LIGA技术制造微流量计的研究

　　1　引言

　　随着微细加工技术的发展,传感器正逐步走向微型化。与传统的传感器相比,微型传感器有着很大的优势:体积更小、功耗更低、效率更高、价格更低,可以在各种环境下提供高精度的

　　实时测量信息,这使得它在环境、航天、生物医疗、汽车、军事等方面有着很大的应用前景。

　　支撑微型化的制造技术主要有半导体加工技术和LIGA技术。其中,LIGA技术^[1,2] 是近年来发展起来的一种三维超微细加工技术,与半导体加工技术相比有着自己的特色:可以制作纵深比和较高精度的三维微细结构,并且可以使用多种材料。目前已使用LIGA技术制造出微光学元件、微传感器和执行器,并探索在化学、医学和生物工程等方面应用^[3,4] 。微流量一种可以对微小流量进行实时测量的传感器,在生物研究、色谱分析等多方着较大的需求。本文介绍了利用LIGA技术制造微流量计的初步研究结果。

　　2　微流量计的结构原理与设计

　　图1为微流量计的结构示意图。微流量计采用光纤传感器涡轮流量计结构,主要包括微管道、微齿轮、轴和信号检出器。当被测流体流过流量计时,在流体的作用下齿轮受力而旋转,其转速与管道内的平均流速成正比,利用一个反射型光纤传感器及光电转换电路检测齿轮的转速。旋转的齿轮周期地反射光束,产生的反射信号通过滤波之后转换成流量脉冲信号。

　　涡轮流量传感器实际测量的是管道截面上的某一点流速V,则流体的容积流量Q _v为:

           式中Sv为管道截面积,K为截面上的平均流速与被测点流速的比值,它与管道内流速的分布有关。

　　在典型的层流分布情况下,管道截面上的流速分布是有规律的,K为确定值。但受阀门、弯头等局部阻力后,流速分布变得非常不规律,K值很不稳定。为了保证测量结果的准确性,通轮流量传感器都在仪表前后加装导向整流体或加设足够长的直管道,以使流体进入流量计后达到典型的层流分布。

　　通常,当流体的雷诺数Re<2000时,流体为典型的层流分布。由公式:

          可对微流量计中流体的雷诺数进行计算。式中v为流体的流速,1为管道的直径,ρ为流体的密度,μ为流体的粘度。

　　若流体的粘度为1×10^-4 kg/m·s,密度为1×10 ³ kg/m ³,流量计管道直径为200μm,当流速为1m/s时,流体仍能达到典型的层流分布。可以看出,细小的管道本身就具有良好的整流作用。所以在微流量计中,就没有必要设计导向整流体和长的直管道。