CN103765183A - 聚合物层系统压力传感装置以及聚合物层系统压力传感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚合物层系统压力传感装置和一种聚合物层系统压力传感方法。该聚合物层系统压力传感装置包括：具有第一空穴（8；8a、8b）的第一聚合物基体（5；5a）；第一聚合物膜（4），其在第一空穴（8；8a、8b）上张紧，并且能够根据在第一空穴（8；8a、8b）中施加的压力（PM）偏移；在所述第一聚合物膜（4）上在第一空穴（8；8a）之上安装的第一膜金属化层（6；6a），其能够与第一聚合物膜（4）一起根据施加在第一空穴（8；8a、8b）中的压力（PM）偏移；布置在第一聚合物膜（4）上方的具有第二空穴（9）的第二聚合物基体（3），第二空穴布置在第一空穴（8；8a、8b）上方；第二聚合物膜（2），其在第二空穴（9）上张紧；在第二聚合物膜（2）上在第二空穴（9）之内安装的第二膜金属化层（7；7a）；以及布置在第二聚合物膜（2）上方的第三聚合物基体（1）。

Description

聚合物层系统压力传感装置以及聚合物层系统压力传感方法
技术领域
本发明涉及一种聚合物层系统压力传感装置以及一种聚合物层系统压力传感方法。
背景技术
尽管也可以使用任意的微机械构件，但本发明和其所基于的问题借助集成的微流体构件来阐述。
集成的微流体构件，例如医药技术中的芯片实验室系统，常常由一聚合物层结构构成，其具有关闭的微流体结构，例如通道和腔室。
基于聚合物层系统的微流体构件由于灵活的加工技术和连接技术而可以多种多样地使用并且由于很小的费用而是一种用于实现一次性构件的特别好的平台。为了提高复杂的微流体系统中的过程的控制，需要关于在这种系统中的流体的物理状态的基本信息。除了温度之外，重要的主要有微流体空穴或通道中的压力，以便能够调节出准确的流量，能够确定通道的阻塞并且监控阀或泵的功能。
DE 10 2009 000 529 A1描述了一种具有单侧敞开的测量通道的用于压力测量的系统，其中，在敞开的端部处存在一种与液体的连接，并且在闭合的端部处关闭一气体。在压力升高的情况下，该气体被压缩并且气液界面被移动。通过观察（毛细管中液柱的）弯月面能够获知体积变化并且在已知的起始压力的情况下经由波义耳定律获知实际压力。为了检测所述弯月面的位置，建议一种方法，其评价一光束的特性，该光束借助于转向镜横穿了所述弯月面的待预期的位置的区域。
在Sensor Actuat.A- Frisch 118（205）第212至221页中介绍了一种基于硅的压力传感器。其中，压力的升高使一硅膜偏移，其中，该偏移经由一光束的反射来获知。
J. Liu等人在第7届国际会议固态传感器和执行器（传感器'93）中所做的用于微流研究的微机械通道/压力传感器系统描述了一种基于硅的微流体通道，具有连接的压阻式压力传感器。
从DE 10 2008 002 336 A1中已知了一种挤压阀的制造方法，其中，该挤压阀在微流体系统中使用。
发明内容
本发明提出了一种按照权利要求1所述的聚合物层系统压力传感装置以及按照权利要求11所述的聚合物层系统压力传感方法。
优选的改进方案是各从属权利要求的主题。
发明优点
本发明的核芯是一种层结构，其由一具有微流体空穴的聚合物基体构成，所述微流体空穴在一区域中通过一柔韧的聚合物膜遮盖，其中，背面已被金属化。在其上方以一定间距具有另一金属化层，其与一位于其上方的聚合物膜以及一位于此上的聚合物基体连接。在两个金属层之间具有另一空穴，其通过一向外引导的通道联接到一参考压力上并且以流体、优选气体填充。在最简单的情况下，所述向外引导的通道与周围大气连接。在下部的聚合物基体中的微流体空穴和在所述金属层之间的空穴之间的压力差导致了金属化的下部的聚合物膜的变形，该变形可借助于上部的金属层被电容地检测到或在两个金属层接触的情况下被电阻地检测到。所述金属层优选经由侧部地实施的印制导线接触。
在根据本发明的装置中，由于电的评价而不需要任何耗费的外部设备用以获知压力，例如不需要光学的读取。由此可以明显减少成本以及外部的控制单元和读取单元的结构尺寸。
本发明适合于可针对微流体系统多样地使用的聚合物层结构。本发明能够实现直接在现场的压力测量。由此避免了通过在其它情况下所需的与压力传感器的连接通道或者说连接软管的流体电阻/流体电容会导致的测量信号的歪曲。
本发明可以与附加的功能元件联接。这样，例如所述金属化的下部的聚合物膜同时可以用作阀或膜片式泵的激活元件，且因此直接监控阀功能或泵功能。
附图说明
下面借助于参照附图的实施方式阐述本发明的其他特征和优点。
其中:
图1 a）-c） 示出了用于阐释根据本发明的第一种实施方式的聚合物层系统压力传感装置的示意图，确切地说，图1a）是俯视图，以及图1b）和1c）是沿图1a）中的直线A-A'的横截面图；
图2a）、b） 示出了用于阐释根据本发明的第二种实施方式的聚合物层系统压力传感装置的示意图，确切地说，图2a）是沿着图1a）的直线A-A'的截面图，以及图2b）是图2a）中的结构化的上部的膜金属化层7a的示图；
图3 示出了用于阐释根据本发明的第三种实施方式的聚合物层系统压力传感装置的结构化的下部的膜金属化层6a的示意性俯视图；以及
图4 示出了用于阐释根据本发明的第四种实施方式的聚合物层系统压力传感装置的示意性横截面视图。
具体实施方式
在附图中相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件。
图1 a）-c）是用于阐释根据本发明的第一种实施方式的聚合物层系统压力传感装置的示意图，确切地说，图1a）是俯视图，以及图1b）和1c）是沿图1a）中的直线A-A'的横截面图。
在图1a）至1c）中附图标记5表示具有第一空穴8的第一聚合物基体。在该第一聚合物基体5以及所述第一空穴8上设置一弹性的第一聚合物膜4，其在所述第一空穴8上张紧并且可根据施加在所述第一空穴8中的压力PM偏移。
在所述第一聚合物膜4上，在所述第一空穴8之上和之外设置一第一膜金属化层6，其可与所述第一聚合物膜4一起根据施加在所述第一空穴8中的压力PM偏移。
在所述第一聚合物膜4上方布置一具有一第二空穴9的第二聚合物基体3，其中，所述第二空穴9布置在所述第一空穴8上方，并且一第二聚合物膜2在所述第二空穴9上张紧。在所述第二聚合物膜2上在所述第二空穴9之内安装一第二膜金属化层7。
最后在所述第二聚合物膜2上布置一第三聚合物基体1并且仿佛形成所述压力传感装置的一上盖。
如从图1a）中可见，所述第一膜金属化层6可经由所述空穴8、9侧部的一第一印制导线16联接并且所述第二膜金属化层7可经由所述空穴8、9侧部的一第二印制导线17联接。
所述第一空穴8联接在一第一和一第二压力通道19、20上，它们在所述第一聚合物基体5中延伸。
所述第二空穴9联接在一第三压力通道10上，该第三压力通道在所述第二聚合物基体3中延伸并且其通常联接在一参考压力PR上，在最简单的情况下时是大气压。
在根据图1b）的状态下，在所述压力通道19和20上施加与在所述第三压力通道10上相同的参考压力PR，从而所述第一聚合物膜4与位于其上的第一膜金属化层6处于未偏移的状态中。如在图1c）中所示，压力差ΔP = PM - PR导致了下部的聚合物膜4连同位于其上的第一膜金属化层6的偏移。所述压力差ΔP可以例如通过测量所述膜金属化层6、7之间的电容来确定。可替换的是，所述第二空穴9的高度可以以如下方式设计，即其在一相应的压力差ΔP的情况下导致所述膜金属化层6、7的接触，其中，接触面随着增大的压力差ΔP而增大。然后，所述压力适宜地从所述第一和所述第二膜金属化层6、7之间的电阻中确定。
在该情况下有益的可以是，使用一种金属或另一种材料，例如一导电的聚合物、一导电的膏或碳纳米管（CNT），例如具有一高电阻率，用以降低对于评价电子装置的要求。在按照图1a）至1c）的实施例中，在所述两个空穴8、9中的金属化是在所有面上进行的。
在所述聚合物基体1、3、5中所需的结构可以例如通过铣削、浇注或烫金来产生。所述聚合物层结构的接合可以例如借助于激光渗透焊接、超声波焊接或粘接技术来进行。所述金属化可以例如通过溅射法、喷墨打印或基于激光的金属化技术来进行。
适合作为聚合物基体的例如是热塑性塑料，比如PC、PP、PE、PMMA、COP、COC等等。适合作为弹性膜的是弹性体、热弹性的弹性体，热塑性塑料等等。所述膜金属化层6、7的金属化可以通过金属，例如金、铜、铝等等来进行。但为了提高电阻率，必要时也可以使用其它材料，例如导电的聚合物或CNT。
在根据图1a）至1c）的实施例中的示例性的尺寸是0.5至3mm的所述聚合物基体1、3、5的厚度（25至300μm的所述聚合物膜4、2的厚度，0.1至20μm的所述膜金属化层6、7的厚度，1至1000μm3的所述空穴8、9的体积，以及10x10至100x100mm2的整个实施例的横向尺寸）。
在一种评价变型方案中仅利用如下信息，即所述两个膜金属化层6、7发生接触，即超过了一定的最小压力。该实施例可以在该情况下例如作为压力开关起作用，用以确定，一流体已经到达了微流体系统中的某个位置。在此有利的是，对于制造精确度的要求是令人轻松的并且例如不必特别精确地调节所述空穴8、9的直径。
图2a）、b）示出了用于阐释根据本发明的第二种实施方式的聚合物层系统压力传感装置的示意图，确切地说，图2a）是沿着图1a）的直线A-A'的截面图，以及图2b）是图2a）中的结构化的上部的膜金属化层7a的示图。
在根据图2a）、b）的第二实施方式中，所述系统以如下方式设计，使得下部的膜金属化层6在向上偏移时与特殊地结构化的上部的膜金属化层7a的发生接触。
如从图2b）中可见，上部的膜金属化层7a曲折形地结构化成印制导线并且具有第一端部和第二端部12、13，在它们之间可检测一电阻。根据压力差ΔP的不同，会出现在所述下部的膜金属化层6和所述上部的结构化的膜金属化层7a之间的不同大小的接触区域11，且因此会出现在所述上部的膜金属化层7a中的不同大小的短路。这样，所述聚合物膜6的偏移可经由在所述上部的结构化的膜金属化层7a的两个端部12、13之间的电阻变化来检测，这表现出相比于电容评价对于一外部评价电子装置的明显更小的要求。
图3示出了用于阐释根据本发明的第三种实施方式的聚合物层系统压力传感装置的结构化的下部的膜金属化层6a的示意性俯视图。
在根据图3的第三种实施方式中，所述下部的聚合物膜4不是在所有面上被金属化，而是设置一中央的金属化区域6a，其通过至少一个卸载结构14弹性地连接在周边的金属化区域13a、13b上。在图3中用阴影线示出了所述第一聚合物膜4的自由浮动区域。该第三种实施方式的优点在于，通过舍弃所述第一聚合物膜4的在所有面上的金属化，能够实现所述第一聚合物膜4的柔韧性的提高，并且能够检测到更小的压力差。相比于所述膜金属化6a的笔直的连接，通过所述卸载结构14还提高了灵敏度，因为其可较容易地拉伸和压缩。此外，通过所述卸载结构14的几何形状获得了复位力，从而在向上偏移的情况下不需要在所述第二聚合物膜4和所述金属化6a之间的固定连接。
图4示出了用于阐释根据本发明的第四种实施方式的聚合物层系统压力传感装置的示意性横截面视图。
根据图4的实施例示出了按照图1a）至c）的根据本发明的聚合物层系统压力传感装置与一从DE 10 2008 002 336 A1中公开的挤压阀的一种组合。
在该实施方式中，所述第一聚合物基体5a具有两个分空穴8a、8b，它们通过一连接件16a分开，在该连接件上，所述第二聚合物膜4与所述第一膜金属化层6张紧。通过这种结构能够利用电的评价来实时地监控所述挤压阀的功能并且如此地提前识别到故障功能，例如阻塞。所述压力通道10在该情况下可以例如用于经由一外部压力PR来控制所述挤压阀。
以类似的方式，也可以设计一按照所示的根据本发明的原理的膜式泵的挤压通道。除了纯功能控制之外，在该情况下从所述第一聚合物膜的偏移中也可以实时地监控并且确定泵功率。
尽管本发明借助于优选的实施例进行了描述，但其不限于此。尤其是所述的材料和拓扑结构仅是示例性的并且不限于所阐释的例子。

Claims (11)

1. 聚合物层系统压力传感装置，具有：
一具有第一空穴（8；8a、8b）的第一聚合物基体（5；5a）；
一第一聚合物膜（4），其在所述第一空穴（8；8a、8b）上张紧，并且能够根据在所述第一空穴（8；8a、8b）中施加的压力（PM）进行偏移；
一在所述第一聚合物膜（4）上在所述第一空穴（8；8a）之上安装的第一膜金属化层（6；6a），其能够与所述第一聚合物膜（4）一起根据施加在所述第一空穴（8；8a、8b）中的压力（PM）进行偏移；
一布置在所述第一聚合物膜（4）上方的具有一第二空穴（9）的第二聚合物基体（3），所述第二空穴布置在所述第一空穴（8；8a、8b）上方；
一第二聚合物膜（2），其在所述第二空穴（9）上张紧；
一在所述第二聚合物膜（2）上在所述第二空穴（9）之内安装的第二膜金属化层（7；7a）；以及
一布置在所述第二聚合物膜（2）上方的第三聚合物基体（1）。
2. 按照权利要求1所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，所述第二聚合物膜（7）是无法偏移的。
3. 按照权利要求1或2所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，所述第一空穴（8；8a、8b）联接在一第一和一第二压力通道（19、20）上，所述第一压力通道和所述第二压力通道在所述第一聚合物基体（5）中延伸。
4. 按照权利要求1、2或3所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，所述第二空穴（9）联接在一第三压力通道（10）上，所述第三压力通道在所述第二聚合物基体（3）中延伸。
5. 按照前述权利要求中任一项所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，所述第一膜金属化层（6；6a）和所述第二膜金属化层（7；7a）分别能够经由所述第二空穴（9）侧部的至少一个印制导线（16；17；13a、13b）联接。
6. 按照前述权利要求中任一项所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，所述第一膜金属化层（6；6a）和所述第二膜金属化层（7；7a）在压力偏移的情况下能够相互发生接触。
7. 按照权利要求6所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，所述第一膜金属化层（6；6a）具有在所述第一聚合物膜（4）上的一在部分面上的中央的金属化区域（6a），所述金属化区域经由卸载元件（14）悬挂在所述膜金属化层中。
8. 按照权利要求6所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，所述第二膜金属化层（7；7a）是印制导线形地结构化的，从而在由于压力偏移而接触的情况下，在所述第二膜金属化层（7；7a）的两个端部（12、13）之间的电阻与在所述第一空穴（8；8a、8b）中施加的压力（PM）相关。
9. 按照权利要求1所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，所述第一空穴（8a、8b）具有一第一分空穴（8a）和一第二分空穴（8b），所述第一分空穴和所述第二分空穴通过一连接件（16）分开，所述第一聚合物膜（4）在所述连接件上张紧。
10. 聚合物层系统压力传感方法，使用一种按照权利要求1所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，施加在所述第一空穴（8；8a、8b）中的压力（PM）参照在所述第一膜金属化层（6；6a）和所述第二膜金属化层（7；7a）之间的电容来检测。
11. 聚合物层系统压力传感方法，使用一种按照权利要求6所述的聚合物层系统压力传感装置，其中，施加在所述第一空穴（8；8a、8b）中的压力（PM）参照所述第二膜金属化层（7；7a）的电阻来检测。
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