隨著生物工程、精細(xì)化工、半導(dǎo)體制造、生物醫(yī)學(xué)、微型飛行器等行業(yè)的發(fā)展，微流量的測(cè)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(cè)量。

　　近年來， 隨著物理、機(jī)械、材料工程、醫(yī)學(xué)等相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域?qū)?MEMS 的積極深入研究， 促進(jìn)了 MEMS 技術(shù)的快速發(fā)展并獲得廣泛的應(yīng)用。 MEMS 技術(shù)應(yīng)用于傳感器制造領(lǐng)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(shù)的變革。

　　MEMS 流量傳感器由于其管徑小、可測(cè)量更為微小的流量且集成化程度高， 正成為微流量測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。微流量測(cè)量方法各異，有些直接測(cè)量流體質(zhì)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(duì)近五年來國(guó)內(nèi)外微流量傳感器的新穎結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)， 推斷出可能的發(fā)展方向與研究趨勢(shì)。

　　國(guó)外微流量傳感器研究現(xiàn)狀

　　1.熱式流量計(jì)

　　M.Piotto等設(shè)計(jì)的風(fēng)速計(jì)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(guān)系， 通過雙通道熱式流量計(jì)敏感兩個(gè)流量，減小尺寸， 簡(jiǎn)化裝配過程。傳感器集成在單個(gè)芯片上， 可同時(shí)測(cè)流量和方向。結(jié)果顯示， 傳感器能測(cè)量０．４ ～７．９ ｍ／ｓ 的流量。

　　R.J.Wiegerink等使用表面通道技術(shù)加工出微管道， 該微管道在一個(gè)硅晶片的表面上， 具有半圓形橫截面。利用這種技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)ｎＬ／ｍｉｎ 的流量分辨力。

　　2.差壓式流量計(jì) 

　　A.G.P.Kottapalli等提出了用于測(cè)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(cè)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(zhì)量流量計(jì)

　　J.Haneveld等利用表面通道技術(shù)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(shè)計(jì)的傳感器是單管矩形結(jié)構(gòu)，利用洛倫茲力激勵(lì)梳齒電容檢測(cè)的方式測(cè)量微流量。傳感器在最大１ ｂａｒ 的壓損下，測(cè)量的流量范圍為０ ～１．２ ｇ／ｈ， 測(cè)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(shí)驗(yàn)方法，該方法能夠測(cè)定ｍＬ／ｈ 量級(jí)的液體流量。管道中牛頓液體層流的體積流量可以通過測(cè)量中心線速度和HagenPoiseuille方程確定。微流量計(jì)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(cè)試傳感器測(cè)量精度。這種牛頓液體的流量測(cè)量方法不需要校準(zhǔn)， 測(cè)量結(jié)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(yīng)用二維微通道流量的條紋模型確定粘度函數(shù)。

　　國(guó)內(nèi)微流量傳感器研究現(xiàn)狀

　　1.熱式流量計(jì)

　　劉鵬等使用薄膜沉積處理和標(biāo)準(zhǔn)印刷電路技術(shù)， 實(shí)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(yù)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(shù)或脈沖激光沉積（ＰＬＤ）制作在ＦＰＣＢ上。該傳感器可以與信號(hào)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(shí)間， 降低了成本。對(duì)傳感器的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試， 驗(yàn)證了該傳感器的測(cè)量有效性。

　　徐永青等研制的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(cè)電阻組成�；�體結(jié)構(gòu)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(yīng)時(shí)間和靈敏度。測(cè)試表明， 該器件的測(cè)量量程達(dá)到０．５ ～２００ ｍ３／ｈ，精度１．５ 級(jí)，響應(yīng)時(shí)間２０ ｍｓ， 量程比１∶４００。

　　侍艷華等設(shè)計(jì)了一種基于ＭＥＭＳ技術(shù)的熱膜式微流量傳感器，兩個(gè)Ｐｔ 熱敏薄膜電阻構(gòu)成Ｓａｎｄｗｉｃｈ 結(jié)構(gòu)。當(dāng)熱敏電阻間距為２００μｍ、工作溫度為１５０℃、氣體流量在-５ ～５ ｍＬ／ｍｉｎ 時(shí)，傳感器輸出信號(hào)與氣體流量成線性關(guān)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(cè)下限約為１．７μＬ／ｍｉｎ， 在氣體流量為６ μＬ／ｍｉｎ 時(shí)，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間（９０％）分別為１６ ｍｓ 和３４ ｍｓ。

　　吳媛青等使用雙加熱器三檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，加寬了管道中的溫度場(chǎng)寬度， 擴(kuò)大傳感器測(cè)量范圍，提高了傳感器的響應(yīng)速度。圖１３所示為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)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(jì)

　　光玲玲等提出了一種基于Ｌａｍｂ波的壓差式微流量傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)Ｌａｍｂ波薄膜組成的腔體和一個(gè)微通道組成。微通道長(zhǎng)２０ ｍｍ， 寬１ ｍｍ， 高５０μｍ， 連接兩個(gè)腔體。由于液體壓力對(duì)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(dòng)測(cè)壓模式， 使得溫度的影響得以消除， 流量測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(guān)系，可測(cè)量的最小流量為０．６２７ μＬ／ｓ。

　　3.振動(dòng)式微流量傳感器   

　　郭然等提出了一種新穎的微機(jī)械諧振式微流量傳感器。該傳感器采用電磁激勵(lì)方式，主要由１ 個(gè)３μｍ 厚Ｈ 型諧振器、１ 個(gè)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(yīng)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(jiǎn)化工藝流程， 提高成品率， 如圖１７ 所示。傳感器在１ＳＬＭ（標(biāo)準(zhǔn)Ｌ／ｍｉｎ）流量下， 頻率漂移為５００ Ｈｚ，分辨力達(dá)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(guān)系。

　　鄱耀鉅等提出了一種檢測(cè)速度和粘度的微流量傳感器， 特別是對(duì)超低粘度的應(yīng)用。一根蝕刻的直徑為９ μｍ 的光纖被嵌入在一個(gè)微流體芯片中， 耦合照射在微流體通道的激光束，流量導(dǎo)致的振動(dòng)引起光纖懸臂周期性振蕩運(yùn)動(dòng)， 通過頻率分析， 能夠檢測(cè)和識(shí)別流體流量和粘度， 如圖１８ 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 開發(fā)的傳感器能夠檢測(cè)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(cè)。

　　由國(guó)內(nèi)外微流量測(cè)量現(xiàn)狀可看出，熱式微流量傳感器的研究是比較熱門的，因?yàn)闊崾搅髁總鞲衅鳒y(cè)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(duì)其研究已向進(jìn)一步微型化方向發(fā)展， 且能分辨出流動(dòng)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(cè)量�；�于ＭＥＭＳ 的微流量測(cè)量技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)歷了四十多年， 探索新的測(cè)量方法是其中的一個(gè)發(fā)展方向，如振動(dòng)式、光電式測(cè)量等。另外結(jié)合多種測(cè)量方法，進(jìn)行多源信息融合的微流量測(cè)量技術(shù)也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

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