微流量传感器技术的研究

文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

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。其结构如图１ 所示， 图２ 为传感器测量曲线，由图２ 可得， 最大的角度误差是±５°， 速度误差是８％。

Konstatinos Kontakis等提出一种将微管道加工在ＰＣＢ 板上的热式流量传感器。微通道壁由在Ｐｔ 传感元件阵列表面的ＳＵ-８构成，ＳＵ-８ 上表面的ＰＭＭＡ 板（树脂玻璃）热粘接实现微通道的密封， 由于该材料的导热率较低， 传感元件具有优良的热隔离特性。水流量测量实验表明，传感器具有较高灵敏度和较宽的测量范围。结构如图３ 所示， 其中， 微管道宽５００ μｍ， 深１００ μｍ， 电阻长１５００ μｍ。在恒流模式下， 可测流量达到４００μＬ／ｍｉｎ， 最小可测流量为１ μＬ／ｍｉｎ。

F.Hedrich等提出用于肺呼吸功能监测的微流量传感器， 精度高， 响应时间短（ ＜１ ｍｓ）， 功耗低（ ＜１０ｍＷ）。此外， 加热结构被添加到芯片上， 以防止结露。传感器结构如图４所示。

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。传感器结构如图５ 所示。

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％。传感器结构如图６ 所示。

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％。传感器结构如图７ 所示。通道的直径为４０μｍ， 传感器尺寸为７．５ ｍｍ ×１５ ｍｍ。

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。流量计装置结构如图８所示。

Nicolas André等展示了基于外平面的可移动悬臂微流量传感器， 气流引起悬臂的挠度变化。接口电路是ＣＭＯＳ 环形振荡器（ＲＯ）， 利用SOI（Silicon On Insulator）技术制作在同一芯片上， 使得传感器尺寸小、功耗低、抗干扰性强。当气流从０ｍ／ｓ 变化到１２０ ｍ／ｓ， 微系统ＲＯ 频率变化１０％， 静态功耗为１ μＷ 量级。图９ 为其结构。

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。传感器结构如图１０所示。

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。传感器结构如图１１所示。

侍艳华等设计了一种基于ＭＥＭＳ技术的热膜式微流量传感器， 传感器结构如图１２ 所示。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。传感器结构示意图如图１４ 所示。

杨晓亚等开发了一种基于压差原理的微流量传感器。传感器使用初始厚度为４００μｍ 的双面抛光Ｎ 型硅片进行加工， 主要包括硅杯结构、微通道以及压阻条的设计。压阻条加工在硅杯顶部的薄膜上， 形成压力检测腔， 压阻条通过键合引线与基底的ＰＣＢ板连接，微通道前后两端的压力检测腔的压力差则反映了微流量的大小。当流体流过时， 由于流体的挤压， 导致薄膜顶部的压阻条阻值发生变化， 通过电桥的方式读取压力信号。利用有机玻璃进行保护封装，封装后的传感器直径为２６ ｍｍ， 厚度１１ ｍｍ， 如图１５ 所示。传感器实流标定实验表明， 响应时间小于４ ｍｓ， 流量检测误差为０．６５％（ＣＶ）。

陈力国等设计的差压式微流量传感器芯片由两个压阻传感器和微机械加工通道组成。设计的传感器包括两个方形硅膜， 厚５０ μｍ ×宽２０００ μｍ ×长２０００μｍ， 并且通道被设计为长２００５ μｍ， 宽１０００μｍ， 深３０ μｍ。传感器芯片的整体尺寸为４．５ ｍｍ ×９．０ ｍｍ ×０．９ ｍｍ。测量系统和该传感器芯片的示意图如图１６。校准传感器的灵敏度为１００ｍＶ／（μＬ?ｓ-１）。基于校准曲线与拟合曲线之间的偏差， 得到流量传感器的非线性特性为０．５１％。

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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