基于Lamb波的微尺度管道气流多参量表征方法和器件

With the rapid development of the micro fluidic chips and micro structures, it is still difficulty for the estabilished flow sensor to measue gas flow local velocity and the boundary layer slip with high precision. In this sense, it is of important theoretical significance and practical value to develop analaysis method and device for evaluating the gas flow in micro-channel. In this project, we plan to measure the gas flow with the evanescent wave and the leaky wave produced by Lamb wave. When the Lamb wave works at low frequency, its evanescent wave is used to measure the dimension of the micro-channel. In other case, when the evanescent wave appears with high frequency, its evanescent penetration depth is sensitive to the gas flow and is used to measure the gas flow local velocity. As the leaky wave angle is sensitive to the gas flow slip around the membrane-gas interface, the leaky wave is used to detect the boundary layer slip. In this work, the micro system to measure the gas flow will be made with MEMS technology, which include the Lamb wave sensor,the micro channel and the system packaging. With this project been done, we hope to provide one smart micro gas flow measuring method and device. All the work done this project will helpful for the development of the micro-nozzle, the micro fuel cell, the micro heat exchanger, etc.

在快速发展的微流控芯片和微结构器件的科学研究和商业应用中，已有流量传感器仍然很难对微尺度管道中低流量气流的局域流速、边界滑移等进行精确测量，建立微尺度管道内气流多参量的传感方法和器件，具有极为重要的理论价值和实际意义。本项目提出利用Lamb波在薄膜-气体界面附近的消逝波和漏波对微尺度管道内低雷诺数下的气流进行多参量表征的方法：利用低频下的消逝波穿透深度对微尺度管道的尺寸进行测量；利用中高频率下的消逝波对管道内气流局域流速进行矢量测量；利用漏波角度对固-气边界滑移敏感的特点，探讨微尺度管道内低雷诺数气流的边界滑移问题。通过微纳技术手段实现传感器制备、管道加工、芯片集成和封装等技术，构建高灵敏度和多参量为微尺度管道中低雷诺数气流检测系统，为微型喷嘴、微型燃料电池、微型热交换器等研究和应用领域提供一种新的高灵敏度检测手段。

Lamb波传感器与周围流体相互作用机理对实现传感器生物传感、流量测试、压力传感等具有重要科学价值。本项目以器件与流体相互作用为背景，首先针对Lamb波传感器与周围流体无理论模型问题，提出了“气流分割简化法”。针对国内实现Lamb波器件的功能材料-氮化铝制备薄膜性能不佳问题，给出了“靶亚中毒”技术等解决方法，针对单个传感器对微尺度管道的流体流动速度和压力测试表征难的问题，提出了利用Lamb波的不同模式实现不同参数测试方法。申请人及其团队完成结果如下：.气流分割简化法理论模型建立和计算：针对Lamb波与周围流体介质相互作用未有成熟理论模型的问题，研究微尺度管道中气流与Lamb波的消逝波和漏模声波的作用，建立对薄膜-流体附近的流体进行“气流分割简化”，然后把每一层流体层看作流体分层介质，通过边界条件把相邻的流体分层进行耦合，结合势能函数分析了管道中气流与Lamb波的消逝波和漏模声波作用，得到了在管道气流作用下的Lamb波的色散曲线。.高性能Lamb波器件的制作：深入研究了Lamb波器件制作工艺，对关键薄膜氮化铝制作方法进行系统攻关，通过采用“靶亚中毒”的技术制作高压电系数的氮化铝材料，通过平衡溅射压强和溅射功率等参数获得低应力的氮化铝薄膜，通过提高溅射本地真空和器件表面清洗工艺步骤解决了氮化铝易击穿的问题，实现了高压电系数、低应力的氮化铝Lamb波传感器。对所研制的Lamb波器件测试品质因数（Q值），Lamb波器件的A0模式的Q值达到703，S0模式的Q值达到403。.单个传感器对微尺度管道的流体流动速度和压力的测量：测试结果表明单个传感器压力测量灵敏度达到1200Hz/kPa，最小探测压强为5Pa；流速测量灵敏度达到250Hz/mm/s，最小可探测流速为24µm/s，且可辨别流速方向。同一个器件中，S0模式对压力和流速无响应，此模式可以作为器件的测量时的温度补偿模式。S0模式对压力和流速的变化不敏感，但是对温度变化敏感，因此可以作为A0模式的对温度的补偿，去除了温度对于测量流速和压力对传感器频率移动的影响。为微型喷嘴、微型燃料电池、微型热交换器等研究和应用领域提供一种新的高灵敏度检测手段。