（微电子学与固体电子学专业论文）新型非热式流速流向传感器的研制.pdf

摘要 本论文首次提出了一种基于电容测量原理和阳极键合技术的二维流速流向传感器，对该 传感器的性能指标进行了理论计算和a n s y s t m 有限元模拟，为该传感器设计了一套加工方 案。实际加工结果表明该方案切实可行，测试结果表明传感器达到了设计指标。 相对于目前广泛应用在风速计等领域的传热式流速流向传感器，本文所述的电容非热式 传感器的主要优点有：功耗小、没有热传导带来的测量误差、电容测量的温漂小、响应时间 短并可以应用于一些对加热有限制的场合。 相对于现有的非热式流速传感器，本文所述传感器的主要优点是可以在测量流速的同时 实现二维流向的测量。 本传感器的原理是：通过支撑梁结构，将流体对结构的压力转化为结构的位移，再通过 检测四组正交电容间距的改变来获得结构的位移值，从而获得流速和流向信息。 传感器的加工方案基于阳极键合、c m p ( 化学机械磨抛) 和i c p ( 互感耦合等离子刻蚀) ， 在硅和玻璃的键合界面有空腔以及金属引线的存在。 为了使这套工艺能够成为一套通用工艺，适用于其它类似结构的加工，本文研究了该工 艺和现有成熟工艺不同之处给加工带来的影响并提出了一些解决办法。本文研究了i c p 刻蚀 造成的空腔和金属引线对阳极键合的影响，同时也研究了阳极键合所加的温度和电压对金属 引线的影响。实验证明，空腔和台阶对阳极键合的影响相当小，同时阳极键合的条件对金属 引线的影响也可以通过改变工艺温度来加以控制，并且带有空腔的键合硅片能够承受c m p 磨抛。 传感器的结构尺寸为6 m i n x 6 m i n x 0 1 2 m m 。测量得到的零点电容为2 4p f 。结构电容变化 情况良好，理论值和测量值的误差小于9 。 关键词：流速传感器，流向传感器，m e m s ，阳极键合，电容 a b s t r a c t b a s e do na n o d i cb o n d i n ga n dc a p a c i t i v es e n s i n g t h ef i r s t2 dn o n - t h e r m a ls i l i c o nf l o ws e n s o r w h i c hd e t e c tb o t ht h ef l o wv e l o c i t yf r o ml m st o2 0 m sa n dt h ed i r e c t i o na n g l eo f3 6 0d e g r e e si s i n t r o d u c e d t h e s e l 蟠o rh a sb e e n t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y v e r i f i e d af e m s o f t w a r e a n s y s t mi su s e d af a b r i c a t i o np r o c e s si sd e s i g n e d f o rt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e p r o c e s si sp r o v e dt ob eav a l i do n e c o m p a r e dw i t he x i s t i n gt h e r m a l f l o ws c h o o l sw h i c ha r ew i d e l ya p p l i e di nm a n yc a s e s ， e s p e c i a l l yi nw i n dm e a s u r i n g ，t h i sn o n - t h e r m a ls c n s o rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a sl o wp o w e r c o n s u m p t i o n , r a p i dr e s p o n s e 1 i t t l em e a s u r e r u o n te t r o ra n dl o wt e m p e r a t u r ed r i f tb e c a u s eo fi t s n o n - t h e r m a lm o d e i na d d i t i o n ，t h i ss e n o rc o u l db ea p p l yi ns o m eo c c a s i o n sw h i c hh a v er e s t r i c t i o n s o nh e a t i n g c o m p a r e dw i t he x i s t i n gn o n - t h e r m a lf l o ws e n s o r s ，t h ep r i m a r ya d v a n t a g e i st om c a s b r e s y n c h r o n o u s l yb o t hv e l o c i t ya n dd i r e c t i o n 1 1 1 ep r i n c i 口l eo ft h es e n s o ri sa sf o l l o w s ：v i at h ed e f l e c t i o no fag r o u po f “s p r i n g l i k e ”b e a m s ， t h ef l u i dp r e s s u r ec a nb et r a n s f o r m e dt ot h ed i s p l a c e m e n to f t h es t r u c t u r e b ym e a s u r i n gt h ec h a n g e o f f o u ro r t h o g o n a lc a p a c i t a n c e s ，t h ef l o wv e l o c i t ya n dd i r e c t i o nc a l lb ec a l c u l a t e d t h ef a b r i c a t i o np r o c e s si sb a s e do na n o d i cb o n d i n g ，c m p ( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h ) a n d i c p ( i n d u c t i v ec o u p l e dp l a s m a ) t h e r ea r es o m ec a v i t i e sa n dm e t a l l i n el e a d se x i s t i n gi nt h eb o n d i n g i n t e r f a c eo fs i l i c o na n dg l a s s f o rp r o m o t i n gt h i sp r o c e s st ob eau n i v e r s a lp r o c e s st os o m es i m i l a r s t r u c t u r e s h o wi st h i sp r o c e s sb ei n f l u e n c e db yt h ed i f f e r e n t sb e t w e e no t h e rf u l l - d e v e l o p dp r o c e s s a n dt h i sp r o c e s si ss t u d i e d f u r t h e r m o r e ，s o m es o l u t i o n sa r ep r o p o s e d b yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h ei n f l u e n c eo fc a v i t i e sa n dl e a d sc a nb ei g n o r e d l i k e w i s e ，t h ei n f l u e n c et om e t a l l i n el e a d sb y b o n d i n gc a na l s ob ec o n t r o l l e dt h r o u g hc h a n g i n gt h eb o n d i n gc o n d i t i o n t h eb o n d e ds t a c k o f s i l i c o n a n dg a l s sc o u l da f f o r dt h ep r e s s u r eo fc m p w i t l l2 4p fo fi n i t i a lc a p a c i t a n c e ，t h es e n s o ri s6m mi nd i a m e t e ra n d0 1 2m mi nh e i g h t a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o war e a s o n a b l ea g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t s ，w i t ha l le r r o rl e s st h a n 9 k e y w o r d s ：f l o ws e n s o lm e m s ，a n o d i cb o n d i n g ，c a p a c i t a n c e i l 图表索； 图索引 图1 - 1 利用粘滞力来测量摩擦力和流速的器件3 图1 - 2 利用微涡轮的转速测龟流量3 圈1 3 利用压差测量流量的悬臂结构4 图1 4 利用压力传感器改造的流体传感器4 图1 5 利用压降与流量的关系测量流量5 图l 石利用流体升力测量流速。5 图l - 7 利用哥氏力测量流量和密度6 图1 8 皮托管原理流速计6 图2 1 传感器结构示意图9 图2 - 2 传感器俯视示意图一9 图2 3 电容连接方式l o 图2 - 4 传感器工作原理框图l o 图2 - 5 计算分析步骤1 1 图2 - 6 传感器模型1 1 图2 7 流速和雷诺数的关系1 3 图2 8 流速和阻力系数的关系1 3 图2 9 流速和阻力的关系1 3 图2 1 0 流速和压强的关系1 3 图2 1 1 传感器有限元模型1 3 图2 1 2 速度和可动电容极板位移的关系1 4 图2 1 3 角度和可动电容极板位移的关系1 4 图2 1 4 传感器电容的平板电容近似1 5 图2 1 5 传感器电容随流速变化1 5 图2 1 6 不同的传感器结构模型1 7 图2 1 7 不同结构中位移和流速的关系1 8 图2 1 8 结构位移随角度的变化i 1 8 图2 1 9 结构位移随角度的变化i i 1 8 图2 - 2 0 结构位移随角度的变化1 9 图2 - 2 1 传感器工艺方案2 3 图3 1 版图布局及结构单元2 5 图3 - 2 传感器结构单元版图2 6 图3 3 刻蚀过的固定电容极板显微照片2 7 图3 - 4 光刻图形缺陷2 8 图3 - 5 光刻胶显影不尽2 8 图3 - 6 成功光刻后的硅线条2 8 图3 7 刻蚀过凸点的硅片显微照片2 8 图3 - 8 腐蚀失败的照片2 9 图3 - 9 改进工艺后腐蚀情况良好2 9 图3 1 0 十字对准符号2 9 图3 11 数字辅助对准符号2 9 东南大学硕士学位论文 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 - 2 0 图3 2 l 图3 - 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图4 1 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 图5 1 图5 - 2 i c p 刻蚀后的结构显微照片3 0 i c p 刻蚀底部的侧向刻蚀。3 l 用三维显微镜测量槽深。3 l 固定电容极板和可动电容极板的高度差，3 2 玻璃上的金钛引线3 2 金钛引线和硅的接触方式3 3 腐蚀金的瑕疵3 3 键合完成后的硅片显微照片3 3 机械减薄导致的硅片腔体部分破裂3 4 机械减薄导致结构缺失，3 4 金钛引线被高能离子轰击剥离3 5 传感器加工结果照片3 6 传感器加工结果细节照片3 7 传感器$ e m 照片3 7 传感器加工s e m 细节照片3 7 4 0 0 时大面积形成合金4 0 3 5 0 时的键合4 l 温度降低导致键合质量下降4 1 3 2 0 时的键合4 l 有金属引线和无金属引线的键合截面对比图4 2 被灰尘破坏的硅结构4 3 流速和电容输出的关系。4 3 流向和电容输出的关系4 3 图表索弓 表格索引 表l ，l 现有各种微加工流速流向传感器的比较7 表2 1 八种不同的模拟结构“1 6 表2 2 支撑梁和支撑柱的设计尺寸2 0 表2 3 传感器设计量程和灵敏度2 l 表5 1 传感器结构尺寸4 5 表5 2 结构初始电容4 6 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 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了谢意。 研究生签名：亟缉叁 日期：2 q q 2 量2 窆 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 翩4 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 本论文的目标是实现一种非热式二维硅流速流向传感器，并对其实现形式、理论设计及加工测试进行 实验和讨论。本论文首次提出了一种基于电容测量原理和阳极键合技术的二维流速流向传感器，以尝试解 决热传导式流速流向传感器存在的问题。本章对微加工流速流向传感器做大体介绍。1 2 节介绍微流速流 向传感器的发展现状，1 3 节介绍现有的非热式流速流向传感器并对其优缺点进行比较，1 4 节对本论文的 主要工作进行说明。 1 2 流速流向传感器的发展现状 微机械在流体领域有着巨大的应用前景，而用来测量流体的各种性质的微流体传感器是微流体机械的 一个主要应用领域。目前，对流体性质的测量主要集中于流速，流量，流向和摩擦力等几个方面。这些器 件按原理主要可以分为热式( t h e r m a lf l o ws e n s o r ) 和非热式( n o n - t h e r m a lf l o ws e n s o r ) 两种。 v a np u t t e n 等人在1 9 7 4 年发表了第一个基于硅微加工技术的流量传感器【l ”，这个传感器的工作原理 就是基于传热的。发展到目前，基于硅的热流量传感器有三种：i ：作原理，五种工作方式”z j 。目前，硅热流 量传感器的工作原理主要有热损失型( a n e m o m e t e r ) 【l ，热温差型( c a l o r i m e t r i cs e n s o r ) l 4 i , 以及热 脉冲型( t i m eo ff l i g h ts e n s o r ) 【l 。j 。热损失型的传感器一般含有一个单元，其同时作为加热单元和测 温单元，流速的大小和热损失量成一定的函数关系；热温差型一般含有一个加热单元和两个对称的测温单 元，当加热表面被不一致的冷却时，对称测温单元能测晕对称点的温度，其温度著和流速成一定的函数关 系，同时温差的上e 负符号反应流向的信息；热脉冲型则通过测量脉冲在流体中传输速度反应流体的速度。 对于热损失型流速传感器，其测量流速范围大，但不能感知流向；对于热温差型风速传感器，在无输入情 况下输出为零，且能反应流向的信息，但其流速的测量有量程限制“q 。 热式微流晕传感器有很多优点，例如可以实现c m o s 工艺兼容、测量较为简单、工艺容易控制等， 而其中最主要的优点是热式微流量传感器容易实现对流向的测量。经过3 0 年的发展，现在热式微流量传 感器已经占据了主流的位置，特别是在风速计领域。但是，热式微流量传感器也有其固有的缺点。例如功 耗大、衬底的热传导导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长等。另外，因为要对流体加热，所 以熟式微流量传感器在生物技术方面的应用受到了限制。非热式微流量传感器则可以克服上述缺点。 1 3 非热式流速流量传感器 随着微机械加工技术的发展，利用键合技术以及各种新颖的体硅加工技术，人们可以制造出越来越复 杂精细的微结构。为了从根本上克服热式流体传感器的各种缺点，研究者们发表了一些利用非热式原理来 测量流量流速的器件。这些器件的原理各不相同，但基本上都是通过各种方式测量各种和流速有关的力学 量，结合体硅机械加工技术来实现的。 东南大学硕士学位论文 i 3 1 非热式测量原理 在理论上，除了热学的原理，还有很多物理方法可以用来实现对流体性质的测量，例如光学的干涉原 理、声学的多普勒原理，电磁学的法拉第原理、放射学中的同位素示踪法。甚至还有利用数学中的随机过 程的方法。但是，目前普遍应用的是根据流体力学原理得到的一些方法，大部分测量的是一些力学量，例 如压力、压差、浮力、哥氏力和形变等。其中一些已经能使用微机械的方法来实现，还有一些现在还只能 应用于传统的流体测量机械中。 在流体力学中”+ 7 ，对牛顿流体( 所谓牛顿流体，就是流体中切应力与剪切变形成线性关系) 的研究基于 纳维一斯托克斯方程( n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ) ，这是一个用动量描述的二阶微分方程。如果忽略流体的粘 性，那么纳维一斯托克斯方程就降为一阶的欧拉方程( e u l c re q u a t i o n ) ，再考虑不可压缩流体的假设，对欧 拉方程进行积分，就得到伯努利方程( b e r n o u l l ie q u a t i o n ) ： 卫+ 生+ z ：c ( 1 1 ) p g2 9 式1 1 中： p 流体的压强； p 流体的密度； g 重力加速度： “流体的速度； c 常数： p p g 表示单位流体和压强有关的能量，z ，2 2 9 表示单位流体和速度有关的能量，z 表示和流体位置 有关的能量，所以，伯努利方程实际上是一个能量守恒的方程式。这个方程将压强和速度联系起来，而且 微流体机械中涉及的流体绝大部分是满足伯努利方程的不可压缩小粘性牛顿流体。所以大多数的微流量传 感器都是利用这种测量压强或者压差的原理制造的，特别是有固定流道的流体。 流体的流动除了会造成压强的变化以外，同时也会造成一些力的变化。例如作用在物体表面的压力和 作用于物体体积的升力以及由哥氏( c o r i o l i s ) 效应产生的力。通过测量这些力的变化以及这些变化造成的 应力或形变，就可以得出相应流体的性质。对于流体作用于物体产生的压力和升力，并没有一定的计算公 式，因为这和物体的具体形状有关。一般都是依据流体最基本的纳维一斯托克斯方程进行求解【3 】。而哥氏 力的原理则常用于微机械陀螺中：如果一个物体沿一个参考轴振动，那么物体的旋转将会将一部分能量耦 合到另一个轴中，这部分能量的大小取决于振动和旋转的相对强度，用矢量方程表示即为： f ，= 2 m v q ( 1 2 ) 式1 2 中： 只哥氏力 埘物体的质量： 1 ，物体的振动速度矢量； q 物体的旋转速度矢量； 这样，通过测餐流体流动造成哥氏力的大小也可以测得流体的性质。 总的来说，在微流速流向传感器当中用到的力学原理都比较简单，只是常常难以解析计算，需要采用 数值模拟的方法来帮助设计。 2 第一章绪论 1 3 2 非热式硅流速流量传感器 在传统的机械传感器中，对于流体性质的测量是一个较为重要的研究领域。也有许多成熟的器件得到 了广泛的应用。所以，微流量传感器初始的研究方向就是将传统机械传感器的原理用微机械加工的方法来 实现。由于原理上的限制，有一些传统机械器件不能使用微机械的方法进行加工，受到限制的测量原理有： 声学测量、光学测量、电磁测量、浮子测量u 3 j 、风杯和风向标测量等。 声学测量是利用声音的传播速度和媒介的密度和运动速度密切相关的原理，通过测量某几点之间的声 音传播速度来确定流体的运动性质。 光学测量指的是利用激光多普勒效应测量流体运动速度。激光流速仪利用运动微粒散射光的多普勒频 移来获得速度信息。所以，实际上激光流速仪测得的是流体中运动微粒的速度，和流体的速度并不完全一 致。 电磁测量是基于法拉第电磁感应定律工作的，当导电流体切割磁力线运动时，导电流体中就会产生感 应电动势，其大小与流体流量成正比。感应产生的电压由两个水平放置并与流体直接接触的电极检出。这 种流量计要求被铡流体要有一定的电导率和一定的流速范围，它的优点是无节流元件，能量损失小，大流 量灵敏度较好。 浮子测量仪是由垂直安放的锥形管中放置一锥形浮子构成。当流体从底部进入流鼍计，转子上升，转 子和玻璃管之间的节流流道面积增加，节流力度减小，转子上下压强差减小。最后，转子会平衡在某一高 度上，这一高度和流速成正比，测量这高度就可以求得流速的值。 风杯和风向标广泛应用于气象观测中【l 9 】。风向标是一个类似于羽箭的平衡结构。在风的作用下，一个 设计良好的风向标能很快旋转到和风向一致的方向，通过码盘等设施就能很快的读出风向。风杯则是一种 固定在轴上随着风旋转的器件，它旋转的速度由风速决定，通过测量它旋转的速度，就可以得到风速的大 小值。 需要特别指出的是，测量流鼍和流速的原理大部分是通用的，如果是在一个恒定的流道中，一定时间 里的流量信息也可以和流速信息互相换算。所以，制造流量计还是流速计在很大程度上是由应用场合决定 的，而不是原理上有什么限制。 下面，按照测量方式的不同，给出一些现有的非热式微机械流量流速传感器。 1 3 2 1 测量粘滞力 5 峨 上 。r - 图1 - 1 利用粘滞力来测量摩擦力和流速的器件图l - 2 利用微涡轮的转速测量流量 如图1 - l 所示，n g 等人“1 ”报道了一种利用粘滞力来测量摩擦力和流速的器件，一块可动平板悬挂在 四根微梁上，利用流体对可动平板的粘滞力来反映流体流量。他们采用键合和背腔腐蚀的体硅制备工艺， 以便得到这种尺寸精确、应力较小的结构，整个平板结构的尺寸大小为1 2 0x1 4 0 5g m 。当流体从 3 东南大学硕士学位论文 平板表面流过时，它对平板的粘滞力使得上游的压阻受到拉应力，而下游的压阻受到压应力，应力引起的 压阻阻值变化通过电桥产生差分信号。这一微流量计对于粘滞力的分辨率为0 1m n 。1 9 9 5 年，p a n “ 在与a n a l o gd e v i c e s 公司关于微流量计的合作研究中，采用了与n g 相似的原理，他用梳齿结构代替了图 i - i 中的可动平板，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，加上多个梳齿 的存在使得电容变化比较显著，所以这一设计大大提高了传感器的灵敏度。 这种原理的优点是结构和检测电路简单，加工难度也不大。在小流速时，线性度和灵敏度尚可。但这 种原理有几个主要的缺点，因为它要平行于流体方向放置，所以它的原理限制了它在流向测量上的应用， 而且，该原理对于空气之类粘滞系数很小的流体不适用。同时，当流速较大时，粘滞力不起主要作用，所 以灵敏度不佳。 这种测量原理改进的余地较大。特别是在改进其灵敏度方面，虽然由于原理的限制，它不能实现二维 流向的测量，但是这种基本的结构对于微流量计的设计具有参考意义。 1 3 2 2 测量转速 刘刚等人【“2 1 利用l i g a 技术中的同步辐射光刻、微电铸技术和微装配技术，制造了如图1 - 2 所示的微 涡轮流量计，该流量计的工作原理是：微涡轮在流体的作用下旋转，其转速与管道内的平均流速成正比， 在涡轮的齿上镀上反射层，利刚光学方法测得的涡轮转速就可以反映流体的流量。图中微涡轮的高度为 2 3 0 9 m ，半径为2 0 0 “埘，转轴的半径为8 0 a m ，在3 0 - 6 0 0 0 转分钟的转速f 能够平稳转动，经换算， 对应的气体流量量程为0 9 1 8 0 9 l m i n 。 这种器件的优点有：量程比高达1 ：2 0 0 、只要流体满足层流条件，对其它参数( 例如粘滞系数、密度 等) 不敏感、检测电路简单、灵敏度较好，量程尚可，并且因为涡轮的转速还可以提高，量程还可以进一 步增大。这种器件的缺点有：工艺较为复杂，l i g a 工艺加工的难度较大。同时，该结构尚不能分辨出流 向。 1 3 2 3 测量压差 k e r s j e s 等人1 ”】给出了一个如图1 3 所示类似于压阻式微加速度计的结构。流体对悬臂结构的作用相 当于一个弯曲力矩，这一作用导致结构根部应力的变化，位于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，作用在悬臂结构上的力主要是由流体的粘性引起的，这时作用力与流速成正比。当 流速很大时，悬臂结构上下表面压力差导致的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。 f | o w 湖s o r d i a p h r a g m f l o wq 随1 越p r 譬e s s u r e ( _ p i c z o r e s i s t o rs i l i c o nc a n t i l e v e r 图1 3 利用压差测量流量的悬臂结构 4 p i e z o r e s i 啦i v e s i l i c o n 图1 - 4 利用压力传感器改造的流体传感器 第一章绪论 图1 - 4 给出了基于同一原理的利用压力传感器改造的流量传感器【11 4 1 。这是在一个压力传感器的膜片 中间利_ f j 反应离子刻蚀( r i e ) 加工了一个敏感孔，膜片直径尺寸为2 聊研，厚2 0 9 m ，孔直径2 0 0 7 , 7 。同 样的，这种结构也能通过测量流体的压差米实现流量或流速的测量，并且这种结构更易于制造。 这种传感器的优点是简单，并且该传感器结构对温度不敏感，大流速时灵敏度较好，同时，这种传 感器的缺点是小流速时的灵敏度和线性度不好，并且还未能实现方向测量。但是利用这种结构是可以实现 对一维方向的测量的，因为通过对检出电路的设计，结构可以分辨出膜片向上或向下弯曲时压阻的不同变 化。 1 3 2 4 测量压降 o o s t e r b r o e k 等人报道了一种如图1 5 所示的微流量计1 1 “，它的原理是：在层流条件下，流道中的压 降与流速成线性关系，所以流速可以通过测量流道中不同两点的压力差得到，进而可以通过流速求出流量， 或者直接从欧姆定律的等效流体方程就可以求出流量。不同两点的压力可以通过压阻式压力计或电容式压 力计来测得。图示的是利用电容式原理测量。 这种原理的优点是线性度相当好；只要满足层流条件，对其它参数不敏感；采取了硅和玻璃键合来形 成流道，工艺复杂度尚可；大流速时灵敏度很好。这种原理的缺点是：量程不大，这应该可以通过改变流 道的形状等方法改进；只能测量一维流向。 f r o n t a i r f o 订 ，嗽。 久疋一一 j 。i 1 i 懈 图1 - 5 利用压降与流量的关系测量流量 1 3 2 5 测量升力 图l - 6 利用流体升力测量流速 如图1 - 6 所示，s v e d i n 等人 i a 6 i 在1 9 9 7 年成功制各了利用流体升力( l i f tf o r c e ) 来反映流体流量的微 流量计。平板结构被倾斜地置于流场中，结构上下表面流速的不均衡产生压力差，由于结构中部被崮定， 上下表面压力差引起的弯矩将导致结构内部应力变化，最大的应力发生在结构中部的固定轴处，这一应力 变化通过预先制备的压阻产生信号输出。s v e d i n 等人的研究发现，该流量计的输出与流速的平方成正比， 并且，倾斜角在2 0 。时，结构有最高的灵敏度。s v e d i n 等人后来又对其进行了改进l l 1 ”，采用四端固定的 方式使得传感器的灵敏度大增并且响应时间也略有缩短。 这种结构的优点是结构简单，大流速时灵敏度较好，受环境因素的影响小。这种结构的缺点是不能测 量流向，且小流速时灵敏度不好。因为这种结构相当简单，所以，类似结构的改进余地相当大并有实现 流向测量的可能性。 爹 东南大学硕士学位论文 1 3 2 6 测量哥氏力 如图1 7 所示，e n o k s s o n 等人1 1 8 】报道了一种利用哥氏力的原理来实现流量测量的结构。两个对称的 微流体管道在一个平面内互相连接，并通过外加的静电激励使得管道发生平面振动。而流体在管道内的流 动相当于对管道施加了一个角速度，这个角速度将会耦台到垂直于管道平面的方向，使得管道在这个方向 上有轻微的形变，通过光学方法测量这个形变，就可以得出哥氏力的大小，进而求出流速和流量或者流体 密度。 这种结构的优点是测量比较精确，线性度很好，量程也比较大。它的缺点主要有：哥氏力的大小除了 取决于流速以外还取决于流体的密度，而流体的密度又和温度有关，因此需要进行温度补偿；同时腐蚀和 玷污也会对管道内壁有影响；而且这种结构要求有一个对称性较好的，精密的光滑流道，所以，这种结构 对制造过程的精密程度的要求也比较高。 k m p a x i s 图1 7 利用哥氏力测量流量和密度 1 3 2 7 皮托管原理 p t o tt 图1 - 8 皮托管昧理流速计 传统的皮托管测量流速的原理也可以用微机械制造的方法实现i l ”】。如图1 - 8 所示，一个电容式压力 传感器的开口将外界与压力传感器的空腔相连，开口位于流体滞点处。对应于传统皮托管原理所应用的伯 努利方程，腔内的压力是总压，而膜片外的压力就是静压，两者的压差就是动压，动压正比于流速的平方。 测量动压的值也就是测量膜片所受到的压力差，相当于一个简单的差压电容式压力传感器的测量值，从而 测得流速。 这种结构的优点是结构简单，原理可靠，量程大，线性范围大( 作者用压缩空气做试验，直到7 5 r r d s 的风速时，传感器都还在线性范围内) 。这种结构的缺点也很明显：流体作为电容之间的介质，其介电常 数的改变就会影响电容，使得实验测量结果偏差较大；腐蚀和玷污也会对测量结果有影响；因为传感器只 有很小的开口和流体介质连通，所以响应时间会较长；因为原理上的限制，该传感器结构只能测量流速而 无法分辨流向信息。 1 3 3 评述与小结 非热式流量传感器相对于热式流量传感器主要有以下优点：功耗小、无零点漂移、测量方式多样、检 出电路简单、响应时间短等。但是同时它也有几个主要的缺点限制了它的应用：难以实现二维或三维流向 的测量、难以兼顾全量程范围内的灵敏度、设计上普遍较难计算、制造过程难以与标准c m o s 工艺兼容等 等。其中，限制非热式原理应用的最主要缺点有两个：一是不能用单个器件实现同时测量流速和流向，二 6 第一章绪论 是较难以加工。 对于非热式流量传感器本身来说，各种非热式流量传感器各有优缺点，但它们对流速的测量基本都是 把流速的信息转化为力或压强的信息，再检测压强和力或者力带来的形变信息。目前对力的测量有以下几 种原理：压阻、电容、压电、铁电、谐振、隧道效应、光学、压结、可动栅极f e t 等。其中压阻、电容和 压电原理的应用较为广泛，谐振和隧道效应在性能上有很多优点，但在应用上有一定的困难。压阻是最为 简单和成熟的技术，其灵敏度较低，温度效应明显，但对温度效应有成熟的补偿方法。电容式原理也较为 简单，灵敏度中等，基本没有温度效应，但是电容测量的线性度不好。压电原理灵敏度较高，并且压电测 量是直接感应力的变化，但是压电薄膜的制作复杂，压电测量的测量电路也较为复杂。对于力传感方式的 选择和结构的设计应该是结合在一起的。在目前非热式流量传感器发展的现状下，总的原则应该是易于制 造，兼顾灵敏度。 表1 i 给出了现有的微加工流速流向传感器的原理和特点。实际上，非热式流量传感器改进的余地很 大，目前的改进主要集中在提高灵敏度和实现对方向的测量上。改进灵敏度的方法主要有改进对应力的控 制”捌0 2 1 1 和多原理集成上【】。同时，使用力学方式测量方向在触觉传感器【”3 1 等一些领域已经得到了应 用，但是，目前还没有能够同时测量流速和流向的器件。所以，如果能克服非热式流量传感器的几个固有 缺点，非热式流量传感器将会有很广泛的应用前景。 表1 i 现有各种微加工流速流向传感器的比较 类型 原理 灵敏度 量程流向测量温漂制造备注 传热式测晕热损失中等大无大易c m o s 兼容 测量温度差高中等 二维 大易c m o s 兼容 测量热脉冲传输速度高小一维大易c m o s 兼容 非热式测蕈粘滞力低小 一维 中等易温漂由压阻引起 测量压莘中等中等无中等易温漂由压阻引起 测晕压降 高 大一维 小 中等键合j ：艺 测量转速高 大一维 无 难l i g a e 艺 测晕流体升力中等中等无中等中等温漂由压阻引起 测量哥氏力高中等一维小难对j 二艺精度要求高 皮托管原理 中等大无小易键合= 艺 通过对现有非热式流速传感器的分析，发现目前的非热式器件都不能满足流向测量的需要。所以本文 的目标就是设计一种基于非热式原理的传感器米实现流速流向同时测量，并利用较简单成熟的工艺制造该 种传感器。 1 4 本论文主要工作及论文纲要 本论文的目标是通过实验探讨在气象站等设施中以非热式器件取代传热式器件的可能性。针对目前的 各种非热式器件的两个主要缺点：不能测量二维流向和难以制造，本论文提出了一种基于阳极键合和电容 检测的微加工流速流向传感器，为其设计了一套可行的工艺并进行了实际加工。本文首次设计了单一非热 式结构以实现流速和流向的同时测量，并对该传感器的设计进行了理论分析和有限元计算，通过计算不同 条件下的灵敏度，确定了数种结构尺寸进行加工。为传感器结构设计了基于阳极键合和i c p ( i n d u c t i v e l y c o u p l e dp l a s m a 互感耦合等离子) 刻蚀的加工工艺流程并在实际制造过程中不断实践和改进，确定了一套 较为优化的加工方案。对于实际加工的传感器进行了测试并对测试结果进行了分析。 7 东南大学硕士学位论文 本论文纲要如下： 第一章给出了目前流速流向传感器发展的现状，特别是非热式流速流向传感器的现状，综合对比了各 种原理传感器的优缺点并说明了本论文需要解决的问题和本论文的目标。给出了本论文的纲要。 第二章给出了传感器的基本原理并对传感器的设计进行了计算和分析，通过分析不同结构的性能确 定了较为优化的结构参数和尺寸。计算得出了传感器的设计指标。为传感器的工艺加工设计了一套基于成 熟体微机械加工的方案。 第三章为传感器设计了详细工艺流程。为传感器设计了加工版图。详细讨论了加工过程中出现的问题 并给出了解决方案。给出了加工结果。 第四章对传感器的一些关键加工工艺进行了讨论，分析了加工工艺对传感器性能的影响并得出较优化 的工艺参数。讨论了该套工艺方案应用去其它类似结构的可能性。 第五章给出了传感器的测试系统，测试结果以及对测试结果的分析。 第六章总结了传感器的设计和制造过程。分析了传感器存在的不足，给出了改进的方向。提出了将此 传感器应用于其它场合的设想。 本论文的主要创新点有： 1 ) 首次提出了利用正交电容结合弹簧梁结构测量流速和流向，该结构没有任何加热部件。这是对于 流速流向传感器的一种新的尝试，可以从根本上避免和加热有关的种种问题。而相对于其它现有 的非热式器件，本传感器又首次实现了流速和流向的同时测鼍。 2 ) 对于设计的器件提出了一套可行的工艺流程并摸索了阳极键合工艺和i c p 刻蚀以及金属引线相结 合的实际工艺条件，这种工艺方案可以应用于其它类似微结构的加工。 3 ) 以该传感器的制作为契机，提出了种新的精确控制硅薄膜厚度的简单方法并进行了实践。 8 第二章电容式流速流向传惑器的设计和分析 2 1 引言 第二章电容式流速流向传感器的设计和分析 如前所述，目前的微加工流速流向传感器主要有传热式和非热式两种。因为传热式器件可以很好的和 标准c m o s 工艺兼容，并且可以测量二维流向，所以传热式器件是目前的主流。但是因为传热式器件需要 对被测流体加热，所以引入了一系列问题，比如对环境温度敏感、功耗大等等。非热式器件可以避免这些 问题，但是因为现有的非热式器件不能测量二维流向且普遍较难加工，所以其发展受到了限制。为了解决 非热式器件尚不能测量二维流向的问题，本章设计了一种基于电容检测的非热式流速流向传感器并为其设 计了工艺方案。 2 2 节介绍传感器的基本结构和工作原理。2 3 节给出了传感器的理论计算和分析。2 4 节根据计算得 到的数据，设计了传感器的材料参数和尺寸以及性能指标，并给出了大体的工艺实施方案。2 5 节是本章 小结。 2 2 传感器基本结构及工作原理 传感器的基本结构如图2 1 所示，一个环形的阻流体通过一些弹簧粱连接到一根支撑柱上，支撑柱固 定在衬底上。在圆形阻流体的每个象限内，都有一个固定电容极板与之相对，该固定电容极板直接固定在 衬底上，同时，阻流体兼做可动电容极板。这样，就构成了四个弧形可变电容。 衬底由玻璃构成，传感器的其它部分都由低阻硅构成。玻璃衬底上预先溅射并刻蚀金属引线，支撑柱 和周定电容极板直接键合在玻璃衬底上并和金属引线形成电连接。可动电容