刘 刚1,田扬超1,洪义麟1,阚 娅1,张 鹏1,田学红1,伊福廷2
(1中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230026;2中国科学院高能物理所同步辐射室,北京100039)
中图分类号:TP271+·3 文献标识码:A
1 引言
随着微细加工技术的发展,传感器正逐步走向微型化。与传统的传感器相比,微型传感器有着很大的优势:体积更小、功耗更低、效率更高、价格更低,可以在各种环境下提供高精度的
实时测量信息,这使得它在环境、航天、生物医疗、汽车、军事等方面有着很大的应用前景。
支撑微型化的制造技术主要有半导体加工技术和LIGA技术。其中,LIGA技术[1,2] 是近年来发展起来的一种三维超微细加工技术,与半导体加工技术相比有着自己的特色:可以制作纵深比和较高精度的三维微细结构,并且可以使用多种材料。目前已使用LIGA技术制造出微光学元件、微传感器和执行器,并探索在化学、医学和生物工程等方面应用[3,4] 。微流量一种可以对微小流量进行实时测量的传感器,在生物研究、色谱分析等多方着较大的需求。本文介绍了利用LIGA技术制造微流量计的初步研究结果。
2 微流量计的结构原理与设计
图1为微流量计的结构示意图。微流量计采用光纤传感器涡轮流量计结构,主要包括微管道、微齿轮、轴和信号检出器。当被测流体流过流量计时,在流体的作用下齿轮受力而旋转,其转速与管道内的平均流速成正比,利用一个反射型光纤传感器及光电转换电路检测齿轮的转速。旋转的齿轮周期地反射光束,产生的反射信号通过滤波之后转换成流量脉冲信号。
涡轮流量传感器实际测量的是管道截面上的某一点流速V,则流体的容积流量Q v为:
式中Sv为管道截面积,K为截面上的平均流速与被测点流速的比值,它与管道内流速的分布有关。
在典型的层流分布情况下,管道截面上的流速分布是有规律的,K为确定值。但受阀门、弯头等局部阻力后,流速分布变得非常不规律,K值很不稳定。为了保证测量结果的准确性,通轮流量传感器都在仪表前后加装导向整流体或加设足够长的直管道,以使流体进入流量计后达到典型的层流分布。
通常,当流体的雷诺数Re<2000时,流体为典型的层流分布。由公式:
可对微流量计中流体的雷诺数进行计算。式中v为流体的流速,1为管道的直径,ρ为流体的密度,μ为流体的粘度。
若流体的粘度为1×10-4 kg/m·s,密度为1×10 3 kg/m 3,流量计管道直径为200μm,当流速为1m/s时,流体仍能达到典型的层流分布。可以看出,细小的管道本身就具有良好的整流作用。所以在微流量计中,就没有必要设计导向整流体和长的直管道。
对于半径为R的圆管,在层流分布下,流体沿管道截面的流速分布为:
式中r为离管道中心处的距离;V为该中心处的流速,Vmax为该中心处的最大流速。当流体切向流过齿轮时,利用光纤传感器测量管道中心处的流速V,此时K为0 .5,利用公式可以计算出流体的容积流量。
3 微流量计的制作工艺
我们利用LIGA技术中同步辐射光刻和微电铸以及微装配技术来进行活动微结构的制作。
3.1 同步辐射光刻和微电铸研究
利用北京高能所同步辐射室的LIGA实验站进行深度同步辐射光刻,得到光刻胶图形。曝光是在0·03MPa的He气氛中进行,曝光剂量2000mA·min。微电铸时,以光刻胶图形为模具,进行NI电镀,得到与光刻胶图形相反的金属图形。
3.2 微装配的研究
由于微结构尺寸很小,尺寸效应很明显,齿轮的表面作用相当大[5] ,微器件之间的粘附力很大。微装配过程中,最大的困难就是抓起活动部件后无法放开它。实验中,电铸得到的微齿轮是金属Ni材料,若装配工具也使用金属Ni,装配工具和齿轮之间的粘附力大于齿轮所受重力,抓起齿轮后就无法放开。所以,我们选择表面自由能小的聚乙烯来制作装配工具,完成了微配图2为金属Ni活动部件和固定部件装配在一起的电镜照片。活动微齿轮高230μm,半径200μm,轴半径80μm,间隙10μm。
结果与讨论
实验中,我们使用压缩空气进行流量的测试。通过控制气流的大小,微齿轮在转速30~6000转/分钟下能平稳转动,换算成流量量程为15nl/sec~3μl/sec,,量程比达1:200。由于受信号检的制齿轮更高速转动的输出信号未能检出。通过对雷诺数的估算,即使齿轮以60000转/分钟的转速转动,流体仍为典型的层流分布,微流量计的量程可能会更大一些。
实验结果表明,利用LIGA技术制作微传感器是成功的,研制的微流量计可以实现微流量的测量。
参考文献:
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