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气相微流平台相关传感器的工作原理及使用焦泽衡 2012010632 课程指导老师：王雪（清华大学精密仪器系北京 100084）摘要：微流体技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。在基于微流体的实验中，多种传感器发挥了十分重要的做用，本文将以笔者在实验室开展的气相微流实验为例，讨论科研工作中较多使用的气压，流量及粉尘等相关传感器的工作原理及应用。关键词：微流平台传感器测量与检测气相微流平台如图为某一气相为气相微流结构。上级气流为经过干燥的裹挟着不同颗粒的气体。在气路末端的抽气泵的带动下进入由PDMS制成的冲击器，经过冲击器分离，粒子以不同直径为依据分离，分别从两出口随气流流出冲击器。实验中，需对于气路的气压和流速进行控制，在不同的压强和流速条件下，粒子在管道内的分离情况将有区别。同时我们将使用粉尘传感器来探知经过入口和两出口的粉尘浓度。相关传感器气压传感器现在市场上一般的气压传感器一般是利用MEMS技术在单晶硅片上加工出真空腔体和惠斯登电桥，惠斯登电桥桥臂。惠斯登电桥桥臂两端的输出电压与施加的压力成正比，经过温度补偿和校准后具有体积小，精度高，响应速度快，不受温度变化影响的特点。输出方式一般为模拟电压输出和数字信号输出两种。在此微流平台中，使用了TI公司的MPXV5010型气压传感器，如下图所示。此传感器有两个对外的气压接口，使用时一口暴露于大气压中，另一口接入气路中需要测量的点。采用先进的微加工技术，薄膜金属片构成的电桥电路，跟据两口压差，即气路中的相对压强输出电压信号。不同型号的传感器具有不同量程，分别为10kpa，50kpa，100kpa不等。系统中采用了10kpa的传感器。其数据曲线如图所示：流量传感器流体类型流体分为液体、气体、蒸汽。根据对象的不同，采取不同的流量测量方式，主要分为叶片（翼板）式、热线式、热膜式、卡门涡旋式等几种。叶片式的流量传感器由空气流量计和电位计两部分组成。空气流量计在进气通道内有一个可绕轴摆动的旋转翼片(测量片)，如图所示：进气气流经过空气流量计推动测量片偏转，使其开启。测量片开启角度的大小取决于进气气流对测量片的推力。进气量愈大，气流对测量片的推力愈大，测量片的开启角度也就愈大。在测量片轴上连着一个电位计，把测量片开启角度的变化(即进气量的变化)转换为电阻值的变化。热线式流量计采用等温热线的方式，如图：图中RH 、RK 、RA 、RB 组成惠斯顿电桥的四个臂，将热线RH （通常以铂丝制成）与温度补偿电阻RK （冷线）同置于所测量的通道中，使RH 与气流的温差维持在一个水平。当气流加大时，由于散热加快， RH 降温阻值变化，电桥失去平衡，这时集成电路会提高桥压使电桥恢复平衡，通常取RA 上的压降为测量信号。涡街流量传感器是一种比较新型的速度式流量传感器,它具有可靠性高、压力损失小、量程比宽等优点,因此被广泛应用于化工、石油、冶金、轻工、食品等流程工业中。由于涡街流量传感器应用现场条件复杂,流体流动情况也各不相同,因此研究不同流体条件下涡街流量传感器的测量特性,对提高涡街流量传感器不同流体条件下的测量精度以及应用范围都有重要的意义。其结构和工作原理如图所示：在进气管道正中间设有一流线形或三角形的涡流发生器，当空气流经该涡流发生器时，在其后部的气流中会不断产生一列不对称却十分规则的被称为卡门涡流的空气涡流。根据卡门涡流理论，这个旋涡行列是紊乱地依次沿气流流动方向移动，其移动的速度与空气流速成正比，即在单位时间内通过涡流发生器后方某点的旋涡数量与空气流速成正比。因此，通过测量单位时间内涡流的数量就可计算出空气流速和流量。除以上介绍的叶片式，热线式，涡街流量传感器之外，还有新兴的差压式微流体流量传感器，其工作原理是层流情况下流动速度与压力损失成正比；流体振动型微流体流传感器，利用流体在特定流道条件下流动时产生流体振荡，而且其振荡频率与流速成比例这种规律来测量流量；科里奥利微流体流传感器，利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理而制成。此微流平台中采用了美国Honeywell公司生产的AWM3300型流量传感器。如图所示：此传感器工作原理接近于热线式流量传感器。基于气流流过传感元件的热传输工作原理，传感器输出电压正比于流过内部传感元件的进出口的空气或其他气体质量。传感器内含一块独特的硅芯片-它包含薄膜电路、发热及热敏感元件的热隔离桥电路，桥电路对流过芯片的气流快速、灵敏的响应。发热体两侧的敏感元件还能指示气流流过的方向。激光校整的厚膜电路及薄膜电阻保证了每个元器件一致的性能。微桥式气流质量传感器利用热敏电阻薄膜-被压成薄片包含在绝缘材料厚膜电路中，他们被悬挂起来在硅片刻蚀空洞上形成桥状，如图显示：芯