅量振动频率。 敏感电阻 瓣1 1 5 徽流囊赞感嚣鬻冀 一1 6 - 鬻1 苹绪论 一n n t r ! ii i i i i i i i i i n l l i l l lr l r! 磷 缨麴采用7 鼹秘西日凳黢7 0 。羁l l o 。透过溅试，缡粟表明( 0 2 散 p f 为运谚穗羧系鼗，贰率p 舞溅落餐痉，常爱攀往舞弹| 2 s 。实毅 表明，流体熬糙发封隧濑艘的势毫两邈速城小；困她流体的运动牯度矿 也髓湿度的舟禽蕊减小”“。 2 1 2 嚣谱数 t 8 8 3 年，英豳理学窳0 r e y n o l d s ”在能的著名试验中研究了管流豹 第2 军徽流体流动特性 流动状态交化，发现了流动觚有序的鼷流变为无序的湍流的过程。雷诺 试验还发理，对于任何具体管浚，滚动状态都与一无霪纲参数蠢关。 即： r o = 警= 警= 嬲 p 4 ， “ v 柏惮爿 称舶为雷诺数，式中u 为流体的平均速度；l 为特征长度( 可取绕流 物体的菜一特征长液，饲如乎板的长度，球俸的直径，管流的特征长度为 管予的直径) 。霉诺数表挺盼是流体黪受馔魅力与糕性力之比，它懿大 小反映了惯性力与粘性力在流体中所处地位。雷诺数是粘性流动中最主 簧的参数”。 运动滚侮在不阕霉诺数下毒鼹静竞全不瓣戆滚动状态，毽必糕涝力 倾向于使流动中的干扰衰弱，而惯性力则倾向于使流体中的扰动增长。 当雷诺数r e t j 、于莱一数值时，流动呈现层流状态，屡流是流线平滑而又 骞层次瓣滚动，没餐遴雾藤黪速嶷到霉戏搪携嚣分毒，这莘孛滚动纛要在 蹩个流动空间内都考虑粘性作用；随着薅诺数的提高，流动会失去稳定 丽变为湍流，这时流体中质点的渤能和能量高效率地相互溉合使管流阻 力堪熬，其速度刹蠢孛心平坦焉边缘醚螭。这疆弹浚凌状态熬特瞧是截 然不同的。由层流过渡到湍流相皮的雷诺数叫作临界鬣诺数觑。，它并不 是一个确定的值，丽和流体中所受扰动的大小，管登的粗糙程度商关。 餐是錾赛霉诺数存程一令下葭r e c 。，砖予嚣麓戆漉凌r e c r ，m i n 大终是2 x 1 0 3 。 2 2 层流流动中结构受力分析 在c j r a v e s e n 等在1 9 9 3 年作的一项研究表明多数徽结构中的流动是层 滚。麦子层溅状态爨滤俸豹糙牲力魄溪校力丈褥多熬流动( 髯诺数壤夺) 。 黑龙江大学硕士学位论文 一般当r 。 1 0 2 盈2 3 尾流图案照霉诺鼗豹燮纯 | 夔蓑雷诺数豹增趣，携钵袤瑟瑟重近懿溅凌形或层浚途爨层流动。森 觅m 5 时产生边界展的分离，幽筒压强分布不对称所引起的压强阻力猩总 阻力( 结构体表筒摩擦阻力与服强阻力之和) 中所占的比例大大增加。当 蘸m 2 0 0 瞻尾滚孛形残卡门漏镦，魏嚣压强礁力占总阻力戆9 g 左右，隰 力系数g 开始与鬻诺数无关，如图2 4 所示。亦即阻力与u 。的平方成正比， 阻力系数岛公式如下： f l c d2 丽p t 2 * 7 此时f 为结构受到流体作用于它上面的力，a = 硝，2 为迎流面积。 黑龙江大学硕士学位论文 阁2 , 4 阻力系数随雷诺数r 。的变化 2 2 3 结构受力分析 即当r o - 一2 0 0 时流体对结构的作用力主要是愿差阻力( 边界层的分离 雩| 超缝秘嚣爨斡蘧力麓遥藏豹) ，籁浚浚经绥梅熬滚袭是臻匀豹，裂终 用力为”】： f = c p p t s - u 2 ( 2 8 ) 式中缓一个关于障褥物形状和尺寸的常数，p 为流体的密度，j s 是结构 在流动方向上的面积，堤流体的来流流速；可见结构所受力与来流流速 残二次健关系。 所以在假定惯悭力可忽略的情况下( o 5 时) ，可以去撺非线性项 v ) - d ，再进一步憋理，化简略局部惯性力a o 0 t 。改写成s t o k e s 方 程，魏下式： i v u = 0 即：，+ 胛( 2 - 9 ) 第2 章微滚体流动特性 i i i i 警常宣宣i ；麓i i i i 感f f l i 羞 i i i i s t o k e s 在1 8 5 1 年对s t o k e s 流中半径为a 的球体所受阻力邀行研究，得 出著名的s t o k e s 阻力公式： f = 一6 z b u a ( 2 - 1 0 ) 髓后对s t o k e s 流动阻力的众多研究成果表明，不同形状物体的阻力都 与来滚流速、流体游粒菠苏及豹体静褥，珏尺寸戏匿跑，只怒院铡常数各 有不同，b p s t o k e s 流幼中绕流物体所受魁力对物体的形状不太敏感。例如： 半径为m 的薄圆盘所受的黻力为： 警函盘援谣自翁运动辩 f = 一1 6 p u r o ( 2 一l1 ) 当瑟盘测缘淘 ； 运囊嚣寸 f = 一警魄( 2 一1 2 ) j 根据以上慰s t o k e s 溅体中结孛每受力的分辑，由流体的犍瞧雩l 起的糙游 摩擦阻力，可写成如下形式： f = c 卢u 三 p r e f e r e n c e s 在这熙我们可以设键网格的丈t 、( g r i ds p a c i n g 一一l 漱) ，逐冒鹱擐蕹鬃建络瓣茨尺寸设萋霹褫嚣羧( v i e w a b l e 黑龙江大攀硕士学位论文 d i m e n s i o n ) 。选择工具栏的s n a pt og r i d ( 捕捉节点) 以便于精凑律图。妇 下图3 2 所示。 图3 23 d b u l i d e r 界丽工具楗 2 。霭形螽馋。先在工具栏选择蘩本蓉形，在将其缝台成究整戆2 维 图形。搬据3 d b u l i d e r 模块图形的要求，作图时应注意所建的基本图形 不能出现凹角。所以在作图之前成先把整体图形划分成有效的基本单元 图形。 3 结构体网格划分。3 d b u l i d e r 模块要求熬体图形结构韵网格要一 致，所以我们用工撼栏中“重新划分网格缩构选项”( o n em e s h r e f i n e m e n t a l o n g a d e f i n e d l i n e l 对愁宠残兹霆形蒜次划分。 4 不同l e v e l 之间的切换。在不同层工作时( 作新图形或对已有图 形修改) ，将在右窗口中的l e v e l # 列表中选定特定层；在 l e v e l v i e w b o t t o m t o p 选矮中选铎主蜜日内蘑照示戆特定瑟瓣底覆还 是顶蔺，一般选择b o t t o m ，可班猩已有网格上作下一层的阑形。如图 3 3 所示。 蓬3 33 d b u l i d e r 右密掰工其栏 一3 4 第3 窜徽漉薰黄惑嚣赡工幸荤攥理及工艺搂撼 5 3 d b u l i d e r 模块将不同层的图形叠放组成立体结构。在结构中每 层豹浮凌不尽穗阉，我 | 、 将通过右寮嗣的选项来改变特定层燃澎麴蓐瘫， 酃l e v e l m o d i f yh e i g h t 修改掰选靥的厚度。 6 + 将结构o u t p u t 到模拟模块。结构体完成后将要从3 d b u l i d e r 模块 辕斑到篡它模拟模块中o u t p u tt oa n a l y s i sm o d u l e s e l e c tam o d u l e ，在 这疆逸释你要模拟的模块，掖据零课题要袋逡择m i c r o f l u i d i c 。 建模结果如图3 。4 所示。 鹜3 43 d b u l i d e r 建穗爨骛黎续籀醒 3 。4 懋甓粱制作工艺渡程模4 釜i i n t e l l i s u i t e t mi n t e l l i f a bw i n d o w sv e r s i o nu s e rd o c u m e n t a t i o n ：在工 艺流稷模拟中将用到此模块，模拟真实的工艺流程如图3 5 所示。 翼俸互芑滚稷步骤： 第步：衬底的选择。选择 晶向的攀黯硅片撵为聿雩蠛誊孝辩， 直径1 0 0 挣蝴、厚度3 8 0 j m 。 黑龙溺大学硕士学位论文 第二步：衬底的清洗。选择p i r a h n a 溶剂清洗硅片表面，这怒 i n t e l l i s u i t e 提供懿几个选择之一，滚滚裁包含7 5 豹酸酸秘2 5 数过氧 化氨。衬底在该溶剂中清洗l o m i n ，清洗后的硅片就可以在其表面进行 氧纯。 第三步：热嶷长s i 饶。5 0 0 0 a 熙黪s i 娆层被沉稷在硅片上、下表 面，生