CN105241505A - 基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置和方法，其包括：流道底座，其具有第一凹槽及置于所述第一凹槽内的Lamb波传感器；流道上板，其覆盖于流道底座上，其底面设有流体进出口及流道；测试电路板，其覆盖于所述流道上板上，其具有与外部测试仪器连接的接口；弹性探头，其一端与测试电路板电性连接，另一端穿过所述流道上板并继续延伸形成弹性触头；其中，所述Lamb波传感器从下以上依次设有硅衬底层、地电极、氮化铝薄膜及叉指电极。本发明基于Lamb波传感器的测量装置具有体积小、灵敏度高、损耗低、模式多的特点，且利用单个Lamb波传感器多模式的特点即可精确的测量压力和流速的变化大小和方向。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测量技术领域。更具体地说，本发明涉及一种高灵敏度的基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置和方法。
背景技术
近年来，微管道气流成为流体力学研究的热点之一，该方向主要涉及流体边界问题、气体振动松弛模型以及气体涡旋流动等理论。微尺度管道气流的相关研究能够有效促进微电机机械系统(MEMS)核心部件的设计及制作，例如微型热交换器、微型过滤器以及燃料电池等，同时引领了多个领域新型智能化设备的开发，例如微小型呼吸分析仪、微型喷嘴、微型推进器等。随着MEMS技术的发展，智能气体流量传感器不断涌现，极大地促进了微纳米尺度下管道的流体测量技术的发展。
然而，现有的微型流量传感器大多仅能进行压力或流速单一指标进行测量，或者是同时使用多个传感器对单个流体参数进行测量，而且流速测试多以测量管道内的平均流速为准，对于微尺度管道中的边界滑移、流速矢量场表征、低流量局域流速等问题缺乏更为深入的研究。到目前为止，精确测量微尺度管道内低流量气流的局域流速，仍然是一个公开性难题，这就迫切需要采用新的原理或方法，对微尺度管道气流进行多参量、无污染、局域流速实时测量的传感器。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置，其能够利用单一Lamb波器件的多模式特点对流体的压力、流速、方向进行精确的测量。
本发明还有一个目的是提供一种应用上述测试装置对流体参数进行测定的方法，在Lamb波的A0模式下对流体的压力、流速和方向进行测量，并使用S0模式对测量结果进行温度补偿，有效提高了测量的灵敏度和精确度。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置，其包括：
流道底座，其具有第一凹槽及置于所述第一凹槽内的Lamb波传感器；
流道上板，其覆盖于所述流道底座上，所述流道上板底面设有流体进出口及供所述流体流经所述Lamb波传感器表面的流道；
测试电路板，其覆盖于所述流道上板上表面，其设有与外部测试仪器连接的外接接口；
弹性探头，其一端与所述测试电路板电性连接，另一端穿过所述流道上板并继续延伸形成弹性触头；
其中，所述Lamb波传感器从下以上依次设有硅衬底层、地电极、氮化铝薄膜及叉指电极，所述弹性触头分别与所述叉指电极和地电极电性连接。
优选的是，其中，还包括：
弹性薄膜，其设于所述流道上板与所述流道底座之间，以提高测试系统的密封性和稳定性，所述弹性薄膜上开设有与所述流道相应的第一开口及供所述弹性触头通过的第二开口，
其中所述第二开口的开设面积小于所述Lamb波传感器的上表面积，以保证所述第二开口的边缘可压在所述Lamb波传感器边缘上，用以进一步固定传感器。
优选的是，其中，所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板的四角均分别开设有位置相对应的螺孔，四个螺栓分别通过在四个角上依次贯穿所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板后与螺母进行配合以实现测量装置的可拆卸连接。
优选的是，其中，所述叉指电极包括输入叉指电极和输出叉指电极，所述氮化铝层上还分别沉积有2个引入电极、2个引出电极和2个地电极触点，所述地电极触点与所述地电极之间的氮化铝薄膜层被腐蚀，以实现地电极触点与地电极之间的电性连接；
其中，输入叉指电极自引入电极获得激励信号，通过逆压电效应使压电薄膜氮化铝内的质点发生弹性振动，在基片内传播形成了弹性机械波，输出叉指电极将传递来的形变，再经正压电效应转变成电信号输送出去；
其中，所述叉指电极与流体接触的部分使用绝缘材料进行包覆，以防止叉指电极被流体腐蚀或在测量液体参数时，由于液体导电而引起短路。
其中，所述引入电极、引出电极和地电极触点沉积的厚度小于300nm，以降低沉积过程中热应力的不良影响；
其中所述2个引入电极分别位于所述输入叉指电极的两侧，且与所述输入叉指电极电性连接；所述2个引出电极分别位于所述输出叉指电极的两侧，且与所述输出叉指电极电性连接；所述2个地电极触点位于所述引入电极和引出电极之间；
其中，所述弹性触头的个数为6个，分别与所述引入电极、引出电极和地电极触点相对应。
优选的是，其中，所述地电极的成份为钛和钼，以利于氮化铝薄膜在其上的溅射沉积时的生长，得到的氮化铝薄膜与钛和钼的结合强度高，薄膜组织结构均匀，所述硅衬底层主要起到支撑作用，所述硅衬底层的底部还设有腐蚀槽，所述腐蚀槽位置处硅衬底层的厚度不超过10μm，以提高Lamb波传感器对氮化铝薄膜振动的质量灵敏度。
优选的是，其中，所述弹性薄膜为柔韧性和耐磨性能优良的硅胶膜或聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，所述弹性薄膜的厚度为0.2～1.4mm。
优选的是，其中，所述测试电路板与弹性探针焊锡连接，所述流道上板底部与所述弹性探针相应的位置处还设有两个第二凹槽，以便于弹性探针的伸缩。
优选的是，其中，所述流道底板上第一凹槽的四角为倒圆角设置，以便于Lamb波传感器的放取，第一凹槽的设计长度和宽度均比所述Lamb波传感器的设计长度和宽度尺寸超出40～140μm，以防止Lamb波传感器切割时的误差及第一凹槽加工时可能出现的工艺误差。
优选的是，其中，所述Lamb波传感器的厚度与所述第一凹槽的深度之间的差值为20～300μm，以保证当所述Lamb波传感器置于所述第一凹槽内时，所述Lamb波传感器高出所述第一凹槽20～300μm，从而使弹性薄膜可对Lamb波传感器施加一定的作用力，提高Lamb波传感器在受到外力时的稳定性和平衡性。
本发明的目的还可进一步通过应所述测量装置对流体压力和流速多参数进行测量的方法来实现，所述Lamb波器件经激励产生的Lamb波有两种传播模式，分别为反对称A0模式和对称S0模式，其中，A0模式的响应频率对流体的压力和流速变化敏感，S0模式的响应频率对流体的压力和流速变化不敏感，但对流体的温度变化敏感，作为对A0模式测量的温度补偿，具体测量的方法为：
1)在不同流体压力条件下，分别测量Lamb波传感器的A0模式的响应频率，并绘制A0模式的频率移动值与流体压力之间的关系图；
2)在不同流速条件下，分别测量Lamb波传感器的A0模式的响应频率，并绘制A0模式的频率移动值与流速之间的关系图。
本发明至少包括以下有益效果：
(1)本发明的Lamb波传感器利用单个Lamb波传感器多模式的特点即可精确的测量压力和流速的变化大小和方向，相对于其他热阻和非热阻式的传感器而言，具有体积小、灵敏度高、模式多和可重复利用的特点；
(2)本发明的氮化铝压电薄膜位于叉指电极和地电极之间，因为薄膜在声波传播方向上两侧为固定壁，由此声波将会限制于两侧固定壁之间的薄膜中传播，从而形成谐振声波模式，降低了声波传播过程中的能量损耗；
(3)本发明还可以通过改变流道上板的流道的深度以改变通过传感器表面的横截面积，从而可灵活得对不同尺寸微尺度管道流体的各参数进行测量，而且本发明的测试装置为可拆卸式紧固安装，在保证信号稳定的传输的同时，还便于其构件的维修或更换。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明基于单个Lamb波器件对流体压力和流速多参数测量的原理图；
图2为本发明的一个实例中基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置的分解示意图；
图3为图2中所示的流道底座的示意图；
图4为图2中所示的流道上板底面的示意图；
图5为图2中所示的测试电路板的示意图；
图6为图2中所示的Lamb波传感器的放大示意图；
图7为图2中所示的弹性薄膜的示意图；
图8为本发明一个实例中当流道内流体分别为空气和去离子水时Lamb波传感器的频率响应图；
图9为流体压力与Lamb波传感器A0和S0模式下频率移动的关系图；
图10为流体流速与Lamb波传感器A0模式下频率移动的关系图。
图中：1、流道底座，2、流道上板，3、测试电路板，4、弹性探头，5、Lamb波传感器，6、弹性薄膜，7、螺孔，8、螺栓，9、螺母，11、第一凹槽，21、流体进出口，22、流道，23、流道接管，24、第二凹槽，31、外接接口，32、转换器，51、硅衬底层，52、地电极，53、氮化铝压电薄膜，54、叉指电极，55、引入电极，56、引出电极，57、地电极触点，58、绝缘材料，61、第一开口，62、第二开口，541、输入叉指电极，542、输出叉指电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明/发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1～图7示出了根据本发明的一种实现形式，其包括：
流道底座1，其具有第一凹槽11及置于所述第一凹槽内的Lamb波传感器5；
流道上板2，其覆盖于所述流道底座上，所述流道上板底面设有流体进出口21及供所述流体流经所述Lamb波传感器表面的流道22，微尺度管道内待测试的流体经流道接管23流进流道内进行检测；
测试电路板3，其覆盖于所述流道上板上表面，其设有与外部测试仪器连接的外接接口31；
弹性探头4，其一端与所述测试电路板电性连接，另一端穿过所述流道上板并继续延伸形成弹性触头；
其中，参照图1，所述Lamb波传感器从下以上依次设有硅衬底层51、地电极52、氮化铝压电薄膜53及叉指电极54，所述弹性触头分别与所述叉指电极和地电极电性连接，探头设计成弹性既可保证与传感器的充分接触，又可防止传感器受到的应力过大，损坏器件。
在这种技术方案中，兰姆波传感器由上下平面的金属电极和夹在它们之间的压电薄膜材料氮化铝组成，当电压施加在电极上时，压电材料氮化铝由于逆压电效应产生机械形变并在薄膜内激励出体声波，并在两电极平面之间来回反射形成机械谐振波，然后叉指电极通过正压电效应将传递来的机械振动转变成电信号输送出去；
参照图1，图中箭头A、B代表流体的流动方向，当有流体通过时，改变了机械谐振波传播的边界条件，原来沿薄膜表面传播的声表面波中的中低频A0模式和高频S0模式分别转换变成向流体介质内传播的消逝波和漏波，其中消逝波在流体介质内的穿透深度与流体介质的压力和流速有关，漏波的传播则基本不受流体性质的影响，因此当流体通过流道时，流体的压力，流速微小的变化都会改变界面处的机械和电学性能，影响消逝波的穿透深度，从而影响叉指电极最终输出的频率。
在另一实例中，参照图2和图7，还包括：弹性薄膜6，其设于所述流道上板与所述流道底座之间，以提高测试系统的密封性和稳定性，所述弹性薄膜上开设有与所述流道相应的第一开口61及供所述弹性触头通过的第二开口62，其中所述第二开口62的开设面积小于所述Lamb波传感器的上表面积，以保证所述第二开口的边缘可压在所述传感器边缘上，用以进一步固定传感器。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者的不同需求进行不同态样的实施。
上述方案中，参照图2，测试装置的一种装配方式为：所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板的四角均分别开设有位置对应的螺孔7，四个螺栓8分别在四个角上通过依次贯穿所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板后与螺母9进行配合以实现测量装置的可拆卸连接，以便于各组成构件的检修和替换。
上述方案中，参照图6，所述叉指电极包括输入叉指电极541和输出叉指电极542，所述氮化铝层上还分别沉积有2个引入电极55、2个引出电极56和2个地电极触点57，所述地电极触点与所述地电极之间的氮化铝层被腐蚀，以实现地电极触点与地电极之间的电性连接；
其中，输入叉指电极通过引入电极获得激励信号，通过逆压电效应使压电薄膜氮化铝内的质点发生弹性振动，在基片内传播形成了弹性机械波，输出叉指电极将传递来的形变经正压电效应转变成电信号输送出去；
其中，参照图1，所述叉指电极与流体接触的部分使用绝缘材料58进行包覆，以防止叉指电极被流体腐蚀或在测量液体的各参数时，由于液体导电而引起短路。
其中，所述引入电极、引出电极和地电极触点沉积的厚度小于300nm，以降低沉积过程中热应力的不良影响；
其中所述2个引入电极分别位于所述输入叉指电极的两侧，且与所述输入叉指电极电性连接；所述2个引出电极分别位于所述输出叉指电极的两侧，且与所述输出叉指电极电性连接；所述2个地电极触点位于所述引入电极和引出电极之间；
其中，所述弹性触头的个数为6个，分别与所述引入电极、引出电极和地电极触点相对应。
上述方案中，所述地电极的成份为钛和钼，以利于氮化铝薄膜在其上的溅射沉积时的生长，得到的氮化铝薄膜与钛和钼的结合强度高，薄膜组织结构均匀，所述硅衬底层的底部设有腐蚀槽，所述腐蚀槽位置处硅衬底层的厚度不超过10μm，以提高Lamb波传感器对氮化铝薄膜振动的质量灵敏度。
上述方案中，所述弹性薄膜为柔韧性和耐磨性能优良的硅胶模或聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，所述弹性薄膜的厚度为0.2～1.4mm。
所述测试电路板上的其他零件是根据实际需要的输出进行配置的，在上述方案中测试电路板上还设有转换器32，以与所述传感器的电路相配置，所述测试电路板与弹性探针焊锡连接，所述流道上板底部与所述弹性探针相应的位置处还设有两个第二凹槽24，以便于弹性探针的伸缩。
上述方案中，所述流道底板上第一凹槽的四角为倒圆角设置，以便于Lamb波传感器的放取，第一凹槽的设计长度和宽度均比所述Lamb波传感器的设计长度和宽度尺寸超出40～140μm，以防止Lamb波传感器切割时的误差及第一凹槽加工时可能出现的工艺误差。
上述方案中，所述Lamb波传感器的厚度与所述第一凹槽的深度之间的差值为20～300μm，以保证当所述Lamb波传感器置于所述第一凹槽内时，所述Lamb波传感器高出所述第一凹槽20～300μm，从而使弹性薄膜对Lamb波传感器施加一定的作用力，提高Lamb波传感器在受到外力时的稳定性和平衡性。
本发明的目的还可进一步通过应用上述实例中的测量装置对流体压力和流速多参数进行测量的方法来实现，将测试装置与安捷伦公司的E5061B网络分析仪进行连接，参照图8，当流道内流体分别为空气和去离子水时，所述Lamb波器件经激励产生的Lamb波均有两种传播模式，分别为在10～13MHZ频率下出现反对称A0模式和在104～114MHZ频率下出现的对称S0模式，然后在Lamb波传感器的A0模式下，分别测定不同流体压力和流速下的Lamb波传感器的频率移动，并分别绘制流体压力、流速与频率移动的关系图。
参照图9，方形标识和圆形标识连线分别代表A0模式不同的压力变化方向与响应频率移动的关系，A0模式下，Lamb波传感器的频率移动随压力变化成一定的比例的变化，可以感应压力变化的趋势及大小。本图9中上三角连线代表S0模式下压力变化与响应频率移动的关系，可看出S0模式对压力的变化不敏感，但是S0模式对温度变化敏感，通过测量温度变化与频率移动的关系，对A0模式的温度补偿，去除测量压力时温度变化对于对传感器频率移动的影响，本实施例测试装置对流体压力的测量精度可高达1200Hz/kPa。
参照图10,方形标识和圆形标识连线分别显示了图1中流体流动方向分别为A方向和B方向下的流速和响应频率移动之间关系，传感器的频率移动随流速的变化成一定比例的变化，流速增大，频率移动随之增大，依据的频率的移动方向可以判断流体流动的方向，本实施例测试装置对流体压力的测量精度可高达250Hzmm-1s。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置和方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
如上所述，本发明的Lamb波传感器利用单个Lamb波传感器多模式的特点即可精确的测量压力和流速的变化大小和方向，相对于其他热阻和非热阻式的传感器而言，具有体积小、灵敏度高、模式多和可重复利用的特点；
此外，本发明的氮化铝压电薄膜位于叉指电极和地电极之间，因为薄膜在声波传播方向上两侧为固定壁，由此声波将会限制于两侧固定壁之间的薄膜中传播，从而形成谐振声波模式，降低了声波传播过程中的能量损耗；
此外，本发明还可以通过改变流道上板的流道的深度以改变通过传感器表面的横截面积，从而可灵活得对不同尺寸微尺度管道流体的各参数进行测量，而且本发明的测试装置为可拆卸式紧固安装，在保证信号稳定的传输的同时，还便于其构件的维修或更换。
本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置，其特征在于，包括：
流道底座，其具有第一凹槽及置于所述第一凹槽内的Lamb波传感器；
流道上板，其覆盖于所述流道底座上，所述流道上板的底面设有流体进出口及供所述流体流经所述Lamb波传感器表面的流道；
测试电路板，其覆盖于所述流道上板上表面，其设有与外部测试仪器连接的外接接口；
弹性探头，其一端与所述测试电路板电性连接，另一端穿过所述流道上板并继续延伸形成弹性触头；
其中，所述Lamb波传感器从下以上依次设有硅衬底层、地电极、氮化铝薄膜及叉指电极，所述弹性触头分别与所述叉指电极和地电极电性连接。
2.如权利要求1所述的基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置，其特征在于，还包括：
弹性薄膜，其设于所述流道上板与所述流道底座之间，所述弹性薄膜上开设有与所述流道相应的第一开口及供所述弹性触头通过的第二开口，
其中所述第二开口的开设面积小于所述Lamb波传感器的上表面积，以保证所述第二开口的边缘可压在所述Lamb波传感器边缘上，用以进一步固定传感器。
3.如权利要求1所述的基于单个Lamb波器件的压力和流体多参数测量装置，其特征在于，所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板的四角均分别开设有位置相对应的螺孔，四个螺栓分别通过在四个角上依次贯穿所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板后与螺母进行配合以实现测量装置的可拆卸连接。
4.如权利要求1所述的基于单个Lamb波器件的压力和流体多参数测量装置，其特征在于，所述叉指电极包括输入叉指电极和输出叉指电极，所述氮化铝层上还分别沉积有2个引入电极、2个引出电极和2个地电极触点，所述地电极触点与所述地电极之间的氮化铝层被腐蚀，以实现地电极触点与地电极之间的电性连接；
其中，所述叉指电极与流体接触的部分使用绝缘材料进行包覆；
其中，所述引入电极、引出电极和地电极触点沉积的厚度小于300nm；
其中所述2个引入电极分别位于所述输入叉指电极的两侧，且与所述输入叉指电极电性连接；所述2个引出电极分别位于所述输出叉指电极的两侧，且与所述输出叉指电极电性连接；所述2个地电极触点位于所述引入电极和引出电极之间；
其中，所述弹性触头的个数为6个，分别与所述引入电极、引出电极和地电极触点相对应。
5.如权利要求1所述的基于单个Lamb波器件的压力和流体多参数测量装置，其特征在于，所述地电极的成份为钛和钼，所述硅衬底层的底部设有腐蚀槽，所述腐蚀槽位置处硅衬底层的厚度不超过10μm。
6.如权利要求2所述的基于单个Lamb波器件的压力和流体多参数测量装置，其特征在于，所述弹性薄膜为硅胶模或是PDMS膜，所述弹性薄膜的厚度为0.2～1.4mm。
7.如权利要求1所述的基于单个Lamb波器件的压力和流体多参数测量装置，其特征在于，所述测试电路板上还设有转换器，以与所述传感器的电路相配置，所述测试电路板与弹性探针焊锡连接，所述流道上板底部与所述弹性探针相应的位置处还设有两个第二凹槽，以便于弹性探针的伸缩。
8.如权利要求1所述的基于单个Lamb波器件的压力和流体多参数测量装置，其特征在于，所述流道底板上第一凹槽的四角为倒圆角设置，第一凹槽的设计长度和宽度均比所述Lamb波传感器的设计长度和宽度尺寸超出40～140μm。
9.如权利要求1所述的基于单个Lamb波器件的压力和流体多参数测量装置，其特征在于，当所述Lamb波传感器置于所述第一凹槽内时，所述Lamb波传感器高出所述第一凹槽20～300μm。
10.一种应用权利要求1所述测量装置对流体压力和流体多参数进行测量的方法，其特征在于，所述Lamb波器件经激励产生的Lamb波有两种传播模式，分别为反对称A0模式和对称S0模式，其中，A0模式的响应频率对流体的压力和流速变化敏感，S0模式的响应频率对流体的压力和流体流速变化不敏感，但对流体的温度变化敏感，作为对A0模式测量的温度补偿，具体测量的方法为：
1)在不同流体压力条件下，分别测量Lamb波传感器的A0模式的响应频率，并绘制A0模式的频率移动值与流体压力之间的关系图；
2)在不同流体流速条件下，分别测量Lamb波传感器的A0模式的响应频率，并绘制A0模式的频率移动值与流体流速之间的关系图。
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Application publication date: 20160113 Assignee: Jinan Guoke Kaixin Electronic Technology Co., Ltd. Assignor: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2019320010019 Denomination of invention: Pressure and flow velocity multi-parameter measuring device and method based on a single Lamb wave device Granted publication date: 20170322 License type: Common License Record date: 20190513 |