CN107860797A - 一种微流体柔性传感器 - Google Patents
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Abstract
一种微流体柔性传感器，涉传感器。包括柔性基体、微流道、微流体和氧气传感器，可用于测量结构表面变形和法向压力或可用于微流控系统中测量液体流速。测量结构面内变形和表面法向压力，集成于结构表面，结构的变形引起微流体的形状改变，主流道内微流体进入分流道，分流道内空气被压缩，氧气浓度发生变化，氧气通过柔性多孔膜渗透进入集成于底部的氧气传感器实时测量分流道内部氧气浓度；微流控系统监测微流道中液体流速，流体流经主流道，流体的流速越大挤进分流道中的流体就越多，分流道中空气被压缩，氧气浓度越高，通过氧气传感器监测分流道内的氧气浓度，实时准确测出变量的大小。制作成本低，可监测变量多，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉传感器，尤其是涉及基于MEMS技术的微流体柔性传感器，其可集成于任何复杂结构表面，用于测量结构所受法向压力、结构的面内变形，也可用于微流控系统中测量流体流速的一种微流体柔性传感器。
背景技术
传感器作为控制系统的主要信息来源，其应用已渗透到工业生产、航空航天、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、宇宙开发以及智能家居等重要领域。从某种程度上说，传感器是决定一个系统特性和性能指标的关键部件。目前，传感器在各个领域主要用于检测结构的面内变形、表面压力、服役环境下的气体成分、温度、湿度等参数。
目前，用于测量结构面内变形和表面压力的传感器主要是电阻应变片，其原理是将结构上应变的变化转换为电阻应变片电阻变化。经过多年的发展，电阻应变片的制作工艺成熟、制作成本低、测量精度高，而且还形成了行之有效的温度补偿方法，但是由于电阻应变片的传感原价是金属丝/箔，其承受变形能力差，当结构发生较大变形时电阻应变片金属丝/箔易发生断裂失效，造成测量失败；再者，电阻应变片只能测量结构面内变形和面内压力，无法测量结构表面所受的法向压力，对于飞行器结构表面气动压力测量、高层建筑风压测量等重要领域其无能为力([1]潘喜军.国内电阻应变片及力学量传感器发展概况[J].传感器技术,1982,(03):23-37)。
随着MEMS技术的发展以及新材料、新工艺不断的应用，近年来涌现出一批新型的柔性传感器，主要有新型石墨烯柔性传感器([2]J Yang,Q Ran,D Wei,et al.Three-dimensional conformal graphene microstructure for flexible and highlysensitive electronic skin[J].Nanotechnology.2017,28(11):115501)、微流体传感器([3]J C Yeo,Kenry,J Yu,et al.Triple-State Liquid-Based Microfluidic TactileSensor with High Flexibility,Durability,and Sensitivity[J].ACS Sensors.2016,1(5):543-551；[4]H Ota,K Chen,Y Lin,et al.Highly deformable liquid-stateheterojunction sensors[J].Nat Commun.2014,5:5032)和微流控系统。新型石墨烯传感器主要是通过化学气相沉积的方法，在柔性基体上沉积一层具有一定厚度石墨烯，而后封装成型，其原理与电阻应变片相似，将传感器所受力的变化转换为传感器电阻变化。新型石墨烯传感器，由于其封装材料和石墨烯传感层都是柔性的，其可用于测量结构表面所受的面内压力和法向压力，当受力作用时，传感器易发生变形进而导致其电阻发生变化，通过建立电阻变化与所受力大小的关系即可得出所受力的大小。微流体传感器，通过将导电液体注入预先成型好的柔性微流道中并封装成型。当传感器受力的作用而发生变形时，其微流道内导电液体形状也发生变化，进而导致微流体传感器电阻发生变化，通过标定电阻变化与所受力大小的数学关系，通过测得的电阻变化计算出所受力的大小。上述两种柔性传感器虽然都可以测量结构面内压力和法向压力，但都是依靠传感器自身的变形导致电阻的变化来标定所受力的大小，不但传感器厚度大，而且灵敏度低。微流控系统是一种在微观尺寸下的精确操作系统，被广泛用于微型分析、细胞培养、化学合成等重要领域，但迄今为止微流控系统中，如何精确控制微流道中流体的流速仍然是有待解决的关键科学问题，因此发展一种柔性传感器集成现有微流控系统中准确测量微流道中流体的流速具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有传感器存在的上述不足，提供测量精度高、稳定性好，可集成于任何复杂结构表面，用于测量结构所受法向压力、结构的面内变形，也可用于微流控系统中测量流体流速的一种微流体柔性传感器。
本发明设有柔性基体、微流道、微流体和氧气传感器；所述柔性基体包括表层不透气柔性基体和透气基体；所述微流道包括主流道和分流道；所述微流体位于柔性基体的主流道内部，当传感器受压力作用时主流道内微流体部分流向分流道或主流道内流体流速增加时液体部分流向分流道；所述氧气传感器置于整个传感器底部或以镀层置于微流道内壁，用于检测分流道内氧气浓度。
本发明可用于测量结构面内变形、结构表面法向压力和气动压力，也可用于微流控系统测量微流道中流体流速，其中：
1)用于测量结构面内变形和结构表面法向压力时，微流道内部微流体可以是任意一种液体(根据服役环境优化选择)，将微流体柔性传感器贴于结构表面，当结构受力作用时，微流体的形状也发生改变，从而引起主流道内部微流体部分流向分流道，分流道内部空气被微流体压缩，氧气浓度增加，通过氧气传感器测量分流道内部氧气浓度，标定氧气浓度与结构表面变形的大小关系，进而根据氧气传感器测量到的氧气浓度计算出结构所发生的变形；
2)用于微流控系统中测量流体流速，流体主要从在主流道中流动，当主流道中流体的速度发生变化时，流体会部分挤向分流道中，分流道内部空气被流体压缩，氧气浓度增加，通过氧气传感器测量分流道内部氧气浓度，标定氧气浓度与结构表面变形的大小关系，进而根据氧气传感器测量到的氧气浓度计算出流体流速的大小。
本发明包括柔性基体、微流道(包括主流道和分流道)、微流体和氧气传感器四个部分，可用于测量结构表面变形和法向压力，也可用于微流控系统中测量液体流速。测量结构面内变形和表面法向压力，集成于结构表面，结构的变形引起微流体的形状改变，主流道内微流体进入分流道，分流道内空气被压缩，氧气浓度发生变化，氧气通过柔性多孔膜渗透进入集成于底部的氧气传感器实时测量分流道内部氧气浓度；微流控系统监测微流道中液体流速，流体流经主流道，流体的流速越大挤进分流道中的流体就越多，分流道中空气被压缩，氧气浓度越高，通过氧气传感器监测分流道内的氧气浓度，通过标定分流道内氧气浓度和结构面内变形、所受法向压力和微流控系统中流体流速的数学关系，实时准确测出变量的大小。本发明提供的微流体柔性传感器，制作成本低，可监测变量多，灵敏度高。
附图说明
图1是本发明实施例的制作流程图；
图2是本发明实施例的测量结构面内变形和法向压力的原理图；
图3是本发明实施例的用于微流控系统中测量流体流速的原理图；
图4是本发明实施例的集成于结构表面压力分布的原理图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1～4，本发明实施例设有柔性基体1、微流道3、微流体4和氧气传感器2；所述柔性基体1包括表层不透气柔性基体和透气基体；所述微流道3包括主流道31和分流道32；所述微流体4位于柔性基体1的主流道31内部，当氧气传感器2受压力作用时，主流道31内的微流体4部分流向分流道32或主流道31内流体流速增加时液体部分流向分流道32；所述氧气传感器2置于整个传感器底层或以镀层置于微流道3内壁，用于检测分流道32内氧气浓度。
本发明提供的微流体柔性传感器：1)通过光刻技术在硅基板上制作微流道(含主流道和分流道)阳模；2)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂按1︰10均匀混合，而后分别倒入上述模具和裸硅片中，并置于80℃真空烘箱中保温2h；3)通过旋涂技术在带微流道的PDMS膜表层旋涂一层不透气的柔性膜，置于80℃真空烘箱中保温1h；4)将固化好的PDMS从模具中取出，把氧气传感器封装于裸硅片中固化的PDMS膜上；5)通过氧等离子体活化技术，将带有微流道和带有氧气传感器的两片PDMS活化并键合；6)用于测量结构面内变形和结构表面法向压力的，利用注射器将导电液体注入主流道中，并密封注入口；7)用于微流控系统中的，在主流道两端分别开一个小孔，作为流体的进口和出口。微流体传感器制作流程如图1所示。
如图2所示，将微流体传感器集成于结构表面，当结构受力作用发生变形时，微流体的形状也发生改变，从而引起微流体部分流向分流道中的压缩空气，通过氧气传感器实时测量分流道内氧气的浓度，建立氧气浓度和结构变形的数学关系，通过标定分流道内氧气浓度与结构表面变形的大小关系，进而根据氧气浓度的变化的变化计算出结构所发生的变形。
受力主流道液体进入分流道压缩空气压缩空气
如图3所示，通过微流泵将流体从主流道一端流入，从主流道另一端流出，当主流道中流体流速发生变化时，流体进入分流道压缩分流道空气，通过氧气传感器实时测量分流道内氧气的浓度，建立氧气浓度和液体流速的数学关系，标定分流道内氧气浓度与流体流速的大小关系，进而根据氧气浓度的变化的变化计算出主流道中流体流速。
如图4所示，将多个微流体传感器Q集成于结构表面测量结构表面压力分布，基于上述传感原理，将各传感器测量得到的数据收集可建立结构表面压力分布图。ΔR/R为传感器受压力作用时的电阻变化率；P为结构表面所受压力。
Claims (5)
1.一种微流体柔性传感器，其特征在于设有柔性基体、微流道、微流体和氧气传感器；所述柔性基体包括表层不透气柔性基体和透气基体；所述微流道包括主流道和分流道；所述微流体位于柔性基体的主流道内部，当传感器受压力作用时，主流道内微流体部分流向分流道或主流道内流体流速增加时液体部分流向分流道；所述氧气传感器置于整个传感器底部或以镀层置于微流道内壁，用于检测分流道内氧气浓度。
2.如权利要求1所述一种微流体柔性传感器，其特征在于用于测量结构面内变形、结构表面法向压力和气动压力，或用于微流控系统测量微流道中流体流速。
3.如权利要求1所述一种微流体柔性传感器，其特征在于用于测量结构面内变形和结构表面法向压力时，微流道内部微流体为液体。
4.如权利要求1所述一种微流体柔性传感器，其特征在于当结构受力作用时，微流体的形状发生改变，引起主流道内部微流体部分流向分流道，分流道内部空气被微流体压缩，氧气浓度增加，通过氧气传感器测量分流道内部氧气浓度，标定氧气浓度与结构表面变形的大小关系，进而根据氧气传感器测量到的氧气浓度计算出结构所发生的变形。
5.如权利要求1所述一种微流体柔性传感器，其特征在于用于微流控系统中测量流体流速，流体从在主流道中流动，当主流道中流体的速度发生变化时，流体部分挤向分流道中，分流道内部空气被流体压缩，氧气浓度增加，通过氧气传感器测量分流道内部氧气浓度，标定氧气浓度与结构表面变形的大小关系，根据氧气传感器测量到的氧气浓度计算出流体流速的大小。
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