一种多功能微流体柔性传感器制造技术

一种多功能微流体柔性传感器，涉及传感器。设有柔性基体、微流体和电极，柔性基体包括上基体和下基体，上下基体均为气体渗透基体，上基体中带有不同形状的微流道，下基体中带有电极；所述微流体位于上基体的微流道内部，所述电极位于下基体。可用于测量结构面内变形、结构表面法向压力、气动压力、环境氧气浓度和温度，当用于测量结构面内变形和结构表面法向压力时，微流道内部微流体为导电液体，将微流体柔性传感器贴于结构表面，当结构受力作用时，微流体的形状也发生改变从而引起传感器电阻发生变化，通过标定电阻变化与结构表面变形的大小关系，进而根据测量传感器电阻的变化计算出结构所发生的变形。制作成本低、可测量变量多、灵敏度高。

A multi-function microfluidic flexible sensor

A multi-function microfluidic flexible sensor involves a sensor. A flexible substrate, micro fluid and electrodes, including flexible matrix matrix and matrix, the upper and lower substrates are gas permeability matrix, micro channel on the matrix with different shapes, under the matrix with the electrode; the micro fluid flow in micro channel is located on the inside of the substrate, the electrode located under the matrix. Can be used for measuring the in-plane deformation of structure, the surface structure of normal pressure, pneumatic pressure, oxygen concentration and temperature, when the structure for measuring the in-plane deformation and surface structure of normal pressure, micro channel micro fluid for conducting liquid, the flexible micro fluid sensor attached to the surface of the structure when the structure stress effect micro fluid, shape changes caused by sensor resistance changes, by the size of the calibration of resistance change and surface deformation of the structure, and then according to the change of the sensor resistance measurement to calculate deformation of structures. The production cost is low, the measurable variables are many, and the sensitivity is high.

【技术实现步骤摘要】
一种多功能微流体柔性传感器
本专利技术涉及传感器，尤其是涉及基于MEMS技术，可集成于任何复杂结构表面，用于测量结构所受法向压力、结构的面内变形，也可用于测量气体成分、温度及湿度的一种多功能微流体柔性传感器。
技术介绍
传感器作为控制系统的主要信息来源，其应用已渗透到工业生产、航空航天、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、宇宙开发以及智能家居等重要领域。从某种程度上说，传感器是决定一个系统特性和性能指标的关键部件。目前，传感器在各个领域主要用于检测结构的面内变形、表面压力、服役环境下的气体成分、温度、湿度等参数。目前，用于测量结构面内变形和表面压力的传感器主要是电阻应变片，其原理是将结构上应变的变化转换为电阻应变片电阻变化。经过多年的发展，电阻应变片的制作工艺成熟、制作成本低、测量精度高，而且还形成了行之有效的温度补偿方法，但是由于电阻应变片的传感原价是金属丝/箔，其承受变形能力差，当结构发生较大变形时电阻应变片金属丝/箔易发生断裂失效，造成测量失败；再者，电阻应变片只能测量结构面内变形和面内压力，无法测量结构表面所受的法向压力，对于飞行器结构表面气动压力测量、高层建筑风压测量等重要领域其无能为力([1]潘喜军.国内电阻应变片及力学量传感器发展概况[J].传感器技术,1982,(03):23-37)。随着MEMS技术的发展以及新材料、新工艺不断的应用，近年来涌现出一批新型的柔性传感器，主要有新型石墨烯柔性传感器([2]JYang,QRan,DWei,etal.Three-dimensionalconformalgraphenemicrostructureforflexibleandhighlysensitiveelectronicskin[J].Nanotechnology.2017,28(11):115501)，微流体传感器([3]JCYeo,Kenry,JYu,etal.Triple-StateLiquid-BasedMicrofluidicTactileSensorwithHighFlexibility,Durability,andSensitivity[J].ACSSensors.2016,1(5):543-551)。新型石墨烯传感器主要是通过化学气相沉积的方法，在柔性基体上沉积一层具有一定厚度石墨烯，而后封装成型，其原理与电阻应变片相似，将传感器所受力的变化转换为传感器电阻变化。新型石墨烯传感器，由于其封装材料和石墨烯传感层都是柔性的，其可用于测量结构表面所受的面内压力和法向压力，当受力作用时，传感器易发生变形进而导致其电阻发生变化，通过建立电阻变化与所受力大小的关系即可得出所受力的大小。微流体传感器，通过将导电液体注入预先成型好的柔性微流道中并封装成型。当传感器受力的作用而发生变形时，其微流道内导电液体形状也发生变化，进而导致微流体传感器电阻发生变化，通过标定电阻变化与所受力大小的数学关系，通过测得的电阻变化计算出所受力的大小。上述两种柔性传感器虽然都可以测量结构面内压力和法向压力，但都是依靠传感器自身的变形导致电阻的变化来标定所受力的大小，不但传感器厚度大，而且灵敏度低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有传感器存在的上述不足，提供测量精度高、稳定性好，可集成于任何复杂结构表面，用于测量结构所受法向压力、结构的面内变形，也可用于测量气体成分、温度及湿度的一种多功能微流体柔性传感器。本专利技术设有柔性基体、微流体和电极，所述柔性基体包括上基体和下基体，所述上基体和下基体均为气体渗透基体，上基体中带有不同形状的微流道，下基体中带有电极；所述微流体位于上基体的微流道内部，所述电极位于下基体。本专利技术可用于测量结构面内变形、结构表面法向压力、气动压力、环境氧气浓度和温度，当用于测量结构面内变形和结构表面法向压力时，微流道内部微流体为导电液体(包括液态金属，盐溶液，导电混合溶液等)，将微流体柔性传感器贴于结构表面，当结构受力作用时，微流体的形状也发生改变从而引起传感器电阻发生变化，通过标定电阻变化与结构表面变形的大小关系，进而根据测量传感器电阻的变化计算出结构所发生的变形。当用于测量气动压力时，微流道内部微流体为离子液体，将微流体柔性传感器贴于结构表面，当结构表面受气动压力作用时，由于柔性基体的透气性，空气中的氧气透过柔性基体和离子液体发生化学反应生成超氧根离子，从而改变离子液体的电导率。由亨利定律可知，气动压力的大小和离子液体中溶解的氧气浓度是一个正相关的关系，所以建立气动压力大小-氧气浓度-离子液体导电率三者的数学关系，通过测量离子液体导电率的变化进而计算出结构表面所受气动压力的大小；当测量氧气浓度时，微流道内部微流体为离子液体，当环境中氧气浓度发生变化时，通过柔性基体渗透至微流体的氧气浓度也会发生变化，所以建立氧气浓度-离子液体导电率二者的数学关系，通过测量离子液体导电率的变化进而计算出环境氧气浓度的大小；当测量温度时，微流道内部微流体即可以使导电液体也可以是离子液体，当环境温度发生变化时，微流体的导电率和微流道结构都会发生变化，标定传感器电阻或者导电率的变化与温度的关系，通过测量传感器电阻或者导电率的大小即可计算出环境的温度。附图说明图1是本专利技术实施例的结构示意图；图2是本专利技术实施例的测量结构面内变形和法向压力的原理图；图3是本专利技术实施例的测量气动压力和氧气浓度的原理图；图4是本专利技术实施例的测量温度的原理图；图5是本专利技术实施例的测量结构表面压力场、温度场及应变场分布图。具体实施方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步说明。参见图1～5，本专利技术实施例设有柔性基体3、微流体2和电极4，所述柔性基体3包括上基体31和下基体32，所述上基体31和下基体32均为气体渗透基体，上基体31中带有不同形状的微流道1，下基体32中带有电极4；所述微流体2位于上基体31的微流道1内部，所述电极4位于下基体32上。本专利技术可用于测量结构面内变形、结构表面法向压力、气动压力、环境氧气浓度和温度，当用于测量结构面内变形和结构表面法向压力时，微流道内部微流体为导电液体(包括液态金属，盐溶液，导电混合溶液等)，将微流体柔性传感器贴于结构表面，当结构受力作用时，微流体的形状也发生改变从而引起传感器电阻发生变化，通过标定电阻变化与结构表面变形的大小关系，进而根据测量传感器电阻的变化计算出结构所发生的变形。本专利技术提供的微流体柔性传感器：1)通过光刻技术在硅基板上制作微流道阳模；2)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂按1︰10均匀混合，而后分别倒入上述模具和裸硅片中，并置于80℃真空烘箱中保温2h；3)将固化好的PDMS从模具中取出，把电极贴于裸硅片中固化PDMS膜两端；4)通过氧等离子体活化技术，将带有微流道和带有电极的两片PDMS活化并键合；5)利用注射器将微流体注入微流道中，并密封注入口。微流体传感器如图1所示。如图2所示，将微流体传感器集成于结构表面，当结构受力P作用时，导电液体的形状也发生改变从而引起传感器电阻发生变化，通过吉时利2400实时测量微流体传感器电阻变化，通过标定电阻变化与结构表面变形的大小关系，进而根据测量传感器电阻的变化计算出结构所发生的变形。如图3所示，将微流体传感器集成于结构A表面，当结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能微流体柔性传感器，其特征在于设有柔性基体、微流体和电极，所述柔性基体包括上基体和下基体，上基体中带有不同形状的微流道，下基体中带有电极；所述微流体位于上基体的微流道内部，所述电极位于下基体。

【技术特征摘要】
1.一种多功能微流体柔性传感器，其特征在于设有柔性基体、微流体和电极，所述柔性基体包括上基体和下基体，上基体中带有不同形状的微流道，下基体中带有电极；所述微流体位于上基体的微流道内部，所述电极位于下基体。2.如权利要求1所述一种多功能微流体柔性传感器，其特征在于所述上基体和下基体均为气体渗透基体。3.如权利要求1所述一种多功能微流体柔性传感器，其特征在于用于测量结构面内变形、结构表面法向压力、气动压力、环境氧气浓度和温度，当用于测量结构面内变形和结构表面法向压力时，微流道内部微流体为导电液体，将微流体柔性传感器贴于结构表面，当结构受力作用时，微流体的形状也发生改变从而引起传感器电阻发生变化，通过标定电阻变化与结构表面变形的大小关系，根据测量传感器电阻的变化计算出结构所发生的变形。4.如权利要求3所述一种多功能微流体柔性传感器，其特征在于所述导电液体包括液态金属、盐溶液、导电混合溶液。5.如权利要求1所述一种多功能微流体柔性传感器，其特征在于当用于测量气动压力时，微流道内部微流体为离子液体，将微流体柔性传感器贴于结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓锋，卿新林，王奕首，孙虎，李嘉廷，晏子如，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35