具有整体集成压力传感器的微缝隙式粘度计的制作方法

专利名称：具有整体集成压力传感器的微缝隙式粘度计的制作方法
技术领域：
本发明属于测量液体真实粘度的小型装置领域。
技术背景粘度是液体流动阻力的量度且粘度值取决于非牛镇液体的变形率，正如作者为R. B. Bird，R. C. Armstrong和O. Hassager在Dynamics of Polymeric Liquids (聚合物液体的动力学)Vol. 1, 1987中所描 述的那样。所述变形率由单位(时间)1的切变率确定.在已公知的 切变率下测得的粘度是"真实"粘度.真实粘度与切变率的关系曲线 是表现材料特性的粘度曲线并且是在有效加工过程中考虑的重要的因 素。但是在多种情况下粘度是在不定的试验条件下测得的，这使得不 能获知或计算切变率.在不定条件下，测量到的粘度值仅仅是"表观 的"。由于真实粘度是在已知的切变率下测得的，闳此真实粘度是通 用的，而表观粘度并非如此。代替地，表观粘度取决于测量系统.例 如，作为一般惯例，当浸没在大量试验液体中的轴以恒定速率旋转时， 测量轴的扭矩。在这种情况下，扭矩值仅产生表观粘度，这是因为试 验条件不定且未获知切变率.在最佳情况下，可测得作为轴旋转速率 函数的表观粘度。事实上，只有当获知试验液体的"本构方程"时， 轴的旋转速率才可能与切变率相关。然而，几乎所有的非牛頓液体的 "本构方程"都不是已知的，因此，对于大多数非牛顿液体而言，无 法在不定试验条件下测量真实粘度。已经开发出仅给出表观粘度的方法且所迷方法在制造过程和材料 特性表征过程中用于进行质量控制。已经设计了用于进行实时粘度测 量的多种在线粘度计。现有技术专利Nos. 5, 317, 908 (Fitzgerald等) 和4, 878, 378 ( Harada )关注于测量表观粘度以进行工艺控制的系统。 现有技术专利No. 6, 393, 898 (Hajduk等)描述了同时测量多种试验 液体的系统.这些粘度计测量的是表观粘度.然而，由于表覌粘度测 量的非通用性，当需要时，必须单独找出通过特定方法測量的特定样 品的表观粘度与真实粘度之间的关系。剂型或材料的根本发展需要真
实粘度测量'此外，加工设备和附件如模具、模型、挤塑螺钉等的设 计需要材料的真实粘度资料。然而，表观粘度測量已被用于进行快速 试验作为指标，这是罔为表观粘度的测量更简易且更快速且通常更经济。真实粘度更难以获得且仅可通过几种仪器流变计和毛细管粘度 计测量所述真实粘度。流变计在试验样品上施加精确且已知的切变率 由此测量真实粘度.流变计具有多种用途且配备用以测量其它性质. 因此，它们通常比较昂贵。通过流变计测量粘度通常需要大量样品。 此外，流变计不太适于在线应用。圃形毛细管粘度计是另一类仪器， 所述仪器可根据是否考虑适当补偿而测量表观和真实粘度.毛细管粘 度计需要沿毛细管测量压力降以确定粘度.由于毛细管是圃形的，因 此仅可测量入口和出口处的压力。由于这种限制，因此除非通过利用 具有不同长度直径比的两条不同的毛细管修正入口效应，否則毛细管 粘度计仅能测量表观粘度。然而，利用两条毛细管使得粘度计体积庞 大且测量变得耗时.现有技术中示出了毛细管粘度计专利Nos. 6, 575, 019 (Larson) ; 4, 920, 787 (Dual等);4,916, 678 (Johnson 等)；和4, 793, 174 (Yau)。现有技术中也披露了微流控粘度计 6,681,616 (Michael Spaid等)；20030182991 (Michael Spaid等)' 利用标志器在流体通道中的滞留时间测量粘度，除非试验液体是牛顿 液体，否则所述粘度不是真实粘度，与本发明相关的矩形缝隙式粘度计被用于測量真实粘度且在作者 为C. D. Han的Rheology in Polymer Processing (聚合物加工过程中的流变学)，1976中对其进行充分了描述.在这些粘度计中，试验 液体在矩形缝隙流道内部流动且通过配置的压力传感器测量給定流速 下沿流道的局部压力。与毛细管粘度计相反地，缝隙内部是平的以使 得可通过安装在缝隙中的压力传感器测量缝隙中的压力.压力传感器 的位置必须充分处于流道内部以测量完全展开流的压力.通过压力测 量，可计算壁切变应力。当流速改变时，切变率可发生变化.通过测 量不同切变率下的壁切变应力，利用已4^知的Weissenberg-Rabinowitsch修正式计算真实粘度，这比在利用圃形毛细管粘度计的 情况下利用两条独立毛细管的情况简单得多.然而，只有当流道宽度 足够大于流道深度的情况下，这些粘度测量装置才是更简单的。这些 缝隙式粘度计需要泵送系统以精确控制试验液体的体积流速，通常，
当液体流出挤出机时，缝隙式粘度计被用作挤出机的附件.在目前实 践中，压力传感器被单独安装到板上，所迷板具有足够水平度以測量 未扰动压力。然而，众所周知的是，流的扰动会大大影响压力測量， 特别是对于粘弹性非牛顿液体而言。由于安装压力传感器所致的任何 轻微的表面粗糙度都可能成为试验样品沉积的来源，所述沉积使长期 性能降级。安装单独的压力传感器以消除表面粗糙度是困难的。罔此， 测量准确性通常受损，这取决于单独的压力传感器被安装在流道中的 良好程度。已经发现可通过微缝隙流道中的整体集成压力传感器克服 上述问题。对于单个缝隙几何形状，仅可通过改变泵送系统控制的体 积流速而改变切变率。大多数目前的缝隙式粘度计是通过常规机加工 工艺单独制造出来的，且被制造用于相对较大的样品.因此，这些常 规缝隙式粘度计不适于测量仅有少量可得的试验样品的粘度。利用具有整体集成压力传感器的微缝隙流道可能极为有利，微缝隙式粘度计 允许采用用于制造微芯片的微制造工艺且因此可在单个晶片上制造大 量这些微缝隙式粘度计。本发明因此使得微缝睐式粘度计极为成本有效。发明内容根据本发明，通过制造整体式压力传感器阵列且使所述阵列与独 立的微制造流道组合而确保压力传感区域具有相当平滑的内表面，所 述平滑内表面确保缝隙流受到更小的扰动且测得准确的局部压力且所 迷内表面更不可能受到试验材料沉积的损伤。所述缝咪流道被构造成 微米尺度以使得进行粘度测量仅需要极少量的样品。此外，利用Micro-Electro-Mechanical系统实施批量微制造工艺而在晶片上制造压力传感器和流道。这种批量晶片工艺同时制造了多个相同的部件且 由此降低了微粘度计的制造成本。微制造和微机加工工艺的进步使得灵敏的固态压力传感器能够实 现小型化。这种尺寸降低允许进一步强化功能.此外，微制造的技术 进步使得更易于调节压力传感器的灵敏性且改进了读出电路设计。这 些改进允许为实现多种目的且为了测量多种粘度而调节所速微粘度 计。在本发明的优选实施例中，所述缝隙式粘度计包括流池和能够以
受控方式引导流的泵送系统，所述流池进一步包括用于流的具有微米 数量级深度的微制造流道(或多条流道)和整体式压力传感器阵列. 所述通道或多条通道的深度优选处于1微米的数量级，所述通道的长度长于100微米，且宽度宽于10微米，以已公知的批量工艺在晶片上制造所迷流道。还在晶片或多个晶片上制造整体式压力传感器阵 列。具有多条流道的所述微制造晶片以已公知的方式与具有多个整体 式压力传感器阵列的所述微制造晶片组合，所述组合晶片具有多个流 池，所述流池被进一步分块成独立的单个流池，在所迷缝隙粘度计中， 试验液体受到泵送以从所述流道的一端流至另一端且测量沿所迷流道 的所得压力降。
一种优选方法是通过已公知方式对晶片如硅(Si)、碎化镓 (GaAs)、硼硅酸盐(Pyrex 7740,即一种派拉克斯玻鴻)或这些材 料的衍生物进行蚀刻以形成所述流道。
一种优选的形成压力传感器的制造方法是在板上形成多个空腔以 使得所述板的平滑测量表面在所迷空腔上进行延伸以形成所述空腔的 端部，所述端部将响应于施加到所述空腔上的所述平滑表面上的压力 而产生轻微变形。在每个空腔上形成单个且简单的检測机构以测量试 验液体施加在所述空腔上的所述表面上的压力。所述检測机构是电容 性机构、压电电阻机构或光学机构.
本发明的主要目的是提供一种微缝隙流粘度计，所述粘度计包括 与整体式压力传感器阵列组合以测量极少量样品的粘度的流道，本发 明的另 一个目的在于在微制造中共用的晶片上制造所述流道和压力传 感器且所述流道和压力传感器组合从而以成本有效的方式大量生产粘 度计。


目前预想的用于实施本发明的最佳模式如附困所示，其中
图l是本发明的微缝咪流池的顶部平面图2是沿图l的线2-2截取的图l所示流池的垂直剖視困；
图3是缝隙流池的另一种可选通道入口和出口构型的垂直剖视图4是流道基板的顶部平面图； 图5是沿图4的线5-5截取的图4所示的流道基板的垂直剖視困；图6是示出了在具有绝缘膜上硅晶片的基板上形成空腔的工序的 一系列垂直剖视图；图7是整体式压力传感器阵列的顶部平面图；图8是沿图7所示的微缝隙流池的线8-8截取的闺7所示的整体 式压力传感器阵列的垂直剖视图；图9是示出了空腔和薄膜剖面的单个压力传感器的放大分段垂直 剖视图；图10是整体式压力传感器阵列的压力传感器基板上的闺案的顶 部平面图；图11是沿图10的线11-11截取的图10所示的压力传感審基板 的垂直剖视图；图12是与压力传感器基板接界的压力传感器膜上的困案的顶部平面图；图13是沿图12所示的线13-13截取的图12所示的压力传感器膜的垂直剖视图；图14是整体式压力传感器阵列的另一种可选设计的垂直剖視困； 图15是用于测量压力的硅膜上的压敏电阻器闺案的顶部平面闺； 图16是另一种可选多通道流池的垂直剖視困；和 图17是包括具有不同尺寸部分的通道的缝隙流变计的另一个实施例的透视困；图18是沿图17的线18-18截取的图17所示的錄睐流变计的垂 直剖视图；图19是包括具有不同尺寸部分的通道的缝咪流变计的又一个实 施例的顶部平面图；图20是沿图19的线20-20截取的困19所示的缝睐流变计的垂 直剖視图；图21是具有并排放置的多条通道的缝睐流变计的顶部平面图；图22是示出平行的流池和泵的缝纷:流变计系统的框闺；图23是具有连接至两个流池的单个泵的缝凍流变计系统的框困；和图24是用于混合试验液体的缝隙流变计系统的框闺，所迷缝隙 流变计系统具有供给单个流池的两个泵。
具体实施方式
本发明的微缝隙流池的一个实施例如图1和困2所示且包括流的 入口或进口 20、流的出口或排出口 21和其间的流道22.流遣22沿通道具有微米范围的预定均匀深度(间隙).通道宽度远大于通道深 度以使得流动通过通道可被认为是一维问题而不是二维问趙.宽度与 深度之比优选大于10,通道的优选宽度处于微米数量级.通道的优选 长度为至少100微米，分别排除了入口区域23和出口区域24.为了 测量试验液体的真实粘度，未示出的泵送系统使试验液体受力从而以 可控恒定体积流速流动通过微缝隙流池的流道22.由于徵流池需要的 体积较小，因此优选利用用于小体积的泵送系统.微注射泵是多种可 能泵送系统中的一种.微注射泵易于得到且未示出的选定微注射泵以 已公知的方式连接至流池的入口 20.也未示出的排放装置或排放系统 以已公知的方式连接至出口或排出口 21。当试验液体在流道22中移动时，沿箭头25所示的流向产生压力 降。如果在充分远离入口区域23和出口区域24的位置处測量压力以 使得可测得完全展开流的恒定压力降，则压力降表示在流道22中流 动的试验液体具有稳态切变应力，对于压力降測量而言，压力传感器 位于沿流道22放置在远离入口和出口区域的不同位置处的压力传感 器空腔26内。压力传感器在相应的空腔26的位置处测量流道22中 的流动液体的压力。优选沿流道22放置至少两个压力传感器空腔26 以及相关联的压力传感器，图1和图2中示出了四个这种压力传感器 空腔。已公知的是液体粘度对温度非常敏感.因此，有必要在流道上 保持大体上均勻的温度以实现准确的粘度测量。此外，试验液体的温 度需要已知。因此优选测量流动通过流道的试验液体的温度.为此原 因，沿流道在入口区域附近设置了温度传感器空腔28.如果需要，图 1和图2未示出的附加温度传感器空腔可被设置在接近出口区城的位 置处以监控温度均匀性或提供用于修正获得的粘度测量结果的温度变 化信息.在流池底部，设置了连结垫29以4吏得可以简单方式实现与 压力传感器、温度传感器和可能设置的其它传感器的必要电连接，例 如通过引线接合技术或其它表面安装技术连接至基于徵控制器的PCB (印刷电路板)读出电路.可使进入入口 20和离开出口 21的流垂直 于流道22，如图2所示，或与流道22平行，如图3所示，这取决于 所需的通道和池构型，且所迷流在入口处与泵送系统接界且在出口处 与排放系统接界。流池包括流道基板30和由传感器膜31和传感器基板32形成的 传感器板。流道基板30具有如图4和图5所示的空腔33，当基板与 传感器板组合时，所述空腔形成了如图2和图3所示的流道22.流道 基板30还可具有形成通道入口 20的进口孔34和形成通道出口 21的 排出口孔35。传感器膜31形成了沿流道22 —側的大体上平滑的整体 式流道压力传感表面36,所述表面沿图2和图3所示的取向被示作底 部通道表面。压力传感器和温度传感器优选被整合入传感器板内，因 此形成了压力传感器与一个或多个温度传感器的整体式整合阵列.整 体式压力传感表面36提供了足够平滑的流道压力传感表面以提供更 准确的压力测量和潜在地比如果压力传感器被单独且独立地放置在压力传感表面上或其中的情况更长的装置，流道基板30具有空腔33，所述空腔具有良好限定的预定深度， 如图4和5所示，在该空腔33中，宽度比深度大得多，在利用徵制 造工艺中已公知的光刻工艺在基板上形成一定困案的光致抗蚀刑后， 可通过对基板进行蚀刻形成空腔，蚀刻方法可以是湿法化学蚀刻或等 离子体干法蚀刻。在晶片水平上实施这些蚀刻工艺以使得可同时形成 多个空腔。对于晶片而言，可利用硼硅酸盐玻璃(Pyrex 7740)、硅、 GaAs或微制造工艺中使用的其它材料。可以已公知的方式对这些晶片 实施蚀刻。如果基板30釆用Pyrex，则通过緩冲氢氟酸溶液或緩冲氧 化物蚀刻器(BOE)对Pyrex进行蚀刻以形成空腔33.可通过超声波 切割、其它机械机加工技术或通过蚀刻形成进口或入口孔34以及排 出口或出口孔35。图6示出了用于在流道基板30中形成流腔33的另一种可选方法. 首先，具有未示出的用作入口和出口的孔的Pyrex晶片40被连结到SOI (绝缘膜上硅)晶片的器件硅41上，所述绝缘膜上硅晶片包括利用 常规命名法命名的器件硅41、埋置氣化物42和处理硅43.这如图6A 所示。随后蚀刻掉处理硅43以实现6B的晶片形成过程。暴露的氧化 物层42在44处形成一定困案，如困6C所示，从而随后对器件硅层41
进行蚀刻以形成空腔45，如闺6D所示。随后去除氧化物层以提供闺 6E所示的流道基板。另一种可选方式是，可通过首先对硅进行氡化在 硅晶片上形成空腔.将氧化物制成一定闺案以形成蚀刻掩膜，随后， 通过已公知的方式对暴露的硅进行蚀刻以形成空腔。随后去除剩余氣 化物。传感器板包括压力传感器膜31和压力传感器基板32.在膜31与 基板32之间的界面处，存在用于压力传感装置和用于温度传感装置 的空腔。可在压力传感器膜的背面或下面中、在压力传感器基板中或 二者中形成空腔.当压力被施加到空腔上的压力传感表面36上时， 在每个空腔上延伸的膜部分产生偏置，且测量膜进入空腔内的偏置量 以指示施加到空腔上的压力传感表面上的压力.图2、困3、图8和 图9示出了在压力传感器膜31的背面或下面中形成的压力传感器空 腔26和温度传感器空腔28。可根据需要通过电容变化、电阻变化、 光路变化或其它类型的压力传感器测量在空腔上延伸的压力传感器膜 部分，如图9中的48所示，产生的偏置.图9示出了电容压力传感器，当压力传感器空腔26上的膜部分48 在由在膜部分48上流动的试验液体施加的不同压力下产生变形时， 所迷电容压力传感器测量电容变化。在本实施例中，空腔26具有两 个側部50和51，且每个側部50和51分別具有安装到其上的电极52 和53。绝缘层54使上部电极52与压力传感器膜材料分开，而下部电 极53被直接安装到压力传感器基板上.绝缘材料55被设置在电容下 部电极53的上表面上以防止电极在压力下产生短路，所述压力将使 膜部分48产生充分变形从而导致电极52要不然接触电极53 两个电 极的电容取决于电极的分离且随着电极之间的间隙或距离的变化而变 化，所述间隙或距离随着空腔上的膜部分48在压力下产生偏置而产 生变化。利用微制造工艺在晶片上制造传感器板。可通过对Pyrex晶片进 行加工而制备压力传感器基板32，如图10和图11所示.铬或钛和铂 被顺序沉积且形成一定闺案以在Pyrex表面上形成温度传感器57,通 过将金属沉积在Pyrex上呈一定图案的抗蚀剂上形成底部电容器电极 53和电导线58。去除抗蚀剂以留下呈一定图案的金属.如果需要， 可在沉积金属前利用呈一定图案的抗蚀剂作为蚀刻掩膜对Pyrex进行轻微蚀刻以使得大多数沉积金属被埋置在Pyrex中.随后将氣化物沉 积在电容器电极上以形成绝缘材料55。可对Pyrex进行超声波机加工 以形成通孔60。可利用例如绝缘膜上硅晶片制造压力传感器膜.如结合躅6所示， 且参见图6， SOI (绝缘膜上硅)晶片包括器件硅41、埋置氣化物42 和处理硅43.绝缘膜上硅晶片不包括如图6A所示的pyrex40.在利 用绝缘膜上硅晶片制造传感器膜的过程中，利用呈一定闺案的氣化物 作为蚀刻掩膜对成为压力传感器膜材料31的器件砝进行烛刻从而在 膜的下面上形成所需的压力传感器空腔26和温度传感器空腔28.随 后去除氧化物且用于形成绝缘材料54的新鲜氧化物层在器件硅上生 长。金属所后沉积在位于绝缘膜上硅的器件硅上的氧化物层上呈一定 图案的抗蚀剂上。去除抗蚀刑以形成电容器上部电极52且形成通过 绝缘氧化物层54与器件硅31分开的电导线61，如图13所示.用于形成压力传感器膜的经过加工的绝缘膜上硅晶片随后被连结 至形成压力传感器基板的经过加工的Pyrex晶片上。随后利用孔眼掩 膜将材料沉积在pyrex压力传感器基板上以形成如闺11所示的连结 垫29，且沿通孔60形成与导线58相连的电连接件62,随后去除处成压力传感器板的形成过程.图14示出了在压力传感器基板65而不是在压力传感器膜66中 形成的压力传感器空腔64。在压力传感器膜66的平的底表面(没有 井部)上形成电容器上部电极67和电导线68以及绝缘层69.在井部 64中且在压力传感器基板65的表面上形成电容器下部电极70和电导 线71。绝缘材料72被沉积在电容器下部电极70上。这形成了与前面 的图中所示的压力传感器板相似的压力传感器板，且产生相似的搮作 以检测和测量膜66进入空腔64内的偏置.差別在于在压力传感器基 板而不是压力传感器膜中形成压力传感器空腔，且压力传感器膜将具 有均匀的更薄的厚度。相似地，将在基板而不是膜中形成本实施例中 的温度传感器空腔.如果采用压电电阻率測量压力，则以已公知的方式对半导体膜(图 9所示的膜部分48和困14所示的膜66)进行适当掺杂以形成电阻器 75，如图15所示，其中膜被示作76.当膜偏置进入空腔内时，以已
公知的方式测量膜76上的掺杂电阻器75的电阻变化。当騰由于压力 产生偏置时，掺杂区域的电阻产生变化，且在例如电阻器的惠斯登电 桥(Wheatstone-bridge)构型中测量这种变化，例如，在n型(100) 半导体晶片76上沿<110>方向形成p型压敏电阻器，如困15所示. 这些常规压电电阻硅传感器不适用于高于120°C的高温应用，在温度 高于120。C的情况下，p-n结会泄漏电流。为了防止电流泄漏且增加这些常规压电电阻硅传感器的操作温度，可通过将绝缘体放置在p-n 结之间或以已公知方式利用SOI (绝缘膜上硅)而隔离p-n结，另一 种可选方式是，膜材料可采用宽带隙材料如GaAs或SiC,在如上所述制造压力传感器板和流道基板后，组合的形成压力传 感器板的晶片和形成流道基板的晶片随后以已公知的方式联结且连结 在一起以形成如图1、图2和图3所示的具有完整微流池的晶片，所 述方式取决于压力传感器板和流道基板所选择的材料組合.连结方法 可以是玻璃烧结、热压缩、共晶连结、阳极连结或其它方法.利用微 制造工艺如作为实例所述的那些工艺，可在单个组合晶片上制造多个 流池，且可批量制造多个这种晶片，所述制造都是非常成本有效的方 式。由于可在每个晶片上制造多个流池，因此形成完整流池的组合晶片可进行分块以将流池分成单个流池或分成包含所需数量的单个流池 的部件。另一种可选方式是，具有流道基板的晶片首先与绝緣膜上硅晶片 进行连结。随后顺序去除处理硅和氧化物。对暴露的装置Si晶片进 行加工以形成多个传感器膜。具有多块压力传感器基板的Pyrex 7740 晶片受到独立加工。随后优选通过阳极连结工艺组合两个晶片，在适 当加工出通孔后，连结的晶片随后被分块以获得单个粘度传感器.每个流池还可包括串联的多条流道，所述流道具有变化的宽度或 变化的间隙，如图16所示。图16示出了本文所述的流池的特定构造 中的具有串联的两个不同尺寸的间隙80和81的流道.压力传感器空 腔82被设置以允许检测在具有间隙80的通道部分中流动的流体压 力，而压力传感器空腔83被设置以允许检测在具有间隙81的通道部 分中流动的流体压力。温度传感器空腔84允许在具有间隙80的通道 部分的开始部分处进行温度测量且温度传感器空腔85允许在具有间 隙81的通道部分的开始部分处进4亍温度测量。例如还可在具有间隙81
的通道部分的出口端处设置附加的温度传感器位置。利用与所述的用 于前面的具有恒定体积通道的实施例的制造技术相同的制造技术形成 通道和压力传感板，但在蚀刻、机加工和/或其它通道成形步槺上产 生变型以形成具有两个或多个不同间隙或宽度的通道.在对迄今本文 描述的内容进行研究后，这种变型对于所使用的制造技术领域的技术人员而言是显而易见的，图17-图20示出了更普遍的本发明的缝隙流 变计，所述流变计包括具有串联布置的两个或多个不同流体积的流道。图17和图18示出了具有流变计本体的本发明的缝豫流变计，所 述流变计本体被构造具有底部120和顶部121.底部120具有至少两 个凹进部分，图中示出了三个凹进部分122、 123和124，所述凹进部 分具有如图18所示的变化的深度h和固定宽度，凹部形成了液体流 的通道。顶部121是本发明的压力传感器板且包括如闺17所示的压 力传感器125的阵列，所迷压力传感器在闺18中被示作空腔126,且 被隔开以使得至少两个传感器125被设置以在每个凹进部分122、 123 和124中的至少两个不同位置处测量压力。每个凹进部分具有足够长 度以确保在每个部分内部形成完全展开流。传感器被放置以测重完全 展开流的压力。如图18最佳示出的压力传感器基板121具有与困16 所示的取向相反的取向。被称作压力传感器膜的是晶片121a，对所述晶片进行取向以形成压力传感器板的底部，所迷压力传感器板的测量 表面面向下朝向液体流道，且被称作压力传感器基板的是121b，对所述121b进行取向以形成压力传感器板的顶部，显然，可沿任何取向使用本发明的压力传感器板，底部120的优选材料为硅、玻璃或具有足够剛性且用于半导体或 微电化学工艺中且可通过湿法化学蚀刻、干法等离子体蚀刻或热模压 或这些工艺的组合进行加工的其它材料.如果需要，底部120还可由 多层制成以形成通道122、 123和124.通道的宽度远大于通道的间隙 h以便使矩形通道的两側效应最小化，且优选大于所有通道122、 123 和124的间隙的10倍。对顶部121和底部120进行独立构造且随后 通过静电连结(阳极连结)方法、低温玻璃连结方法、共晶连结方法 或取决于材料或设计的其它方法将所述顶部和底部组合在一起。图19和图20示出了被构造具有底部130和顶部131的缝咪流变 计。底部具有至少两个凹进部分，困中示出了三个凹进部分132、 133 和134,所述凹进部分具有变化的宽度w和固定深度。凹部形成了液 体流的通道。顶部131是本发明的压力传感器板且包括如闺19所示 的压力传感器135的阵列，所述压力传感器在图20中被示作井部136, 且被隔开以使得至少两个传感器1"被设置以在每个凹进部分132、133 和134中的至少两个不同位罝处测量压力，每个凹进部分具有足够长 度以确保在每个部分内部形成完全展开流。传感器被放置以测量完全 展开流的压力。通道被构造以使得每条通道的宽度w与间隙的比率在 所有通道中足够大于10,对于所示的每个缝隙流变计而言，在使用过程中，利用导致试验 液体流通过由缝隙流变计中的凹部形成的流路的装置形成液体流，这 种装置可以是泵或受压试验液体的其它来源.在液体流动过程中，通 过每个传感器测量由液体在压力传感器位置处施加的压力，且通过这 种测量可以已公知的方式确定表观粘度和真实粘度，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。液体流采取何种方式通过缝咪或流道并无影响.被测 量用于确定表观粘度的重要流性质是特定尺寸凹部中的两个传感器检 测到的压力差，对比不同尺寸凹部中的测量结果以确定液体的实际或 真实粘度。尽管两个不同尺寸的凹部将相当准确地指示实际粘度，但 存在的凹部越多，准确性越高.两个或多个凹部的存在还使得通过一 次测量就能测量多个切变率下的粘度。然而，更多凹部导致的费用增 加抵消了准确性的增加。对于本发明的缝隙流变计的集成凹部而言， 增加的凹部的成本与使用具有不同尺寸缝隙的独立装置的现有技术相 比降低了，但凹部的增加仍^吏成本增加。通常可通过两个或三个凹部 获得处于通常所需范围内的优良准确性，对于真实粘度测量而言，代替流道包括具有不同流体积的串联的 至少两个部分的情况，每个流池可具有如图21所示的平行的两条或 多条流道。图21示出了两个平行的流池140和141。可通过对包含流 池的晶片进行分块以使得分块的部件包括两个或多个平行的池而形成 这种流池.在使用两个或多个流池的情况下，可对于每个不同的池使 用独立的泵。这种情况如图22示意地示出.泵145将试验液体泵送 通过导管146到达池147。泵148将试验液体泵送通过导管149到达
池150。如果池的通道具有相同尺寸且在每个池中使用相同的试验流 体，则可通过搮纵泵145以一个速率将流体泵送通过流池147且採纵 泵148以不同的速率将流体泵送通过池150而测量真实粘度.对从每 个池获得的压力测量结果进行对比以获得且与流速相关联以获得真实 粘度。当然，如果仅使用一个泵和一个流池，如果可调节泵的流速， 则试验液体可在泵以一个流速搮作的情况下通过池，且随后可改变流 速且可对于以不同速率被泵送通过池的相同试验液体进行压力測量. 如果使用一个泵，则可利用阀或多个阀将流引导至一个池或另一个 池。这如图23所示。泵152分别通过分配器153以及导管154和155 被连接至池156和157。导管154中的阀158控制通往池156的流， 而导管155中的阀159控制通往池157的流.如果流池的流道具有不 同尺寸，则可通过在恒定流速下搮纵泵且在流池之间切換而测量真实 粘度。对于池中的流道具有相同尺寸的情况，如果通过控流器替代阀 158和159以使得来自泵的流将同时以受控的已知速率流动通过两个 池156和157，则可测量真实粘度。另一种可选方式是，平行的流池 可适当地与流道或导管或其它连接装置相连以形成串联连接的通道. 因此，通道141的排出口 142可被连接至图21中所示的通道140的 进口 143。这种串联连接的通道可具有不同通道尺寸以使得实际上产生了具有不同尺寸或流体积的串联通道。在一些情况下，所希望的是测量液体混合物的粘度.在这种情况 下，可为要混合的每种液体提供独立的泵，如图24所示的泵160和 161，且来自每个泵的输出导管162和163被连接以使得来自每个泵 的液体在将混合液体引导至池165的导管164中混合.通过控制两个 泵160和161的相对泵送速率而控制混合组分的比率.应该理解，在测量粘度的过程中，通过通道的恒定流速是重要的. 因此，将泵连接至流道或连接多条流道的所述多种流导管应该具有足 够刚性以防止产生可能导致通过通道的液体流改变的拉伸和膨出.图1、图7、图10、图15和图16中所述的发明具有位于压力传感器基板底部处的连结垫以使得连结垫被连接至检測电路.然而，对 于某些应用而言可能不需要这种连结垫构型.而是，连结垫可被放置 在压力传感器基板的顶部上超出流道以暴露出所述连结垫。暴露的垫 利用引线被进一步连结至检测电路。为了形成这种连结垫构型，在压 力传感器膜上制造出的导体导线应该被适当传送至压力传感器基板顶 部上的连结垫。这种粘度传感器可进一步与流速传感器整合.流传感器测量液体 的流速且粘度传感器测量沿流道的压力降.在流速和压力降已知的愔 况下，可测量表观粘度，为了测量真实粘度，需要測量不同流速的压 力降.这可通过连接具有不同间隙的流道或通过改变流速而实现.当 液体流动通过流道时，每奈通道中的流速由于橫截面的变化而改变. 流速的变化改变了每条通道中的压力降。通过所测得的每条通道的压 力降，可获得真实粘度。可与粘度传感器一起使用的流速传感器是热 线流速传感器、声波流速传感器、科里奥利流速传感器等。这些传感 器以已公知的方式被构造和整合。尽管在此已经结合目前预想作为在实践中实施本发明的最佳模式 的本发明的实施例对本发明进行了图示和说明，但应该意识到,可作 出多种变化以使本发明适于不同实施例，而不会偏离在此披露的发明 理念。
权利要求
1、 一种用于确定液体粘度的缝據流变计，所迷缝隙流变计包括 包含三个側壁的具有至少一条流道的通道基板、至少一个流入口和至少一个流出口；具有至少两个独立压力传感器的整体式传感器板，所述至少两个 独立压力传感器沿纵向位于所迷至少一条流道的每条流道中充分远离 所述入口和出口的两个不同位置处以使得可测量完全展开流的压力 降；所述通道基板和所迷传感器板被组合在一起以使得所述传感器板 表面成为側壁，所述側壁使得能够在所述液体沿除液体入口和出口区 域的所述通道流动的过程中与所述液体的所述通il^基板的所述三个側 壁一起被完全包含。
2、 根据权利要求1所述的缝隙流变计，附加地包括使液体受力 以已知的体积流速流动通过通道的装置，
3、 根据权利要求1所述的缝隙流变计，其中所述流道具有一定 宽度和深度且其中所述流道的所述宽度比所述至少一条流道的每条流 道中所述流道的所述深度大至少约10倍。
4、 根据权利要求1所迷的缝隙流变计，其中所迷传感器板具有 用于所述至少一条流遣的每条流道的至少一个温度传感器，所述温度 传感器被设置以测量流动通过所迷流道的所述液体的温度。
5、 根据权利要求1所述的缝隙流变计，其中存在串联连接的至 少两条流道。
6、 根据权利要求5所述的缝隙流变计，其中所述至少两条流道的通道深度不同。
7、 根据权利要求1所述的缝隙流变计，其中所述至少两条流道的通道宽度不同。
8、 根据权利要求1所述的缝隙流变计，其中存在平行的至少两条通道。
9、 根据权利要求1所述的缝隙流变计，其中所述至少一条通道 的深度处于微米数量级.
10、 根据权利要求9所迷的缝隙流变计，其中所迷至少一条通道 的宽度为至少约IO微米。
11、 根据权利要求10所迷的缝咪流变计，其中所迷至少一条通道具有至少约ioo微米的长度。
12、 根据权利要求1所述的缝隙流变计，其中所述压力传感器是 电容压力传感器。
13、 一种缝隙流变计，所述缝隙流变计包括 本体；所述本体中的多个凹部，每个所迷凹部具有不同尺寸且被串联连 接在一起以形成通过所迷本体的流道；和与每个凹部相关联以指示由流动通过所述凹部的液体在与所述凹 部相关联的每个所述压力传感器的位置处施加在所述凹部上的压力的 多个压力传感器。
14、 根据权利要求13所述的缝隙流变计，其中存在至少两个凹部。
15、 根据权利要求13所迷的缝咪流变计，其中存在与每个凹部 相关联的至少两个压力传感器。
16、 根据权利要求13所述的缝隙流变计，其中所述凹部分別具 有不同深度。
17、 根据权利要求13所述的缝隙流变计，其中所迷凹部分別具 有不同宽度，
18、 一种制造缝隙流变计的方法，所述方法包括 在微制造晶片中蚀刻出至少两个空腔；使所述蚀刻的微制造晶片与基板组合在一起以形成压力传感器 板，所述压力传感器板具有在所述空腔中形成的压力传感器；并且使所述压力传感器板与另一块基板组合在一起以形成流道，液体 可流动通过所述流道，所迷流道在所述压力传感器板中的所迷压力传 感器上通过。
19、 根据权利要求18所述的制造缝隙流变计的方法，其中利用 化学蚀刻工艺蚀刻出所述至少两个井部。
20、 根据权利要求18所述的制造缝隙流变计的方法，其中利用 等离子体蚀刻工艺蚀刻出所述至少两个井部。
21、 根据权利要求18所述的制造缝隙流变计的方法，其中利用 化学蚀刻工艺和等离子体蚀刻工艺的组合工艺蚀刻出所述至少两个井 部。
22、 根据权利要求18所述的制造缝咪流变计的方法，其中所述 压力传感器是电容型传感器。
23、 根据权利要求18所述的制造缝隙流变计的方法，其中所述 压力传感器是压阻型传感器。
全文摘要
一种改进的微缝隙粘度计包括组合的微米深度矩形缝隙流道和以所需流速将试验样品注入所述通道的泵送系统，所述流道具有位于所述流道中的整体集成的多个压力传感器。所述整体集成压力传感器的压力传感膜片是光滑的以使流动扰动最小化，由此测量准确的局部压力。通过在所述通道的不同位置处测量所述压力，可计算出试验样品的真实粘度。所述粘度计可包括多条流道且因此可在给定流速下同时测量在多个切变率下的所述真实粘度，由此以快得多的方式获得作为非牛顿液体的剪切率函数的完全粘度曲线。所述粘度计仅需要极少量的样品，这使试验材料的浪费最小化。利用微制造工艺在晶片上制造并组合所述流道和所述整体集成压力传感器，这样大大降低了生产成本。
文档编号G01N11/08GK101124467SQ200580014842
公开日2008年2月13日 申请日期2005年3月11日 优先权日2004年3月11日
发明者S·-G·贝克 申请人:电流感应器公司