基于非晶鍺熱電阻的柔性 MEMS 流速傳感器的設(shè)計與仿真

時間：2021/06/22    點擊量：560

引言
流速測量在工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療衛(wèi)生、氣象及環(huán)境監(jiān)測、航空航天器飛行控制等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展，對流速傳感器提出了微小型化、低功耗兼顧高精度和寬量程的要求。傳統(tǒng)的流速測量方法主要有杯形風(fēng)速計、熱線/熱膜熱敏方法、超聲波方法等。其中，熱線/熱膜熱敏方法是一種簡單、高效、可靠、易于小型化的流速測量方法。近年來，基于 MEMS技術(shù)的熱線/熱膜流速傳感器由于具有熱慣性小、響應(yīng)快、易集成、功耗和成本低以及可批量微加工等優(yōu)點，得到了迅速發(fā)展。熱式 MEMS 流速傳感器的主要結(jié)構(gòu)是在襯底上制作熱線/熱膜熱敏電阻，熱敏材料多為 Pt，Ni等金屬材料。工作原理主要有兩種;一種是風(fēng)速計的熱損失原理，即通過測量流體流過時加熱元件的熱電阻變化反映流速，并且能夠測量高流速;另一種是量熱計的熱溫差原理，即通過檢測加熱電阻周圍的溫度分布情況來檢測流體速度，通常由加熱器上下游處設(shè)置的熱電阻測量的溫度差來同時反映流速和流向。由于金屬材料的熱阻系數(shù)（TCR）不高且電阻率較低，為實現(xiàn)寬量程的流速測量（如高達(dá)幾十米每秒），傳感器結(jié)構(gòu)通常包含加熱電阻和至少一對測溫?zé)犭娮?，以同時工作于熱損失和熱溫差原理來分別測量更高流速和更低流速，這就需要較為復(fù)雜的測量信號處理電路。尤其為實現(xiàn)高流速的測量，需要加熱熱電阻工作溫度與流體溫度之間保持較高的恒溫差（如 30 K 以上），所需功耗達(dá)上百毫瓦以上0。針對金屬熱電阻 TCR 系數(shù)不高，導(dǎo)致流速傳感器的測量靈敏度低和功耗高的問題，國外報道了采用非晶鍺（a-Ge）半導(dǎo)體材料作為熱電阻的剛性硅襯底的流速傳感器。非晶鍺薄膜具有優(yōu)異的溫度特性，例如，較高的 TCR熱阻系數(shù)（約為一0.02/K，是 Pt 的 5 倍）和電阻率（室溫下約 5 Ω·m）。采用非晶鍺作為熱敏元件，流速微傳感器的溫度分辨率可優(yōu)于 10-'K，非常有利于傳感器在更低的溫差工作時獲得寬量程的流速測量，降低功耗?，F(xiàn)有的 MEMS 熱式流速傳感器，多數(shù)制作在硅、玻璃、陶瓷等剛性襯底上，其熱導(dǎo)率高，絕熱性能不佳，熱源的熱量易從基底傳熱流失。針對各種翼面、圓形管道面等復(fù)雜曲面流場的流速測量需求，越來越多基于柔性 MEMS 技術(shù)的柔性熱式微傳感器被開發(fā)，它克服了硅基剛性襯底傳感器適應(yīng)性差、敏感結(jié)構(gòu)脆弱、不抗沖擊等缺點，且易于陣列化批量制造及應(yīng)用。本文闡述了一種基于非晶鍺熱電阻的低功耗柔性 MEMS 流速傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理及其有限元建模與仿真。它采用柔性聚酰亞胺（PI）作為傳感器襯底，利用聚酰亞胺空 腔膜上的四個非晶鍺熱電阻同時作為自加熱熱源和測溫元件，并組成一個惠斯通電橋，就可實現(xiàn)寬量程的流速測量和測向，不需要單獨的加熱熱電阻。聚酰亞胺的熱導(dǎo)率很小，約為0.12 W/（m·K），而硅為 150 W/（m·K），使得散失到柔性襯底的熱量相對于硅襯底大大減小，從而較大地提高了流速傳感器的測量量程和靈敏度。有限元仿真表明，對四個非晶鍺熱電陽構(gòu)成的惠斯通電橋，采用恒電流供電只需 120 μA，就可對 0～50 m/s 范圍內(nèi)的流速進(jìn)行測量，并且傳感器的功耗在 1.368 W 以內(nèi)。

1、柔性 MEMS 流速傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

（b）結(jié)構(gòu)剖面圖，金屬電極

（c）非品鍺熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 傳感器的設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖 

UB的大小取決于熱敏電阻的阻值，即取決于流速，UB的符號與流速方向有關(guān)，工作原理類似于量熱計。由于流速存在時，四個 a-Ge熱阻器都被冷卻，盡管冷卻程度不一樣，但它們的電阻都增加，因而隨流速增大，整個電橋的總電阻也增大。由于恒流供電，橋路供電端的電壓 Uo將是流速的單調(diào)函數(shù)，因此，可作為輸出信號∶

式中，RB為橋路的總電阻，Uo與方向無關(guān)，類似于風(fēng)速計的熱損失工作原理，可測大流速。

圖 2 四個非晶鍺熱阻器構(gòu)成的惠斯通電橋示意圖

2、柔性 MEMS 流速傳感器的有限元建模與仿真

圖 3 傳感器結(jié)構(gòu)的仿真模型

表1 傳感器模型各部分主要尺寸及其材料特性參數(shù)

（1）構(gòu)建的 3D有限元結(jié)構(gòu)模型及其所用的物理場組件分布分別如圖 3 和圖 4 所示。仿真的輸入流速范圍為 0～50 m/s，根據(jù)流場幾何尺寸雷諾數(shù)的計算，0～35 m/s 使用層流模型，35～50 m/s使用湍流模型。

（2）流速傳感器模型中需要考慮傳感器結(jié)構(gòu)與環(huán)境空氣的對流，邊界條件與初始條件主要是設(shè)置傳感器的初始溫度、殼內(nèi)電流、電路、接地狀態(tài)、傳感器熱輻射狀態(tài)的初始值。初始條件及邊界條件參數(shù)有以下幾個方面∶

（a）物理場組件有固體和流體傳熱、殼內(nèi)電流、電路，多物理場有非等溫流動、電磁熱;

（b）加入薄層參數(shù)，這是由于與襯底相比.a-Ge薄膜與氮化硅薄膜厚度僅為其千分之一，因此需將這兩種薄膜設(shè)置為薄層形式，以增加計算的收斂性與準(zhǔn)確性;

（c）設(shè)定初始環(huán)境溫度為室溫（293.15 K，即20 ℃);

（d）熱源∶對構(gòu)成惠斯通電橋熱電阻的輸入端和接地端之間（即電橋供電端）施加恒電流為 120 μA;

（e）電路與電流的設(shè)置∶如圖 4 所示，采用了殼內(nèi)電流、電路組件將四個薄膜熱敏電阻連接到惠斯通電橋中。

（3）由于傳感器模型具有隔熱空腔，進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分時，為避免襯底與空腔上支撐薄膜連接處網(wǎng)格劃分異常導(dǎo)致的網(wǎng)格不連續(xù)，需要將支撐膜分成與襯底連接部分和未與襯底連接部分，對這兩個部分分別進(jìn)行掃掠，同時對襯底與支撐膜連接區(qū)域面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，以改善其收斂性，使計算結(jié)果更加精確。

（4）求解計算及后處理∶選擇穩(wěn)態(tài)求解器獲得結(jié)果，主要使用數(shù)據(jù)集功能，其中包括了繪圖和報告的源數(shù)據(jù)。根據(jù)需要對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化調(diào)整，以獲得溫度、電壓等數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行分析。

圖 4 模型所用的物理場組件

3 、仿真實驗結(jié)果與分析

（a）俯視圖

（b） 截面圖

圖 5 流速為 0 時的溫度場分布

（a） 俯視圖

（b） 截面圖

圖 6 流速為1m/s 時的溫度場分布

圖7 各個熱阻的溫度隨流速的變化圖 

圖8 0～50 m/s輸入流速時惠斯通電橋的輸出UB和Uo

4、結(jié)論

作者簡介: 馮劍瑋(1996-),男,江蘇鹽城人,碩士研究生, 主要研究方向為 MEMS傳感器技術(shù); 崔 峰(1974-),男,山東日照人,博士,副研究 員,主要研究方向為 MEMS器件的設(shè)計、微制造及 其測控技術(shù)。

文章轉(zhuǎn)載《半導(dǎo)體光電》期刊