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時間:2021/06/22 點擊量:519
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)犭娮瑁酝瑫r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。現(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行掃掠,同時對襯底與支撐膜連接區(qū)域面進行網(wǎng)格細分,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)進行可視化調(diào)整,以獲得溫度、電壓等數(shù)據(jù),從而進行分析。
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
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