基于EIT技术的气流传感器及其实验研究

第４２卷第６期２０１２年１１月

东南大学学报（自然科学版）

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴ

Ｖ０１．４２

Ｅｄｉｔｉｏｎ）

ＮＯ．６

ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒａｌ

Ｓｃｉｅｎｃｅ

Ｎｏｖ．２０１２

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—０５０５．２０１２．０６．０１８

基于ＥＩＴ技术的气流传感器及其实验研究

蒋明霞

李伟华

张

良

葛宇昊

（东南大学ＭＥＭＳ教育部重点实验室，南京２１００９６）

摘要：提出了一种新型的、基于电阻抗断层成像技术进行气流传感的微机电（ＭＥＭＳ）传感器结构，其基本构造为覆盖在加热器件之上的半导体硅薄膜以及位于硅薄膜四周的１６个金属电极．首先，在金属电极对中注入电流，并根据相邻测试规则测量其他电极对间的电压；然后，改变电流注入位置并测量电压，得到２０８个电压值；最后，利用成像软件将电流和电压参量转换为电阻率分布图像．气流流动所导致的热场分布变化将引起薄膜电阻率的分布发生变化．气流传感实验结果表明，气流方向、速度的变化能够采用图像的方式清晰、直观地进行描述．研究结果为ＭＥＭＳ传感器设计提供了新的方案与技术．

关键词：电阻抗断层成像；微机电气流传感器；电阻率分布图像中图分类号：ＴＮ４０７

文献标志码：Ａ

文章编号：１００１—０５０５（２０１２）０６—１１１７－０５ＥＩＴａｎｄｉｔｓ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｖｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｉｃｒｏ．ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｇａｓｅｏｕｓｆｌｏｗ

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电阻抗断层成像（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｔｏｍｏ．体电阻率由于某种原因不再均匀时，注入电流的分布将发生变化，测得的电压也会随之发生变化∞Ｊ．电阻率分布成像算法的核心是实现电磁场理论中正、反问题的求解ｏ¨ｊ．

ＥＩＴ最初出现时是用于医学诊断中的，类似于ＣＴ的作用，用于显示、分析人体内部组织器官的病变．１９８７年，ＢｒｏｗｎＭｌ建立了第１个完整的ＥＩＴ数

ｇｒａｐｈｙ，ＥＩＴ）是一种图像重建技术．该技术通过在导电物体表面施加激励电流，并测量分布电压，来获知物体内部导电参数的分布（如物质的电阻率分布），进而重建出反映物体内部变化的图像【１引．如果导体电阻率是均匀的，则注入电流的分布曲线以及产生的等电势分布曲线是平滑变化的；如果导

收稿日期：２０１２４）３－２６．

作者简介：蒋明霞（１９６３一），女，工程师；李伟华（联系人），男，教授，ｌｉｗｈ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｅｎ．

基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００９ＡＡ０４２３２２）．

引文格式：蒋明霞，李伟华，张良，等．基于ＥＩＴ技术的气流传感器及其实验研究［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，２０１２，４２（６）：１１１７—１１２１

［ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—０５０５．２０１２．０６．０１８］

万方数据

１ｌ１８东南大学学报（自然科学版）第４２卷据测量系统，该系统具有１６个激励及测量电极，以位置可以通过ＥＩＴ技术再现，获得的结果具有图每秒１０幅图像的速度获取数据，供临床基础研究像数据的性质，具有分布场的表现形式，这与目应用．目前，在头颅、胸肺以及乳腺的医学诊断前ＭＥＭＳ传感器主要以集总参数表示的方式具中，运用该技术已获得了较好的临床实验结果．有很大不同．

除了在医学方面的应用外，ＥＩＴ技术还可以应用

于地质勘探、金属探伤等工业活动中，便携快速１基于ＥＩＴ技术的气流传感器实验

的成像特点使得ＥＩＴ技术在这些领域中有着独系统

特的优势．１．１ＭＥＭＳ气流传感器结构

近年来，学者们开始将ＥＩＴ技术应用于传感方根据ＥＩＴ技术的基本原理，实验中首先需要一面，目前尚处于实验研究阶段．２００８年，Ｂｒｉａｎ等…个对流体速度和方向敏感的分布电阻．众所周知，发表了对于溶剂中物质区分与定位的研究报告，在半导体薄膜的电阻率除了与掺杂浓度相关外，还与含有１６个电极的圆盘中放置凝胶，并在不同部位温度相关．流体在运动过程中必定会带走或带人热放置盐水、黄瓜和香蕉，ＥＩＴ成像清晰地显示出不量，引起温度场的变化．因此，可以采用掺杂半导体同材料的电阻率变化以及相关材料的具体位置．薄膜并对其加热，形成初始的均匀电阻率分布；然Ｎａｇａｋｕｂｏ等＂１将ＥＩＴ技术应用于外力传感中，实后引人具有速度和方向的流体，使其通过半导体薄验中采用四周均匀分布偶数个电极的圆形导电橡膜表面并带走热量，从而使温度场发生变化，进而胶板，根据激励电流的大小以及采集到的电压数导致电阻率分布发生变化．

据，获得电阻率分布图像，图像清楚地显示了力的图１为基于ＥＩＴ技术设计的ＭＥＭＳ风速风向作用位置和大小．传感器的结构示意图．图中，Ａ．Ａ剖面图和Ｂ一曰剖

本文提出了一种基于ＥＩＴ技术进行气流传感面图说明了传感器纵向结构；ｌ为半导体硅衬底；２的１６电极微机电（ＭＥＭＳ）传感器结构．实验结果为采用掺杂技术制作的发热电阻；３为用于均热的表明，基于ＥＩＴ技术的ＭＥＭＳ流体传感器可以有二氧化硅层；４为圆形的多晶硅薄膜；５为电流激励效地反映出敏感材料电阻率及其分布随流体作和电压检测的金属电极，共１６个；６为发热电阻的用而发生的变化情况，实现了对于外界物理量的连接电极，共２个；７为发热电阻的连接电极引线传感．引起导体电阻率分布变化的作用量大小、孔．共２个．

６５

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３

图１基于ＥＩＴ技术设计的ＭＥＭＳ传感器结构示意图

１．２实验系统模拟．

目前尚没有一个可以模拟分析基于ＥＩＴ技术根据实验目的并参考文献［８—１０］所采用的的ＭＥＭＳ传感器的计算机软件．因此，本文采用硬测试基本架构，设计了如图２所示的实验系统结件实验的方式对设计的可行性和传感器性能进行构．模拟传感器采用具有一定电阻率的半导体硅薄ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｒｌ

万方数据

第６期

膜，选择电阻率为４

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蒋明霞，等：基于ＥＩＴ技术的气流传感器及其实验研究

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Ｘ

１１１９

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金属电极的接触区图形，溅射１恤ｍ厚的Ａｌ膜，形成金属电极图形．

型（１００＞硅片进行热氧化，形成绝缘层；然后，光刻

：热板

图２基于ＥＩＴ技术的流体传感实验系统结构框图

在硅薄膜四周均匀制作了１６个金属电极，并将传感器置于具有恒温特性的电热板上加热．模拟开关用于控制激励电流注入电极的选择与测量电压位置的选择．采集得到的电压数据经过模数转换，变为电阻率分布计算的输入信息．成像计算软件用于重构电阻率分布的图像．实验在室温下进行，以气流作为测试流体．

２实验与结果

根据图２所示实验系统所搭建的实验硬件系统见图３．其中，图３（ａ）中所示为测试系统设备，包括热板、电流源、电压表以及模拟开关控制板等；图３（ｂ）则显示了风源的位置，风源距样品边界约

５

（ａ）实验系统硬件

ｃｍ．为确保样品表面热场只在可控的区域范围内

变化，将出风口近似设定为边长２ＨＩＩＴＩ的正方形，出风温度为室温．

实验中，首先测量本底电阻率，激励电流选择

为８０ｍＡ．根据ＥＩＴ技术的相邻测试规则口Ｊ，在一

（ｂ）实验环境

对金属电极中注入电流，测量其他电极对间的电压，可获得１３个电压数据；改变电流注入位置，继续测量电压．以此类推，共可采集１３

Ｘ

图３实验系统照片

１６＝２０８个

据，结果见表２．比较表ｌ和表２可知，表２中的电压值均较表１中的数据有所增大，表明加热后薄膜电阻率变大．

最后，将２次测量的电压数据输入计算软件，得到风场作用下电阻率的分布（见图４）．图中可明显看出风源的方向，且靠近风源处的电阻率最小．此外，还可发现，最大电阻率和最小电阻率的比值约为２．显然，风速越大，电阻率的差别越大．

ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

电压值．表１给出了电流注人电极位置以及其他各电极对的本底电压测量值．从表中数据可以看出，电压先逐渐减小，而后逐渐增加，完全符合等位线分布的规律．

然后，对样品进行加热．设定加热温度为１００℃，待加热环境充分稳定后，打开风源．当风场稳定后，施加８０ｍＡ的激励电流，再次采集边界电压数

万方数据

１１２０东南大学学报（自然科学版）第４２卷

３结语

本文提出了一种新型的基于ＥＩＴ技术进行气流传感的ＭＥＭＳ传感器结构．研究结果表明，ＥＩＴ技术可以有效地反映敏感材料电阻率及其分布变化，进而实现对于外界物理量的传感．引起导体电阻率分布变化的作用量大小、位置可以通过电阻抗断层成像（ＥＩＴ）技术再现，且获得的结果具有图像数据的性质，展现为分布场的表现形式，非常接近图４电阻率分布图有限元的分析结果．显而易见，许多半导体材料会

ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据

第６期蒋明霞，等：基于ＥＩＴ技术的气流传感器及其实验研究

１１２１

因为应力、温度、形状等的改变而产生电阻率变化．这一特点为采用ＥＩＴ技术进行传感器设计与应用提供了技术保证，基于图像描述的传感方法也为传感器设计提供了新的技术路径．

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［９］Ｓａｕｌｎｉｅｒ

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