CN100439868C - 流量测量装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种测量装置，其用以测量一流体的流量，该测量装置包括一基座、一流道以及至少两个电子电路，其中该流道设于该基座上，该流体在该流道中流动，该流道具有至少两个截面；以及所述至少两个电子电路分别与所述至少两个截面电性连接，所述至少两个电子电路检测对应的所述至少两个截面的信号变化，再根据所检测的信号变化来计算该流体的该流量。这种测量装置利用一微电子机械系统制程制备。

Description

流量测量装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种流量测量装置及其制造方法，特别涉及一种流量测量装置的结构及其制造方法。

背景技术

随着微机电技术的进步，市场上对微流量计(miniature flow meter)的需求也日益增加，如在生技医学上控制试剂或血液的注射泵等。然而就目前的技术而言，商用型的微流量测量仪器却很少能对其宣称的微流量测量范围提出一套有效、或符合国际标准的校正方法，因而使用者无法确认该微流量计测量数据的可靠性。

目前在市场上实用的微流量计产品仍极为有限，其测量原理大致区分为两类：热感式(thermal sensing)与压差式(pressure gradient)。具代表性的热感式微流量计如瑞士商Sensirion的SLG1430-025[1]与美国加州理工学院戴昱昌博士的Thermal Flow Sensor[2]，二者皆宣称测量范围约在50nL/min至1500nL/min之间，但热感式微流量计的误差最大可达到10％[1]。具代表性的压差式微流量计如美商Seyonic的Miniature Flow Sensor[3]，其流量范围最小约为330μL/min，但目前该压差式微流量计仍处于实验产品阶段。

而关于微流量计的校正方式，大部分微流量计产品并未说明，少数如戴博士[2]的数据显示其利用一附有刻度的注射针筒串联在流量计的后端，通过上面的读值来判断目前正确的流量值。由于该测量方式在主观认定上即存在误差，因此普遍认为采用此对比标准似乎不足。

至于国内在该微流量测量技术领域的研究单位则有工研院测量中心流量室，其在三年前即开始投入微流量标准的开发，目前已完成称重法(gravimetric method)的技术雏形[4]，然而由于称重法本身受到许多外在环境条件的限制(挥发、温湿度变化等)，其最低可测量流量仅能勉强到达1μL/min的等级，加上以称重法实施的微流量测量系统，其本身体积庞大且对外在环境的稳定度要求高，故并不适合一般商业用途，便利性显然不足。

因此，申请人鉴于公知技术中所存在的缺点，提出一种流量测量装置及其制造方法，本发明能够克服上述微流量测量技术的公知缺点，以下为本发明的简要说明。

发明内容

本发明提供一种流量测量装置及其制造方法，这种流量测量装置的工作原理是采用体积法，配合微制程能够测量或校正低流量，因此很方便同时又能够保证精确度。

本发明提出一种流量测量装置及其制造方法，其目的在于提供产业界微观流量范围下一项经校正可供对比的依据，此外由于仪器本身即具测量能力，因此也可视为单独的微流量计来使用。根据目前实用上较常用的范围，可校正或测量的流量设定在1.05mL/min到0.01μL/min之间。由于涵盖范围广，因此设计由小到大由三种不同尺寸的芯片并联管路完成，至于可容许完成时间设定为最快0.5分钟，最慢30分钟，但可测量流量范围与可容许完成时间的可能的设定组合众多，上述可测量流量范围与可容许完成时间的实施，并非由上述说明限制其可能的实施形态，可依据实际需求进行调整。

根据本发明的构想，提出一种测量装置，其用以测量一流体的流量，该测量装置包括一基座、一流道以及至少两个电子电路，其中该流道设于该基座上，该流体在该流道中流动，该流道具有至少两个截面；以及所述至少两个电子电路分别与所述至少两个截面电性连接，所述至少两个电子电路检测对应的所述至少两个截面的信号变化，再根据所检测的信号变化来计算该流体的该流量。该测量装置利用一微电子机械系统制程制备。

较佳地，本发明所提供的这种流量测量装置，其中所述至少两个电子电路为至少两对电极，所述至少两对电极布置于该流道的两侧。

较佳地，本发明所提供的这种流量测量装置，其中所述至少两对电极中的一对电极包括两金属片，所述两金属片分别对称布置于该流道的两侧，接近但不相接。

较佳地，本发明所提供的这种流量测量装置，其中以所述至少两个电子电路检测对应的至少两个截面的电阻信号变化，再根据所检测的电阻信号变化来计算该流体的该流量。

较佳地，本发明所提供的这种流量测量装置，其中该流体具有一气液界面(air-fluid interface)，当该气液界面流经所述截面时，所述截面所对应的电子电路会产生一信号变化，该流体的该流量为所述任意两个截面间的该流道的体积除以所述任意两个截面所对应的所述两个电子电路所产生的所述两个信号变化间的时间差。

根据本发明的构想，提出一种流量测量装置的制造方法，其步骤包括：

(A)提供一基座，标准清洗后蒸镀金属层；

(B)以旋敷法涂布一层正光阻(AZ系列)；

(C)以一光罩遮盖已完成涂布光阻的基座，再以一UV射线照射该光阻层；

(D)使用显影剂将曝光部分的正光阻去除，同时可将未曝光部分保留于该基座上；

(E)使用蚀刻液将基座已除去正光阻部分的金属层去除；

(F)使用丙酮或Aleg-310将所有正光阻去除；

(G)以旋敷法涂布一层负光阻(SU8)；

(H)以光罩遮盖该厚膜光阻层，并以UV射线照射；

(I)使用显影剂将未曝光部分的负光阻去除；

(J)上盖玻璃涂布一层薄负光阻(SU8)以作为黏着剂；以及

(K)将上盖玻璃接合于基座上，以UV射线照射使两者的负光阻紧密结合，完成芯片制作。

较佳地，本发明所提供的这种流量测量装置的制造方法，其制造步骤由微电子机械系统制程完成。

较佳地，本发明所提供的这种流量测量装置的制造方法，其中步骤(A)系采用溅镀法在该基座上形成该金属层。

附图说明

图1(a)是本发明的该流道与所述多对电极间的配置俯视图。

图1(b)是本发明的该流道与所述多对电极间的配置侧视图。

图2是本发明的该流量测量装置的并联实施示意图。

图3是本发明的该流量测量装置的制备程序流程图。

图4是本发明的该流量测量装置的外观实体图。

图5是本发明的两电极间电阻变化信号的相对关系图。

其中，附图标记说明如下：

11：流道       12：多对电极   12a：电极    12b：电极

13：缓冲区     14：基座       21：多个基座

22a：第一流道  22b：第二流道  22c：第三流道

23：多对电极   24：多个连通管 25：多个阀

26：多任务器   27：两组阻抗/电压转换装置

28：多条电导线 31：基座       32：负光阻层

33a：光罩      33b：光罩      34：UV射线

35：金属层     36：厚膜光阻层 37：黏着剂   38：玻璃

具体实施方式

通过以下的实施例说明可更充分地了解本发明，从而使得本领域的普通技术人员可以根据该说明而完成本发明，但本发明不受限于下列实例。

请参阅图1(a)，其为本发明的该流道与所述多对电极间的配置俯视图，同时请参阅图1(b)，其为本发明该流道与该多对电极间的配置侧视图。图1(a)、图1(b)中的这种流量测量装置10包括一流道11、多对电极12、一电极12a、一电极12b、一缓冲区13以及一基座14。其中该流道11的长度为L、宽度为W、高度为H，其设置于该基座14上，且具有至少两个截面(section)，所述多对电极12用以测量该流道11中该流体的电阻变化信号，该流体在流道11中流动，该流体由一气体与一液体组成，该气体与该液体间有一交界面。

如图1(a)、图1(b)中所示，所述多对电极12由至少两对电极所构成，所述多对电极由该流道上游配置至该流道下游。所述多对电极12中的一对电极包括两电极12a与12b，分别由两金属片构成，所述两电极12a与12b分别对称布置于该流道的两侧，接近但不相接，所述多对电极12的间距已知，故所述多对电极12间所含该流体的体积已知。

这种流量测量装置，其工作原理采用体积法(volumetric method)，其工作原理介绍如下：一液体先流入该缓冲区13，再流入该流道11，当该液体流入该流道11时，该液体与原本该流道11中的空气产生一个气体与液体的交界面，随着该液体往该流道11的下游流动，该流道11中由空气与该流体所形成的该交界面也向该流道下游移动，当该液体通过多对电极12中的一对电极时，由于水的电阻远小于空气的电阻，因此由多对电极12中的一对电极所连接的电路从断路变为通路，则所述对电极的电阻瞬间将产生一电阻变化信号，随着该交界面向该流道11下游移动，所述多对电极12中的每一对电极相继产生所述多个电阻变化信号，所述多个电阻变化信号间有一时间差，且所述多对电极12间所含该流体的体积已知，将该体积除以该时间差，即得该流道11中该流体的微流量。

设计多对检测电极的用意在于可在容许时间内分别适应高流量与低流量的不同需求，也就是说，当待测量的流量可能较高时，取间隔远的两组电极做测量；相反地，当待测量的流量可能较低时，则取间隔近的两组电极做测量。另外多组电极也有助于在两组电极外，应使用者需求再多取数组测量值作为参考或计算平均值，以消除误差。因此在实际使用时，使用者可以任选所述多对电极12中邻近上游处的其中一对电极作为起始电极，任选所述多对电极12中邻近下游处的其中一对电极作为结束电极。

使用这种流量测量装置时，可能的误差源来自于电极感测端的尺寸效应，也就是说设计上必须在信噪比(specific noise ratio，SNR)可接受的程度上，并尽量缩小电极宽度(目前10μm)，否则电压起升的过渡区间(transition)将会扩大对测量准确度的影响。

这种流量测量装置中的该流道也可并联组合使用，以用于不同流量范围的测量。请参阅图2，其为本发明的该流量测量装置的并联实施示意图。图2中的这种流量测量装置20包括多个基座21、一第一流道22a、一第二流道22b、一第三流道22c、多对电极23、多个连通管24、多个阀25、一多任务器(multiplexer)26、两组阻抗/电压转换装置27以及多条电导线28。其中这种流量测量装置实际运作时，必须将该气体与该液体间的该交界面对所述多对电极所产生的电阻变化信号，转换为可测量的电压信号，故所述两组阻抗/电压转换装置27分别转换所述多对电极23中的两对电极所产生的电阻变化信号成为可测量的电压信号，所述多对电极23、多任务器26、两组阻抗/电压转换装置27、及多条电导线28构成至少两电子电路。

如图2中所示，并联组合三个适用于不同流量范围的所述多个流道22a、22b、22c，所述多个流道22a、22b、22c分别适用于测量不同大小的流量，一般来说，为使测量时间控制在合理的范围内完成，这种流量测量装置设定最大时间容许值为30min，最小时间容许值为0.5min，以此时间区间为依据，该流道22a、22b、22c的外型尺寸与适用的流量测量范围分别设计如下：

该第一流道22a：

L＝35mm，W＝5mm，H＝3mm

最大可测量流量Qmax＝1.05mL/min，最小可测量流量Qmin＝0.0175mL/min。

该第二流道22b：

L＝30mm，W＝2mm，H＝0.2mm

最大可测量流量Qmax＝0.024mL/min，最小可测量流量Qmin＝0.4μL/min。

该第三流道22c：

L＝25mm，W＝0.6mm，H＝20μm

最大可测量流量Qmax＝0.6μL/min，最小可测量流量Qmin＝0.01μL/min。

并联组合该流道22a、22b、22c，本发明的这种流量测量装置的流量测量范围从1.05mL/min到0.01μL/min之间。综合以上所述多个流道22a、22b、22c的设计流量，归纳本发明中三种较清楚且易了解的流量测量范围组合分别为：

该第一流道22a：Q＝0.0175mL/min-1.05mL/min；

该第二流道22b：Q＝0.4μL/min-0.024mL/min；

该第三流道22c：Q＝0.01μL/min-0.6μL/min。

所述多个流道22a、22b、22c利用所述多个连通管24分别导入一流体，所述多个连通管24分别具有所述多个阀25，所述多个阀25能够分别独立启闭以控制该流体流入所述多个流道22a、22b、22c之一中。所述多对电极23以所述多条电导线28电连接至该多任务器26上，通过该多任务器26的帮助由使用者任选多对电极23中的两对电极担任起始电极与结束电极。最后将所述两对电极测得的电阻变化信号分别通过所述多个阻抗/电压转换装置27处理，以得到所述两对电极间电阻变化信号的时间差。

以上介绍的这种流量测量装置，为防止该流体泄漏与该流道变形，利用一标准微电子机械系统(Micro-Electromechanical Systems，MEMS)制程制备完成。请参阅图3，其为本发明的该流量测量装置的制备程序流程图，图3中的这种流量测量装置30包括一基座31、一正光阻层32、一光罩33a、一光罩33b、UV射线34、一金属层35、厚膜负光阻层36、黏着剂37、及玻璃38。

这种流量测量装置的制备步骤如下：

(A)提供一基座31，标准清洗后蒸镀金属层35；

(B)以旋敷法(spin coating)涂布一层正光阻32(AZ系列)。

(C)以一光罩33a遮盖完成涂布该正光阻层32的基座31，再以一UV射线34照射该正光阻层32；

(D)使用显影剂将曝光部分的正光阻层32去除，同时可将未曝光部分保留于该基座31上，该未曝光部分的正光阻层32将显示出所述多对电极12的配置；

(E)使用蚀刻液将基座31已除去正光阻32部分的金属层35去除；

(F)使用丙酮或Aleg-310将所有正光阻32去除，剩余在基座上的金属层35即形成该多对电极12的配置；

(G)以旋敷法涂布一层厚膜负光阻层36(SU8)。

(H)以光罩遮盖该厚膜光阻层36，并以UV射线34照射；

(I)使用显影剂将未曝光部分的该厚膜负光阻36去除，该厚膜负光阻层36被除去的位置，即形成该流道11；

(J)上盖玻璃38涂布一层薄负光阻37(SU8)以作为黏着剂；以及

(K)将上盖玻璃38接合于基座上，以UV射线34照射使两者的负光阻36&37紧密结合，从而完成这种测量装置的制作。

上述的步骤为一标准的微电子机械系统制程。其中步骤(A)中以溅镀法(sputtering deposition)溅镀一层薄金属层35在该基座31上。此外步骤(B)中所称的旋敷法是将该基座31置于一转盘上，并以真空吸着于该转盘上，再以一注射器注入该正光阻32在该基座31的中心处，使该正光阻32在该转盘上慢慢散开，令该转盘转动，则该正光阻32将均匀涂布于该基座31上。

步骤(C)中该光罩(photomask)33a、33b为后续在步骤(D)中阻挡紫外光的屏蔽，一般光罩采用蚀刻方式事前制备，或交由光罩公司制作，其中该光罩33a为正光阻光罩，其显影图形为所述多对电极12，该光罩33b为负光阻光罩，其显影图形为该流道11。步骤(D)即为上述提及的显影(develop)程序，其利用紫外光的能量使光阻(photoresist)受紫外光照射后性质产生改变，通常光阻分为正光阻与负光阻，若经紫外线感光后成为可被溶解的光阻称为正光阻(positive photoresist)，其未受光照部分在显影程序中将被保留，形成耐酸性腐蚀的保护膜，作为后续蚀刻等制程的的阻挡，受紫外光照射部分则被溶解，反之，若经紫外线感光后成为不溶解的光阻称为负光阻(negativephotoresist)，其受光照部分则在显影程序中被保留，形成耐酸性腐蚀的保护膜，作为后续蚀刻等制程的的阻挡，未受紫外光照射部分则被溶解。

一般而言，正光阻具有较佳的分辨率(resolution)及较明显的对比(contrast)，因而可得到业界所期望使用的较细的线宽(line width)，但需要在相对湿度为45％～50％的环境下才能获得良好的黏附性(adhesion)，否则就容易剥落。反之，负光阻就不会如此娇弱，即使在湿度较高的环境下仍能使用，故在此处分别采用正负光阻为显影程序时的光阻。

以上述微电子机械系统制备完成后的这种流量测量装置的外观请参阅图4，其为本发明的该流量测量装置的外观实体图。

这种流量测量装置在实际使用时，首先以一波形产生器对所述多个电极输入2～3kHz，5V的弦波，其后串联一高电阻(2.4MΩ)与待测量的电极。然后在电极两端并联一个正向可调控放大电路作为电压信号输出前的信号控制。当无液体通过时，电极为断路，示波器上看到的信号就仅有来自于信号源的波形；然而当液体一通过电极的瞬间，线路立即串联起一相当大的阻抗，而此时我们便可测量到代表液体这一段的分压而造成电压值大幅下降。仅就这一瞬间的落差去判断即可决定起始终断的时间点。

根据先前的原理，因为液体通过会引起电压的变化，因此只要感测得到流体前端液气界面的位置即可得出准确的流量值。请参阅图5，其为本发明两电极间电阻变化信号的相对关系图。图中示出了实际上测量所得的起始电极与结束电极两对电极间电阻变化信号的相对关系，此处可设定电压变化值为最高最低差值的10％作为触发点，因此最后可知两者的时间差(Δt)；另外由于两电极位置固定，因此体积(ΔV)也已知，两者相除后即可计算出流量为Q＝ΔV/Δt。需注意的是，本实施例以水为例作说明，然而，本发明的流量测量装置可测量具有导电性的液体的流量。

总结而言，本发明主要的设计构想在于利用一已知的流体体积与测量时间的比值来估计流道内流体的流量。测量的方式是通过两组接近但不相连的电极来感应流体通过时的瞬间电阻抗变化，当上游与下游各摆一组感应电极时，由于体积固定(电极距离已知)，电阻抗变化时间也可由这两组电极间的电阻抗变化时间间隔得出，最后可得到目前的流量值。相对于常见的热感式与压差式微流量计，本发明的优点在于实际测量到各项物理参数而非公式换算的结果，所以本发明校正后也可当作工作标准与其它流量计串接进行简易的校正对比。

总而言之，这种流量测量装置和公知的微流量计相比，这种流量测量装置以电极感测的方式来确立体积与时间，不需通过任何公式转换，故这种流量测量装置远比热感式或压差式的微流量计更直接且准确。尤其通过多组不同流量区间的芯片并联后，整组的这种流量测量装置可校验范围便可依使用者需求弹性增减，足以应付未来多元化的需求。

本发明可由本领域的技术人员进行各种修改，但都不脱离如所附权利要求书所保护的范围。

Claims (12)

1.一种测量装置，用以测量一流体的流量，该测量装置包括：

一基座；

一流道，设于该基座上，该流体在该流道中流动，该流道具有至少两个截面；以及

至少两个电子电路，其分别与所述至少两个截面电性连接，所述至少两个电子电路检测对应的所述至少两个截面的信号变化，再根据所检测的信号变化来计算该流体的该流量；

其中所述至少两个电子电路为至少两对电极，所述至少两对电极布置于该流道的两侧；

其中所述至少两对电极中的一对电极包括两个金属片，所述两个金属片分别布置于该流道的两侧，接近但不相接。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述两个金属片分别对称布置于该流道的两侧。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，以所述至少两个电子电路检测对应的至少两个截面的电阻信号变化，再根据所检测的电阻信号变化来计算该流体的该流量。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该流体具有一气液界面，当该气液界面流经所述截面时，所述截面所对应的电子电路会产生一信号变化，该流体的该流量为所述任意两截面间的该流道的体积除以所述任意两截面所对应的所述两个电子电路所产生的所述两个信号变化间的时间差。

5.一种测量装置，用以测量一流体的一流量，该测量装置包括：

多个基座；

多个流道，分别设于所述多个基座上，该流体在所述多个流道中流动，所述每个流道具有至少两个截面；以及

至少两个电子电路，分别与所述至少两个截面电性连接，所述至少两个电子电路检测对应的所述至少两个截面的信号变化，再根据所检测的信号变化来计算该流体的该流量；

其中所述至少两个电子电路为至少两对电极，所述至少两对电极布置于该流道的两侧；

其中所述至少两对电极中的一对电极包括两个金属片，所述两个金属片分别布置于该流道的两侧，接近但不相接。

6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述两个金属片分别对称布置于该流道的两侧。

7.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，以所述至少两个电子电路检测对应的至少两个截面的电阻信号变化，再根据所检测的电阻变化信号来计算该流体的该流量。

8.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，该流体具有一气液界面，当该气液界面流经所述截面时，所述截面所对应的电子电路会产生一信号变化，该流体的该流量为所述任意两个截面间的该流道的体积除以所述任意两个截面所对应的所述两个电子电路所产生的所述两个信号变化间的时间差。

9.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多个流道分别用于通过不同的流量。

10.如权利要求5所述的装置，并联组合所述多个流道，其适用的流量测量范围为从1mL/min至0.01μL/min。

11.一种流量测量装置的制造方法，其制造步骤包括：

(A)提供一基座，标准清洗后蒸镀或溅镀一金属层；

(B)以旋敷法涂布一层正光阻；

(C)以一UV射线照射该光阻层；

(D)去除正光阻以将未曝光部分保留于该基座上；

(E)将基座已除去正光阻部分的金属层去除；

(F)将所有正光阻去除；

(G)以旋敷法涂布一层负光阻；

(H)以UV射线照射；

(I)去除负光阻；

(J)上盖玻璃涂布黏着剂；以及

(K)将上盖玻璃接合于基座上，完成芯片制作。

12.如权利要求11所述的方法，其制造步骤由微电子机械系统制程完成。

Images