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基于测热式原理的集成微流体流量传感器的设计、制作及信号处理

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上海交通大学学位论文答辩决议书

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第一章 绪论

1.1课题的提出

1.2 MEMS技术和微全分析系统简介

1.2.1 MEMS技术简介

1.2.2微全分析系统简介

1.3微流量传感器简介

1.3.1分类

1.3.2国内外研究现状

1.4本文主要工作

第二章基于COMSOL的热温差式微流量传感器模拟分析

2.1热温差式微流量传感器原理

2.2 COMSOL热温差式微流量传感器模拟分析

2.2.1 COMSOL多物理场模拟仿真软件简介

2.2.2热温差微流量传感器原理仿真

2.2.3 COMSOL热温差式微流量传感器模拟仿真小结

第三章传感器设计、电极制作及微流道集成封装

3.1传感器设计

3.2传感器电极制作

3.2.1传感器电极制作工艺

3.2.2双层胶Lift off工艺制作玻璃基底热温差式微流量传感器电极

3.2.3直接法Lift off工艺制作聚酰亚胺基底热温差式微流量传感器电极

3.2.4硅基底热温差式微流量传感器电极的制作

3.3传感器的管道集成封装

3.3.1玻璃基底热温差式微流量传感器电极的管道集成封装

3.3.2硅基热温差式微流量传感器电极的管道集成封装

第四章硅基热温差式微流量传感器外围电路的设计及测试结果和讨论

4.1金电阻温度系数测试

4.2桥路转换电路设计及芯片测试

4.2.1桥路转换电路基本理论

4.2.2桥路转换理论计算

4.2.3微流量传感器的实际测试及讨论

4.3外围放大电路的设计

4.3.1前级放大电路设计

4.3.2低通滤波电路的设计

4.3.3后级放大电路的设计

4.3.4关于A/D转换及控制器的考虑

4.3.5电源转换电路的设计

4.3.6前级放大电路的测试及讨论

第五章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表的论文

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摘要

流量测量是人们了解和控制流体的一种重要手段,在工业生产和过程控制中占有重要地位。随着微电子工艺和MEMS技术的日趋成熟,医学、制造、分析仪器和分子生物学等领域在微全分析系统中应用的快速发展,人们对于流体流量的测量和控制要求越来越高。使用MEMS微加工工艺制作的微流量传感器具有功耗低、成本低、结构简单、检测灵敏度高的特点,得到广泛关注。
  本文研究了基于测热式(Calorimetric)原理的微流量传感器(热温差式)的系统设计、加工及封装,具体的工作包括:
  1.利用COMSOL多物理场模拟仿真软件,对基于热温差式原理的微流量传感器原理进行仿真包括电场和热场的耦合仿真,了解加热电阻在热源激励下的散热情况;流场和热场的耦合仿真,了解温敏元件在热源激励下,流体通过时对其温度分布的影响;最后是电场、热场和流场的耦合仿真,了解其关键性参数对包括流高度、流体速度和加热器电压对其灵敏性的影响,并模拟了温敏元件是否覆盖绝缘层对传感器的影响;
  2.分别基于玻璃基底和聚酰亚胺基底,运用剥离工艺(lift off)制作了微流量传感器的电极;同时又基于硅基底,运用离子铣工艺(Ion Beam Milling)制作了微流量传感器的电极,对比了二种加工方法的优缺点;然后基于二种方法制作了测热式微流量传感器,探讨了微流量传感器与微流道集成过程中的封装问题;
  3.基于硅衬底设计了一种集成在微流体管道内的测热式微流量传感器,其特点是以离子铣方法制作金微电极,SU-8负光刻胶直接制作流道,并通过负光刻胶与PDMS键合封装形成封装管道;
  4.针对此集成流量测试系统,设计了外围控制电路并进行了初步测试;对二种硅基微热流量传感器(具有SU-8绝缘层和不具有SU-8绝缘层)传感器经过桥路转换后的流速-电压信号进行了测试。
  微流控系统的发展要求集成化可测微小流速的微流量传感器,本文的研究结果为微流量传感器的进一步研究发展打下了基础。

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