新型波纹流量计的设计与制造
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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 = 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。 4.2 测量结果
实验在风洞室温条件下进行，如图5所示。风洞内的风量采用标准流量计进行测量，因为风量随测量位置的变化而变化。标准流量计是一种传统的热线式空气流量计，在中心区域检测到稳定均匀的气流。所制作的流量计位于均匀气流区，靠近标准流量計。制作的流量计与外部电路连接，用示波器测量输出信号。虽然器件芯片有如图4（c）所示的两个流量计，但每个实验使用一个流量计。
利用示波器对信号进行实时测量，并将其转换成dr/r进行后续计算。响应时间按到达时间从最终值的0%到90%计算，如图6所示，上升情况下响应时间约为3.72秒，达到稳定的最终零信号需要25秒以上。
图7为平面与波纹状结构对比图。波纹状结构的DR/R大于扁平结构，且随着风速的增大，这种差异逐渐增大，如图7（a）所示。在0.2-1 m/s范围内，波纹结构的平均DR/R为1.157E-2/ms，与平面结构的1.029E-2/ms相比，波纹结构的平均DR/R提高了15%。考虑到仿真结果，这种改进相当大。这些差异可能来自应力集中和制造误差。在仿真情况下，选取波纹件的平均应变变化，并没有很好地应用最大应变部分进行灵敏度计算。虽然改进量与仿真值不同，但测量结果与仿真结果有相似的趋势。
图7（b）显示了扁平和波纹装置的响应时间。在0.5 m/s气流速度的情况下，波纹器件的响应时间为11.24秒，比平板器件快1.44秒以上。随着气流速度的增加，获得了快速响应时间，减小了两种装置之间的差异。
关于装置长度的测量结果如图8所示。每个流量计有三个波纹和16μm波长，有300、500、700μm不同长度。随着长度的增加，平均dr/r从9.758e-3/ms增加到11.248e-3/ms，灵敏度提高。然而，增加的长度对响应时间有负面影响。因此，可以考虑响应时间和灵敏度之间的权衡来选择器件长度。而且，由于较短的器件更紧凑，也应考虑制造成品率。
对流量计的其他性能进行了测试。如图9所示，用重复气流测量装置的响应。将0.5 m/s风速的短气流反复施加到装置上，并在每个测量中观察到均匀的响应，如图9（a）。还测量了对长期重复气流的响应。每周在装置上通入气流2个月，观察到7%误差范围内的稳定输出信号，如图9（b）所示。
流量计工作在小空气流量中连续工作7分钟，测量结果稳定，如图10所示。虽然没有测量使用寿命，流量计的稳定性和重复性结果说明，设计的流量计测量小流量的性能良好。
5 结论
本文设计、制作和评价了一种新型的低风速空气流量传感器。采用桨叶结构，该装置垂直于气流方向，以获得最大的空气阻力。采用波纹结构改善了压阻检测的输出信号。在风速小于1 m/s的条件下进行了各种试验，得到了较为完善的响应信号。所研制的流量计在灵敏度和响应时间上均显示出较好的输出特性，为小流量空气流量的测量提供了一个有前途的方向。
【通联编辑：朱宝贵】
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