[發(fā)明專利]一種納升級電容式液位傳感器及制備方法

有效

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• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN107525564B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋學(xué)勇;張宏才;王威威;蔣莊德
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G01F23/26
• 分類號: G01F23/26
• 代理公司: 61200 西安通大專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 王萌

本發(fā)明公開一種電容式液位傳感器及其制備方法。包括表面PDMS層，Si結(jié)構(gòu)層，底部玻璃層。其中Si結(jié)構(gòu)層及電極使用DRIE干法刻蝕、濕法腐蝕相結(jié)合的工藝實(shí)現(xiàn)，通過離子鍵合與PDMS層形成密閉液腔，液位的變化引起電容極板間電解質(zhì)變化，從而導(dǎo)致電容極板間電荷發(fā)生變化，通過外圍電路可以檢測極板間液位的改變。且由于間距處處相等，直接可以準(zhǔn)確計(jì)算極板間液位的體積，其實(shí)施例二可以實(shí)現(xiàn)特征液位精確監(jiān)測，又可以實(shí)現(xiàn)整體連續(xù)型觀測。具有反應(yīng)靈敏、制備成本低、高精度等特點(diǎn)。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及一種液位傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于MEMS技術(shù)的高精度連續(xù)型電容式液位傳感器。

【背景技術(shù)】

在工業(yè)領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)與測量，需要對液位進(jìn)行精密的測量。

液位測量又包括液位信號器和連續(xù)液位測量。前者主要對幾個(gè)固定的液面位置進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，而后者需要全量程范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的液位測量，被廣泛地應(yīng)用于石油化工、生物制藥微型流量控制等領(lǐng)域。

目前，應(yīng)用于連續(xù)液位測量的方法有二十多種，例如浮球法、激光干涉法、磁致伸縮法等，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)某些特定的要求選擇合適的測量方式。對于微型流量控制領(lǐng)域，需要對反應(yīng)容器進(jìn)行微米級別的液位控制，甚至需要nL(10^-9L)級別的液位體積測量。而目前高精度液位、體積傳感器制造成本高，且大多數(shù)不具備液位、體積的同步測量。例如李吉海等人發(fā)明的基于超聲波的液體體積測量裝置，可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則容器內(nèi)液體體積較精密測試，卻無法實(shí)現(xiàn)液位高度的測試；李曉亮等人通過測量密閉容積內(nèi)氣壓的變化進(jìn)而檢測的測試容積的體積，該方法對容器的氣密性要求較高且需要對溫度進(jìn)行精確的控制。

電容式液位傳感器具有原理簡單，安裝調(diào)試方便，并且具有較好的環(huán)境適應(yīng)性和溫度穩(wěn)定性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。李居?xùn)|等人設(shè)計(jì)的電容式液位傳感器，可以實(shí)現(xiàn)離散加連續(xù)測量兩種檢測方式，且通過設(shè)計(jì)測量點(diǎn)表面積突然增大(或減小)的方式，可以對特定位置液體進(jìn)行較高精度的傳感。但由于尺寸過大，且無法準(zhǔn)確測量液體體積，仍不適用于微流控領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種納升級電容式液位傳感器及制備方法，解決微流控領(lǐng)域微弱液位、體積變化的檢測問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種納升級電容式液位檢測裝置，該電容式液位檢測裝置安裝在反應(yīng)容器的外表面，包括與反應(yīng)容器接觸的封裝層，以及硅結(jié)構(gòu)層，所述硅結(jié)構(gòu)層設(shè)置有一對極板陣列電極，相應(yīng)的極板陣列電極分別連接有極板陣列，一對極板陣列之間設(shè)置有供液體流通的空間，該空間與反應(yīng)容器內(nèi)部空間連通，方便反應(yīng)容器內(nèi)的液體進(jìn)入到該空間；反應(yīng)容器內(nèi)液位的變化引起電容極板電容發(fā)生變化，借此檢測極板間液位的改變。

一對極板陣列之間的空間為多折線的結(jié)構(gòu)。

一對極板陣列之間的空間為蛇形結(jié)構(gòu)，包括與硅面垂直的直線段、與硅面平行的平行線，以及與水平存在夾角的傾斜線段。

在所述蛇形結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步包括有橫向凸起結(jié)構(gòu)，該橫向凸起結(jié)構(gòu)為三面圍起來的半封閉結(jié)構(gòu)。

所述封裝層為PDMS層，所述硅結(jié)構(gòu)層表面進(jìn)一步設(shè)置有玻璃層，該玻璃層上開設(shè)有電極，所述硅結(jié)構(gòu)層通過該電極與外部電路連接。

所述封裝層開設(shè)有液體入口和液體出口，該液體入口和液體出口與反應(yīng)容器內(nèi)部空間連通。

所述極板列陣電極包括左側(cè)極板陣列、右側(cè)極板陣列和中間極板陣列，供液體流通的空間設(shè)置在左側(cè)極板陣列或右側(cè)極板陣列與中間極板陣列之間。

一種納升級電容式液位傳感器的制備方法，基于MEMS技術(shù)，包括以下步驟：

(1)將大小相同的(100)晶相n型硅片與玻璃基底鍵合；