聚合物層系統壓力傳感裝置以及聚合物層系統壓力傳感方法

2023-05-28 05:49:06

聚合物層系統壓力傳感裝置以及聚合物層系統壓力傳感方法
【專利摘要】本發明涉及一種聚合物層系統壓力傳感裝置和一種聚合物層系統壓力傳感方法。該聚合物層系統壓力傳感裝置包括：具有第一空穴（8；8a、8b）的第一聚合物基體（5；5a）；第一聚合物膜（4），其在第一空穴（8；8a、8b）上張緊，並且能夠根據在第一空穴（8；8a、8b）中施加的壓力（PM）偏移；在所述第一聚合物膜（4）上在第一空穴（8；8a）之上安裝的第一膜金屬化層（6；6a），其能夠與第一聚合物膜（4）一起根據施加在第一空穴（8；8a、8b）中的壓力（PM）偏移；布置在第一聚合物膜（4）上方的具有第二空穴（9）的第二聚合物基體（3），第二空穴布置在第一空穴（8；8a、8b）上方；第二聚合物膜（2），其在第二空穴（9）上張緊；在第二聚合物膜（2）上在第二空穴（9）之內安裝的第二膜金屬化層（7；7a）；以及布置在第二聚合物膜（2）上方的第三聚合物基體（1）。
【專利說明】聚合物層系統壓力傳感裝置以及聚合物層系統壓力傳感方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種聚合物層系統壓力傳感裝置以及一種聚合物層系統壓力傳感方法。
【背景技術】
[0002]儘管也可以使用任意的微機械構件，但本發明和其所基於的問題藉助集成的微流體構件來闡述。
[0003]集成的微流體構件，例如醫藥技術中的晶片實驗室系統，常常由一聚合物層結構構成，其具有關閉的微流體結構，例如通道和腔室。
[0004]基於聚合物層系統的微流體構件由於靈活的加工技術和連接技術而可以多種多樣地使用並且由於很小的費用而是一種用於實現一次性構件的特別好的平臺。為了提高複雜的微流體系統中的過程的控制，需要關於在這種系統中的流體的物理狀態的基本信息。除了溫度之外，重要的主要有微流體空穴或通道中的壓力，以便能夠調節出準確的流量，能夠確定通道的阻塞並且監控閥或泵的功能。
[0005]DE 10 2009 000 529 Al描述了一種具有單側敞開的測量通道的用於壓力測量的系統，其中，在敞開的端部處存在一種與液體的連接，並且在閉合的端部處關閉一氣體。在壓力升高的情況下，該氣體被壓縮並且氣液界面被移動。通過觀察(毛細管中液柱的)彎月面能夠獲知體積變化並且在已知的起始壓力的情況下經由波義耳定律獲知實際壓力。為了檢測所述彎月面的位置，建議一種方法，其評價一光束的特性，該光束藉助於轉向鏡橫穿了所述彎月面的待預期的位置的區域。
[0006]在Sensor Actuat.A- Frisch 118 (205)第 212 至 221 頁中介紹了一種基於娃的壓力傳感器。其中，壓力的升高使一娃膜偏移，其中，該偏移經由一光束的反射來獲知。
[0007]J.Liu等人在第7屆國際會議固態傳感器和執行器(傳感器』93)中所做的用於微流研究的微機械通道/壓力傳感器系統描述了一種基於矽的微流體通道，具有連接的壓阻式壓力傳感器。
[0008]從DE 10 2008 002 336 Al中已知了一種擠壓閥的製造方法，其中，該擠壓閥在微流體系統中使用。

【發明內容】

[0009]本發明提出了一種按照權利要求1所述的聚合物層系統壓力傳感裝置以及按照權利要求11所述的聚合物層系統壓力傳感方法。
[0010]優選的改進方案是各從屬權利要求的主題。
[0011]發明優點
本發明的核芯是一種層結構，其由一具有微流體空穴的聚合物基體構成，所述微流體空穴在一區域中通過一柔韌的聚合物膜遮蓋，其中，背面已被金屬化。在其上方以一定間距具有另一金屬化層，其與一位於其上方的聚合物膜以及一位於此上的聚合物基體連接。在兩個金屬層之間具有另一空穴，其通過一向外引導的通道聯接到一參考壓力上並且以流體、優選氣體填充。在最簡單的情況下，所述向外引導的通道與周圍大氣連接。在下部的聚合物基體中的微流體空穴和在所述金屬層之間的空穴之間的壓力差導致了金屬化的下部的聚合物膜的變形，該變形可藉助於上部的金屬層被電容地檢測到或在兩個金屬層接觸的情況下被電阻地檢測到。所述金屬層優選經由側部地實施的印製導線接觸。
[0012]在根據本發明的裝置中，由於電的評價而不需要任何耗費的外部設備用以獲知壓力，例如不需要光學的讀取。由此可以明顯減少成本以及外部的控制單元和讀取單元的結構尺寸。
[0013]本發明適合於可針對微流體系統多樣地使用的聚合物層結構。本發明能夠實現直接在現場的壓力測量。由此避免了通過在其它情況下所需的與壓力傳感器的連接通道或者說連接軟管的流體電阻/流體電容會導致的測量信號的歪曲。
[0014]本發明可以與附加的功能元件聯接。這樣，例如所述金屬化的下部的聚合物膜同時可以用作閥或膜片式泵的激活元件，且因此直接監控閥功能或泵功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面藉助於參照附圖的實施方式闡述本發明的其他特徵和優點。
[0016]其中:
圖1 a)-c)示出了用於闡釋根據本發明的第一種實施方式的聚合物層系統壓力傳感裝置的示意圖，確切地說，圖1a)是俯視圖，以及圖1b)和Ic)是沿圖1a)中的直線A-A』的橫截面圖；
圖2a)、b)示出了用於闡釋根據本發明的第二種實施方式的聚合物層系統壓力傳感裝置的示意圖，確切地說，圖2a)是沿著圖1a)的直線A-A』的截面圖，以及圖2b)是圖2a)中的結構化的上部的膜金屬化層7a的示圖；
圖3示出了用於闡釋根據本發明的第三種實施方式的聚合物層系統壓力傳感裝置的結構化的下部的膜金屬化層6a的示意性俯視圖；以及
圖4示出了用於闡釋根據本發明的第四種實施方式的聚合物層系統壓力傳感裝置的示意性橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0017]在附圖中相同的附圖標記表示相同的或者功能相同的元件。
[0018]圖1 a)_c)是用於闡釋根據本發明的第一種實施方式的聚合物層系統壓力傳感裝置的示意圖，確切地說，圖1a)是俯視圖，以及圖1b)和Ic)是沿圖1a)中的直線A-A』的橫截面圖。
[0019]在圖1a)至Ic)中附圖標記5表示具有第一空穴8的第一聚合物基體。在該第一聚合物基體5以及所述第一空穴8上設置一彈性的第一聚合物膜4，其在所述第一空穴8上張緊並且可根據施加在所述第一空穴8中的壓力Pm偏移。
[0020]在所述第一聚合物膜4上，在所述第一空穴8之上和之外設置一第一膜金屬化層6，其可與所述第一聚合物膜4 一起根據施加在所述第一空穴8中的壓力Pm偏移。[0021]在所述第一聚合物膜4上方布置一具有一第二空穴9的第二聚合物基體3，其中，所述第二空穴9布置在所述第一空穴8上方，並且一第二聚合物膜2在所述第二空穴9上張緊。在所述第二聚合物膜2上在所述第二空穴9之內安裝一第二膜金屬化層7。
[0022]最後在所述第二聚合物膜2上布置一第三聚合物基體I並且仿佛形成所述壓力傳感裝置的一上蓋。
[0023]如從圖1a)中可見，所述第一膜金屬化層6可經由所述空穴8、9側部的一第一印製導線16聯接並且所述第二膜金屬化層7可經由所述空穴8、9側部的一第二印製導線17聯接。
[0024]所述第一空穴8聯接在一第一和一第二壓力通道19、20上，它們在所述第一聚合物基體5中延伸。
[0025]所述第二空穴9聯接在一第三壓力通道10上，該第三壓力通道在所述第二聚合物基體3中延伸並且其通常聯接在一參考壓力Pk上，在最簡單的情況下時是大氣壓。
[0026]在根據圖1b)的狀態下，在所述壓力通道19和20上施加與在所述第三壓力通道10上相同的參考壓力Pk，從而所述第一聚合物膜4與位於其上的第一膜金屬化層6處於未偏移的狀態中。如在圖1c)中所示，壓力差AP = Pm - Pk導致了下部的聚合物膜4連同位於其上的第一膜金屬化層6的偏移。所述壓力差AP可以例如通過測量所述膜金屬化層6、7之間的電容來確定。可替換的是，所述第二空穴9的高度可以以如下方式設計，即其在一相應的壓力差AP的情況下導致所述膜金屬化層6、7的接觸，其中，接觸面隨著增大的壓力差AP而增大。然後，所述壓力適宜地從所述第一和所述第二膜金屬化層6、7之間的電阻中確定。
[0027]在該情況下有益的可以是，使用一種金屬或另一種材料，例如一導電的聚合物、一導電的膏或碳納米管(CNT)，例如具有一高電阻率，用以降低對於評價電子裝置的要求。在按照圖1a)至Ic)的實施例中，在所述兩個空穴8、9中的金屬化是在所有面上進行的。
[0028]在所述聚合物基體1、3、5中所需的結構可以例如通過銑削、澆注或燙金來產生。所述聚合物層結構的接合可以例如藉助於雷射滲透焊接、超聲波焊接或粘接技術來進行。所述金屬化可以例如通過濺射法、噴墨列印或基於雷射的金屬化技術來進行。
[0029]適合作為聚合物基體的例如是熱塑性塑料，比如PC、PP、PE、PMMA, COP、COC等等。適合作為彈性膜的是彈性體、熱彈性的彈性體，熱塑性塑料等等。所述膜金屬化層6、7的金屬化可以通過金屬，例如金、銅、鋁等等來進行。但為了提高電阻率，必要時也可以使用其它材料，例如導電的聚合物或CNT。
[0030]在根據圖1a)至Ic)的實施例中的示例性的尺寸是0.5至3mm的所述聚合物基體
1、3、5的厚度(25至300iim的所述聚合物膜4、2的厚度，0.1至20 y m的所述膜金屬化層
6、7的厚度，I至IOOOiim3的所述空穴8、9的體積，以及10x10至100x100mm2的整個實施例的橫向尺寸)。
[0031]在一種評價變型方案中僅利用如下信息，即所述兩個膜金屬化層6、7發生接觸，即超過了一定的最小壓力。該實施例可以在該情況下例如作為壓力開關起作用，用以確定，一流體已經到達了微流體系統中的某個位置。在此有利的是，對於製造精確度的要求是令人輕鬆的並且例如不必特別精確地調節所述空穴8、9的直徑。
[0032]圖2a)、b)示出了用於闡釋根據本發明的第二種實施方式的聚合物層系統壓力傳感裝置的示意圖，確切地說，圖2a)是沿著圖1a)的直線A-A』的截面圖，以及圖2b)是圖2a)中的結構化的上部的膜金屬化層7a的示圖。
[0033]在根據圖2a)、b)的第二實施方式中，所述系統以如下方式設計，使得下部的膜金屬化層6在向上偏移時與特殊地結構化的上部的膜金屬化層7a的發生接觸。
[0034]如從圖2b)中可見，上部的膜金屬化層7a曲折形地結構化成印製導線並且具有第一端部和第二端部12、13，在它們之間可檢測一電阻。根據壓力差AP的不同，會出現在所述下部的膜金屬化層6和所述上部的結構化的膜金屬化層7a之間的不同大小的接觸區域11，且因此會出現在所述上部的膜金屬化層7a中的不同大小的短路。這樣，所述聚合物膜6的偏移可經由在所述上部的結構化的膜金屬化層7a的兩個端部12、13之間的電阻變化來檢測，這表現出相比於電容評價對於一外部評價電子裝置的明顯更小的要求。
[0035]圖3示出了用於闡釋根據本發明的第三種實施方式的聚合物層系統壓力傳感裝置的結構化的下部的膜金屬化層6a的示意性俯視圖。
[0036]在根據圖3的第三種實施方式中，所述下部的聚合物膜4不是在所有面上被金屬化，而是設置一中央的金屬化區域6a，其通過至少一個卸載結構14彈性地連接在周邊的金屬化區域13a、13b上。在圖3中用陰影線示出了所述第一聚合物膜4的自由浮動區域。該第三種實施方式的優點在於，通過捨棄所述第一聚合物膜4的在所有面上的金屬化，能夠實現所述第一聚合物膜4的柔韌性的提高，並且能夠檢測到更小的壓力差。相比於所述膜金屬化6a的筆直的連接，通過所述卸載結構14還提高了靈敏度，因為其可較容易地拉伸和壓縮。此外，通過所述卸載結構14的幾何形狀獲得了復位力，從而在向上偏移的情況下不需要在所述第二聚合物膜4和所述金屬化6a之間的固定連接。
[0037]圖4示出了用於闡釋根據本發明的第四種實施方式的聚合物層系統壓力傳感裝置的示意性橫截面視圖。
[0038]根據圖4的實施例示出了按照圖1a)至c)的根據本發明的聚合物層系統壓力傳感裝置與一從DE 10 2008 002 336 Al中公開的擠壓閥的一種組合。
[0039]在該實施方式中，所述第一聚合物基體5a具有兩個分空穴8a、8b，它們通過一連接件16a分開，在該連接件上，所述第二聚合物膜4與所述第一膜金屬化層6張緊。通過這種結構能夠利用電的評價來實時地監控所述擠壓閥的功能並且如此地提前識別到故障功能，例如阻塞。所述壓力通道10在該情況下可以例如用於經由一外部壓力Pk來控制所述擠壓閥。
[0040]以類似的方式，也可以設計一按照所示的根據本發明的原理的膜式泵的擠壓通道。除了純功能控制之外，在該情況下從所述第一聚合物膜的偏移中也可以實時地監控並且確定泵功率。
[0041]儘管本發明藉助於優選的實施例進行了描述，但其不限於此。尤其是所述的材料和拓撲結構僅是示例性的並且不限於所闡釋的例子。
【權利要求】
1.聚合物層系統壓力傳感裝置，具有: 一具有第一空穴(8 ;8a、8b)的第一聚合物基體(5 ；5a)； 一第一聚合物膜(4)，其在所述第一空穴(8 ;8a、8b)上張緊，並且能夠根據在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中施加的壓力(Pm)進行偏移； 一在所述第一聚合物膜(4)上在所述第一空穴(8 ;8a)之上安裝的第一膜金屬化層(6 ；6a)，其能夠與所述第一聚合物膜(4) 一起根據施加在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中的壓力(Pm)進行偏移； 一布置在所述第一聚合物膜(4)上方的具有一第二空穴(9)的第二聚合物基體(3)，所述第二空穴布置在所述第一空穴(8 ;8a、8b)上方； 一第二聚合物膜(2)，其在所述第二空穴(9)上張緊； 一在所述第二聚合物膜(2)上在所述第二空穴(9)之內安裝的第二膜金屬化層(7 ；7a);以及 一布置在所述第二聚合物膜(2 )上方的第三聚合物基體(1)。
2.按照權利要求1所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，所述第二聚合物膜(7)是無法偏移的。
3.按照權利要求1或2所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，所述第一空穴(8；8a、8b)聯接在一第一和一第二壓力通道(19、20)上，所述第一壓力通道和所述第二壓力通道在所述第一聚合物基體(5)中延伸。
4.按照權利要求1、2或3所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，所述第二空穴(9)聯接在一第三壓力通道(10)上 ，所述第三壓力通道在所述第二聚合物基體(3)中延伸。
5.按照前述權利要求中任一項所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，所述第一膜金屬化層(6 ;6a)和所述第二膜金屬化層(7 ;7a)分別能夠經由所述第二空穴(9)側部的至少一個印製導線(16 ；17 ;13a、13b)聯接。
6.按照前述權利要求中任一項所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，所述第一膜金屬化層(6 ；6a)和所述第二膜金屬化層(7 ；7a)在壓力偏移的情況下能夠相互發生接觸。
7.按照權利要求6所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，所述第一膜金屬化層(6 ;6a)具有在所述第一聚合物膜(4)上的一在部分面上的中央的金屬化區域(6a)，所述金屬化區域經由卸載元件(14)懸掛在所述膜金屬化層中。
8.按照權利要求6所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，所述第二膜金屬化層(7 ；7a)是印製導線形地結構化的，從而在由於壓力偏移而接觸的情況下，在所述第二膜金屬化層(7 ；7a)的兩個端部(12、13)之間的電阻與在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中施加的壓力(Pm)相關。
9.按照權利要求1所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，所述第一空穴(8a、8b)具有一第一分空穴(8a)和一第二分空穴(8b)，所述第一分空穴和所述第二分空穴通過一連接件(16)分開，所述第一聚合物膜(4)在所述連接件上張緊。
10.聚合物層系統壓力傳感方法，使用一種按照權利要求1所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中，施加在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中的壓力(Pm)參照在所述第一膜金屬化層(6 ；6a)和所述第二膜金屬化層(7 ；7a)之間的電容來檢測。
11.聚合物層系統壓力傳感方法，使用一種按照權利要求6所述的聚合物層系統壓力傳感裝置，其中 ，施加在所述第一空穴(8 ;8a、8b)中的壓力(Pm)參照所述第二膜金屬化層(7 ；7a)的電阻來檢測。
【文檔編號】B01L3/00GK103765183SQ201280042006
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月3日 優先權日:2011年8月31日
【發明者】T.布雷特施奈德, C.多雷爾 申請人:羅伯特·博世有限公司