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新型波紋流量計的設(shè)計與制造

2020-03-16 03:17高文平
電腦知識與技術(shù) 2020年2期

高文平

摘要:設(shè)計、制造和評價了一種新型波紋結(jié)構(gòu)的低流速流量計。對于小流量的測量,在給定的空氣流量下,應(yīng)提高敏感度相關(guān)因素、空氣阻力和輸出信號。該裝置具有槳葉結(jié)構(gòu),在垂直氣流作用下獲得最大的空氣阻力。采用波紋結(jié)構(gòu)對輸出信號進行了改進,并采用壓阻檢測對輸出信號進行測量。對于小于1 m/s風(fēng)速,相比平面流量計,波紋結(jié)構(gòu)流量計具有更高的靈敏度和響應(yīng)速度。重復(fù)性實驗表明波紋結(jié)構(gòu)流量計具有很高的重復(fù)性。

關(guān)鍵詞:流量計;波紋結(jié)構(gòu);微機電系統(tǒng);壓阻檢測

中圖分類號:TP391? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-3044(2020)02-0227-03

1 概述

流量計是測量氣流速度的最重要的設(shè)備之一,在包括汽車應(yīng)用在內(nèi)的環(huán)境和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。流量計具有多種測量方式,可分為熱對流式和空氣阻力式兩類。

熱對流流量計是目前使用最廣泛的流量計。通過中心加熱器周圍的溫度變化來測量流量的,這種流量計的分辨率很高,約為0.01 m/s。因為需要連續(xù)供電加熱,熱對流式流量計的能耗相對較高。Neda、Kim、Mailly研制的熱對流流量傳感器分別具有6m、80mW、20mW的功率。商用流量計能耗較大,從幾十毫瓦到幾瓦。此外,外部溫度對流量計的測量有影響,需要進行溫度補償。

采用空氣阻力的流量計無須加熱部件,能耗較低。杯型流量計的功耗為零,但是這種流量計是由運動部件組裝而成,連接部件會出現(xiàn)一些磨損問題。

相比之下,利用空氣阻力制作的微型流量計具有單芯片結(jié)構(gòu),磨損對這些流量計來說不是關(guān)鍵問題。這種流量計采用彎曲懸臂或附加結(jié)構(gòu)來增強空氣阻力。然而,彎曲結(jié)構(gòu)需要適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力,且應(yīng)嚴(yán)格控制其過程。與傳統(tǒng)的平面工藝相比,高寬比柱結(jié)構(gòu)存在著同樣的問題。而且,由于主設(shè)備不垂直于氣流,這些流量計中的阻力減小。因此,流量計的分辨率和靈敏度會降低,通常用于檢測流速超過2 m/s的空氣流量或液體流量。

由于在生物、人類和環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域進行的研究,需要檢測小于1 m/s的低風(fēng)速。如上所述,對流型傳感器存在功耗問題,而阻力型傳感器的靈敏度較低。

本文設(shè)計制作了一種結(jié)構(gòu)簡單成本低廉的低風(fēng)速空氣流量計。在給定的空氣流量下,采用波紋和槳葉結(jié)構(gòu)提高測量精度,裝置相對于空氣流量垂直定位,以獲得最大的空氣阻力。選擇壓阻式檢測作為測量機構(gòu),與電容式檢測相比,其制作工藝更為簡單,制作好的器件可以測量1m/s以下的風(fēng)速。

2 設(shè)計

2.1 流量計設(shè)計

本文設(shè)計的流量計基于氣流的阻力,需要有較高靈敏度用來測量小于1 m/s的風(fēng)速。如果靈敏度定義為相對于氣流的信號變化,則應(yīng)在給定氣流下增加阻力和輸出信號等與靈敏度相關(guān)的因素。當(dāng)裝置與氣流垂直時,可以獲得最大的空氣阻力。從理論上講,以前的裝置都是平行于彎曲結(jié)構(gòu)的氣流,其靈敏度相對較低。此外,應(yīng)嚴(yán)格控制其制造工藝,以獲得適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力。我們的設(shè)備垂直放置在氣流中,空氣阻力最大。同時采用了波紋結(jié)構(gòu),其應(yīng)變變化比平面結(jié)構(gòu)大。波紋結(jié)構(gòu)在隔膜結(jié)構(gòu)中使用,因為它顯示出更好的應(yīng)變變化。

圖1為波紋懸臂和槳葉的裝置結(jié)構(gòu)。懸臂結(jié)構(gòu)中,L、t、w分別表示長度、厚度和寬度,a表示槳葉結(jié)構(gòu)的一側(cè)長度。一般情況下,隨著波紋深度的增加,應(yīng)變變化較好。但是,如果采用太深的波紋結(jié)構(gòu),在以后的旋涂過程中可能會出現(xiàn)PR積累等問題。由于約1.5 μm厚的光阻用于許多商業(yè)CMOS工藝中,為了便于制造和商業(yè)化,波紋深度被限制為2μm。

在自由懸臂端采用槳葉結(jié)構(gòu),增加空氣阻力,波紋結(jié)構(gòu)固定端,應(yīng)變變化更好。槳葉尺寸為200 x 200μm2,懸臂長度為100,300,500μm??紤]到制造過程中的安全性,我們分別將懸臂厚度和寬度確定為1和40 μm。

2.2 平面和波紋結(jié)構(gòu)的仿真

本課室使用商用有限元程序COMSOL Multiphysics 3.5來評估給定風(fēng)速下的應(yīng)變變化。采用P = 1/2qv2將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為分布荷載,其中q和v分別表示空氣密度(1.204 kg/m3, 20℃)和風(fēng)速。

圖2(a)顯示了波紋結(jié)構(gòu)的放大圖。波紋的每一個波長分為四個部分,如1-4和5-8。波紋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變變化是很難得到的,總的應(yīng)變變化是用各部分的中間值來計算的。圖2(b)顯示了平面和波紋結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果,對比圖如圖2(c)所示。波紋結(jié)構(gòu)的第一扁平部分與同一扁平部分相比,應(yīng)變變化較小。但是,由于變形集中在波紋部分,波紋結(jié)構(gòu)在第二部分波紋結(jié)構(gòu)后表現(xiàn)出較好的應(yīng)變變化。因此,考慮到整體結(jié)構(gòu),應(yīng)變變化可以提高5%以上。

3 制造

圖3為波紋結(jié)構(gòu)流量計的制作過程。為了工藝的方便,所有的制造工藝都是基于商用CMOS工藝。制造從如圖3(a)所示的硅晶圓開始。在0.5μm厚場氧化物長大后,確定了波紋結(jié)構(gòu)。雖然較大的波紋深度對應(yīng)變較好,但為便于后續(xù)加工,波紋深度限制在2 μm以內(nèi)。TMAH各向異性濕蝕刻采用光滑的形狀,和由此產(chǎn)生的深度約1.8 μm (b),低應(yīng)力氮化硅層為設(shè)備層沉積再生氧化層后用LPCVD壓力補償(c),厚0.1 μm鉑用于壓阻材料和金屬線形成與Cr /非盟層(d),正面圖案后RIE過程(e),背面的設(shè)備釋放深硅蝕刻(f)。

4 結(jié)果

4.1 制造結(jié)果

采用上述工藝制作波紋結(jié)構(gòu)流量計。制作過程中的圖片如圖4所示。圖4(a)顯示了定義的波長為16μm的波紋結(jié)構(gòu)。在這種情況下,波紋的單個部分有4μm左右,這是方便制造的合適寬度。如圖4(b)所示,鉑和Cr/Au層被清楚地定義。圖4(c)表示深硅腐蝕后最終釋放的流量計。在正面蝕刻時,應(yīng)考慮111和100平面之間氮化硅層的厚度差??紤]到RIE工藝的垂直長度和各向異性腐蝕,應(yīng)進行70%的過匹配工藝。圖4(d)顯示了觀察到清晰波紋結(jié)構(gòu)的流量計的掃描電鏡照片。

4.2 測量結(jié)果

實驗在風(fēng)洞室溫條件下進行,如圖5所示。風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)量采用標(biāo)準(zhǔn)流量計進行測量,因為風(fēng)量隨測量位置的變化而變化。標(biāo)準(zhǔn)流量計是一種傳統(tǒng)的熱線式空氣流量計,在中心區(qū)域檢測到穩(wěn)定均勻的氣流。所制作的流量計位于均勻氣流區(qū),靠近標(biāo)準(zhǔn)流量計。制作的流量計與外部電路連接,用示波器測量輸出信號。雖然器件芯片有如圖4(c)所示的兩個流量計,但每個實驗使用一個流量計。

利用示波器對信號進行實時測量,并將其轉(zhuǎn)換成dr/r進行后續(xù)計算。響應(yīng)時間按到達時間從最終值的0%到90%計算,如圖6所示,上升情況下響應(yīng)時間約為3.72秒,達到穩(wěn)定的最終零信號需要25秒以上。

圖7為平面與波紋狀結(jié)構(gòu)對比圖。波紋狀結(jié)構(gòu)的DR/R大于扁平結(jié)構(gòu),且隨著風(fēng)速的增大,這種差異逐漸增大,如圖7(a)所示。在0.2-1 m/s范圍內(nèi),波紋結(jié)構(gòu)的平均DR/R為1.157E-2/ms,與平面結(jié)構(gòu)的1.029E-2/ms相比,波紋結(jié)構(gòu)的平均DR/R提高了15%。考慮到仿真結(jié)果,這種改進相當(dāng)大。這些差異可能來自應(yīng)力集中和制造誤差。在仿真情況下,選取波紋件的平均應(yīng)變變化,并沒有很好地應(yīng)用最大應(yīng)變部分進行靈敏度計算。雖然改進量與仿真值不同,但測量結(jié)果與仿真結(jié)果有相似的趨勢。

圖7(b)顯示了扁平和波紋裝置的響應(yīng)時間。在0.5 m/s氣流速度的情況下,波紋器件的響應(yīng)時間為11.24秒,比平板器件快1.44秒以上。隨著氣流速度的增加,獲得了快速響應(yīng)時間,減小了兩種裝置之間的差異。

關(guān)于裝置長度的測量結(jié)果如圖8所示。每個流量計有三個波紋和16μm波長,有300、500、700μm不同長度。隨著長度的增加,平均dr/r從9.758e-3/ms增加到11.248e-3/ms,靈敏度提高。然而,增加的長度對響應(yīng)時間有負面影響。因此,可以考慮響應(yīng)時間和靈敏度之間的權(quán)衡來選擇器件長度。而且,由于較短的器件更緊湊,也應(yīng)考慮制造成品率。

對流量計的其他性能進行了測試。如圖9所示,用重復(fù)氣流測量裝置的響應(yīng)。將0.5 m/s風(fēng)速的短氣流反復(fù)施加到裝置上,并在每個測量中觀察到均勻的響應(yīng),如圖9(a)。還測量了對長期重復(fù)氣流的響應(yīng)。每周在裝置上通入氣流2個月,觀察到7%誤差范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出信號,如圖9(b)所示。

流量計工作在小空氣流量中連續(xù)工作7分鐘,測量結(jié)果穩(wěn)定,如圖10所示。雖然沒有測量使用壽命,流量計的穩(wěn)定性和重復(fù)性結(jié)果說明,設(shè)計的流量計測量小流量的性能良好。

5 結(jié)論

本文設(shè)計、制作和評價了一種新型的低風(fēng)速空氣流量傳感器。采用槳葉結(jié)構(gòu),該裝置垂直于氣流方向,以獲得最大的空氣阻力。采用波紋結(jié)構(gòu)改善了壓阻檢測的輸出信號。在風(fēng)速小于1 m/s的條件下進行了各種試驗,得到了較為完善的響應(yīng)信號。所研制的流量計在靈敏度和響應(yīng)時間上均顯示出較好的輸出特性,為小流量空氣流量的測量提供了一個有前途的方向。

【通聯(lián)編輯:朱寶貴】

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