一种基于单一热电偶和悬浮微流体的MEMS热传感器

一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器技术领域1.本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器。背景技术：2.单一热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶传感器是一种可以收集分析待检测的样本(包括生物与非生物)与热电偶的温差信息的装置。样本在通过微流体通道时，其与微流体通道内部的热电偶发生热交换，使热电偶形成电势差，之后将热信息转化的数字信息通过导线传送至外部分析终端进行分析。3.微流体技术，是一种精确控制和操控微尺度流体，特指控制微米级流体的技术，又称其为芯片实验室或微流体芯片技术。该技术能将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。微流体技术如今已被运用于mems热传感器并被研究者大量报道，在医学、仿生学、环境保护学中都有很亮眼的发挥。mems热传感器被用于分析生物样本的温度信息、环境样本检测分析样本中的温度变化等。4.mems(micro-electro-mechanical system)技术,即微机电系统，主要运用于超精密机械加工，是集成微米级微电子系统的重要技术。如今mems技术已被大量运用于集微传感器领域，适用于需要微型化、高集成度和大批量生产的微电子元器件。5.检测生物样本的温度变化，是我国在高精度mems热传感器研究领域的重点，目前我国的市场上已经批量研发生产了多款mems热传感器，但是大多处于起步阶段。6.现有的mems热传感器大多是通过微流体通道引入被测样本，被测样本与单一热电偶的温差引起微流体通道内单一热电偶的电势差变化，从而产生电信号转移到外部的移动终端中进行信号处理。现有的mems热传感器大多是以方形盒作为外部封装，内部设置基底，在基底上安装微流体通道以及传感器的相关线路。通过封装上的微流体通道口引入被测样本，再从另一侧的样本出口引出连接着流体通道内部热电堆的导线，将产生的电信号发送至数据分析端对样本的热信号进行分析。7.对比市场上已有的mems热传感器，可以看出：市场上已投入使用的热电偶的适用范围不广，主要原因在于当前热电偶的灵敏度不高，并且mems热传感器在检测样本时的热损失大，使得精准度不高；mems热传感器内部的热电堆所占的体积过大，不方便使用，传感器内部元器件的集成度低，无法做到微型化；所采用的普通微流体通道无法适用于大多数的样本检测，如何设计出一种灵敏度高、检测速度快、精准度高、轻巧便携、成本低的mems热传感器也是在传感器研究领域的一个热点问题，为此，我们提出一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器解决上述问题。技术实现要素：8.本实用新型提供一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器，解决了市场上已投入使用的热电偶的适用范围不广，主要原因在于当前热电偶的灵敏度不高，并且mems热传感器在检测样本时的热损失大，使得精准度不高；mems热传感器内部的热电堆所占的体积过大，不方便使用，传感器内部元器件的集成度低，无法做到微型化；所采用的普通微流体通道无法适用于大多数的样本检测的技术问题。9.为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器，包括微流体通道和悬吊微桥结构衬底，所述微流体通道包括微流体通道底板、微流体通道壁和微流体通道上顶盖，所述微流体通道底板、微流体通道壁和微流体通道上顶盖按由下至上的顺序重叠排列粘接，所述微流体通道底板设置在悬吊微桥结构衬底上方，所述微流体通道的中部一体成型有微流体通道空腔，所述微流体通道空腔的内部安装有单一热电偶。10.优选的，所述微流体通道空腔为长方体空腔，所述微流体通道空腔的边长为700um，高为25um，利用微流体通道空腔，可进行微观化学反应以及检测其中的变化。11.优选的，所述微流体通道总长为4200um。12.优选的，所述单一热电偶的材质为重掺杂n型硅，采用重掺杂n型硅材料制成的单一热电偶塞贝克系数高，使得在一定的温度差情况下，赛贝克电压值会比其他材料制成热电偶的值要高，实现了mems热传感器的高灵敏度。13.优选的，所述微流体通道底板、微流体通道壁和微流体通道上顶盖的材质均为su-8光刻胶，su-8光刻胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶，可以形成一系列结构复杂的图形，且su-8光刻胶不导电，还具有良好的力学性能、化学耐药性和热稳定性。14.优选的，所述单一热电偶的外表面设有隔离层，所述隔离层上设有金属电极，隔离层上具有欧姆接触结构的金属电极可测得塞贝克电压，实现了mems热传感器的高灵敏度、小型化。15.与相关技术相比较，本实用新型提供的一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器具有如下有益效果：16.1、本实用新型中，传感器含有悬吊微桥结构，实现了灵敏度的提高和热损失的减小，解决了传统微流体通道不能与具有一定绝热性能的镂空结构相结合的问题；17.2、本实用新型中，传感器含有单一热电偶结构，使得传感器微型化，为便携式医疗保健应用创造了巨大的潜力，解决了传统mems热传感器体积较大的问题；18.3、本实用新型中，传感器含有微流体通道，能够实现快速响应以及小体积样品检测，解决了传统mems热传感器处理时间相对较长、样品需求量大的问题；19.4、本实用新型中，传感器测量精度高，同时成本低，不需要设备复杂即可生产，具备使用广泛的潜力。附图说明20.图1为一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器的正视结构示意图；21.图2为一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器中微流体通道的整体结构示意图；22.图3为一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器中微流体通道的结构爆炸图。23.图中标号：1、微流体通道空腔；2、微流体通道底板；3、悬吊微桥结构衬底；4、微流体通道壁；5、微流体通道上顶盖；6、单一热电偶。具体实施方式24.下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。25.在本实用新型的描述中，需要理解的是，如果有涉及到的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。26.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。27.实施例一，由图1-3给出，一种基于单一热电偶和悬浮微流体的mems热传感器，包括微流体通道和悬吊微桥结构衬底3，微流体通道包括微流体通道底板2、微流体通道壁4和微流体通道上顶盖5，微流体通道底板2、微流体通道壁4和微流体通道上顶盖5按由下至上的顺序重叠排列粘接，微流体通道底板2设置在悬吊微桥结构衬底3上方，微流体通道的中部一体成型有微流体通道空腔1，微流体通道空腔1的内部安装有单一热电偶6。28.实施例二，在实施例一的基础上，微流体通道空腔1为长方体空腔，微流体通道空腔1的边长为700um，高为25um，利用微流体通道空腔1，可进行微观化学反应以及检测其中的变化。29.实施例三，在实施例一的基础上，微流体通道总长为4200um。30.实施例四，在实施例一的基础上，单一热电偶6的材质为重掺杂n型硅，采用重掺杂n型硅材料制成的单一热电偶6塞贝克系数高，使得在一定的温度差情况下，赛贝克电压值会比其他材料制成热电偶的值要高，实现了mems热传感器的高灵敏度。31.实施例五，在实施例一的基础上，微流体通道底板2、微流体通道壁4和微流体通道上顶盖5的材质均为su-8光刻胶，su-8光刻胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶，可以形成一系列结构复杂的图形，且su-8光刻胶不导电，还具有良好的力学性能、化学耐药性和热稳定性。32.实施例六，在实施例一的基础上，单一热电偶6的外表面设有隔离层，隔离层上设有金属电极，隔离层上具有欧姆接触结构的金属电极可测得塞贝克电压，实现了mems热传感器的高灵敏度、小型化。33.为了能满足传感器兼具高灵敏度与微型的要求，设计了单一热电偶6结构，传感器体积小便于使用者在使用mems热传感器时对其进行空间上的移动。选用高塞贝克系数440μv/k，电阻率为2.7ω/㎝的重掺杂n型硅作为单一热电偶6的高敏度材料，根据塞贝克效应，热电偶冷热两电极间的塞贝克电压vt一般与冷热部件之间的温差δt呈线性关系，关系系数称为塞贝克系数αs：vt×αs＝δt，此热电偶材料的塞贝克系数高，使得在一定的温度差情况下，赛贝克电压值会比其他材料制成热电偶的值要高，实现了mems热传感器的高灵敏度。单一热电偶6被放置在了微流体通道中部的微流体通道空腔1中，利用单一热电偶6可以对微流通道中流过的液体样品进行温度检测，而采用的材料使得单一热电偶6的结构就能满足精度的要求，这样的设计抛弃了传统的热电堆结构由多个热电偶堆叠而成的测温器件实现了mems热传感器的高灵敏度和微型化。同时隔离层上具有欧姆接触结构的金属电极可测得塞贝克电压，实现了mems热传感器的高灵敏度、小型化；34.为了实现小体积样品检测、快速响应以及高精准度，本传感器设计了悬吊微桥结构衬底3该悬吊微桥结构衬底3的特殊悬浮设计，实现了微流体通道下方的镂空状态，提高热传感器的隔热性，减少了检测过程中的热损失，微流体通道存在于悬吊微桥结构衬底3的内部，其中部含有空腔，两端分别是样品的流入端与流出端，微流体通道空腔1可进行微观化学反应同时能检测其中的变化，实现了灵敏检测小体积样品加载并快速响应；悬吊微桥结构衬底3大大降低微量量热法的热质量进而提高了精准度，当流体流入微流体通道时，由于热损失不可避免，造成两电极测温度有差值，此温差诱导热材料的内部载流子扩散，直到电压发生变化，并且在微流体通道内部留出了适当空间，进行信号线路的引出，实现了电信号数据对外的传输；35.因为与常规制作微流体通道的材料pdms(polydimethylsiloxane)不同，微流体通道底板2、微流体通道壁4和微流体通道上顶盖5采用su-8光刻胶材料制成，su-8光刻胶材料的成型过程中不会破坏悬浮结构(pdms成型过程中的强粘合力会破坏悬浮结构)，保证了在微流体通道形成过程中，悬浮结构不会因为材料的粘合力而被破坏，实现了传感的高灵敏度、小体积样品检测以及快速响应；36.为了实现传感器的组装，并在传感器足够小的同时确保灵敏度足够高，本方案综合考虑尺寸、形状对装置各性能的影响，确定了尺寸与形状的最优组合(如微流体中的空腔长为600μm～800μm)，并通过建模软件对结构进行尺寸与形状设计。通过mems技术制备，得到一种灵敏度高、检测速度快、精准度高的mems热传感器。37.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。38.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。