一種基於mems技術的微液量計量裝置的製作方法

2023-05-15 21:48:56 1

專利名稱：一種基於mems技術的微液量計量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及環境保護領域水質監測儀器中液體取樣計量系統，尤其是涉及一 種基於MEMS技術的微液量計量裝置。
背景技術：
改革開放以來，我國的經濟快速發展，經濟建設取得了舉世矚目的成就。然而，諸 多行業卻是以犧牲環境和資源為代價來換取經濟的暫時繁榮，一些高耗能、高汙染的企業 給我國的環境和資源帶來了巨大的壓力，長遠來看，這必將制約我國經濟的進一步發展。控 制企業的汙水排放和監測環境水質都需要用到大量的水質在線監測儀器，這些儀器需要對 微量(<5ml)的待檢水樣和試劑進行計量。計量裝置的精度與可靠性直接決定了檢測結 果的準確性和儀器的可靠性。本實用新型屬於環境保護領域水質監測儀器中液體取樣計量 系統。目前，應用於水質在線監測儀器的液體計量技術主要有三類(1)利用液體傳感器對導管內液體流過瞬間的感應，通過控制泵的流速和開關時 間的來實現對液體體積的計量，原理如圖1所示，本技術主要涉及試劑注入泵1，液體傳感 器2，雙體閥3等裝置。該技術結構簡單，成本較低，操作、維修方便。但是，它對試劑注入泵 的轉速要求苛刻，若泵運轉不穩定則嚴重影響測量準確度；而且沒有補償措施，不能消除液 體中的氣泡對測量結果的影響，可靠性較差；同時，傳感器易受到腐蝕性強的汙水損害，整 個設備的精確度受到液體傳感器精度的限制。(2)使用具有固定容積的計量管進行計量，例如怡文科技有限公司目前的計量裝 置，如圖2所示，本技術主要涉及信號線4，吹氣管5，溢流管6，蒸餾水管7，計量杯管帽8，探 針9，計量杯內水樣10，緊固螺帽11，0型密封圈12，電磁閥13等。液體由裝置下部進入計 量杯，探針探測到液體後會通知控制系統停止進樣，計量杯裡的固定體積即為所取水樣的 體積。該裝置成本較低，操作方便，但所能測量的液體體積固定，靈活性較差，而且探針易受 到腐蝕。(3)利用步進電機控制注射泵的拉動行程，液體流過時，在裝置底部固定的兩個光 電傳感器會接收到信號從而控制流入液體的體積，如圖3所示，本技術主要涉及注射泵14， 光電傳感器15等。該裝置具有較高的取樣精度，汙水中的各種雜質會影響光信號的強弱， 但裝置的可靠性過分依賴於光傳感器的敏感程度，拉動過程必須緩慢進行，單次抽取液體 的體積受注射泵容積限制，而且所能測量的液體體積缺乏靈活性，每種體積測量需求都需 要一對光電傳感器，因此結構複雜，成本較大，如圖4所示的申請號為200620051095. 0的實 用新型專利申請，該專利利用了圖3所示的計量裝置，計量裝置結構複雜。可見，現有技術設計的計量裝置都存在著明顯的缺點，對微量液體的計量必然會 造成誤差。汙水和環境水樣的水質情況比較複雜，通常含有大量的雜質或腐蝕性成分，傳統 的微量液體計量技術在該領域的應用效果往往不佳。發明內容針對現有技術存在的問題，本實用新型有下述目的(1)提供設計成本低、簡單可靠且可靈活地改變取樣液體體積的計量裝置，保證對 不同密度的液體都具有較高的取樣精度(計量相對誤差(FS)控制在2%以內)；(2)對汙水和濃H2S04、K2Cr207等強腐蝕性的液體進行計量時，確保計量裝置能 夠可靠持久地工作；本實用新型提供一種微液量計量裝置，其特徵在於，其中包括氣閉管道25 ；MEMS 微結構壓力傳感器21，所述傳感器的Pl管22與大氣相通，並且該傳感器的P2管23通過橡 膠管24與氣閉管道25連接。微液量計量裝置中還包括用來對所述氣閉管道25加熱的加熱裝置26。微液量計量裝置中的所述加熱裝置可以採用吹氣閥來替代。本實用新型首次採用MEMS微結構壓力傳感器，實現了對不同密度液體體積的精 確計量；而且計量裝置中設計有氣閉管道，實現了 MEMS微壓力傳感器和被計量液體之間的 隔離，避免了傳感器被汙水或強腐蝕性的液體損壞。

圖1是現有的利用液體傳感器的計量裝置；圖2是現有的使用具有固定容積的計量管的計量裝置；圖3是現有的利用步進電機控制注射泵的拉動行程、並且其底部具有兩個光電傳 感器的計量裝置；圖4是利用圖3所示計量裝置進行液體體積計量的專利裝置示意圖；圖5是所測量的AV AU關係曲線；圖6是測量的絕對誤差分布圖；圖7是測量的相對誤差分布圖；圖8是本實用新型的微液量計量裝置剖面圖；圖9是利用本實用新型的微液量計量裝置計量液體體積的一種方法的流程圖；圖10是利用本實用新型的微液量計量裝置計量液體體積的另一種方法的流程 圖。
具體實施方式
本實用新型的微液量計量裝置採用玻璃製成，其剖面圖如圖8所示。其中MEMS微 結構壓力傳感器21封裝在電路板20上。MEMS微壓力傳感器21的Pl管22同大氣相通， Ρ2管23通過橡膠管24同氣閉管道25連接，MEMS壓力傳感器21測出大氣同氣閉管道25 中氣體的壓力差並輸出。利用上述微液量計量裝置計量液體體積有兩種方法方法一測量時，蓄存管道17中未加入待計量液體時，此時氣閉管道25中氣體壓 力為大氣壓。當待測液體18由進液口 16加入蓄存管道17中後，氣閉管道25中的氣體被 壓縮，從而產生新壓力，MEMS壓力傳感器21即可測出液體計量前後的壓差並輸出。氣閉管 道25還可實現MEMS微壓力傳感器21和被計量液體18之間的隔離，避免了傳感器被汙水或強腐蝕性的液體損壞。由於液體的表面張力作用，加入液體前氣閉管道25內部會存在液 膜從而造成測量誤差，故在加入液體前利用加熱裝置26對氣閉管道25加熱以消除液膜。計量過程的流程圖如圖9所示，計量時，液體進入蓄存管道17和氣閉管道25，氣閉 管道25中封閉氣體的壓力通過一定的函數關係與所計量液體的體積相對應，利用MEMS微 結構壓力傳感器21測出封閉氣體的壓力，就能計算出計量裝置中所加入液體的體積。計量時，先測出未加入計量液體前氣閉管道25中氣體的壓力(大氣壓力)。之後， 再加入被計量液體18 (體積為V)，通過測量氣閉管道25中氣體的壓力變化△ P來測量V的 值。本裝置首次採用基於MEMS器件的微結構壓力傳感器，此傳感器具有非常優良的性能和 高的測量精度，在正常供電電壓範圍內，傳感器的模擬輸出電壓和供電電壓成正比。傳感器測壓時，P2管與氣閉管道25中的封閉氣體相通，P1管與大氣相通，P2管中 的壓力變化時，傳感器模擬輸出電壓會隨(P2-P1)值的變化而線性改變。假設計量裝置中加 入的液體體積為V，液體加入前和加入後傳感器的輸出電壓為Up u2。經過推導可以得到
權利要求1.一種微液量計量裝置，其特徵在於，其中包括 氣閉管道(25)；MEMS微結構壓力傳感器(21)，所述傳感器的Pl管(22)與大氣相通，並且該傳感器的 P2管(23)通過橡膠管(24)與氣閉管道(25)連接。
2.如權利要求1所述的微液量計量裝置，其中還包括用來對所述氣閉管道(25)加熱 的加熱裝置(26)。
3.如權利要求2所述的微液量計量裝置，其中 所述加熱裝置可以採用吹氣閥來替代。
專利摘要一種基於MEMS技術的微液量計量裝置，所述微液量計量裝置包括氣閉管道；MEMS微結構壓力傳感器，該傳感器的P1管與大氣相通，P2管與氣閉管道連接，該傳感器測出大氣同氣閉管道中氣體的壓力差並輸出，利用該壓力差可計算出被計量液體的體積ΔV。
文檔編號G01F22/02GK201787991SQ20092016062
公開日2011年4月6日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者馮中寶, 劉宇兵, 劉旭東, 徐劍飛, 田海濤, 肖巍, 陳杰 申請人:廣州市怡文環境科技股份有限公司