[發(fā)明專利]一種微流體柔性傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711061076.5
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN107860797B
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊曉鋒;卿新林;王奕首;孫虎;李嘉廷
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;G01L1/22
• 代理公司: 廈門加減專利代理事務(wù)所(普通合伙) 35234
• 代理人: 李強

一種微流體柔性傳感器，涉?zhèn)鞲衅鳌０ㄈ嵝曰w、微流道、微流體和氧氣傳感器，可用于測量結(jié)構(gòu)表面變形和法向壓力或可用于微流控系統(tǒng)中測量液體流速。測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)變形和表面法向壓力，集成于結(jié)構(gòu)表面，結(jié)構(gòu)的變形引起微流體的形狀改變，主流道內(nèi)微流體進入分流道，分流道內(nèi)空氣被壓縮，氧氣濃度發(fā)生變化，氧氣通過柔性多孔膜滲透進入集成于底部的氧氣傳感器實時測量分流道內(nèi)部氧氣濃度；微流控系統(tǒng)監(jiān)測微流道中液體流速，流體流經(jīng)主流道，流體的流速越大擠進分流道中的流體就越多，分流道中空氣被壓縮，氧氣濃度越高，通過氧氣傳感器監(jiān)測分流道內(nèi)的氧氣濃度，實時準(zhǔn)確測出變量的大小。制作成本低，可監(jiān)測變量多，靈敏度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉?zhèn)鞲衅鳎绕涫巧婕盎贛EMS技術(shù)的微流體柔性傳感器，其可集成于任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面，用于測量結(jié)構(gòu)所受法向壓力、結(jié)構(gòu)的面內(nèi)變形，也可用于微流控系統(tǒng)中測量流體流速的一種微流體柔性傳感器。

背景技術(shù)

傳感器作為控制系統(tǒng)的主要信息來源，其應(yīng)用已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、海洋探測、環(huán)境保護、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、宇宙開發(fā)以及智能家居等重要領(lǐng)域。從某種程度上說，傳感器是決定一個系統(tǒng)特性和性能指標(biāo)的關(guān)鍵部件。目前，傳感器在各個領(lǐng)域主要用于檢測結(jié)構(gòu)的面內(nèi)變形、表面壓力、服役環(huán)境下的氣體成分、溫度、濕度等參數(shù)。

目前，用于測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)變形和表面壓力的傳感器主要是電阻應(yīng)變片，其原理是將結(jié)構(gòu)上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻應(yīng)變片電阻變化。經(jīng)過多年的發(fā)展，電阻應(yīng)變片的制作工藝成熟、制作成本低、測量精度高，而且還形成了行之有效的溫度補償方法，但是由于電阻應(yīng)變片的傳感原價是金屬絲/箔，其承受變形能力差，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形時電阻應(yīng)變片金屬絲/箔易發(fā)生斷裂失效，造成測量失敗；再者，電阻應(yīng)變片只能測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)變形和面內(nèi)壓力，無法測量結(jié)構(gòu)表面所受的法向壓力，對于飛行器結(jié)構(gòu)表面氣動壓力測量、高層建筑風(fēng)壓測量等重要領(lǐng)域其無能為力([1]潘喜軍.國內(nèi)電阻應(yīng)變片及力學(xué)量傳感器發(fā)展概況[J].傳感器技術(shù),1982,(03):23-37)。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展以及新材料、新工藝不斷的應(yīng)用，近年來涌現(xiàn)出一批新型的柔性傳感器，主要有新型石墨烯柔性傳感器([2]J Yang,Q Ran,D Wei,et al.Three-dimensional conformal graphene microstructure for flexible and highlysensitive electronic skin[J].Nanotechnology.2017,28(11):115501)、微流體傳感器([3]J C Yeo,Kenry,J Yu,et al.Triple-State Liquid-Based Microfluidic TactileSensor with High Flexibility,Durability,and Sensitivity[J].ACS Sensors.2016,1(5):543-551；[4]H Ota,K Chen,Y Lin,et al.Highly deformable liquid-stateheterojunction sensors[J].Nat Commun.2014,5:5032)和微流控系統(tǒng)。新型石墨烯傳感器主要是通過化學(xué)氣相沉積的方法，在柔性基體上沉積一層具有一定厚度石墨烯，而后封裝成型，其原理與電阻應(yīng)變片相似，將傳感器所受力的變化轉(zhuǎn)換為傳感器電阻變化。新型石墨烯傳感器，由于其封裝材料和石墨烯傳感層都是柔性的，其可用于測量結(jié)構(gòu)表面所受的面內(nèi)壓力和法向壓力，當(dāng)受力作用時，傳感器易發(fā)生變形進而導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化，通過建立電阻變化與所受力大小的關(guān)系即可得出所受力的大小。微流體傳感器，通過將導(dǎo)電液體注入預(yù)先成型好的柔性微流道中并封裝成型。當(dāng)傳感器受力的作用而發(fā)生變形時，其微流道內(nèi)導(dǎo)電液體形狀也發(fā)生變化，進而導(dǎo)致微流體傳感器電阻發(fā)生變化，通過標(biāo)定電阻變化與所受力大小的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過測得的電阻變化計算出所受力的大小。上述兩種柔性傳感器雖然都可以測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓力和法向壓力，但都是依靠傳感器自身的變形導(dǎo)致電阻的變化來標(biāo)定所受力的大小，不但傳感器厚度大，而且靈敏度低。微流控系統(tǒng)是一種在微觀尺寸下的精確操作系統(tǒng)，被廣泛用于微型分析、細胞培養(yǎng)、化學(xué)合成等重要領(lǐng)域，但迄今為止微流控系統(tǒng)中，如何精確控制微流道中流體的流速仍然是有待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，因此發(fā)展一種柔性傳感器集成現(xiàn)有微流控系統(tǒng)中準(zhǔn)確測量微流道中流體的流速具有重要意義。