一种高性能MEMS气体流量传感器设计*

李 辉，张持健

（安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241000）

0 引言

流量测量是人类生产与生活的基本需求，相应的测量仪器和方法广泛应用于冶金、化工、食品、医药及民生等国民经济的各个领域，在国民经济中占据重要的地位。目前厂矿企业广泛使用的流量计有涡轮流量计、罗茨流量计和皮膜式流量计等，这类流量计技术成熟，性能可靠，精度也能满足一般的要求。但是这类机械式流量计应用于生化、医疗等领域就显得不太合适。这是由于这些领域的流量范围大都处于μL/min到mL/min量级，因此，要求传感器具有精度高、体积小、功耗低、响应时间短等特点，而机械式流量计往往存在量程起始点偏大，测量范围小，需要温度压力补偿以及体积重量偏大等问题［1］。

微机电系统（MEMS）具有体积微小、耗能低、能方便地进行微细操作等优点［2］，基于此类技术的流量传感器因其固有的优点，使得人们对其在生化、医药等领域的应用日益关注。

本文将利用MEMS技术加工制备微型气体流量传感器;在设计中将采用有利于提高检测灵敏度的器件结构和工艺材料，以及机械性能和密封性能良好的封装方法，使得传感器具有灵敏度高、性能稳定、成本可控等优点，能够满足生化检测、医疗等领域的需要。

1 传感器模型

热温差式流量传感器是以托马斯提出的“流体的热传递与其质量流量呈正比”理论为基础，利用流体流动过程中加热元件（热源）两侧的温度分布来反演流速;其优点是灵敏度高、探测范围宽，具备分辨流向的能力，以及进一步微型化、多功能化的发展潜力;目前已成为微流量传感器研究的热点［3］。

基于MEMS技术的热温差式流量传感器的基本工作原理如图1所示。热敏电阻器置于加热电阻器的两侧，当流体静止时，热量分布图为以热源为中心的正态分布;流动时热量分布图发生偏移，造成上下游热敏电阻器的阻值变化;利用惠斯登电桥将阻值变化转换为对应的电桥输出就可以推算流体流速［4］。

图1 温差式流量传感器原理图Fig 1 Principle of differential calorimetric flow sensor

设桥臂比n=R3/R1=R4/R2，由文献［5］可知，当R1=R2=R时，电桥输出电压Vo满足

其中，α为热敏电阻器温度系数，ΔT为R1，R2的温差，可见Vo与桥臂比n直接相关。传统的MEMS温差式流量传感器片内只集成了R1，R2;R3，R4为外接精密电阻器的电阻，这种结构容易受到外界环境的干扰，一旦R3，R4发生漂移就会影响电桥输出，从而对流速测算构成干扰，所以，本设计将电桥4只电阻器都集成在芯片中，且初始值相等，这样就简化了分析，保证了系统的稳定性。文献［6］已经证明，电桥输出电压V0是与流速、流体特性、传感器结构及材料密切相关的，因此，在设计中合理地调节加热电阻器与热敏电阻器的距离可以调整电桥输出电压，从而获得不同的灵敏度。

2 工艺制备

本MEMS流量传感器将热敏电阻器下面的硅基底掏空，有效减少了衬底的热传导，具有良好的热隔离性能，因此，对流速具有较高的灵敏度和响应速度。本文选择电阻温度系数大的 Pt热敏电阻器（Pt温度系数:3.908×10-3/℃）。由式（1）可知电桥输出电压V0与温度系数α呈正比，较大的α对应的输出电压也就较大，从而提高了传感器的灵敏度;同时Pt的化学惰性强，加工工艺成熟，有效保证了制得电阻器的高稳定性［7］。由于SU—8光刻胶具有良好的机械、抗腐蚀、密封性能与热稳定性，同时体积电阻率极高，因此，在MEMS加工和封装领域得到了广泛的应用［8］。本文也将利用SU—8胶来制备气流沟道，流量传感器的完整加工工艺如图2所示。

具体流程如下:

1）在硅基底上LPCVD一层Si3N4;

2）甩正胶光刻，得到热敏电阻器和加热电阻器的图形;

3）磁控溅射一层Cr/Pt，厚度为30 nm/100 nm，得到加热电阻器和热敏电阻器;

图2MEMS工艺流程图Fig 2 MEMS technological process

4）甩正胶光刻，得到电极图形，磁控溅射一层Cr/Au，厚度为30 nm/300 nm，得到电极;

5）背面甩正胶光刻，暴露出热敏电阻器正下方的硅，深刻蚀硅层，直到热敏电阻器正下方的硅层约10 μm;

6）在硅片表面涂覆一层AZ4600厚胶，光刻显影后得到制作沟道的模具;

7）在模具上浇灌SU—8胶，室温下放置24 h即可剥离得到气流沟道;

8）将SU—8胶制得的沟道与热敏电阻器对准密封，即可得到温差式流量传感器芯片。

最终制得的传感器加热电阻器与热敏电阻器SEM图和成品图分别如图3（a）、3（b）所示。图3（a）中的1，2，3分别为加热电阻器与热敏电阻器不同的位置，从而完成输出灵敏度的调节。

3 实验结果与分析

3.1 测试装置

在本实验中，恒流源为Agilent E364xA，为加热电阻器提供恒定电流;电压源为Keithley 2400 SourceMeter，为桥式电路提供偏压。气源采用高纯度氮气（N2），气流接入一个标准的气体流量计作为流速标定;标准流量计输出接待测试的流量传感器，其输出信号采用自主研制的超低噪声信号采集卡测量［9］。

3.2 流量测试实验

实验首先进行小量程测试，设定电桥偏压E为10V，气体流量从0升高到1.2 mL/min，同时记录下相应的电压值，最终得到的气体流量—输出电压曲线如图4（a）所示，曲线1代表图3（a）中加热电阻器与热敏电阻器间距为2的情况，曲线2则代表间距为1。

图3 加热电阻器与热敏电阻器SEM图和MEMS传感器成品Fig 3 SEM photo of heating resistor and thermal resistor and MEMS sensor

图4 流量测试结果Fig 4 Result of flow test

由图可见，间距为2时灵敏度较高，因此，热敏电阻器与加热电阻器之间的距离是影响灵敏度的一个重要因素，合适的距离能获得较高的灵敏度。随后进行大量程测试，量程为0～20 mL/min，曲线如图4（b）所示，可见传感器在此量程范围内具有较好的线性度。

4 结论

本文使用MEMS技术研制了微型气体流量传感器。本传感器将热敏电阻器、加热电阻器与电桥其它两臂电阻器集成在一起，保证了系统的稳定性。设计采用热隔离性能良好的硅衬底挖空结构，且热敏电阻器与热源距离可调，从而保证了较高的灵敏度和响应速度。实验表明:合适的电阻器距离可以获得较高的灵敏度;同时在0～20 mL/min的量程范围内系统线性度较好。本传感器适用于生化检测、医疗等领域的应用，具有良好的推广前景。

［1］美国矽翔微机电系统有限公司.Siargo燃气流量计产品优势及案例［R/OL］.2010—03—01.http://www.siargo.com.cn.

［2］赵晓峰，温殿忠.MEMS研究与发展前景［J］.黑龙江大学自然科学学报，2002，19（1）:65-69.

［3］Lofdahl L，Gad-el-Hak M.MEMS applications in turbulence and flow control［J］.Progress in Aerospace Science，1999，35:101-203.

［4］芦 琦.基于测热式原理的集成微流体流量传感器的设计、制作及信号处理［D］.上海:上海交通大学，2010.

［5］李 辉，朱向冰.一种热温差式悬空结构气体流量传感器的设计［J］.传感器与微系统，2013，32（2）:84-86.

［6］李 雯.热式质量流量计的设计［D］.杭州:浙江大学，2007.

［7］黄 硕.微型热式气体流量传感器的稳态传热研究［D］.杭州:浙江大学，2009.

［8］McDonald J C，Duffy D C，Anderson J R，et al.Fabrication of microfluidic systems in polydimethylsiloxane［J］.Electrophoresis，2000，21:27-40.

［9］李 辉，刘 鲲.一种应用于微型气体流量计的低噪声信号采集系统［J］.传感器与微系统，2012，31（11）:81-83.