本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種流體壓力傳感器。

背景技術(shù)：

流體壓力傳感器是一種將流體所受壓力轉(zhuǎn)化為電壓或者電流信號(hào)的變換器,涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。

傳統(tǒng)流體壓力傳感器所測(cè)的壓力大小是利用應(yīng)變片的阻值變化從而改變了電信號(hào)來檢測(cè)的。傳統(tǒng)的硅壓阻式壓力傳感器，它的特點(diǎn)是將電阻排列在硅膜的外部，直接和檢測(cè)環(huán)境相接觸，使得檢測(cè)環(huán)境所帶來的腐蝕流體，或是環(huán)境中的粉塵污染，都會(huì)對(duì)壓力傳感器的正常工作帶來負(fù)面的影響，這樣不論是壓力傳感器的元件性能還是其使用壽命都會(huì)大大減少。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的壓阻式流體壓力傳感器，存在電阻直接與檢測(cè)環(huán)境接觸，導(dǎo)致工作性能降低，使用壽命減少的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種流體壓力傳感器，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中的壓阻式流體壓力傳感器，存在電阻直接與檢測(cè)環(huán)境接觸，導(dǎo)致工作性能降低，使用壽命減少的問題。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種流體壓力傳感器，包括：基底、PDMS材料層、壓力探針、電極和電流測(cè)量裝置；

所述PDMS材料層設(shè)置在所述基底上，并且所述PDMS材料層的底部設(shè)置有通槽，所述通槽與所述基底的頂面構(gòu)成流體通道；所述壓力探針設(shè)置在所 述PDMS材料層頂面上；兩個(gè)所述電極分別設(shè)置在所述流體通道的兩管口處；

所述壓力探針，用于獲取施加在所述PDMS材料層頂面上的外力值；兩個(gè)所述電極、流經(jīng)所述流體通道的流體、以及位于所述流體通道外部的電源構(gòu)成電回路，所述電流測(cè)量裝置用于獲取所述電回路的電流值，其中，所述電源的兩端分別與兩個(gè)所述電極連接。

較佳地，所述基底采用玻璃材料。

較佳地，所述流體通道為長方體結(jié)構(gòu)。

較佳地，所述電流測(cè)量裝置采用電流表，所述電流表串接在所述電回路中，并且所述電流表位于所述流體通道外部。

較佳地，所述壓力探針為傳感器芯片形式的壓力探針。

本發(fā)明實(shí)施例中，提供一種流體壓力傳感器，該傳感器采用玻璃基底和PDMS材料加工成品PDMS壓力傳感器，流經(jīng)流體通道的流體作為電阻，解決了電阻直接與檢測(cè)環(huán)境接觸，導(dǎo)致工作性能降低，使用壽命減少的問題；進(jìn)一步，利用壓力作用在PDMS材料上使其變形，從而帶來了所通流體的流量改變，進(jìn)而改變了流體中的電荷分布從而改變流體所通電流的大小，通過電流數(shù)值的改變來間接反映壓力的變化情況，提升了響應(yīng)速度，縮短了響應(yīng)時(shí)間，在保證較高靈敏度的性能條件下，高效率的實(shí)現(xiàn)流體的壓力檢測(cè)，具有精度高，測(cè)量范圍廣，壽命長，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，成本低，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在四種電壓下的壓力與電流曲線圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于一種流體壓力傳感器在四種電壓下的壓力 與電流曲線圖的線性擬合圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同壓力下流體通道的變形示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同壓力下PDMS材料層的變形示意圖；

圖7(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器中流體通道中心離基底的高度隨著壓力變化曲線圖；

圖7(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在外加1V電壓的情況下流體通道內(nèi)的等效電導(dǎo)隨著壓力變化曲線圖；

圖8(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器中PDMS材料層在不同厚度下PDMS流體通道中心離基底的高度隨著壓力變化曲線圖；

圖8(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在外加1V電壓的情況下流體通道內(nèi)的等效電導(dǎo)隨著壓力變化曲線圖；

圖9(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同楊氏模量的情況下1V電壓時(shí)流體通道中心離基底的高度隨著壓力變化曲線圖；

圖9(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在外加1V電壓的情況下流體通道內(nèi)的等效電導(dǎo)隨著壓力變化曲線圖；

圖10(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同流體通道高度下流體通道中心離基底的高度隨著壓力變化曲線圖；

圖10(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同流體通道高度下外加1V電壓流體通道內(nèi)的等效電導(dǎo)隨著壓力變化曲線圖

附圖標(biāo)記說明：

1-基底，2-PDMS材料層，21-流體通道，3-壓力探針，4-電極。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清 楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器包括：基底1、PDMS材料層2、壓力探針3、電極4和電流測(cè)量裝置。

需要說明的是，基底1采用玻璃材料，構(gòu)成玻璃基底。

需要說說明的是，PDMS材料層2是指聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料層。

具體地，PDMS材料層2設(shè)置在基底1上，并且PDMS材料層2的底部設(shè)置有通槽，通槽與基底1的頂面構(gòu)成流體通道21；壓力探針3設(shè)置在PDMS材料層2頂面上；兩個(gè)電極4分別設(shè)置在流體通道21的兩管口處。

需要說明的是，流體通道21為長方體結(jié)構(gòu)；PDMS材料層2和基底1鍵合，形成兩端有通口、其余位置封閉的的完整管道。

具體地，壓力探針3，用于獲取施加在PDMS材料層2頂面上的外力值；兩個(gè)電極4、流經(jīng)流體通道21的流體、以及位于流體通道21外部的電源構(gòu)成電回路，電流測(cè)量裝置用于獲取電回路的電流值，其中，電源的兩端分別與兩個(gè)電極4連接。

需要說明的是，本發(fā)明中的電流測(cè)量裝置采用電流表，電流表串接在電回路中，并且電流表位于流體通道21外部；電源和兩個(gè)電極4相連對(duì)流體施加電場(chǎng)，電流表測(cè)量流體電流大小。

需要說明的是，外力作用在PDMS材料上使其變形，從而使PDMS材料層2內(nèi)所通流體的流量改變進(jìn)一步使得流體中的電荷分布發(fā)生變化，從而導(dǎo)致流體所通電流的大小改變，通過電流來間接反映壓力，實(shí)現(xiàn)了壓力信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

較佳地，壓力探針3為傳感器芯片形式的壓力探針。

需要說明的是，壓力探針3可以為壓力探針器件，也可以為具有壓力探測(cè)功能的傳感器芯片，具體地，壓力探針3包括傳感器芯片等各種形式的壓力探針。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器側(cè)視圖。如圖2所示，PDMS材料層2頂面上施加了箭頭向下壓力，流體通道21內(nèi)的流體對(duì)PDMS材料層2產(chǎn)生了箭頭向上的反作用力。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在四種電壓下的壓力與電流曲線圖。如圖3所示，電回路中的電源電壓分別采用1V、5V、10V和20V時(shí)，測(cè)量的壓力值和電流值的對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系?？梢钥闯觯ㄟ^電壓的改變引起的電流值的變化趨于一致，呈近似的線性關(guān)系。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于一種流體壓力傳感器在四種電壓下的壓力與電流曲線圖的線性擬合圖。圖4為對(duì)圖3所示的四種壓力電流曲線圖進(jìn)行線性擬合的擬合圖，其線性度良好，因此可知，本發(fā)明設(shè)計(jì)的流體壓力傳感器精度高，靈敏度高。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同壓力下流體通道的變形示意圖。如圖5所示，圖中顯示了在COMSOL Mulitphysics仿真軟件中模擬不同壓力下流體通道的變形仿真結(jié)果。其中，圖5(a)中F＝0N，流體通道21并沒有發(fā)生形變；圖5(b)中F＝1.5mN，流體通道21發(fā)生了輕微形變；圖5(c)中F＝3mN，流體通道21發(fā)生形變，內(nèi)部通道受到一定的擠壓并變形；圖5(d)中F＝4.5mN，流體通道21產(chǎn)生較大形變，通道內(nèi)流體流量減少，從而引起電流的變化。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同壓力下PDMS材料層的變形示意圖。如圖6所示，圖中顯示了在COMSOL Mulitphysics仿真軟件中PDMS材料層2在不同壓力變化下的變形情況的模擬情況。其中，四幅圖中的負(fù)載壓力：圖6(a)為0mN，圖6(b)為1.5mN，圖6(c)為3mN，圖6(d)為4.5mN，可以看出在壓力逐漸變大的同時(shí)PDMS材料層2的變形程度也在不斷增大。

圖7(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器中流體通道中心離基底的高度隨著壓力變化曲線圖。其中，隨著壓力不斷增加，流體通道21中心離基底的高度呈線性下降。

圖7(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在外加1V電壓的情況下流體通道內(nèi)的等效電導(dǎo)隨著壓力變化曲線圖。其中，當(dāng)壓力不斷增加時(shí)，流體通道內(nèi)等效電導(dǎo)呈弧線不斷下降。

圖8(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器中PDMS材料層在不同厚度下PDMS流體通道中心離基底的高度隨著壓力變化曲線圖。其中，變化趨勢(shì)與圖7(a)變化趨勢(shì)相同，圖中三條變化曲線，由上往下PDMS材料層2的厚度依次為150μm、125μm和100μm。

圖8(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在外加1V電壓的情況下流體通道內(nèi)的等效電導(dǎo)隨著壓力變化曲線圖。其中，變化趨勢(shì)與圖7(b)變化趨勢(shì)相同，圖中三條變化曲線，由上往下PDMS層的厚度依次為150μm、125μm和100μm。

圖9(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同楊氏模量的情況下1V電壓時(shí)流體通道中心離基底的高度隨著壓力變化曲線圖。其中，隨著壓力不斷增加，流體通道21中心離基底1的高度呈線性下降，由上往下三條曲線表示的楊氏模量依次是900GPa、800GPa和700GPa。

圖9(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在外加1V電壓的情況下流體通道內(nèi)的等效電導(dǎo)隨著壓力變化曲線圖。其中，隨著壓力不斷增加，等效電導(dǎo)在不斷下降，由上往下三條曲線表示的楊氏模量依次是900GPa、800GPa和700GPa。

圖10(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同流體通道高度下流體通道中心離基底的高度隨著壓力變化曲線圖。其中，外加電壓為1V，三條曲線由上到下流體通道高度依次為150μm、120μm和100μm，可以看出隨著壓力不斷增加，流體通道21中心離基底1的高度呈線性下降，同時(shí)三 條曲線平行，說明不同流道高度對(duì)流體通道21變形沒有影響。

圖10(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器在不同流體通道高度下外加1V電壓流體通道內(nèi)的等效電導(dǎo)隨著壓力變化曲線圖。三條曲線由上到下流道高度依次是150μm、120μm和100μm，曲線趨勢(shì)相同且平行，說明不同流道高度對(duì)等效電導(dǎo)沒有影響。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器，其工藝流程為：在硅晶板上設(shè)計(jì)渠道，然后倒入液態(tài)的二甲基硅氧烷在這些硅晶板并加熱使二甲基硅氧烷變硬，當(dāng)二甲基硅氧烷移除，即使是微米級(jí)的微流道設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)也會(huì)印在PDMS(聚二甲基硅氧烷)板上的，利用反應(yīng)離子蝕刻機(jī)(RIE)進(jìn)行親水性表面改性，表面鍵結(jié)被破壞，通常是一塊載玻片放在激活的一側(cè)硅氧烷(側(cè)面的痕跡)，鍵結(jié)回到到正常狀態(tài)，玻璃是永久和PDMS板結(jié)合，從原本硅晶板上設(shè)計(jì)渠道變成一個(gè)防水通道。有了這個(gè)技術(shù)，低價(jià)地制作微流道、微混合器、微泵、微閥門等元件，最小的幾何尺寸也能達(dá)到納米等級(jí)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流體壓力傳感器，該傳感器采用玻璃基底和PDMS材料加工成品PDMS壓力傳感器，流經(jīng)流體通道的流體作為電阻，解決了電阻直接與檢測(cè)環(huán)境接觸，導(dǎo)致工作性能降低，使用壽命減少的問題；進(jìn)一步，利用壓力作用在PDMS材料上使其變形，從而帶來了所通流體的流量改變，進(jìn)而改變了流體所通電流的大小，通過電流來間接反映壓力，提升了響應(yīng)速度，縮短了響應(yīng)時(shí)間，在保證較高靈敏度的性能條件下，高效率的實(shí)現(xiàn)流體的壓力檢測(cè)，具有精度高，測(cè)量范圍廣，壽命長，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，成本低，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等特點(diǎn)。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這 些改動(dòng)和變型在內(nèi)。