[发明专利]一种内嵌流道式微悬臂梁传感器及检测方法

说明书

本发明提供一种内嵌流道式微悬臂梁传感器及检测方法，涉及到MEMS领域。区别与传统内嵌沟道式微悬臂梁，本发明中的内嵌细长流道需要安置在贴近悬臂梁上表面的位置，并且远离梁的中性面，同时横跨应变最为显著的区域，以确保在悬臂梁形变时，流道的流阻变化显著。同时微流道内维持恒定体积流速的流体通过，在悬臂梁形变发生时通过压力传感器测量流道上下游的压力差，可以计算出悬臂梁受到的载荷。本发明通过内嵌流道将悬臂梁的形变量首先转化为流阻变量化，进而在流体的上下游形成变化的压力差，最后通过压力传感器转化为电学量，避免了传统悬臂梁检测方法中将传感器敏感结构安置在悬臂梁表面时固有的缺陷，提高了微悬臂梁传感器的稳定性与可靠性。

技术领域

本发明主要涉及微机电系统领域，尤其涉及一种内嵌微流道式的悬臂梁传感器及检测方法。

背景技术

微机电系统因为微型化、集成化等优势，生产与生活中得到日益广泛的应用，也衍生出了许多种性能好、可靠性高的微传感器。悬臂梁结构作为最简单的微结构，可以探测到极小的位移或质量的变化，这使得微悬臂梁成为高精度高灵敏传感器的常见选择。

将待测物与微悬臂梁通过某种方式固定在一起，会引起微悬臂梁弯曲或谐振频率的变化，随后通过光学或者电学的方法读出微悬臂梁的变化，常见的有光束偏转法、压阻法、压电法、电容法等。

在专利CN109696185A中公开了一种仿生微悬臂梁结构，在悬臂梁上布置压敏电阻并通过电极引线构成惠斯通电桥。基于蝎子跗骨关节的特殊结构应力放大的机理，设计了一种超敏感知微信息的悬臂梁结构，但是压阻法因为读出信号过程中产生的电流所导致的附加的悬臂梁弯曲和电阻值变化的固有缺点并没有得到补偿，此外压阻法无法应用在液体环境中。在专利CN112326993A中公开了一种杠杆式悬臂梁流速探测装置。该发明基于传统电学与力学原理，通过流体带动杠杆旋转改变悬臂梁内的应力分布从而改变悬臂梁的共振频率，具有流速探测灵敏度高的特点。但是该设计也凸显了一个压电法显著缺点，即无法单独实现静态检测，在检测质量等静态量时，需要通过振源给悬臂梁施加振动，额外的结构容易引入其他问题。在专利CN110307919A中公布了一种高灵敏宽量程电容式力传感器及其制备方法，采用了两个不同的力敏感量，并用多个变间距电容反应里的大小，虽然增加了传感器的量程，但是未能解决电容式传感器非线性的问题，并且该结构的电磁干扰屏蔽也难以实施。在专利CN108801468 A中公布了一种微悬臂梁阵列光学读出成像系统和方法，用小孔阵列来代替光学读出透镜组实现光学读出，减小了系统体积，降低了成本，且安装调试简单，但是光学偏转法受周围环境影响较大，信号处理电路的噪声也是影响测量精度的重要因素之一，而且光学设备往往体积很大。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，提供新的悬臂梁检测方法，发明了一种内嵌流道式微悬臂梁传感器，包括一个微悬臂梁(110)、一个流体入口(100)、一个流体出口(102)、一个内嵌细长流道(101)；细长流道内有体积流速恒定、作层流运动的流体通过。

可选的，所述的内嵌细长流道(101)需要贴近悬臂梁的上表面，远离悬臂梁的中性面；所述的内嵌细长流道(101)同时也横跨悬臂梁固定端与移动端的交界处。

可选的，所述的内嵌流道(101)在所述的流体出口(100)与所述的流体出口(102)附近的流道分别通过一段柱状空腔(131)。

可选的，所述的柱状空腔(131)的上方的薄层(132)作为感压膜，分别形成压力传感器(200)，用于检测流道上下游流体压力。

可选的，所述的压力传感器(200)是电容式压力传感器。