發布日期：2022-10-09 點擊率：96
隨著生物工程、精細化工、半導體制造、生物醫學、微型飛行器等行業的發展，微流量的測量與控制需求越來越迫切， 顯然傳統的流量傳感器由于制造工藝及材質的限制而無法完成微流量的精確測量。
近年來， 隨著物理、機械、材料工程、醫學等相關科學領域對 MEMS 的積極深入研究， 促進了 MEMS 技術的快速發展并獲得廣泛的應用。 MEMS 技術應用于傳感器制造領域中， 使得傳感器向著低功耗、小體積、智能化、高可靠性方向發展， 引起了傳感器制造技術的變革。
MEMS 流量傳感器由于其管徑小、可測量更為微小的流量且集成化程度高， 正成為微流量測量領域的研究熱點。微流量測量方法各異，有些直接測量流體質量流量， 如熱式流量傳感器、科氏流量傳感器； 有些是敏感體積流量， 如差壓式流量傳感器。對近五年來國內外微流量傳感器的新穎結構和性能參數進行了歸納總結， 推斷出可能的發展方向與研究趨勢。
國外微流量傳感器研究現狀
1.熱式流量計
M.Piotto等設計的風速計在圓柱周圍開孔， 氣流從某一方向通過這些孔流入傳感器， 再被分為兩股，這兩股氣體流量大小與流量方向呈現正弦關系， 通過雙通道熱式流量計敏感兩個流量，減小尺寸， 簡化裝配過程。傳感器集成在單個芯片上， 可同時測流量和方向。結果顯示， 傳感器能測量０．４ ～７．９ ｍ／ｓ 的流量。
R.J.Wiegerink等使用表面通道技術加工出微管道， 該微管道在一個硅晶片的表面上， 具有半圓形橫截面。利用這種技術設計的熱式微流量傳感器， 將加熱電阻和熱電偶傳感器集成在懸浮管道的頂部，能實現ｎＬ／ｍｉｎ 的流量分辨力。
2.差壓式流量計
A.G.P.Kottapalli等提出了用于測量流速和方向的微流量傳感器， 利用基于液晶聚合物（ＬＣＰ）膜的壓力傳感器敏感流體的壓力， 金薄膜壓電電阻沉積在ＬＣＰ 膜上。傳感器靈敏度是３．６９５ｍＶ／（ｍ?ｓ-１ ）， 測量范圍是０．１～１０ ｍ／ｓ， 平均滿量程誤差為３．６％。
3.科里奧利質量流量計
J.Haneveld等利用表面通道技術加工出微管道，作為微型科氏質量流量傳感器的流體通道。設計的傳感器是單管矩形結構，利用洛倫茲力激勵梳齒電容檢測的方式測量微流量。傳感器在最大１ ｂａｒ 的壓損下，測量的流量范圍為０ ～１．２ ｇ／ｈ， 測量誤差為１％。
4.其他原理微流量傳感器
D.Petrak 等描述了一種實驗方法，該方法能夠測定ｍＬ／ｈ 量級的液體流量。管道中牛頓液體層流的體積流量可以通過測量中心線速度和HagenPoiseuille方程確定。微流量計的主要單元是激光二極管系統、雙光纖陣列傳感器和微通道。使用注射泵產生流量，測試傳感器測量精度。這種牛頓液體的流量測量方法不需要校準， 測量結果不受溫度、壓力和牛頓液體的性質的改變的影響。通過應用二維微通道流量的條紋模型確定粘度函數。
國內微流量傳感器研究現狀
1.熱式流量計
劉鵬等使用薄膜沉積處理和標準印刷電路技術， 實現了一種新型的熱膜式流量傳感器。傳感器電極和電子電路預先印刷在聚酰亞胺（ＰＩ）柔性基板上，即柔性印刷電路板（ＦＰＣＢ），敏感元件由溫度系數大約為 ２０００×１０ -６／Ｋ 的鉻／鎳／鉑制成， 由磁控濺射技術或脈沖激光沉積（ＰＬＤ）制作在ＦＰＣＢ上。該傳感器可以與信號處理電路高密度地集成封裝在一起而不需要額外襯墊， 減少加工時間， 降低了成本。對傳感器的穩態和瞬態特性進行了測試， 驗證了該傳感器的測量有效性。
徐永青等研制的ＭＥＭＳ熱膜式質量流量傳感器由Ｓｉ 腔體、Ｓｉ３Ｎ４ 薄膜、加熱電阻及溫度檢測電阻組成。基體結構采用Ｓｉ， 加熱元件和敏感元件在薄膜上，薄膜下是Ｓｉ 腔體， 起到減小熱容和絕熱的作用，從而提高傳感器的響應時間和靈敏度。測試表明， 該器件的測量量程達到０．５ ～２００ ｍ３／ｈ，精度１．５ 級，響應時間２０ ｍｓ， 量程比１∶４００。
侍艷華等設計了一種基于ＭＥＭＳ技術的熱膜式微流量傳感器，兩個Ｐｔ 熱敏薄膜電阻構成Ｓａｎｄｗｉｃｈ 結構。當熱敏電阻間距為２００μｍ、工作溫度為１５０℃、氣體流量在-５ ～５ ｍＬ／ｍｉｎ 時，傳感器輸出信號與氣體流量成線性關系， 靈敏度約為２９９ ｍＶ／（ｍＬ?ｍｉｎ-１）。微流量傳感器氣體流量理論檢測下限約為１．７μＬ／ｍｉｎ， 在氣體流量為６ μＬ／ｍｉｎ 時，響應和恢復時間（９０％）分別為１６ ｍｓ 和３４ ｍｓ。
吳媛青等使用雙加熱器三檢測器結構，加寬了管道中的溫度場寬度， 擴大傳感器測量范圍，提高了傳感器的響應速度。圖１３所示為傳感器結構示意圖和實物圖， 圖中每根加熱器和溫度傳感器的線寬為２０ ｎｍ。
2.差壓式流量計
光玲玲等提出了一種基于Ｌａｍｂ波的壓差式微流量傳感系統。該系統由兩個Ｌａｍｂ波薄膜組成的腔體和一個微通道組成。微通道長２０ ｍｍ， 寬１ ｍｍ， 高５０μｍ， 連接兩個腔體。由于液體壓力對Ｌａｍｂ波薄膜的擠壓， 使得薄膜的諧振頻率變化， 該變化反映了液體壓力的大小， 由于采用上下游差動測壓模式， 使得溫度的影響得以消除， 流量測試實驗的結果顯示， 上下游Ｌａｍｂ波薄膜的諧振頻率之差與微流量呈線性關系，可測量的最小流量為０．６２７ μＬ／ｓ。
3.振動式微流量傳感器
郭然等提出了一種新穎的微機械諧振式微流量傳感器。該傳感器采用電磁激勵方式，主要由１ 個３μｍ 厚Ｈ 型諧振器、１ 個４０ μｍ 厚的懸臂梁平板（２０００μｍ ×５０００ μｍ）以及連接平板和框架的２ 根４０ μｍ 厚的支撐梁組成。諧振器采用低應力富硅氮化硅ＳｉＮ制作，可以方便地使用濕法腐蝕釋放諧振器， 從而簡化工藝流程， 提高成品率， 如圖１７ 所示。傳感器在１ＳＬＭ（標準Ｌ／ｍｉｎ）流量下， 頻率漂移為５００ Ｈｚ，分辨力達到０．５％， 但在輸出（諧振器頻率漂移）和輸入（氣體流量）間存在二次曲線關系。
鄱耀鉅等提出了一種檢測速度和粘度的微流量傳感器， 特別是對超低粘度的應用。一根蝕刻的直徑為９ μｍ 的光纖被嵌入在一個微流體芯片中， 耦合照射在微流體通道的激光束，流量導致的振動引起光纖懸臂周期性振蕩運動， 通過頻率分析， 能夠檢測和識別流體流量和粘度， 如圖１８ 所示。實驗結果表明， 開發的傳感器能夠檢測流速為２．５ ～１５ｍＬ／ｍｉｎ 和粘度為０．３０６ ～１．２ ｍＰａ?ｓ 的液體樣品。此外， 各種流量的空氣樣品（０．０１４８ｍＰａ?ｓ）也能檢測。
由國內外微流量測量現狀可看出，熱式微流量傳感器的研究是比較熱門的，因為熱式流量傳感器測量流量范圍較寬， 具有很高的靈敏度， 流量下限也很低。目前， 對其研究已向進一步微型化方向發展， 且能分辨出流動方向。由于其輸出是非線性的，且受基體隔熱效果的影響， 適合用于精度不太高的微流量測量。基于ＭＥＭＳ 的微流量測量技術發展至今已經歷了四十多年， 探索新的測量方法是其中的一個發展方向，如振動式、光電式測量等。另外結合多種測量方法，進行多源信息融合的微流量測量技術也是一個重要的發展方向。
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