（机械电子工程专业论文）测热式和风速计一体化传感器的研究.pdf

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，除了文中特别加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，也不包含为获得浙江大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名膨 签字日期 硎年) 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权浙江大学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，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：履诱落 签字日期：z 耐年；月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲伊锄 签字日期：枷e 年3 月? 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 摘要 微型机电系统技术在经过二十多年的研究后，逐步开始应用于传统工业领 域。其中开发可应用于常规工业领域的微型传感器成为该领域的研究重点。本论 文着重阐述了应用于工业领域的微型热式流量传感器的设计与实现。 对于应用于常规工业领域的微型热式流量传感器，需要对以下几点进行深入 研究：( 1 ) 测量方法必须合理选择，以便可以保证传感器具有较大的测量范围； ( 2 ) 传感器结构必须同时具有较好的热绝缘特性和较强的抗压抗冲击能力；( 3 ) 传 感器的封装方式应当使传感器的传感部件能够与气体介质有效接触；( 4 ) 传感器 工艺流程应当成本低廉并且具有较高的加工效率。 本论文主要展示了测热式风速计一体化热式流量测量方法以及采用该测量 方法进行测量的微型流量传感器的设计与实现。 测热式风速计一体化测量方法将传统的测热式工作模式和风速计工作模式 集成到一块单一的芯片上，通过在低流速测量范围采用测热式工作模式，在较高 流速采用风速计工作模式的方法，在保证传感器的始动灵敏度的同时，极大的扩 大了传感器的测量范围。 基于姬惦工艺的流量传感器样机以玻璃为衬底，采用剥离工艺制成铂质加 热n 温薄膜电阻结构，采用聚酰亚胺作为钝化层。通过采用玻璃实心支撑结构 代替现有硅传感器的悬空结构，该传感器的抗冲击和抗压性能得到大幅提高，从 而将微型测热式传感器的应用范围从毫米级与亚毫米级尺寸的微管道扩展到常 规工业管道。传感器样机在工业用气体标定装置上进行了标定实验，通过对不同 的加热测温电阻间距进行测试，得至q 传感器的输出电压一流量特性曲线并进行 了讨论。实验证明，在测热式风速计一体化测量方法的工作模式下，该传感器 可用于常规工业管道的气体流量的测量。 基于c m o s 工艺的流量传感器的结构主要包括一个填充有硅胶的单晶硅腔体 支撑结构，二氧化硅绝热层，形成加热器和热电堆的硅膜和金属膜，以及作为钝 化层的氮化硅层。该传感器的支撑结构由填充有硅胶的单晶硅腔体结构和其上的 二氧化硅绝热层共同构成，可获得良好的绝热特性和抗压抗冲击特性。由于该传 感器的工艺流程与常规c m o s 工艺兼容，因此易于实现批量生产，并且有利于在 未来的研究过程中将传感器后端电路与前端探头集成到一块芯片上，有效提高流 量传感器的集成度 关键词：脏煅；微型传感器；流量传感器；测热式；风速计；实心结构；玻璃衬 底；c m o s 兼容 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) t e c h n o l o g yh a sm a t u r e dt ot h ep o i n tw h e r e p r a c t i c a li n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sa r ep o s s i b l e o n ep a r t i c u l a r l ya c t i v er e s e a r c ha r e ai s t h ed e v e l o p m e n to fm i c r os e n s o rs y s t e m s t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fm i c r ot h e r m a lg a sf l o ws e n s o r 5 f o rm i c r ot h e r m a lg a sf l o ws e n s o r su s e di nc o n v e n t i o n a li n d u s t r i a lm e a s u r e m e n t , t h e f o l l o w i n ga t t r i b u t e sa r en e c e s s a r y f i r s t l y , a l le f f e c t i v em e a s u r e m e n tm e t h o dm u s tb e c h o s e nt oo b t a i nal a r g em e a s u r e m e n tr a n g e s e c o n d l y , t h es t r u c t u r eo ft h es e n s o r s h o u l dp r o v i d eg o o da n t i - p r e s s u r ea n da n t i i m p a c tp e r f o r m a n c ea n dg o o dt h e r m a l i s o l a t i o n t h i r d l y , ap r o p e rd i ep a c k a g es h o u l db eu s e dt or e a l i z eg o o dp r o t e c t i o nw h i l e e x p o s i n gt h es e n s i n ge l e m e n t st ot h eg a sm e d i u mp r o p e r l y a n df i n a l l y , f a b r i c a t i o n p r o c e s s e ss h o u l db eo fl o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y d e m o n s t r a t e db e l o wa r ea ni m p r o v e dt h e r m a lf l o wm e a s u r e m e n tm e t h o d ，t h ed e s i g no f am e m st h e r m a lg a sf l o ws e n s o rp r o t o t y p ea n dt h ed e s i g no fac m o sc o m p a t i b l e t h e r m a lg a sf l o ws e n s o r t h ei m p r o v e dt h e r m a lf l o wm e a s u r e m e n tm e t h o di n t e g r a t e sb o t ht h ec a l o r i m e t r i c m e t h o da n dt h ea n e m o m e t e rm e t h o di n t oas i n g l es e n s o rc h i p t h ec a l o r i m e t r i c m e t h o di ss e l e c t e df o rt h em e a s u r e m e n to fas m a l lf l o wr a n g ew h i l et h ea n e m o m e t e r m e t h o di ss e l e c t e dw h e nt h ef l o wr e a c h e sal a r g e rr a n g e w i t ht h i si n t e g r a t i o nm e t h o d t h ef l o ws e n s o rf e a t u r e sal a r g em e a s u r e m e n tr a n g ea n dah i g hs e n s i t i v i t ya tz e r of l o w t h em e m sf l o ws e n s o rp r o t o t y p ec o n s i s t so fam e t a ls e n s i n g h e a t i n ga r r a yp l a c e d o v e rag l a s ss u b s t r a t ea n dap o l y i m i d el a y e rf o rp a s s i v a t i o n t h es e n s o rd i ei s p a c k a g e do n t oa p c b u s i n gt h ec h i p - o n - b o a r dt e c h n o l o g y b o t ht h ea n t i - p r e s s u r ea n d t h ea n t i - i m p a c tp e r f o r m a n c ea r ee n h a n c e db yu s i n gas o l i d # a s ss u b s t r a t ei n s t e a do fa c o m m o ns i l i c o ns u s p e n d i n gs t r u c t u r e t h i ss t r u c t u r ea l s oh a sg o o dt h e r m a li s o l a t i o n t h e s em e r i t sw i d e nt h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fm i c r of l o ws e n s o r sf r o mm i l l i m e t e r - o r s u b - m i u i m e t e r - t u b e st oc o n v e n t i o n a li n d u s t r i a lt u b e s i ti ss h o w ne x p e r i m e n t a l l yt h a t t h e m e a s u r i n gr a n g e o ft h e p r o t o t y p ec a nf u l f i l l t h ec o n v e n t i o n a li n d u s t r i a l r e q u i r e m e n tw h e nt h es e n s o rw o r k si nt h ei m p r o v e dt h e r m a lf l o wm e a s u r e m e n t m e t h o d 2 浙江大学硕士学位论文 i nt h ed e s i g no ft h ec m o s - c o m p a t i b l ef l o ws e n s o r , t h em a j o rf a b r i c a t i o np r o c e s s c o n s i s t so ff o r m i n gh e a t i n ga n dt e m p e r a t u r es e n s i n gd e v i c e si nt h es i l i c o nf i l mo nt h e i s o l a t i o ns u b s t r a t e , f o r m i n gac a v i t yi nt h es u b s t r a t ea n df i l l i n gt h ec a v i t yw i t hs i l i c o n g c la n db o n d i n gt h ew a f e ro n t oag l a s ss u b s t r a t e n eg o o dt h e r m a li s o l a t i o na n dt h e g o o da n t i - p r e s s u r ep e r f o r m a n c ea r er e a l i z e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h et h i c k o x i d a t i o nl a y e ru n d e rt h es i l i c o nl a y e ra n dt h es p e c i a lc a v i t ys t r u c t u r ew i t hl o w t h e r m a lc o n d u c t i v i t yu n d e rt h eo x i d a t i o nl a y e r s i n c em o s to ft h ef a b r i c a t i o np r o c e s s e s a l ec m o sc o m p a t i b l e ，i th a sg r e a tp o t e n t i a lf o rl o w - c o s ta n dh i g h l ye f f i c i e n tm a s s p r o d u c t i o n n o wt h ep r o t o t y p eo ft h i sc m o st e c h n o l o g y b a s ed e s i g ni st ob et a p e do u t f o rf a b r i c a t i o na n dt e s t k e yw o r d s ：m e m s ；m i c r os e n s o r ；f l o ws e n s o r ；c a l o r i m e t r i c ；a n e m o m e t e r ；, s o l i d s t r u c t u r e ；g l a s ss u b s t r a t e ；c m o sc o m p a t i b l e ； 3 浙江大学硕士学位论文 1 1m e m s 相关技术介绍 1 1 1m e m s 的发展 第一章绪论 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是指可批量制作的， 集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通 信和电源等于一体的能完成特定功能的微型器件或系统。m e m s 技术是多学科 交叉的新兴领域，涉及到微电子学、自动控制、材料学、光学、气动力学、流体 力学、声学和磁学以及生物医学等多种领域，是随着半导体集成电路微细加工技 术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，具有体积微小、耗能低，能进入 一般机械无法进入的微小空间进行工作，能方便地进行微细操作等优点。m e m s 不仅仅是传统机械在尺度上的微小型化，它已远远超出了传统机械的概念和范 畴，而是基于现代科学技术，并作为整个纳米科学技术的重要组成部分i l 。 由于硅材料微制造技术的迅速发展，早在2 0 世纪7 0 年代末期斯坦福大学就 开发出硅微加工的气相色谱仪。8 0 年代初，m i d d l e h o e k 著文预示微机电系统的 出现和发展前景，他于1 9 8 9 年出版的专著，对微机电系统的研究起着重要的推 动作用。美国在1 9 8 7 年举行的i e e em i c r or o b o t sa n dt e l e o p e r a t o r s 研讨会的主 题报告标题为s m a l lm a c h i n e s ，l a r g eo p p o r t u n i t i e s 。首次提出了微机电系统 ( 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 ，m e m s ) - - 词，开创了微机电系统研究。荚国在该 领域标志性的研究成就是加州大学伯克利分校用硅片刻蚀工艺开发出静电直线 和旋转微电机，引起科技界极大轰动，对微机电系统研究产生很多的鼓舞。美国 有关微机电系统的研究是由微电子技术发展而来。在欧洲，1 9 8 9 年在荷兰特文蒂 ( t w e n t e ) 以m i c r om e c h a n i c s 的名称首次召开有关微系统的研讨会。1 9 9 0 年， 在柏林召开的研讨会改称为m s t ( m i c r o s y s t e mt c c h n o l o g y ) 。此后，多沿用此名 称。欧洲在领域的重要贡献是开发出扫描隧道显微镜和原子力显微镜以及l i g a ( h g a 是德文l i t h o g r a p i e 光刻、g a i v a n f o r m u n g 一电铸和a b f o r m u n g - 铸塑三个 词的缩写) 工艺，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。由于利用l i g a 可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该 技术可以得到高深宽比的精细结构，它的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。l i g a 技术自八十年代中期由德国开 发出来以后得到了迅速发展，利用该技术已经开发和制造了微齿轮、微马达、微 加速度计等。与其它国家相比，日本关于微机电系统的研究，在材料、制造技术 6 浙江大学硕士学位论文 和工业应用等方面都强调机械背景，对该领域的研究采用m i c r om a c h i n e 一词， 多利用传统机械加工手段，即利用大机器制作小机器，再利用小机器制造微机器 的方法，研究加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术 台等；并于1 9 8 8 年正式建立微机械研究组织 5 - 6 1 。 我国开展m e m s 研究始于2 0 世纪8 0 年代末，在国家“八五”、“九五” 计划期间，得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部、中国科学院和总 装备部的积极支持。m e m s 研究在我国已形成如下几个方向：微型惯性器件和惯 性测量组合：机械量微型传感器和致动器；微流量器件和系统；生物传感器、生 物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅微加工工艺等1 7 l 。 1 1 2m e m s 系统的特征 顾名思义，微机电系统具有两个基本特征，即微小尺度与系统集成【8 1 。 微小尺度是微机电系统的重要特征，但并不是定量的特征。事实上，现代的 传统机械有的也已达到微米甚至纳米的特征尺寸，例如，当今精密轴承和齿轮传 动的油膜厚度已经达到亚微米或纳米量级；又如一般光学显微镜以光波长为极 限，而近场光学显微镜和原子力显微镜可达到纳米尺度，都是商品化的精密仪器。 对于微小尺度的理解应当作为一种技术特征，即微型化不仅是解决微观技术问题 的有效途径，而且通过微型化能够创造出具有新功能的装置。大体上说，微系统 是微米量级的特征尺寸、毫米量级的器件尺寸。 微机电系统另一个基本特征是系统集成。在微系统的发展过程中，微电子技 术比微机械技术发展时间较早，因而也比较成熟。1 9 8 7 年人们利用表面微制造技 术首次制造出可运动的微机械构件，第二年制造出静电微电机和微执行器。由于 表面微制造技术与微电子技术之间高度兼容，将微机械与微电子集成就诞生了微 机电系统。所以，单独的微机械器件或单独的微传感器都不是完整的微机电系统。 总体上说，微机电系统表现了高性能低损耗的技术方向。由于微型化降低了 装置的体积、质量和材料损耗；采用硅材料和微电子制造技术，可以大批量生产， 同时，减少采用贵重金属或稀缺材料，从而降低生产成本；通常微机电系统使用 寿命长，不含有对生态环境有害的材料，而且废弃后容易处理，因而大幅度降低 对环境的污染。同时，微机电系统充分利用现代信息技术，而信息本身又具有无 质量和无尺寸的特点，微系统最适合对信息的收集、处理、传输、显示和存储， 可以进一步提高信息检测质量和存储密度，是未来信息技术不可缺少的手段。由 于微机电系统对未来人类社会发展所具有的潜在作用，因而受到世界各国政府和 科技部门的高度重视。 7 浙江大学硕士学位论文 1 2 微型流量传感器概述 流量测量是一门有着几百年悠久历史的科学，它的研究可以追溯到古老的罗 马时代在过去，传统的传感器很难监测到微小流量的流动情况但是，随着传 感器尺寸的减小，获得了对微小流量较高的灵敏度，增大了传感器的量程比和适 用范围。传感器尺度的缩小也同时减低了传感器对流场的负面影响和一直存在的 能耗问题。随着精细化工，生物医学，以及半导体工业的发展，流体微小流量的 精确测量显示出了越来越重要的地位。而传统流量传感器在微小流量的精确测量 上存在着能耗大，成本高等诸多问题，导致其在工业化进程中受到阻碍。因此， 如何准确检测微小流量，增大流量测量范围，提高传感器响应速度，降低传感器 能耗以及减小传感器对流场的影响均成为流量测量的重点和难点。而另一方面， 传感器的微型化将带来了更快的频率响应时间，更好的性能，更低的成本和更少 的能耗以及实现对小流量的高的灵敏度。在这种情况下，如何将流量测量学科本 身与新型的微型加工技术和m e m s 技术紧密联系，使传统流量传感器逐步小型 化和微型化成为常规流体控制测量学科与微流控学科的研究热点。 1 2 1 流量测量方法 流速测量和流体传输速度测量使两个基本的流量测量方法。流速测量是指在 流场当中的流体速度的测量。流体传输速度的测量则限制在对管道或者沟道等内 的质量流量或者体积流量的测量。两种测量方法都可以用m e m s 器件实现。 1 2 1 1 流量测量的物理测量原理 流量感应广泛适用于各种物理感应原理。图1 - 1 展示了目前常见的几种物理 测量方法【8 l 。 ， 8 浙江大学硕士学位论文 鼬咖疵曦豪t i l i 斌。翔嘲_ 酝j 。r a e e t 娥io p 像感l c 戳蟮囊鞋毗融群委 ；裂j jo k ；岫。 鼬 ；撼； ，篇k ! ；r u 懒o r a m mi i 嘶 撼；点戮氛。j 枞；吣p 呐刚、；凇； m f ：f k t 怒淼 谢：刚悯4 c 6 b 到- 童 图1 - 1 常见的物理流量测鼋方法 尽管对流量测量有诸多分类方法，但是由于热与质量传输的密不可分的关 系，并且几乎所有的物理流动感应都与温度有关，因此，将流量传感器简单分为 非热式和热式是富有意义的。下面将简单的介绍一些常用的测量方法。 1 2 1 2 非热式流量测量方法 下面介绍一些常见的非热式流量测量方法。 ( 1 ) 压差式流量计 9 “、。一一一一t 图1 - 2 压差式流量计 如果在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件， 则管内流束在通过该节流件时就会造成局部收缩在收缩处，流速增加，静压力 降低，因此，在节流件前后将产生一定的压力差。实践证明，对于一定形状和尺 寸的节流件，一定的测压位置和前后直关断，在一定的流体参数情况下，节流件 9 。詈一 浙江大学硕士学位论文 前后的差压a p 与流量咖之间有一定的函数关系。因此，可以通过测量节流件前 后的差压来测量流量。最为常见的节流件有标准孔扳，标准喷嘴，文丘里管和文 丘里喷嘴等几种形式。 ( 2 ) 容积式流量计 容积式流量计又称排量流量计( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tf l o w m e t e r ) ，简称p d 流量计或p d f ，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连 续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体 积部分流体的次数来测量流量体积总量。p d 流量计一般不具有时间基准，为得 到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。定排量测量方法可追溯到1 8 世纪， 2 0 世纪3 0 年代进入普遍商业应用。 莫鬈 鬈羚小惫 甏戮爹噫眇叫节 ( 3 ) 涡轮流量计 图1 3 容积式流量计 图1 - 4 涡轮流量计 图l - 4 所示为t u f 传感器结构图，由图可见，当被测流体流过传感器时，在 流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比。叶轮的转动周期地 改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的 l o 浙江大学硕士学位论文 感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。 ( 4 ) 电磁流量计 电磁流量计( 以下简称e m 咿) 是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导 电液体体积流量的仪表。e m f 的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场 中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。如图1 - 5 所示，导电性液体在垂 直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的 感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”。 i e 体磁场方冉 国1 测量原理 图1 - 5 电磁流量计 ( 5 ) 超声波流量计 超声流量计( 以下简称u s f ) 是通过检测流体流动时对超声柬( 或超声脉冲) 的作用，以测量体积流量的仪表。本文主要讨论用于测量封闭管道液体流量的 u s f 。封闭管道用u s f 按测量原理分类有：传播时间法；多普勒效应法； 波束偏移法；相关法；噪声法。 ( 6 ) 涡街流量计 在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速 ( 流量) 有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。 目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进( 旋涡进动) 流量计和射流流量 计。涡街流量汁( 以下简称v s f 或流量计) 。 v s f 是在流体中安放一根( 或多根) 非流线型阻流体( b l u f f b o d y ) ，流体在 阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频 率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以 推算出流体的流量。 1 1 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 3 热式流量测量方法 热流体测量方法是通过将流体的机械流动的变化转化为热传播的变化，再将 热传播的变化转化为电压信号或者电流信号，从而实现通过检测传感器的输出电 信号来探测流体流速的目的。这种工作方式的传感器不需要任何移动部件，结构 简单，因此它是最易于微型化的流量传感器。通常，热流量传感器包括加热器和 温度传感器两部分，由检测流场中的温度差或者加热功率等变量的不同，分为测 热式传感器和风速计式传感器。 ( 1 ) 风速计式工作原理阴 风速计式传感器是通过检测暴露在流体中的加热器本身的热耗散程度来检测 流速。这种模式的传感器包括一段固定几何尺寸的直流道，一个温度敏感材料制 成的加热器，一个测量流体原始温度的参考温度传感器和相应的控制测量电路， 通过检测液体中因液体流动而带走的热量的多少来测量流速。传感器元件可以用 各种对温度敏感的材料制成，其中p t 和n i 以及其合金由于它们的电阻随温度变 化而明显变化，通常被选用作传感器元件的材料。对于大部分材料来说，温度与 电阻的关系由下式表述： r 仃) 一r 仃0 ) 【1 + n ( 丁一t o ) 】 ( 1 1 ) 其中： 凡口) - r o 温度下的电阻值 t - 温度 a = 温度电阻系数( t c r ) 风速计可以工作在两种模式下，一种为恒流式或者恒功率式，由恒定电流或 者恒定功率给风速计宫殿病测量加热元件的温度式最简单的模式。在这种模式 下，响应时间由加热元件的热容量和向介质传输热的速率给出( r c - 时间) 。当温 度恒定时( 由一个反馈环来实现) ，要测定维持温度不变所需的功率。它的频率 响应主要由反馈环的频率响应来决定。后者的优势在于可以获得更高的频率响 应，缺点是对反馈电路的要求较高，后端电路较为复杂。 风速计式传感器通常工作在中等流速下( p r 1 ) ，此时，流体中的热传输以 对流传热形式为主，因此热传输符合由k i n g s l a w 推演出的关于电路输出电压与 流体温度差变化的关系。 浙江大学硕士学位论文 堕。爿+ 口【，一 r s r ， n 一几何要素 r s - 加热器温度对应的电阻值 r y - 流体原始温度对应的电阻值 ( 1 2 ) 从公式中可以得知，流速的指数与风速计式传感器的输出电信号成正比，这 是一对非线性关系。风速计式传感器的缺点在于对微小流量的灵敏度较差，在流 速极低的情况下信号输出跳动非常大。 ( 2 ) 测热式工作原理【l 哪 测热式传感器是通过检测单一热源周围的温度分布情况来检测流体流速。对 于该种工作原理的传感器，其中包含一个单一热源和至少一对温度传感器，分别 置于相对于单一热源对称或者不对称的上游和下游。在测量的时候，通过测量上 下游温度传感器的温度差值，从而确定流体流速。此种工作原理对小流量极其敏 感，尤其在微流体计量中显示出极大的优势，因此成为微型流量传感器的研究热 点。同时，多个的温度传感器的设计实现了对流体流向的确定。温度分布如图1 6 【1 l 】 所示。 r ， 曩 ； ， ， 6 ， “。 - tl x-x 图1 - 6 流道中央沿x 方向的温度分布加热器的大小是从x - 一l v = o ；b ，v - - - o ；c , v = o 0 1 ) 测热式流量传感器基本上是一个质量流量传感器【1 2 】。其主要思路是，将一些 热传输给流体，再由它将热以对流的方式带走。这样的话，想要测量的热量大小 就正比质量流动。我们注意到，传输热量的多少与流体类型有关，而其中比熟是 重要参数。 测热式流量传感器有一个输出，在小流量情况下，它可用一个对流速的线性 依赖关系，一个最大值和一个下降来表征【1 1 l 【1 3 - 1 9 1 。图1 7 是一个典型例子它由 e l l i sm e n g 的用于水流的流量传感器1 2 0 1 得出。 浙江大学硕士学位论文 薹 ：苎； _ m m r w r - 妒n 唾 图l - 7 测热式模式实验结果 我们已经发现，风速计有传感器的个特征量，这个特征量含有一个流速的 平方根，其物理意义是，在管壁和加热元件之间有边界层。在测热式流量传感器 中，温度敏感元件相互靠的很紧，加热器向温度传感器的热传输并不取决于边界 层。这里，当雷诺数远小于1 的时候，温度差对流量呈线性关系。曲线的最大值 粗略的可由条件6n m l 给出，这里6n 是热边界层厚度，l 是加热器和温度传感 器间的距离。 对于微型测热式流量传感器的解析分析在【1 0 l 中进行了详细表述。对于一个简 单的一维的微型流量传感器，其加热器的温度可表述为： n 高叫鲁+ j 爱叫 豫i 恒功率加热器的温度。 p = 加热功率。 打- 流体热导率 m - 加热器宽度 矗- 加热器长度。 d = 边界层厚度 俨= 平均流速。 4 一流体热扩散率， f = 委+ 拿婴无量纲因数， 2 j 十j i 孑。尢量纲凼敢， h 一衬底材料熟导率， o - 横膈膜厚度 温度传感器之间的温度差表述为： ( 1 3 ) 浙江大学硕士学位论文 a v = z d e x 附2 l ) 一e x p ( r l l ) 】 其中： a t - 温度差 vt v 2 + 1 6 a 2 k | 6 2 ，l 2 2 了一 + k - 加热器到上游传感器的距离 b - 加热器到下游传感器的距离 ( 1 - 4 ) ( 3 ) 熟脉冲传输时间原理 热线式流量传感器也可以动态模式工作。由加热元件发出的热脉冲将以对流 方式传给下游的传感器，脉冲由于流速在不同的位置的差别而发生变形，同时， 由于热扩散的原因而变宽。以这种方式工作，可测到一个纯时间信号，最终结果 只测到流动流体的速度，而与流体的类型无关。因为对于热线式流量传感器来说， 以扩散方式进行的热传输的类型无关。所以，在静态工作模式下，对于不同的流 体，传感器将以不同的方式工作。只有在小流速下扩散引起的信号畸变式严重的。 我们可以粗略的说，如果热脉冲的离散度与热源和传感器间距同数量级，则热脉 冲传输时间的测量就不会精确。这意味着，对于流速小于u o = d r 1 的情况，脉冲 信号趋向于太宽而变得没有用。但是这个关系近似的决定了t - u 曲线的最大值。 这意味着，热线式流量传感器在流体速度高于u c 和在热脉冲传输时间模式，进 入最佳工作区。关于这个问题的讨论可在【1 9 1 和1 2 1 l 中找到。关于这种原理工作的流 量传感器的工作可在，【2 3 1 等论文中找到。 由于流体的材料性质和流速以不同的方式影响着热传输和热脉冲传输时间， 如果两者同时测量，可以得到比以上更多的信息。有关这一问题，阎和【l 已经进 行了讨论。给加热器加一时变信号，就可以得到加热器平均温升加上一时变分量。 得到的时位于上下游的传感器之间的温度差，它与时间有关。嘲和【i 证实，从与 时间有关的信号有可能得到额外的一些参数。只要知道混合气体的成分，他们就 可确定气体的流量及其组分。为了识别组分，他们采用了神经网络【2 2 1 。 另一种热脉冲传输时间原理中，传感器包含一个加热元和一个以上的温度传 感元件。在加热元上加载热脉冲，在下游检测温度。下游测温元测到温升最高点 的时间与加热元加载热脉冲的时问的差值取决于流体在低速下的热扩散，加热元 与测温元的距离，以及流体在较高流速下的平均流速。如果将加热元近似为一个 线性源，则热传输的公式可由下式表达【纠： r ( x ，f ) 熹e x p 一( x - v 。t ) 10 - 5 ) q - 3 q - a t t - - - t 时刻的温度分布 x = 测温元与加热元的距离 浙江大学硕士学位论文 t - 时间 q o = 输入脉冲信号强度 k = 流体热导率 v = 平均流速 a = 热扩散率 峰值温度定义为测温元感应到的温度最大值所在的点。热脉冲的传输时间由 峰值时间和测温元与加热元间的距离来反演的。公式表达如下： v。盟(1-6) 1 2 2 微型流量传感器发展简史 微型流量传感器已经拥有3 0 年的研究历史，旨在获得一种廉价，精确并且 可靠的微型传感器，以替代宏观微型流量传感器。在这一期间，流量传感器在半 导体工艺和微加工工艺不断发展的基础上向前发展，以适应科研与生产对流量传 感器的新要求。 第一块基于硅的流量传感器于1 9 7 4 年被制成，它采用热式感应原理进行工 作阿l 。之后的1 0 年，对于直接的插入式传感器做了大量的研究。1 9 8 5 年，第一 块流道内置式的传感器问世。在该项研究工作发表之前，传感器在工作时都必须 与流体媒质直接接触。但如果通过微加工工艺将微流道与传感元件集成为一块芯 片，则该传感器可以应用于各种复杂的微流体系统，包括微阀和微泵系统等。随 着生物检测等尖端科技的发展，微流控系统越来越普遍的得到应用，成为m e m s 领域的研究重点。由此发展起来的流道内置式的传感器成为目前国外研究的热点 之一。而与应用于微流控系统的内置式传感器相对应的是插入式微型传感器的研 究。该类研究不再停留在微流控系统的应用上，而是将目标转向将m e m s 技术 应用于宏观流量系统之中，以求充分发挥微型传感器所特有的体积小，成本低， 能耗低，对流场影响小，精度高等优点。 目前研究的大部分微型流量传感器都采用热传输的原理进行工作。这是因为 热传输的原理是目前已知的流量测量原理中最可靠和最精确的极低流速的测量 方法代i r d m i n ) 。另一个使热式原理在微型流量传感器研制中普及的原因是热传 输原理实现的传感器的机械结构和电路结构实现起来都是最简单的，因此也是最 容易进行微型化的传感器类型。基于上述两条理由，目前的微型流量传感器大部 分都集中在热传输原理上也就不足为奇了。热传输原理通常分为风速计式，测热 式，以及热传输时间方式这三种方式根据应用场合和测量范围以及测量精度的 不同，在相应领域都有较为深入的研究而许多微加工中常采用的材料，诸如铂， 浙江大学硕士学位论文 镍铁导磁合金，金，硅，以及掺杂多晶硅等都以尝试被用作微型热式流量传感器 的加熟元和测温元。微型热式流量传感器也存在一些缺陷，比如温漂的影响，以 及对流体导热特性的变化敏感等问题。但对流体导热特性变化敏感的特性也让热 式流量传感器同时可以作为探测流体导热特性的传感器。 目前微型流量传感器的研究与开发已经进入产业化阶段，如美国h o n e y w e l l 公司已推出系列微桥式气体质量流量传感器。最新的论文显示了各国科技人员在 推动微型热式流量传感器上，尤其在增大传感器量程范围，提高灵敏度方面所做 的努力。其中： ( 1 ) 1 9 9 9 年，d eb r e e 等人p 】采用复杂的后端电路，在传感器上同时实现测热式 和风速计工作模式，以测热式作为低速下的工作模式，风速计作为高速下的工作 模式，其中测热式工作段的测量上限为1 0 0 0c m 3 m n ，管道截面积1 0 0m m 2 。传 感器照片如图1 8 。 图1 8 d e b r e e 的传感器 ( 2 ) 2 0 0 0 年，r o d r i g u e s 等人瞄l 采用微桥结构制作测热式传感器，测试管道直径 为3m m ，测量上限为5 0 0c m 3 m i n 。传感器照片如图1 - 9 。 图1 - 9 三维悬空结构 1 7 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 2 0 0 4 年，s a b a t 6 等人 2 7 1 通过多组测温元件，将测量上限增大到8 0 0 0 锄3 m i n ， 管道截面积为7m i l l 2 传感器照片如图1 1 0 。 倒l - 1 0 三维悬空结构 此外，在制造工艺上，为顺应c m o s 标准工艺的发展趋势，热式流量传感器 的工艺设计也逐步向c m o s 工艺兼容的工艺流程发展，其中如何将后端电路与前 端传感器探头集成到单块芯片上成为各国关于热式流量传感器的研究热点，与之 同时，如何将半导体产业中先进的封装方式应用到对热式流量传感器中，对其进 行有效的封装方向，也有了诸多研究。这方面的研究在以下论文中均有详细阐述。 e y o o n 在1 9 9 2 年展示了一块单片气体芯片i 捌，如图1 1 1 所示。他在单块芯 片上集成了探测气体流速，方向，种类和压力的多个传感器探头，这些传感器被 集成在0 5 r a m t 0 5 m m 面积的绝缘窗口中。芯片上同时集成了多个后端电路模块。 浙江大学硕士学位论文 啪脯舢楠 ，髀t r e m o r m r t 删t y 一- f s m o m , r e ) 1 1 1e y o o n 的单片传感器 为了对微型热式流量传感器的几何尺寸和封装方式的优化进行研究，f m a y e r 在1 9 9 5 年对图1 1 2 所示的两种结构的传感器及封装方式进行了探讨并得出了相 应的优化数据i 删。该论文所展示的芯片均采用标准c m o s 工艺制成。 浙江大学硕士学位论文 图l - 1 2 e m a y e r 在1 9 9 5 年展示的两种热式流量芯片及其封装方式 em a y e r 在1 9 9 7 年首次展示了具有一块经过良好封装的单片风速计微系统 p o l 。该芯片系统包含c m o s 工艺制成的流量传感器，芯片上同时包含供能模块， 信号处理模块以及a d 转换模块。该芯片同时应用了目前最新的封装方式一倒装 芯片( f l i p c h i p ) 方式对该芯片进行了有效封装。 ：i i p - d o p e ap o l y p o n ：j n - d o p e dp o l y s i l i e o n 浙江大学硕士学位论文 图l 1 2 em a y e r 的单片风速计示意图与芯片照片 , s o c k e t f l mc h a n n e l h 嚣t b f c 鲫b s 妇地 “ 图l 1 3 e m a y e r 的风速计封装示意图 gk a l t s a s 等人提出的以多孔硅作为绝热结构的硅基气体流量传感器f 3 1 1 1 3 2 1 ， 如图1 1 4 所示。该传感器同样为c m o s 工艺兼容的单块集成芯片。该传感器在 硅衬底上通过常规半导体工艺制作出了中心加热元件和两侧对称分布的测温元 件( 热电堆) ，然后通过特殊的电化学工艺把b 层和c 层下的硅衬底转化为多孔 硅。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 4g 蹦b 等人所提供的传感器结构示意图 为了在检测气体流速的同时检测气体流向，许多传感器芯片设计了2 d 范围 内的流向测量传感器。比较典型的设计示意图如图1 1 5 。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 52 d 范围的流向与流量测量传感器示意图 其中根据该基本结构设计的传感器较为典型的有kaa m a k i n w a 等人在2 0 0 1 年提供的集成风速传感器1 3 3 1 ，该传感器将传感器探头与接口电路继承到了一块单 片芯片上，如图1 1 6 所示。而该论文展示的芯片的封装方法非常有趣，如图1 1 7 所示，它将传感器封装到一块陶瓷薄片上，有效的保护了传感器芯片。 图1 - 1 6k 从m a k i n w a 的二维微型流量传感器芯片 一 缎。 渤