柔性平板波压差式微流量传感器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及微流量测量的传感器及制作方法。包括：入、出口１、１１、上盖２、微腔体３、９、主体４、导线５、８、支架６、信号处理模块７、微管道１０。上盖氧化、涂胶、光刻、去二氧化硅、去胶，刻蚀得两通孔；主体Ａ、Ｂ面氧化、Ａ面涂胶、光刻、去二氧化硅、一次腐蚀得两个腐蚀坑、Ｂ面制导电地层、激励层、四个叉指换能器，二次腐蚀得两个凹坑、两个薄膜，一次或二次腐蚀可得微细沟道。用柔性平板波提高灵敏度；用薄膜内应力测量动态范围大，提高动态范围；用双力传感器，解决背压影响和温度补偿；用非加热法实现生物兼容性；利用应力响应快提高响应速度；无运动部件，降低加工难度，提高成品率；两力传感器相隔远，无干扰，提高测量准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微机电系统领域，涉及微流量测量的传感器。
技术介绍
微流量传感是目前各种微流体系统(蛋白质分析、基因检测、微生化检测、定量药物释放)定量输出的核心问题之一。微小流量的检测技术不仅是决定这些微流体系统实际运行性能的关键因素，也是相关微流体科学问题(如微小管道内流体的流动特性、粘滞阻力等)研究的前提条件之一。一种具有高灵敏度、大动态范围的微小流量传感技术能使微流体系统具有更加精确的分析及定量能力，扩展其应用范围，同时，也能够使与之相关的科学问题的研究更加深入，使结果具有更高的可信度。在各种微流体系统蓬勃发展的带动下，国内外相应开展了许多微流量的测试方法，按测试原理归纳起来，可以分为两类非热流式微流量测量技术和热流式微流量测量技术。非热流式微流量技术包括压阻压差式流量传感器、电容压差式流量传感器、拖曳力流量传感器、抬升力流量传感器等，它们的基本工作原理都是通过测量微量应变将流体场内某些点的压力值或速度值转化为电信号，来达到检测流量的目的。压阻压差式流量传感器和电容压差式流量传感器是通过应变测得流体流动时微细管道两端会因为管道内部及入口处的压力损失而产生的压力差值，来推算得到管道内流体流量的值；拖曳力流量传感器利用测试流体流动时对通道内垂直障碍物(比如一根小的立柱)产生拖曳力的值也可以测得流量值；而与测试拖曳力相反，抬升力流量传感器通过测试与流动方向相同的翼状结构所受流体的抬升力也可以计算出流量的大小。以上这几种检测方法都是将流量的变化转变成薄膜或微小悬臂梁等结构的形变，再通过压阻效应或电容变化转换电信号来进行测量。虽然非热流式微流量传感器不需要对被测流体进行加热，具有良好的生物兼容性，但是由于此类传感器采用应变敏感检测方式，而其应变的范围小，这就决定了此类传感器的动态范围小；又由于压阻式和电容式应变测量的灵敏度不高，这也限制了传感器的灵敏度；另外，此类传感器微结构工艺相对复杂；并且由于物质的弹性模量和电阻值与温度密切相关，所以绝大多数都需要温度补偿。热流式微流量测量技术包括热线(或热薄膜)流量传感器、卡路里型流量传感器等，其主要工作原理是流过微细管道的流体能带走置于管道侧壁的加热器上的热量，通过控制管道中加热器的加热功率不变而测试其温度变化，或为维持加热器温度不变而随流量的变化改变加热功率，均可以推算出流体的流量值，或将加热器和温度探测器分置于管道的上下游而通过测量两者之间的温差来推算出流体的流量值。虽然此类传感器具有制作工艺相对简单、温度检测方法成熟的优点，但是与宏观流体系统不同的是，微细管道中流体的层流特性十分明显，微细管道中热量传播主要形式是以扩散，对流所起的作用十分微弱，这使流体的温度均匀性差，增大了温度检测的随机性，不利于传感器灵敏度的提高；其次由于微流量传感器加热会影响到被测量流体的生物活性，所以这不但影响了此类传感器的生物兼容性，还限制了被测流体的最高加热温度，甚至不允许加热，从而限制了微流量传感器的测量动态范围；再次，由于热流式微流量测量技术通过温度测量流量，故而均需要温度补偿；最后，由于流体的热量平衡需要时间，所以传感器的响应速度较慢。本专利技术的详细内容为了解决
技术介绍
中灵敏度、动态范围不高和需要温度补偿、热流式微流量传感器的生物兼容性不好和响应速度较慢、非热流式微流量传感器微结构工艺相对复杂、流体背压对传感器测试精度的影响等问题，本专利技术的目的是将要提供一种基于柔性平板波压力测量的压差式微流量传感器及其制作方法。本专利技术柔性平板波压差式微流量传感器包括入口、上盖、微腔体一、主体、导线一、支架、信号处理模块、导线二、微腔体二、微管道、出口。入口和出口分别与通孔一和通孔二对准，使入口和出口分别固定于上盖上；上盖的四周与主体的四周对准固定分别形成微腔体一、微腔体二和连通微腔体一、微腔体二的微管道；主体对准固定在支架上，从导线一和导线二中引出信号到信号处理模块中，信号处理模块固定于支架上，信号处理模块和主体之间有空隙。上盖包括通孔一和通孔二，在上盖本体上制备有通孔一和通孔二。通孔一和通孔二各自的两个端口形状采用圆形或矩形等形状，当端口的形状采用圆形时，通孔一和通孔二采用圆形孔或圆台形孔；当端口的形状采用矩形时，通孔一和通孔二采用锥台形孔或矩形孔。主体的A面包括薄膜一、凹坑一、微细沟道、薄膜二和凹坑二，微细沟道呈中心对称且其中心与主体的中心重合，凹坑一和凹坑二以中心对称分布在主体里，在凹坑一和凹坑二的底部有薄膜一和薄膜二，凹坑一和凹坑二四周的侧壁分别与薄膜一和薄膜二组成一体。主体的B面包括导电地层、激励层、叉指换能器一、叉指换能器二、叉指换能器三、叉指换能器四，导电地层的一面紧密固定在主体的B面上，导电地层的另一面和激励层的一面紧密固定；在激励层的另一面上紧密固定有叉指换能器一、叉指换能器二、叉指换能器三、叉指换能器四。叉指换能器一和叉指换能器四两者平行且对称分布于激励层的另一面上，叉指换能器二和叉指换能器三两者平行且对称分布于激励层的另一面上。微管道的横截面的形状采用三角形或等腰梯形或矩形形状。微管道的整体形状采用直线形状或蛇行形状。经过理论计算，Q为单位时间内流过微管道的流体的体积，其表达式为Q=-b+b2-4ac2a]]>其中a=ρΣj=1nζj/S2,]]>b=cμlDhS,]]>c＝-2Δp。上式中ρ为流体的密度；ζj局部损失系数，是一个无量纲数，ζj数值大小主要由微管道的几何形状和尺寸决定，同时也受流体流动特性的影响，因此也是管流雷诺数的函数；n为流体流经本专利技术传感器时经过的形状变化和弯折的次数；S为微管道的横截面面积；c为常数，其具体数值与截面形状有关；μ为流体的粘度；l为微管道的长度；Dh为微管道的水力直径；Δp为微管道两端的压力差。本专利技术柔性平板波压差式微流量传感器的工作原理 本专利技术包含两个柔性平板波力传感器。由叉指换能器一、叉指换能器二、薄膜二和位于它们中间的导电地层及激励层组成第一个柔性平板波力传感器；由叉指换能器三、叉指换能器四、薄膜和位于它们中间的导电地层及激励层组成第二个柔性平板波力传感器。当本专利技术的流量传感器工作时信号处理模块发出交变电压信号驱动叉指换能器一、叉指换能器三，使叉指换能器一、叉指换能器三与导电地层之间的电压差呈周期性交流变化，交流变化的电压使激励层产生周期性伸缩振动，从而在激励层上形成了柔性平板波，柔性平板波的波动在薄膜一和薄膜二上传播，当波动信号分别传播到叉指换能器二和叉指换能器四上时，在叉指换能器二和叉指换能器四中形成电信号并将电信号送给信号处理模块进行信号处理来得到薄膜一和薄膜二内应力。由于薄膜一和薄膜二中的内应力与微腔体一、微腔体二中流体的压力有关，这样我们可以通过第一个柔性平板波力传感器和第二个柔性平板波力传感器来分别测量微腔体一和微腔体二中的流体压力。当流量传感器工作时，微腔体一、微腔体二和微管道内均充满了流体，流体通过入口进入微腔体一，经过微管道流向另一个微腔体二，由出口流出本专利技术流量传感器。由于流体有粘性，所以当经过微管道时，流体必然受到来自微管道侧壁的粘滞阻力；粘滞阻力的大小与微管道的几何尺寸、流体本身的特性以及流体与微管道的本文档来自技高网...

【技术保护点】
柔性平板波压差式微流量传感器，包括：入口（１）、导线一（５）、支架（６）、信号处理模块（７）、导线二（８）和出口（１１），从导线一（５）和导线二（８）中引出到信号处理模块（７）中，信号处理模块（７）固定于支架（６）上，其特征在于还包括：上盖（２）、微腔体一（３）、主体（４）、微腔体二（９）和微管道（１０），入口（１）和出口（１１）分别与上盖（２）上的通孔一（１２）和通孔二（１３）对准，使入口（１）和出口（１１）分别固定于上盖（２）的一面上；上盖（２）与主体（４）的四周对齐，上盖（２）的另一面与主体（４）的Ａ面固定分别形成微腔体一（３）、微腔体二（９）和连通微腔体一（３）、微腔体二（９）的微管道（１０）；主体（４）的Ｂ面固定在支架（６）上，信号处理模块（７）和主体（４）之间有空隙。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾宏光，吴一辉，胡友旺，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]