微型流量傳感器具有電子溫度補償功能

用于生化和醫(yī)療目的的微流體流量的測量通過微機電系統(tǒng)和兩個壓力傳感器補償集成電路（IC）進行演示。流體的流速可以通過精密加工通道上的壓降來確定。整個組件安裝在小型陶瓷混合組件上。

流體分析在當前的各種應用中都是必不可少的。生物學、醫(yī)學分析、基因工程和許多其他領域依賴于快速、精確和可重復的化學和生物分析。自動加樣和分析流體樣品的工具對于經濟實惠的性能至關重要。

高度專業(yè)化的電子傳感器已被設計用于自動化樣品分析，但液體的加樣 - 仍然是一個突出的問題 - 必須物理完成。此操作通常由步進電機驅動的專用微型注射器完成。很容易想象與此類設置相關的難度和費用。

在解決這個問題的新方法中，DASA IMT和Seyonic SA（均位于瑞士納沙泰爾）開發(fā)了流通式微流體加藥，作為在太空中進行實驗的工具包的一部分。如下所述，該設計的一個關鍵要素是微流量傳感器設備。要求是：

體積小

化學慣性

溫度穩(wěn)定性

長期穩(wěn)定性

簡單、方便、全自動的重新校準

線性電壓與壓力輸出

測量微流體流量的一種方法是測量集成到微流通道中的限制范圍內的壓差。壓力測量使用雙壓阻式壓力傳感器進行，一個放置在限制之前，另一個放置在限制后面。

為了確保傳感器不受化學腐蝕性流體的影響或改變，壓力下的流體施加到傳感器隔膜的背面（其單晶線硅對化學物質相對不敏感）而不是正面。這種不尋常的配置通過屏蔽傳感器頂部的敏感微電子電路免受液體的影響來保護它們。為了防止機械張力造成的誤差，傳感器安裝在厚陶瓷基板上（圖1）。

圖1.該橫截面顯示了安裝在厚陶瓷基板上的雙壓阻式壓力傳感器。

壓阻式壓力傳感器具有出色的靈敏度和再現(xiàn)性，但它們對環(huán)境溫度的變化非常敏感。直到最近，還沒有辦法補償這些誤差，同時實現(xiàn)微流體流動傳感所需的小尺寸和快速響應。解決這一問題的一種方法是新型MAX1458傳感器信號處理器，它補償壓阻傳感器的初始誤差和溫度相關誤差。圖2比較了未校正傳感器的輸出與使用該IC補償?shù)南嗤敵觥?/p>

圖2.前后對比表明，MAX1458傳感器信號調理器降低了傳感器誤差。

數(shù)字和用戶可編程寄存器對模擬信號路徑執(zhí)行全電子補償。對于環(huán)境溫度變化較大的應用，如-40°C至+125°C汽車級，MAX1458提供優(yōu)于1%的總輸出精度。對于更有限的量程，例如+15°C至+45°C，總壓力精度接近0.1%。

框圖說明了IC的內部結構（圖3a和3b）。傳感器橋激勵電路通過使電橋驅動電壓隨溫度升高來抵消靈敏度的任何下降。補償傳感器橋還充當溫度傳感器，并且具有足夠的線性，可用于校正失調漂移與溫度的關系。

圖 3a.傳感器橋激勵電路。

圖 3b.差分模擬輸出路徑。

輸出信號可在 0.5V 至 4.5V 之間調節(jié) （采用 5V 電源工作時），并適應 10mV/V 或更高的傳感器靈敏度。補償所需的所有系數(shù)都保存在MAX1458內部的EEPROM中。因此，可通過簡單的4線串行接口輕松自動校準設置。

由于測得的壓差與液體流速之間的關系取決于液體的粘度，而粘度又隨溫度而變化，MAX1458提供溫度輸出信號，用于外部信號處理。這種設置（圖4）允許測量不高于5.5μl/sec的流速。模擬壓力信號、溫度傳感器端子和所有其他連接都可以通過連接器進行外部后處理。

圖4.壓力傳感器模塊由一個雙流量傳感器和兩個信號調節(jié)器IC組成。

12x19mm壓力檢測模塊（圖5）的照片說明了MCM技術：單片流量傳感器模塊通過引線鍵合到陶瓷載體上，連接到兩個傳感器信號處理器（MAX1458），這兩個處理器也是引線鍵合的，并作為骰子安裝。圖6示出了微流體加樣和分析系統(tǒng)，其中上述流量傳感器輸出作為反饋信號，以實現(xiàn)連續(xù)和動態(tài)的流速控制。

圖5.壓力傳感器模塊采用多芯片模塊（MCM）技術，尺寸為12x19mm。

圖6.在該微流體計量和分析系統(tǒng)中，流量傳感器輸出為連續(xù)流量控制提供反饋。

作者：
Bernhard Konrad，Maxim Integrated，德國
Philipp Arquint，納沙泰爾大學微技術研究所
Bart van der Schoot，Seyonic SA，納沙泰爾

審核編輯：郭婷