一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器，包括单晶衬底、流体层和两组设置有传感单元的固支梁。单晶衬底选用单晶硅材料，致密的隔热介质膜沉积在单晶硅衬底上，两组固支梁分别悬空架设在微流道的上游和下游；由加热电阻与热敏电阻组成的传感单元位于固支梁二氧化硅隔离层的上表面。本发明专利技术通过改善敏感材料，利用具有高绝对值电阻温度系数的相变材料层作为热敏电阻，提升了传感器检测灵敏度，并且两个加热电阻分别由外部供电电路独立控制，可实现各自热敏电阻的独立温度控制，避免热敏电阻相变材料的滞回特性对传感器性能的影响，使其能满足测量极低流量的工程需求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器


[0001]本专利技术涉及流体计量设备，特别是涉及一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器。

技术介绍

[0002]微流量传感器是微流控系统的重要组成部分，起到对微流体流动状态的监测并提供流体在微流道内流动信息的作用，实现在微全分析系统中对微流体的精准控制，对微流控系统的科学研究和工程应用具有重要意义。
[0003]随着微机电系统(Microelectromechanical Systems,MEMS)技术的发展，基于硅基微机械加工工艺制备的MEMS微流量传感器具有微型化、功耗低及性能高等优势，被广泛的应用于航空航天、临床医疗、生物制药及精细化工等领域。目前，测量微流体流量的方法及检测装置存在易受外界因素干扰、测量误差大且不连续等不足，并且分析系统微型化进程及流式细胞术、颗粒分选、流动混合等新兴芯片实验室技术的进一步研究发展也对微流量传感器的性能提出了越来越高的测量需求。
[0004]MEMS微流量传感器按其传感原理大体可分为压阻式、压电式、热式三大类。压阻式传感器在低流量检测中表现出优异性能，但该类传感器易受温度、湿度的影响，从而限制了其在生物医学中的应用；压电式传感器常被用于振荡流检测且具有自供电的优点，但压电材料的高内阻特性使其无法用于静态流量检测。
[0005]而热式传感器可实现气体和液体复用检测，并在高灵敏度微流量检测中拥有潜在应用价值。
[0006]热式微流量传感器通常由加热电阻与热敏电阻两部分组成，其实现途径主要包括热损失式、热分布式及热脉冲式三种构型方案。此类传感器的灵敏度、功耗等性能的优化主要取决于如何增加环境流体中的对流传热及最大化强制对流下的温度变化，需从热敏电阻敏感材料选择、传感器几何结构设计等方面综合考虑。
[0007]常见敏感电阻由硅基半导体材料或金属铂制成，鲜有文献报道高绝对值电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)的超材料作为微流量传感器的敏感材料。
[0008]目前针对热式微流量传感器的优化方法大多局限于对绝热衬底结构的改进以及对不同构型方案的整合，缺乏在核心热敏感材料电阻温度系数上的突破。导致热式微流量传感器的性能提升受到制约，严重阻碍了微流体技术的快速发展。

技术实现思路

[0009]专利技术人在实现本申请的过程中发现，现有的微流量传感器研究成果存在上述问题，因此希望有一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器能够解决现有MEMS热式流量传感器在微小流量下检测灵敏度低的问题。
[0010]本专利技术的目的是提出一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器，包括单晶
衬底、流体层和两组设置有传感单元的固支梁；
[0011]所述单晶衬底的上表面沉积有隔热介质膜；所述隔热介质膜的上方设置有流体层；隔热介质膜和流体层之间构建有供流体流通的微流道；所述两组固支梁分别悬空架设在微流道的上游和下游；所述固支梁包括用于支撑固支梁整体的二氧化硅隔离层、设置在固支梁的二氧化硅隔离层上表面的传感单元和用于封装传感单元的封装层；
[0012]所述传感单元包括用于加热流体温度的加热电阻、能够根据温度差异而产生不同电压信号的热敏电阻和用于连通电路的金属连线；所述加热电阻与外部供电电路连接；所述热敏电阻的材质为基于温度诱导电阻率突变的一阶相变材料，热敏电阻设置在金属连线上，并通过金属连线与外部检测电路连接；热敏电阻和加热电阻之间存在间隔。
[0013]作为本专利技术的优选，加热电阻供电后产生热量，此时，微流道内的流体流动将导致位于两侧的热敏电阻各自所测量的温度存在差异；该差异导致两侧的热敏电阻的电阻值产生差异，外部检测电路将检测到两个不同的电压信号，将两个电压信号相减后作为最终输出的电压信号。
[0014]作为本专利技术的优选，这些基于温度诱导电阻率突变的一阶相变材料为具有相变过程电阻率突变特性的金属氧化物及其掺杂材料。更为优选的，基于温度诱导电阻率突变的一阶相变材料为二氧化钒、V
0.95
‑
x
Cr
x
Nb
0.05
O2、VO2/GaAs异质结等。
[0015]作为本专利技术的优选，所述隔热介质膜为二氧化硅隔离层。所述上层流体层采用聚二甲基硅氧烷构建。
[0016]作为本专利技术的优选，所述两组固支梁镜像架设在微流道上，流体从微流道上游流到下游依次经过上游固支梁的热敏电阻、上游固支梁的加热电阻、下游固支梁的加热电阻和下游固支梁的热敏电阻。进一步的，所述加热电阻的材质为金。
[0017]作为本专利技术的优选，所述上游加热电阻和下游加热电阻可分别由外部供电电路独立控制。
[0018]作为本专利技术的优选，所述固支梁长度大于流道的宽度，连接流道两侧的单晶衬底。进一步的，所述单晶衬底选用单晶硅材料。
[0019]本专利技术的有益效果是本专利技术通过选择基于温度诱导电阻率突变的一阶相变材料作为热敏电阻的材质，利用其热致相变区间超高TCR特性实现了热敏电阻灵敏度大幅提升，突破非线性超材料在热式微流量传感器中的应用；进一步地，通过双加热电阻配置实现了上、下游固支梁上的传感单元单独控制各自的基于温度诱导电阻率突变的一阶相变材料热敏电阻处于最优工作温度，同时确保了热敏电阻阻值变化分别跟随基于温度诱导电阻率突变的一阶相变材料冷却曲线与加热曲线的主回路单调变化，避免了迟滞的影响。
附图说明
[0020]图1是本专利技术的结构示意图；
[0021]图2是本专利技术的结构原理俯视图；
[0022]图3是图2的A1
‑
A1的剖视图；
[0023]图4是图2的A2
‑
A2的剖视图；
[0024]图5是图2的B1
‑
B1的剖视图；
[0025]图6是图2的B2
‑
B2的剖视图；
[0026]图7是敏感材料为二氧化钒的两种构型(热损失与本专利技术双加热器式构型)流量传感器仿真结果图；
[0027]图8是敏感材料为铂的三种构型(热损失、热分布及本专利技术双加热器式构型)流量传感器仿真结果图。
[0028]图中：1、热敏电阻；2、金属连线；3、封装层；4、加热电阻；5、流体层；6、隔热介质膜；7、单晶衬底。
具体实施方式
[0029]本专利技术提出一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器，以下结合附图和实施例对本专利技术予以进一步说明。利用温度诱导电阻率突变的一阶相变材料在相变过程电阻率突变特性，本专利技术实施例提供的基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器，可适用于微升或纳升的极低流量范围，可应用于化学分析、临床医疗、生物制药及精密制造等领域。
[0030]实施例1
[0031]如图1所示的基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器，包括下层为单晶硅材料的单晶衬底7、微流道的上层为采用聚二甲基硅氧材料的流体层5和两组设置有传感单元的固支梁；如图5和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器，其特征在于，包括单晶衬底(7)、流体层(5)和两组设置有传感单元的固支梁；所述单晶衬底(7)的上表面沉积有隔热介质膜(6)；所述隔热介质膜(6)的上方设置有流体层(5)；隔热介质膜(6)和流体层(5)之间构建有供流体流通的微流道；所述两组固支梁分别悬空架设在微流道的上游和下游；所述固支梁包括用于支撑固支梁整体的二氧化硅隔离层、设置在固支梁的二氧化硅隔离层上表面的传感单元和用于封装传感单元的封装层(3)；所述传感单元包括用于加热流体温度的加热电阻(4)、能够根据温度差异而产生不同电压信号的热敏电阻(1)和用于连通电路的金属连线(2)；所述加热电阻(4)与外部供电电路连接；所述热敏电阻(1)的材质为基于温度诱导电阻率突变的一阶相变材料，热敏电阻(1)设置在金属连线(2)上，并通过金属连线(2)与外部检测电路连接；热敏电阻(1)和加热电阻(4)之间存在间隔。2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的高灵敏度热式微流量传感器，其特征在于，所述加热电阻供电后产生热量，微流道内的流体流动导致位于两侧的热敏电阻各自所测量的流体温度存在差异；该差异导致两侧的热敏电阻的电阻值产生差异，继而使外部检测电路检测到两个不同的电压信号，将两个电压信号相减后作为最终输出的电压信号。3.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹云琦，周禹杉，王晓伟，侯迪波，张光新，张宏建，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：