微型半导体流量传感器的发展.doc

外文翻译译文题目 微型半导体流量传感器的发展 原稿题目 Development of miniaturized semiconductor flow sensors 原稿出处 Ludwig Boltzmann Institut für Biomedizinische Mikrotechnik, Wien, Austria 微型半导体流量传感器的发展 摘要基于锗薄膜热敏电阻的微型流量传感器具有灵敏度高和响应时间短的特点,其热敏电阻放置在以硅为衬底的氮化硅薄膜上，使用可控的加热方式，可测量0.6-1500003/h气流的流量。本论文主要通过比较该传感器在恒温差加热模式和恒功率模式下对阶跃加热功率变化的响应与对冲击波的响应来研究传感器的动态特性,而声音冲击波是由一个简单的装置来产生的。1 绪论随着工业、汽车、家庭以及医疗应用领域对微型流量传感器的需求日益增长，其测量原理有基于热敏电阻、红外线温度传感器、焦热电元件、PN结、惠斯登微型电桥、普朗特管和其它元件1-10。而微加工技术的使用，则实现高灵敏度、低功耗和快速响应的目的。 流量传感器的一个重要应用是在内燃机瞬时进气口中测量其进气流量。如果一个人试图最大限度地缩小发动机的燃料消耗和对环境造成的污染，那么了解燃烧过程参数的知识是必不可少的。为了这种发动机的发展，传感器必须具备宽的速度测量范围以及能够对随着时间变化的空气流速进行高分辨率的检测。 这里所提到的热式流量传感器是基于传热原理，即加热体被流过其表面的流体冷却，而其冷却速度取决于流体的流速11。这种传感器是基于所谓的热膜式流量测量方法，其上有一层非常薄的氮化硅薄膜覆盖在与一个与流道平齐且由微加工产生的硅基衬底上，如图1所示。然后，一个薄膜加热电阻被安放在衬底的对称面上，以获得对称的表面温度分布，而两个膜片温度测量电阻被分别放置在加热电阻的上游和下游区域。图1热膜式传感器的横截面和隔膜表面的温度分布曲线图H-加热电阻；DT1、DT2-测温传感器 当有一个切向流体流过时，其表面的热对称性将被破坏。温度较低的流体流过加热电阻表面时，其一部分热量被带走，流体温度上升，于是下游区域的冷却效应减小，而且在这个区域的温度有可能比无流体流动时的表面温度还要高。因此，在被冷却的上游区域和被稍微冷却（或被加热）的下游区域之间形成一个温度差，而这个温度差信号可以转变为电压信号输出，并用作测量流体流速或质量流量的测量信号。这种方法所测量都的流速范围和灵敏度在很大程度上受加热电阻与测量电阻之间距离的影响2,12。而且上下游测量电阻不对称的放置，会使其输出特性曲线的形状（温差与流速曲线）发生显著变化10,13。我们已经发明了一种对称的微型半导体流量传感器，其具有测量双向流动的能力。这种传感器优越的特性体现在其出色的灵敏度和极宽的测量范围。而且，现在正对这种传感器的动态特性进行彻底研究。2 传感器结构和技术目前，硅晶片材料已经被广泛用作上述传感器衬底材料，而传感器芯片的尺寸一般为2×4mm，厚度为0.3mm，是在厚度为800nm的氮化硅薄层上，把两片薄膜热敏电阻对称的放置中间加热电阻的两侧制作而成，如图2所示。另外，有附加的热敏电阻放置在芯片的边缘，这些所谓的基板热敏电阻用于测量流体的温度，此温度与基板温度接近。图2 传感器横截面隔膜尺寸为0.5×1.1mm所有的热敏电阻都是由非晶状锗溅射在梳妆电极上形成，如图3所示。图3 传感器隔膜结构的俯视图可以实现加热电阻与测温传感器之间距离为35和100m这种高温度分辨率的热敏电阻的一个最大优点是，只要在加热电阻和流体之间有微小的温度差就可以进行可靠的流量测量操作。但是，测温传感器工作温度，不能高于加热器的加热温度25度，全分辨率时不高于加热器过热温度10度。不过，由加热电阻引起的流体升高温度比这些过热温度要小的多。所以，这种传感器尤其适用在一些要避免因加热电阻引起流体温度升高的场合。这种传感器在流体是空气时，其电加热器的最高的额定热功率是40mW,但是当加热电阻电极的供电电压是3V时，其正常工作时的功率是4mW。这种传感器的加热电阻是由两种具有导电能力的铂和镍铬合金制作而成。此外，热敏电阻特性的窄公差对实现高分辨率温差测量非常重要。而且传感器高精度的几何尺寸，是实现双向传感器的特性的必要条件。传感器的加热电阻和热敏电阻在流速方向和垂直于流速方向上必须要体现出小尺寸。为什么要有极端的加热器长宽比和热敏电阻面积，有以下4个原因：（a）为实现出色的流动方向检测灵敏度；（b）以避免因反应热引起的传播时间延迟；（c）为达到合适的热敏电阻阻值和加热电阻的阻值；（d）以确保整个静态和动态条件下，在非晶状锗区域的热量传递均匀。此外，由于高的长宽比，对于一维热传导模型的隔膜和二维热对流模型的基本考虑是充分的。这些薄膜结构形成在一个已经被氮化硅层覆盖的硅晶片衬底上面，然后在室温下使用PECVD过程溅射上一层低应力氮化硅层保护膜。较低的溅射温度，防止了锗的再结晶。就这样，氮化硅层形成了微型传感器的隔膜结构。而且，氮化硅呈现出低热导率、高灵敏度，与硅的导热能力150 W/mk相比，氮化硅的导热能力大约为2.3W/mk。氮化硅隔膜的另一个优点是，其热导率与其厚度成正比。而且，在我们的传感器中，800nm厚的氮化硅层已经被证明其在切向流下非常稳定，如图2所示。此外，非晶锗展现出高的电阻系数和温度系数。在室温下，其电阻温度系数（TCR）约为2%/K,其电阻系数约为5/m。若不考虑其电阻值，在77K到330K之间对温度的测量发现，非晶锗的电导率受一个变量范围跳跃过程控制14。在室温下，TCR只随着温度有轻微的变化，因而减轻了环境温度对其产生的影响，其布置图如图3所示，图中的锗膜厚度为250nm，20时的电阻值为70K。而且，现已被证明，这一特点长期稳定度优于0.5的年增长率。利用这种热敏电阻技术已经可以实现把一个带宽为10Hz的噪声等效成10K温度差10。相比之下，Jhone的噪音只能将分辨率限制在4.75K。3 实验3.1传感器安装为了研究这种传感器在多种典型环境中的性能，把它黏贴在不同的封装结构上。而且，为了能够在风洞实验和其它测量实验中进行自由的校准，芯片被安装在了厚度为0.15mm的印刷电路板（PCB）上，并且与其表面齐平，如图4所示。图4 安装在柔性PCB上的传感器横截面示意图为了能够达到此目的，柔性印刷电路板采用压花模具制作而成。此印刷电路板在介质流动方向上的尺寸是60mm，而传感器就被安装在中间位置，同时PCB板的接地平面能够屏蔽产生的干扰信号。为了测量流体的流速，PCB板作为构成小型矩形流道的其中一个侧壁使用，并把硅芯片固定在这个厚度为0.5mm的刚性PCB板上的磨槽内。同一块PCB板沿着流动方向上15mm的测量距离是为了能够进行流体的冲击实验。为了在实验中减少震动，PCB板的前沿被加工成楔形状。然后把PCB板放置在圆柱形流道内的一个对称平面上。3.2冲击波发生器为了研究传感器对流体发生阶跃变化时的响应，发明了简单的冲击波发生器，其示意图如图5所示。将一只氮气球放置在一个直径为70mm，长度为250mm的PVC管中，利用气球被刺破时氮气产生的冲击压力形成冲击波。而用一个直径为2mm的释放孔来限制由冲击波引起的空气流。流量传感器则放在直径为16mm的流道内的一个对称平面上，可选在距离孔板300mm处或距离末端8.5m处，并且放在3/4直径处，这样能够使声波反射有足够的延迟时间。这样产生的冲击波是由与气球固有频率接近的由气球爆炸引起的声波叠加之后形成的。图5 与传感器相连的冲击波发生装置但是，这个简单的装置的最大缺点是流体步幅的重复性差，因为步幅取决于每一个气球的爆破压力。不过，冲击波气流可以选择一个小孔来加以限制。但为了能使传感器在恒功率模式下工作，小孔的孔径要小于2mm，以避免流体被对流冲击波过度冷却。3.3动态特性当一个0.5V的偏置电压加在所有的锗热敏电阻两端时，流过每一个热敏电阻的电流可通过一个电压转换电路转换成一个随电流增加而增加的电压信号。这种偏置技术的优点是，对于每一个热敏电阻的小温度变化，转换器都能够直接输图6 最上面的两条曲线：在d=100m时，加热电阻耗散功发生突变时上下游出与各自热敏的温度变化曲线；最下面的一条曲线：加热电阻两端的电压变化曲线电阻的温度变化成正比的电压信号，且每一个隔膜热敏电阻的温度可以被数字存储示波器监视和记录。另外，加热电阻两端的电压变化将改变加热电阻的耗散功，使隔膜热敏电阻周围的温度做出相应的变化。图6显示了加热电阻两端电压产生阶跃性变化时所引起的上下游隔膜电阻周围温度变化的实验结果。随着流速增加，响应时间和幅度都略有减少。从这些实验可以得出一个结论，那就是在温和的流速下，对流换热对隔膜温度变化的动态特性只起一个次要作用。图6 观察时间常量范围约为5ms，这个值近似于来自一维传热模型的值d2/2a，其中d 是温度传感器离加热源的距离，a是该隔膜的热扩散率。如果氮化硅的热扩散率取a=1.5×10-6/s时，d取较小值和较大值时，将分别有1ms和6ms的时间上延迟。相图7 d=35m时，上下游温敏电阻周围温度随冲击波的响应反，在硅芯片边缘没有温度的变化，这是一个非常重要的特性，能够在恒温工作模式下避免热损失。图7和图8显示了在加热电阻两端为恒压时，上下游区域受冲击波影响下，其温度随时间的响应，同时这些数字也计算出了平均温度和温度差。后者的流量传感器的输出信号是通过电子手段获得的。图7和图8的不同之处在与加热电阻和温度传感器之间的距离，分别是35mm和100mm，同时可得出更小的尺寸显示出更好的动态特性。图7和图8的共同特性是：（a）上游温敏电阻相比下游温敏电阻，其温度变化较大；(b)下游温敏电阻的温度一开始有所上升，最终稳定在一个较低值；（c）两者的平均温度远远低于它们的温度差；（d）被叠加在阶跃流体上的声音振荡被两者很好的解决。图8 d=100m时，上下游温敏电阻周围温度随冲击波的响应对于大多数流量传感器，其输出信号与上下游温敏电阻的温度差成正比。假设在隔膜电阻和流体之间的热量传递是非常迅速的，那么我们也就不难理解，当流体产生阶跃性变化时，这些输出信号的数值的反应也会是非常迅速的。冲击波的前沿，以Cs =340m/s声速的传播，所以横向通过隔膜电阻的时间为1s，这个问题在图7和图8中不能得出。前沿冲击波之后，流体的边界层形成，开始厚度为=0，在距离前沿x处的开始时间为t=ta=x/Cs。如果流体的温度与壁面的温度明显不同，那么在t=ta的时间里对流换热将会立马变得非常迅速。随后假设=0，=0根据公式可知，将增大，其中0是流体的运动粘度，0是冲击波之前的流体密度,和是对应于阶跃变化之后边界层之外流体的相应值15。边界层厚度的增加会导致热对流效应。为了尽可能减小加热区域，即使是在温和的流速下，由热耗散功产生的温度场不要深入流体太深。当然，指向平行与流体流动方向的表面温度梯度可以呈现很高的值。而且，在流向上隔膜电阻温度的升高或降低以及边界层的厚度变化将引起对流变化，进而而导致的热传递的变化。起初的边界层比较薄，也就意味着在表面附近的流体温度将快速升温至接近上游表面的温度。因此，在上游区域的对流总是提高了隔膜电阻表面的冷却效果。对横隔膜而言，流动的突然变化主要提高了横隔膜表面的热传导。与热传导过程有关的特征长度是离膈膜热敏电阻表面的距离d*，即该钝化了的氮化硅膜厚度，由于d*d，所以每一个热敏电阻都能够对热对流的突然变化作出反应。在下游区域能够观察到更复杂的响应结果，在这个区域，隔膜可能被流过的流体加热，而这种情况要则根据上游的传热情况而定。如果近壁面的流体温度高于壁面的温度，那么流体将作为高温热源与壁面之间发生热传导过程，这个过程在下游区域的表面高温度梯度的地方更容易发生。但是随着时间的推移，整个隔膜的平均温度将被热对流而冷却，这个情况可由图7和图8的“mean”曲线可知，且这种效应在下游占据主导地位。下降的横隔膜温度意味着表面温度分布也趋于平坦。随着时间的推移，表面温度梯度的降低意味着热对流加热效应的减小。有两个原因可能会导致下游最终温度的上升:第一，边界层随着时间持续增大将减小热对流的冷却效应；第二，伴有冲击波的流体的流速会随着气球内空气的减少而降低。加热电阻与隔膜温敏电阻之间距离的减小将导致在流动方向上更少的热量传递时间。因此，温度差曲线的上升时间和幅度减小，平均温度曲线也是一样。图7与图8做一个对比可发现，带宽的增加导致更大的振荡幅度，接近了一个台阶的高度。但是，必须说明的是，图7和图8只是一个典型瞬态响应的实验图。响应图很大程度上取决于阶跃信号的高度，并且与流体是减少还是增加有关。利用恒温法使用小型流量传感器的缺点是测量范围比较小，因为热对流冷却效应在高速流动的介质中，随着流体的增加，加热电阻、隔膜的加热温度将会变小，所以其输出电压也将减小。因此，如果在高速介质中使用，传感器的输出信号将不是流速的单调函数。为了拓宽测量范围，在隔膜电阻和流体之间建立一个稳定的温度场是必须的，这个要求可以用一个电控单元来实现。但是，这个温度控制器不能够在研究传感器动态特性的场合中使用。3.4 恒温模式所使用的电路模块如图9所示，其中的一个电子控制器是用来在两个隔膜热图9 传感器电路模块S-传感器芯片；SC-信号控制单元；-求和运放；A-差分运放；TREF-过热控制点；C-PI控制器；PL-功率限制器；DL-数字线性化单元；VL-线性化电压输出信号VNL-非线性化电压输出信号；HV-加热电阻电压信号敏电阻和衬底之间建立一个恒定的温差16。这相当于在整个流量范围内，加热电阻都处于过热状态。上述变化的耗散功不会引起基底热敏电阻温度的明显变化，这是一个重要的特性，可以避免在过热状态下的热失控。此由传感器隔膜的热特性决定的控制系统的动态特性限制了温度控制器的动态跟踪特性。隔膜热敏电阻的平均温度被用作温度控制器的输入信号，因为其反应比较慢。若在恒过热状态下利用温差信号，虽然传感器的热过载灵敏度的增益，但这样可以得到更大的带宽。但是为了利用传感器全带宽的优势，如果减小流量的测量范围可以接受的话，可以使用恒功率模式。两个膜电阻的温度差用来生成输出信号，通常与介质的流速成非线性关系，不管是在恒温模式还是在恒功率模式下。线性的最大优点是符合任何物理测量。如果响应时间25ms可以接受的话，直接正比于流速值的输出信号可以通过使用数字查表方式获得，这种方式还可以弥补传感器结构的不对称，并在不同流量下校正传感器14。4测量及结果为了给出一个非常完整的传感器性能概述，典型的实验结果介绍如下图10所示的是在恒温模式下的校正后的曲线。载有传感器的PCB板被沿着图10 恒温模式下的输出电压信号-空气流速曲线流速方向固定在风洞中。曲线的轻微不对称是由实际结构与完美的几何对称有轻微偏差引起的。这种不对称是受衬底背面的蚀刻窗口的不对称影响。上面所说的空气流可以通过一个能在50mm直径的玻璃管中心最高产生200m/s的流速的速度控制器来获得，并且可获得的测量范围如图11所示。传感器被齐平的安置在一个0.45mm高，1.2mm宽的矩形流道内。低流速可由注射泵产生，而一个标准的2l/min的质量流量控制器用来产生高流速。图11 传感器输出信号-空气流速曲线（恒温模式23K-;10K-；恒功率模式-）对空气来说，图11显示了其流量的测量范围可以从0.6ml/h到150000ml/h，对应于平均流速为0.31mm/s 到75m/s。两条单调递增的特征曲线属于恒温模式，温度分别为23k和10k。对应于4mW恒功率模式下的第三条特征曲线显示在高流速下传感器的信号减弱。与恒功率模式相比，恒温模式把流速测量范围的上限提高了两个数量级。在恒温模式下，为测量高于10ml/s的流速，其质量流量传感器可以通过使用独立的加热器14。从图11可知，传感器信号的变化为5个数量级，而流速的变化为3个数量级。因此，非线性传感器的特性可以压缩两个数量级，如果信号要被转化成数字信号，则可视为一种优点。基于16位模数转换器，可以实现从±0.02ml/s到±40ml/s的全比例流速，其不确定度为1.67×10-4，测量精度为1%，这是线性传感器可测量范围的3倍。5 实验结果非晶状锗热敏电阻具有超过10-4K的高温度分辨率，以及非常出色的流量灵敏度。因此，基于此热敏电阻的微型流量传感器，在恒温模式下工作时具有快速响应能力，以及能够测量至少4个数量级的流速。由于热敏电阻具有高温度分辨率， 所以只要几K的温度都可以产生比较宽的测量范围。现在已经发明了一种传感器，它能够在50mm口径的流管内测量0.01200m/s的空气流速，与此同时，在微流道内的空气流速可以减小到0.001m/s。而且，通过设置合适的微流道，传感器至少可以测量超过5个数量级的流速。瞬时高速的流速可以通过一个简单的装置在几毫秒的时间里使流量产生阶跃变化的方法来实现。用这种方式产生的冲击波可以通过一个合适的流道连接头，作为一个简单的方法来研究微型流量传感器的瞬时响应。而且，这种传感器对流速突变的响应时间小于2ms，不过传感器隔膜对储存在内部的热量的散热能力比较小。在一些特殊的应用场合，合理选择控制电路也许是必要的18，并且，基于数字控制器的电路在今后的工作中将予以考虑。此外，为了能够获得更短的时间效应，将设计更先进的传感器。一、 原文Development of miniaturized semiconductor flow sensorsF.Kohl，R.Fasching，F.Keplinger，R.Chabicovsky,A.Jachimowicz,G.Urban AbstractMiniaturized flow sensors based on thin film germanium thermistors were developed offering high flow sensitivities and short response times. The thermistors are placed on a silicon nitride diaphragm carried by a silicon frame. Using the 3 controlled overtemperature scheme the measurable airflow rate ranges from 0.6 to 150 000 cm /h. In this paper we mainly report on the dynamic properties of the sensor. The response of the sensor to step changes of the heater power will be compared with its response to shock waves for both the constant power mode and the constant overtemperature operating mode. A simple arrangement for the generation of acoustic shock waves will be presented.1IntroductionThere is a growing demand of micro-flow sensors for industrial, automotive, domestic and medical applications. The measuring principle can be based on thermistors, thermopiles, pyroelectric elements, pn-junctions, resonating microbridges, Prandtl tubes and several other effects 110. Micromachining is adopted to achieve high sensitivity, quick response and low power consumption。One important application of flow sensors is the measuring of the instantaneous air intake of combustion engines. Knowledge of this combustion process parameter is essential if one tries to minimize both the engines fuel consumption and the pollution of the environment. For the development of such engines a wide velocity measuring range and high resolution monitoring of the time course of the air velocity is desirable.The electrocalorimetric flow sensor presented here is based on a heat transfer principle in which a heated body is cooled by a passing flow and the local rate of cooling depends on the flow velocity 11. The sensor is based on the so-called hot film flow measurement method. A very thin silicon nitride diaphragm supported by a micromachined silicon frame is mounted flush with the wall of a flow channel as shown in Fig. 1. A thin film heating resistor is embedded in the diaphragm to obtain a symmetric surface temperature distribution. Two diaphragm thermistors measure the temperature in a position upstream and downstream of the heater. Fig.1.Schematic cross-section of a typical hot film flow sensor and temperature distribution along the diaphragm. H, heater; DT1,DT2, diaphragm temperature sensors. A tangential flow disturbs the thermal symmetry. Heat is carried from the heated diaphragm when the initially cold fluid passes over the heated surface. Since the fluid temperature increases in the direction of flow the cooling effect is reduced in the down-stream area. In this area the fluid temperature may become even higher than the surface temperature resulting in a local heating of the diaphragm. Thus a temperature difference between the cooled upstream area and the less cooled (or heated) downstream area occurs. This temperature difference can be converted into an output voltage, which is used as a measure for the fluid velocity or mass flow. The flow range and sensitivity is strongly influenced by the distance between the heater and the temperature sensors 2,12. With asymmetric arrangements the shape of the output characteristic (temperature difference versus flow rate) can be significantly changed10,13We have developed a symmetric micromachined semiconductor flow sensor capable of measuring bidirectional flow. Extensive characterization of the sensor was done exhibiting excellent flow sensitivity and an extremely wide measuring range. Furthermore, a thorough investigation of the dynamic behaviour of the sensor was carried out.2 Sensor construction and technologyA (100) silicon wafer has been used for the fabrication of the sensor. The chip size is 234 mm and the thickness is 0.3 mm. Two thin film thermistors are placed symmetrically to a central heater on an 800-nm thick silicon nitride diaphragm (Fig. 2).Additional thermistors are arranged at the rim of the silicon chip. These so-called substrate thermistors are used to measure the fluid temperature, which is close to the substrate temperature. Fig.2.Schematic cross of the sensor. The size of the diaphragm is 0.5×1.1mmAll thermistors are fabricated by evaporation of amorphous germanium onto comb-shaped electrodesfig.3Fig.3One major advantage of this type of high temperature-resolution thermistors is that reliable flow sensing operation is possible with only a small temperature difference between the heater and the fluid. The presented sensor operates with heater overtemperatures less than 25 K. Full resolution is already obtained with a heater overtemperature of 10K. However, the increase of the fluid temperature caused by the heater is much smaller than these overtemperatures. So the sensor is especially applicable in such cases where the heater must not cause a significant increase of the fluid temperature. The maximum electrical power rating of the heater is 40 mW if the fluid is air. However, the typical operating power is about 4 mW, which corresponds to a heater voltage of 3 V. Both platinum and nichrome have been applied as the heater material. Furthermore, narrow pair tolerances of the thermistor characteristics are important to achieve high resolution in temperature difference measurements. Nonetheless a high precision of the sensor geometry is necessary for an offset free bi-directional sensor characteristic. Both the heater and the thermistors exhibit small dimensions in the nominal flow direction and large extents perpendicular to this direction. These extreme aspect ratios of heater and thermistor area were chosen for four reasons: (a) to achieve a pronounced directional characteristic for the flow sensitivity, (b) to avoid delay of response due to thermal propagation times, (c) to achieve suitable resistance values of the thermistor and the heater, and (d) to ensure a uniform local temperature throughout the amorphous germanium area under static and dynamic heat transport conditions. Furthermore, due to the high aspect ratio a one dimensional modeling of heat conduction in the diaphragm and two-dimensional models for heat convection are sufficient for basic considerations. The thin film structures were produced on a wafer, which has first been covered by a silicon nitride layer. Then a low stress silicon nitride protective film is deposited nearly at room temperature using a PECVD process. The low deposition temperature prevents the germanium film from recrystallization. Both silicon nitride layers form the diaphragm of the micromachined sensor. Silicon nitride exhibits a low thermal conductivity resulting in high flow sensitivity The thermal conductivity of silicon nitride is about 2.3 W/m?K as compared to 150 W/m?K for silicon. A further advantage of the silicon nitride diaphragm is its small thickness resulting in a small thermal conduction. The 800-nm thick diaphragm used in our sensor has been proved to be very stable in a tangential flow (Fig. 2).Amorphous germanium exhibits high values of both the resistivity and its temperature coefficient. The temperature coefficient of resistance (TCR) is approximately 22%/K and the resistivity is about 5 V m at room temperature. Measurements of the temperature dependence of the thermistor resistance between 77 and 330 K revealed, that the electrical conduc