RU2813117C1 - Микрофлюидный тепловой сенсор потока жидкости - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области микрофлюидных устройств и методов их изготовления и может быть использовано для контроля потоков жидкостей и газов в микрофлюидной системе. Сущность изобретения заключается в том, что в тепловом микрофлюидном сенсоре потока жидкости, включающем основание, на первой стороне которого вдоль оси расположены первая измерительная область, вторая измерительная область и третья измерительная область, находящаяся между ними, при этом в первой измерительной области сформирован, по меньшей мере, один первый температурный сенсор, во второй измерительной области сформирован, по меньшей мере, один второй температурный сенсор, в третьей измерительной области сформирован, по меньшей мере, один нагреватель, причем на первой стороне основания расположены также, по меньшей мере, один референсный температурный сенсор, а также сформирован первый массив контактных площадок и второй массив контактных площадок, соединенные с помощью проводящих дорожек с первым температурным сенсором, вторым температурным сенсором, референсным температурным сенсором и нагревателем, позволяя подключить первый температурный сенсор, второй температурный сенсор, референсный температурный сенсор и нагреватель индивидуально во внешнюю электрическую цепь, основание имеет одинаковую толщину по всей площади, вторая сторона основания является поверхностью теплообмена между потоком жидкости и первым температурным сенсором, вторым температурным сенсором, референсным температурным сенсором и нагревателем, выполненными из проводящего материала, а со второй стороны к основанию устройства герметично присоединена пластина с каналом, расположенным вдоль оси, имеющая сквозные отверстия, соединенные с каналом. Технический результат - изготовление сенсора потока с интегрированным микрофлюидным каналом в едином производственном цикле, обеспечивающего работу с коррозионно-активными жидкостями, снижение сложности изготовления устройства. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к области микрофлюидных устройств и методов их изготовления и может быть использовано для контроля потоков в микрофлюидной системе.

Известен сенсор потока со встроенным защитным проточным каналом, представляющий собой пластину из стекла или другого схожего диэлектрика, на которой сформированы терморезистивные тонкоплёночные элементы, улавливающие изменения скорости потока в канале, плотно прилегающем к пластине со стороны терморезистивных элементов [Ricks L. F. Robust MEMS flow die with integrated protective flow channel: пат. 7513149 США. – 2009].

Недостаток этого устройства заключается во внутриканальном расположении терморезистивных тонкоплёночных элементов, что подвергает их воздействию измеряемой среды и делает невозможной работу с коррозионно-активными жидкостями.

Известен мембранный сенсор потока, представляющий собой пластину из кремния, либо другого схожего материала, на котором с лицевой стороны сформированы термоэлектрические элементы (ТЭ), а в обратной выполнено углубление в области ТЭ, так, что ТЭ оказались на мембране, а также включающий в себя близко прилегающую к ТЭ с лицевой стороны пластины трубку, в которой измеряют поток жидкости; на пластине методами КМОП изготовлена схема обработки сигнала [Mayer F. et al. Flow sensor: пат. 6813944 США. – 2001].

Недостаток этого устройства заключается в необходимости изготовления мембраны, что усложняет производство.

Известен тепловой микрофлюидный сенсор потока жидкости, включающий основание, на первой стороне которого вдоль оси расположены первая измерительная область, вторая измерительная область и третья измерительная область, находящаяся между ними, при этом в первой измерительной области сформирован, по меньшей мере, один первый температурный сенсор, во второй измерительной области сформирован, по меньшей мере, один второй температурный сенсор, в третьей измерительной области сформирован, по меньшей мере, один нагреватель, причем на первой стороне основания расположены также, по меньшей мере, один референсный температурный сенсор, а также сформирован первый массив контактных площадок и второй массив контактных площадок, соединенные с помощью проводящих дорожек с первым температурным сенсором, вторым температурным сенсором, референсным температурным сенсором и нагревателем, позволяя подключить первый температурный сенсор, второй температурный сенсором, референсный температурный сенсор и нагреватель индивидуально во внешнюю электрическую цепь [Shih J. et al. Flow sensors with modular microfluidic channels and methods of manufacture: пат. 10400759 США. – 2019].

Недостаток этого устройства заключается в использовании полимерных материалов для формирования канала устройства, что снижает химическую устойчивость устройства, а также необходимости обеспечения герметичности соединения пластины с каналом, что снижает технологичность и надёжность устройства.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Технический результат изобретения заключается в изготовлении сенсора потока с интегрированным микрофлюидным каналом в едином производственном цикле, обеспечивающего работу с коррозионно-активными жидкостями, и снижение сложности изготовления устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в тепловом микрофлюидном сенсоре потока жидкости, включающем основание, на первой стороне которого вдоль оси расположены первая измерительная область, вторая измерительная область и третья измерительная область, находящаяся между ними, при этом в первой измерительной области сформирован, по меньшей мере, один первый температурный сенсор, во второй измерительной области сформирован, по меньшей мере, один второй температурный сенсор, в третьей измерительной области сформирован, по меньшей мере, один нагреватель, причем на первой стороне основания расположены также, по меньшей мере, один референсный температурный сенсор, а также сформирован первый массив контактных площадок и второй массив контактных площадок, соединенные с помощью проводящих дорожек с первым температурным сенсором, вторым температурным сенсором, референсным температурным сенсором и нагревателем, позволяя подключить первый температурный сенсор, второй температурный сенсором, референсный температурный сенсор и нагреватель индивидуально во внешнюю электрическую цепь, основание имеет одинаковую толщину по всей площади, вторая сторона основания является поверхностью теплообмена между потоком жидкости и первым температурным сенсором, вторым температурным сенсором, референсным температурным сенсором и нагревателем, выполненными из проводящего материала. Со второй стороны к основанию герметично присоединена пластина с каналом, расположенным вдоль оси, имеющая сквозные отверстия, соединенные с каналом.

Существует вариант, в котором к пластине с каналом присоединен микрофлюидный чип, в котором выполнены коммутационные отверстия, совпадающие со сквозными отверстиями в пластине с каналами, а также капилляры, по которым жидкость или газ подводятся к коммутационным отверстиям.

На фиг. 1 изображена схема микрофлюидного теплового сенсора потока.

На фиг. 2 изображено сечение А-А микрофлюидного теплового сенсора потока.

На фиг. 3 изображен вид В по фиг. 2.

На фиг. 4 изображена схема микрофлюидного теплового сенсора потока, присоединенного к микрофлюидному чипу.

На фиг. 5 изображено сечение В-В микрофлюидного теплового сенсора потока, присоединенного к микрофлюидному чипу.

Тепловой микрофлюидный сенсор потока жидкости включает основание 1 (фиг. 1), на первой стороне 2 которого вдоль оси 3 расположены первая измерительная область 4, вторая измерительная область 5 и третья измерительная область 6, находящаяся между ними на поверхности основания 1. В качестве первой измерительной области 4, второй измерительной области 5 и третьей измерительной области 6, можно использовать поверхность основания 1, совпадающую с первой стороной 2. Размеры первой измерительной области 4, второй измерительной области 5 и третьей измерительной области 6 могут быть в диапазоне от 100х100 мкм до 1х1 мм. В первой измерительной области 4 сформирован, по меньшей мере, один первый температурный сенсор 7, а во второй измерительной области 5 сформирован, по меньшей мере, один второй температурный сенсор 8. Оптимальное количество первых температурных сенсоров 7 может быть в диапазоне от одного до шести. Оптимальное количество вторых температурных сенсоров 8 может быть в диапазоне от одного до шести. Размеры первого температурного сенсора 7 и второго температурного сенсора 8 могут быть в диапазоне от 100х100 мкм до 1х1 мм. В третьей измерительной области 6 сформирован, по меньшей мере, один нагреватель 9. Оптимальное количество нагревателей 9 может быть в диапазоне 0-2. Размеры нагревателей 9 могут быть в диапазоне от 100х100 мкм до 1х1 мм. На первой стороне 2 основания 1 расположен также, по меньшей мере, один референсный температурный сенсор 10. Оптимальное количество референсных температурных сенсоров 10 может быть в диапазоне 1-4. Размеры референсных температурных сенсоров 10 могут быть в диапазоне от 100х100 мкм до 3х3 мм. В качестве первого температурного сенсора 7 и второго температурного сенсора 8, а также нагревателя 9 и референсного температурного сенсора 10 можно использовать тонкоплёночные терморезисторы из материалов с отрицательным или положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления. На первой стороне 2 основания 1 также сформирован первый массив контактных площадок 11 и второй массив контактных площадок 12, соединенных с помощью проводящих дорожек 13 с первым температурным сенсором 7, вторым температурным сенсором 8, референсным температурным сенсором 10 и нагревателем 9. Первый массив контактных площадок 11 и второй массив контактных площадок 12 могут быть выполнены в виде прямоугольных участков открытого проводника и позволяют подключить первый температурный сенсор 7, второй температурный сенсор 8, референсный температурный сенсор 10 и нагреватель 9 индивидуально во внешнюю электрическую цепь. При этом основание 1 имеет одинаковую толщину по всей площади и может быть в диапазоне 20-200 мкм. Вторая сторона 14 основания 1 является поверхностью теплообмена между потоком жидкости и первым температурным сенсором 7, вторым температурным сенсором 8, референсным температурным сенсором 10 и нагревателем 9. Причем первый температурный сенсор 7, второй температурный сенсор 8, референсный температурный сенсор 10 и нагреватель 9 выполнены из проводящего материала, например, платины или никеля. Со второй стороны 14 (фиг. 2, фиг. 3) к основанию 1 герметично присоединена пластина 15 с каналом 16, расположенным вдоль оси 3, имеющая сквозные отверстия 17, соединенные с каналом 16. В качестве пластины 15 можно использовать кремниевую подложку и ее толщина может быть в диапазоне 100-2000 мкм. Диаметр отверстий 17 может быть в диапазоне 100-2000 мкм.

Существует вариант, в котором к пластине 15 с каналом 16 (фиг. 4, фиг. 5) при помощи компаунда 19 присоединен микрофлюидный чип 18, в котором выполнены коммутационные отверстия 20, совпадающие со сквозными отверстиями 17 в пластине 15, соединенные с капиллярами 21.

Микрофлюидный тепловой сенсор потока (МТСП) жидкости функционирует в калориметрическом режиме с постоянной температурой нагревателя 9 и компенсацией колебаний температуры окружающей среды. Принцип работы МТСП основан на том, что движущаяся среда в канале 16 вызывает асимметрию температурного поля вдоль оси 3 вблизи нагревателя 9. Асимметрия температурного поля измеряется при помощи первого температурного сенсора 7 и второго температурного сенсора 8. При известных теплофизических свойствах жидкости, скорость потока можно рассчитать из выходного сигнала МТСП с использованием калибровочной кривой.

Во время измерений управляющая электронная схема поддерживает постоянную разницу температур между нагревателем 9 и референсным температурным сенсором 10, тем самым компенсируя колебания температуры окружающей среды и устраняя риск перегрева при малых расходах. Сигнал референсного температурного сенсора 10 используется для компенсации флуктуаций температуры на чипе МТСП и позволяет стабильно и надежно измерять расход в реальных условиях эксплуатации, когда температура в помещении может значительно меняться. Сигнал с первого температурного сенсора 7 и второго температурного сенсора 8 измеряют с помощью моста Уитстона и является выходным сигналом МТСП.

Если к пластине 15 с каналом 16 присоединен микрофлюидный чип 18, то жидкость или газ из канала 21 сквозь сквозные отверстия 20 поступает в канал 16, где происходит измерение потока, а затем поступает обратно на микрофлюидный чип 18.

То, что в микрофлюидном тепловом сенсоре потока (МТСП) жидкости основание 1 имеет одинаковую толщину по всей площади, вторая сторона 14 основания 1 является поверхностью теплообмена между потоком жидкости и первым температурным сенсором 7, вторым температурным сенсором 8, референсным температурным сенсором 10 и нагревателем 9, выполненными из проводящего материала, существенно снижает сложность и стоимость изготовления устройства.

То, что со второй стороны 14 к основанию 1 герметично присоединена пластина 15 с каналом 16, расположенным вдоль оси 3, имеющая сквозные отверстия 17, соединенные с каналом 16, обеспечивает изоляцию температурных сенсоров от воздействия жидкости, что позволяет работать с коррозионно-активными жидкостями.

То, что к пластине 15 с каналом 16 присоединен микрофлюидный чип 18, в котором выполнены коммутационные отверстия 20, совпадающие со сквозными отверстиями 17 в пластине 15, соединенные с капиллярами 21, позволяет контролировать поток в канале микрофлюидного чипа 18.

Claims (2)

1. Тепловой микрофлюидный сенсор потока жидкости, включающий основание, на первой стороне которого вдоль оси расположены первая измерительная область, вторая измерительная область и третья измерительная область, находящаяся между ними, при этом в первой измерительной области сформирован, по меньшей мере, один первый температурный сенсор, во второй измерительной области сформирован, по меньшей мере, один второй температурный сенсор, в третьей измерительной области сформирован, по меньшей мере, один нагреватель, причем на первой стороне основания расположены также, по меньшей мере, один референсный температурный сенсор, а также сформирован первый массив контактных площадок и второй массив контактных площадок, соединенные с помощью проводящих дорожек с первым температурным сенсором, вторым температурным сенсором, референсным температурным сенсором и нагревателем, позволяя подключить первый температурный сенсор, второй температурный сенсор, референсный температурный сенсор и нагреватель индивидуально во внешнюю электрическую цепь, отличающийся тем, что основание имеет одинаковую толщину по всей площади, вторая сторона основания является поверхностью теплообмена между потоком жидкости и первым температурным сенсором, вторым температурным сенсором, референсным температурным сенсором и нагревателем, выполненными из проводящего материала, со второй стороны к основанию устройства герметично присоединена пластина с каналом, расположенным вдоль оси, имеющая сквозные отверстия, соединенные с каналом.

2. Устройство по пункту 1, отличающееся тем, что к пластине с каналом присоединен микрофлюидный чип, в котором выполнены коммутационные отверстия, совпадающие со сквозными отверстиями в пластине с каналами, а также капилляры, по которым жидкость или газ подводятся к коммутационным отверстиям.