mems应变式结冰传感器

mems应变式结冰传感器

传感器广泛应用于航空、能源等领域。例如,云层中的过冷水滴或水蒸气碰到飞机机体,或天空中的过冷水滴或湿雪碰到低于零摄氏度的输电线,会发生附着结冰现象,引起事故。因此需要结冰传感器对机体或导线表面的结冰情况进行实时监测,及时将冰冻除去。目前提出的几类典型的结冰传感器有光学式、电学式和机械式等。光学式结冰传感器,如:摄像式、光纤式、红外阻断式等,要求被测物具有防震功能,否则检测精度大大降低。摄像头上有结冰时还会导致摄像法的失效。电学式结冰传感器,如:电容式、电阻式等,检测灵敏度和精度不高,且对冰的状态和成分(如:透明冰还是霜冰,冰中含杂质的种类和比例等)不很敏感,冰的状态和成分的不确定性会造成检测值的不确定性。机械式结冰传感器,如:磁致伸缩振筒式,压电平膜式等,检测灵敏度高,但其制作工艺与IC工艺不兼容,难以适应传感器微型化、智能化的要求。美国NASA提出过一种基于MEMS工艺的电容式结冰传感器,但其制作工艺复杂,使用键合工艺容易引入应力;输出信号为微小的电容变化,检测十分困难。本文提出了一种MEMS应变式结冰传感器,与光学式和电学式相比,检测可靠性高、灵敏度高;与机械式相比,制作工艺与IC工艺兼容;与MEMS工艺制作的电容式结冰传感器相比,制作工艺简单,且通过惠斯通电桥输出电压信号,检测容易。1anasas仿真结果MEMS应变式结冰传感器的结构剖面示意如图1所示。传感器敏感元件为周边固支的正方形平膜,平膜上制作有应变电阻RM和RD。固支结构为回形框,上面制作有应变电阻RF。RD称为检测电阻,用来检测平膜表面应力变化;RF称为参考电阻,与检测电阻在传感器内部构成双臂电桥;RM称为融冰电阻,通电流产生焦耳热,将平膜上的冰融化。当平膜受到均布压力p作用时,平膜变形,表面出现应力分布。以平膜中心为坐标原点,以通过平膜中心且平行于平膜边的直线为坐标轴,建立二维坐标系。平膜表面x方向和y方向正应力分布分别为σx=-2WE1-μ2⋅tl2[(3x2l2-1)(y2l2-1)2+μ(x2l2-1)2(3y2l2-1)〗(1)σx=−2WE1−μ2⋅tl2[(3x2l2−1)(y2l2−1)2+μ(x2l2−1)2(3y2l2−1)〗(1)σy=-2WE1-μ2⋅tl2[(x2l2-1)2(3y2l2-1)+μ(3x2l2-1)(y2l2-1)2〗(2)σy=−2WE1−μ2⋅tl2[(x2l2−1)2(3y2l2−1)+μ(3x2l2−1)(y2l2−1)2〗(2)式中,x、y为坐标值,t为平膜的厚度,l为平膜边长的一半,p为作用在平膜上的均布压力,μ为泊松比,E为平膜材料的杨氏模量,W为均布压力p作用下平膜的最大法向位移,W=49p(1-μ2)192E⋅l4t3W=49p(1−μ2)192E⋅l4t3。令式(1)中y=0,得到x方向在直线y=0,即x轴上的正应力分布公式,为σx(y=0)=-2WE1-μ2⋅tl2[-(xl)4+(2+3μ)(xl)2-μ](3)σx(y=0)=−2WE1−μ2⋅tl2[−(xl)4+(2+3μ)(xl)2−μ](3)为了得到σx(y=0)的分布曲线,不妨取作用在平膜上的均布压力为p=60kPa,传感器材料的泊松比μ=0.22,杨氏模量E=165GPa,平膜边长2l=3mm,厚度t=60μm。计算得平膜最大法向位移为W=2.281μm。为简化公式,不妨取k=-2WE1-μ2⋅tl2=42.25k=−2WE1−μ2⋅tl2=42.25MPa,z=x/l,式(3)简化为σx(y=0)=k(-z4+2.66z2-0.22)(4)式(4)函数曲线如图2所示,图中x单位为l,σx(y=0)的单位为k。从图2中可以看出,x方向正应力的最大值分布在平膜边的中点。用有限元分析软件ANSYS仿真周边固支的正方形平膜上表面x方向正应力分布。选取的仿真参数为:单元(Element)类型SOLID92,将传感器材料视作线性、弹性、各向同性,杨氏模量165GPa,泊松比0.22,密度2.33g/cm3,平膜边长3mm,厚度60μm,载荷为60kPa均布压力。结果如图3(a)所示,图中平膜最大法向位移DMX的单位为μm,最大应力SMN(背面压应力)和SMX(正面拉应力)的单位为MPa。ANSYS仿真结果与理论计算结果基本一致。从图3(a)中可以看出:①最大应力分布在平膜固支边缘的中点位置,即图3中x轴与平膜边的交点附近;②y轴与平膜边缘的交点附近也有一个应力峰值,但此处的应力峰值远小于x轴与膜片边缘的交点附近的应力峰值,即沿平行于坐标轴方向的应力远大于沿垂直于坐标轴方向的应力,说明应力方向主要沿垂直于平膜边缘的方向的,而平行于平膜边缘方向的应力分量很小。不妨将图3(a)中x轴与平膜边缘的交点附近的应力峰值称为最大应力SMX。当平膜表面有结冰时,平膜刚度增大,变形量减小,最大应力SMX也相应地减小。结冰厚度越厚,平膜刚度越大,SMX减小的越多,SMX的减小量与结冰厚度为严格的单调关系。因此可以通过检测SMX变化来检测结冰厚度。用ANSYS仿真不同结冰厚度对应最大应力SMX的值。仿真参数除上文中参数外,取冰材料为线性、弹性、各向同性,杨氏模量4GPa,泊松比0.1,密度1g/cm3。绘制仿真结果中的SMX值随结冰厚度的变化曲线如图3(b)所示。由下文式(16)可知,理论输出电压VD与最大应力SMX近似成正比,因此图3(b)也可看做ANSYS仿真得出的结冰检测曲线。不妨将检测电阻所受应力视为SMX,平膜受均布压力作用变形时,受结冰影响,检测电阻RD变化ΔRD,根据电阻应变效应ΔRD/RD=K·SMX(5)式中K为常数。MEMS应变式结冰传感器,在平膜固支边缘中点附近用磁控溅射工艺制作Pt薄膜电阻应变片,用应变片检测SMX的变化。上文分析图3已知:最大应力SMX位于平膜固支边缘的中点附近,方向主要沿垂直于平膜边缘的方向。因此磁控溅射制作的电阻应变片位置在固支边缘的中点附近,方向垂直于平膜边缘,这样得到的应变式传感器检测灵敏度最高。为了减小横向效应造成的灵敏度损失,制作的应变片平行于平膜边缘方向的尺寸远小于垂直于平膜边缘方向的尺寸。根据电阻应变效应,应变电阻的阻值变化除了与应力成正比外,还与应变电阻本身的阻值成正比。因此要想检测灵敏度足够高,应变电阻本身的阻值也应足够大,传感器版图如图4所示。图中小的正方形虚线框内为周边固支的正方形平膜轮廓,虚线框外为回字形固支框。方形平膜厚度约为60μm,回形固支框厚框厚度约为300μm。虚线框内平膜边缘中点附近的四个Pt应变电阻,每两个组成一个检测电阻RD。当方形平膜发生变形时,RD能感受到应力作用,阻值大小随平膜变形量的变化而变化,用来检测SMX的变化。虚线框外回字形框上的四个Pt应变电阻每两个组成一个参考电阻RF。RF的阻值与平膜变形量无关,即不论平膜形变量如何变化,RF的值保持不变,用来与检测电阻一起组成双臂电桥,提高了检测灵敏度。检测电阻、参考电阻的形状和厚度完全相同,制作材料都是Pt,因此阻值完全相等。当外界温度变化时,检测电阻和参考电阻阻的值受温度影响相同。检测电阻和参考电阻组成双臂电桥,可以将大部分温度漂移去除。2磁控水质薄膜的制备传感器制作完全基于MEMS工艺,制作工艺与IC工艺兼容,主要工艺步骤如图5所示。厚度3000Å厚的氮化硅层做应变电阻的绝缘衬底和后续KOH恒温水浴工艺的掩膜。为了减小单晶硅和氮化硅之间由于热膨胀系数不同而产生的热应力,生长氮化硅前,先在硅片上生长一层厚2000Å的氧化硅层,作为热应力缓冲层。在氮化硅层上光刻应变电阻图形,所用光刻胶为正胶薄胶AZ1500。用磁控溅射工艺在光刻面制作厚1500Å的Pt金属层,为了增强电极的附着性并减小电极向衬底的扩散,溅射Pt电极之前先溅射300Å～500Å厚的Cr金属层作为缓冲层。然后用lift-off方法剥离掉多余的Pt金属,完成应变电阻和芯片上导线焊盘的制作,制作的检测电阻和参考电阻的阻值约为2.47kΩ,融冰电阻的阻值约为0.9kΩ。背面蒸发一层1000Å厚的Al金属层,做后续RIE和DRIE工艺的掩膜。背面套刻光刻正方形凹槽图形,并用热磷酸腐蚀Al,将图形转移到Al金属层上。用RIE干法刻蚀工艺在背面刻蚀掉图形内的氮化硅和氧化硅层。为保证凹槽侧壁的陡直度,减小实际制作的平膜尺寸与理论分析平膜尺寸的差别,先用DRIE深刻蚀工艺刻蚀约150μm的深度,再用33.3%的KOH溶液,在恒温80℃水浴环境下做湿法腐蚀,最后剩下约60μm厚的正方形平膜。与传统应变电阻相比,用磁控溅射工艺制作的应变电阻弹性和延展性好,弹性后效和蠕变效应小,不易产生金属疲劳,使用寿命长,响应速度快,灵敏度高。用MEMS工艺制作的传感器芯片的SEM图如图6所示。3应变电阻通电流的选择传感器的温度补偿及信号检测电路如图7所示。电路主要由三部分组成:AD620组成的结冰信号检测电路、A1组成的温度信号检测电路和A2组成的温度补偿电路。图中检测电阻RD和参考电阻RF组成双臂电桥,仪表放大器AD620对电桥输出的结冰信号进行放大。用AD620做放大电路的优点是:输入电流小,对电桥的分流作用小;线性度好;放大倍数可通过外接电阻调节。由于工艺不可能理想均匀,制作的应变电阻、参考电阻阻值不可能绝对相等,因此用电位器RP1调节电桥零点平衡。放大器A1的作用有两个,一是为双臂电桥提供横流驱动,即无论电桥的阻值RD和RF如何变化,流过双臂电桥的总电流恒定不变。将整个双臂电桥看做一个Pt电阻,阻值与R2近似相等,放大器A1正负输入端的电位约为V-=V+=R2R1+R2⋅VCC(6)因此流过电桥的电流约为Ι=VCC-V-R1=VCCR1+R2(7)放大器A1的另一个重要作用是输出温度信号,可以将整个双臂电桥看做一个Pt电阻,用来检测温度信号。温度对应变电阻阻值的影响主要有:①应变电阻本身具有的电阻温度系数,阻值变化与温度变化成正比;②由于应变电阻与衬底的热膨胀系数不同,温度变化时衬底对应变电阻产生热应力作用。当温度变化ΔT,温度变化引起的热应力为Δσ,电阻随温度变化为ΔRDΤ=RD(αΔΤ+ΚΔσ)ΔRFΤ=RF(αΔΤ+ΚΔσ)(8)应变电阻随结冰厚度变化为ΔRD=ΚRD⋅SΜXΔRF=0(9)温补前的输出信号为VD≈Ι2(2ΔRD+2ΔRDΤ-2ΔRFΤ)=Ι(ΔRD+ΔRDΤ-ΔRFΤ)(10)温度信号为VCT≈-I(ΔRDT+ΔRFT)(11)将式(8)和式(9)代入式(10)和式(11)得到VD≈ΚΙRD⋅SΜX+(RD-RF)(ΙαΔΤ+ΙΚΔσ)VCΤ≈-(RD+RF)(ΙαΔΤ+ΙΚΔσ)(12)温度补偿后的输出信号为Vout=K1VD+K2VCT≈K1KIRD·SMX+D+RF)-K1(RD-RF)(IαΔT+IKΔσ)(13)可以调节电路参数,使K2(RD+RF)-K1(RD-RF)=0(14)即K1/K2=(RD+RF)/(RD-RF)(15)此时输出信号温度漂移VOUTT≈0。输出信号为VD≈K1KIRD·SMX(16)由式(16)可知温补后的输出信号VTout与最大应力SMX成正比,因此输出信号随结冰厚度变化曲线与图3(b)形状完全相同。用MEMS应变式结冰传感器检测结冰的一个缺点就是应变电阻通电流会产生焦耳热,影响平膜表面的结冰,使平膜表面和被测物体表面的结冰条件不再相同。但经过估算发现,惠斯通电桥的驱动电流约为1.25mA,驱动电流流经检测电阻时产生的焦耳热约为0.96×10-3J,远小于冰融化所需的热量336J/g。因此检测电阻产生的焦耳热对平膜结冰的影响可以忽略。3结论和实验测试用温度-40℃的冰箱做结冰实验时,由于冰箱温度控制有一定的滞后性,导致冰箱温度并不是固定在-40℃不变,而是在-40℃到-35℃之间来回周期性变化。温度周期性变化引起的仪表放大器AD620输出信号的温度漂移如图8所示。放大器A1输出的温度补偿信号如图9所示。经过温度补偿后,放大器A2输出信号的温度漂移如图10所示。经过温度补偿,温度漂移信号由约15mV减小到了3mV。从下面的结冰实验可知,3mV的温度漂移与结冰信号相比已经很小,在简单定量结冰实验中,已经基本符合要求。在-40℃低温环境下,用喷雾设备定时向传感器喷水蒸气,结冰厚度与喷雾时间近似成正比,可以用喷雾时间近似模拟结冰厚度。取作用于平膜的均布压力值为60kPa,以15s为时间单位,每喷雾15s测一次数据,得到结冰检测曲线,如图11所示。将图11曲线和图3(b)比较,实验测试结果与ANSYS仿真结果基本一致。喷雾时间75s对应结冰厚度约为0.4mm,喷雾15s对应结冰厚度约为0.08mm。从图4(b)中可以看出,传感器检测结冰厚度的灵敏度优于0.1mm。向平膜喷雾使其结冰的过程为:首先受喷雾影响,平膜上原有的冰融化并与喷雾时附着在平膜上的水混合;其次混合的水膜凝固成光滑冰。因此图11所示为光滑冰厚度的检测结果。虽然实际应用中,物体表面的结冰可能为光滑冰、霜冰和混相冰,但正如同样厚度的三种类型的冰对平膜最大应力SMX影响不同,物体表面同样厚度的三种类型的冰对物体的影响也是不同的。原因在于三种类型冰的刚度、密度等参数