《新型波纹流量计的设计和制造》
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摘 要：设计、制造和评价了一种新型波纹结构的低流速流量计.对于小流量的测量,在给定的空气流量下,应提高敏感度相关因素、空气阻力和输出信号.该装置具有桨叶结构,在垂直气流作用下获得最大的空气阻力.采用波纹结构对输出信号进行了改进,并采用压阻检测对输出信号进行测量.对于小于1 m/s风速,相比平面流量计,波纹结构流量计具有更高的灵敏度和响应速度.重复性实验表明波纹结构流量计具有很高的重复性.
关键词：流量计;波纹结构;微机电系统;压阻检测
中图分类号：TP391文獻标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）02-0227-03
1 概述
流量计是测量气流速度的最重要的设备之一,在包括汽车应用在内的环境和工业领域有着广泛的应用.流量计具有多种测量方式,可分为热对流式和空气阻力式两类.
热对流流量计是目前使用最广泛的流量计.通过中心加热器周围的温度变化来测量流量的,这种流量计的分辨率很高,约为0.01 m/s.因为需要连续供电加热,热对流式流量计的能耗相对较高.Neda、Kim、Mailly研制的热对流流量传感器分别具有6m、80mW、20mW的功率.商用流量计能耗较大,从几十毫瓦到几瓦.此外,外部温度对流量计的测量有影响,需要进行温度补偿.
采用空气阻力的流量计无须加热部件,能耗较低.杯型流量计的功耗为零,但是这种流量计是由运动部件组装而成,连接部件会出现一些磨损问题.
相比之下,利用空气阻力制作的微型流量计具有单芯片结构,磨损对这些流量计来说不是关键问题.这种流量计采用弯曲悬臂或附加结构来增强空气阻力.然而,弯曲结构需要适当的残余应力,且应严格控制其过程.与传统的平面工艺相比,高宽比柱结构存在着同样的问题.而且,由于主设备不垂直于气流,这些流量计中的阻力减小.因此,流量计的分辨率和灵敏度会降低,通常用于检测流速超过2 m/s的空气流量或液体流量.
由于在生物、人类和环境相关领域进行的研究,需要检测小于1 m/s的低风速.如上所述,对流型传感器存在功耗问题,而阻力型传感器的灵敏度较低.
本文设计制作了一种结构简单成本低廉的低风速空气流量计.在给定的空气流量下,采用波纹和桨叶结构提高测量精度,装置相对于空气流量垂直定位,以获得最大的空气阻力.选择压阻式检测作为测量机构,与电容式检测相比,其制作工艺更为简单,制作好的器件可以测量1m/s以下的风速.
2 设计
2.1 流量计设计
本文设计的流量计基于气流的阻力,需要有较高灵敏度用来测量小于1 m/s的风速.如果灵敏度定义为相对于气流的信号变化,则应在给定气流下增加阻力和输出信号等与灵敏度相关的因素.当装置与气流垂直时,可以获得最大的空气阻力.从理论上讲,以前的装置都是平行于弯曲结构的气流,其灵敏度相对较低.此外,应严格控制其制造工艺,以获得适当的残余应力.我们的设备垂直放置在气流中,空气阻力最大.同时采用了波纹结构,其应变变化比平面结构大.波纹结构在隔膜结构中使用,因为它显示出更好的应变变化.
图1为波纹悬臂和桨叶的装置结构.悬臂结构中,L、t、w分别表示长度、厚度和宽度,a表示桨叶结构的一侧长度.一般情况下,随着波纹深度的增加,应变变化较好.但是,如果采用太深的波纹结构,在以后的旋涂过程中可能会出现PR积累等问题.由于约1.5 μm厚的光阻用于许多商业CMOS工艺中,为了便于制造和商业化,波纹深度被限制为2μm.
在自由悬臂端采用桨叶结构,增加空气阻力,波纹结构固定端,应变变化更好.桨叶尺寸为200 x 200μm2,悬臂长度为100,300,500μm.考虑到制造过程中的安全性,我们分别将悬臂厚度和宽度确定为1和40 μm.
2.2 平面和波纹结构的仿真
本课室使用商用有限元程序COMSOL Multiphysics 3.5来评估给定风速下的应变变化.采用P 等于 1/2qv2将风速转换为分布荷载,其中q和v分别表示空气密度（1.204 kg/m3, 20℃）和风速.
图2（a）显示了波纹结构的放大图.波纹的每一个波长分为四个部分,如1-4和5-8.波纹结构中的应变变化是很难得到的,总的应变变化是用各部分的中间值来计算的.图2（b）显示了平面和波纹结构的模拟结果,对比图如图2（c）所示.波纹结构的第一扁平部分与同一扁平部分相比,应变变化较小.但是,由于变形集中在波纹部分,波纹结构在第二部分波纹结构后表现出较好的应变变化.因此,考虑到整体结构,应变变化可以提高5%以上.
3 制造
图3为波纹结构流量计的制作过程.为了工艺的方便,所有的制造工艺都是基于商用CMOS工艺.制造从如图3（a）所示的硅晶圆开始.在0.5μm厚场氧化物长大后,确定了波纹结构.虽然较大的波纹深度对应变较好,但为便于后续加工,波纹深度限制在2 μm以内.TMAH各向异性湿蚀刻采用光滑的形状,和由此产生的深度约1.8 μm （b）,低应力氮化硅层为设备层沉积再生氧化层后用LPCVD压力补偿（c）,厚0.1 μm铂用于压阻材料和金属线形成与Cr /非盟层（d）,正面图案后RIE过程（e）,背面的设备释放深硅蚀刻（f）.
4 结果
4.1 制造结果
采用上述工艺制作波纹结构流量计.制作过程中的图片如图4所示.图4（a）显示了定义的波长为16μm的波纹结构.在这种情况下,波纹的单个部分有4μm左右,这是方便制造的合适宽度.如图4（b）所示,铂和Cr/Au层被清楚地定义.图4（c）表示深硅腐蚀后最终释放的流量计.在正面蚀刻时,应考虑111和100平面之间氮化硅层的厚度差.考虑到RIE工艺的垂直长度和各向异性腐蚀,应进行70%的过匹配工艺.图4（d）显示了观察到清晰波纹结构的流量计的扫描电镜照片.
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流量计引用文献:
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