CN111272835A - 一种油液污染物无接触式电容检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种油液污染物无接触式电容检测装置及方法，装置包括动力单元、无接触式电容检测芯片、分析单元、显示单元；所述动力单元驱动待测油液流过所述无接触式电容检测芯片的检测通道；所述无接触式电容检测芯片对油液污染物进行电容检测并产生表征油液污染物的电容输出信号；所述分析单元提供高频正弦波激励信号，对电容输出信号进行采集与分析处理并产生表征油液污染物的电容输出曲线；所述显示单元用于实时显示表征油液污染物的电容输出曲线。本发明基于无接触式电容检测芯片进行油液污染物电容检测，加工成本低、重复性好、不容易被污染。
Description
技术领域
本发明涉及油液污染物检测领域，特别涉及一种油液污染物无接触式电容检测装置及方法。
背景技术
油液品质的好坏直接关系到机械设备的工作状态。对机械设备油液中主要污染物进行在线检测，可实现机械设备的早期故障预防、诊断，从而延长机械设备寿命，节约经济成本。电容检测是利用油液污染物与油液介电常数的差异来进行检测的，对于油液中的水分污染物和空气污染物，电容检测精度高，故油液污染物检测中微流控电容检测芯片常用于水分污染物和空气污染物的检测。目前微流控电容检测芯片所需要的电极主要通过以下两种方法来制作。一是通过溅射的方法在微流控芯片的微通道下方制作一对平行的金属电极，形成检测的平面电容。该方法的成本较高，并且电容电极因与油液直接接触容易被污染。另一种方法是通过在油液通道两侧对心放置铜丝以实现微流控芯片的电容传感器的制备。该方法的加工精度较低，重复性较差，并且电容电极也容易被污染。因此，提出一种电容电极加工成本低、重复性好、不容易被污染的电容检测装置及方法具有重要意义。
发明内容
根据上述提出电容检测中电容电极加工成本较高、重复性较差、容易被污染的技术问题，而提供一种油液污染物无接触式电容检测装置及方法。本发明基于无接触式电容检测芯片进行检测，加工成本低、重复性好、不容易被污染。
本发明采用的技术手段如下：
一种油液污染物无接触式电容检测装置，包括动力单元、无接触式电容检测芯片、分析单元、显示单元；所述动力单元驱动待测油液流过所述无接触式电容检测芯片的检测通道；所述无接触式电容检测芯片对油液污染物进行电容检测并产生表征油液污染物的电容输出信号；所述分析单元提供高频正弦波激励信号，对电容输出信号进行采集与分析处理并产生表征油液污染物的电容输出曲线；所述显示单元用于显示电容输出曲线。
本发明还提供了一种油液污染物无接触式电容检测方法，利用上述的油液污染物无接触式电容检测装置实现，具体步骤如下：
S1、将含有水分污染物与空气污染物的待测油液装入动力单元并将所述动力单元与无接触式电容检测芯片连接，利用绝缘导线将芯片上的两个电极导线接口与分析单元连接，将所述分析单元与显示单元连接，完成油液污染物无接触式电容检测装置的搭建并启动电源；
S2、启动动力单元，驱动待测油液通过无接触式电容检测芯片；
S3、启动分析单元，所述分析单元产生高频正弦波激励信号给无接触式电容检测芯片；
S4、无接触式电容检测芯片中的无接触时电容传感器接收激励信号并进行电容检测，产生表征油液污染物的电容输出信号给分析单元；
S5、分析单元接收电容输出信号并对其进行采集与分析处理，产生表征油液污染物的电容输出曲线给显示单元；
S6、启动显示单元，在计算机上实时显示电容输出曲线；
S7、对电容输出曲线上的脉冲进行分析，当水分污染物通过检测芯片时，电容输出曲线出现正脉冲，当空气污染物通过检测芯片时，电容输出曲线出现负脉冲；对电容输出曲线上的脉冲数量和脉冲幅值进行分析与计算，可得到水分污染物或空气污染物的浓度与尺寸。
本发明还提供一种如上述装置中无接触式电容检测芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、软件绘图，通过绘图软件AutoCAD设计掩膜通道结构；
S2、制作掩膜，掩膜通道结构设计完成后利用专业掩膜打印机打印出掩膜；掩膜的作用是紫外曝光后在硅基模具上形成芯片通道；
S3、制作硅基模具，用旋涂机将负性光刻胶均匀的旋涂在硅片上，将涂有一定厚度负性光刻胶的硅片放入加热器中进行前烘处理，将打印好的掩膜盖在前烘后的硅片正上方，用紫外曝光仪进行紫外曝光处理，将紫外曝光后的硅片放入加热器中进行后烘处理，将后烘后的硅片浸泡在显像剂中进行显像处理，硅片上没被光线照射到的负性光刻胶将溶解，而被光线照射到的通道部分不会溶解；显像后的硅片逐渐显现出与掩膜设计相同的芯片通道结构，取出硅片先用丙酮清洗，然后用等离子水清洗，最后用氮气将硅片吹干，至此便完成硅基模具的制作，硅基模具可反复利用；
S4、制作PDMS片，将PDMS胶与固化剂按10:1的比例均匀混合后放入真空箱进行抽气处理，将抽气后的PDMS胶倒入硅基模具，将硅基模具放入烤箱中进行烘烤处理，使PDMS由液态的PDMS胶变为固态的PDMS片，烘烤完成后，将PDMS片与硅基模具分离，PDMS片靠近硅基模具的一侧形成凹陷在PDMS材料中的通道，将PDMS片用干净保鲜膜包裹以防止污染；
S5、打注液孔，芯片中的注液孔包括油液入口、油液出口、导电液体入口、导电液体出口，用打孔器分别打出这些注液孔；
S6、等离子键合，将玻璃片放入装有丙酮溶液的玻璃瓶中浸泡处理，将装有玻璃片的玻璃瓶放入超声波清洗机中进行超声波清洗，超声波清洗后取出玻璃片用等离子水清洗，用氮气吹干净，取出PDMS片用氮气吹干净，将氮气吹洗干净的玻璃片和PDMS片放入等离子清洗机中清洗，取出玻璃片和PDMS片，将PDMS片有通道的一侧与玻璃片键合在一起；
S7、注入导电液体，用注射器将导电液体从导电液体入口注入无接触式电容电极，当内部的空气排尽时，导电液体充满无接触式电容电极；
S8、制作电极导线接口，将长度适合的铜丝两端分别插入导电液体入口和导电液体出口，并与导电液体接触，从而将导电液体入口和导电液体出口连接，用粘合剂将导电液体入口和导电液体出口密封堵住；此铜丝即为电极导线接口。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明提出一种无接触式电容检测芯片，当进行油液检测时，无接触式电容电极能够避免与待测油液直接接触。
2.本发明提出的无接触式电容电极由软光刻法制作而成，通过绘图软件AutoCAD设计通道结构后能够精确制作出相应的芯片通道，并且制作好的硅基模具可反复利用，这使无接触式电容电极具有较高的加工精度和良好的重复性。
3.本发明提到的导电液体可选择范围广，可选用价格便宜的导电液体，从而降检测芯片电容电极的制作成本。
4.本发明基于无接触式电容检测芯片设计出相应的检测装置及方法。检测装置结构简单，检测结果可靠，满足实际检测应用需求。
综上，本发明解决了现有技术电容检测中电容电极加工成本较高、重复性较差、容易被污染的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明油液污染物无接触式电容检测装置的结构图。
图2是本发明无接触式电容检测芯片的结构图。
图3是本发明无接触式电容检测芯片的俯视图。
图4是本发明无接触式电容检测芯片的制作流程图。
图5是本发明无接触式电容检测芯片的掩膜通道结构图。
图中：A、动力单元；B、无接触式电容检测芯片；C、分析单元；D、显示单元；E、无接触式电容传感器；F、无接触式电容电极；1、玻璃基底；2、PDMS基体；3、油液通道；4、油液入口；5、油液出口；6、电极导线接口；7、导电液体入口；8、导电液体出口；9、电极主通道；10、电极检测通道。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种油液污染物无接触式电容检测装置，包括动力单元、无接触式电容检测芯片、分析单元、显示单元；所述动力单元驱动待测油液流过所述无接触式电容检测芯片的检测通道；所述无接触式电容检测芯片对油液污染物进行电容检测并产生表征油液污染物的电容输出信号；所述分析单元提供高频正弦波激励信号，对电容输出信号进行采集与分析处理并产生表征油液污染物的电容输出曲线；所述显示单元用于显示电容输出曲线；进一步地，所述无接触式电容检测芯片包括玻璃基底和PDMS基体；所述PDMS基体上有供油液流通的油液通道，所述油液通道两端分别设置有油液入口和油液出口，油液在动力单元的驱动下沿油液入口至油液出口的方向流动；所述油液通道上设置有无接触式电容传感器，所述无接触式电容传感器包括相对布置在油液通道两侧相应位置且结构相同的无接触式电容电极。
更进一步的，所述无接触式电容电极包括电极导线接口、导电液体、导电液体入口、导电液体出口、电极主通道、电极检测通道；所述电极检测通道为靠近且背向所述油液通道设置的U形通道，所述电极主通道以直角转折方式连接在所述电极检测通道末端，所述电极检测通的宽度为所述电极主通道的一半，所述电极主通道的末端设置有导电液体入口和导电液体出口；所述电极导线接口为一定长度的铜丝，所述导电液体入口和所述导电液体出口通过电极导线接口跨接相连，所述电极导线接口伸入所述导电液体入口和所述导电液体出口的深度保证其末端在导电液体液面以下。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种油液污染物无接触式电容检测装置，包括动力单元A、无接触式电容检测芯片B、分析单元C、显示单元D，其中：
动力单元A选用微量注射泵(型号：HARVARD 70-2212)，驱动含有水分污染物和空气污染物的待测油液污染物通过无接触式电容检测芯片B。如图2和图3所示，无接触式电容检测芯片B包括玻璃基底1、PDMS基体2；PDMS基体2包括连通的油液入口4、油液通道3、油液出口5，油液通道3上设置有无接触式电容传感器E；无接触式电容传感器E可以对油液污染物进行电容检测并输出表征油液污染物的电容输出信号；无接触式电容传感器E由两个结构相同且正对布置在油液通道3两侧的无接触式电容电极F组成；无接触式电容电极F由电极导线接口6、导电液体入口7、导电液体出口8、电极主通道9、电极检测通道10和导电液体组成；导电液体选用质量分数为25％的NaCl溶液；电极检测通道10为靠近且背向油液通道3设置的U形通道，电极主通道9以直角转折方式连接在电极检测通道10的末端，电极检测通10的宽度为电极主通道9的一半，电极主通道9的末端设置有导电液体入口7和导电液体出口8；电极导线接口6为一定长度的铜丝，导电液体入口7和导电液体出口8通过电极导线接口6跨接相连，电极导线接口6伸入导电液体入口7和导电液体出口8的深度保证其末端在导电液体液面以下。
分析单元C选用阻抗分析仪，提供高频正弦波激励信号，对电容输出信号进行采集与分析处理并产生表征油液污染物的电容输出曲线。
显示单元D为计算机上的LabView软件，其接收来自分析单元C的电容输出曲线，并以实时曲线的形式在计算机上显示。
本发明还提供一种油液污染物无接触式电容检测方法，所述检测方法利用所述的油液污染物无接触式电容检测装置实现，具体步骤如下：
(1)将含有水分污染物与空气污染物的待测油液装入动力单元A并将动力单元A与无接触式电容检测芯片B连接；用绝缘导线将芯片上的两个电极导线接口6与分析单元C连接；将分析单元C与显示单元D连接；完成油液污染物无接触式电容检测装置的搭建并启动电源；
(2)启动动力单元A，驱动待测油液通过无接触式电容检测芯片B；
(3)启动分析单元C，分析单元C产生高频正弦波激励信号给无接触式电容检测芯片B；
(4)无接触式电容检测芯片B中的无接触式电容传感器E接收激励信号并进行电容检测，产生表征油液污染物的电容输出信号给阻抗分析仪C；
(5)分析单元C接收电容输出信号并对其进行采集与分析处理，产生表征油液污染物的电容输出曲线给显示单元D；
(6)启动显示单元D，在计算机上实时显示电容输出曲线；
(7)对电容输出曲线上的脉冲进行分析，当水分污染物通过检测芯片时，电容输出曲线出现正脉冲，当空气污染物通过检测芯片时，电容输出曲线出现负脉冲；对电容输出曲线上的脉冲数量和脉冲幅值进行分析与计算，可得到水分污染物或空气污染物的浓度与尺寸；
如图4所示，本发明还提供一种无接触式电容检测芯片B的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：软件绘图。通过绘图软件AutoCAD设计掩膜通道结构，掩膜通道结构如图5所示；
步骤2：制作掩膜。掩膜通道结构设计完成后利用专业掩膜打印机打印出掩膜；掩膜的作用是紫外曝光后在硅基模具上形成芯片通道，如图5所示，为制作号的掩膜。
步骤3：制作硅基模具。用旋涂机以1500r/min的转速将负性光刻胶(SU-82015)均匀旋涂在硅片上；将涂有一定厚度负性光刻胶的硅片放入加热器中进行前烘处理，先在65℃下加热2min，然后在95℃下加热4min；将打印好的掩膜盖在前烘后的硅片正上方，用紫外曝光仪以150mJ/cm2的剂量进行紫外曝光处理；将紫外曝光后的硅片放入加热器中进行后烘处理，在95℃下加热5min；将后烘后的硅片浸泡在显像剂中，显像处理5min，硅片上没被光线照射到的负性光刻胶将溶解，而被光线照射到的通道部分不会溶解；显像后的硅片逐渐显现出与掩膜设计相同的芯片通道结构；取出硅片先用丙酮清洗，然后用等离子水清洗，最后用氮气将硅片吹干，至此便完成硅基模具的制作，硅基模具可反复利用；
步骤4：制作PDMS片。将PDMS胶(聚二甲基硅氧烷)与固化剂按10:1的比例均匀混合后放入真空箱中，抽气处理40min；将抽气后的PDMS胶倒入硅基模具；将硅基模具放入烤箱中，烘烤处理30min，使PDMS由液态的PDMS胶变为固态的PDMS片，PDMS片厚度约为2～3mm；烘烤完成后，将PDMS片与硅基模具分离，PDMS片靠近硅基模具的一侧形成凹陷在PDMS材料中的通道；将PDMS片用干净保鲜膜包裹以防止污染；
步骤5：打注液孔。芯片中的注液孔包括油液入口4、油液出口5、导电液体入口7、导电液体出口8；用打孔器分别打出这些注液孔；
步骤6：等离子键合。将玻璃片放入装有丙酮溶液的玻璃瓶中，浸泡5min；将装有玻璃片的玻璃瓶放入超声波清洗机中，超声波清洗5min；超声波清洗后取出玻璃片用等离子水清洗，用氮气吹干净；取出PDMS片用氮气吹干净；将氮气吹洗干净的玻璃片和PDMS片放入等离子清洗机中清洗2min；取出玻璃片和PDMS片，将PDMS片有通道的一侧与玻璃片键合在一起；
步骤7：注入导电液体。配置质量分数为25％的NaCl溶液作为导电液体；用注射器将NaCl溶液从导电液体入口7注入无接触式电容电极F；当内部的空气排尽时，NaCl溶液充满无接触式电容电极F；
步骤8：制作电极导线接口6。将长度适合的铜丝两端分别插入导电液体入口7和导电液体出口8，并与作为导电液体的NaCl溶液接触，从而将导电液体入口和导电液体出口连接；用粘合剂(705rtv透明硅橡胶)将导电液体入口7和导电液体出口8密封堵住；此铜丝即为电极导线接口6；
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种油液污染物无接触式电容检测装置，其特征在于，包括动力单元、无接触式电容检测芯片、分析单元以及显示单元，其中：
所述动力单元驱动待测油液流过所述无接触式电容检测芯片的检测通道；
所述无接触式电容检测芯片对油液污染物进行电容检测并产生表征油液污染物的电容输出信号；
所述分析单元提供高频正弦波激励信号，对所述电容输出信号进行采集与分析处理并产生表征油液污染物的电容输出曲线；
所述显示单元用于显示所述电容输出曲线。
2.根据权利要求1所述的一种油液污染物无接触式电容检测装置，其特征在于，所述无接触式电容检测芯片包括玻璃基底和PDMS基体；所述PDMS基体上有供油液流通的油液通道，所述油液通道两端分别设置有油液入口和油液出口，油液在动力单元的驱动下沿油液入口至油液出口的方向流动；
所述油液通道上设置有无接触式电容传感器，所述无接触式电容传感器包括相对布置在油液通道两侧相应位置且结构相同的无接触式电容电极。
3.根据权利要求2所述的一种油液污染物无接触式电容检测装置，其特征在于，所述无接触式电容电极包括电极导线接口、导电液体、导电液体入口、导电液体出口、电极主通道、电极检测通道；
所述电极检测通道为靠近且背向所述油液通道设置的U形通道，所述电极主通道以直角转折方式连接在所述电极检测通道末端，所述电极检测通的宽度为所述电极主通道的一半，所述电极主通道的末端设置有导电液体入口和导电液体出口。
4.根据权利要求3所述的一种油液污染物无接触式电容检测装置，其特征在于，所述电极导线接口为一定长度的铜丝，所述导电液体入口和所述导电液体出口通过所述电极导线接口跨接相连，所述电极导线接口伸入所述导电液体入口和所述导电液体出口的深度保证其末端在导电液体液面以下。
5.一种油液污染物无接触式电容检测方法，其特征在于，利用权利要求1所述的油液污染物无接触式电容检测装置实现，具体步骤如下：
S1、将含有水分污染物与空气污染物的待测油液装入动力单元并将所述动力单元与无接触式电容检测芯片连接，利用绝缘导线将芯片上的两个电极导线接口与分析单元连接，将所述分析单元与显示单元连接，完成油液污染物无接触式电容检测装置的搭建并启动电源；
S2、启动动力单元，驱动待测油液通过无接触式电容检测芯片；
S3、启动分析单元，所述分析单元产生高频正弦波激励信号给无接触式电容检测芯片；
S4、无接触式电容检测芯片中的无接触时电容传感器接收激励信号并进行电容检测，产生表征油液污染物的电容输出信号给分析单元；
S5、分析单元接收电容输出信号并对其进行采集与分析处理，产生表征油液污染物的电容输出曲线给显示单元；
S6、启动显示单元，在计算机上实时显示电容输出曲线；
S7、对电容输出曲线上的脉冲进行分析，当水分污染物通过检测芯片时，电容输出曲线出现正脉冲，当空气污染物通过检测芯片时，电容输出曲线出现负脉冲；对电容输出曲线上的脉冲数量和脉冲幅值进行分析与计算，可得到水分污染物或空气污染物的浓度与尺寸。
6.一种如权利要求1中所述无接触式电容检测芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、软件绘图，通过绘图软件AutoCAD设计掩膜通道结构；
S2、制作掩膜，掩膜通道结构设计完成后利用专业掩膜打印机打印出掩膜；掩膜的作用是紫外曝光后在硅基模具上形成芯片通道；
S3、制作硅基模具，用旋涂机将负性光刻胶均匀的旋涂在硅片上，将涂有一定厚度负性光刻胶的硅片放入加热器中进行前烘处理，将打印好的掩膜盖在前烘后的硅片正上方，用紫外曝光仪进行紫外曝光处理，将紫外曝光后的硅片放入加热器中进行后烘处理，将后烘后的硅片浸泡在显像剂中进行显像处理，硅片上没被光线照射到的负性光刻胶将溶解，而被光线照射到的通道部分不会溶解；显像后的硅片逐渐显现出与掩膜设计相同的芯片通道结构，取出硅片先用丙酮清洗，然后用等离子水清洗，最后用氮气将硅片吹干，至此便完成硅基模具的制作，硅基模具可反复利用；
S4、制作PDMS片，将PDMS胶与固化剂按10:1的比例均匀混合后放入真空箱进行抽气处理，将抽气后的PDMS胶倒入硅基模具，将硅基模具放入烤箱中进行烘烤处理，使PDMS由液态的PDMS胶变为固态的PDMS片，烘烤完成后，将PDMS片与硅基模具分离，PDMS片靠近硅基模具的一侧形成凹陷在PDMS材料中的通道，将PDMS片用干净保鲜膜包裹以防止污染；
S5、打注液孔，芯片中的注液孔包括油液入口、油液出口、导电液体入口、导电液体出口，用打孔器分别打出这些注液孔；
S6、等离子键合，将玻璃片放入装有丙酮溶液的玻璃瓶中浸泡处理，将装有玻璃片的玻璃瓶放入超声波清洗机中进行超声波清洗，超声波清洗后取出玻璃片用等离子水清洗，用氮气吹干净，取出PDMS片用氮气吹干净，将氮气吹洗干净的玻璃片和PDMS片放入等离子清洗机中清洗，取出玻璃片和PDMS片，将PDMS片有通道的一侧与玻璃片键合在一起；
S7、注入导电液体，用注射器将导电液体从导电液体入口注入无接触式电容电极，当内部的空气排尽时，导电液体充满无接触式电容电极；
S8、制作电极导线接口，将长度适合的铜丝两端分别插入导电液体入口和导电液体出口，并与导电液体接触，从而将导电液体入口和导电液体出口连接，用粘合剂将导电液体入口和导电液体出口密封堵住；此铜丝即为电极导线接口。
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