（电路与系统专业论文）基于PDMS硅的液体微流量传感器研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 利用微加工技术制作的微流量传感器，具有体积小、测量准确、灵敏度高、便于集 成等特点，可满足汽车电子、生物医药、精细化工等领域对微流量检测的需求。为满足 连续流动式p c r 生物芯片微流量样品的检测，本文开展了微流量液体传感器的研制， 以实现微流控生物芯片的微型化和集成化。 根据热温差原理设计了液体微流量传感器，利用a n s y s 软件对该结构进行了仿真 分析，优化了结构参数，完善了结构设计。采用射频溅射技术，在硅基片本上一次性制 作出p t 金属薄膜微加热器、温度传感器、内引线及焊盘；采用浇铸法制作了基于p d m s 聚合物材料的微沟道芯片；利用p d m s 材料良好的吸附性，将其与硅基芯片的另一抛光 面封接在一起组成微流量传感器。该工艺简化了制作步骤，降低了成本，并有效解决了 加热器和温度传感器与液体的分离问题。 设计并实现了以f p g a 为核心的监测控制系统，可实现信号采集、放大、控制、显 示等功能，完成了相应的加热温度选择、数据读取、温度转换、流量转换、p i d 算法等 各个模块的软件设计。利用自行组建的微流量传感器测量标定系统，分析了n 薄膜电 阻的特性，确定了最佳测量电阻对及加热温度，探讨了不同沟道宽度对流量测量的影响， 并对传感器的稳定性进行了研究分析。 研究结果表明：本文制作的n 薄膜电阻灵敏度较高，稳定性较好，适合作为微流 量传感器的加热器及温度传感器。测量电路选用两个惠斯通电桥输出的叠加信号，提高 了测量精度，增加了系统的稳定性。微沟道宽度越窄，传感器越灵敏，但测试量程相对 减小，符合a n s y s 仿真结果。 关键词：液体微流量传感器；p t 金属薄膜；p d m s 大连理工大学硕士学位论文 s t u d y o np d m s s im a c h i n e dm i c r o l i q u i df l o ws e n s o r a b s t r a c t t h em i c r of l o ws e n s o rf a b r i c a t e db ym i c r o - p r o c e s s i n gt e c l 芏l o l o g yh a ss e v e r a la d v a l l t a g e s s u c ha ss m a l ls i z e ，a c c u r a t em e a s u r e m e m ，h i 曲r e s p o n s i v e n e s sa n ds oo n s ot h em i c r on o w s e n s o rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f m i c r o n o wd e t e c t i o ni nt 1 1 e6 e i do fa u t o m o t i v ee l e c 缸d n i c s ， b i o m e d i c i i l ea n df i n ec h e m i c a li n d u s t r y t om e e tt l l em i c r o n o wt e s t i n go ft 1 1 ec o m i n u o u s f l o w - p c rb i o - c h i ps a m p l e ，m i sp a p e rl a u n c h e da 咖d yo fm i c r o l i q u i dn o ws e n s o ri no r d e rt o a c t l i e v ei i l i c r o n u i d i cb i o c l l i pm i n i a t l l r i 删i o na n di n t e g r a t i o n t h es t 】r l l c t u r eo fm i c r o n o ws e n s o r sw a sd e s i g n e db a s e do nt l l ep r i n c i p l eo ft h e m l a l d i s t r i b u t i o na n dw a ss i m u l a t e db ya n s y ss o r a tn l es a m et i m e ，t l l eo p t i m 2 1 1s 仇j c t u r e p a 勰e t e r sw e r ed e t e f l n i n e d t h em i c r of l o ws e n s o rf a b r i c a t e di i lt h i sp a p e rw a sc o m p o s e do f s e n s o rc 1 1 i p ，a 1 1 d1 1 1 i c r o c h 锄呲：1c l l i p t h es e l l s o rc h i pc o n s i s t e do fam i c r 0h e a t e r 锄d10m i c r o t e m p e r a t u r es e n s o r s ，o fw 匝c h 扣旧t e m p e m t u r es e i l s o r su s e dt od e t e c t t 1 1 ew o r k i n gt e m p e r a t u r e ， 锄o t l l e re i 功tt e m p e r a ：t 1 】r es e n s o r su s e dt 0m e a s u r en o w b o mn l em i c r o h e a t e ra j l dt e m p e r a n l r e s e n s o r sw e r en l enf i l mf a b r i c t e db yl i 舡o f ft e c h 芏l i q u e sa n dm a 黟e 的ns p u 批r i n gm e t h o d n l e p d m sm i c r o c h a i l l l e l 凼pf a b r i c a t e db yc 缄i n gm e l o dw a ss e e da l st h e1 1 1 i c r 0 c h a i l n e lc h i p i i lt h i sp 彬f i 眦m es i l i c o nm o d e lw a sf a b r i c a t e d b yw e te t c l l i n g ，m e nm ep d m s m i c r o - c h a 册e lc l l i pw a sf i i l i s h e da f t e rap o u r i n gp r o c e s s i n g t h es e l l s o rc h i pa n dm e m i c r o - c h a l 【n e lc h i pw e r es e a l e dt o g e m e rt 0f o n i lt h em i c r of l o ws e n s o r n l em o n i t o 痂唱a i l dc o m r o l l i i 培s y s t e mw a sd e s i g n e da i l di r n p l e m e n t e d f p g aw a sm e c o r ec h i po ft l l es y s t e mw 址c hc a i la c h i e v es i g l l a la c q u i s i t i o n ，锄p l i f i c a t i o l l ，c o n n d l l i n g ， d i s p l a y i n g 锄do t l l e rf l u n c t i o n s t h ec o r r e s p o n d i n gm o d u l eo fh e a t i n gt e m p e r a t u r es e l e c t i o 坞 胁r e a d i n t e m p e r a t u r ec o n v e r s i o 玛f l o wr a t ec o n v e r s i o n ，p i da l g o r i t h nw e r ed e s i g n e da n d f i l l i n s h e d b yu s i n gt l l es e l f 二f o 咖e dm i c r o n o ws e n s o rc a l i b r a t i o ns y s t e m ，t 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so f p tt h i nf i l mr e s i s t o r sw 舔a n a l y z e da i l dt h eo p t i m a jb e a t i n gt e m p e r a _ c u r ea 1 1 dm e a s u r e m e n t r e s i s t o r sp a i rw e r ed e t e m i n e d t h ei m p a c to ft h et 1 1 ed i f f e r e n tc h 锄e 1w i d t hw a sr e s e a r c h e d n l er e s u l ts h o w e dt h a t ：n l cnt k n f i l mr e s i s t o r sf a b r i c a t e di nt l l i sp a p e rh a dal l i g l l s e n s i t i v i 付a n dg o o ds t a b i l i 坶，m u si tw a ss u i t a b l ea sh e a t e ra n dt e m p e r a t u r es e n s o ro ft h e m i c r o n o ws e z l s o r t oi m p f o v et l l ea c c u r a c ya i l di 1 1 c r e a s et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t 1 1 eu 1 1 i t e d w 1 1 e a t s t o n eb r i d g ew 鹤a d o p t e d t h em o r em i c r 0c h 锄e 1w i d t hw a s ，t h em o r es e n s t i v e m i c r o n o ws e n s o rw a s h o w e v e r ，m et e s tr a n g ew a sr e l a t i v e l yr e d u c e dw h i l et h em i c r 0c h a m l e l 、) l ，i d t hw a sn a r r o 、 ，e d k e yw o r d s ：m i c r o l i q u i df 1 0 ws e n s o r ；p tt h i nf i l m ；p d m s i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：必趔当益汹趑毖；拯巡茎翻窒 作者签名：盘! 】避日期：2 塑!年_ j 生月且日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 垫啦型煎避堑丝迪丝丝缝 日期：圣塑! 年一j 土月王日 日期：三12 年旦月二主一日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的提出 流量参数是工业生产过程、科学实验和各种经济核算中必需的参数，流体流量的测 量及控制在工业生产过程中占有十分重要的地位，尤其在热电厂、石油、矿山、冶金、 航空、机械、医疗器械等领域显得尤为重要。准确快速的流量测量对于保证产品质量， 提高生产效率，节约能源，减少污染，促进科技的发展都有很重要的作用。由于流体 性质的不同，流动条件的复杂性，以及测量机理的多样性，流量测量装置种类繁多，发 展迅速。流量传感器的稳定性、精度、适应工作环境的能力、智能化水平和性价比等性 能指标，极大地影响着社会各行各业的发展。 近些年来，随着精细化工行业和生物医学分析的发展，医学、制药、分析仪器和分 子生物学等领域对微流量的测量和控制要求越来越高，传统的流量测量装置已很难满足 要求。随着微电子工艺和m e m s 技术的日趋成熟，在硅片等材料上制作出的微流量检 测系统，可以实现微流量的检测及控制【l 】。因此，研制出满足工业、医疗、生物等领域 应用的微流量传感器，是十分需要和迫切的。 1 2 液体微流量传感器的国内外研究现状 流量传感器可以分为气体流量传感器和液体流量传感器。按工作原理又可大致可以 分成两类【2 】：一类是动量型，依靠测量流体的动量特性，其敏感元件以机械类传感部件 为主，可细分为流体压力冲力式、压差式、涡轮式或旋转式；另一类是传输式，依靠测 量流体的传输特性，大致分为热式( 利用流体的热传输特性) 、电磁式( 利用带电流体中的 带电粒子在磁场中的运动特性) 和超声波式( 利用流体传输超声波时所引起的传输时间 差特性或多普勒效应) 。 2 0 世纪8 0 年代以来，微电子技术和m e m s 技术发展迅速，为制作微流量传感器提 供了有利条件。自从1 9 7 4 年v a i l p u t t e n 和m i d d e l h o e k 首次利用标准硅技术制作出第一 个硅流量传感器之后，硅基流量传感器技术已受到了极大的关注，其应用领域也逐渐渗 透到汽车制造业、农业、生物医学等各个领域【3 j 。 热式流量感器较其它传感器发展更为迅速，并得到广泛的运用。目前，硅热流量传 感器已经发展细化成基于3 种工作原理、5 种工作方式的小家族。相应的敏感元件从最 初的p 型扩散电阻到今天的薄膜型p 型多晶硅和n 型多晶硅热电堆；电路结构由最初的 惠斯通电桥发展成为今天的包括a d c 在内的复杂集成电路；采用的工艺从最初的双极 基于p d m s s i 的液体微流量传感器研究 型工艺发展到今天c m o s 和m e m s 工艺相结合；器件功能也从_ 维测流速的单一功能 到今天的三维单芯片的多功能化( 可同时测量流速、流向、速度、压力等) 【4 】。 表1 1 简述了l 沁m u s s e n 和z a g l l l o u l 等人【5 1 总结的从1 9 8 7 到1 9 9 7 年这1 0 年中出现 的几种典型的硅基热式流量传感器，并给出其检测电路、工作模式 选用器件，以及该 传感器的应用范围。 表1 1 硅基流量传感器回顾 t a b 1 1s i l i c o nm a c h i n e df l o ws e n s o rs u m m a 巧 国内外关于此方面的研究不断扩大和深入。下面介绍几个有特色的应用比较广泛的 流量传感器( 包括气体和液体) 。 大连理t 大学硕+ 学位论文 1 9 9 4 年，f m a i l y 等人闸采用铂薄膜电阻做为热敏元件，并将热敏元件镀在绝热薄 膜上，将硅基片刻蚀出悬臂粱结构( 如图l1 所示) ，有效提高了传感器的灵敏度。他 们还测试了气体在不同流态时( 层流和湍流) 的灵敏度，并进一步分析灵敏度变化的原 因。 圈ii 悬臂结构气体流量传感器 f 嘻i lt 叩v e w o f m i c 嘶引暮a sn o w 辩n s o r i 9 9 5 年，清华大学的邓岳等人f 1 研制的半导体热式流速流量传感器选用恒功率 型工作模式多线式模型。其加热器和热敏器件由同一硅片上的共阴二极管( 热电子类) 构成。传感器件属于平板结构( 叩不处于流场中而是与壁面平贴) ，采用微晶玻璃衬 底作热隔离层，测量气体速度范围为0 6 0 l i l ，s 。该系统的优点是结构简单，成本低，功 耗与流速问的线性度较好。缺点是芯片尺寸大，微晶玻璃衬底的绝热性较差，导致静态 功耗大流速大时灵敏度下降。 1 9 9 6 年，s 把n 触h d n 等人1 提出了如图1 2 所示的两种结构图12 ( a ) 为悬臂梁 硅片结构，图1 2 ( b ) 为硅杯式硅片结构。该结构具有高灵敏度( 7 0 0 m v 可测出2 7 r n 悖 的气体) 、低功耗( 8 m v 即可加热到5 5 k ) 和低响应时间等优点。 乒世竺：一a p h n 肼 。廖翠谰 图l2s n f 柚硅基热温差式气体流量传感器 f 1 l is 咖血ss m 洲m a c h i n c d m e 皿mg a sn o 蚶 基于p d m s 一郅的液体微流最传感器研究 2 0 0 1 年，东南大学微电子中心采用c m 0 s 技术制作了热温差式气体流量传感器 芯片，如图1 _ 3 所示。在1 0 0 3 4 0 p m i n 范围内，输出信号与流速呈线性关系。热敏 元件采用a 邯型多晶硅热电偶，绝缘薄膜由s j 3 w s i 0 2 s i 3 n 4 多层薄膜组成。 ! 翌一 - 鱼a - h i n f n i _ ；叫( ( 二 日攀u 图l3 东南人学设计的c m o sm e m s 的微气体流母传感器 f 罾l3 c m o sg a sn 朗s o rd e s i g n e db y s o u m 盯e 科u n l v e n 时 2 0 0 3 年，k 妇等人l ”岍制出一种可以同时探测流动方向及流量大小的环形硅基热 式流量传感器，如图14 所示。传感器测量流体方向的原理是：通过测量4 个温度传感 器输出的温度变化值，实现流动方向的探测。传感器探测流动方向最大角度误差为5 。， 速度误差不超过0 5 r n ，s ，功耗为8 0 m w ，整体尺寸3 n l i i l 3 m m 。 s 她 h 墅鼬 b - 蝻 一 图l4k h 硅热差式气体流量和方向传感器 f i 垂l4 k i m ss i l j c o n m e m a ig 鲢n o w 锄dd i 眦t ；o n n 钟r 2 0 0 4 年，n s a b a k 等人设计了如图15 所示的微气体流量传感器，他们在硅杯上 设计了一个加热器和6 个对称的温度传感器。经过标定，分别选用3 纽传感器测试不同 范围的气体流量，不仅提高了芯片的精度，还扩大了气体测量的范围。 大连理工大学硕士学位论文 蓄i 蕞萱 图l5ns 曲搬硅气体热温差式流量传感器 f i g 15ns a b m e s m u l l i r a 岵e m 越h i n e d g 站n o w s 蚰s o r 2 0 0 4 年，席文柱等人【0 1 采用廉价镍铬台金和金属镍，分别制作出薄膜电阻微加热 器和温度传感器，并与石英微流道共同组成微流量传感嚣如图l6 所示。测量范围在 l o 8 0 0 l ，m 岫之间。 图i6 席文柱微流量传感器的s e m 照片 f j gi6s e m p h 咖o f x i s m i c m n o w 耻n s o f 2 0 0 4 年，b o s c h 公司【”1 研制出h f m 5 结构的热膜式空气流量计，传感器结构及控 制电路原理图如图1 7 所示。大众公司生产的绝大部分车型都使用此款流量计。 钔电日暑 茸厦时e 知札 图i 7h f m 5 的传感器结构以厦电路原理图 f 9 1 7 h f m 5 s 赞n s o rg 呲t u 僻锄d 州n c i p a l h c m 砒i co f c o t i o lc i f c u j t 基于p d m i 的液体微流量传感器研究 2 0 0 5 年，c a 肿e n kmf u n g 等人1 1 5 1 研制了碳纳米管微流量传感器如图18 所示。 他们用碳纳米管取代了传统的硅基底其功耗极低，仅为传统硅基流量传感器的l 凸， 且价格便宜。 瞄l8 碳纳米管流量传感器 f i g l3p h 吨r a p ho f an o rc h i p ”油m w n ts e n s i n gc 1 啪e m 2 0 0 7 年，m 蹦k s a 等人利用埋层沟道技术制作了微流量传感器，如图19 所示。 该传感瓣的优点在于集成度高，测量精度高：缺点是工艺繁琐，且对工艺精度要求高。 闰l9md u b m 制作的微流量传感器 f j 9 1 jp h o t o g r a p h o f m i c n o w 辩n 钟r f a b n c m e d 时md u k s 竹a 2 0 0 7 年，余柏林等人”7 1 采用较为传统的工艺手段制作微流量传感器，在信号采集 电路中采用了两个联合的惠斯通电桥组成( 如图l1 0 所示) ，叠加后的信号明显变强一 测试量程也得到了拓宽。 火勰工大学硕士学位论文 三节 一；焉 ；心；r i i i i i 圭恐；凡；月 _ _ l j _ j o 、一 l 。t 图l1 0 余柏林等人设计的传感器芯片结构豳以及输出电路原理图 h g l l oc h i ps n 咖m d o 唧u i c i 删“州i 妒l 辩i i e m n ko f f h w 蝴黼f 捌c a i e db y y u 2 0 0 7 年，m i n a k 0 1 研等人1 1 q 利用玻璃取代硅作为衬底( 如图1 1 l 所示) ，不用 制作多层绝缘薄膜，减少了工艺环节，降低了成本。 c 瓶血$ n l m 纠l ；豫d h h 口蝴m ： 恤洫f d 一 图1 1 lm i n 如制作的微流量传感器芯片的截面图 f i g i 1 lc r n 蚰c t i o n o 九i i e m i c m f i d w 辩n s o r c h j p f a b t e d 埘m j n a l c o t 咖 随着集成电路技术的高速发展和微机械加工技术在传感器领域的广泛应用，热流量 传感器必将随之向前发展，其犬体发展趋势可以归纳为： ( 1 ) 多功能化 在同一芯片上制作出采取多种测量原理的传感器，对不同流体进行分别同时检测， 制造出多功能流体流量分析系统。 ( 2 ) 集成化 将信号处理控制电路与流量传感器集成在同一芯片上构成集成流量传感器，不仅可 以实现微型化、数字化，而且会大大提高其整体性能，减少系统功耗。 ( 3 ) 智能化 由于集成化与多功能化的发展，促使硅热流量传感器进一步向智能化的方向发展。 吾 基于p d m s s i 的液体微流量传感器研究 相信在不远的将来，应用m e m s 技术与s o c 技术构建起来的“智能化”流体分析、 控制系统即将问世，人类对流体的认识和利用必将会达到一个新的高度【2 9 删。 1 3 本文的主要工作 在微流体芯片发展的初期，借助于成熟的半导体技术，玻璃和硅材料成为制作微流 体芯片的首选材料。但是，随着研究的不断深入，两者都表现出了不同程度的局限性： 硅属于半导体材料，强度和散热性好，但绝缘性和透光性较其他材料差，不能承受高电 压，与光学检测技术不兼容，且不耐酸碱、易碎、深度刻蚀比较困难；玻璃材料无论是 从物理性质还是化学性质来讲，都非常适合于微流体芯片的制作，这是因为玻璃有一定 的强度和良好的散热性，透光性和绝缘性也较好，但其制作工艺复杂，深度刻蚀困难， 键合温度高，键合成品率低。本文权衡了两者优缺点之后，采用工艺相对成熟稳定的硅 作为加热器及传感器的衬底材料，微通道部分则采用价格便宜、加工制作简单的p d m s 新型高分子聚合物材料。 本课题利用微机械加工技术，制作热温差式液体流量传感器，主要包括芯片制作和 电路控制显示两大部分。其中，芯片是由集成了加热器和温度传感器的硅芯片和带有微 通道的p d m s 厚膜两部分组成，电路控制显示部分实现对微加热器的加热控制，并检测 温度传感器的温度值，最终实现液体流量的实时检测及显示。 具体的工作研究如下： ( 1 ) 利用a n s y s 分析软件，完成基于m e m s 技术的液体流量传感器的最佳设计， 使整个系统的布局合理，便于制作、分析和使用。 ( 2 ) 在薄硅片上制作微加热器和微温度传感器。 ( 3 ) 制作带有微通道的p d m s 厚膜衬底。 ( 4 ) 将两部分芯片进行键和。 ( 5 ) 设计并完成以f p g a 为核心的外围控制电路，用以控制、检测加热器和温度 传感器。 ( 6 ) 在组建好的系统上，测试芯片的工作性能；并与p c r 芯片连接，测试微流量 传感器的实用性。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 流量传感器工作原理及姬m s 技术简介 2 1 流量传感器分类 ( 1 ) 差压式流量传感器 差压式流量传感器生产历史较长，应用十分广泛，生产己标准化，种类也很多。如 孔板、音速喷嘴、均速管、文丘里管等气体流量传感器。差压式流量传感器工作原理是： 当流体流过内置于管道中的节流件时，其前后会出现一个与流量有关的压力差值，通过 测量压差值就可获得流量值。其特点是节流件的加工精度高，安装要求严格，其前后必 须有足够长的直管道，保证流体流态稳定；流体压损大：对低流速流体产生的差压小， 误差增大；不适于脉动的流体测量。 ( 2 ) 涡轮式流量传感器 涡轮流量传感器是近3 0 年发展起来的速度式测量仪表。其工作原理是：将涡轮置 于被测流体中，流体流动冲击涡轮叶片转动，涡轮的转速与流体的流量成正比。通过磁 电转换装置将涡轮的转速转换为相应的电信号输出。涡轮流量传感器具有测量精度高、 测量范围广等优点。但是，由于涡轮必须安装在管道内，对被测流体的清洁度要求较高， 流体的温度、黏度、密度对测量精度影响较大，转动部件会带来轴承的磨损，影响传感 器的使用寿命。 ( 3 ) 电磁式流量传感器 电磁流量传感器是随着电子技术的应用而发展起来的新型流量仪表，现已广泛应用 于各种导电液体的流量测量领域。根据法拉第电磁感应定律，导电的液体通过测量仪表 流动，相当于导体通过磁场作切割磁力线的运动，由此感应出电动势e ，这个电动势与 平均流速成正比。电磁流量计原则上不受流体的温度、压力、密度和黏度等影响，且管 道内部无阻挡部件和活动部件，不会改变流体原来的状态，流速范围在0 1 0i 眺均可 应用，适合于易燃、易爆、腐蚀性强的介质。但是，它在某些方面也有局限性，被测介 质必须是导电液体，电导率大于1 0 3s m ，不能用来测量铁磁性介质的流量，信号易受 外磁场干扰。 ( 4 ) 超声波式流量传感器 超声波流量传感器是依据超声波在流体中传播时会载带流体流速信息的原理，适用 于两相流流体测量。其优点为非接触测量，无压力损失；缺点是准确度不高( 约2 ) ， 成本高，结构复杂。 ( 5 ) 热式流量传感器 基于p d m s s i 的液体微流量传感器研究 热式流量传感器为流量计量带来了一场革命，实现了直接测量流体质量流量的目 的。它利用传热学和流体力学理论，采用热平衡原理，建立热敏元件热量损失与流体流 速、质量流量之间的函数关系，从而获得流体流速、流量。热式流量传感器主要有热线 式、热敏电阻式、半导体集成电路式等多种。半导体集成电路式热流量传感器的测量原 理主要是依靠传感器与流体间的热相互作用，按其敏感元件的工作原理又可将其分为热 损失型、热温差型和热脉冲型。 2 2 热温差式流量传感器工作原理 热式流量传感器是以托马斯提出的“流体的放热量或吸热量与该流体的质量流量成 正比的理论为基础，利用外热源对传感器探头加热，流体流动时会带走一部分热量，使 探头温度改变，从而建立了热敏元件热量损失与流体流量之间的函数关系，通过检测温 度信号的变化，从而得出流体流量，目前主要有热损失型和热温差型两种。 ( 1 ) 热损失型流量传感器 热损式流量传感器又称为热线式流量传感器【1 9 捌，可以工作在恒功率或恒温两种方 式下。通常在芯片核心部分制作一个加热器( 或附加一个温度传感器) ，在恒功率方式 下，流速变化引起加热元件温度发生变化，通过测量温度的变化来反映流速的变化。在 恒温方式下，若流速增加则流体会带走加热器的部分热量，为保证加热器温度不变，通 过反馈方式提高加热功率，以补偿流速加大所带走的热量，此时流速便与补偿的电信号 之间建立了联系。后者通常比前者具有较快的响应时间和较小的漂移。由于热边界层的 存在，此类传感器的输出信号正比于流速的平方根。热损失型流量传感器存在交叉敏感、 热紊乱大、抗污染腐蚀能力差等缺点，从而限制了它的进一步发展【2 。 ( 2 ) 热温差型流量传感器 热温差式流量传感器又称为热分布式流量传感器田】。通过测量因流体流动引起加 热器两端温度非对称性的变化量，可确定流体的流速。它通常在也在芯片核心部分制作 一个加热器，在加热器两端等距离处各放置一个温度传感器。当对加热器施加电压，形 成对称于加热器的温度场分布。在静止的流体中，加热电阻两边的温度呈对称分布；当 有一定流速时，由于强迫热对流效应使对称的温度平衡被打破，即热量被流体带走，在 加热电阻的上游存在冷却效应，而下游温度增加，上下游便形成了温度差，流速越大， 温度差越大，通过标定即可确定流体的流速。热温差型流量传感器兼容性好，精确度高， 已成为研究的热点。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 1 热量传递方式 凡是有温度差的地方，热量就会自发地从高温物体传向低温物体，或从物体的高温 部分传向低温部分。因此，热量传递是自然界和生产过程中一种非常普遍的现象。热量 传递有三种基本方式：导热、对流及热辐射。自然界中所有的热量传递过程，都是这三 种方式的不同组合。 ( 1 ) 导热 热传导可以定义为：完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间，由于温 度梯度而引起的内能交换。热传导遵循傅里叶定律【2 3 】： ：九a 堕( 2 1 ) d x 式中，西为热流量，即单位时间内通过某一给定面积的热量；九为比例系数，为传导率 或导热系数，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反；a 为热量通过的平面面 积：t 为温度。当温度t 沿x 方向增加时，车 o ，而 2 g ，3 时( g ，为葛拉晓夫数) ，自然对流的传热就可忽略。因此，薄膜 电阻的热耗散仅考虑强迫对流传热，公式( 2 4 ) 可以改写为： 9 = q 詹 ( 2 5 ) 设瓦为表面温度，绕为芯片表面积上增加的热量，则表面的瞬态热平衡方程为： 仰a 等吡。i 等+ 刮+ q 一绯 眨6 ， 式中，风、g 、忽分别表示感温芯片材料的密度、热容量与热传导系数；f 表示时间。公 式( 2 6 ) 左侧表示芯片表面热量的积累，右边第一项表示芯片表面热量的再分布。 如果保持热源的温度及耗散功率一定，也即芯片的平均温度不随时间变化，则式( 2 6 ) 中的热量积累项p ，c ，伪等= 0 0 对一维方向敏感的流量传感器，因瓦、9 。、纵等与坐标轴z 无关，只与坐标轴x 有关，则式( 2 6 ) 可以简化为： t d 争= 鲰一骁 ( 2 7 ) 流体与受热物体表面因对流换热而损失的单位面积上的热量9 为： li ； 缘砘向乙吲3 ( 2 8 ) 式中，七，表示流体的热导率，伐表示流体的热扩散率，仪。为一常数，f 表示流体的内摩 擦力，p 表示流体的动力粘度。 因为芯片的平均温度一定( 在忽略传导和辐射损失前提下) ，则芯片表面产生的总 热量等于总交换热量，即： 盯q 凼= ，f 鲰凼 ( 2 9 ) 基于p d m s s i 的液体微流量传感器研究 q ： 协出 s 。t ( 2 1 0 ) 瓦= 荔陟l + c 弦 式中：k t 砜t 冕。斟，c 为积分常挚则流量产生的温度差： 删删寺剖爵笳乏。 眨 令蛳，= 到爵k = 笤，则枷2 刑表示为： 峨= 去c g ) 圾。 ( 2 1 3 ) 式中，k 描述受热测量芯片表面的热阻，c ) 描述流体密度对热交换的影响。 对于层流边界层流体( l 锄i n a rb o u i l d a 巧一l a y e ff l o w s ) 有： to c 形；( 2 1 4 ) 所以有： 五2 = 砭o j ( 2 1 5 ) 即温度差与流量的平方根成正比【2 4 】。通过理论计算可以看出，放置在加热器两端对 称位置的温度传感器的温差，取决于流体的流量【2 翻。当流量为零时，温差的大小为零； 气体流量越大，温差也就越大。但是，由于流量和温度差存在平方根关系，当流量达到 一定数值时，温差的改变量减小，即达到了流量传感器的最大可测量值。 上述热温差式传感器的热分布原理，为流量传感器的设计提供了理论依据。 2 3m e m s 技术简介 微机电系统( m i c r 0e l e c 仃om e c i m l i c a ls y s t e m s ，m e m s ) ，即微电子机械系统， 大连理工大学硕士学位论文 是利用集成电路制造技术和微加工技术，把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电 路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。微系统具有微型 化、集成化、智能化、成本低、性能高、可以大批量生产等优点，已经广泛应用与仪器 测量、无线通信、能源环境、生物医学、军事国防、航空航天、汽车电子以及消费电子 等多个领域，已经并将继续对人类的科学技术、工业、军事国防和经济领域产生深远的 影响。 微系统或m e m s 包括多个功能单元，涉及学科和应用领域十分广泛。根据组成单元 的功能不同，m e m s 大体可以分为微型传感器、信息处理和控制电路、微执行器件三部 分；根据应用领域不同，将m e m s 应用于无线通信、光学、生物医学、能源等领域，就 分别产生了r fm e m s 、o p t i c a lm e m s 、b i o m e m s 和p o 、v e rm e m s 等。实际上，几乎 所有领域的微型化都会产生对应的m e m s 分支方向【2 9 1 。 m e m s 多样性和复杂性的特点，很难给其一个准确的定义。一般来说，它具有以下 几个比较明显的共同特点： ( 1 ) 结构尺寸微小。m e m s 技术制作的器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、 谐振频率高、响应时间短。 ( 2 ) 多能量域系统。能量与信息的交换和控制是m e m s 的主要功能。由于集成了传 感器、微结构、微执行器和信息处理电路，m e m s 具有了感知和控制外部世界的能力， 能够实现微观尺度下电、机械、热、磁、光、生化等领域的测量和控制。 ( 3 ) 在m e m s 范畴内，经典物理学规律仍然有效，但影响因素更加复杂和多样。物 理化学场互相耦合，器件的表面积和体积比急剧增大，使宏观状态下忽略的与表面积和 。距离有关的因素跃升为m e m s 范畴的主要影响因素。， ( 4 ) 集成化。可以把不同功能、不同敏感特性或制动方向的多个传感器或执行器集 成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起， 形成复杂的微系统。可以简化系统、降低噪声干扰、提高信号处理能力。 m e m s 技术经过数十年的发展，己取得了很大的进展。微加工技术在逐渐向多样 化发展的同时，也在逐步向几个工艺平台统一的方向发展，特别是在传统应用领域。然 而，m e m s 包含机械结构的特点决定了其有明显的特异性和多样性，使得m e m s 目前尚 没有像集成电路那样的通用设计和制造标准，设计和制造还无法分离，这使得m e m s 难 以重复集成电路的发展历程，当能够采用标准代工并解决好复杂的分析设计问题以后， 广阔的应用领域将促使m e m s 成为将来重要的经济增长点t 2 9 】。 基于p d m s s i 的液体微流量传感器研究 3 微流量传感器的设计与制作 3 1 微流量传感器设计 3 。1 1 微流量传感器结构设计 本文设计的微流量传感器结构截面图如图3 1 所示。该结构没有采用传统的s i 3 n 4 一s i 0 2 多层绝缘膜做为横膈膜，而是直接将基片做为横膈膜，避免了制作多层薄膜的繁 琐工艺，降低了成本。 环境 上游温度传感器微加热器下游温度传感器 图3 1 微流量传感器结构示意图 f i g 3 1 s k e l e t o nd r a w i n go f 竹i em i c r of l o ws e n s o r 为了验证结构的可行性，采用a n s y s 软件中的f l o t 州c f d 对设计结构进行了 热流耦合的模拟验证。由于二氧化硅膜的厚度相对与硅片的厚度可以忽略不计，在建模 时没有把二氧化硅薄膜放在模型中。选用f l o t 凡气n 中的f l u i d1 4 2 可对三维模型进 行热流耦合。 为了确定微流量传感器的最佳结构尺寸及加热器的加热温度，对不同硅基厚度及不 同的加热温度进行了模拟。假设水作为流体，在结构模型中雷诺数不到2 0 0 ，意味着流 体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈 层流流动状态。环境温度设为2 0 ，并假设水流温度和环境温度相同，系统采用的材料 参数如表3 1 所示。 大连理工大学硕士孝位论文 表3 1 材料参数设置 t a b3 lt h e m a 慨训p m p c n i e s 硅水 密度2 3 2 0 k g 一 9 9 97k g m 轱度 一 1 3 1 1 0 p a s 热导卑1 4 8 、w ( m l ( ) o5 8 7 w ( m i ) 比热 7 0 0j ，( k gk )4 】9 5j ( k g k ) 基片厚度w 设定为0 2 帆，加热温度t 设定为8 0 时( 如图3 2 所示) ，流体速 度为0 时，加热器两边的温度场成对称分布；当流体速度达到0 0 0 1 m s 时温度场向 下游方向偏移下游的温度比上游对称位置要高，流速越大，这种不对称性越明显；当 流速增加到一定程度时，温度差增加的趋势变缓，尤其是远端更为明显：当流速达到 1 m s 时，己明显超出了可测范围。 a ) v = o f n b ( c ) v ；0 o lr n 扛 o 日m in 山v = 0 1 m 压 0 ) v _ lr n b 图32 基片厚度为m2 舢，加热温度为8 0 不同流速对应的热场分布 f 嘻32 t l i c 邢a 州b m i o nc 帆s p o d i n g 协d i 艉嗍tv e l 畸w - i h t - ，、间2 m m 基于p d m s s 1 的液体微流量传感器研究 基片厚度w 设定为0 2 m m ，加热温度t 设定为6 0 ，当流速为0 时。加热嚣两边 的温度场成对称分布；当流体速度达到0 0 0 l m s 时，温度场开始向下游方向偏移( 如 图33 所示) ，偏移量与加热温度为8 0 时差别不大：当流速达到00 1 耐s 时，距加热 器远端处的温度差小于加热温度为8 0 时的差值，远端趋于饱和的速度也变缓，相应的 可测范围将得到拓展。 f b ) v = 0 0 l m b ( c ) v ：0 1n 体( d ) v = l m 居 图33 基片厚度为o2 m m ，加热温度为6 0 不同流速对应的热场分布 f 酶33 t h e 山州n a l d 心i b m ；0 nc o m s p o d l n g t o d 埘晰mv e l o c 畸w j i h t ：6 0 ，w = 0 1 m m 基片厚度w 设定为0 4 m m ，加热温度t 设定为8 0 时( 如图34 所示) ，由图q j 可以看出，由于基片过厚，低流速环境下流速大小对于温度场的影响很小，不适合测 量微流量。 ( a ) v = o0 0 1n 曲m 1 v = 0 0 1 m a 图34 基片厚度为04 m m ，加热温度为8 0 不同流速对应的热场分布 f 谵34t h e 曲e 珊甜d i s l r i b m ；o n c o n 黜p o d i n g 协d i 位r e m v e l o c 时w 陆t = 8 0 删4 m m 人连理工大学硕士学位论文 基片厚度w 为0 1 m m 、加热温度t 为8 0 时不同流速对应的热场分布如图35 所示。此时，由于基片很薄，温度对流速的响应变得特别灵敏。与前面几组模拟结果相 比较可以看出，在相同流速下，加热器两边对称部分的温度差明显大于较厚基片的温度 差，但是，远端趋于饱和的速度也加快，导致可测范围缩小。 ( a ) v ；0 l m 旭 f c ) v = 0 lr 以 0 ) v = 0o l m m v - i m 圈35 基片厚度为0i m m ，加热温度为8 0 不同流速对应的热场分布 f 谊35 t h 山e m 鲥d i 州b i o nc o r r e s 叫吨协d 腑e m l o c 时w i 血t = s o ，w ；0 1 m m 综上所述，可以看出 ( 1 ) 基片厚度越厚， 用来制作微流量传感器。 ( 2 ) 基片厚度越