CN106441694A - 一种流体压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流体压力传感器，涉及传感器技术领域，用以解决现有技术中的压阻式流体压力传感器，存在电阻直接与检测环境接触，导致工作性能降低，使用寿命减少的问题。该传感器包括：基底、PDMS材料层、压力探针、电极和电流测量装置；PDMS材料层设置在基底上，且PDMS材料层的底部设置有通槽，通槽与基底的顶面构成流体通道；压力探针设置在PDMS材料层顶面上；两个电极分别设置在流体通道的两管口处；压力探针，用于获取施加在PDMS材料层顶面上的外力值；两个电极、流经流体通道的流体、以及位于流体通道外部的电源构成电回路，电流测量装置用于获取电回路的电流值，其中，电源的两端分别与两个电极连接。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，更具体的涉及一种流体压力传感器。
背景技术
流体压力传感器是一种将流体所受压力转化为电压或者电流信号的变换器,涉及微电子、材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域。
传统流体压力传感器所测的压力大小是利用应变片的阻值变化从而改变了电信号来检测的。传统的硅压阻式压力传感器，它的特点是将电阻排列在硅膜的外部，直接和检测环境相接触，使得检测环境所带来的腐蚀流体，或是环境中的粉尘污染，都会对压力传感器的正常工作带来负面的影响，这样不论是压力传感器的元件性能还是其使用寿命都会大大减少。
综上所述，现有技术中的压阻式流体压力传感器，存在电阻直接与检测环境接触，导致工作性能降低，使用寿命减少的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种流体压力传感器，用以解决现有技术中的压阻式流体压力传感器，存在电阻直接与检测环境接触，导致工作性能降低，使用寿命减少的问题。
本发明实施例提供一种流体压力传感器，包括：基底、PDMS材料层、压力探针、电极和电流测量装置；
所述PDMS材料层设置在所述基底上，并且所述PDMS材料层的底部设置有通槽，所述通槽与所述基底的顶面构成流体通道；所述压力探针设置在所 述PDMS材料层顶面上；两个所述电极分别设置在所述流体通道的两管口处；
所述压力探针，用于获取施加在所述PDMS材料层顶面上的外力值；两个所述电极、流经所述流体通道的流体、以及位于所述流体通道外部的电源构成电回路，所述电流测量装置用于获取所述电回路的电流值，其中，所述电源的两端分别与两个所述电极连接。
较佳地，所述基底采用玻璃材料。
较佳地，所述流体通道为长方体结构。
较佳地，所述电流测量装置采用电流表，所述电流表串接在所述电回路中，并且所述电流表位于所述流体通道外部。
较佳地，所述压力探针为传感器芯片形式的压力探针。
本发明实施例中，提供一种流体压力传感器，该传感器采用玻璃基底和PDMS材料加工成品PDMS压力传感器，流经流体通道的流体作为电阻，解决了电阻直接与检测环境接触，导致工作性能降低，使用寿命减少的问题；进一步，利用压力作用在PDMS材料上使其变形，从而带来了所通流体的流量改变，进而改变了流体中的电荷分布从而改变流体所通电流的大小，通过电流数值的改变来间接反映压力的变化情况，提升了响应速度，缩短了响应时间，在保证较高灵敏度的性能条件下，高效率的实现流体的压力检测，具有精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，成本低，易于实现小型化、整体化和品种多样化等特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种流体压力传感器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种流体压力传感器侧视图；
图3为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在四种电压下的压力与电流曲线图；
图4为本发明实施例提供的基于一种流体压力传感器在四种电压下的压力 与电流曲线图的线性拟合图；
图5为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同压力下流体通道的变形示意图；
图6为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同压力下PDMS材料层的变形示意图；
图7(a)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器中流体通道中心离基底的高度随着压力变化曲线图；
图7(b)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在外加1V电压的情况下流体通道内的等效电导随着压力变化曲线图；
图8(a)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器中PDMS材料层在不同厚度下PDMS流体通道中心离基底的高度随着压力变化曲线图；
图8(b)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在外加1V电压的情况下流体通道内的等效电导随着压力变化曲线图；
图9(a)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同杨氏模量的情况下1V电压时流体通道中心离基底的高度随着压力变化曲线图；
图9(b)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在外加1V电压的情况下流体通道内的等效电导随着压力变化曲线图；
图10(a)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同流体通道高度下流体通道中心离基底的高度随着压力变化曲线图；
图10(b)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同流体通道高度下外加1V电压流体通道内的等效电导随着压力变化曲线图
附图标记说明：
1-基底，2-PDMS材料层，21-流体通道，3-压力探针，4-电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种流体压力传感器结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的一种流体压力传感器包括：基底1、PDMS材料层2、压力探针3、电极4和电流测量装置。
需要说明的是，基底1采用玻璃材料，构成玻璃基底。
需要说说明的是，PDMS材料层2是指聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料层。
具体地，PDMS材料层2设置在基底1上，并且PDMS材料层2的底部设置有通槽，通槽与基底1的顶面构成流体通道21；压力探针3设置在PDMS材料层2顶面上；两个电极4分别设置在流体通道21的两管口处。
需要说明的是，流体通道21为长方体结构；PDMS材料层2和基底1键合，形成两端有通口、其余位置封闭的的完整管道。
具体地，压力探针3，用于获取施加在PDMS材料层2顶面上的外力值；两个电极4、流经流体通道21的流体、以及位于流体通道21外部的电源构成电回路，电流测量装置用于获取电回路的电流值，其中，电源的两端分别与两个电极4连接。
需要说明的是，本发明中的电流测量装置采用电流表，电流表串接在电回路中，并且电流表位于流体通道21外部；电源和两个电极4相连对流体施加电场，电流表测量流体电流大小。
需要说明的是，外力作用在PDMS材料上使其变形，从而使PDMS材料层2内所通流体的流量改变进一步使得流体中的电荷分布发生变化，从而导致流体所通电流的大小改变，通过电流来间接反映压力，实现了压力信号到电信号的转换。
较佳地，压力探针3为传感器芯片形式的压力探针。
需要说明的是，压力探针3可以为压力探针器件，也可以为具有压力探测功能的传感器芯片，具体地，压力探针3包括传感器芯片等各种形式的压力探针。
图2为本发明实施例提供的一种流体压力传感器侧视图。如图2所示，PDMS材料层2顶面上施加了箭头向下压力，流体通道21内的流体对PDMS材料层2产生了箭头向上的反作用力。
图3为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在四种电压下的压力与电流曲线图。如图3所示，电回路中的电源电压分别采用1V、5V、10V和20V时，测量的压力值和电流值的对应曲线关系。可以看出，通过电压的改变引起的电流值的变化趋于一致，呈近似的线性关系。
图4为本发明实施例提供的基于一种流体压力传感器在四种电压下的压力与电流曲线图的线性拟合图。图4为对图3所示的四种压力电流曲线图进行线性拟合的拟合图，其线性度良好，因此可知，本发明设计的流体压力传感器精度高，灵敏度高。
图5为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同压力下流体通道的变形示意图。如图5所示，图中显示了在COMSOL Mulitphysics仿真软件中模拟不同压力下流体通道的变形仿真结果。其中，图5(a)中F＝0N，流体通道21并没有发生形变；图5(b)中F＝1.5mN，流体通道21发生了轻微形变；图5(c)中F＝3mN，流体通道21发生形变，内部通道受到一定的挤压并变形；图5(d)中F＝4.5mN，流体通道21产生较大形变，通道内流体流量减少，从而引起电流的变化。
图6为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同压力下PDMS材料层的变形示意图。如图6所示，图中显示了在COMSOL Mulitphysics仿真软件中PDMS材料层2在不同压力变化下的变形情况的模拟情况。其中，四幅图中的负载压力：图6(a)为0mN，图6(b)为1.5mN，图6(c)为3mN，图6(d)为4.5mN，可以看出在压力逐渐变大的同时PDMS材料层2的变形程度也在不断增大。
图7(a)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器中流体通道中心离基底的高度随着压力变化曲线图。其中，随着压力不断增加，流体通道21中心离基底的高度呈线性下降。
图7(b)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在外加1V电压的情况下流体通道内的等效电导随着压力变化曲线图。其中，当压力不断增加时，流体通道内等效电导呈弧线不断下降。
图8(a)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器中PDMS材料层在不同厚度下PDMS流体通道中心离基底的高度随着压力变化曲线图。其中，变化趋势与图7(a)变化趋势相同，图中三条变化曲线，由上往下PDMS材料层2的厚度依次为150μm、125μm和100μm。
图8(b)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在外加1V电压的情况下流体通道内的等效电导随着压力变化曲线图。其中，变化趋势与图7(b)变化趋势相同，图中三条变化曲线，由上往下PDMS层的厚度依次为150μm、125μm和100μm。
图9(a)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同杨氏模量的情况下1V电压时流体通道中心离基底的高度随着压力变化曲线图。其中，随着压力不断增加，流体通道21中心离基底1的高度呈线性下降，由上往下三条曲线表示的杨氏模量依次是900GPa、800GPa和700GPa。
图9(b)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在外加1V电压的情况下流体通道内的等效电导随着压力变化曲线图。其中，随着压力不断增加，等效电导在不断下降，由上往下三条曲线表示的杨氏模量依次是900GPa、800GPa和700GPa。
图10(a)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同流体通道高度下流体通道中心离基底的高度随着压力变化曲线图。其中，外加电压为1V，三条曲线由上到下流体通道高度依次为150μm、120μm和100μm，可以看出随着压力不断增加，流体通道21中心离基底1的高度呈线性下降，同时三 条曲线平行，说明不同流道高度对流体通道21变形没有影响。
图10(b)为本发明实施例提供的一种流体压力传感器在不同流体通道高度下外加1V电压流体通道内的等效电导随着压力变化曲线图。三条曲线由上到下流道高度依次是150μm、120μm和100μm，曲线趋势相同且平行，说明不同流道高度对等效电导没有影响。
本发明实施例提供的一种流体压力传感器，其工艺流程为：在硅晶板上设计渠道，然后倒入液态的二甲基硅氧烷在这些硅晶板并加热使二甲基硅氧烷变硬，当二甲基硅氧烷移除，即使是微米级的微流道设计细节也会印在PDMS(聚二甲基硅氧烷)板上的，利用反应离子蚀刻机(RIE)进行亲水性表面改性，表面键结被破坏，通常是一块载玻片放在激活的一侧硅氧烷(侧面的痕迹)，键结回到到正常状态，玻璃是永久和PDMS板结合，从原本硅晶板上设计渠道变成一个防水通道。有了这个技术，低价地制作微流道、微混合器、微泵、微阀门等元件，最小的几何尺寸也能达到纳米等级。
综上所述，本发明实施例提供的一种流体压力传感器，该传感器采用玻璃基底和PDMS材料加工成品PDMS压力传感器，流经流体通道的流体作为电阻，解决了电阻直接与检测环境接触，导致工作性能降低，使用寿命减少的问题；进一步，利用压力作用在PDMS材料上使其变形，从而带来了所通流体的流量改变，进而改变了流体所通电流的大小，通过电流来间接反映压力，提升了响应速度，缩短了响应时间，在保证较高灵敏度的性能条件下，高效率的实现流体的压力检测，具有精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，成本低，易于实现小型化、整体化和品种多样化等特点。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这 些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种流体压力传感器，其特征在于，包括：基底(1)、PDMS材料层(2)、压力探针(3)、电极(4)和电流测量装置；
所述PDMS材料层(2)设置在所述基底(1)上，并且所述PDMS材料层(2)的底部设置有通槽，所述通槽与所述基底(1)的顶面构成流体通道(21)；所述压力探针(3)设置在所述PDMS材料层(2)顶面上；两个所述电极(4)分别设置在所述流体通道(21)的两管口处；
所述压力探针(3)，用于获取施加在所述PDMS材料层(2)顶面上的外力值；两个所述电极(4)、流经所述流体通道(21)的流体、以及位于所述流体通道(21)外部的电源构成电回路，所述电流测量装置用于获取所述电回路的电流值，其中，所述电源的两端分别与两个所述电极(4)连接。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述基底(1)采用玻璃材料。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述流体通道(21)为长方体结构。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电流测量装置采用电流表，所述电流表串接在所述电回路中，并且所述电流表位于所述流体通道(21)外部。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压力探针(3)为传感器芯片形式的压力探针。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170222 |