（微电子学与固体电子学专业论文）采用mems技术研制硅气体流速传感器.pdf

中文摘要 中文摘要 本课题研究了一种基于m e m s 技术的具有双桥结构的硅气体流速传感器。从 理论上阐述了微悬桥结构气体流速传感器的工作原理，设计了微悬桥的结构、工 艺版图以及其电路系统。根据实际工艺条件及工艺设备，制定了切实可行的制作 工艺方案，通过反复实验研制出传感器，利用p r o t e l 制作了电路板并进行了实际电 路的调试，并到风洞对传感器进行标定。实验中采用温度电压融合技术使得重复 性误差将进一步减小，实验得到的结果为：传感器的线性度为0 0 0 2 3 f s ，中低 风速时重复性误差为0 8 7 e s ，满足了设计要求。这验证了采用m e m s 技术研制 的双桥结构的气体流速传感器的工艺方案可行性，该项技术具有集成化和大批量 生产的特点，有进一步应用的价值。 关键词：m e m s ；微悬桥结构；气体流速传感器；风速计 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a g a sf l o ws e n s o r 、航t ht h es t r u c t u r eo f d o u b l eb r i d g eb a s e do nm e m st e c h n o l o g y i ss t u d i e di nt h i sp a p e ra n dt h ew o r kp r i n c i p l eo fs e n s o ri si n t r o d u c e dt h e o r e t i c a l l y t h e s t r u c t u r eo fm i c r oc a n t i l e v e rb r i d g e ，t h ep h o t o l i t h o g r a p h i cm a s ka n dt h ec i r c u i ts y s t e m o ft h es e n s o ri sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lt e c h n o l o g yc o n d i t i o na n de q u i p m e n t , af e a s i b l et e c h n o l o g ym e t h o di sp r o v i d e d ，a n dt h es e n s o ri sd e v e l o p e d t h ep c bb o a r d i sp r o d u c e da n dt h ec i r c u i ti sd e b u g g e d t h es e n s o ri sc a l i b r a t e di nw i n gt u n n e l t h e r e p e a t a b i l i t ye l t o ri sr e d u c e db yt h et e m p e r a t u r e v o l t a g ei n t e g r a t i o n t h e 托墨u l ti s ：t h e l i n e a r i t yo ft h es e n s o ri s0 0 0 2 3 ，a n dt h er e p e a t a b i l i t ye r r o ri so 8 7 a tl o ww i n d s p e e d i ti sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ef l o ws e n s o r 、析t l lt h es t r u c t u r eo fm i c r o c a n t i l e v e rb r i d g eb yu s i n gt h em e m st e c h n o l o g y t h ei n t e g r a t i o na n db u l kp r o d u c t i o n c a nb er e a l i z e d 、 r i t l lt h em e t h o dt h a ti sa p p l i e dt ot h ef i e l do fm i c r og a sf l o ws e n s o r e s p e c i a l l y t h es e n s o rh a st h ev a l u eo f af u r t h e ra p p l i c a t i o n k e yw o r d ：m e m s ：c a n t i l e v e rb r i d g e ；g a s f l o ws e n s o r ；a n e m o m e t e r - i l - 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特j j j l ；i j r l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：扒定上l 签字日期：2 卯7 年j 月厂日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉堑盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：杯乏疋 导师签名： 签字日期：2 口口7 年厂月7 中e t 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 伤班卷 渺1 年( 具汁 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 人类已进入信息化的时代。随着探索领域和空间的拓展，欲获得信息的种类 和数量在扩大，信息传递的速度在加快，对精度和质量的要求也在提高，作为信 息采集、检测、转换的关键技术传感技术必须跟上信息化发展的要求。伴随微 电子技术的发展，传感技术已从单一的物性型向多功能、高精度、高质量、集成 化方向发展。其应用领域也在不断扩展，如环境检测、生态农业、生命科学、工 业控制、航天航空乃至各方面的智能化制造与管理等都对传感技术不断提出新的 要求。因此传感技术已成为信息化时代亟待发展的关键技术之一。研究与开发新 型的集成化、微型化、低功耗传感微系统是传感技术重要发展方向。国内微系统 技术的发展已从概念发展到实用化阶段，日趋成熟，为高性能的微系统研发奠定 了基础并提供了技术保障。 1 - 3 1 2 目的意义 传感器是获取信息的工具，是信息技术( 包括传感与控制技术、通讯技术和 计算机技术) 的三大支柱之一。因此，近年来国内外都将传感器技术列为尖端技 术而倍加重视，并投入大量人力、物力进行开发和研究。当今传感器技术的主要 研究方向有两个：一是开展基础研究，重点研究构造传感器新材料、新工艺；二 是实现传感器的数字化、非接触化和智能化。 煤炭工业是工业生产各行业中自然条件最差、危险源最多的行业。近年来， 虽然煤炭工业安全工作得到很大发展，但并未实现对灾害事故的有效控制，安全 生产形势依然严峻，已严重影响煤炭工业的可持续发展，并对国家形象造成不良 影响。由于煤矿开采条件复杂、自然灾害严重，煤炭企业生产力水平低下、安全 生产基础比较薄弱，从业人员素质较低，致使煤炭企业生产与安全的矛盾突出， 特大事故时有发生。随着煤炭行业开采强度的逐年加大，多数煤矿已进入多水平 黑龙江大学硕士学位论文 开采，矿井瓦斯等级逐年增高，给煤矿安全生产带来极大威胁。鉴于煤矿安全生 产的严峻形势，最有效的防治措施使用现代化技术改造传统煤炭工业现状，加大 对煤矿的安全监管力度，提高监察信息化水平。为此，研究通用的煤矿安全自动 化监测手段，完善安全监测监控系统，推进煤矿安全生产信息化，实现煤矿安全、 可靠、高效生产。 煤矿井下环境属于一种密闭环境条件。为保证矿工安全工作在密闭环境中，就 必须保证密闭环境条件与外界大气条件相一致。矿井的气候条件通常用风流的温 度、湿度和风速三个参数综合进行评价，风速对人体散热和感受、矿尘悬浮、瓦 斯聚集以及通风阻力有很大影响，为改善矿井气候条件，须在井下不同的工作地 点，对风速有不同的要求。为防止瓦斯聚集和爆炸，要求井巷风速不能过低；为 防止井巷中落尘飞扬、粉尘爆炸、产生较大的通风阻力以及给人以良好的感受， 要求风速不能过大。因此，为保证煤矿安全生产和保障矿工生命安全，需要时时 检测密闭环境的瓦斯浓度、温湿度、风速等参量，检测危险信息并及时采取防范 措施。一旦检测技术跟不上需求的发展，就会造成巨大的危害。1 4 j 综上所述，本课题研究的风速传感器，在煤矿矿井的环境监测、减少灾害等 方面有着现实意义；对促进了我国环境检测微系统的发展，缩短与国外差距，拉 动市场需求，促进国民经济发展，有显著的社会效益。 1 3 国内外发展概况 当前世界上生产用风速及风向传感器的厂家极多，例如，丹麦的d a n t c e 公 司，德国的s e n s y c o n ，日本的村田制作所s k 株式会社，美国的t s i 公司，e p i 公司等，其风速测量范围大小不等，误差不超过士o 5 m s ，风向测量最高可达3 6 0 0 ， 角度误差为士3 0 。其中一些厂家的主要技术指标如表l 所示。 第1 章绪论 mnmmmnmi 表卜1 风速及风向传感器主要技术指标 t a b l e1 1m a i nt e c h n i c a li n d i c a t o r so fw i n ds p e e da n dd i r e c t i o ns e n s o r 厂家 丹麦德国日本美国e p i 指标 d a n t c es e n s y c o n 村田制作所 公司 流量范围5 - - 一l o o c m s2 1 2 c m so l o o m s0 1 2 0 0 m s l 5 m s1 5 0 0 m s 准确度2 5 f s1 5 f s5 f s1 0 f s 5 f s c o n s t a n tc a t a l o g u e七y 廿技术 t e m p e r a t u r e n o 8 7 5 0 e9 7v 0 1 1 2 资料来源e q u i p m e n t 1 9 9 41 9 9 2 3 因特网 c a t a l o g u e1 9 8 7 国内生产测量风向及风速计厂家主要有天津气象仪器厂和长春气象仪器厂 等。他们生产的风向及风速传感器的指标与国外相当，但风向误差为士5 0 。 热线式、热膜式风速计在风速测量中占据重要地位，它一般适用于室内风场 测量。热线风速计的原理性实验是1 9 0 2 年由沙克比尔( s h a k e p e a r ) 在伯明翰完成 的。【6 】到了1 9 0 9 年，肯尼尔黑( k e n n e l h y ) 等人及瑞波钦斯基( r i a b o u c h i n s k y ) 先后提出了电子风速计概念。1 9 1 4 年克英( k i n g ) 提出了无限长线和液体之间的 热对流理论，推出了著名的克英公式，这就奠定了热线风速计的理论基础。例从这 以后，经历了以发展平均速度测量仪器为主的阶段，同时在探针型式和使用技术 上也提出了“恒流”和“恒温”两种不同的原理。 t d s 从平均速度的测量到脉动速度的测量，是热线技术发展的一大飞跃。1 9 2 9 年 德累顿( d r y d e n ) 和泼来涅尔( p l a n i 0 1 ) 首先确立了恒流工作热滞后效应理论，并 且发展了热滞后的电子补偿原理及其相应的电子线路，为其后一段时间内的恒流 风速计发展打下了基础。1 9 4 3 年泽格勒尔( z i e g l e r ) 最早利用恒稳原理制成了恒 温风速计的试验装置。对于极低速度的测量，也是热线风速计正在发展研究中的 黑龙江大学硕士学位论文 重要课题。随着农业科学、气象科学、劳动保护科学和环境保护科学的发展，对 于极低速度和极低速度下脉动速度的测量就显得日益重要。但由于极低速度下自 由对流的影响较大，目前离彻底解决问题尚有不小的距离。在这方面美国t s i 公 司的仪器具有较好的适应性。 七十年代中期，数字处理技术的发展，大大地扩展了热线热膜风速计的信号 分析能力。随着数字技术的不断发展，热线热膜风速计所具有的边界测量的特点 将会进一步得到利用。 总之，热线技术至今已有八十年的发展历史，它为流体速度测量做出了巨大 的贡献，并且在六十年代以前几乎垄断了湍流脉动测量领域。至今为止，科学文 献上记载的大部分湍流测量结果，仍然是属于热线热膜风速计的。今天激光流速 计技术( 简称l d v 技术) 已迅速发展起来，但热线热膜风速技术( 简称h w a 技 术) 和l d v 技术各有特点，无法互相替代，只能相辅相成。因而在今后相当长的 历史时期内，它们将会长期共存，共同发展。 八十年代以后， m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m 即微电子机械系统) 技 术开始成熟，人们开始制作各种微电子机械器件。至目前，常用的制作微机械器 件的技术主要有三种。第一种是利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机 器，再利用小机器制造方法制作微机器的，这种方法主要以日本为代表；第二种 是以利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基m e m s 器件； 第三种是l i g a 技术，l i g a 是德文l i t h o g r a p i e ( 光刻) 、g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸) 、 a b f o r m u n g ( 塑铸) 三个词的缩写。它是利用x 射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑 形成深层微结构的方法。其中第二种方法与传统i c 工艺兼容，可以实现微机械和 微电子的系统集成，并适合于批量生产，已经成为目前m e m s 的主流技术。由于 利用l i g a 技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，可以得到高深宽比的精细 结构，其加工深度可以达到几百微米，因此l i g a 技术也是一种比较重要的m e m s 加工技术。利用l i g a 技术已经开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微 射流计等。0 9 - 2 9 1 此后，在已有的热膜传感器上基础，人们开始制作各种微流量传感器。1 9 9 0 第1 章绪论 年在t r a n s d u c e s 8 7 会议上报道了研制的集成化流量控制系统，【3 0 1 该系统采用了硅 桥制作了一个热线式质量流量计，用压电材料制成执行器，用于控制流量计管路 开启的大小，从而实现流量测量与控制。 在19 8 9 和19 9 0 年在s e n s o r sa n da c t u a t o r s 杂志上报道了b w v a no u d h e u s d e n 等人研制的热隔离二维流速传感器， 3 1 - 3 2 】采用硅各向异性腐蚀技术制作传感器， 已能够同时实现风速及风向测量。其谐振膜为2 m m x 2 m m 2 1 x m 的方膜，膜中心制 作了一个多晶硅热激励电阻，在膜边缘制作了一个多晶硅力敏电阻用于检测振动， 该传感器可以用于检测气体质量流量的变化。他采用硅平面工艺将敏感元件与放 大电路集成在一块。在一个正方形膜片的四个边排布四个温敏电阻，在膜片中心 制作了一个加热电阻，当风以一定方向吹向芯片时，风速将分解成v x 和v y 两个 分量，这两个分量被芯片上的四个电阻感受到，引起电桥输出变化。芯片内部的 放大电路进行放大处理后，分别得到v x 和v y 值，从v x 和v y 的比值即可判断风 向。文中所述的传感器已可实现3 6 0 0 内风向测量。s i e b ib o w w s t r a 同期也在s e n s o r s a n da c t u a t o r s 上先后报道了硅谐振膜式质量流量传感器和硅谐桥式质量流量传感器 【3 4 】。其悬桥谐振质量流量传感器如图1 1 和1 2 所示，是( 1 1 0 ) 硅片制成的一种 三层膜悬桥，即s i 3 n 4 p o l y s “s i 3 n 4 膜，总膜厚为2 1 l x m ，悬桥尺寸为6 0 0 1 u n 2 0 0 1 a n x 2 1 0 m ，悬桥下面为v ”形槽，在桥上制作了一个热激励电阻和一个振动检测电 阻。该传感器的谐振频率为8 5 k h z 。 c r a u 防硎 卜7 。化砺乃 图1 - 1 传感器剖面图 f i g 1 - 1p r o f i l eo f s e n s o r 量垄兰奎兰竺圭兰篓兰圣 图卜2 具有麻力补偿的氢化砗微桥s e m 图 f i 9 1 2 t h es i l i c o nn i t r i d e m i c r o - b r i d g e s e m p i c t u r e w i t has t r e s sc o m p e n s a t i o n 同年在杂志上再次报道了m a s a y o s ie s a s h i 的集成流量控制系统，实现丁0 1 0 0 s c c m 范围内的流量调控，响应时间为2 m s 。在1 9 9 0 年b w v a n d u d h e u s d e n 又 发表了种热隔离结构的二维流场传感器。【”1 为提高传感器的灵敏度减小热散失， 提高加热温度，采用各向异性腐蚀技术将加热电阻与边缘隔离开。由于采用隔离 结构结构的悬浮膜片，使得加热效率大大提高，对流速更加灵敏。其风向测量可 达3 6 0 0 响应时间为1 4 m s ，流向误差为3 。，流速误差为5 。由于b w v a n d u d h e u s d e n 在二维流场测量的成功，为人们实现小尺度空间的流场分析提供了重 要手段，也激励了人们在此方向进行深入的研究，目前正依此技术进行三维流场 的研究。 上述硅微流量传感器的研制成功，为微型气体流速速传感器的研制提供了重 要的技术支持，使人们能够在微流量传感器基础上研制硅微型气体流速传感器。 传统的风速计技术是建立在热丝基础之上韵，热丝长度在衄范围内，悬挂 在两个支架之间。为了使传感元件反应快，热丝必须较细，一时期由较小的热容 量；为了使它有较高的灵敏度，向支架的热传导要尽可能地小。 利用微加工技术，热丝被沉积在硅衬底上的薄膜所取代，由于硅衬底有较高 的热导率，因此，传给支架的热量很多，为解决此问题，s t e m m e r 提出了利用低热 导材料将承载电阻的微机械元件与结构的其余部分热隔离开。如图所示。 图卜8s t e m m e r 设计的传感器结构 f i g l 一8s e n s o r d e s i g n e db ys t e m m e r a s h a u e r 将薄膜电阻置于一个膜片上，使热扩散仅限于在薄膜片内横向扩散 支架膜片的衬底温度高于或低于包围它的流体温度。如图所示。 r m “c 图卜9a s h a u e r 设计的传感器结构 f i 9 19s e n s o rd e s i g n e d b y a s h a u e r 苏黎世高级工业学院m a y e r 等人设计的风速计结构是一个宽而薄的悬臂梁， 这种微机械加工的风速计虽然比不上传统的热丝传感元件响应快，但这种结构足 咀满足工业应用，使验结构证明这种风速计冷却和加热响应时间分别为0l m s 和 03 m s ，如图所示。 图卜1 0m a y e r 等人设计的风速引图片 f i g l - 1 0 a n e m o m e t e rd e s i g n e db y m a y e r h 。 7 量垄兰奎兰至圭茎篓彗兰 曩 图卜1 1m a y e r 等人设计的风速计截面图 f i gi 1 1s e c t i o no f t h ea 口e m o m e k r d e s i g n e db y m a y e re t c 随着硅悬桥结构、膜结构研究韵不断深入，人们又在对测量元件进行研究。 研究了热电偶检测原理的微流量传感器，为改善传感器的悬桥应力状态，提高传 感器的稳定性。1 9 9 7 年t m a t s u u r a 等人提出了如何减小悬桥应力，控制悬桥挠度 的方法。随着研究的深入，人们的研究重点开始放在如何改进性能、减小功耗和 提高响应速度上。1 9 9 7 年，b w v a n o u d h e u s d e n 在s e n s o ra n d a c t u a t o r 又技表热式 传感器在有反馈和无反馈两种情况下测量流速的响应速度分析。口”在文中详细分 析恒流和恒温工作方式的动态响应特性。为改善传感器的响应特性盐线， n t n g u y e n 等人详细研究了检测电阻与加热电阻位置的对称性输出特性的影响， 并提出了小流量范围线性度的改进方法。 2 0 0 2 年，张昭勇等利j j 有限元分析工具a n s y s f l o t r a n 。模拟并分析了一个 基于薄膜结构的热电型气体流量传感器的温度场并具体地分析了在气体流量通道 入口处气体的流向角度对传感器输出信号以及气体流动状态的影响得出结论，当 气体流向角度小于1 5 。时，传感器输出电压信号的偏差在2 以内周此可以忽略此 小角度对传感器输出电压信号的影响但是如果气体流向角度大于2 0 。时，就必须 要考虑它对传感器输出电压信号的影响。1 3 5 阐 上述硅微热式传感器研究的不断深入，也为三维微流场传感器的研究提供了 重要的技术支持。在二维流速测量的基础上，2 0 0 3 年j a c kc h e n 等人在j o u r n a lo f a e r c s p a c ee n 垂n e e f i n g 发表了一种微型三维流速传感器，田惶采用微机械加工方法 制成的热线风速计( h w a ) ，它由三个互相垂直的微热线组成，如图1 3 所示。 图卜3 三维热线式传感器se 5 l 图片 f i g1 - 3 t h es e mp i c t u r e o f i h i _ e e d i m e n s i o n a lh o t l i n es e l l $ o r 这三个热线分别用于检测单轴的风速，然后进行分析解算，计算出风速的矢 量值，图1 4 足一个元件从平面释放后的s e m 照片。该传感器的敏感材料为 图1 4 由三个元件构成h w a 的s f 2 a 照片 f i gl 一4 t h es e mp i c t u r e o f t h e h w a c o n s i s t s o f t h r e ec o m p o n e n t s p t n i p t 膜，温度系数达到2 7 0 0 p p m c ，它的电阻响应特性如图1 5 所示 黑龙江大学硕士学位论文 一、 q v 癌 脚 a0 2o 平均流速( m s ) 图卜5 恒定电压下传感器的单轴响应曲线 f i g 1 - 5s i n g l e - a x i sr e s p o n s ec 1 i n ，e so f s e n s o ri nac o n s t a n tv o l t a g e 2 0 0 5 年，刘焱，宋彦峥：设计了一种热线式气体流量传感器。采用计算机处 理技术，利用热平衡原理，根据热量的传递转移来确定流体的速度，再通过数据融 合算法，实现传感器的温度补偿和线性补偿，传感器的线性度优于o 5 ，温度漂移 仅为0 0 1 f s 。嘲 同年，浙江大学赵梦恋等提出一种基于温差测量原理测量低流速气体流量的 方法并进行了实验验证传感器由一对集成温度传感器芯片与片状铂电阻热源构 成，专门设计的片上恒流供电电路保证了热源加热功率的稳定对该流量传感器样 品进行测试，结果表明它能够提供与方根流速近似成线性关系的输出在低于o 5 c m s 的低流速下，该传感器具有数十至数百毫伏的输出信号幅度，其测量下限可低 至o 5c m s 这与理论分析结果基本相符该流量传感器在低流速条件下具有高灵 敏度和较高的稳定性如下图所示。啪1 图1 - 6 低流速气体流量传感器 f i g 1 6l o w - v e l o c i t yg a sf l o w5 e 1 1 $ o r 踟粼猢撇鲫|耄踟|言|吾 第1 章绪论 2 0 0 6 年，东南大学m e m s 教育部重点实验室基于c m o s 工艺，该微系统由加热 元件和测温元件组成，正八边型结构分布的多晶硅加热电阻元件产生一定的温度 分布，c m o s 纵向衬底晶体管实现由风速和风向导致的温度的变化的测量，传感微 系统结构完全对称，最中心的元件为测温晶体管，环绕晶体管的元件为多晶硅加 热条，周围是8 个完全相同结构的晶体管测温元件，测温晶体管实现由风速导致 的温度变化的测量。风速测量采用热损失原理，加热元件的电压变化可以反应风 速的变化，周围环形的8 个测温晶体管测量值反映了在一定的风速和风同条件下 的热梯度分布情况，对其数据进行处理可得到精确的风向结果。该该微系统实现 了风速、风向、温度三参数的测量。 圜 图卜7 基于c m 0 s 工艺传感器系统照片 f i 9 1 - 7s e n s o r s y s t e mp i c t t t r e b a s e do n c m o s t e c h n o l o 纠 近几年，随着电子技术进一步发展，人们又开始研究各种风速传感器系统，1 4 0 4 5 1 同时还 用不同的算法进行传感器预测的研究。 4 6 4 1 1 用总之，随着微机械加工技 术的发展，为研制新型低功耗微小尺寸的风速传感器提供了广阔的应用空间，随 着技术的不断进步工艺日趋成熟，微型风速计也将更加成熟。 14 本课题主要的研究工作 1 4 1 研究内容 本课题通过气体流场的热学分析设计并研制出一种微桥结构的触速传感器。 并运用十十经网络技术处理数据，以消除温度对传感器的影响，进一步提高了传感 黑龙江大学硕士学位论文 器的灵敏度。 在本设计中，我们主要讨论了以下几个方面的研究： ( 1 ) 传感器设计原理及工艺技术研究： ( 2 ) 传感器信号处理技术研究； ( 3 ) 传感器测试技术研究。 1 4 2 本论文的结构 本论文的内容组织按以下顺序进行： 第一章概括介绍本课题的来源、目的和意义，对国内外流量和风速传感器的 研究发展状况进行了概述，并简述了本课题的研究内容。 第二章论述了热线热膜式气体流速传感器的敏感基理及其数学模型的建立方 法和推导过程，并阐明了传感器的工作原理及总体设计思路。 第三章介绍了传感器芯片的微机械加工技术，重点阐述敏感膜制作和硅桥微 机械加工工艺。 第四章介绍了传感器信号处理技术。 第五章介绍了微型风速传感器主要性能指标的计算方法和标定过程，并对测 试结果进行了分析和总结。 第2 章硅气体流速传感器的工作原理及总体设计 第2 章硅气体流速传感器的工作原理及总体设计 2 1 引言 本章采用k i n g 的热转换公式讨论热膜风速计的基本原理并导出了热线热膜流 速计的恒流静态方程。同时给出了手持式风速计的总体设计，以及它的敏感元件 工艺版图。 2 2 风速传感器气体流场模型 热线热膜流速计的物理基础是热转换。金属丝中的热转换有四种形式，即： 热传导、热辐射、热强迫对流和自由对流。在本课题中，铂丝和气流之间的温度差 远小于3 0 0 ，热辐射可忽略不计。同时，在设计制造时，也会尽量减小热传导； 而且在流速大于0 5 m s 时，自由对流相对于强迫对流的影响也极小。因而热损耗 主要地取决于强迫对流。热损耗与以下参量有关：介质的物理特性，诸如密度、 浓度、黏度和导热；介质的速度；介质与热线热膜之间的温度差；热线热膜的物 理特性，诸如电阻率、电阻温度系数、热传导率：热线热膜的长度和直径；介质 的可压缩性；流动方向和热线热膜方向之间夹角。 一般可以用下面的经验公式来表述考虑上述因素的情况下的热损耗： n u = n u 阮g a , p r , o r , l d , 耽 ( 2 1 ) 其中n u - - i z f t r l 2 ，亿一到体为努谢尔( n u s s e l t ) 数；舻以况砌以亿一到为热耗 散；其中j 为热线热膜的长度；五，为流体的热传导率；乃为热线热膜的温度；乃为 环境温度，一般情况下为流体介质温度；尼为热线热膜的电阻；以为热线热膜的直 径；h 为热转换系数；r e = u d , r 为雷诺( r e y n o l d s ) 数；u 为流动速度；y 为黏度， 其值为砌；为动黏度；p 为流体密度；p r ：y a ，为普朗特( p r a n d t l ) 数；口为热扩 散系数；c r ；g p 亿一到为格勒射夫( g r a s h o f ) 数；g 为重力加速度；声为热膨胀 系数；m a - - - u c 为马赫( m a c h ) 数；f 为声速：a 为电阻温度系数： 黑龙江大学硕士学位论文 公式( 2 1 ) 消去若干参数后，可以得到k i n g 的热对流方程的解： 5 2 - 5 8 n u2 彳+ b d r e 2 - 2 ) 这是最常用、最经典的热转换公式，根据n u ，r e 的定义，上式可写为： h 2 仃一z 夕口+ b u 夕 ( 2 - 3 ) 或 l 2 r = 仃瓦夕口+ b u ) ( 2 - 4 ) 其中凡钮+ 口。佛聊，口。为环境温度疋时铂丝的电阻温度系数，奶为温 度瓦时铂丝的电阻。 因而： a + b 如= 告( 2 - 5 ) 上式中彳，e 口dr d 皆为常数，因而当厶恒定时，凡和u 之间具有关系式 尼= 。尼可 ( 2 - 6 ) 上式即为热线热膜流速计的恒流静态方程。 由上述的恒流静态方程可以推出当l 恒定时，铂丝的电阻凡随风速u 的增大 而减小。 2 3 热线热膜风速计恒流模式下动态响应 热线( 热膜) 风速计是利用放置在流场中具有加热电流的热线敏感元件来进 行风速测量的，流体的流动与热量转移之间有着密切的关系。因此热线( 热膜) 风速计是根据热平衡原理，利用热量的传递转移来求得流体流动速度的。 本课题采用了热线热膜风速计的加热方法，可利用热线风速计动态响应特性 来分析敏感元件的动态特性。 将一热线( 热膜) 敏感元件置于气流中，热线( 热膜) 的热量以热交换的方 式被气流带走，而使温度发生了变化，温度变化的大小和快慢由下列因素决定： 5 9 1 ( 1 ) 介质的速度； 第2 章硅气体流速传感器的工作原理及总体设计 ( 2 ) 热线( 热膜) 和介质之间的温度差； ( 3 ) 介质的物理特性； ( 4 ) 金属膜的物理特性和几何尺寸； 在一般情况下，后面三项可以预先知道或人为给定，因此在热线的温度和气 流速度之间可以建立一个对应关系式。 2 4 传感器工作原理 在热平衡过程中，涉及风速、加热电流、热膜温度三个可变物理量，它们之 间具有一定的内在联系。当加热电流保持恒定时，热膜温度和风速之间有一个确 定的函数关系，利用这个关系测量风速的方法称为恒流法。当热膜温度保持恒定 时通过热膜的电流和风速之间建立的函数关系，利用这个关系测定风速的方法称 为恒温法。本课题采用恒流原理传感器进行测试。 恒流风速计的基本原理是利用恒流源使电路的加热电流保持恒定。如图2 1 所示，热线作为电桥的一臂而存在。当加有电流的热线置于流场中事，流体流动 将导致热线温度改变，从而热线电阻改变。这种改变立即导致电桥偏离平衡，从 而输出不平衡信号。在环境不变的情况下，通过该信号或者其放大后的信号与风 速之间的确定关系，可得到当前的风速值。 r i r ：铂测温电阻甩：可变电阻i ：恒流源r r 2 ：固定电阻v 。：输出电压 图2 - 1 传感器电路原理 f i g 2 一lp r i n c i p l eo f s e n s o rc i r c u i t 黑龙江大学硕士学位论文 2 5 传感器总体结构设计 2 5 1 传感器总体外形结构设计 本课题研制了一个手持式风速传感器，壳体大小约为1 2 0 ( 长) x 8 0 ( 宽) x 6 0 ( 厚) i t l n l ，内置6 节镍氢可充电电池，也可直接使用2 2 0 伏电源直接供电。壳体 内装有2 块p c b 电路板，面积为4 5 x 5 0 m m 。 风表正面示意图如下图所示： 头 显示区 指示灯( 红色) 键 图2 - 2 风表正面示意图 f i 9 2 - 2p o s i t i v es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ea n e m o m e t e r 传感器探头如下图所示，芯片用胶粘在底座上，电阻用引线引出。 量：耋璧兰堡鎏鎏篁矍兰墼三些堡堡垒皇篁兰兰 图2 - 3 传感器封装 f i g2 3p a c k a g eo f s e n s o r 2 52 传感器芯片结构设计 该传感器可用于检测中低速流场，由于要求测出02 m s 的启动风速，因此要 求传感器的灵敏度很高。传感器的灵敏度与元件的加热功率、热容量大小及电阻 的响应时间有直接关系，在设计时应当尽可能减少加热功率，减小器件的热容， 降低器件的热传导，减小热散失。为此将传感器设计成悬桥结构即将加热电 阻与检测电阻制作在一个s i 3 n 4 的悬梁上，这样在传感器工作时，加热电阻产生的 热量通过传导散失很少，热传递是热散失的主要途径，由于悬桥结构的采用，使 加热功率大大降低。芯片结构如图2 - 9 所示， 量垄兰奎兰些圭兰篁兰三 图2 - 4 敏感兀件结构图 f i 9 2 4s t r u c t u r eo f s e n s o r 为减少由于环境温度变化对传感器输出的影响，采用了一个环境温度检测电 阻，用于检测环境温度。利用这个电阻与加热电阻构成一个电桥，对环境温度的 变化进行部分补偿。这样在温度变化时，加热温度也相应随之改变，从而保证了 传感器的输出灵敏度随温度变化相对较小。另外，我们还利用软件对温度变化进 行补偿，进一步减少环境温度变化的影响。 芯片版图设计中主要考虑以下几方面因素，悬桥结构如何实现，铂电阻的排 布，加热、温度补偿电阻排布。 悬桥设计中主要是通过腐蚀将悬桥悬浮。采用s 1 3 n 4 膜制作悬桥，在上面制作 出加热感温电阻及测量环境温度电阻。环境温度检测电阻应尽量要远离加热电阻， 以减小加热源对环境测温电阻的影响，具体悬桥版图如图2 - 5 所示。 矍：茎至至兰至蒌薹堇登塑三錾堡茎圣呈竺兰茎 一 图2 - 5 悬桥版图 f i g 2 - 5s c h e m a f i o d i 坤 a mo f c a n t i l e v e r b r i d g e 加热感温电阻及环境测温电阻均选用铂作为材料，梁采用s i 3 n 4 及s i 0 2 双层膜 材料。桥梁方向沿 晶向排稚，其角度误差要求不大于1 0 。根据电阻阻值、电 阻条尺寸及粱的尺寸三个因素的综合考虑优选了各个电阻的阻值，再确定电阻条 宽度后就可确定电阻条总长。芯片设计为2 m m x 2m m ，梁的宽度为4 0 0 p r o ，长 度为7 0 0 “m ，粱距边框的距离为l o o g m ，加热电阻条的宽度为2 0 0 1 a m ，加热电阻 条宽度为5 0 p m 。选定加热电阻阻值r h = 5 0 f 2 ，感温电阻为r s = 2 k q 。根据上述给 定的阻值及电阻率，可以计算出方块电阻数，从而确定了电阻条的总长。 2 6 本章小结 本章阐明了热线热膜式流量传感器的敏感基理及数学模型的建立和推导过 程介绍了风速计的基本工作原理，并给出了传感器总体结构设计思路。 黑龙江大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章硅气体流速传感器的研制 硅热膜式风速传感器是用硅做衬底材料，通过硅微机械加工技术( s i l i c o n m i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y ) 制成的一种带补偿的双桥结构的热膜式风速计。其悬 桥是采用硅膜制作，膜厚在2 p x n 左右，在桥上用n 膜制作了加热感温电阻和补偿电 阻，从而构成风速传感器。 3 2 研制硅气体流速传感器的关键工艺介绍 3 2 1 薄膜工艺 二氧化硅薄膜可用热氧化方法在硅片的表面上生长。这是现代i c 工艺中制备 二氧化硅层的最主要的方法。硅片在氧气和水蒸汽中被氧化，生成s i 0 2 ，其过程 可以用下列两个化学反应方程式表述： 9 0 0 - 1 2 0 0 1 2 s i ( 1 司态) + 0 2 ( 气态) s i 0 2 ( 固态) ( 3 - 1 ) 9 0 0 - 1 2 0 0 1 2 s i ( 固态) + 2 h 2 0 ( 气态卜s i 0 2 ( 1 百l 态) + 2 h 2 ( 气态) ( 3 - 2 ) 利用硅和二氧化硅密度和分子量，可计算出生长厚度为x 的二氧化硅所消耗 的硅层厚度为0 4 4 x 。 二氧化硅晶格是四面体型结构，在一个硅原子周围由四个氧原子环绕，其硅 氧和氧氧的原子间距离分别是1 6 和2 2 7 a 。二氧化硅的结构可以是晶态结构 ( 即石英) ，密度为2 7 9 c m 3 ；也可以是非晶态结构，密度一般为2 2 9 e m 3 ，而石 英的。实际上热生长的氧化物通常为非晶态。嗍 在衬底上形成薄膜的方法一般有三种。分别为常压化学汽相沉积( a p c v d ) ， 低压化学汽相沉积( l p c v d ) ，等离子体增强化学汽相沉积( p e c v d ) ，后一种方 法为能量增强c v d 方法。具体采用哪种方法由衬底温度、沉积速率及薄膜均匀性、 表面几何形状、电性能和机械性能以及介质薄膜的化学组分决定。 第3 章硅气体流速传感器的研制 i i i _ i_ia i c 广泛地用于沉积二氧化硅、氮化硅和多晶硅。但c v d 二氧化硅不能代替 热生长的二氧化硅。与c v d 二氧化硅相比，热生长的二氧化硅具有优越的电性能 和机械性能。然而c v d 氧化物可以补充热氧化物的不足，因为在很多情况下它可 以在相对短的时间内形成比热氧化物厚得多的氧化层。用c v d 沉积二氧化硅有几 种方法。在l p c v d 反应器中可使硅烷与氧在3 0 0 5 0 0 c 的条件下进行反应，其反 应方程式为： 5 0 0 c s i h 4 + o r s i 0 2 + 2 h 2( 3 3 ) 也可以用分解汽化的液态四乙基正硅酸盐 s i ( o c 2 h 5 ) 4 缩写为t e o s 】的方法进 行l p c v d 沉积。也可使用二氯化硅进行下列反应： 9 0 0 ( 2 s i c l 2 h 2 + 2 h 2 0 s 1 0 2 + 2 h 2 + 2 h c i ( 3 4 ) 与此相似，氮化硅可以用中温或低温p e c v d 方法进行l p c v d 。在最常用的 l p c v d 方法中，二氧化硅按下列反应式与氨进行反应： 9 0 0 c 3 s i c h h 2 + 伽3 s i 3 卜”6 h 2 + 6 h c l ( 3 - 5 ) s i 3 n s i 0 2 膜制备：本课题采用s i 3 n 4 膜做为悬桥支撑结构，即桥梁，是因为 低应力s i 3 n 4 膜线胀系数与硅相近，在生长1 8 9 i n 以上，残余应力小，不会出现皲 裂。由于s i 3 n 4 膜的粘附性较差，我们在s i 3 n 4 膜上又制作了一层s i 0 2 膜，使其与 铂膜形成牢固粘合。但s i 0 2 膜线胀系数较小，与硅线胀系数相差较大，在生长中 残余应力也较大，当膜厚度超过1 4 1 , u - a 时，就会产生皲裂。因此该过度层不宜过 厚，这里选用s i 0 2 膜厚度为2 0 0 0 a 。 在悬桥设计中，我们要求。悬桥要具有耐腐蚀能力，能够在微机械加工中不被 破坏。而且制造悬桥的膜材料内部应力要尽可能小，因此我们采用制作s i 0 2 s i 3 s i 0 2 膜。即用干0 2 + 、湿0 2 十于0 2 方法生长3 0 0 0 a 的s i 0 2 膜，再用l p c v d 方法 生长1 3 1 m a 的s i 3 n 4 膜，然后再在表面淀积2 0 0 0 a 的s i 0 2 层，使总的膜厚就控制 在1 8 9 m 左右。制备完s i 0 2 s i 3 n 4 s i 0 2 三层膜后，我们再在上面溅射3 0 0 0 a 的 铂膜。 黑龙江大学硕士学位论文 溅射是指电子通过负的电势位梯度被加速并轰击阴极靶，使靠近靶表面的金属 原子挥发形成蒸汽，然后在衬底表面沉积，形成薄膜。我们采用磁控溅射的方法 制备铂膜。它具有“低温 ，“高速”的特点。它利用磁场的束缚，以减小高能电 子轰击基片的几率，而增加高能离子轰击基片的几率。用磁控溅射具有牢固、致 密、优质的特点。 3 2 2 光刻 光刻一般要经过涂胶、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶等步骤。其详细的操作 步骤如下： 一、涂胶：涂胶就是在s i 0 2 或其它薄膜表面，涂上一层粘附良好，厚度适当、 均匀的光刻胶膜。我们在设定转速2 5 0 0 r p m ，用匀胶机在硅基片上涂敷一层光刻胶， 得到2 5 r i m 左右厚度的胶膜。涂覆表面要求必须是清洁干燥的。此时，表面未被 沾污，可不经过清洁处理。 我们采用旋转法涂胶。它的原理是离心力将滴于片子上多余的胶液甩去，在光 刻胶表面张力和旋转离心力的共同作用下，展成厚度均匀的胶膜。胶膜厚度由转 速和胶的浓度来调节。但旋转速度引起的厚度变化比浓度引起的大。 涂覆胶膜要求厚度适当，膜层均匀，粘附良好。如果胶膜太薄，则针孔会较多， 胶膜的抗蚀能力将比较差；若胶膜太厚，则光刻的分辨率会降低。实践表明，在 一般情况下，分辨率约为膜厚的5 8 倍。 二、前烘：前烘就是将硅片升高一定的温度，以便使胶膜里面的溶剂缓慢