微流量测量方法及其技术的发展

胡纯，樊尚春，郑德智

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)

微流量测量方法及其技术的发展

胡纯，樊尚春，郑德智

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)

归纳了近五年来基于MEMS技术的微流量传感器结构及性能参数。根据国际上热门的研究方法推断微流量测量技术可能的发展方向与研究趋势，即集成两种或两种以上的测量方法，实现优势互补，提高测量精度或扩大量程比。最后基于现有的技术基础，提出了融合科氏效应与差压效应的微流量测量方法，阐述了传感器的工作原理与理论基础，并对其可行性进行了分析与论证。

微流量传感器;MEMS;科氏效应;差压效应;数据融合

0 引言

随着生物工程、精细化工、半导体制造、生物医学、微型飞行器等行业的发展，微流量的测量与控制需求越来越迫切，显然，传统的流量传感器由于制造工艺及材质的限制而无法完成微流量的精确测量。近年来，随着物理、机械、材料工程、医学等相关科学领域对MEMS(Micro－Electro－Mechanical System)的积极深入研究，促进了MEMS技术的快速发展并获得广泛的应用。MEMS技术应用于传感器制造领域中，使得传感器向着低功耗、小体积、智能化、高可靠性方向发展，引起了传感器制造技术的变革。MEMS流量传感器由于其管径小、可测量更为微小的流量且集成化程度高［1］，正成为微流量测量领域的研究热点。

微流量测量方法各异。有的直接测量流体质量流量，如热式流量传感器、科氏流量传感器;有的敏感体积流量，如差压式流量传感器。本文对近五年来国内外微流量传感器的新颖结构和性能参数进行了归纳总结，推断出可能的发展方向与研究趋势，最后提出了融合科氏效应与差压效应的流量测量方法，并对其可行性进行了分析与论证。

1 国外微流量传感器研究现状

1.1 热式流量计

M.Piotto等［2］设计的风速计在圆柱周围开孔，气流从某一方向通过这些孔流入传感器，再被分为两股，这两股气体流量大小与流量方向呈现正弦关系，通过双通道热式流量计敏感两个流量，减小尺寸，简化装配过程。传感器集成在单个芯片上，可同时测流量和方向。结果显示，传感器能测量0.4～7.9 m/s的流量。其结构如图1所示，图2为传感器测量曲线，由图2可得，最大的角度误差是±5°，速度误差是8%。

图1 传感器爆破图(左)和敏感元件放大图(右)

图2 传感器测量曲线

Konstatinos Kontakis等［3］提出一种将微管道加工在PCB板上的热式流量传感器。微通道壁由在Pt传感元件阵列表面的SU－8构成，SU－8上表面的PMMA板(树脂玻璃)热粘接实现微通道的密封，由于该材料的导热率较低，传感元件具有优良的热隔离特性。水流量测量实验表明，传感器具有较高灵敏度和较宽的测量范围。结构如图3所示，其中，微管道宽500μm，深100μm，电阻长1500μm。在恒流模式下，可测流量达到400μL/min，最小可测流量为1μL/min。

图3 传感器正面图(左)和传感器反面图(右)

F.Hedrich等［4］提出用于肺呼吸功能监测的微流量传感器，精度高，响应时间短(＜1 ms)，功耗低(＜10 mW)。此外，加热结构被添加到芯片上，以防止结露。传感器结构如图4所示。

图4 传感器敏感结构实物图

R.JWiegerink等［5］使用表面通道技术加工出微管道，该微管道在一个硅晶片的表面上，具有半圆形横截面。利用这种技术设计的热式微流量传感器，将加热电阻和热电偶传感器集成在悬浮管道的顶部，能实现nL/min的流量分辨力。传感器结构如图5所示。

图5 传感器半圆形通道(左)和传感器结构(右)

1.2 差压式流量计

A.G.P.Kottapalli等［6］提出了用于测量流速和方向的微流量传感器，利用基于液晶聚合物(LCP)膜的压力传感器敏感流体的压力，金薄膜压电电阻沉积在LCP膜上。传感器灵敏度是3.695 mV/(m·s－1)，测量范围是0.1～10 m/s，平均满量程误差为3.6%。传感器结构如图6所示。

图6 传感器结构

1.3 科里奥利质量流量计

J.Haneveld等［7］利用表面通道技术加工出微管道，作为微型科氏质量流量传感器的流体通道。设计的传感器是单管矩形结构，利用洛伦兹力激励梳齿电容检测的方式测量微流量。传感器在最大1 bar的压损下，测量的流量范围为0～1.2 g/h，测量误差为1%。传感器结构如图7所示。通道的直径为40μm，传感器尺寸为7.5 mm×15 mm。

图7 传感器工作原理图(左)和传感器实物图(右)

1.4 其他原理微流量传感器

D.Petrak等［8］描述了一种实验方法，该方法能够测定mL/h量级的液体流量。管道中牛顿液体层流的体积流量可以通过测量中心线速度和Hagen Poiseuille方程确定。微流量计的主要单元是激光二极管系统、双光纤阵列传感器和微通道。使用注射泵产生流量，测试传感器测量精度。这种牛顿液体的流量测量方法不需要校准，测量结果不受温度、压力和牛顿液体的性质的改变的影响。通过应用二维微通道流量的条纹模型确定粘度函数。流量计装置结构如图8所示。

图8 微流量计装置结构

Nicolas André等［9］展示了基于外平面的可移动悬臂微流量传感器，气流引起悬臂的挠度变化。接口电路是CMOS环形振荡器(RO)，利用SOI(Silicon－On－Insulator)技术制作在同一芯片上，使得传感器尺寸小、功耗低、抗干扰性强。当气流从0 m/s变化到120 m/ s，微系统RO频率变化10%，静态功耗为1μW量级。图9为其结构。

图9 传感器结构图

2 国内微流量传感器研究现状

2.1 热式流量计

Peng Liu等［10］使用薄膜沉积处理和标准印刷电路技术，实现了一种新型的热膜式流量传感器。传感器电极和电子电路预先印刷在聚酰亚胺(PI)柔性基板上，即柔性印刷电路板(FPCB)，敏感元件由温度系数大约为2000×10－6/K的铬/镍/铂制成，由磁控溅射技术或脉冲激光沉积(PLD)制作在FPCB上。该传感器可以与信号处理电路高密度地集成封装在一起而不需要额外衬垫，减少加工时间，降低了成本。对传感器的稳态和瞬态特性进行了测试，验证了该传感器的测量有效性。传感器结构如图10所示。

图10 热膜式流量传感器

徐永青等［11］研制的MEMS热膜式质量流量传感器由Si腔体、Si3N4薄膜、加热电阻及温度检测电阻组成。基体结构采用Si，加热元件和敏感元件在薄膜上，薄膜下是Si腔体，起到减小热容和绝热的作用，从而提高传感器的响应时间和灵敏度。测试表明，该器件的测量量程达到0.5～200 m3/h，精度1.5级，响应时间20 ms，量程比1∶400。传感器结构如图11所示。

图11 MEMS膜式质量流量传感器结构

侍艳华等［12］设计了一种基于MEMS技术的热膜式微流量传感器，传感器结构如图12所示。两个Pt热敏薄膜电阻构成Sandwich结构。当热敏电阻间距为200 μm、工作温度为150℃、气体流量在－5～5 mL/min时，传感器输出信号与气体流量成线性关系，灵敏度约为299 mV/(mL·min－1)。微流量传感器气体流量理论检测下限约为1.7μL/min，在气体流量为6μL/min时，响应和恢复时间(90%)分别为16 ms和34 ms。

图12 薄膜电阻芯片(左)和传感器结构(右)

Yuan－Qing Wu等［13］使用双加热器三检测器结构，加宽了管道中的温度场宽度，扩大传感器测量范围，提高了传感器的响应速度。图13所示为传感器结构示意图和实物图，图中每根加热器和温度传感器的线宽为20 nm。

图13 双结构传感器

2.2 差压式流量计

光玲玲等［14］提出了一种基于Lamb波的压差式微流量传感系统。该系统由两个Lamb波薄膜组成的腔体和一个微通道组成。微通道长20 mm，宽1 mm，高50 μm，连接两个腔体。由于液体压力对Lamb波薄膜的挤压，使得薄膜的谐振频率变化，该变化反映了液体压力的大小，由于采用上下游差动测压模式，使得温度的影响得以消除，流量测试实验的结果显示，上下游Lamb波薄膜的谐振频率之差与微流量呈线性关系，可测量的最小流量为0.627μL/s。传感器结构示意图如图14所示。

图14 传感器结构示意图

杨晓亚等［15］开发了一种基于压差原理的微流量传感器。传感器使用初始厚度为400μm的双面抛光N型硅片进行加工，主要包括硅杯结构、微通道以及压阻条的设计。压阻条加工在硅杯顶部的薄膜上，形成压力检测腔，压阻条通过键合引线与基底的PCB板连接，微通道前后两端的压力检测腔的压力差则反映了微流量的大小。当流体流过时，由于流体的挤压，导致薄膜顶部的压阻条阻值发生变化，通过电桥的方式读取压力信号。利用有机玻璃进行保护封装，封装后的传感器直径为26 mm，厚度11 mm，如图15所示。传感器实流标定实验表明，响应时间小于4 ms，流量检测误差为0.65%(CV)。

图15 基于压差原理的微传感器

Chen Liguo等［16］设计的差压式微流量传感器芯片由两个压阻传感器和微机械加工通道组成。设计的传感器包括两个方形硅膜，厚50μm×宽2000μm×长2000μm，并且通道被设计为长2005μm，宽1000 μm，深30μm。传感器芯片的整体尺寸为4.5 mm× 9.0 mm×0.9 mm。测量系统和该传感器芯片的示意图如图16。校准传感器的灵敏度为100 mV/(μL·s－1)。基于校准曲线与拟合曲线之间的偏差，得到流量传感器的非线性特性为0.51%。

图16 测量系统和传感器芯片示意图

2.3 振动式微流量传感器

郭然等［17］提出了一种新颖的微机械谐振式微流量传感器。该传感器采用电磁激励方式，主要由1个3 μm厚H型谐振器、1个40μm厚的悬臂梁平板(2000 μm×5000μm)以及连接平板和框架的2根40μm厚的支撑梁组成。谐振器采用低应力富硅氮化硅SiN制作，可以方便地使用湿法腐蚀释放谐振器，从而简化工艺流程，提高成品率，如图17所示。文中分析了理论模型、有限元仿真(FEA)、工艺制造和测试结果。测试结果显示，传感器在1SLM(标准L/min)流量下，频率漂移为500 Hz，分辨力达到0.5%，但在输出(谐振器频率漂移)和输入(气体流量)间存在二次曲线关系。

Po－Yau Ju等［18］提出了一种检测速度和粘度的微流量传感器，特别是对超低粘度的应用。一根蚀刻的直径为9μm的光纤被嵌入在一个微流体芯片中，耦合照射在微流体通道的激光束，流量导致的振动引起光纤悬臂周期性振荡运动，通过频率分析，能够检测和识别流体流量和粘度，如图18所示。实验结果表明，开发的传感器能够检测流速为2.5～15 mL/min和粘度为0.306～1.2 mPa·s的液体样品。此外，各种流量的空气样品(0.0148 mPa·s)也能检测。

图17 传感器敏感结构

图18 传感器工作原理和实物图

3 微流量传感器发展方向

由近五年来国内外微流量测量研究现状可看出，热式微流量传感器的研究是比较热门的，因为热式流量传感器测量流量范围较宽，具有很高的灵敏度，流量下限也很低。目前，对其研究已向进一步微型化方向发展，且能分辨出流动方向。由于其输出是非线性的，且受基体隔热效果的影响，适合用于精度不太高的微流量测量。

基于MEMS的微流量测量技术发展至今已经历了四十多年，探索新的测量方法是其中的一个发展方向，如振动式、光电式测量等。另外结合多种测量方法，进行多源信息融合的微流量测量技术也是一个重要的发展方向。

3.1 多种方法结合的微流量测量方法

早在2000年，Yong Xu等［19］就结合了热式和差压式原理测量微流量，将剪应力、压力和温度传感器集成到一个芯片上。热式流量传感器在低流量范围灵敏度较高，差压式流量传感器只敏感较大的流量，且与流量呈线性关系，两种方法优势互补，结合这两种方法，大大提高微流量传感器的性能。

陈则等［20］结合了温差式和风速计式两种检测原理，设计并制造了一种新型结构的MEMS热式流量计。在对温差式流量计的灵敏度、量程等特性进行了有限元仿真的基础上，优化设计了器件结构。测试结果表明该新设计比传统MEMS热式流量计灵敏度提高近4倍。

Joost C.Lötters等［21］将热式与科氏测量方法结合，集成到单个芯片上测量微流量，能够测量超宽的动态流量范围，从100 nL/h到18 mL/h。流量从0.1 L/h到40 L/h时，误差为±0.1 L/h，流量从40 L/h到18 mL/h时，误差为±4 L/h，响应时间为0.2 s。

3.2 科氏效应与差压效应融合的流量测量方法

科氏效应流量检测方法通过测量流体流过测量管所产生的科氏力导致的输出信号相位差测量质量流量，具有精度高、可靠性高、无可移动部件等优点。但是当流量较小时，科氏力变得微弱，由科氏力引起的相位差很小，检测精度难以保证。同时，压损大是科氏质量流量传感器的普遍缺点。根据伯努利方程，流体在管道中的流动是由于管道中上游与下游的压差导致的，通过测量科氏质量流量传感器入口与出口端的压力差可检测出流体流量。因此考虑将科氏质量流量传感器压损大的缺点转变为一种测量手段，将科氏效应与差压效应集成在一起，在不同的流量范围按照一定的规则将两种方法的测量结果进行融合，以提高测量精度，扩大量程比。

为保证传感器测量精度，测量管必须选择灵敏度较高的管型，同时又要兼顾低的零点稳定性，因此，选择矩形测量管作为传感器的敏感单元。为获得流体的压差，在传感器入口端和出口端分别设计了取压口。初步设计的传感器结构如图19所示。

图19 科氏效应与差压效应集成的传感器结构

图20为单管小口径科氏质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter，CMF)的矩形测量管示意图，进出口直管段AB及A'B'的长度为l，中间直管段CC'的长度为2b，圆弧段BC及B'C'的半径为R。

图20 测量管结构示意图

双端固支的测量管为高次静不定系统，在测量管上施加科氏力，利用科氏力分布反对称、结构对称的特点，将测量管从中心位置H处对称分开，H截面上受剪力X1和扭矩X2，如图21所示。

图21 测量管科氏力分布图

设流体经过时，AB段所受的单位长度科氏力为q，使用力学分析，得到测量管在科氏力q、剪力X1和扭矩X2作用下的沿轴位移曲线，如图22所示。图中横坐标是沿轴曲线坐标，纵坐标是测量管的位移。

图22 科氏力作用下沿轴位移曲线图

则传感器的灵敏度K为

式中:E为测量管弹性模量;I为传感器转动惯量。

利用ANSYS对测量结构进行模态分析，获得传感器的一阶振动模态，根据流量大小，求出矩形管微元的科氏力，添加科氏力，进行静态分析，获得测量管最大扭转位移，从而仿真得到灵敏度。静态分析中测量管位移矢量图如图23所示。

图23 测量管位移矢量图

计算得到最大扭转角为θmax=1.24078°，灵敏度K= 1.1046μs/(kg·h－1)。理论分析得到的最大扭转角为θmax=1.21759°，最大灵敏度K=1.092μs/(kg·h－1)。

流体在管道中流动，存在压损，分析流体在层流状态和湍流状态时的沿程压力损失和局部压力损失，得到流量与压差的关系。

沿程压损为

式中:Δpc为沿程压力损失;Q为流量;υ为流体的动力粘度，m2/s;le为管道等效长度;D为管道内径;ρ为流体密度;Re为雷诺数。

根据管道局部元件的结构特点可近似确定管道的局部损失系数，从而得到局部压损为

式中:v为流速。弯管的局部压力损失系数ζ可根据Richter的实验公式求得［22］，公式为

因此，测量管弯管段的总压力损失为

压损与流量的关系曲线如图24所示。

利用FLUENT软件仿真分析测量管的压损，利用标准k－ε模型进行分析计算，得到的压强分布云图如图25所示。

图24 流量与压损曲线图

图25 测量管内压强分布云图

由测量管内压强分布云图可见，从测量管入口处到出口处，压强逐渐减小，符合圆管流动压降的原理。仿真得到的压损为251442.05 Pa，理论计算得到的压损为245060 Pa。理论与仿真基本一致，因此，通过压损测量流体速度是有可行的。

最后，利用数据融合算法对两种方法获得的测量数据进行融合。初步采用多维回归分析法进行融合。

设Qmk和QVk分别为实流标定时科氏质量流量传感器和差压传感器获得的k组数据，每组数对应的流量值为Qk。

若二维坐标(Qmk，QVk)对应的Qk在一个平面上，则可利用二次曲面方程来描述实际流量Q与测量的质量流量Qm及体积流量QV的关系，即

如果公式(6)中的各常系数已知，那么二次曲面方程也就确定了。由此可见，多维回归分析法实现函数逼近的过程，就是求解函数表达式(6)中各常系数α0～α5的过程［23］。通常使用最小二乘法确定常系数，从而求得最终的数据融合结果，达到融合效果。

4 结论

MEMS技术的进步使得各种类型传感器的精密制造成为可能，相比于传统的宏观尺度传感器，微尺度传感器具有更高灵敏度，更低成本，更容易实现集成化和便携化。自从MEMS技术应用到微流量测量领域以来，纵观近五年来国内外微流量测量技术的发展，除了基于已有的测量原理从结构上进行创新以外，还在利用科技的发展不断探索新的测量方法，同时，多种方法结合提高传感器性能也是其中的一个重要发展方向。此外，文中提出了一种科氏效应与差压效应相结合的测量方法，通过理论与仿真手段系统的论述此方法的可行性，初步确定使用多维回归分析法对两种方法的测量结果进行处理，以期提高流量测量精度，扩大量程比。

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The Approaches and Development of the M icro Flow M easurement

HU Chun，FAN Shangchun，ZHENG Dezhi
(School of Instrumentation Science and Opto－electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

This paper summarizes the structures and performance parameters of variousmicro flow sensors based on MEMS technology.The possible developmentdirection ofmicro flowmeasurement technique is inferred according to international popular research，which is the combination of two ormore approacheswith complementary advantages，aiming to improve themeasurementaccuracy and expand the range ratio.Finally，the integrated method of Coriolis effect and pressure loss effect is proposed based on existing technology.The operating principle and theoretical basis of the sensor are described to verify the feasibility of the approach.

micro flow sensor;MEMS;Coriolis effect;pressure loss effect;data fusion

TB937;TP212.1

A

1674－5795(2015)01－0001－08

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.01

2014－10－20

国家自然科学基金资助项目(61121003);教育部创新团队资助项目(IRT1203);教育部新世纪人才资助项目

胡纯(1987－)，男，博士研究生，研究方向为先进传感与智能仪器;樊尚春(1962－)，男，教授，博士生导师，研究方向为传感器技术及应用、MEMS;郑德智(1978－)，男，副教授，博士生导师，研究方向为流量传感器及信号检测与处理。