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硅基热流式微流量传感器研究

2014/11/13 22:45:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘要: 采用微电子技术和微机械加工技术, 在硅衬底上设计制作了集微型加热器和温度传感器于一体的热流式微流量传感器。在恒功率的工作模式下, 分析了微流量传感器的特性曲线。实验结果表明, 硅基热流式微流量传感器的测量范围在10~ 800 uL/ min 之间。

  关键词: 微流量传感器; 微加热器; 温度传感器; 微机械电子系统

  微全分析系统(Micro Total Analysis SystemLTAS)是近十年来发展起来的一个跨学科的新研究领域, 它利用微电子技术和MEMS ( Micro ElectroMechanical System) 技术实现的生化微缩分析系统[ 1] , 可广泛用于医疗诊断、生物工程、化学分析等领域, 并越来越受到广泛的关注。在微全分析系统检测分析中, 被测样品的进样量是uL 或nL 级, 因此用于微全分析系统的高性能微流量传感器的研究, 将成为分析仪器发展的重要研究内容之一。国外有关硅基热流式微流量传感器的文章较少[ 2, 3] ,国内也鲜见报道。

  本文研制的硅基热流式微流量传感器采用MEMS 制作技术, 将镍铬合金薄膜微型加热器和金属镍薄膜温度传感器有机的组合在一起, 利用温度传感器测量流体通过微型加热器前后产生的温度变化, 通过实验标定出微流量传感器的测量范围。此微流量传感器灵敏度较高, 几何尺寸很小, 利用廉价的金属镍薄膜取代贵金属铂制作温度传感器,在降低制作成本的同时, 可满足微流量传感器性能要求。

  1 热流式微流量传感器原理


  根据工作模式可以把热流式微流量传感器分为: 热损失式微流量传感器、热行程式微流量传感器和热分布式微流量传感器。本文研制的热分布式微流量传感器又称为热梯度式微流量传感器[ 4,5] , 它是通过测量流体流动引起微加热器两端温度非对称性的变化量, 再通过实验标定来确定流体的流量。工作原理如图1 所示, 中间的微加热器对微流量传感器的微流道进行加热, 微流道中流体流量为零时, 微流道壁上的轴向温度分布如图2 中的虚线所示, 相对于微加热器是对称分布的。当流体流量不为零时, 由于流体对微流道的非均匀冷却促使微流道内壁表面形成一个热边界层, 其厚度随着流体从微流道的上游向下游运动距离的加大而增加。这表明随着流体流向加热器时, 流体的温度不断上升。由于热边界层的存在, 微流道壁上的轴向温度相对于微加热器不再是对称分布, 沿流体流向, 上游温度传感器的温度将低于下游温度传感器的温度, 这时微流道壁上的轴向温度分布如图2 中的实线所示。因此, 利用加热器两侧对称制作的两个温度传感器就可以测出这个温度差。在分别测得上、下游温度传感器温度差T 的情况下, 可导出流体流量qm , 即:

  式中: P 为微加热器的加热功率; Cp 为被测流体介质的定压比热容; A 为微加热器与周围环境热交换系统之间的热传导系数; K 为系统修正系数。在本论文中, 因微流道壁材料为石英, 具有相对较高热导率, 且其值不变, 因此A 的变化可简化为主要是流体边界层热导率的变化。当流体在某一流量范围时, A、Cp 均可视为常量, 则流体流量仅与上、下游温度传感器的温度差成正比, 如图3 中OA 段所示。OA 段为微流量传感器正常测量范围, 微流量传感器中流体带走少量热量; 流量增大超过A 点时, 有更多的热量被带走而呈现非线性; 流量超过B 点则大量热量被带走。为了获得良好的线形输出, 必须保持层流流动。因微加热器和温度传感器的尺寸以及两者间距离均很小, 且微流道的内径尺寸也很小, 所以微流量传感器检测精度较高, 加热所需的能量也很少。

  2 微流量传感器的设计和制作

  根据热分布式工作模式, 在设计微流量传感器的微加热器时, 必须考虑它的形状和尺寸, 使得微流量传感器在静态工作时热分布均匀, 微加热器两侧的温度梯度相同。本论文采用的方法是把微加热器做成弯曲蛇形, 然后在其两侧等距离制作结构完全相同的温度传感器。

  微加热器和温度传感器的常用制作方法主要有金属薄膜电阻法和多晶硅掺杂法。相同尺寸的多晶硅扩散电阻加热器与金属薄膜电阻加热器相比, 前者功耗较大, 但其温度梯度较平缓; 后者可以精确控制温度, 但不能用于高温过程, 因为高温会影响到它的热隔离[6] 。本文采用廉价镍铬合金和金属镍分别制作薄膜电阻微加热器和温度传感器( 镍铬合金的成分是Ni80% , Cr20% ) 。图4 给出了设计制作的微型加热器、温度传感器及石英微流道组成的微流量传感器的SEM 照片, 中间弯曲蛇行形为镍铬薄膜微加热器, 其两侧对称位置为镍薄膜图4 微流量传感器SEM 照片温度传感器, 上面是绝缘胶粘附的石英微流道, 其内径为130 Lm。

  微流量传感器的主要制作过程如下: ¹ 在N型( 100) 单晶硅片双面热氧化生长SiO2 薄膜; º 利用LPCVD 法在硅片一侧SiO2 上淀积Si3N4 薄膜; »在Si3N4 薄膜上利用真空磁控溅射法溅射金属Ni薄膜, 用光刻和腐蚀工艺制作出Ni 薄膜电阻条作为温度传感器; ¼ 在Si3N4 薄膜表面用真空射频溅射法溅射NiCr 合金薄膜, 并用光刻和腐蚀工艺制作出NiCr 薄膜电阻条作为微加热器; ½ 利用真空镀膜法在Ni 和NiCr 薄膜电阻上镀Al 薄膜, 并腐蚀出Al 薄膜引线; ¾ 用热压焊法在Al 膜上焊接Au引线。

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