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微流量传感器技术的研究
来源:赛斯维传感器网 发表于 2016/9/21

  随着生物工程、精细化工、半导体制造、生物医学、微型飞行器等行业的发展,微流量的测量与控制需求越来越迫切, 显然传统的流量传感器由于制造工艺及材质的限制而无法完成微流量的精确测量。


  近年来, 随着物理、机械、材料工程、医学等相关科学领域对 MEMS 的积极深入研究, 促进了 MEMS 技术的快速发展并获得广泛的应用。 MEMS 技术应用于传感器制造领域中, 使得传感器向着低功耗、小体积、智能化、高可靠性方向发展, 引起了传感器制造技术的变革。


  MEMS 流量传感器由于其管径小、可测量更为微小的流量且集成化程度高, 正成为微流量测量领域的研究热点。微流量测量方法各异,有些直接测量流体质量流量, 如热式流量传感器、科氏流量传感器; 有些是敏感体积流量, 如差压式流量传感器。对近五年来国内外微流量传感器的新颖结构和性能参数进行了归纳总结, 推断出可能的发展方向与研究趋势。


  国外微流量传感器研究现状


  1.热式流量计


  M.Piotto等设计的风速计在圆柱周围开孔, 气流从某一方向通过这些孔流入传感器, 再被分为两股,这两股气体流量大小与流量方向呈现正弦关系, 通过双通道热式流量计敏感两个流量,减小尺寸, 简化装配过程。传感器集成在单个芯片上, 可同时测流量和方向。结果显示, 传感器能测量0.4 ~7.9 m/s 的流量。


  R.J.Wiegerink等使用表面通道技术加工出微管道, 该微管道在一个硅晶片的表面上, 具有半圆形横截面。利用这种技术设计的热式微流量传感器, 将加热电阻和热电偶传感器集成在悬浮管道的顶部,能实现nL/min 的流量分辨力。


  2.差压式流量计 

  

  A.G.P.Kottapalli等提出了用于测量流速和方向的微流量传感器, 利用基于液晶聚合物(LCP)膜的压力传感器敏感流体的压力, 金薄膜压电电阻沉积在LCP 膜上。传感器灵敏度是3.695mV/(m・s-1 ), 测量范围是0.1~10 m/s, 平均满量程误差为3.6%。



  3.科里奥利质量流量计


  J.Haneveld等利用表面通道技术加工出微管道,作为微型科氏质量流量传感器的流体通道。设计的传感器是单管矩形结构,利用洛伦兹力激励梳齿电容检测的方式测量微流量。传感器在最大1 bar 的压损下,测量的流量范围为0 ~1.2 g/h, 测量误差为1%。


  4.其他原理微流量传感器


  D.Petrak 等描述了一种实验方法,该方法能够测定mL/h 量级的液体流量。管道中牛顿液体层流的体积流量可以通过测量中心线速度和HagenPoiseuille方程确定。微流量计的主要单元是激光二极管系统、双光纤阵列传感器和微通道。使用注射泵产生流量,测试传感器测量精度。这种牛顿液体的流量测量方法不需要校准, 测量结果不受温度、压力和牛顿液体的性质的改变的影响。通过应用二维微通道流量的条纹模型确定粘度函数。


  国内微流量传感器研究现状


  1.热式流量计


  刘鹏等使用薄膜沉积处理和标准印刷电路技术, 实现了一种新型的热膜式流量传感器。传感器电极和电子电路预先印刷在聚酰亚胺(PI)柔性基板上,即柔性印刷电路板(FPCB),敏感元件由温度系数大约为 2000×10 -6/K 的铬/镍/铂制成, 由磁控溅射技术或脉冲激光沉积(PLD)制作在FPCB上。该传感器可以与信号处理电路高密度地集成封装在一起而不需要额外衬垫, 减少加工时间, 降低了成本。对传感器的稳态和瞬态特性进行了测试, 验证了该传感器的测量有效性。


  徐永青等研制的MEMS热膜式质量流量传感器由Si 腔体、Si3N4 薄膜、加热电阻及温度检测电阻组成。基体结构采用Si, 加热元件和敏感元件在薄膜上,薄膜下是Si 腔体, 起到减小热容和绝热的作用,从而提高传感器的响应时间和灵敏度。测试表明, 该器件的测量量程达到0.5 ~200 m3/h,精度1.5 级,响应时间20 ms, 量程比1∶400。


  侍艳华等设计了一种基于MEMS技术的热膜式微流量传感器,两个Pt 热敏薄膜电阻构成Sandwich 结构。当热敏电阻间距为200μm、工作温度为150℃、气体流量在-5 ~5 mL/min 时,传感器输出信号与气体流量成线性关系, 灵敏度约为299 mV/(mL・min-1)。微流量传感器气体流量理论检测下限约为1.7μL/min, 在气体流量为6 μL/min 时,响应和恢复时间(90%)分别为16 ms 和34 ms。


  吴媛青等使用双加热器三检测器结构,加宽了管道中的温度场宽度, 扩大传感器测量范围,提高了传感器的响应速度。图13所示为传感器结构示意图和实物图, 图中每根加热器和温度传感器的线宽为20 nm。


  2.差压式流量计


  光玲玲等提出了一种基于Lamb波的压差式微流量传感系统。该系统由两个Lamb波薄膜组成的腔体和一个微通道组成。微通道长20 mm, 宽1 mm, 高50μm, 连接两个腔体。由于液体压力对Lamb波薄膜的挤压, 使得薄膜的谐振频率变化, 该变化反映了液体压力的大小, 由于采用上下游差动测压模式, 使得温度的影响得以消除, 流量测试实验的结果显示, 上下游Lamb波薄膜的谐振频率之差与微流量呈线性关系,可测量的最小流量为0.627 μL/s。


  3.振动式微流量传感器   


  郭然等提出了一种新颖的微机械谐振式微流量传感器。该传感器采用电磁激励方式,主要由1 个3μm 厚H 型谐振器、1 个40 μm 厚的悬臂梁平板(2000μm ×5000 μm)以及连接平板和框架的2 根40 μm 厚的支撑梁组成。谐振器采用低应力富硅氮化硅SiN制作,可以方便地使用湿法腐蚀释放谐振器, 从而简化工艺流程, 提高成品率, 如图17 所示。传感器在1SLM(标准L/min)流量下, 频率漂移为500 Hz,分辨力达到0.5%, 但在输出(谐振器频率漂移)和输入(气体流量)间存在二次曲线关系。


  鄱耀钜等提出了一种检测速度和粘度的微流量传感器, 特别是对超低粘度的应用。一根蚀刻的直径为9 μm 的光纤被嵌入在一个微流体芯片中, 耦合照射在微流体通道的激光束,流量导致的振动引起光纤悬臂周期性振荡运动, 通过频率分析, 能够检测和识别流体流量和粘度, 如图18 所示。实验结果表明, 开发的传感器能够检测流速为2.5 ~15mL/min 和粘度为0.306 ~1.2 mPa・s 的液体样品。此外, 各种流量的空气样品(0.0148mPa・s)也能检测。


  由国内外微流量测量现状可看出,热式微流量传感器的研究是比较热门的,因为热式流量传感器测量流量范围较宽, 具有很高的灵敏度, 流量下限也很低。目前, 对其研究已向进一步微型化方向发展, 且能分辨出流动方向。由于其输出是非线性的,且受基体隔热效果的影响, 适合用于精度不太高的微流量测量。基于MEMS 的微流量测量技术发展至今已经历了四十多年, 探索新的测量方法是其中的一个发展方向,如振动式、光电式测量等。另外结合多种测量方法,进行多源信息融合的微流量测量技术也是一个重要的发展方向。


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