CN107976273A - 用于气动压力测量的微流体柔性传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于气动压力测量的微流体柔性传感器，包括：两个层叠设置的基底；其中，第一基底朝向第二基底的一面设置有主流道和分流道，所述主流道的首尾两端分别连接一导电液体注射口，所述注射口延伸至第一基底远离第二基底的那一面；所述分流道有多个，每一个分流道的一端分别与主流道的不同位置连通，另一端向着远离主流道的方向延伸，并且为封闭端；所述第二基底朝向第一基底的一面具有两个独立的容置电极的腔室，所述腔室朝向第一基底的一侧为开口面；所述第一基底和第二基底层叠放置后，所述导电液体和电极被封装在两个基底之中。
Description
技术领域
本发明涉及用于测量应力应变的传感器，尤其涉及可用于飞行器表气动压力传感器。
背景技术
随着技术发展，目前飞行器表面气动压力测量的常用传感器有光纤光栅传感器、MEMS硅压阻式传感器的压力精度、分辨率、抗干扰等能力都得到了极大提高。但光纤光栅传感器依旧存在高成本、信号处理困难等不足；常见的MEMS硅压阻式传感器则受温度影响较大，必须设计复杂电路进行温度补偿才能正常使用。本发明提出基于柔性材料的以导电液体作为敏感件的应变式压力传感器可以实现传感器与曲面的有效贴合；在测量的同时，因为所述传感器较薄的厚度以及与表面的高度贴合性，传感器的存在对于测量环境的影响相较于其他大部分传感器对于测量环境的影响更小。
Whitey首先在1949年提出将导电液体注入柔性材料中以实现应变测量的惠特尼应变计1。目前的惠特尼式的应变计设计主要以生物相容性更好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)代替了橡胶，并以无毒的镓基合金代替了剧毒物水银2。目前嵌入式微流体柔性应变传感器设计在较低外部应力应变的情况，单位外部应力应变下传感器敏感件的电阻变化量较小3，而且目前嵌入式微流体柔性应变传感器内部容纳液体的结构较为单一，主要为直线流道和“蛇形”流道4。采用所述“主流道-分流道”设计的嵌入式微流体柔性应变传感器在单位压力下可以获得更大的电阻变化量，无需复杂的辅助电路，有利于传感器的网络化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种成本较低、易于传感器网络化、可以实现测量曲面或者平面的表面气动压力的压力传感器；在测量的同时，因为所述传感器较薄的厚度以及与表面的有效贴合，传感器的存在对于测量环境的影响相较于其他大部分传感器对于测量环境的影响更小，如安装在机翼表面测量气动压力的情况等。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种用于气动压力测量的微流体柔性传感器，包括：两个层叠设置的基底；其中，第一基底朝向第二基底的一面设置有主流道和分流道，所述主流道的首尾两端分别连接一导电液体注射口，所述注射口延伸至第一基底远离第二基底的那一面；所述分流道有多个，每一个分流道的一端分别与主流道的不同位置连通，另一端向着远离主流道的方向延伸，并且为封闭端；
所述第二基底朝向第一基底的一面具有两个独立的容置电极的腔室，所述腔室朝向第一基底的一侧为开口面；
所述第一基底和第二基底层叠放置后，所述导电液体和电极被封装在两个基底之中；
其中所述导电液体在主流道中流动时，其与主流道底面的接触角大于90°，并且所述主流道的横截面与分流道的横截面满足如下关系：其中L1、H1分别为主流道横截面的宽度和高度，L2、H2分别为分流道横截面的宽度和高度。
在一较佳实施例中：所述腔室在第一基底中的投影面积覆盖一部分主流道，使得所述主流道内的导电液体直接与电极接触。
在一较佳实施例中：单位体积的导电液体在所述分流道结构中对于总电阻的影响小于主流道中单位体积的液体对于总电阻影响。
在一较佳实施例中：所述分流道与主流道连通的那一端，对主流道内的导电液体施加毛细管压力，所述导电液体内部压力低于毛细管压力时，导电液体不会进入分流道。
在一较佳实施例中：所述主流道包括3段沿着基底宽度方向平行间隔设置的竖直流道，所述竖直流道沿着基底的长度方向延伸；还包括将两段竖直流道的首尾相连的水平流道。
在一较佳实施例中：所述分流道沿着竖直流道的长度方向均匀间隔分布，并沿着竖直流道的宽度方向对称设置。
本发明还提供了上述用于气动压力测量的微流体柔性传感器的制作方法，包括以下步骤：
1)将固化剂和柔性基质按重量比例为1:10倒入带有凸起微结构阳模的容器；
2)接着将容器放入70摄氏度的热箱中静置1小时；在PDMS固化结束后从容器内取出后得到第一基底和第二基底，并且在第一基底的主流道结构的两端使用针头打孔制作出注射口；
3)将固化完毕第一基底、第二基底表面进行氧等离子改性后，将电极放入第二基底的微结构中，并将第一基底、第二基底带有微结构的那一面相向放置进行结合；
4)使用注射器将镓铟合金通过注射口注射至主流道中，最后使用硅橡胶封合注射口。
在一较佳实施例中：所述柔性基质柔性基底为PDMS、硅橡胶、聚酰亚胺中的一种。
在一较佳实施例中：所述导电液体为镓基液态金属、NaCl溶液，汞中的一种。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.在一块带有电极结构的柔性材料的内部注入与电极接触的导电液体，当柔性材料在外界压力发生变形时，导电液体随之变形，根据外界压力与柔性材料变形的耦合关系可知，通过电极测量导电液体的电阻后可知导电液体的变形情况从而对外界压力进行传感。从而实现了对气动压力的测量。
2.为了扩大电极测得的电阻变化，增加传感器灵敏度，可在既有的基础上，在柔性材料的内部空腔中增加“主流道-分流道“设计。当传感器受外界压力，柔性材料发生变形后，导电液体可以从主流道中转移到对于电阻影响更小的分流道内，从而扩大了电阻变化，增加了传感器灵敏度。
3.在传感器不受外界作用时，导电液体必须从分流道中回到主流道。在此通过选择接触角与柔性材料大于90度的导电液体，引入对毛细管压力的利用。当分流道内液体受到的毛细管压力大于液体的内压时，液体即从分流道中退出，电阻回到传感器不受外界压力时的初始状态。
附图说明
下面将参照附图对所述传感器的某种易实现的实施例进行描述，附图中：
图1为本发明优选实施例中传感器的整体示意图；
图2为本发明优选实施例中第一基底的示意图；
图3为本发明优选实施例中第二基底的示意图；
图4为本发明优选实施例中电极的示意图；
具体实施方式
参照附图1-4，提供一种用于压力测量的压力传感器，包括两个层叠设置的基底；其中，第一基底1朝向第二基底2的一面设置有主流道102和分流道103，所述主流道102的首尾两端分别连接一导电液体注射口101，所述注射口101延伸至第一基底1远离第二基底2的那一面；所述分流道103有多个，每一个分流道103的一端分别与主流道102的不同位置连通，另一端向着远离主流道102的方向延伸，并且为封闭端；
所述第二基底2朝向第一基底1的一面具有两个独立的容置电极3的腔室201，所述腔室201朝向第一基底1的一侧为开口面；
所述第一基底1和第二基底2层叠放置后，所述导电液体和电极3被封装在两个基底之中；并且，所述腔室201在第一基底1中的投影面积覆盖一部分主流道102，使得所述主流道102内的导电液体直接通过开口面与电极3接触。
所述导电液体在主流道102中流动时，其与主流道102底面的接触角大于90°，并且所述主流道102的横截面与分流道103的横截面满足如下关系：其中L1、H1分别为主流道102横截面的宽度和高度，L2、H2分别为分流道103横截面的宽度和高度。这样设置后，所述分流道103与主流道102连通的那一端，对主流道102内的导电液体施加毛细管压力，所述导电液体内部压力低于毛细管压力时，导电液体不会进入分流道103。因此，在基底没有受到额外的外界压力时，导电液体不会流入分流道103中，或者只有很少的一部分流入分流道103中。而当基底受到外界压力时，导电液体可以从主流道102转移至分流道103中，由于单位体积的导电液体在所述分流道103结构中对于总电阻的影响小于主流道102中单位体积的液体对于总电阻影响。从而扩大了电阻变化的范围，增加了传感器灵敏度。
在撤销外界压力以后，导电液体在表面张力作用下将回到条件允许的表面能最低的情形，导电液体在表面张力的作用下，在主流道102和分流道103中重新分布后，回到初始的平衡状态。
本实施例中，所述主流道102包括3段沿着基底宽度方向平行间隔设置的竖直流道，所述竖直流道沿着基底的长度方向延伸；还包括将两段竖直流道的首尾相连的水平流道。所述分流道103沿着竖直流道的长度方向均匀间隔分布，并沿着竖直流道的宽度方向对称设置。这个仅为主流道102和分流道103的一种设计形态而已，本领域的技术人员可以使用其它形态的主流道102和分流道103的设计，属于本实施例的简单替换，一样属于本发明的保护范围。
上述的一种用于压力测量的压力传感器，其制作方法如下：
1)将固化剂和柔性基质按重量比例为1:10(型号Dow Corning Sylard 184,固化剂和柔性基质的重量比例为1:10时总体积在固化过程中的变化量最小)倒入带有凸起微结构阳模；
2)其中第一基底1的阳模由SU-8 2050光刻胶通过标准光刻步骤制造，第二基底2的阳模为电极片3本身的容器，接着将容器放入70摄氏度的热箱中静置1小时。在PDMS固化结束后从容器内取出就得到了第一基底1和第二基底2。
3)在第一基底的主流道102的两端使用16号针头打孔制作出注射口101，此时第一基底1内的微结构加工完毕。将固化完毕的第一基底1、第二基底2表面进行氧等离子改性，处理设备为Q150微波去胶机，处理模式为Q150自带“PDMS-PDMS”模式。处理完毕后，将电极3放入下部PDMS基底2的腔室201中，并将两个第一基底1、第二基底2带有微结构的表面进行结合。使用注射器将导电液体注射到第一基底1的主流道102中，最后使用706硅橡胶封合注射口101。
其中，柔性基质可以是PDMS、硅橡胶、聚酰亚胺等柔性体。导电液体可以选择镓基液态金属，NaCl溶液，汞等具有导电性，流动性良好且与所选择基底之间接触角大于90°的流体。电极3的制作方式有通过利用光刻胶使得金属层图形化,再利用湿法刻蚀技术将金属刻蚀成所需要的图形以及采用选择性的活化基体表面,还原溶液中金属离子以在基体表面形成金属电极等。
本实施例中，电极3的选择为10微米厚度的铜箔，在基底成形前放入容器底部与第二基底2共同成形，这样可以保证第二基底2包裹的电极3与下第二基底2处在同一平面，又利与第一基底1的表面结合，不至于出现过大空隙造成传感器的失效。
以上所述仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明的技术范围，故凡依本发明的技术实质及说明书内容所作的等效变化与修饰，均应属本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种用于气动压力测量的微流体柔性传感器，其特征在于包括：两个层叠设置的基底；其中，第一基底朝向第二基底的一面设置有主流道和分流道，所述主流道的首尾两端分别连接一导电液体注射口，所述注射口延伸至第一基底远离第二基底的那一面；所述分流道有多个，每一个分流道的一端分别与主流道的不同位置连通，另一端向着远离主流道的方向延伸，并且为封闭端；
所述第二基底朝向第一基底的一面具有两个独立的容置电极的腔室，所述腔室朝向第一基底的一侧为开口面；
所述第一基底和第二基底层叠放置后，所述导电液体和电极被封装在两个基底之中；
其中所述导电液体在主流道中流动时，其与主流道底面的接触角大于90°，并且所述主流道的横截面与分流道的横截面满足如下关系：其中L1、H1分别为主流道横截面的宽度和高度，L2、H2分别为分流道横截面的宽度和高度。
2.根据权利要求1所述的一种用于气动压力测量的微流体柔性传感器，其特征在于：所述腔室在第一基底中的投影面积覆盖一部分主流道，使得所述主流道内的导电液体直接与电极接触。
3.根据权利要求1所述的一种用于气动压力测量的微流体柔性传感器，其特征在于：单位体积的导电液体在所述分流道结构中对于总电阻的影响小于主流道中单位体积的液体对于总电阻影响。
4.根据权利要求1所述的一种用于气动压力测量的微流体柔性传感器，其特征在于：所述分流道与主流道连通的那一端，对主流道内的导电液体施加毛细管压力，所述导电液体内部压力低于毛细管压力时，导电液体不会进入分流道。
5.根据权利要求1所述的一种用于气动压力测量的微流体柔性传感器，其特征在于：所述主流道包括3段沿着基底宽度方向平行间隔设置的竖直流道，所述竖直流道沿着基底的长度方向延伸；还包括将两段竖直流道的首尾相连的水平流道。
6.根据权利要求5所述的一种用于气动压力测量的微流体柔性传感器，其特征在于：所述分流道沿着竖直流道的长度方向均匀间隔分布，并沿着竖直流道的宽度方向对称设置。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的用于气动压力测量的微流体柔性传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将固化剂和柔性基质按重量比例为1:10倒入带有凸起微结构阳模的容器；
2)接着将容器放入70摄氏度的热箱中静置1小时；在PDMS固化结束后从容器内取出后得到第一基底和第二基底，并且在第一基底的主流道结构的两端使用针头打孔制作出注射口；
3)将固化完毕第一基底、第二基底表面进行氧等离子改性后，将电极放入第二基底的微结构中，并将第一基底、第二基底带有微结构的那一面相向放置进行结合；
4)使用注射器将镓铟合金通过注射口注射至主流道中，最后使用硅橡胶封合注射口。
8.根据权利要求7所述的用于气动压力测量的微流体柔性传感器的制作方法，其特征在于：所述柔性基质柔性基底为PDMS、硅橡胶、聚酰亚胺中的一种。
9.根据权利要求7所述的用于气动压力测量的微流体柔性传感器的制作方法，其特征在于：所述导电液体为镓基液态金属、NaCl溶液，汞中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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