本发明专利技术公开了一种基于蝎子蛊毛流量感知机理的气体微流量检测装置，是由类蛊毛毛杆、类蛊毛基部、类蛊毛座、弹性连接膜、第一电极引线和第二电极引线构成，类蛊毛毛杆与类蛊毛基部装配成一体，形成类蛊毛结构；类蛊毛基部下半部分具有导电涂层，类蛊毛基部安装在类蛊毛座与弹性连接膜装配后的类球形腔内；第一电极引线嵌入弹性连接膜表面，当类蛊毛结构摆动时与类蛊毛基部的导电涂层接通；类蛊毛座的半球形凹槽正好能支撑类蛊毛基部在其内自由摆动，类蛊毛基部装配到类蛊毛座中两者形成等效角位移式变面积电容传感器；第二电极引线从类蛊毛座底部引出并与类蛊毛座的导电层连接。本发明专利技术仿照蝎子蛊毛的流量感知结构，形成一个等效角位移式变面积电容传感器，灵敏度高。
【技术实现步骤摘要】
基于蝎子蛊毛流量感知机理的气体微流量检测装置
本专利技术属于气体流量测量
，具体涉及一种气体微流量检测装置。通过检测类蛊毛相对于类蛊毛座摆角大小，确定被测气体的流速或流量。
技术介绍
精确测量气体微流量具有十分重要的意义。例如为保持飞船舱内的压力正常，需要对舱体进行检漏，精确检测出微小的漏率流量，这对长期运行的载人飞船尤为重要；电子工业和精细化工工业中，要求精确控制气体微流量的注入，以保证工艺质量和产品性能的稳定。目前，主要的气体流量检测有：机械式气体流量检测(包括膜式气体流量检测和涡轮式气体流量检测)、热线热膜式气体流量检测(HWA)(包括热线仪和基于微电子机械系统(MEMS)的热式气体质量流量检测)、超声和激光多谱勒流速流量检测方法等。但是，机械式检测精度低、装置易老化且受温度影响大；HWA式检测时必须对传感器芯片电加热，因而功耗大且不适用于易燃易爆气体的检测；超声和激光多谱勒流速流量检测设备复杂价格昂贵，一般在精密测量实验室或标定其它流速计时使用，并且激光多普勒不适宜测量净化间的微流速。所以，研究具有高灵敏性、经济性、安全性的微流量检测装置具有重要意义。生物在漫长的进化过程中形成了很多巧妙的结构，为仿生研究提供了优秀的蓝本。蝎子胫节表面的蛊毛对周边空气极其微小的流量的感知能力，为仿生设计制造出高灵敏的微流量检测装置提供了模仿对象。本专利技术是在对蝎子蛊毛体表流量感器感知机理的研究基础上，基于MEMS加工技术提出的气体微流量检测装置，具有体积小、重量轻、灵敏度高、测量精度高、易于批量生产等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种由MEMS技术加工而成的基于蝎子蛊毛流量感知机理的气体微流量检测装置，其适用于微小气体流量流速(0～500mm/s)的测量，其灵敏性高、测量精度高、体积小并且经济性好易于批量生产。本专利技术是由类蛊毛毛杆、类蛊毛基部、类蛊毛座、弹性连接膜、第一电极引线和第二电极引线构成，类蛊毛毛杆与类蛊毛基部装配成一体，形成类蛊毛结构；类蛊毛基部下半部分具有导电涂层，类蛊毛基部安装在类蛊毛座与弹性连接膜装配后的类球形腔内；弹性连接膜上部具有开口，弹性连接膜的开口大小限制类蛊毛毛杆摆动角度的大小；第一电极引线嵌入弹性连接膜表面，当类蛊毛结构摆动时与类蛊毛基部的导电涂层接通；类蛊毛座为圆柱形绝缘体，类蛊毛座的半球形凹槽正好能支撑类蛊毛基部在其内自由摆动，半球形凹槽内表面具有导电层，导电层之上覆盖有一层绝缘层，类蛊毛基部装配到类蛊毛座中两者形成等效角位移式变面积电容传感器；第二电极引线从类蛊毛座底部引出，第二电极引线与类蛊毛座的导电层连接。所述的类蛊毛毛杆的表面为非光滑表面。所述弹性连接膜的材质为弹性绝缘材料。当有微小流量的气体流经，类蛊毛毛杆受到气流的摩擦力和阻力，并由类蛊毛毛杆及类蛊毛基部受力时形成的微杠杆结构将摩擦力和空气阻力放大，使类蛊毛相对类蛊毛座发生偏转。由于类蛊毛基部和类蛊毛座分别有导电涂层并相互绝缘，形成电容器。类蛊毛相对类蛊毛座偏转时相当于一个角位移式变面积电容传感器，通过检测电容容量的变化，实现对气体微流量的测量。所述的类蛊毛毛杆表面通过蚀刻或喷涂的方法形成非光滑表面以增大与空气的接触力，其纵深比(长度与直径的比)为50～200，毛杆长度为700～1500μm；类蛊毛基部由绝缘材料制成，其下半部分部涂导电层；类蛊毛毛杆与类蛊毛基部装配成一体，形成类蛊毛结构。类蛊毛在类蛊毛座和弹性连接膜的限制下在整个周向都能以一定的角度偏转摆动。类蛊毛座为柱形绝缘材料在其上表面加工出半球形的凹槽而成，半球形凹槽表面先喷涂导电材料，再喷涂一层绝缘材料。半球形凹槽能支撑类蛊毛基部在其内自由摆动。由此，类蛊毛装配到类蛊毛座中便形成了一个电容器；当类蛊毛受到空气流量的激励而发生偏转时，类蛊毛基部与类蛊毛座实际上是一个角位移式变面积电容传感器。弹性连接膜为弹性绝缘材料制成，其下部(开大口出)端面与类蛊毛座配合，上部开口的大小限制类蛊毛的最大偏转角度。弹性连接膜内部为一种由凸轮曲线扫略一周形成的光滑内表面，其与类蛊毛基部上半部分表面相接触，形成一种类似凸轮形式的配合。当类蛊毛受到空气流量的激励而发生偏转时，类蛊毛基部上半部分挤压弹性连接膜；弹性连接膜受挤压后发生弹性形变；当空气流量的激励撤销时，弹性连接膜的回正力矩使类蛊毛回正。在弹性连接膜内嵌入第一电极引线，当蛊毛摆动时与蛊毛下部的导电层接通；类蛊毛座底部钻孔引出另一跟第二电极引线，其与类蛊毛座半球形凹槽的导电层连接。通过调整类蛊毛毛杆的纵深比实现调整测量装置的灵敏度，以此改变其流量检测范围。具体使用时，所述的基于蝎子蛊毛流量感知机理的气体微流量检测装置贴于玻璃基片上，其整体结构直径为50～200微米，高度为2～4毫米，以此测量流速在500mm/s以下的微小气体流速或流量。本专利技术的有益效果：本专利技术基于蝎子蛊毛流量感知机理的气体微流量检测装置由MEMS技术加工而成，仿照蝎子蛊毛的流量感知结构，形成一个等效角位移式变面积电容传感器，灵敏度高、工艺简单、经济性好，适合大规模生产。附图说明图1本专利技术结构示意图。图2是本专利技术测量微小流量时，类蛊毛结构对微小力矩放大原理图。图3是本专利技术测量流量时的等效角位移式变面积电容传感器原理图。具体实施方式请参阅图1所示，本实施例是由类蛊毛毛杆1、类蛊毛基部2、类蛊毛座3、弹性连接膜4、第一电极引线5和第二电极引线6构成，类蛊毛毛杆1与类蛊毛基部2装配成一体，形成类蛊毛结构；类蛊毛基部2下半部分具有导电涂层9，类蛊毛基部2安装在类蛊毛座3与弹性连接膜4装配后的类球形腔7内；弹性连接膜4上部具有开口8，弹性连接膜4的开口8大小限制类蛊毛毛杆1摆动角度的大小；第一电极引线5嵌入弹性连接膜4表面，当类蛊毛结构摆动时与类蛊毛基部2的导电涂层9接通；类蛊毛座3为圆柱形绝缘体，类蛊毛座3的半球形凹槽10正好能支撑类蛊毛基部2在其内自由摆动，半球形凹槽10内表面具有导电层，导电层之上覆盖有一层绝缘层，类蛊毛基部2装配到类蛊毛座3中两者形成等效角位移式变面积电容传感器；第二电极引线6从类蛊毛座3底部引出，第二电极引线6与类蛊毛座3的导电层连接。所述的类蛊毛毛杆1的表面为非光滑表面。所述弹性连接膜4的材质为弹性绝缘材料。本专利技术的工作过程和原理：如图2所示，图2中省略类蛊毛基部2的导电涂层9，当测试流速为V的气流时，气流与类蛊毛毛杆1相互作用力F带动类蛊毛结构偏转，偏转角θ。同时，蛊毛结构收到类蛊毛座3的弹力N和弹性连接膜4的弹力T。以O点为中心，类蛊毛结构的力矩平衡方程为：T·D＝F·H(1)式(1)中，D和H分别是相对于O点的力矩。因此，F引起的施加于弹性连接膜4上的弹力T’(T’＝－T)为F的H/D倍。类蛊毛结构有较大的纵深比，由此微小的气流也能使类蛊毛结构摆动。因此，该装置有高灵敏度。同时，调整类蛊毛毛杆1的长度，以此改变纵深比，以此改变其流量检测范围。类蛊毛座3为圆柱形绝缘材料，其半球形凹槽正好能支撑类蛊毛基部2在其内自由摆动；其半球形凹槽内部先喷涂一导电层，再覆盖一层绝缘层，当类蛊毛装配到类蛊毛座中两者形成等效角位移式变面积电容传感器。如图3，当类蛊毛结构受到流量激励而偏转θ时，类蛊毛基部2与类蛊毛座3形成的等效角位移式变面积电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于蝎子蛊毛流量感知机理的气体微流量检测装置，其特征在于：是由类蛊毛毛杆(1)、类蛊毛基部(2)、类蛊毛座(3)、弹性连接膜(4)、第一电极引线(5)和第二电极引线(6)构成，类蛊毛毛杆(1)与类蛊毛基部(2)装配成一体，形成类蛊毛结构；类蛊毛基部(2)下半部分具有导电涂层(9)，类蛊毛基部(2)安装在类蛊毛座(3)与弹性连接膜(4)装配后的类球形腔(7)内；弹性连接膜(4)上部具有开口(8)，弹性连接膜(4)的开口(8)大小限制类蛊毛毛杆(1)摆动角度的大小；第一电极引线(5)嵌入弹性连接膜(4)表面，当类蛊毛结构摆动时与类蛊毛基部(2)的导电涂层(9)接通；类蛊毛座(3)为圆柱形绝缘体，类蛊毛座(3)的半球形凹槽(10)正好能支撑类蛊毛基部(2)在其内自由摆动，半球形凹槽(10)内表面具有导电层，导电层之上覆盖有一层绝缘层，类蛊毛基部(2)装配到类蛊毛座(3)中两者形成等效角位移式变面积电容传感器；第二电极引线(6)从类蛊毛座(3)底部引出，第二电极引线(6)与类蛊毛座(3)的导电层连接。
【技术特征摘要】
1.一种基于蝎子蛊毛流量感知机理的气体微流量检测装置，其特征在于：是由类蛊毛毛杆(1)、类蛊毛基部(2)、类蛊毛座(3)、弹性连接膜(4)、第一电极引线(5)和第二电极引线(6)构成，类蛊毛毛杆(1)与类蛊毛基部(2)装配成一体，形成类蛊毛结构；类蛊毛基部(2)下半部分具有导电涂层(9)，类蛊毛基部(2)安装在类蛊毛座(3)与弹性连接膜(4)装配后的类球形腔(7)内；弹性连接膜(4)上部具有开口(8)，弹性连接膜(4)的开口(8)大小限制类蛊毛毛杆(1)摆动角度的大小；第一电极引线(5)嵌入弹性连接膜(4)表面，当类蛊毛结构摆动时与类蛊毛基部(2)的导电涂层(9)接通；类蛊毛座...
【专利技术属性】
技术研发人员：张俊秋，韩志武，陈道兵，宋洪烈，宋丽敏，侯涛，王可军，牛士超，尹维，叶军锋，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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