微流量測量方法及其技術的發(fā)展

胡純，樊尚春，鄭德智

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

微流量測量方法及其技術的發(fā)展

胡純，樊尚春，鄭德智

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

歸納了近五年來基于MEMS技術的微流量傳感器結構及性能參數(shù)。根據(jù)國際上熱門的研究方法推斷微流量測量技術可能的發(fā)展方向與研究趨勢，即集成兩種或兩種以上的測量方法，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高測量精度或擴大量程比。最后基于現(xiàn)有的技術基礎，提出了融合科氏效應與差壓效應的微流量測量方法，闡述了傳感器的工作原理與理論基礎，并對其可行性進行了分析與論證。

微流量傳感器;MEMS;科氏效應;差壓效應;數(shù)據(jù)融合

0 引言

隨著生物工程、精細化工、半導體制造、生物醫(yī)學、微型飛行器等行業(yè)的發(fā)展，微流量的測量與控制需求越來越迫切，顯然，傳統(tǒng)的流量傳感器由于制造工藝及材質(zhì)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(yī)學等相關科學領域?qū)EMS(Micro－Electro－Mechanical System)的積極深入研究，促進了MEMS技術的快速發(fā)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(fā)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［1］，正成為微流量測量領域的研究熱點。

微流量測量方法各異。有的直接測量流體質(zhì)量流量，如熱式流量傳感器、科氏流量傳感器;有的敏感體積流量，如差壓式流量傳感器。本文對近五年來國內(nèi)外微流量傳感器的新穎結構和性能參數(shù)進行了歸納總結，推斷出可能的發(fā)展方向與研究趨勢，最后提出了融合科氏效應與差壓效應的流量測量方法，并對其可行性進行了分析與論證。

1 國外微流量傳感器研究現(xiàn)狀

1.1 熱式流量計

M.Piotto等［2］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(xiàn)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。其結構如圖1所示，圖2為傳感器測量曲線，由圖2可得，最大的角度誤差是±5°，速度誤差是8%。

圖1 傳感器爆破圖(左)和敏感元件放大圖(右)

圖2 傳感器測量曲線

Konstatinos Kontakis等［3］提出一種將微管道加工在PCB板上的熱式流量傳感器。微通道壁由在Pt傳感元件陣列表面的SU－8構成，SU－8上表面的PMMA板(樹脂玻璃)熱粘接實現(xiàn)微通道的密封，由于該材料的導熱率較低，傳感元件具有優(yōu)良的熱隔離特性。水流量測量實驗表明，傳感器具有較高靈敏度和較寬的測量范圍。結構如圖3所示，其中，微管道寬500μm，深100μm，電阻長1500μm。在恒流模式下，可測流量達到400μL/min，最小可測流量為1μL/min。

圖3 傳感器正面圖(左)和傳感器反面圖(右)

F.Hedrich等［4］提出用于肺呼吸功能監(jiān)測的微流量傳感器，精度高，響應時間短(＜1 ms)，功耗低(＜10 mW)。此外，加熱結構被添加到芯片上，以防止結露。傳感器結構如圖4所示。

圖4 傳感器敏感結構實物圖

R.JWiegerink等［5］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(xiàn)nL/min的流量分辨力。傳感器結構如圖5所示。

圖5 傳感器半圓形通道(左)和傳感器結構(右)

1.2 差壓式流量計

A.G.P.Kottapalli等［6］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3.695 mV/(m·s－1)，測量范圍是0.1～10 m/s，平均滿量程誤差為3.6%。傳感器結構如圖6所示。

圖6 傳感器結構

1.3 科里奧利質(zhì)量流量計

J.Haneveld等［7］利用表面通道技術加工出微管道，作為微型科氏質(zhì)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%。傳感器結構如圖7所示。通道的直徑為40μm，傳感器尺寸為7.5 mm×15 mm。

圖7 傳感器工作原理圖(左)和傳感器實物圖(右)

1.4 其他原理微流量傳感器

D.Petrak等［8］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Hagen Poiseuille方程確定。微流量計的主要單元是激光二極管系統(tǒng)、雙光纖陣列傳感器和微通道。使用注射泵產(chǎn)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(zhì)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(shù)。流量計裝置結構如圖8所示。

圖8 微流量計裝置結構

Nicolas André等［9］展示了基于外平面的可移動懸臂微流量傳感器，氣流引起懸臂的撓度變化。接口電路是CMOS環(huán)形振蕩器(RO)，利用SOI(Silicon－On－Insulator)技術制作在同一芯片上，使得傳感器尺寸小、功耗低、抗干擾性強。當氣流從0 m/s變化到120 m/ s，微系統(tǒng)RO頻率變化10%，靜態(tài)功耗為1μW量級。圖9為其結構。

圖9 傳感器結構圖

2 國內(nèi)微流量傳感器研究現(xiàn)狀

2.1 熱式流量計

Peng Liu等［10］使用薄膜沉積處理和標準印刷電路技術，實現(xiàn)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(shù)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(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性進行了測試，驗證了該傳感器的測量有效性。傳感器結構如圖10所示。

圖10 熱膜式流量傳感器

徐永青等［11］研制的MEMS熱膜式質(zhì)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?；w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。傳感器結構如圖11所示。

圖11 MEMS膜式質(zhì)量流量傳感器結構

侍艷華等［12］設計了一種基于MEMS技術的熱膜式微流量傳感器，傳感器結構如圖12所示。兩個Pt熱敏薄膜電阻構成Sandwich結構。當熱敏電阻間距為200 μm、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6μL/min時，響應和恢復時間(90%)分別為16 ms和34 ms。

圖12 薄膜電阻芯片(左)和傳感器結構(右)

Yuan－Qing Wu等［13］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。

圖13 雙結構傳感器

2.2 差壓式流量計

光玲玲等［14］提出了一種基于Lamb波的壓差式微流量傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)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50 μm，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0.627μL/s。傳感器結構示意圖如圖14所示。

圖14 傳感器結構示意圖

楊曉亞等［15］開發(fā)了一種基于壓差原理的微流量傳感器。傳感器使用初始厚度為400μm的雙面拋光N型硅片進行加工，主要包括硅杯結構、微通道以及壓阻條的設計。壓阻條加工在硅杯頂部的薄膜上，形成壓力檢測腔，壓阻條通過鍵合引線與基底的PCB板連接，微通道前后兩端的壓力檢測腔的壓力差則反映了微流量的大小。當流體流過時，由于流體的擠壓，導致薄膜頂部的壓阻條阻值發(fā)生變化，通過電橋的方式讀取壓力信號。利用有機玻璃進行保護封裝，封裝后的傳感器直徑為26 mm，厚度11 mm，如圖15所示。傳感器實流標定實驗表明，響應時間小于4 ms，流量檢測誤差為0.65%(CV)。

圖15 基于壓差原理的微傳感器

Chen Liguo等［16］設計的差壓式微流量傳感器芯片由兩個壓阻傳感器和微機械加工通道組成。設計的傳感器包括兩個方形硅膜，厚50μm×寬2000μm×長2000μm，并且通道被設計為長2005μm，寬1000 μm，深30μm。傳感器芯片的整體尺寸為4.5 mm× 9.0 mm×0.9 mm。測量系統(tǒng)和該傳感器芯片的示意圖如圖16。校準傳感器的靈敏度為100 mV/(μL·s－1)?；谛是€與擬合曲線之間的偏差，得到流量傳感器的非線性特性為0.51%。

圖16 測量系統(tǒng)和傳感器芯片示意圖

2.3 振動式微流量傳感器

郭然等［17］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3 μm厚H型諧振器、1個40μm厚的懸臂梁平板(2000 μm×5000μm)以及連接平板和框架的2根40μm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。文中分析了理論模型、有限元仿真(FEA)、工藝制造和測試結果。測試結果顯示，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。

Po－Yau Ju等［18］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9μm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(fā)的傳感器能夠檢測流速為2.5～15 mL/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(0.0148 mPa·s)也能檢測。

圖17 傳感器敏感結構

圖18 傳感器工作原理和實物圖

3 微流量傳感器發(fā)展方向

由近五年來國內(nèi)外微流量測量研究現(xiàn)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(fā)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(fā)展至今已經(jīng)歷了四十多年，探索新的測量方法是其中的一個發(fā)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(fā)展方向。

3.1 多種方法結合的微流量測量方法

早在2000年，Yong Xu等［19］就結合了熱式和差壓式原理測量微流量，將剪應力、壓力和溫度傳感器集成到一個芯片上。熱式流量傳感器在低流量范圍靈敏度較高，差壓式流量傳感器只敏感較大的流量，且與流量呈線性關系，兩種方法優(yōu)勢互補，結合這兩種方法，大大提高微流量傳感器的性能。

陳則等［20］結合了溫差式和風速計式兩種檢測原理，設計并制造了一種新型結構的MEMS熱式流量計。在對溫差式流量計的靈敏度、量程等特性進行了有限元仿真的基礎上，優(yōu)化設計了器件結構。測試結果表明該新設計比傳統(tǒng)MEMS熱式流量計靈敏度提高近4倍。

Joost C.L?tters等［21］將熱式與科氏測量方法結合，集成到單個芯片上測量微流量，能夠測量超寬的動態(tài)流量范圍，從100 nL/h到18 mL/h。流量從0.1 L/h到40 L/h時，誤差為±0.1 L/h，流量從40 L/h到18 mL/h時，誤差為±4 L/h，響應時間為0.2 s。

3.2 科氏效應與差壓效應融合的流量測量方法

科氏效應流量檢測方法通過測量流體流過測量管所產(chǎn)生的科氏力導致的輸出信號相位差測量質(zhì)量流量，具有精度高、可靠性高、無可移動部件等優(yōu)點。但是當流量較小時，科氏力變得微弱，由科氏力引起的相位差很小，檢測精度難以保證。同時，壓損大是科氏質(zhì)量流量傳感器的普遍缺點。根據(jù)伯努利方程，流體在管道中的流動是由于管道中上游與下游的壓差導致的，通過測量科氏質(zhì)量流量傳感器入口與出口端的壓力差可檢測出流體流量。因此考慮將科氏質(zhì)量流量傳感器壓損大的缺點轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N測量手段，將科氏效應與差壓效應集成在一起，在不同的流量范圍按照一定的規(guī)則將兩種方法的測量結果進行融合，以提高測量精度，擴大量程比。

為保證傳感器測量精度，測量管必須選擇靈敏度較高的管型，同時又要兼顧低的零點穩(wěn)定性，因此，選擇矩形測量管作為傳感器的敏感單元。為獲得流體的壓差，在傳感器入口端和出口端分別設計了取壓口。初步設計的傳感器結構如圖19所示。

圖19 科氏效應與差壓效應集成的傳感器結構

圖20為單管小口徑科氏質(zhì)量流量計(Coriolis Mass Flowmeter，CMF)的矩形測量管示意圖，進出口直管段AB及A'B'的長度為l，中間直管段CC'的長度為2b，圓弧段BC及B'C'的半徑為R。

圖20 測量管結構示意圖

雙端固支的測量管為高次靜不定系統(tǒng)，在測量管上施加科氏力，利用科氏力分布反對稱、結構對稱的特點，將測量管從中心位置H處對稱分開，H截面上受剪力X1和扭矩X2，如圖21所示。

圖21 測量管科氏力分布圖

設流體經(jīng)過時，AB段所受的單位長度科氏力為q，使用力學分析，得到測量管在科氏力q、剪力X1和扭矩X2作用下的沿軸位移曲線，如圖22所示。圖中橫坐標是沿軸曲線坐標，縱坐標是測量管的位移。

圖22 科氏力作用下沿軸位移曲線圖

則傳感器的靈敏度K為

式中:E為測量管彈性模量;I為傳感器轉(zhuǎn)動慣量。

利用ANSYS對測量結構進行模態(tài)分析，獲得傳感器的一階振動模態(tài)，根據(jù)流量大小，求出矩形管微元的科氏力，添加科氏力，進行靜態(tài)分析，獲得測量管最大扭轉(zhuǎn)位移，從而仿真得到靈敏度。靜態(tài)分析中測量管位移矢量圖如圖23所示。

圖23 測量管位移矢量圖

計算得到最大扭轉(zhuǎn)角為θmax=1.24078°，靈敏度K= 1.1046μs/(kg·h－1)。理論分析得到的最大扭轉(zhuǎn)角為θmax=1.21759°，最大靈敏度K=1.092μs/(kg·h－1)。

流體在管道中流動，存在壓損，分析流體在層流狀態(tài)和湍流狀態(tài)時的沿程壓力損失和局部壓力損失，得到流量與壓差的關系。

沿程壓損為

式中:Δpc為沿程壓力損失;Q為流量;υ為流體的動力粘度，m2/s;le為管道等效長度;D為管道內(nèi)徑;ρ為流體密度;Re為雷諾數(shù)。

根據(jù)管道局部元件的結構特點可近似確定管道的局部損失系數(shù)，從而得到局部壓損為

式中:v為流速。彎管的局部壓力損失系數(shù)ζ可根據(jù)Richter的實驗公式求得［22］，公式為

因此，測量管彎管段的總壓力損失為

壓損與流量的關系曲線如圖24所示。

利用FLUENT軟件仿真分析測量管的壓損，利用標準k－ε模型進行分析計算，得到的壓強分布云圖如圖25所示。

圖24 流量與壓損曲線圖

圖25 測量管內(nèi)壓強分布云圖

由測量管內(nèi)壓強分布云圖可見，從測量管入口處到出口處，壓強逐漸減小，符合圓管流動壓降的原理。仿真得到的壓損為251442.05 Pa，理論計算得到的壓損為245060 Pa。理論與仿真基本一致，因此，通過壓損測量流體速度是有可行的。

最后，利用數(shù)據(jù)融合算法對兩種方法獲得的測量數(shù)據(jù)進行融合。初步采用多維回歸分析法進行融合。

設Qmk和QVk分別為實流標定時科氏質(zhì)量流量傳感器和差壓傳感器獲得的k組數(shù)據(jù)，每組數(shù)對應的流量值為Qk。

若二維坐標(Qmk，QVk)對應的Qk在一個平面上，則可利用二次曲面方程來描述實際流量Q與測量的質(zhì)量流量Qm及體積流量QV的關系，即

如果公式(6)中的各常系數(shù)已知，那么二次曲面方程也就確定了。由此可見，多維回歸分析法實現(xiàn)函數(shù)逼近的過程，就是求解函數(shù)表達式(6)中各常系數(shù)α0～α5的過程［23］。通常使用最小二乘法確定常系數(shù)，從而求得最終的數(shù)據(jù)融合結果，達到融合效果。

4 結論

MEMS技術的進步使得各種類型傳感器的精密制造成為可能，相比于傳統(tǒng)的宏觀尺度傳感器，微尺度傳感器具有更高靈敏度，更低成本，更容易實現(xiàn)集成化和便攜化。自從MEMS技術應用到微流量測量領域以來，縱觀近五年來國內(nèi)外微流量測量技術的發(fā)展，除了基于已有的測量原理從結構上進行創(chuàng)新以外，還在利用科技的發(fā)展不斷探索新的測量方法，同時，多種方法結合提高傳感器性能也是其中的一個重要發(fā)展方向。此外，文中提出了一種科氏效應與差壓效應相結合的測量方法，通過理論與仿真手段系統(tǒng)的論述此方法的可行性，初步確定使用多維回歸分析法對兩種方法的測量結果進行處理，以期提高流量測量精度，擴大量程比。

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The Approaches and Development of the M icro Flow M easurement

HU Chun，F(xiàn)AN Shangchun，ZHENG Dezhi
(School of Instrumentation Science and Opto－electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

This paper summarizes the structures and performance parameters of variousmicro flow sensors based on MEMS technology.The possible developmentdirection ofmicro flowmeasurement technique is inferred according to international popular research，which is the combination of two ormore approacheswith complementary advantages，aiming to improve themeasurementaccuracy and expand the range ratio.Finally，the integrated method of Coriolis effect and pressure loss effect is proposed based on existing technology.The operating principle and theoretical basis of the sensor are described to verify the feasibility of the approach.

micro flow sensor;MEMS;Coriolis effect;pressure loss effect;data fusion

TB937;TP212.1

A

1674－5795(2015)01－0001－08

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.01

2014－10－20

國家自然科學基金資助項目(61121003);教育部創(chuàng)新團隊資助項目(IRT1203);教育部新世紀人才資助項目

胡純(1987－)，男，博士研究生，研究方向為先進傳感與智能儀器;樊尚春(1962－)，男，教授，博士生導師，研究方向為傳感器技術及應用、MEMS;鄭德智(1978－)，男，副教授，博士生導師，研究方向為流量傳感器及信號檢測與處理。