微型流量傳感器具有電子溫度補(bǔ)償功能

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

流體分析在當(dāng)前的各種應(yīng)用中都是必不可少的。生物學(xué)、醫(yī)學(xué)分析、基因工程和許多其他領(lǐng)域依賴于快速、精確和可重復(fù)的化學(xué)和生物分析。自動(dòng)加樣和分析流體樣品的工具對(duì)于經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的性能至關(guān)重要。

高度專(zhuān)業(yè)化的電子傳感器已被設(shè)計(jì)用于自動(dòng)化樣品分析，但液體的加樣 - 仍然是一個(gè)突出的問(wèn)題 - 必須物理完成。此操作通常由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的專(zhuān)用微型注射器完成。很容易想象與此類(lèi)設(shè)置相關(guān)的難度和費(fèi)用。

在解決這個(gè)問(wèn)題的新方法中，DASA IMT和Seyonic SA（均位于瑞士納沙泰爾）開(kāi)發(fā)了流通式微流體加藥，作為在太空中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的工具包的一部分。如下所述，該設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵要素是微流量傳感器設(shè)備。要求是：

體積小

化學(xué)慣性

溫度穩(wěn)定性

長(zhǎng)期穩(wěn)定性

簡(jiǎn)單、方便、全自動(dòng)的重新校準(zhǔn)

線性電壓與壓力輸出

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

為了確保傳感器不受化學(xué)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(duì)化學(xué)物質(zhì)相對(duì)不敏感）而不是正面。這種不尋常的配置通過(guò)屏蔽傳感器頂部的敏感微電子電路免受液體的影響來(lái)保護(hù)它們。為了防止機(jī)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(duì)環(huán)境溫度的變化非常敏感。直到最近，還沒(méi)有辦法補(bǔ)償這些誤差，同時(shí)實(shí)現(xiàn)微流體流動(dòng)傳感所需的小尺寸和快速響應(yīng)。解決這一問(wèn)題的一種方法是新型MAX1458傳感器信號(hào)處理器，它補(bǔ)償壓阻傳感器的初始誤差和溫度相關(guān)誤差。圖2比較了未校正傳感器的輸出與使用該IC補(bǔ)償?shù)南嗤敵觥?/p>

圖2.前后對(duì)比表明，MAX1458傳感器信號(hào)調(diào)理器降低了傳感器誤差。

數(shù)字和用戶可編程寄存器對(duì)模擬信號(hào)路徑執(zhí)行全電子補(bǔ)償。對(duì)于環(huán)境溫度變化較大的應(yīng)用，如-40°C至+125°C汽車(chē)級(jí)，MAX1458提供優(yōu)于1%的總輸出精度。對(duì)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(shuō)明了IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖3a和3b）。傳感器橋激勵(lì)電路通過(guò)使電橋驅(qū)動(dòng)電壓隨溫度升高來(lái)抵消靈敏度的任何下降。補(bǔ)償傳感器橋還充當(dāng)溫度傳感器，并且具有足夠的線性，可用于校正失調(diào)漂移與溫度的關(guān)系。

圖 3a.傳感器橋激勵(lì)電路。

圖 3b.差分模擬輸出路徑。

輸出信號(hào)可在 0.5V 至 4.5V 之間調(diào)節(jié) （采用 5V 電源工作時(shí)），并適應(yīng) 10mV/V 或更高的傳感器靈敏度。補(bǔ)償所需的所有系數(shù)都保存在MAX1458內(nèi)部的EEPROM中。因此，可通過(guò)簡(jiǎn)單的4線串行接口輕松自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)置。

由于測(cè)得的壓差與液體流速之間的關(guān)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(hào)，用于外部信號(hào)處理。這種設(shè)置（圖4）允許測(cè)量不高于5.5μl/sec的流速。模擬壓力信號(hào)、溫度傳感器端子和所有其他連接都可以通過(guò)連接器進(jìn)行外部后處理。

圖4.壓力傳感器模塊由一個(gè)雙流量傳感器和兩個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)器IC組成。

12x19mm壓力檢測(cè)模塊（圖5）的照片說(shuō)明了MCM技術(shù)：?jiǎn)纹髁總鞲衅髂K通過(guò)引線鍵合到陶瓷載體上，連接到兩個(gè)傳感器信號(hào)處理器（MAX1458），這兩個(gè)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(hào)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)和動(dòng)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(shù)，尺寸為12x19mm。

圖6.在該微流體計(jì)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(guó)
Philipp Arquint，納沙泰爾大學(xué)微技術(shù)研究所
Bart van der Schoot，Seyonic SA，納沙泰爾

審核編輯：郭婷