基于EIT技術(shù)的氣流傳感器及其實(shí)驗(yàn)研究

蔣明霞 李偉華 張 良 葛宇昊

(東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

基于EIT技術(shù)的氣流傳感器及其實(shí)驗(yàn)研究

蔣明霞 李偉華 張 良 葛宇昊

(東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

提出了一種新型的、基于電阻抗斷層成像技術(shù)進(jìn)行氣流傳感的微機(jī)電(MEMS)傳感器結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)造為覆蓋在加熱器件之上的半導(dǎo)體硅薄膜以及位于硅薄膜四周的16個(gè)金屬電極.首先，在金屬電極對(duì)中注入電流，并根據(jù)相鄰測試規(guī)則測量其他電極對(duì)間的電壓;然后，改變電流注入位置并測量電壓，得到208個(gè)電壓值;最后，利用成像軟件將電流和電壓參量轉(zhuǎn)換為電阻率分布圖像.氣流流動(dòng)所導(dǎo)致的熱場分布變化將引起薄膜電阻率的分布發(fā)生變化.氣流傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣流方向、速度的變化能夠采用圖像的方式清晰、直觀地進(jìn)行描述.研究結(jié)果為MEMS傳感器設(shè)計(jì)提供了新的方案與技術(shù).

電阻抗斷層成像;微機(jī)電氣流傳感器;電阻率分布圖像

電阻抗斷層成像(electrical impedance tomography，EIT)是一種圖像重建技術(shù).該技術(shù)通過在導(dǎo)電物體表面施加激勵(lì)電流，并測量分布電壓，來獲知物體內(nèi)部導(dǎo)電參數(shù)的分布(如物質(zhì)的電阻率分布)，進(jìn)而重建出反映物體內(nèi)部變化的圖像［1-2］.如果導(dǎo)體電阻率是均勻的，則注入電流的分布曲線以及產(chǎn)生的等電勢分布曲線是平滑變化的;如果導(dǎo)體電阻率由于某種原因不再均勻時(shí)，注入電流的分布將發(fā)生變化，測得的電壓也會(huì)隨之發(fā)生變化［3］.電阻率分布成像算法的核心是實(shí)現(xiàn)電磁場理論中正、反問題的求解［4-5］.

EIT最初出現(xiàn)時(shí)是用于醫(yī)學(xué)診斷中的，類似于CT的作用，用于顯示、分析人體內(nèi)部組織器官的病變.1987 年，Brown［6］建立了第 1 個(gè)完整的 EIT 數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有16個(gè)激勵(lì)及測量電極，以每秒10幅圖像的速度獲取數(shù)據(jù)，供臨床基礎(chǔ)研究應(yīng)用.目前，在頭顱、胸肺以及乳腺的醫(yī)學(xué)診斷中，運(yùn)用該技術(shù)已獲得了較好的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果.除了在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用外，EIT技術(shù)還可以應(yīng)用于地質(zhì)勘探、金屬探傷等工業(yè)活動(dòng)中，便攜快速的成像特點(diǎn)使得EIT技術(shù)在這些領(lǐng)域中有著獨(dú)特的優(yōu)勢.

近年來，學(xué)者們開始將EIT技術(shù)應(yīng)用于傳感方面，目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段.2008年，Brian等［7］發(fā)表了對(duì)于溶劑中物質(zhì)區(qū)分與定位的研究報(bào)告，在含有16個(gè)電極的圓盤中放置凝膠，并在不同部位放置鹽水、黃瓜和香蕉，EIT成像清晰地顯示出不同材料的電阻率變化以及相關(guān)材料的具體位置.Nagakubo等［3］將EIT技術(shù)應(yīng)用于外力傳感中，實(shí)驗(yàn)中采用四周均勻分布偶數(shù)個(gè)電極的圓形導(dǎo)電橡膠板，根據(jù)激勵(lì)電流的大小以及采集到的電壓數(shù)據(jù)，獲得電阻率分布圖像，圖像清楚地顯示了力的作用位置和大小.

本文提出了一種基于EIT技術(shù)進(jìn)行氣流傳感的16電極微機(jī)電(MEMS)傳感器結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于EIT技術(shù)的MEMS流體傳感器可以有效地反映出敏感材料電阻率及其分布隨流體作用而發(fā)生的變化情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于外界物理量的傳感.引起導(dǎo)體電阻率分布變化的作用量大小、位置可以通過EIT技術(shù)再現(xiàn)，獲得的結(jié)果具有圖像數(shù)據(jù)的性質(zhì)，具有分布場的表現(xiàn)形式，這與目前MEMS傳感器主要以集總參數(shù)表示的方式具有很大不同.

1 基于EIT技術(shù)的氣流傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 MEMS氣流傳感器結(jié)構(gòu)

根據(jù)EIT技術(shù)的基本原理，實(shí)驗(yàn)中首先需要一個(gè)對(duì)流體速度和方向敏感的分布電阻.眾所周知，半導(dǎo)體薄膜的電阻率除了與摻雜濃度相關(guān)外，還與溫度相關(guān).流體在運(yùn)動(dòng)過程中必定會(huì)帶走或帶入熱量，引起溫度場的變化.因此，可以采用摻雜半導(dǎo)體薄膜并對(duì)其加熱，形成初始的均勻電阻率分布;然后引入具有速度和方向的流體，使其通過半導(dǎo)體薄膜表面并帶走熱量，從而使溫度場發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電阻率分布發(fā)生變化.

圖1為基于EIT技術(shù)設(shè)計(jì)的MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖.圖中，A-A剖面圖和B-B剖面圖說明了傳感器縱向結(jié)構(gòu);1為半導(dǎo)體硅襯底;2為采用摻雜技術(shù)制作的發(fā)熱電阻;3為用于均熱的二氧化硅層;4為圓形的多晶硅薄膜;5為電流激勵(lì)和電壓檢測的金屬電極，共16個(gè);6為發(fā)熱電阻的連接電極，共2個(gè);7為發(fā)熱電阻的連接電極引線孔，共2個(gè).

圖1 基于EIT技術(shù)設(shè)計(jì)的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

目前尚沒有一個(gè)可以模擬分析基于EIT技術(shù)的MEMS傳感器的計(jì)算機(jī)軟件.因此，本文采用硬件實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)設(shè)計(jì)的可行性和傳感器性能進(jìn)行模擬.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒖嘉墨I(xiàn)［8-10］所采用的測試基本架構(gòu)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).模擬傳感器采用具有一定電阻率的半導(dǎo)體硅薄膜，選擇電阻率為4×10－3～6×10－3Ω·cm 的 P型〈100〉硅片進(jìn)行熱氧化，形成絕緣層;然后，光刻金屬電極的接觸區(qū)圖形，濺射1 μm厚的Al膜，形成金屬電極圖形.

圖2 基于EIT技術(shù)的流體傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在硅薄膜四周均勻制作了16個(gè)金屬電極，并將傳感器置于具有恒溫特性的電熱板上加熱.模擬開關(guān)用于控制激勵(lì)電流注入電極的選擇與測量電壓位置的選擇.采集得到的電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡娮杪史植加?jì)算的輸入信息.成像計(jì)算軟件用于重構(gòu)電阻率分布的圖像.實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，以氣流作為測試流體.

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

根據(jù)圖2所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所搭建的實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)見圖3.其中，圖3(a)中所示為測試系統(tǒng)設(shè)備，包括熱板、電流源、電壓表以及模擬開關(guān)控制板等;圖3(b)則顯示了風(fēng)源的位置，風(fēng)源距樣品邊界約5 cm.為確保樣品表面熱場只在可控的區(qū)域范圍內(nèi)變化，將出風(fēng)口近似設(shè)定為邊長2 mm的正方形，出風(fēng)溫度為室溫.

實(shí)驗(yàn)中，首先測量本底電阻率，激勵(lì)電流選擇為80 mA.根據(jù)EIT技術(shù)的相鄰測試規(guī)則［3］，在一對(duì)金屬電極中注入電流，測量其他電極對(duì)間的電壓，可獲得13個(gè)電壓數(shù)據(jù);改變電流注入位置，繼續(xù)測量電壓.以此類推，共可采集13×16=208個(gè)電壓值.表1給出了電流注入電極位置以及其他各電極對(duì)的本底電壓測量值.從表中數(shù)據(jù)可以看出，電壓先逐漸減小，而后逐漸增加，完全符合等位線分布的規(guī)律.

然后，對(duì)樣品進(jìn)行加熱.設(shè)定加熱溫度為100℃，待加熱環(huán)境充分穩(wěn)定后，打開風(fēng)源.當(dāng)風(fēng)場穩(wěn)定后，施加80 mA的激勵(lì)電流，再次采集邊界電壓數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2.比較表1和表2可知，表2中的電壓值均較表1中的數(shù)據(jù)有所增大，表明加熱后薄膜電阻率變大.

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片

最后，將2次測量的電壓數(shù)據(jù)輸入計(jì)算軟件，得到風(fēng)場作用下電阻率的分布(見圖4).圖中可明顯看出風(fēng)源的方向，且靠近風(fēng)源處的電阻率最小.此外，還可發(fā)現(xiàn)，最大電阻率和最小電阻率的比值約為2.顯然，風(fēng)速越大，電阻率的差別越大.

表1 本底電阻率下各電極對(duì)邊界電壓測量值 mV

表2 特定熱場分布下各電極對(duì)邊界電壓測量值 mV

圖4 電阻率分布圖

3 結(jié)語

本文提出了一種新型的基于EIT技術(shù)進(jìn)行氣流傳感的MEMS傳感器結(jié)構(gòu).研究結(jié)果表明，EIT技術(shù)可以有效地反映敏感材料電阻率及其分布變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于外界物理量的傳感.引起導(dǎo)體電阻率分布變化的作用量大小、位置可以通過電阻抗斷層成像(EIT)技術(shù)再現(xiàn)，且獲得的結(jié)果具有圖像數(shù)據(jù)的性質(zhì)，展現(xiàn)為分布場的表現(xiàn)形式，非常接近有限元的分析結(jié)果.顯而易見，許多半導(dǎo)體材料會(huì)因?yàn)閼?yīng)力、溫度、形狀等的改變而產(chǎn)生電阻率變化.這一特點(diǎn)為采用EIT技術(shù)進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了技術(shù)保證，基于圖像描述的傳感方法也為傳感器設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)路徑.

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Gaseous flow sensor based on EIT and its experimental study

Jiang Mingxia Li Weihua Zhang Liang Ge Yuhao
(Key Laboratory of MEMS of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

A novel structure of micro-electro-mechanical gaseous flow sensor based on electrical impedance tomography(EIT)is developed.The gaseous flow sensor consists of a silicon film over the heater and 16 metal electrodes surrounding the film.First，the excitation current is injected through a couple electrode and voltages are measured between other electrodes.Then，the sites of the electrodes of current are changed and the voltages are measured again.208 voltage values are obtained.Finally，these values of the currents and voltages are transformed to the resistivity distribution image by using imaging software.The change of thermal field by gas flowing can induce the distribution change of the film’s resistivity.The experiment results show that the change of the speed and direction of flow can be truly and clearly described with images，which provides a novel method and technique for the design of micro-electro-mechanical gaseous flow sensor.

electrical impedance tomography(EIT);micro-electro-mechanical gaseous flow sensor;resistivity distribution image

TN407

A

1001－0505(2012)06-1117-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.018

2012-03-26.

蔣明霞(1963—)，女，工程師;李偉華(聯(lián)系人)，男，教授，liwh@seu.edu.cn.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2009AA04Z322).

蔣明霞，李偉華，張良，等.基于EIT技術(shù)的氣流傳感器及其實(shí)驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(6):1117-1121.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.018］