基于蝎子蠱毛流量感知機理的氣體微流量檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于蝎子蠱毛流量感知機理的氣體微流量檢測裝置，是由類蠱毛毛桿、類蠱毛基部、類蠱毛座、彈性連接膜、第一電極引線和第二電極引線構(gòu)成，類蠱毛毛桿與類蠱毛基部裝配成一體，形成類蠱毛結(jié)構(gòu)；類蠱毛基部下半部分具有導(dǎo)電涂層，類蠱毛基部安裝在類蠱毛座與彈性連接膜裝配后的類球形腔內(nèi)；第一電極引線嵌入彈性連接膜表面，當(dāng)類蠱毛結(jié)構(gòu)擺動時與類蠱毛基部的導(dǎo)電涂層接通；類蠱毛座的半球形凹槽正好能支撐類蠱毛基部在其內(nèi)自由擺動，類蠱毛基部裝配到類蠱毛座中兩者形成等效角位移式變面積電容傳感器；第二電極引線從類蠱毛座底部引出并與類蠱毛座的導(dǎo)電層連接。本發(fā)明仿照蝎子蠱毛的流量感知結(jié)構(gòu)，形成一個等效角位移式變面積電容傳感器，靈敏度高。
【專利說明】基于蝎子蠱毛流量感知機理的氣體微流量檢測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體流量測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種氣體微流量檢測裝置。通過檢 測類蠱毛相對于類蠱毛座擺角大小，確定被測氣體的流速或流量。

【背景技術(shù)】
[0002] 精確測量氣體微流量具有十分重要的意義。例如為保持飛船艙內(nèi)的壓力正常，需 要對艙體進行檢漏，精確檢測出微小的漏率流量，這對長期運行的載人飛船尤為重要；電子 工業(yè)和精細(xì)化工工業(yè)中，要求精確控制氣體微流量的注入，以保證工藝質(zhì)量和產(chǎn)品性能的 穩(wěn)定。
[0003] 目前，主要的氣體流量檢測有：機械式氣體流量檢測（包括膜式氣體流量檢測和 渦輪式氣體流量檢測）、熱線熱膜式氣體流量檢測（HWA)(包括熱線儀和基于微電子機械系 統(tǒng)（MEMS)的熱式氣體質(zhì)量流量檢測）、超聲和激光多譜勒流速流量檢測方法等。但是，機械 式檢測精度低、裝置易老化且受溫度影響大；HWA式檢測時必須對傳感器芯片電加熱，因而 功耗大且不適用于易燃易爆氣體的檢測；超聲和激光多譜勒流速流量檢測設(shè)備復(fù)雜價格昂 貴，一般在精密測量實驗室或標(biāo)定其它流速計時使用，并且激光多普勒不適宜測量凈化間 的微流速。所以，研究具有高靈敏性、經(jīng)濟性、安全性的微流量檢測裝置具有重要意義。
[0004] 生物在漫長的進化過程中形成了很多巧妙的結(jié)構(gòu)，為仿生研究提供了優(yōu)秀的藍 本。蝎子脛節(jié)表面的蠱毛對周邊空氣極其微小的流量的感知能力，為仿生設(shè)計制造出高靈 敏的微流量檢測裝置提供了模仿對象。本發(fā)明是在對蝎子蠱毛體表流量感器感知機理的 研究基礎(chǔ)上，基于MEMS加工技術(shù)提出的氣體微流量檢測裝置，具有體積小、重量輕、靈敏度 高、測量精度高、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種由MEMS技術(shù)加工而成的基于蝎子蠱毛流量感知機理的 氣體微流量檢測裝置，其適用于微小氣體流量流速（〇?500mm/s)的測量，其靈敏性高、測 量精度高、體積小并且經(jīng)濟性好易于批量生產(chǎn)。
[0006] 本發(fā)明是由類蠱毛毛桿、類蠱毛基部、類蠱毛座、彈性連接膜、第一電極引線和第 二電極引線構(gòu)成，類蠱毛毛桿與類蠱毛基部裝配成一體，形成類蠱毛結(jié)構(gòu)；類蠱毛基部下半 部分具有導(dǎo)電涂層，類蠱毛基部安裝在類蠱毛座與彈性連接膜裝配后的類球形腔內(nèi)；彈性 連接膜上部具有開口，彈性連接膜的開口大小限制類蠱毛毛桿擺動角度的大??；第一電極 引線嵌入彈性連接膜表面，當(dāng)類蠱毛結(jié)構(gòu)擺動時與類蠱毛基部的導(dǎo)電涂層接通；類蠱毛座 為圓柱形絕緣體，類蠱毛座的半球形凹槽正好能支撐類蠱毛基部在其內(nèi)自由擺動，半球形 凹槽內(nèi)表面具有導(dǎo)電層，導(dǎo)電層之上覆蓋有一層絕緣層，類蠱毛基部裝配到類蠱毛座中兩 者形成等效角位移式變面積電容傳感器；第二電極引線從類蠱毛座底部引出，第二電極引 線與類蠱毛座的導(dǎo)電層連接。
[0007] 所述的類蠱毛毛桿的表面為非光滑表面。
[0008] 所述彈性連接膜的材質(zhì)為彈性絕緣材料。
[0009] 當(dāng)有微小流量的氣體流經(jīng)，類蠱毛毛桿受到氣流的摩擦力和阻力，并由類蠱毛毛 桿及類蠱毛基部受力時形成的微杠桿結(jié)構(gòu)將摩擦力和空氣阻力放大，使類蠱毛相對類蠱毛 座發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于類蠱毛基部和類蠱毛座分別有導(dǎo)電涂層并相互絕緣，形成電容器。類蠱毛 相對類蠱毛座偏轉(zhuǎn)時相當(dāng)于一個角位移式變面積電容傳感器，通過檢測電容容量的變化， 實現(xiàn)對氣體微流量的測量。
[0010] 所述的類蠱毛毛桿表面通過蝕刻或噴涂的方法形成非光滑表面以增大與空氣的 接觸力，其縱深比（長度與直徑的比）為50?200,毛桿長度為700?1500 μ m ;類蠱毛基 部由絕緣材料制成，其下半部分部涂導(dǎo)電層；類蠱毛毛桿與類蠱毛基部裝配成一體，形成類 蠱毛結(jié)構(gòu)。類蠱毛在類蠱毛座和彈性連接膜的限制下在整個周向都能以一定的角度偏轉(zhuǎn)擺 動。
[0011] 類蠱毛座為柱形絕緣材料在其上表面加工出半球形的凹槽而成，半球形凹槽表面 先噴涂導(dǎo)電材料，再噴涂一層絕緣材料。半球形凹槽能支撐類蠱毛基部在其內(nèi)自由擺動。由 此，類蠱毛裝配到類蠱毛座中便形成了一個電容器；當(dāng)類蠱毛受到空氣流量的激勵而發(fā)生 偏轉(zhuǎn)時，類蠱毛基部與類蠱毛座實際上是一個角位移式變面積電容傳感器。
[0012] 彈性連接膜為彈性絕緣材料制成，其下部（開大口出）端面與類蠱毛座配合，上部 開口的大小限制類蠱毛的最大偏轉(zhuǎn)角度。彈性連接膜內(nèi)部為一種由凸輪曲線掃略一周形成 的光滑內(nèi)表面，其與類蠱毛基部上半部分表面相接觸，形成一種類似凸輪形式的配合。當(dāng)類 蠱毛受到空氣流量的激勵而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，類蠱毛基部上半部分?jǐn)D壓彈性連接膜；彈性連接 膜受擠壓后發(fā)生彈性形變；當(dāng)空氣流量的激勵撤銷時，彈性連接膜的回正力矩使類蠱毛回 正。
[0013] 在彈性連接膜內(nèi)嵌入第一電極引線，當(dāng)蠱毛擺動時與蠱毛下部的導(dǎo)電層接通；類 蠱毛座底部鉆孔引出另一跟第二電極引線，其與類蠱毛座半球形凹槽的導(dǎo)電層連接。
[0014] 通過調(diào)整類蠱毛毛桿的縱深比實現(xiàn)調(diào)整測量裝置的靈敏度，以此改變其流量檢測 范圍。
[0015] 具體使用時，所述的基于蝎子蠱毛流量感知機理的氣體微流量檢測裝置貼于玻璃 基片上，其整體結(jié)構(gòu)直徑為50?200微米，高度為2?4毫米，以此測量流速在500mm/s以 下的微小氣體流速或流量。
[0016] 本發(fā)明的有益效果：
[0017] 本發(fā)明基于蝎子蠱毛流量感知機理的氣體微流量檢測裝置由MEMS技術(shù)加工而 成，仿照蝎子蠱毛的流量感知結(jié)構(gòu)，形成一個等效角位移式變面積電容傳感器，靈敏度高、 工藝簡單、經(jīng)濟性好，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明測量微小流量時，類蠱毛結(jié)構(gòu)對微小力矩放大原理圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明測量流量時的等效角位移式變面積電容傳感器原理圖。

【具體實施方式】
[0021] 請參閱圖1所示，本實施例是由類蠱毛毛桿1、類蠱毛基部2、類蠱毛座3、彈性連接 膜4、第一電極引線5和第二電極引線6構(gòu)成，類蠱毛毛桿1與類蠱毛基部2裝配成一體，形 成類蠱毛結(jié)構(gòu)；類蠱毛基部2下半部分具有導(dǎo)電涂層9,類蠱毛基部2安裝在類蠱毛座3與 彈性連接膜4裝配后的類球形腔7內(nèi)；彈性連接膜4上部具有開口 8,彈性連接膜4的開口 8大小限制類蠱毛毛桿1擺動角度的大?。坏谝浑姌O引線5嵌入彈性連接膜4表面，當(dāng)類蠱 毛結(jié)構(gòu)擺動時與類蠱毛基部2的導(dǎo)電涂層9接通；類蠱毛座3為圓柱形絕緣體，類蠱毛座3 的半球形凹槽10正好能支撐類蠱毛基部2在其內(nèi)自由擺動，半球形凹槽10內(nèi)表面具有導(dǎo) 電層，導(dǎo)電層之上覆蓋有一層絕緣層，類蠱毛基部2裝配到類蠱毛座3中兩者形成等效角位 移式變面積電容傳感器；第二電極引線6從類蠱毛座3底部引出，第二電極引線6與類蠱毛 座3的導(dǎo)電層連接。
[0022] 所述的類蠱毛毛桿1的表面為非光滑表面。
[0023] 所述彈性連接膜4的材質(zhì)為彈性絕緣材料。
[0024] 本發(fā)明的工作過程和原理：
[0025] 如圖2所示，圖2中省略類蠱毛基部2的導(dǎo)電涂層9,當(dāng)測試流速為V的氣流時，氣 流與類蠱毛毛桿1相互作用力F帶動類蠱毛結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角Θ。同時，蠱毛結(jié)構(gòu)收到類蠱 毛座3的彈力N和彈性連接膜4的彈力T。以0點為中心，類蠱毛結(jié)構(gòu)的力矩平衡方程為：
[0026] T · D = F · Η ⑴
[0027] 式⑴中，D和Η分別是相對于0點的力矩。因此，F(xiàn)引起的施加于彈性連接膜4 上的彈力Τ'（Τ' = 一 Τ)為F的Η/D倍。類蠱毛結(jié)構(gòu)有較大的縱深比，由此微小的氣流也能 使類蠱毛結(jié)構(gòu)擺動。因此，該裝置有高靈敏度。同時，調(diào)整類蠱毛毛桿1的長度，以此改變 縱深比，以此改變其流量檢測范圍。
[0028] 類蠱毛座3為圓柱形絕緣材料，其半球形凹槽正好能支撐類蠱毛基部2在其內(nèi)自 由擺動；其半球形凹槽內(nèi)部先噴涂一導(dǎo)電層，再覆蓋一層絕緣層，當(dāng)類蠱毛裝配到類蠱毛座 中兩者形成等效角位移式變面積電容傳感器。
[0029] 如圖3,當(dāng)類蠱毛結(jié)構(gòu)受到流量激勵而偏轉(zhuǎn)Θ時，類蠱毛基部2與類蠱毛座3形成 的等效角位移式變面積電容傳感器的電容器極板的正對面積減小了 2Se，電容變?yōu)閝 ;原 等效面積為Sd，電容CQ :

【權(quán)利要求】
1. 一種基于蝎子蠱毛流量感知機理的氣體微流量檢測裝置，其特征在于：是由類蠱毛 毛桿（1)、類蠱毛基部（2)、類蠱毛座（3)、彈性連接膜（4)、第一電極引線（5)和第二電極引 線（6)構(gòu)成，類蠱毛毛桿（1)與類蠱毛基部（2)裝配成一體，形成類蠱毛結(jié)構(gòu)；類蠱毛基部 (2) 下半部分具有導(dǎo)電涂層（9)，類蠱毛基部（2)安裝在類蠱毛座（3)與彈性連接膜（4)裝 配后的類球形腔（7)內(nèi)；彈性連接膜（4)上部具有開口（8)，彈性連接膜（4)的開口（8)大 小限制類蠱毛毛桿（1)擺動角度的大??；第一電極引線（5)嵌入彈性連接膜（4)表面，當(dāng)類 蠱毛結(jié)構(gòu)擺動時與類蠱毛基部（2)的導(dǎo)電涂層（9)接通；類蠱毛座（3)為圓柱形絕緣體， 類蠱毛座（3)的半球形凹槽（10)正好能支撐類蠱毛基部（2)在其內(nèi)自由擺動，半球形凹槽 (10)內(nèi)表面具有導(dǎo)電層，導(dǎo)電層之上覆蓋有一層絕緣層，類蠱毛基部（2)裝配到類蠱毛座 (3) 中兩者形成等效角位移式變面積電容傳感器；第二電極引線（6)從類蠱毛座（3)底部 引出，第二電極引線（6)與類蠱毛座（3)的導(dǎo)電層連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蝎子蠱毛流量感知機理的氣體微流量檢測裝置，其 特征在于：所述的類蠱毛毛桿（1)的表面為非光滑表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蝎子蠱毛流量感知機理的氣體微流量檢測裝置，其 特征在于：所述彈性連接膜（4)的材質(zhì)為彈性絕緣材料。
【文檔編號】G01F1/56GK104215283SQ201410479888
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】張俊秋, 韓志武, 陳道兵, 宋洪烈, 宋麗敏, 侯濤, 王可軍, 牛士超, 尹維, 葉軍鋒 申請人:吉林大學(xué)