基于EIT技术的气流传感器及其实验研究

蒋明霞 李伟华 张 良 葛宇昊

(东南大学MEMS教育部重点实验室，南京 210096)

基于EIT技术的气流传感器及其实验研究

蒋明霞 李伟华 张 良 葛宇昊

(东南大学MEMS教育部重点实验室，南京 210096)

提出了一种新型的、基于电阻抗断层成像技术进行气流传感的微机电(MEMS)传感器结构，其基本构造为覆盖在加热器件之上的半导体硅薄膜以及位于硅薄膜四周的16个金属电极.首先，在金属电极对中注入电流，并根据相邻测试规则测量其他电极对间的电压;然后，改变电流注入位置并测量电压，得到208个电压值;最后，利用成像软件将电流和电压参量转换为电阻率分布图像.气流流动所导致的热场分布变化将引起薄膜电阻率的分布发生变化.气流传感实验结果表明，气流方向、速度的变化能够采用图像的方式清晰、直观地进行描述.研究结果为MEMS传感器设计提供了新的方案与技术.

电阻抗断层成像;微机电气流传感器;电阻率分布图像

电阻抗断层成像(electrical impedance tomography，EIT)是一种图像重建技术.该技术通过在导电物体表面施加激励电流，并测量分布电压，来获知物体内部导电参数的分布(如物质的电阻率分布)，进而重建出反映物体内部变化的图像［1-2］.如果导体电阻率是均匀的，则注入电流的分布曲线以及产生的等电势分布曲线是平滑变化的;如果导体电阻率由于某种原因不再均匀时，注入电流的分布将发生变化，测得的电压也会随之发生变化［3］.电阻率分布成像算法的核心是实现电磁场理论中正、反问题的求解［4-5］.

EIT最初出现时是用于医学诊断中的，类似于CT的作用，用于显示、分析人体内部组织器官的病变.1987 年，Brown［6］建立了第 1 个完整的 EIT 数据测量系统，该系统具有16个激励及测量电极，以每秒10幅图像的速度获取数据，供临床基础研究应用.目前，在头颅、胸肺以及乳腺的医学诊断中，运用该技术已获得了较好的临床实验结果.除了在医学方面的应用外，EIT技术还可以应用于地质勘探、金属探伤等工业活动中，便携快速的成像特点使得EIT技术在这些领域中有着独特的优势.

近年来，学者们开始将EIT技术应用于传感方面，目前尚处于实验研究阶段.2008年，Brian等［7］发表了对于溶剂中物质区分与定位的研究报告，在含有16个电极的圆盘中放置凝胶，并在不同部位放置盐水、黄瓜和香蕉，EIT成像清晰地显示出不同材料的电阻率变化以及相关材料的具体位置.Nagakubo等［3］将EIT技术应用于外力传感中，实验中采用四周均匀分布偶数个电极的圆形导电橡胶板，根据激励电流的大小以及采集到的电压数据，获得电阻率分布图像，图像清楚地显示了力的作用位置和大小.

本文提出了一种基于EIT技术进行气流传感的16电极微机电(MEMS)传感器结构.实验结果表明，基于EIT技术的MEMS流体传感器可以有效地反映出敏感材料电阻率及其分布随流体作用而发生的变化情况，实现了对于外界物理量的传感.引起导体电阻率分布变化的作用量大小、位置可以通过EIT技术再现，获得的结果具有图像数据的性质，具有分布场的表现形式，这与目前MEMS传感器主要以集总参数表示的方式具有很大不同.

1 基于EIT技术的气流传感器实验系统

1.1 MEMS气流传感器结构

根据EIT技术的基本原理，实验中首先需要一个对流体速度和方向敏感的分布电阻.众所周知，半导体薄膜的电阻率除了与掺杂浓度相关外，还与温度相关.流体在运动过程中必定会带走或带入热量，引起温度场的变化.因此，可以采用掺杂半导体薄膜并对其加热，形成初始的均匀电阻率分布;然后引入具有速度和方向的流体，使其通过半导体薄膜表面并带走热量，从而使温度场发生变化，进而导致电阻率分布发生变化.

图1为基于EIT技术设计的MEMS风速风向传感器的结构示意图.图中，A-A剖面图和B-B剖面图说明了传感器纵向结构;1为半导体硅衬底;2为采用掺杂技术制作的发热电阻;3为用于均热的二氧化硅层;4为圆形的多晶硅薄膜;5为电流激励和电压检测的金属电极，共16个;6为发热电阻的连接电极，共2个;7为发热电阻的连接电极引线孔，共2个.

图1 基于EIT技术设计的MEMS传感器结构示意图

1.2 实验系统

目前尚没有一个可以模拟分析基于EIT技术的MEMS传感器的计算机软件.因此，本文采用硬件实验的方式对设计的可行性和传感器性能进行模拟.

根据实验目的并参考文献［8-10］所采用的测试基本架构，设计了如图2所示的实验系统结构.模拟传感器采用具有一定电阻率的半导体硅薄膜，选择电阻率为4×10－3～6×10－3Ω·cm 的 P型〈100〉硅片进行热氧化，形成绝缘层;然后，光刻金属电极的接触区图形，溅射1 μm厚的Al膜，形成金属电极图形.

图2 基于EIT技术的流体传感实验系统结构框图

在硅薄膜四周均匀制作了16个金属电极，并将传感器置于具有恒温特性的电热板上加热.模拟开关用于控制激励电流注入电极的选择与测量电压位置的选择.采集得到的电压数据经过模数转换，变为电阻率分布计算的输入信息.成像计算软件用于重构电阻率分布的图像.实验在室温下进行，以气流作为测试流体.

2 实验与结果

根据图2所示实验系统所搭建的实验硬件系统见图3.其中，图3(a)中所示为测试系统设备，包括热板、电流源、电压表以及模拟开关控制板等;图3(b)则显示了风源的位置，风源距样品边界约5 cm.为确保样品表面热场只在可控的区域范围内变化，将出风口近似设定为边长2 mm的正方形，出风温度为室温.

实验中，首先测量本底电阻率，激励电流选择为80 mA.根据EIT技术的相邻测试规则［3］，在一对金属电极中注入电流，测量其他电极对间的电压，可获得13个电压数据;改变电流注入位置，继续测量电压.以此类推，共可采集13×16=208个电压值.表1给出了电流注入电极位置以及其他各电极对的本底电压测量值.从表中数据可以看出，电压先逐渐减小，而后逐渐增加，完全符合等位线分布的规律.

然后，对样品进行加热.设定加热温度为100℃，待加热环境充分稳定后，打开风源.当风场稳定后，施加80 mA的激励电流，再次采集边界电压数据，结果见表2.比较表1和表2可知，表2中的电压值均较表1中的数据有所增大，表明加热后薄膜电阻率变大.

图3 实验系统照片

最后，将2次测量的电压数据输入计算软件，得到风场作用下电阻率的分布(见图4).图中可明显看出风源的方向，且靠近风源处的电阻率最小.此外，还可发现，最大电阻率和最小电阻率的比值约为2.显然，风速越大，电阻率的差别越大.

表1 本底电阻率下各电极对边界电压测量值 mV

表2 特定热场分布下各电极对边界电压测量值 mV

图4 电阻率分布图

3 结语

本文提出了一种新型的基于EIT技术进行气流传感的MEMS传感器结构.研究结果表明，EIT技术可以有效地反映敏感材料电阻率及其分布变化，进而实现对于外界物理量的传感.引起导体电阻率分布变化的作用量大小、位置可以通过电阻抗断层成像(EIT)技术再现，且获得的结果具有图像数据的性质，展现为分布场的表现形式，非常接近有限元的分析结果.显而易见，许多半导体材料会因为应力、温度、形状等的改变而产生电阻率变化.这一特点为采用EIT技术进行传感器设计与应用提供了技术保证，基于图像描述的传感方法也为传感器设计提供了新的技术路径.

［1］ Wang Yan，Sha Hong，Zhao Shu，et al.Optimizing of electrode system with central object in electrical impedance tomography［EB/OL］.(2009-05-02)［2009-07-13］.http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=＆arnumber=4906580.

［2］ Morimoto A，Yasuno E，Kinouchi Y，et al.Spatial resolution in the electrical impedance tomography for the local tissue［EB/OL］.(2006-04-10)［2009-07-13］.http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=＆arnumber=1616024.

［3］Nagakubo A，Alirezaei H，Kuniyoshi Y，et al.A deformable and deformation sensitive tactile distribution sensor［EB/OL］.(2008-05-16)［2009-07-13］.http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp= ＆arnumber=4522352.

［4］ Xu Canhua，Dong Xiuzhen，Shi Xuetao，et al.Comparison of drive patterns for single current source EIT in computationalphantom［EB/OL］. (2008-06-03)［2009-07-13］. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp= ＆arnumber=4535584.

［5］ Yan Peimin，Yuan Zhi.Dynamic EIT image reconstruction using regularization based on conjugate gradients［EB/OL］.(2008-12-16)［2009-07-13］.http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp= ＆arnumber=4712613.

［6］ Brown B H.Cardiac and respiratory related electrical impedance changes in the human thorax［J］.IEEE Trans Biomed Eng，1994，41(8):729-733.

［7］ Brian S H，Manoochehr N.Spectro-tomography an electrical sensing method for integrated estimation of component identification and distribution mapping in industrial processes［EB/OL］.(2008-12-16)［2009-07-13］.http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp =＆arnumber=4716564.

［8］ Newell J C.An electric current tomography［J］.IEEE Trans Biomed Eng，1988，35(10):828-833.

［9］ Saulnier G J，Cook R D，Gisser D G，et al.A highspeed high-precision electrical impedance tomograph［C］//Proceedings of the18th Annual International Conterence of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.Orlando，FL，USA，1991:5-6.

［10］ SaKamoto K，Yorkey T J，Webster J G，et al.Some physical results from an impedance camera［J］.Clin Phys Physiol Meas，1987，8(SA):71-75.

Gaseous flow sensor based on EIT and its experimental study

Jiang Mingxia Li Weihua Zhang Liang Ge Yuhao
(Key Laboratory of MEMS of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

A novel structure of micro-electro-mechanical gaseous flow sensor based on electrical impedance tomography(EIT)is developed.The gaseous flow sensor consists of a silicon film over the heater and 16 metal electrodes surrounding the film.First，the excitation current is injected through a couple electrode and voltages are measured between other electrodes.Then，the sites of the electrodes of current are changed and the voltages are measured again.208 voltage values are obtained.Finally，these values of the currents and voltages are transformed to the resistivity distribution image by using imaging software.The change of thermal field by gas flowing can induce the distribution change of the film’s resistivity.The experiment results show that the change of the speed and direction of flow can be truly and clearly described with images，which provides a novel method and technique for the design of micro-electro-mechanical gaseous flow sensor.

electrical impedance tomography(EIT);micro-electro-mechanical gaseous flow sensor;resistivity distribution image

TN407

A

1001－0505(2012)06-1117-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.018

2012-03-26.

蒋明霞(1963—)，女，工程师;李伟华(联系人)，男，教授，liwh@seu.edu.cn.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA04Z322).

蒋明霞，李伟华，张良，等.基于EIT技术的气流传感器及其实验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(6):1117-1121.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.018］