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硅基热温差式气体流量传感器的研究

薛宁  
【摘要】: 气体流量是工业生产和科学研究中的重要参数。近些年来,精细化工业和医学生物分析的发展,对气体流量的测量和控制要求越来越高。使用微加工工艺和IC技术制作的气体流量传感器具有体积小、测量精度高、响应速度快、低成本的优点,得到了广泛的应用。本课题利用微加工技术设计并制作了热温差式气体流量传感器,并对该传感器的特性进行了分析。 本文根据热温差式传感器的原理和有限元分析的结果,完成了气体流量传感器掩模版图的设计;采用热氧化和化学气相淀积方法制作了SiO_2和Si_3N_4绝缘薄膜,以增加传感器的稳定性;利用KOH湿法腐蚀方法在硅基芯片背面腐蚀了隔热硅杯,使芯片内的热场形成稳定分布;利用射频溅射的方法制作了Pt金属薄膜微加热器和温度传感器,用于在芯片内形成温度场和进行温度检测;采用电子束蒸发的方法制作了两种厚度的SiO_2钝化膜,防止环境对金属薄膜性能的影响。本文在硅衬底上设计了10个温度传感器,其中三对用于气体流量测量;另外四个测量传感器芯片和环境中的温度分布,以检测芯片工作状态。采用湿法腐蚀方法在玻璃基底上刻蚀出不同深度的气体沟道,将其与硅衬底粘接,构成了气体流量传感器芯片。搭建了气体流量传感器硬件控制和检测系统,包括温度及电压信号的采集、信号放大、模数转换、单片机、键盘控制、液晶显示、串口通信等。利用C++ Builder软件制作了上位机应用程序界面,实现了温度数据和流量数据的实时图形显示、数据的保存和数据分析等功能。 研究结果表明,Pt金属薄膜具有较高的加热效率和电阻温度系数;通过对三种不同沟道深度的芯片进行标定,可测量的气体流量分别为:2ml/min~4000ml/min、0.8ml/min~2800ml/min和0.4ml/min~1300ml/min,说明本文研制的气体流量传感器具有较高的灵敏度,较大的气体测量范围。


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