气相微流平台相关传感器的工作原理及使用

气相微流平台相关传感器的工作原理及使用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 关键词 微流平台 传感器 测量与检测 1气相微流平台气相微流平台 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 2相关传感器相关传感器 2 1 气压传感器气压传感器 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 2 2 流量传感器流量传感器 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 i 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 ii 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 芯片被精确的安放在气流通道上 流量传感桥下的硅片刻蚀空洞的空气间隙提供发热 体和热敏元件之间高效的热隔离 微桥式气流质量传感器的小尺寸和热隔离有助于气流的 快速响应及高灵敏度 特殊设计的壳体精确地引导和控制气流流过微桥 并能很方便的安 装在印刷线路板上 双惠斯顿电桥控制气流的测量一个提供闭环的发热器控制 另一个包 含双传感元件 发热器控制线路把由于周境温度由芯片上的热敏电阻测量得知 惠斯顿电 桥的差压即为随电源电压比率变化的传感器输出电压 输出曲线如图所示 此传感器实验中表现良好 输出状态稳定 2 3 粉尘传感器粉尘传感器 对于微小颗粒物及 PM2 5 指数或浓度的检测 方法种类多样 主要分为重量法 微量 震荡天平法 射线吸收法和光散射法 所谓重量法是指将微小颗粒物或 PM2 5 直接截留在滤膜上 然后用天平称重 滤膜并 不能把所有的微小颗粒物或 PM2 5 都收集到 一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜 但只要 滤膜对于 0 3 微米以上的颗粒截留效率大于 99 就算合格 因为所损失的极细小颗 粒物对 PM2 5 的重量贡献很小 对分析结果影响不大 这些采样器利用 Teflon 膜或 PTEE 滤膜对微小颗粒物或 PM2 5 进行采样 再采用称重法计算颗粒物质量浓度 iii 基于微量振荡天平法研制的采样器形式较多 一种由空心玻璃管 滤芯等组成 该空 心玻璃管一头粗一头细 粗头固定 细头装有滤芯 工作原理为 空气从粗头进 细头出 微小颗粒物或 PM2 5 就被截留在滤芯上 在电场的作用下 细头以一定频率振荡 该频率 和细头重量的平方根成反比 于是 根据振荡频率的变化算出收集到的 PM2 5 的重量 另一种常见的大型 PM2 5 监测设备 设有两极滤网 第一级滤网筛选出符合 PM2 5 范 围的粒子 第二季滤网将其全部截留 测量原理和上述一种相似 依靠滤网在质量不同时 微弹簧的振动频率的差异来计算出滤网上颗粒物的质量 进而获得空气中颗粒物浓度 射线吸收法的原理为将微小颗粒物和 PM2 5 收集到滤膜上 然后照射一束 射线 射线穿过滤膜和颗粒物时由于被散射而衰减 其强度衰减程度与所透过的物质质量有关 盖革计数器通过测量清洁滤带和采尘滤带对 射线吸收程度的差异来计算吸附的颗粒物的 浓度 该法不受颗粒物粒径 成分 颜色及分散状态的影响 测定的是颗粒物质量浓度 射线法基于两个假设 一是石英采样滤膜条带均一 二是采集的 PM2 5 粒子物理 特性均一 上述两个假设实际上并不成立 因此测定数据一般被认为偏高 这种方法在相 对干净和干燥的地区故障率低 在潮湿高温区域故障率较高 iv 光散射法是通过测量颗粒物受光照射后所发出的散射光信号的大小来测量颗粒物的质 量浓度 该法是利用 Mie 散射理论及颗粒物的各参量来反演颗粒物质量浓度的 实际上 光的散射与颗粒物浓度间的关系受到颗粒物的化学组成 形状 比重 粒径分布等诸多因 素的影响 这意味着光散射和颗粒物浓度之间的定量关系随时都可能改变 这就需要不断 地用标准方法进行校正 文献报道 利用光散射仪测定 PM2 5 至少有 30 40 的不确定 性 此微流平台中采用的 Sharp 公司 gp2y1010au 红外散射光法传感器 其基本原理也为光散射发 如图所示 从IRED为红外线发射装置 信号从123口接入 发射出的红外新经过粉尘及微小颗粒物 的散射射向PD光敏二极管 通过接收的散射红外线的强弱即可判断粒子浓度的大小 输入信号为频率为100Hz 占空比3 2 的方波信号 目标信号为在输入脉冲后延迟 0 28ms的输出信号 此微小颗粒物传感器在试验中表现较差 主要原因是其检出直接太大 对于直径小于0 5 微米的烟尘颗粒测量数据严重偏低 另一方面 此传感器不能做到对于不同直径范围区间 的粒子的区分 3对于相关问题的进一步讨论对于相关问题的进一步讨论 对于粉尘传感器 我在进行实验时 采用粉笔灰颗粒作为模拟待测微小颗粒物 采用 市面上的汉王霾表与之进行试验对照 将粉笔灰使用鼓风装置散布在简易粉尘箱当中 以 粉尘传感器和汉王霾表同时监测箱内颗粒物浓度 结果发现粉尘传感器示数迅速下降 而 汉王霾表示数则在一段时间内保持较高值 原因主要是粉笔灰颗粒大小直径悬殊很大 直 径较大的粉笔灰由于重力的原因会很快下落 而直径较小的粉笔灰则会悬浮一定时间 在 这种情况下 由于实验中采用的粉尘传感器无法分辨颗粒直径 因此其示数会随着大颗粒 的下落而显著降低 而汉王霾表设计时只检测颗粒直径较小的PM2 5 因此其示数相对稳 定时间较长 那么同样基于光散射法测量颗粒浓度的汉王霾表是怎样分辨不同直径范围的粒子呢 原因是汉王霾表在算法上做了进一步优化 来将大小颗粒区分开来 LED发出的光与光探测器收的光光轴相交 当带有一定浓度的微粒经过时 由于散射的 效应被光接收器接收 并转化为电学信号负脉冲输出 不同直径粒子所对应的负脉冲时间 不同 大颗粒物对应的负脉冲宽度大 而许多小颗粒物聚集起来也可以形成较宽的负脉冲 信号 如图所示 v 通过这种方法 对于信号进行分析和处理 就可以将大小颗粒引发的信号变化区分开 来 从而获得满足不同检测要求的结果 4分析总结分析总结 传感器这种能感受到被测量的信息 并能将感受到的信息 按一定规律变换成为电信 号或其他所需形式的信息输出的检测装置 在我们生活中发挥着无比重要的作用 很难例 举处生活中哪个领域没有使用到传感器 也很难想象没有传感器的生活和科研会是什么样 子 传感器的主要两部分包括敏感元件和转化元件 敏感元件感受被测量 并输出一定规 律的信号 如文中的热敏电阻 叶片轮等 而转化元件则将敏感元件的输出转化为方便测 量和处理的信号 多位电压等 如文中提到的电桥电路 光敏二极管等就具有这样的作用 常见的传感器 无论是基于机械信号 电磁信号 光信号 生化信号 热信号 都是 采用这样的由敏感元件 转换元件和基本转换电路构成的 虽然传感器的基本组成单元都相近 但对于不同的测量对象 基于不同的测量思路 采用不同的转化方式 得到的传感器则会千差万别 这些传感器往往各具特色 可以再不 同的场合发挥其作用 这时 我们将根据环境要求 测量对象特性 精度要求 经济性原 理等条件 找到最合适的传感器 如前文中提到的气压传感器便是在多种不同的传感器中选择了比较合适的型号得到了 比较好的测量结果 而对于粉尘传感器的选择则不尽人意 测量中出现了多种问题 另一方面 在得到测量信号后 对于信号的处理也是非常重要的环节 采用不同的方 式对信号进行处理和分析 往往能消除外界干扰因