一種氣體微流量測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種氣體微流量測(cè)量裝置，包括入口穩(wěn)壓容器、被測(cè)微納通道或器件、雙通道容積指示單元、出口穩(wěn)壓容器和圖像式位置記錄單元，穩(wěn)壓容器內(nèi)的壓力通過節(jié)流閥和供氣流量計(jì)配合進(jìn)行連續(xù)高分辨率的調(diào)節(jié)；然后利用雙通道容積指示單元的一個(gè)通道與入口穩(wěn)壓容器、出口穩(wěn)壓容器建立被測(cè)微納通道或器件內(nèi)的穩(wěn)定流動(dòng)；之后切換到預(yù)置液滴的另一個(gè)通道，并通過由顯微物鏡和CCD相機(jī)組成的圖像位置記錄單元跟蹤液滴運(yùn)動(dòng)，該測(cè)量裝置具有排氣裝置具有測(cè)量精度和分辨率高且易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種氣體微流量測(cè)量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)量裝置，屬于測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種氣體微流量測(cè)量裝置，用于微納尺度通道或元器件內(nèi)氣體流量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，微機(jī)電系統(tǒng)MEMS加工制造和應(yīng)用已成為高科技發(fā)展的前沿，這一領(lǐng)域的有些尺度已經(jīng)進(jìn)入了納米技術(shù)的范疇，氣體在微納機(jī)械中的流動(dòng)可以進(jìn)入到滑流區(qū)甚至過渡區(qū)，由于稀薄效應(yīng)和壓縮效應(yīng)的影響，其動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)特性與常規(guī)流動(dòng)存在很大不同，盡管針對(duì)微尺度流動(dòng)特性的研究進(jìn)行了大量工作，但是對(duì)其流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)未成熟，一些研究結(jié)論也尚未統(tǒng)一，因此，無論從研究角度還是立足于產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域微納器件的檢測(cè)，都有必要發(fā)展針對(duì)微流量氣體流量的測(cè)量裝置。
[0003]理論上，對(duì)于完全氣體，隨時(shí)間變化系統(tǒng)的質(zhì)量流量決定于容積、壓力和溫度的變化，如果控制測(cè)量過程中溫度近似恒溫而忽略其影響，微小質(zhì)量流量的測(cè)量可轉(zhuǎn)化為測(cè)量恒定容積下的壓力變化或恒定壓力下的容積變化，由于存在漏放氣的影響及低壓力下間接測(cè)量壓力的精度和實(shí)時(shí)性差，使得微小壓力變化的測(cè)量較困難，恒定壓力下的微小容積變化測(cè)量同樣存在困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種測(cè)量精度和分辨率高且易于實(shí)施的氣體微流量測(cè)量裝置，以滿足微納機(jī)械領(lǐng)域?qū)怏w流量測(cè)量的需求，本發(fā)明是按照以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種氣體微流量測(cè)量裝置，包括入口穩(wěn)壓系統(tǒng)1、被測(cè)微納通道或器件2、容積指示單元、出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4、真空抽氣系統(tǒng)13和圖像記錄單元5，其中入口穩(wěn)壓系統(tǒng)1、被測(cè)微納通道或器件2、容積指示單元和出口穩(wěn)壓容器4，按順序依次串聯(lián)組成封閉系統(tǒng)，其特征在于:所述的容積指示單元為雙通道容積指示單元3，所述的雙通道容積指示單元3由雙通道并聯(lián)而成，其中一個(gè)通道由導(dǎo)管依次連接第五閥門21、第一標(biāo)定管22和第六閥門23串聯(lián)而成，另一通道由導(dǎo)管依次連接第七閥門27、第二標(biāo)定管25和第八閥門24串聯(lián)而成，在第一標(biāo)定管22或者第二標(biāo)定管25內(nèi)注入液滴26，所述的圖像記錄單元5設(shè)置在注入液滴26的標(biāo)定管前,記錄跟蹤液滴26的運(yùn)動(dòng)。
[0005]優(yōu)選，所述的入口穩(wěn)壓系統(tǒng)包括利用導(dǎo)管按順序依次連接第一閥門8、入口容器7，所述入口容器7的一個(gè)接口利用導(dǎo)管接出并依次連接第一節(jié)流閥10、第三閥門12主所述的入口容器7分別固定連接第一壓力傳感器11和入口容器接口 6 ;所述的出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4包括利用導(dǎo)管按順序依次連接第二閥門18、出口容器19，所述的出口容器7的一個(gè)接口利用導(dǎo)管接出并依次連接第二節(jié)流閥16、第四閥門14，在出口容器19分別固定連接第二壓力傳感器15和出口容器接口 20，所述的入口穩(wěn)壓系統(tǒng)I中的第三閥門12和出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4的第四閥門14分別與真空抽氣系統(tǒng)13相連；在入口穩(wěn)壓系統(tǒng)I的第一閥門8和出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4的第二閥門18分別連接第一供氣流量計(jì)9和第二供氣流量計(jì)17，通過第一節(jié)流閥10和第二節(jié)流閥16與第一供氣流量計(jì)9和第二供氣流量計(jì)17的配合調(diào)節(jié)容器內(nèi)的壓力。
[0006]進(jìn)一步優(yōu)選，所述的圖像記錄單元5由顯微物鏡28和CXD相機(jī)29構(gòu)成。
[0007]本發(fā)明的有益效果:采用節(jié)流閥與質(zhì)量流量計(jì)配合調(diào)整微納尺度通道或器件2兩端的壓力，由于供氣流量計(jì)具有連續(xù)高分辨率的調(diào)整能力，使得壓力控制更穩(wěn)定，有利于提高測(cè)量精度；采用對(duì)稱雙通道的容積指示單元，可以在一個(gè)通道中預(yù)置液滴，減少了測(cè)量時(shí)加入液滴對(duì)穩(wěn)定氣體流動(dòng)的影響；而在壓力計(jì)算時(shí)取液滴位置與時(shí)間成線性關(guān)系的數(shù)據(jù)，消除了通道間轉(zhuǎn)換對(duì)測(cè)量的影響，有利于提高測(cè)量精度；圖像記錄單元采用的顯微物鏡提高了對(duì)液滴位置的分辨率，而CCD相機(jī)的實(shí)時(shí)記錄使數(shù)據(jù)拾取更方便更準(zhǔn)確，也有利于提高測(cè)量的分辨率和準(zhǔn)確程度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明:
[0009]圖1氣體微流量測(cè)量裝置構(gòu)成示意圖；
[0010]圖2入口穩(wěn)壓容器和出口穩(wěn)壓容器構(gòu)成示意圖；
[0011]圖3雙通道容積顯示單元構(gòu)成示意圖；
[0012]圖4圖像記錄單元構(gòu)成示意圖；
[0013]圖中:1、入口穩(wěn)壓容器；2、微納通道或器件；3雙通道容積指示單元；4、出口穩(wěn)壓容器；5、圖像記錄單元；6、入口容器接口 ；7、入口容器；8、第一閥門；9、第一供氣流量計(jì)；10、第一節(jié)流閥；11、第一壓力傳感器；12、第三閥門；13、真空抽氣系統(tǒng)；14、第四閥門；15、第二壓力傳感器；16、第二節(jié)流閥；17、第二供氣流量計(jì)；18、第二閥門；19、出口容器；20、出口容器接口 ；21、第五閥門；22、第一標(biāo)定管；23、第六閥門；24、第八閥門；25、第一標(biāo)定管；26、液滴；27、第七閥門；28、顯微物鏡；29、CCD相機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示的一種氣體微流量測(cè)量裝置，包括入口穩(wěn)壓容器1、被測(cè)微納通道或器件2、雙通道容積指示單元3、出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4、真空抽氣系統(tǒng)13和圖像記錄單元5，其中入口穩(wěn)壓系統(tǒng)I被測(cè)微納通道或器件2、雙通道容積指示單元3、出口穩(wěn)壓容器4按順序依次連接串聯(lián)組成封閉氣體流動(dòng)空間；如圖2所示，所述的入口穩(wěn)壓系統(tǒng)I包括利用導(dǎo)管按順序依次連接第一閥門8、入口容器7，所述入口容器7的一個(gè)接口利用導(dǎo)管接出并依次連接第一節(jié)流閥10、第三閥門12主所述的入口容器7分別固定連接第一壓力傳感器11和入口容器接口 6 ;所述的出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4包括利用導(dǎo)管按順序依次連接第二閥門18、出口容器19，所述的出口容器7的一個(gè)接口利用導(dǎo)管接出并依次連接第二節(jié)流閥16、第四閥門14，在出口容器19分別固定連接第二壓力傳感器15和出口容器接口 20，在入口穩(wěn)壓系統(tǒng)I的第一閥門8和出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4的第二閥門18分別連接第一供氣流量計(jì)9和第二供氣流量計(jì)17，供氣流量計(jì)能連續(xù)調(diào)節(jié)且具有高的分辨率；所述的入口穩(wěn)壓系統(tǒng)I中的第三閥門12和出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4的第四閥門14分別與真空抽氣系統(tǒng)13相連；如圖3所示，所述的雙通道容積指示單元3由雙通道并聯(lián)而成，其中一個(gè)通道由導(dǎo)管依次連接第五閥門21、第一標(biāo)定管22和第六閥門23串聯(lián)而成，另一通道由導(dǎo)管依次連接第七閥門27、第二標(biāo)定管25和第八閥門24串聯(lián)而成，在第二標(biāo)定管25注入液滴26，所述的雙通道容積指示單元3的兩個(gè)通道應(yīng)該具有相同的幾何尺寸，內(nèi)徑根據(jù)測(cè)量范圍選定且應(yīng)具有高精度和一致性，兩個(gè)通道的入口和出口通過三通構(gòu)成并聯(lián)，兩個(gè)對(duì)稱通道中，一個(gè)用于調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)到穩(wěn)定狀態(tài)；另一個(gè)預(yù)置液滴，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過閥門的切換進(jìn)行容積變化的測(cè)量；如圖4所示，所述的圖像記錄單元5設(shè)置在第二標(biāo)定管25的相應(yīng)位置，由顯微物鏡28與CXD相機(jī)構(gòu)成，CXD相機(jī)應(yīng)選擇高速且高像素產(chǎn)品，顯微物鏡的放大倍數(shù)應(yīng)與CCD相機(jī)的像素配合選擇，記錄跟蹤液滴26的運(yùn)動(dòng)。
[0015]系統(tǒng)連接后，為了保證系統(tǒng)的氣密性應(yīng)對(duì)連接好的系統(tǒng)進(jìn)行檢漏，漏率應(yīng)小于IO-9PamVs ;然后開始進(jìn)行測(cè)量，首先，將系統(tǒng)抽真空，抽真空過程中第一閥門8、第二閥門18始終關(guān)閉，第五閥門21、第六閥門23、第八閥門24、第七閥門27始終打開，啟動(dòng)真空抽氣系統(tǒng)13后，依次打開第三閥門12、第四閥門14，第一節(jié)流閥10、第二節(jié)流閥16，系統(tǒng)的極限真空度應(yīng)達(dá)到lX10_3Pa。
[0016]系統(tǒng)達(dá)到極限真空后，關(guān)閉第七閥門27，之后打開閥門第一閥門8、第二閥門18，通過供氣流量計(jì)9、供氣流量計(jì)17向系統(tǒng)內(nèi)充入實(shí)驗(yàn)氣體，然后通過調(diào)節(jié)供氣流量計(jì)9、供氣流量計(jì)17和第一節(jié)流閥10、第二節(jié)流閥16的開度控制入口穩(wěn)壓系統(tǒng)I和出口穩(wěn)壓系統(tǒng)4內(nèi)的壓力達(dá)到并穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)壓力，此時(shí)，氣體從入口穩(wěn)壓系統(tǒng)I流過微納通道或器件2并通過第一標(biāo)定管22所在通道流入出口容器7內(nèi)；在達(dá)到穩(wěn)定壓力后，開始預(yù)置液滴；此時(shí)，雙通道容積指示單元3內(nèi)只有第七閥門27關(guān)閉，第五閥門21、第六閥門23、第八閥門24全部為打開狀態(tài)。通過注射器在第二標(biāo)定管25內(nèi)注入液滴26，由于第七閥門27關(guān)閉，液滴26可以在弟二標(biāo)定管25內(nèi)保持靜止?fàn)顟B(tài)；在顯微物鏡28和(XD相機(jī)29安裝并定標(biāo)啟動(dòng)后，同時(shí)關(guān)閉第五閥門21，打開第七閥門27，液滴將逐漸開始運(yùn)動(dòng)，C⑶相機(jī)記錄液滴的運(yùn)動(dòng)位置和時(shí)間信息。第八閥門24可以在液滴接近時(shí)關(guān)閉，以防止其進(jìn)入出口容器19內(nèi)。
[0017]測(cè)量結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理，取液滴位置與時(shí)間成線性關(guān)系的數(shù)據(jù)，并按I式計(jì)算氣體微小流量；
[0018]Qm=M^A^⑴
[0019]其中:Qm-氣體流量，單位:Kg/s ；
[0020]P——出口穩(wěn)壓容器內(nèi)氣體的壓力，單位:Pa ；
[0021]M——被測(cè)氣體摩爾質(zhì)量,單位:Kg/mol ；
[0022]R-摩爾氣體常數(shù)，單位:8.31441J/mol K ；
[0023]T——溫度，單位:K ；
[0024]A——容積指示單元通道標(biāo)定管截面積，單位:m2 ；
[0025]Δ L——按定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、顯微物鏡放大倍數(shù)和CXD像素折算的液滴運(yùn)動(dòng)距離，單位，m ；
[0026]Δ t——液滴運(yùn)動(dòng)Λ L距離所經(jīng)歷的時(shí)間，s ;
[0027]綜上所述可知，依據(jù)本發(fā)明所提供的一種氣體微流量測(cè)量裝置具有測(cè)量精度和分辨率高的積極效果，該裝置測(cè)量的最小質(zhì)量流量可達(dá)I X 10-nKg/s。
[0028]本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】是按照遞進(jìn)的方式進(jìn)行撰寫的，主要著重強(qiáng)調(diào)各實(shí)施方案中的不同之處，其相似部分可以相互參見。[0029] 上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種氣體微流量測(cè)量裝置，包括入口穩(wěn)壓系統(tǒng)(I)、被測(cè)微納通道或器件(2)、容積指示單元、出口穩(wěn)壓系統(tǒng)(4)、真空抽氣系統(tǒng)(13)和圖像記錄單元(5)，其中入口穩(wěn)壓系統(tǒng)(I)、被測(cè)微納通道或器件(2)、通道指示單元和出口穩(wěn)壓容器(4)按順序依次串聯(lián)組成封閉系統(tǒng)，其特征在于:所述的容積指示單元為雙通道容積指示單元(3)，所述的雙通道容積指示單元(3)由雙通道并聯(lián)而成，其中一個(gè)通道由導(dǎo)管依次連接第五閥門(21)、第一標(biāo)定管(22)和第六閥門(23)串聯(lián)而成，另一通道由導(dǎo)管依次連接第七閥門(27)、第二標(biāo)定管(25)和第八閥門(24)串聯(lián)而成，在第一標(biāo)定管(22)或者第二標(biāo)定管(25)注入液滴(26)，所述的圖像記錄單元(5)設(shè)置在注入液滴(26)的標(biāo)定管前，記錄跟蹤液滴(26)的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體微流量測(cè)量裝置，其特征在于:所述的入口穩(wěn)壓系統(tǒng)包括利用導(dǎo)管按順序依次連接第一閥門(8)、入口容器(7)，所述入口容器(7)的一個(gè)接口利用導(dǎo)管接出并依次連接第一節(jié)流閥(10)、第三閥門(12)，所述的入口容器(7)分別固定連接第一壓力傳感器(11)和入口容器接口(6);所述的出口穩(wěn)壓系統(tǒng)(4)包括利用導(dǎo)管按順序依次連接第二閥門(18)、出口容器(19)，所述的出口容器(7)的一個(gè)接口利用導(dǎo)管接出并依次連接第二節(jié)流閥(16)、第四閥門(14)，在出口容器(19)分別固定連接第二壓力傳感器(15)和出口容器接口(20);所述的入口穩(wěn)壓系統(tǒng)(I)中的第三閥門(12)和出口穩(wěn)壓系統(tǒng)⑷的第四閥門(14)分別與真空抽氣系統(tǒng)(13)相連；所述的入口穩(wěn)壓系統(tǒng)⑴的第一閥門(8)固定連接第一供氣流量計(jì)(9);所述的出口穩(wěn)壓系統(tǒng)(4)的第二閥門(18)固定連接第二供氣流量計(jì)(17)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體微流量測(cè)量裝置，其特征在于:所述的圖像記錄單元(5)由顯微物鏡(28)和CCD相機(jī)(29)構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK103644947SQ201310694925
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】岳向吉, 巴德純, 巴要帥, 劉坤 申請(qǐng)人:東北大學(xué)