聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置以及聚合物層系統(tǒng)壓力傳感方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置和一種聚合物層系統(tǒng)壓力傳感方法。該聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置包括：具有第一空穴（8；8a、8b）的第一聚合物基體（5；5a）；第一聚合物膜（4），其在第一空穴（8；8a、8b）上張緊，并且能夠根據(jù)在第一空穴（8；8a、8b）中施加的壓力（PM）偏移；在所述第一聚合物膜（4）上在第一空穴（8；8a）之上安裝的第一膜金屬化層（6；6a），其能夠與第一聚合物膜（4）一起根據(jù)施加在第一空穴（8；8a、8b）中的壓力（PM）偏移；布置在第一聚合物膜（4）上方的具有第二空穴（9）的第二聚合物基體（3），第二空穴布置在第一空穴（8；8a、8b）上方；第二聚合物膜（2），其在第二空穴（9）上張緊；在第二聚合物膜（2）上在第二空穴（9）之內(nèi)安裝的第二膜金屬化層（7；7a）；以及布置在第二聚合物膜（2）上方的第三聚合物基體（1）。
【專利說明】聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置以及聚合物層系統(tǒng)壓力傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置以及一種聚合物層系統(tǒng)壓力傳感方法。
【背景技術(shù)】
[0002]盡管也可以使用任意的微機(jī)械構(gòu)件，但本發(fā)明和其所基于的問題借助集成的微流體構(gòu)件來闡述。
[0003]集成的微流體構(gòu)件，例如醫(yī)藥技術(shù)中的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，常常由一聚合物層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其具有關(guān)閉的微流體結(jié)構(gòu)，例如通道和腔室。
[0004]基于聚合物層系統(tǒng)的微流體構(gòu)件由于靈活的加工技術(shù)和連接技術(shù)而可以多種多樣地使用并且由于很小的費(fèi)用而是一種用于實(shí)現(xiàn)一次性構(gòu)件的特別好的平臺。為了提高復(fù)雜的微流體系統(tǒng)中的過程的控制，需要關(guān)于在這種系統(tǒng)中的流體的物理狀態(tài)的基本信息。除了溫度之外，重要的主要有微流體空穴或通道中的壓力，以便能夠調(diào)節(jié)出準(zhǔn)確的流量，能夠確定通道的阻塞并且監(jiān)控閥或泵的功能。
[0005]DE 10 2009 000 529 Al描述了一種具有單側(cè)敞開的測量通道的用于壓力測量的系統(tǒng)，其中，在敞開的端部處存在一種與液體的連接，并且在閉合的端部處關(guān)閉一氣體。在壓力升高的情況下，該氣體被壓縮并且氣液界面被移動。通過觀察(毛細(xì)管中液柱的)彎月面能夠獲知體積變化并且在已知的起始壓力的情況下經(jīng)由波義耳定律獲知實(shí)際壓力。為了檢測所述彎月面的位置，建議一種方法，其評價一光束的特性，該光束借助于轉(zhuǎn)向鏡橫穿了所述彎月面的待預(yù)期的位置的區(qū)域。
[0006]在Sensor Actuat.A- Frisch 118 (205)第 212 至 221 頁中介紹了一種基于娃的壓力傳感器。其中，壓力的升高使一娃膜偏移，其中，該偏移經(jīng)由一光束的反射來獲知。
[0007]J.Liu等人在第7屆國際會議固態(tài)傳感器和執(zhí)行器(傳感器’93)中所做的用于微流研究的微機(jī)械通道/壓力傳感器系統(tǒng)描述了一種基于硅的微流體通道，具有連接的壓阻式壓力傳感器。
[0008]從DE 10 2008 002 336 Al中已知了一種擠壓閥的制造方法，其中，該擠壓閥在微流體系統(tǒng)中使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提出了一種按照權(quán)利要求1所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置以及按照權(quán)利要求11所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感方法。
[0010]優(yōu)選的改進(jìn)方案是各從屬權(quán)利要求的主題。
[0011]發(fā)明優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的核芯是一種層結(jié)構(gòu)，其由一具有微流體空穴的聚合物基體構(gòu)成，所述微流體空穴在一區(qū)域中通過一柔韌的聚合物膜遮蓋，其中，背面已被金屬化。在其上方以一定間距具有另一金屬化層，其與一位于其上方的聚合物膜以及一位于此上的聚合物基體連接。在兩個金屬層之間具有另一空穴，其通過一向外引導(dǎo)的通道聯(lián)接到一參考壓力上并且以流體、優(yōu)選氣體填充。在最簡單的情況下，所述向外引導(dǎo)的通道與周圍大氣連接。在下部的聚合物基體中的微流體空穴和在所述金屬層之間的空穴之間的壓力差導(dǎo)致了金屬化的下部的聚合物膜的變形，該變形可借助于上部的金屬層被電容地檢測到或在兩個金屬層接觸的情況下被電阻地檢測到。所述金屬層優(yōu)選經(jīng)由側(cè)部地實(shí)施的印制導(dǎo)線接觸。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，由于電的評價而不需要任何耗費(fèi)的外部設(shè)備用以獲知壓力，例如不需要光學(xué)的讀取。由此可以明顯減少成本以及外部的控制單元和讀取單元的結(jié)構(gòu)尺寸。
[0013]本發(fā)明適合于可針對微流體系統(tǒng)多樣地使用的聚合物層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)直接在現(xiàn)場的壓力測量。由此避免了通過在其它情況下所需的與壓力傳感器的連接通道或者說連接軟管的流體電阻/流體電容會導(dǎo)致的測量信號的歪曲。
[0014]本發(fā)明可以與附加的功能元件聯(lián)接。這樣，例如所述金屬化的下部的聚合物膜同時可以用作閥或膜片式泵的激活元件，且因此直接監(jiān)控閥功能或泵功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面借助于參照附圖的實(shí)施方式闡述本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。
[0016]其中:
圖1 a)-c)示出了用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置的示意圖，確切地說，圖1a)是俯視圖，以及圖1b)和Ic)是沿圖1a)中的直線A-A’的橫截面圖；
圖2a)、b)示出了用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置的示意圖，確切地說，圖2a)是沿著圖1a)的直線A-A’的截面圖，以及圖2b)是圖2a)中的結(jié)構(gòu)化的上部的膜金屬化層7a的示圖；
圖3示出了用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)施方式的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置的結(jié)構(gòu)化的下部的膜金屬化層6a的示意性俯視圖；以及
圖4示出了用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的第四種實(shí)施方式的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置的示意性橫截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]在附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的或者功能相同的元件。
[0018]圖1 a)_c)是用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置的示意圖，確切地說，圖1a)是俯視圖，以及圖1b)和Ic)是沿圖1a)中的直線A-A’的橫截面圖。
[0019]在圖1a)至Ic)中附圖標(biāo)記5表示具有第一空穴8的第一聚合物基體。在該第一聚合物基體5以及所述第一空穴8上設(shè)置一彈性的第一聚合物膜4，其在所述第一空穴8上張緊并且可根據(jù)施加在所述第一空穴8中的壓力Pm偏移。
[0020]在所述第一聚合物膜4上，在所述第一空穴8之上和之外設(shè)置一第一膜金屬化層6，其可與所述第一聚合物膜4 一起根據(jù)施加在所述第一空穴8中的壓力Pm偏移。[0021]在所述第一聚合物膜4上方布置一具有一第二空穴9的第二聚合物基體3，其中，所述第二空穴9布置在所述第一空穴8上方，并且一第二聚合物膜2在所述第二空穴9上張緊。在所述第二聚合物膜2上在所述第二空穴9之內(nèi)安裝一第二膜金屬化層7。
[0022]最后在所述第二聚合物膜2上布置一第三聚合物基體I并且仿佛形成所述壓力傳感裝置的一上蓋。
[0023]如從圖1a)中可見，所述第一膜金屬化層6可經(jīng)由所述空穴8、9側(cè)部的一第一印制導(dǎo)線16聯(lián)接并且所述第二膜金屬化層7可經(jīng)由所述空穴8、9側(cè)部的一第二印制導(dǎo)線17聯(lián)接。
[0024]所述第一空穴8聯(lián)接在一第一和一第二壓力通道19、20上，它們在所述第一聚合物基體5中延伸。
[0025]所述第二空穴9聯(lián)接在一第三壓力通道10上，該第三壓力通道在所述第二聚合物基體3中延伸并且其通常聯(lián)接在一參考壓力Pk上，在最簡單的情況下時是大氣壓。
[0026]在根據(jù)圖1b)的狀態(tài)下，在所述壓力通道19和20上施加與在所述第三壓力通道10上相同的參考壓力Pk，從而所述第一聚合物膜4與位于其上的第一膜金屬化層6處于未偏移的狀態(tài)中。如在圖1c)中所示，壓力差A(yù)P = Pm - Pk導(dǎo)致了下部的聚合物膜4連同位于其上的第一膜金屬化層6的偏移。所述壓力差A(yù)P可以例如通過測量所述膜金屬化層6、7之間的電容來確定?？商鎿Q的是，所述第二空穴9的高度可以以如下方式設(shè)計(jì)，即其在一相應(yīng)的壓力差A(yù)P的情況下導(dǎo)致所述膜金屬化層6、7的接觸，其中，接觸面隨著增大的壓力差A(yù)P而增大。然后，所述壓力適宜地從所述第一和所述第二膜金屬化層6、7之間的電阻中確定。
[0027]在該情況下有益的可以是，使用一種金屬或另一種材料，例如一導(dǎo)電的聚合物、一導(dǎo)電的膏或碳納米管(CNT)，例如具有一高電阻率，用以降低對于評價電子裝置的要求。在按照圖1a)至Ic)的實(shí)施例中，在所述兩個空穴8、9中的金屬化是在所有面上進(jìn)行的。
[0028]在所述聚合物基體1、3、5中所需的結(jié)構(gòu)可以例如通過銑削、澆注或燙金來產(chǎn)生。所述聚合物層結(jié)構(gòu)的接合可以例如借助于激光滲透焊接、超聲波焊接或粘接技術(shù)來進(jìn)行。所述金屬化可以例如通過濺射法、噴墨打印或基于激光的金屬化技術(shù)來進(jìn)行。
[0029]適合作為聚合物基體的例如是熱塑性塑料，比如PC、PP、PE、PMMA, COP、COC等等。適合作為彈性膜的是彈性體、熱彈性的彈性體，熱塑性塑料等等。所述膜金屬化層6、7的金屬化可以通過金屬，例如金、銅、鋁等等來進(jìn)行。但為了提高電阻率，必要時也可以使用其它材料，例如導(dǎo)電的聚合物或CNT。
[0030]在根據(jù)圖1a)至Ic)的實(shí)施例中的示例性的尺寸是0.5至3mm的所述聚合物基體
1、3、5的厚度(25至300iim的所述聚合物膜4、2的厚度，0.1至20 y m的所述膜金屬化層
6、7的厚度，I至IOOOiim3的所述空穴8、9的體積，以及10x10至100x100mm2的整個實(shí)施例的橫向尺寸)。
[0031]在一種評價變型方案中僅利用如下信息，即所述兩個膜金屬化層6、7發(fā)生接觸，即超過了一定的最小壓力。該實(shí)施例可以在該情況下例如作為壓力開關(guān)起作用，用以確定，一流體已經(jīng)到達(dá)了微流體系統(tǒng)中的某個位置。在此有利的是，對于制造精確度的要求是令人輕松的并且例如不必特別精確地調(diào)節(jié)所述空穴8、9的直徑。
[0032]圖2a)、b)示出了用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置的示意圖，確切地說，圖2a)是沿著圖1a)的直線A-A’的截面圖，以及圖2b)是圖2a)中的結(jié)構(gòu)化的上部的膜金屬化層7a的示圖。
[0033]在根據(jù)圖2a)、b)的第二實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)以如下方式設(shè)計(jì)，使得下部的膜金屬化層6在向上偏移時與特殊地結(jié)構(gòu)化的上部的膜金屬化層7a的發(fā)生接觸。
[0034]如從圖2b)中可見，上部的膜金屬化層7a曲折形地結(jié)構(gòu)化成印制導(dǎo)線并且具有第一端部和第二端部12、13，在它們之間可檢測一電阻。根據(jù)壓力差A(yù)P的不同，會出現(xiàn)在所述下部的膜金屬化層6和所述上部的結(jié)構(gòu)化的膜金屬化層7a之間的不同大小的接觸區(qū)域11，且因此會出現(xiàn)在所述上部的膜金屬化層7a中的不同大小的短路。這樣，所述聚合物膜6的偏移可經(jīng)由在所述上部的結(jié)構(gòu)化的膜金屬化層7a的兩個端部12、13之間的電阻變化來檢測，這表現(xiàn)出相比于電容評價對于一外部評價電子裝置的明顯更小的要求。
[0035]圖3示出了用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)施方式的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置的結(jié)構(gòu)化的下部的膜金屬化層6a的示意性俯視圖。
[0036]在根據(jù)圖3的第三種實(shí)施方式中，所述下部的聚合物膜4不是在所有面上被金屬化，而是設(shè)置一中央的金屬化區(qū)域6a，其通過至少一個卸載結(jié)構(gòu)14彈性地連接在周邊的金屬化區(qū)域13a、13b上。在圖3中用陰影線示出了所述第一聚合物膜4的自由浮動區(qū)域。該第三種實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于，通過舍棄所述第一聚合物膜4的在所有面上的金屬化，能夠?qū)崿F(xiàn)所述第一聚合物膜4的柔韌性的提高，并且能夠檢測到更小的壓力差。相比于所述膜金屬化6a的筆直的連接，通過所述卸載結(jié)構(gòu)14還提高了靈敏度，因?yàn)槠淇奢^容易地拉伸和壓縮。此外，通過所述卸載結(jié)構(gòu)14的幾何形狀獲得了復(fù)位力，從而在向上偏移的情況下不需要在所述第二聚合物膜4和所述金屬化6a之間的固定連接。
[0037]圖4示出了用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的第四種實(shí)施方式的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置的示意性橫截面視圖。
[0038]根據(jù)圖4的實(shí)施例示出了按照圖1a)至c)的根據(jù)本發(fā)明的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置與一從DE 10 2008 002 336 Al中公開的擠壓閥的一種組合。
[0039]在該實(shí)施方式中，所述第一聚合物基體5a具有兩個分空穴8a、8b，它們通過一連接件16a分開，在該連接件上，所述第二聚合物膜4與所述第一膜金屬化層6張緊。通過這種結(jié)構(gòu)能夠利用電的評價來實(shí)時地監(jiān)控所述擠壓閥的功能并且如此地提前識別到故障功能，例如阻塞。所述壓力通道10在該情況下可以例如用于經(jīng)由一外部壓力Pk來控制所述擠壓閥。
[0040]以類似的方式，也可以設(shè)計(jì)一按照所示的根據(jù)本發(fā)明的原理的膜式泵的擠壓通道。除了純功能控制之外，在該情況下從所述第一聚合物膜的偏移中也可以實(shí)時地監(jiān)控并且確定泵功率。
[0041]盡管本發(fā)明借助于優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但其不限于此。尤其是所述的材料和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅是示例性的并且不限于所闡釋的例子。
【權(quán)利要求】
1.聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，具有: 一具有第一空穴(8 ;8a、8b)的第一聚合物基體(5 ；5a)； 一第一聚合物膜(4)，其在所述第一空穴(8 ;8a、8b)上張緊，并且能夠根據(jù)在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中施加的壓力(Pm)進(jìn)行偏移； 一在所述第一聚合物膜(4)上在所述第一空穴(8 ;8a)之上安裝的第一膜金屬化層(6 ；6a)，其能夠與所述第一聚合物膜(4) 一起根據(jù)施加在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中的壓力(Pm)進(jìn)行偏移； 一布置在所述第一聚合物膜(4)上方的具有一第二空穴(9)的第二聚合物基體(3)，所述第二空穴布置在所述第一空穴(8 ;8a、8b)上方； 一第二聚合物膜(2)，其在所述第二空穴(9)上張緊； 一在所述第二聚合物膜(2)上在所述第二空穴(9)之內(nèi)安裝的第二膜金屬化層(7 ；7a);以及 一布置在所述第二聚合物膜(2 )上方的第三聚合物基體(1)。
2.按照權(quán)利要求1所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，所述第二聚合物膜(7)是無法偏移的。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，所述第一空穴(8；8a、8b)聯(lián)接在一第一和一第二壓力通道(19、20)上，所述第一壓力通道和所述第二壓力通道在所述第一聚合物基體(5)中延伸。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，所述第二空穴(9)聯(lián)接在一第三壓力通道(10)上 ，所述第三壓力通道在所述第二聚合物基體(3)中延伸。
5.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，所述第一膜金屬化層(6 ;6a)和所述第二膜金屬化層(7 ;7a)分別能夠經(jīng)由所述第二空穴(9)側(cè)部的至少一個印制導(dǎo)線(16 ；17 ;13a、13b)聯(lián)接。
6.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，所述第一膜金屬化層(6 ；6a)和所述第二膜金屬化層(7 ；7a)在壓力偏移的情況下能夠相互發(fā)生接觸。
7.按照權(quán)利要求6所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，所述第一膜金屬化層(6 ;6a)具有在所述第一聚合物膜(4)上的一在部分面上的中央的金屬化區(qū)域(6a)，所述金屬化區(qū)域經(jīng)由卸載元件(14)懸掛在所述膜金屬化層中。
8.按照權(quán)利要求6所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，所述第二膜金屬化層(7 ；7a)是印制導(dǎo)線形地結(jié)構(gòu)化的，從而在由于壓力偏移而接觸的情況下，在所述第二膜金屬化層(7 ；7a)的兩個端部(12、13)之間的電阻與在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中施加的壓力(Pm)相關(guān)。
9.按照權(quán)利要求1所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，所述第一空穴(8a、8b)具有一第一分空穴(8a)和一第二分空穴(8b)，所述第一分空穴和所述第二分空穴通過一連接件(16)分開，所述第一聚合物膜(4)在所述連接件上張緊。
10.聚合物層系統(tǒng)壓力傳感方法，使用一種按照權(quán)利要求1所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中，施加在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中的壓力(Pm)參照在所述第一膜金屬化層(6 ；6a)和所述第二膜金屬化層(7 ；7a)之間的電容來檢測。
11.聚合物層系統(tǒng)壓力傳感方法，使用一種按照權(quán)利要求6所述的聚合物層系統(tǒng)壓力傳感裝置，其中 ，施加在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中的壓力(Pm)參照所述第二膜金屬化層(7 ；7a)的電阻來檢測。
【文檔編號】B01L3/00GK103765183SQ201280042006
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月31日
【發(fā)明者】T.布雷特施奈德, C.多雷爾 申請人:羅伯特·博世有限公司