具有整體集成壓力傳感器的微縫隙式粘度計的制作方法

專利名稱：具有整體集成壓力傳感器的微縫隙式粘度計的制作方法
技術領域：
本發明屬于測量液體真實粘度的小型裝置領域。
技術背景粘度是液體流動阻力的量度且粘度值取決于非牛鎮液體的變形率，正如作者為R. B. Bird，R. C. Armstrong和O. Hassager在Dynamics of Polymeric Liquids (聚合物液體的動力學)Vol. 1, 1987中所描 述的那樣。所述變形率由單位(時間)1的切變率確定.在已公知的 切變率下測得的粘度是"真實"粘度.真實粘度與切變率的關系曲線 是表現材料特性的粘度曲線并且是在有效加工過程中考慮的重要的因 素。但是在多種情況下粘度是在不定的試驗條件下測得的，這使得不 能獲知或計算切變率.在不定條件下，測量到的粘度值僅僅是"表觀 的"。由于真實粘度是在已知的切變率下測得的，閎此真實粘度是通 用的，而表觀粘度并非如此。代替地，表觀粘度取決于測量系統.例 如，作為一般慣例，當浸沒在大量試驗液體中的軸以恒定速率旋轉時， 測量軸的扭矩。在這種情況下，扭矩值僅產生表觀粘度，這是因為試 驗條件不定且未獲知切變率.在最佳情況下，可測得作為軸旋轉速率 函數的表觀粘度。事實上，只有當獲知試驗液體的"本構方程"時， 軸的旋轉速率才可能與切變率相關。然而，幾乎所有的非牛頓液體的 "本構方程"都不是已知的，因此，對于大多數非牛頓液體而言，無 法在不定試驗條件下測量真實粘度。已經開發出僅給出表觀粘度的方法且所迷方法在制造過程和材料 特性表征過程中用于進行質量控制。已經設計了用于進行實時粘度測 量的多種在線粘度計。現有技術專利Nos. 5, 317, 908 (Fitzgerald等) 和4, 878, 378 ( Harada )關注于測量表觀粘度以進行工藝控制的系統。 現有技術專利No. 6, 393, 898 (Hajduk等)描述了同時測量多種試驗 液體的系統.這些粘度計測量的是表觀粘度.然而，由于表覌粘度測 量的非通用性，當需要時，必須單獨找出通過特定方法測量的特定樣 品的表觀粘度與真實粘度之間的關系。劑型或材料的根本發展需要真
實粘度測量'此外，加工設備和附件如模具、模型、擠塑螺釘等的設 計需要材料的真實粘度資料。然而，表觀粘度測量已被用于進行快速 試驗作為指標，這是罔為表觀粘度的測量更簡易且更快速且通常更經濟。真實粘度更難以獲得且僅可通過幾種儀器流變計和毛細管粘度 計測量所述真實粘度。流變計在試驗樣品上施加精確且已知的切變率 由此測量真實粘度.流變計具有多種用途且配備用以測量其它性質. 因此，它們通常比較昂貴。通過流變計測量粘度通常需要大量樣品。 此外，流變計不太適于在線應用。圃形毛細管粘度計是另一類儀器， 所述儀器可根據是否考慮適當補償而測量表觀和真實粘度.毛細管粘 度計需要沿毛細管測量壓力降以確定粘度.由于毛細管是圃形的，因 此僅可測量入口和出口處的壓力。由于這種限制，因此除非通過利用 具有不同長度直徑比的兩條不同的毛細管修正入口效應，否則毛細管 粘度計僅能測量表觀粘度。然而，利用兩條毛細管使得粘度計體積龐 大且測量變得耗時.現有技術中示出了毛細管粘度計專利Nos. 6, 575, 019 (Larson) ; 4, 920, 787 (Dual等);4,916, 678 (Johnson 等)；和4, 793, 174 (Yau)。現有技術中也披露了微流控粘度計 6,681,616 (Michael Spaid等)；20030182991 (Michael Spaid等)' 利用標志器在流體通道中的滯留時間測量粘度，除非試驗液體是牛頓 液體，否則所述粘度不是真實粘度，與本發明相關的矩形縫隙式粘度計被用于測量真實粘度且在作者 為C. D. Han的Rheology in Polymer Processing (聚合物加工過程中的流變學)，1976中對其進行充分了描述.在這些粘度計中，試驗 液體在矩形縫隙流道內部流動且通過配置的壓力傳感器測量給定流速 下沿流道的局部壓力。與毛細管粘度計相反地，縫隙內部是平的以使 得可通過安裝在縫隙中的壓力傳感器測量縫隙中的壓力.壓力傳感器 的位置必須充分處于流道內部以測量完全展開流的壓力.通過壓力測 量，可計算壁切變應力。當流速改變時，切變率可發生變化.通過測 量不同切變率下的壁切變應力，利用已4^知的Weissenberg-Rabinowitsch修正式計算真實粘度，這比在利用圃形毛細管粘度計的 情況下利用兩條獨立毛細管的情況簡單得多.然而，只有當流道寬度 足夠大于流道深度的情況下，這些粘度測量裝置才是更簡單的。這些 縫隙式粘度計需要泵送系統以精確控制試驗液體的體積流速，通常，
當液體流出擠出機時，縫隙式粘度計被用作擠出機的附件.在目前實 踐中，壓力傳感器被單獨安裝到板上，所迷板具有足夠水平度以測量 未擾動壓力。然而，眾所周知的是，流的擾動會大大影響壓力測量， 特別是對于粘彈性非牛頓液體而言。由于安裝壓力傳感器所致的任何 輕微的表面粗糙度都可能成為試驗樣品沉積的來源，所述沉積使長期 性能降級。安裝單獨的壓力傳感器以消除表面粗糙度是困難的。罔此， 測量準確性通常受損，這取決于單獨的壓力傳感器被安裝在流道中的 良好程度。已經發現可通過微縫隙流道中的整體集成壓力傳感器克服 上述問題。對于單個縫隙幾何形狀，僅可通過改變泵送系統控制的體 積流速而改變切變率。大多數目前的縫隙式粘度計是通過常規機加工 工藝單獨制造出來的，且被制造用于相對較大的樣品.因此，這些常 規縫隙式粘度計不適于測量僅有少量可得的試驗樣品的粘度。利用具有整體集成壓力傳感器的微縫隙流道可能極為有利，微縫隙式粘度計 允許采用用于制造微芯片的微制造工藝且因此可在單個晶片上制造大 量這些微縫隙式粘度計。本發明因此使得微縫睞式粘度計極為成本有效。發明內容根據本發明，通過制造整體式壓力傳感器陣列且使所述陣列與獨 立的微制造流道組合而確保壓力傳感區域具有相當平滑的內表面，所 述平滑內表面確保縫隙流受到更小的擾動且測得準確的局部壓力且所 迷內表面更不可能受到試驗材料沉積的損傷。所述縫咪流道被構造成 微米尺度以使得進行粘度測量僅需要極少量的樣品。此外，利用Micro-Electro-Mechanical系統實施批量微制造工藝而在晶片上制造壓力傳感器和流道。這種批量晶片工藝同時制造了多個相同的部件且 由此降低了微粘度計的制造成本。微制造和微機加工工藝的進步使得靈敏的固態壓力傳感器能夠實 現小型化。這種尺寸降低允許進一步強化功能.此外，微制造的技術 進步使得更易于調節壓力傳感器的靈敏性且改進了讀出電路設計。這 些改進允許為實現多種目的且為了測量多種粘度而調節所速微粘度 計。在本發明的優選實施例中，所述縫隙式粘度計包括流池和能夠以
受控方式引導流的泵送系統，所述流池進一步包括用于流的具有微米 數量級深度的微制造流道(或多條流道)和整體式壓力傳感器陣列. 所述通道或多條通道的深度優選處于1微米的數量級，所述通道的長度長于100微米，且寬度寬于10微米，以已公知的批量工藝在晶片上制造所迷流道。還在晶片或多個晶片上制造整體式壓力傳感器陣 列。具有多條流道的所述微制造晶片以已公知的方式與具有多個整體 式壓力傳感器陣列的所述微制造晶片組合，所述組合晶片具有多個流 池，所述流池被進一步分塊成獨立的單個流池，在所迷縫隙粘度計中， 試驗液體受到泵送以從所述流道的一端流至另一端且測量沿所迷流道 的所得壓力降。
一種優選方法是通過已公知方式對晶片如硅(Si)、碎化鎵 (GaAs)、硼硅酸鹽(Pyrex 7740,即一種派拉克斯玻鴻)或這些材 料的衍生物進行蝕刻以形成所述流道。
一種優選的形成壓力傳感器的制造方法是在板上形成多個空腔以 使得所述板的平滑測量表面在所迷空腔上進行延伸以形成所述空腔的 端部，所述端部將響應于施加到所述空腔上的所述平滑表面上的壓力 而產生輕微變形。在每個空腔上形成單個且簡單的檢測機構以測量試 驗液體施加在所述空腔上的所述表面上的壓力。所述檢測機構是電容 性機構、壓電電阻機構或光學機構.
本發明的主要目的是提供一種微縫隙流粘度計，所述粘度計包括 與整體式壓力傳感器陣列組合以測量極少量樣品的粘度的流道，本發 明的另 一個目的在于在微制造中共用的晶片上制造所述流道和壓力傳 感器且所述流道和壓力傳感器組合從而以成本有效的方式大量生產粘 度計。


目前預想的用于實施本發明的最佳模式如附困所示，其中
圖l是本發明的微縫咪流池的頂部平面圖2是沿圖l的線2-2截取的圖l所示流池的垂直剖視困；
圖3是縫隙流池的另一種可選通道入口和出口構型的垂直剖視圖4是流道基板的頂部平面圖； 圖5是沿圖4的線5-5截取的圖4所示的流道基板的垂直剖視困；圖6是示出了在具有絕緣膜上硅晶片的基板上形成空腔的工序的 一系列垂直剖視圖；圖7是整體式壓力傳感器陣列的頂部平面圖；圖8是沿圖7所示的微縫隙流池的線8-8截取的閨7所示的整體 式壓力傳感器陣列的垂直剖視圖；圖9是示出了空腔和薄膜剖面的單個壓力傳感器的放大分段垂直 剖視圖；圖10是整體式壓力傳感器陣列的壓力傳感器基板上的閨案的頂 部平面圖；圖11是沿圖10的線11-11截取的圖10所示的壓力傳感審基板 的垂直剖視圖；圖12是與壓力傳感器基板接界的壓力傳感器膜上的困案的頂部平面圖；圖13是沿圖12所示的線13-13截取的圖12所示的壓力傳感器膜的垂直剖視圖；圖14是整體式壓力傳感器陣列的另一種可選設計的垂直剖視困； 圖15是用于測量壓力的硅膜上的壓敏電阻器閨案的頂部平面閨； 圖16是另一種可選多通道流池的垂直剖視困；和 圖17是包括具有不同尺寸部分的通道的縫隙流變計的另一個實施例的透視困；圖18是沿圖17的線18-18截取的圖17所示的錄睞流變計的垂 直剖視圖；圖19是包括具有不同尺寸部分的通道的縫咪流變計的又一個實 施例的頂部平面圖；圖20是沿圖19的線20-20截取的困19所示的縫睞流變計的垂 直剖視圖；圖21是具有并排放置的多條通道的縫睞流變計的頂部平面圖；圖22是示出平行的流池和泵的縫紛:流變計系統的框閨；圖23是具有連接至兩個流池的單個泵的縫凍流變計系統的框困；和圖24是用于混合試驗液體的縫隙流變計系統的框閨，所迷縫隙 流變計系統具有供給單個流池的兩個泵。
具體實施方式
本發明的微縫隙流池的一個實施例如圖1和困2所示且包括流的 入口或進口 20、流的出口或排出口 21和其間的流道22.流遣22沿通道具有微米范圍的預定均勻深度(間隙).通道寬度遠大于通道深 度以使得流動通過通道可被認為是一維問題而不是二維問趙.寬度與 深度之比優選大于10,通道的優選寬度處于微米數量級.通道的優選 長度為至少100微米，分別排除了入口區域23和出口區域24.為了 測量試驗液體的真實粘度，未示出的泵送系統使試驗液體受力從而以 可控恒定體積流速流動通過微縫隙流池的流道22.由于徵流池需要的 體積較小，因此優選利用用于小體積的泵送系統.微注射泵是多種可 能泵送系統中的一種.微注射泵易于得到且未示出的選定微注射泵以 已公知的方式連接至流池的入口 20.也未示出的排放裝置或排放系統 以已公知的方式連接至出口或排出口 21。當試驗液體在流道22中移動時，沿箭頭25所示的流向產生壓力 降。如果在充分遠離入口區域23和出口區域24的位置處測量壓力以 使得可測得完全展開流的恒定壓力降，則壓力降表示在流道22中流 動的試驗液體具有穩態切變應力，對于壓力降測量而言，壓力傳感器 位于沿流道22放置在遠離入口和出口區域的不同位置處的壓力傳感 器空腔26內。壓力傳感器在相應的空腔26的位置處測量流道22中 的流動液體的壓力。優選沿流道22放置至少兩個壓力傳感器空腔26 以及相關聯的壓力傳感器，圖1和圖2中示出了四個這種壓力傳感器 空腔。已公知的是液體粘度對溫度非常敏感.因此，有必要在流道上 保持大體上均勻的溫度以實現準確的粘度測量。此外，試驗液體的溫 度需要已知。因此優選測量流動通過流道的試驗液體的溫度.為此原 因，沿流道在入口區域附近設置了溫度傳感器空腔28.如果需要，圖 1和圖2未示出的附加溫度傳感器空腔可被設置在接近出口區城的位 置處以監控溫度均勻性或提供用于修正獲得的粘度測量結果的溫度變 化信息.在流池底部，設置了連結墊29以4吏得可以簡單方式實現與 壓力傳感器、溫度傳感器和可能設置的其它傳感器的必要電連接，例 如通過引線接合技術或其它表面安裝技術連接至基于徵控制器的PCB (印刷電路板)讀出電路.可使進入入口 20和離開出口 21的流垂直 于流道22，如圖2所示，或與流道22平行，如圖3所示，這取決于 所需的通道和池構型，且所迷流在入口處與泵送系統接界且在出口處 與排放系統接界。流池包括流道基板30和由傳感器膜31和傳感器基板32形成的 傳感器板。流道基板30具有如圖4和圖5所示的空腔33，當基板與 傳感器板組合時，所述空腔形成了如圖2和圖3所示的流道22.流道 基板30還可具有形成通道入口 20的進口孔34和形成通道出口 21的 排出口孔35。傳感器膜31形成了沿流道22 —側的大體上平滑的整體 式流道壓力傳感表面36,所述表面沿圖2和圖3所示的取向被示作底 部通道表面。壓力傳感器和溫度傳感器優選被整合入傳感器板內，因 此形成了壓力傳感器與一個或多個溫度傳感器的整體式整合陣列.整 體式壓力傳感表面36提供了足夠平滑的流道壓力傳感表面以提供更 準確的壓力測量和潛在地比如果壓力傳感器被單獨且獨立地放置在壓力傳感表面上或其中的情況更長的裝置，流道基板30具有空腔33，所述空腔具有良好限定的預定深度， 如圖4和5所示，在該空腔33中，寬度比深度大得多，在利用徵制 造工藝中已公知的光刻工藝在基板上形成一定困案的光致抗蝕刑后， 可通過對基板進行蝕刻形成空腔，蝕刻方法可以是濕法化學蝕刻或等 離子體干法蝕刻。在晶片水平上實施這些蝕刻工藝以使得可同時形成 多個空腔。對于晶片而言，可利用硼硅酸鹽玻璃(Pyrex 7740)、硅、 GaAs或微制造工藝中使用的其它材料。可以已公知的方式對這些晶片 實施蝕刻。如果基板30釆用Pyrex，則通過緩沖氫氟酸溶液或緩沖氧 化物蝕刻器(BOE)對Pyrex進行蝕刻以形成空腔33.可通過超聲波 切割、其它機械機加工技術或通過蝕刻形成進口或入口孔34以及排 出口或出口孔35。圖6示出了用于在流道基板30中形成流腔33的另一種可選方法. 首先，具有未示出的用作入口和出口的孔的Pyrex晶片40被連結到SOI (絕緣膜上硅)晶片的器件硅41上，所述絕緣膜上硅晶片包括利用 常規命名法命名的器件硅41、埋置氣化物42和處理硅43.這如圖6A 所示。隨后蝕刻掉處理硅43以實現6B的晶片形成過程。暴露的氧化 物層42在44處形成一定困案，如困6C所示，從而隨后對器件硅層41
進行蝕刻以形成空腔45，如閨6D所示。隨后去除氧化物層以提供閨 6E所示的流道基板。另一種可選方式是，可通過首先對硅進行氡化在 硅晶片上形成空腔.將氧化物制成一定閨案以形成蝕刻掩膜，隨后， 通過已公知的方式對暴露的硅進行蝕刻以形成空腔。隨后去除剩余氣 化物。傳感器板包括壓力傳感器膜31和壓力傳感器基板32.在膜31與 基板32之間的界面處，存在用于壓力傳感裝置和用于溫度傳感裝置 的空腔。可在壓力傳感器膜的背面或下面中、在壓力傳感器基板中或 二者中形成空腔.當壓力被施加到空腔上的壓力傳感表面36上時， 在每個空腔上延伸的膜部分產生偏置，且測量膜進入空腔內的偏置量 以指示施加到空腔上的壓力傳感表面上的壓力.圖2、困3、圖8和 圖9示出了在壓力傳感器膜31的背面或下面中形成的壓力傳感器空 腔26和溫度傳感器空腔28。可根據需要通過電容變化、電阻變化、 光路變化或其它類型的壓力傳感器測量在空腔上延伸的壓力傳感器膜 部分，如圖9中的48所示，產生的偏置.圖9示出了電容壓力傳感器，當壓力傳感器空腔26上的膜部分48 在由在膜部分48上流動的試驗液體施加的不同壓力下產生變形時， 所迷電容壓力傳感器測量電容變化。在本實施例中，空腔26具有兩 個側部50和51，且每個側部50和51分別具有安裝到其上的電極52 和53。絕緣層54使上部電極52與壓力傳感器膜材料分開，而下部電 極53被直接安裝到壓力傳感器基板上.絕緣材料55被設置在電容下 部電極53的上表面上以防止電極在壓力下產生短路，所述壓力將使 膜部分48產生充分變形從而導致電極52要不然接觸電極53 兩個電 極的電容取決于電極的分離且隨著電極之間的間隙或距離的變化而變 化，所述間隙或距離隨著空腔上的膜部分48在壓力下產生偏置而產 生變化。利用微制造工藝在晶片上制造傳感器板。可通過對Pyrex晶片進 行加工而制備壓力傳感器基板32，如圖10和圖11所示.鉻或鈦和鉑 被順序沉積且形成一定閨案以在Pyrex表面上形成溫度傳感器57,通 過將金屬沉積在Pyrex上呈一定圖案的抗蝕劑上形成底部電容器電極 53和電導線58。去除抗蝕劑以留下呈一定圖案的金屬.如果需要， 可在沉積金屬前利用呈一定圖案的抗蝕劑作為蝕刻掩膜對Pyrex進行輕微蝕刻以使得大多數沉積金屬被埋置在Pyrex中.隨后將氣化物沉 積在電容器電極上以形成絕緣材料55。可對Pyrex進行超聲波機加工 以形成通孔60。可利用例如絕緣膜上硅晶片制造壓力傳感器膜.如結合躅6所示， 且參見圖6， SOI (絕緣膜上硅)晶片包括器件硅41、埋置氣化物42 和處理硅43.絕緣膜上硅晶片不包括如圖6A所示的pyrex40.在利 用絕緣膜上硅晶片制造傳感器膜的過程中，利用呈一定閨案的氣化物 作為蝕刻掩膜對成為壓力傳感器膜材料31的器件砝進行燭刻從而在 膜的下面上形成所需的壓力傳感器空腔26和溫度傳感器空腔28.隨 后去除氧化物且用于形成絕緣材料54的新鮮氧化物層在器件硅上生 長。金屬所后沉積在位于絕緣膜上硅的器件硅上的氧化物層上呈一定 圖案的抗蝕劑上。去除抗蝕刑以形成電容器上部電極52且形成通過 絕緣氧化物層54與器件硅31分開的電導線61，如圖13所示.用于形成壓力傳感器膜的經過加工的絕緣膜上硅晶片隨后被連結 至形成壓力傳感器基板的經過加工的Pyrex晶片上。隨后利用孔眼掩 膜將材料沉積在pyrex壓力傳感器基板上以形成如閨11所示的連結 墊29，且沿通孔60形成與導線58相連的電連接件62,隨后去除處成壓力傳感器板的形成過程.圖14示出了在壓力傳感器基板65而不是在壓力傳感器膜66中 形成的壓力傳感器空腔64。在壓力傳感器膜66的平的底表面(沒有 井部)上形成電容器上部電極67和電導線68以及絕緣層69.在井部 64中且在壓力傳感器基板65的表面上形成電容器下部電極70和電導 線71。絕緣材料72被沉積在電容器下部電極70上。這形成了與前面 的圖中所示的壓力傳感器板相似的壓力傳感器板，且產生相似的搮作 以檢測和測量膜66進入空腔64內的偏置.差別在于在壓力傳感器基 板而不是壓力傳感器膜中形成壓力傳感器空腔，且壓力傳感器膜將具 有均勻的更薄的厚度。相似地，將在基板而不是膜中形成本實施例中 的溫度傳感器空腔.如果采用壓電電阻率測量壓力，則以已公知的方式對半導體膜(圖 9所示的膜部分48和困14所示的膜66)進行適當摻雜以形成電阻器 75，如圖15所示，其中膜被示作76.當膜偏置進入空腔內時，以已
公知的方式測量膜76上的摻雜電阻器75的電阻變化。當騰由于壓力 產生偏置時，摻雜區域的電阻產生變化，且在例如電阻器的惠斯登電 橋(Wheatstone-bridge)構型中測量這種變化，例如，在n型(100) 半導體晶片76上沿<110>方向形成p型壓敏電阻器，如困15所示. 這些常規壓電電阻硅傳感器不適用于高于120°C的高溫應用，在溫度 高于120。C的情況下，p-n結會泄漏電流。為了防止電流泄漏且增加這些常規壓電電阻硅傳感器的操作溫度，可通過將絕緣體放置在p-n 結之間或以已公知方式利用SOI (絕緣膜上硅)而隔離p-n結，另一 種可選方式是，膜材料可采用寬帶隙材料如GaAs或SiC,在如上所述制造壓力傳感器板和流道基板后，組合的形成壓力傳 感器板的晶片和形成流道基板的晶片隨后以已公知的方式聯結且連結 在一起以形成如圖1、圖2和圖3所示的具有完整微流池的晶片，所 述方式取決于壓力傳感器板和流道基板所選擇的材料組合.連結方法 可以是玻璃燒結、熱壓縮、共晶連結、陽極連結或其它方法.利用微 制造工藝如作為實例所述的那些工藝，可在單個組合晶片上制造多個 流池，且可批量制造多個這種晶片，所述制造都是非常成本有效的方 式。由于可在每個晶片上制造多個流池，因此形成完整流池的組合晶片可進行分塊以將流池分成單個流池或分成包含所需數量的單個流池 的部件。另一種可選方式是，具有流道基板的晶片首先與絕緣膜上硅晶片 進行連結。隨后順序去除處理硅和氧化物。對暴露的裝置Si晶片進 行加工以形成多個傳感器膜。具有多塊壓力傳感器基板的Pyrex 7740 晶片受到獨立加工。隨后優選通過陽極連結工藝組合兩個晶片，在適 當加工出通孔后，連結的晶片隨后被分塊以獲得單個粘度傳感器.每個流池還可包括串聯的多條流道，所述流道具有變化的寬度或 變化的間隙，如圖16所示。圖16示出了本文所述的流池的特定構造 中的具有串聯的兩個不同尺寸的間隙80和81的流道.壓力傳感器空 腔82被設置以允許檢測在具有間隙80的通道部分中流動的流體壓 力，而壓力傳感器空腔83被設置以允許檢測在具有間隙81的通道部 分中流動的流體壓力。溫度傳感器空腔84允許在具有間隙80的通道 部分的開始部分處進行溫度測量且溫度傳感器空腔85允許在具有間 隙81的通道部分的開始部分處進4亍溫度測量。例如還可在具有間隙81
的通道部分的出口端處設置附加的溫度傳感器位置。利用與所述的用 于前面的具有恒定體積通道的實施例的制造技術相同的制造技術形成 通道和壓力傳感板，但在蝕刻、機加工和/或其它通道成形步槺上產 生變型以形成具有兩個或多個不同間隙或寬度的通道.在對迄今本文 描述的內容進行研究后，這種變型對于所使用的制造技術領域的技術人員而言是顯而易見的，圖17-圖20示出了更普遍的本發明的縫隙流 變計，所述流變計包括具有串聯布置的兩個或多個不同流體積的流道。圖17和圖18示出了具有流變計本體的本發明的縫豫流變計，所 述流變計本體被構造具有底部120和頂部121.底部120具有至少兩 個凹進部分，圖中示出了三個凹進部分122、 123和124，所述凹進部 分具有如圖18所示的變化的深度h和固定寬度，凹部形成了液體流 的通道。頂部121是本發明的壓力傳感器板且包括如閨17所示的壓 力傳感器125的陣列，所迷壓力傳感器在閨18中被示作空腔126,且 被隔開以使得至少兩個傳感器125被設置以在每個凹進部分122、 123 和124中的至少兩個不同位置處測量壓力。每個凹進部分具有足夠長 度以確保在每個部分內部形成完全展開流。傳感器被放置以測重完全 展開流的壓力。如圖18最佳示出的壓力傳感器基板121具有與困16 所示的取向相反的取向。被稱作壓力傳感器膜的是晶片121a，對所述晶片進行取向以形成壓力傳感器板的底部，所迷壓力傳感器板的測量 表面面向下朝向液體流道，且被稱作壓力傳感器基板的是121b，對所述121b進行取向以形成壓力傳感器板的頂部，顯然，可沿任何取向使用本發明的壓力傳感器板，底部120的優選材料為硅、玻璃或具有足夠剛性且用于半導體或 微電化學工藝中且可通過濕法化學蝕刻、干法等離子體蝕刻或熱模壓 或這些工藝的組合進行加工的其它材料.如果需要，底部120還可由 多層制成以形成通道122、 123和124.通道的寬度遠大于通道的間隙 h以便使矩形通道的兩側效應最小化，且優選大于所有通道122、 123 和124的間隙的10倍。對頂部121和底部120進行獨立構造且隨后 通過靜電連結(陽極連結)方法、低溫玻璃連結方法、共晶連結方法 或取決于材料或設計的其它方法將所述頂部和底部組合在一起。圖19和圖20示出了被構造具有底部130和頂部131的縫咪流變 計。底部具有至少兩個凹進部分，困中示出了三個凹進部分132、 133 和134,所述凹進部分具有變化的寬度w和固定深度。凹部形成了液 體流的通道。頂部131是本發明的壓力傳感器板且包括如閨19所示 的壓力傳感器135的陣列，所述壓力傳感器在圖20中被示作井部136, 且被隔開以使得至少兩個傳感器1"被設置以在每個凹進部分132、133 和134中的至少兩個不同位罝處測量壓力，每個凹進部分具有足夠長 度以確保在每個部分內部形成完全展開流。傳感器被放置以測量完全 展開流的壓力。通道被構造以使得每條通道的寬度w與間隙的比率在 所有通道中足夠大于10,對于所示的每個縫隙流變計而言，在使用過程中，利用導致試驗 液體流通過由縫隙流變計中的凹部形成的流路的裝置形成液體流，這 種裝置可以是泵或受壓試驗液體的其它來源.在液體流動過程中，通 過每個傳感器測量由液體在壓力傳感器位置處施加的壓力，且通過這 種測量可以已公知的方式確定表觀粘度和真實粘度，由不同尺寸的凹部形成的更大和更小的流路的取向如困17和困19 所示是相反的。液體流采取何種方式通過縫咪或流道并無影響.被測 量用于確定表觀粘度的重要流性質是特定尺寸凹部中的兩個傳感器檢 測到的壓力差，對比不同尺寸凹部中的測量結果以確定液體的實際或 真實粘度。盡管兩個不同尺寸的凹部將相當準確地指示實際粘度，但 存在的凹部越多，準確性越高.兩個或多個凹部的存在還使得通過一 次測量就能測量多個切變率下的粘度。然而，更多凹部導致的費用增 加抵消了準確性的增加。對于本發明的縫隙流變計的集成凹部而言， 增加的凹部的成本與使用具有不同尺寸縫隙的獨立裝置的現有技術相 比降低了，但凹部的增加仍^吏成本增加。通常可通過兩個或三個凹部 獲得處于通常所需范圍內的優良準確性，對于真實粘度測量而言，代替流道包括具有不同流體積的串聯的 至少兩個部分的情況，每個流池可具有如圖21所示的平行的兩條或 多條流道。圖21示出了兩個平行的流池140和141。可通過對包含流 池的晶片進行分塊以使得分塊的部件包括兩個或多個平行的池而形成 這種流池.在使用兩個或多個流池的情況下，可對于每個不同的池使 用獨立的泵。這種情況如圖22示意地示出.泵145將試驗液體泵送 通過導管146到達池147。泵148將試驗液體泵送通過導管149到達
池150。如果池的通道具有相同尺寸且在每個池中使用相同的試驗流 體，則可通過搮縱泵145以一個速率將流體泵送通過流池147且採縱 泵148以不同的速率將流體泵送通過池150而測量真實粘度.對從每 個池獲得的壓力測量結果進行對比以獲得且與流速相關聯以獲得真實 粘度。當然，如果僅使用一個泵和一個流池，如果可調節泵的流速， 則試驗液體可在泵以一個流速搮作的情況下通過池，且隨后可改變流 速且可對于以不同速率被泵送通過池的相同試驗液體進行壓力測量. 如果使用一個泵，則可利用閥或多個閥將流引導至一個池或另一個 池。這如圖23所示。泵152分別通過分配器153以及導管154和155 被連接至池156和157。導管154中的閥158控制通往池156的流， 而導管155中的閥159控制通往池157的流.如果流池的流道具有不 同尺寸，則可通過在恒定流速下搮縱泵且在流池之間切換而測量真實 粘度。對于池中的流道具有相同尺寸的情況，如果通過控流器替代閥 158和159以使得來自泵的流將同時以受控的已知速率流動通過兩個 池156和157，則可測量真實粘度。另一種可選方式是，平行的流池 可適當地與流道或導管或其它連接裝置相連以形成串聯連接的通道. 因此，通道141的排出口 142可被連接至圖21中所示的通道140的 進口 143。這種串聯連接的通道可具有不同通道尺寸以使得實際上產生了具有不同尺寸或流體積的串聯通道。在一些情況下，所希望的是測量液體混合物的粘度.在這種情況 下，可為要混合的每種液體提供獨立的泵，如圖24所示的泵160和 161，且來自每個泵的輸出導管162和163被連接以使得來自每個泵 的液體在將混合液體引導至池165的導管164中混合.通過控制兩個 泵160和161的相對泵送速率而控制混合組分的比率.應該理解，在測量粘度的過程中，通過通道的恒定流速是重要的. 因此，將泵連接至流道或連接多條流道的所述多種流導管應該具有足 夠剛性以防止產生可能導致通過通道的液體流改變的拉伸和膨出.圖1、圖7、圖10、圖15和圖16中所述的發明具有位于壓力傳感器基板底部處的連結墊以使得連結墊被連接至檢測電路.然而，對 于某些應用而言可能不需要這種連結墊構型.而是，連結墊可被放置 在壓力傳感器基板的頂部上超出流道以暴露出所述連結墊。暴露的墊 利用引線被進一步連結至檢測電路。為了形成這種連結墊構型，在壓 力傳感器膜上制造出的導體導線應該被適當傳送至壓力傳感器基板頂 部上的連結墊。這種粘度傳感器可進一步與流速傳感器整合.流傳感器測量液體 的流速且粘度傳感器測量沿流道的壓力降.在流速和壓力降已知的愔 況下，可測量表觀粘度，為了測量真實粘度，需要測量不同流速的壓 力降.這可通過連接具有不同間隙的流道或通過改變流速而實現.當 液體流動通過流道時，每奈通道中的流速由于橫截面的變化而改變. 流速的變化改變了每條通道中的壓力降。通過所測得的每條通道的壓 力降，可獲得真實粘度。可與粘度傳感器一起使用的流速傳感器是熱 線流速傳感器、聲波流速傳感器、科里奧利流速傳感器等。這些傳感 器以已公知的方式被構造和整合。盡管在此已經結合目前預想作為在實踐中實施本發明的最佳模式 的本發明的實施例對本發明進行了圖示和說明，但應該意識到,可作 出多種變化以使本發明適于不同實施例，而不會偏離在此披露的發明 理念。
權利要求
1、 一種用于確定液體粘度的縫據流變計，所迷縫隙流變計包括 包含三個側壁的具有至少一條流道的通道基板、至少一個流入口和至少一個流出口；具有至少兩個獨立壓力傳感器的整體式傳感器板，所述至少兩個 獨立壓力傳感器沿縱向位于所迷至少一條流道的每條流道中充分遠離 所述入口和出口的兩個不同位置處以使得可測量完全展開流的壓力 降；所述通道基板和所迷傳感器板被組合在一起以使得所述傳感器板 表面成為側壁，所述側壁使得能夠在所述液體沿除液體入口和出口區 域的所述通道流動的過程中與所述液體的所述通il^基板的所述三個側 壁一起被完全包含。
2、 根據權利要求1所述的縫隙流變計，附加地包括使液體受力 以已知的體積流速流動通過通道的裝置，
3、 根據權利要求1所述的縫隙流變計，其中所述流道具有一定 寬度和深度且其中所述流道的所述寬度比所述至少一條流道的每條流 道中所述流道的所述深度大至少約10倍。
4、 根據權利要求1所迷的縫隙流變計，其中所迷傳感器板具有 用于所述至少一條流遣的每條流道的至少一個溫度傳感器，所述溫度 傳感器被設置以測量流動通過所迷流道的所述液體的溫度。
5、 根據權利要求1所述的縫隙流變計，其中存在串聯連接的至 少兩條流道。
6、 根據權利要求5所述的縫隙流變計，其中所述至少兩條流道的通道深度不同。
7、 根據權利要求1所述的縫隙流變計，其中所述至少兩條流道的通道寬度不同。
8、 根據權利要求1所述的縫隙流變計，其中存在平行的至少兩條通道。
9、 根據權利要求1所述的縫隙流變計，其中所述至少一條通道 的深度處于微米數量級.
10、 根據權利要求9所迷的縫隙流變計，其中所迷至少一條通道 的寬度為至少約IO微米。
11、 根據權利要求10所迷的縫咪流變計，其中所迷至少一條通道具有至少約ioo微米的長度。
12、 根據權利要求1所述的縫隙流變計，其中所述壓力傳感器是 電容壓力傳感器。
13、 一種縫隙流變計，所述縫隙流變計包括 本體；所述本體中的多個凹部，每個所迷凹部具有不同尺寸且被串聯連 接在一起以形成通過所迷本體的流道；和與每個凹部相關聯以指示由流動通過所述凹部的液體在與所述凹 部相關聯的每個所述壓力傳感器的位置處施加在所述凹部上的壓力的 多個壓力傳感器。
14、 根據權利要求13所述的縫隙流變計，其中存在至少兩個凹部。
15、 根據權利要求13所迷的縫咪流變計，其中存在與每個凹部 相關聯的至少兩個壓力傳感器。
16、 根據權利要求13所述的縫隙流變計，其中所述凹部分別具 有不同深度。
17、 根據權利要求13所述的縫隙流變計，其中所迷凹部分別具 有不同寬度，
18、 一種制造縫隙流變計的方法，所述方法包括 在微制造晶片中蝕刻出至少兩個空腔；使所述蝕刻的微制造晶片與基板組合在一起以形成壓力傳感器 板，所述壓力傳感器板具有在所述空腔中形成的壓力傳感器；并且使所述壓力傳感器板與另一塊基板組合在一起以形成流道，液體 可流動通過所述流道，所迷流道在所述壓力傳感器板中的所迷壓力傳 感器上通過。
19、 根據權利要求18所述的制造縫隙流變計的方法，其中利用 化學蝕刻工藝蝕刻出所述至少兩個井部。
20、 根據權利要求18所述的制造縫隙流變計的方法，其中利用 等離子體蝕刻工藝蝕刻出所述至少兩個井部。
21、 根據權利要求18所述的制造縫隙流變計的方法，其中利用 化學蝕刻工藝和等離子體蝕刻工藝的組合工藝蝕刻出所述至少兩個井 部。
22、 根據權利要求18所述的制造縫咪流變計的方法，其中所述 壓力傳感器是電容型傳感器。
23、 根據權利要求18所述的制造縫隙流變計的方法，其中所述 壓力傳感器是壓阻型傳感器。
全文摘要
一種改進的微縫隙粘度計包括組合的微米深度矩形縫隙流道和以所需流速將試驗樣品注入所述通道的泵送系統，所述流道具有位于所述流道中的整體集成的多個壓力傳感器。所述整體集成壓力傳感器的壓力傳感膜片是光滑的以使流動擾動最小化，由此測量準確的局部壓力。通過在所述通道的不同位置處測量所述壓力，可計算出試驗樣品的真實粘度。所述粘度計可包括多條流道且因此可在給定流速下同時測量在多個切變率下的所述真實粘度，由此以快得多的方式獲得作為非牛頓液體的剪切率函數的完全粘度曲線。所述粘度計僅需要極少量的樣品，這使試驗材料的浪費最小化。利用微制造工藝在晶片上制造并組合所述流道和所述整體集成壓力傳感器，這樣大大降低了生產成本。
文檔編號G01N11/08GK101124467SQ200580014842
公開日2008年2月13日 申請日期2005年3月11日 優先權日2004年3月11日
發明者S·-G·貝克 申請人:電流感應器公司