CN100541204C

CN100541204C - 一种微流道速度分布的测量装置和测量方法

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Publication number: CN100541204C
Application number: CNB2006100892466A
Authority: CN
Inventors: 李战华; 郑旭; 王绪伟
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: CN101122610A

Abstract

本发明公开了一种微流道速度分布的测量装置和测量方法。该装置包括：一显微镜；一双脉冲激光器，一光量子检测器；一同步控制器；一处理器。该方法包括如下步骤：1)将各仪器调整至准备工作状态；2)向微流道注入荧光粒子溶液，驱动管道内液体流动；3)调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置；4)双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的间距在20～50像素；5)在双脉冲激光照射下，连续拍摄多帧图像；6)调整物镜焦平面到新的位置再拍摄多帧图像；7)重复步骤6)，拍摄不同位置的图像。本发明具有光学探测灵敏度高、流场速度探测空间分辨率高、垂直方向位移调节精度高的优点。

Description

一种微流道速度分布的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种微流道速度分布的测量装置和测量方法。

背景技术

微尺度流动主要的流动特点：(1)在这种特征尺度范围内，表面积与体积之比增大到10⁶m^-1，与表面有关的传热、传质过程对流动有很大影响；(2)尺度缩小使得流场中某些梯度量变大，与速度梯度、温度梯度有关的物理参数的作用将增强；(3)界面力(液固、液气)对流动的作用将明显增强。为了深入认识这些新的流动问题，在理论研究的同时进行实验观测尤为重要。

微流动是MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，即微电子机械系统)系统研究中的一个重要内容，对微流动机理的研究成为MEMS领域发展的重要基础。MicroPIV(Micro Particle Image Velocimetry)技术逐渐发展成熟并已成功的被应用于微流动的实验测量中。

现有的微流道速度分布的测量技术(指目前MicroPIV技术)，比如文献1：“王昊利等，Micro-PIV技术——粒子图像测速技术的新进展，力学进展，第35卷第1期，2005年2月25日”中公开的技术，其流场分辨率仅在小于5～10μm的水平，而微尺度流动特征长度为0.1μm～1mm，流场速度测量的空间分辨率要求达到0.5μm。又如文献2：“郝鹏飞，微细管道和微喷管的流动特征研究，清华大学博士论文，2006”中，在φ168μm圆管中的使用直径1μm的荧光粒子。而比如商业产品TSI公司和Dantc公司均推荐使用直径≥1μm的荧光粒子。

为了观测20μm以下微流道，必须使用直径≤200nm的荧光粒子。根据Rayleigh散射公式，粒子散射光强随粒子直径减小而成d_p ⁶规律减弱。因此目前商用产品无法观测直径＜1μm的荧光粒子，无法满足几十微米截面尺寸的微管道和近壁流动的观测。

鉴于现有技术的不足，就需要一种新的微流道速度分布的测量装置和测量方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，从而提供一种微流道速度分布的测量装置和测量方法。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种微流道速度分布的测量装置，包括：

一显微镜10，该显微镜有一物镜20和一反射装置17；其特征在于，还包括：

一双脉冲激光器12，该双脉冲激光器发出的激光经过一光学系统11进入所述显微镜10的反射装置17，激光反射进入所述物镜20并进入视场；

一光量子检测器13与所述显微镜10配合，用于记录物镜20所观测的微流道21的光强分布。

一同步控制器14分别与所述光量子检测器13和双脉冲激光器12连接；

一处理器15分别与所述同步控制器14、光量子检测器13连接。

在上述技术方案中，进一步地，还包括一位移控制器16安装在所述物镜上，位移控制器16调节物镜的位置，可以观测微流道中不同深度位置的流场。

进一步地，所述处理器15为一计算机。

进一步地，所述光学系统11为聚焦透镜和准直透镜。

基于上述装置的一种微流道速度分布的测量方法，包括如下步骤：

1)将各仪器调整至准备工作状态；

2)向微流道注入荧光粒子溶液，驱动管道内液体流动，然后将微管道固定在显微镜工作台上；

3)关闭环境光源，使用连续光观察粒子运动，并通过光量子检测器采集图像；调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置；此处的连续光是指显微镜的汞灯光源发出的荧光；

4)设定光量子探测器曝光时间T，激光双脉冲间隔时间t，且t＜T；调整t值，使得光量子检测器捕捉的图像中，双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的间距在20～50像素；

5)在双脉冲激光照射下，连续拍摄多帧图像；

6)调整物镜焦平面到新的位置，调整激光双脉冲时间间隔t，使用光量子检测器再拍摄多帧图像；

7)重复步骤6)，拍摄不同位置的图像。

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤2)中，通过气源驱动管道内液体流动。

进一步地，所述步骤4)中曝光时间为0ms～100ms。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)光学探测灵敏度高；

2)流场速度探测空间分辨率高；

3)垂直方向位移调节精度高。

附图说明

图1是本发明的微流道速度分布的测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参照图1制作本发明的微流道速度分布的测量装置示意图。其中，显微镜10采用0lympus IX71倒置荧光显微镜，具有自光和UV光双光源，有10X、40X、60X和100X物镜20，其中100X为油镜，数值孔径NA＝1.35，镜头油折射率n＝1.516，光学分辨率δ＝0.35μm，工作距离为100μm。反射装置17采用直角反射棱镜。

光学系统11采用市场所售常规聚焦透镜和准直透镜产品。

双脉冲激光器12采用NewWave Solo PIV120，Nd:YAG双脉冲激光器，发射光波长λ＝532nm，脉冲频率1-15Hz可调，光斑直径5mm，脉宽3～5ns，最大激光能量120mJ，实际测量时使用范围可以为5～15mJ。

光量子检测器13采用Andor iXon DV885单光子检测器，拍摄图像1004×1002像素，单个像素宽度为8μm，配合荧光显微镜在1×1bining下图像分辨率可达到80nm。具有电子增益功能，冷却至-70℃暗电流仅为0.007e-/pix/sec，量子效率达65％。读出速度35MHz，图像传输31.5帧/秒，帧转模式下最短曝光时间10μs。

同步控制器14采用市场所售常规产品，如北京立方天地MicroPulse 710产品。

处理器15采用市场所售常规计算机。

位移控制器16采用市场所售常规产品，如PI-721.LLQ产品，位移调节范围100μm，位移调节精度10nm。

本发明优点如下：

1.采用高光灵敏度的单光子检测器，使系统具有高的光学探测灵敏度

为了检测直径≤500nm粒子的图像，选用在荧光波长范围内(≈620nm)，量子效率高达70％的单光子检测器。在5ns脉宽的激光照射下，可以捕捉到直径≤200nm的荧光粒子的图像，这是目前商业系统所无法达到的。

2.采用100x物镜和上述单光子探测器配合，提高了速度空间分辨率

采用100x物镜时，观测流场为80μm。单光子检测器拍摄像素为1004×1002，单个像素尺寸为8μm，因此该系统的速度空间分辨率达到80nm。

3.采用纳米位移控制器，提高了纳米垂直位移调节精度

本系统将PI物镜纳米位移控制器引入，使物镜在100μm范围内的垂直移动精度达到10nm。

基于上述装置的微流道速度分布的测量方法，包括如下步骤：

1)打开显微镜白光、UV光光源、激光器、单光子探测器、PI纳米位移控制器和电脑(包括电脑中的激光器、单光子检测器同步控制软件以及PI纳米位移控制软件)，将各仪器都调整至准备工作状态。

2)向微流道注入荧光粒子溶液，通过气源等方式驱动管道内液体流动，然后将微管道固定在显微镜工作台上。如果使用100x/1.35的油镜，需要在固定之前滴加镜头油。在白光下(使用第1档滤镜)通过显微镜观测并调节工作平台方位，将管道置于显微镜视野内。

3)关闭环境光源，使用连续光(使用第5档滤镜)观察粒子运动，并通过单光子检测器采集图像(曝光时间20～30ms)显示于电脑中。调节物镜的垂直位置(可使用PI纳米位移控制器精确调节)，一般调整到流道的下底面成像最清晰，并以此作为实验开始的位置。

4)切换光路到激光照射模式(并使用第4档滤镜)，将单光子检测器和激光器都设为外触发模式，通过同步器的控制软件设置好同步控制器的时序。设定单光子探测器曝光时间T，激光双脉冲间隔时间t，且保证t＜T。调整t值，使得单光子检测器捕捉的图像中，双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的间距适合(一般在20～50像素)。调整好后，在双脉冲激光照射下，一次连续拍摄50～100帧图像。

5)调整物镜焦平面到新的位置(使用PI纳米位移控制器数控模式精确调节)，调整激光双脉冲时间间隔t，使用单光子检测器再拍摄一组图像。重复4-5的步骤，即可拍摄不同位置的图像。

6)将拍摄的图像以tif序列图像格式导出，使用图像分析软件进行处理。

利用本实施例的上述装置和方法，结合下述三个测量实验来说明本发明的优越性：

(1)微流道实验：

对截面50×20μm的方管微流道，驱动压力P＝30kPa，示踪粒子φ200nm，激光脉冲脉宽5ns，脉冲间隔1ms，激光强度约10mJ条件下观测流动。对10个垂向位置纪录了流场图像，并用PIV方法分析速度场，最大速度达到0.22m/s。

(2)磁性液体在Y型微流道混合实验：

观测磁性液体在Y型微流道(宽101.6μm、深67.1μm、长1cm)中的混合过程，流场观测范围在10×时达到800μm。

(3)φ50nm荧光粒子溶液静态观测：

利用PI物镜纳米定位仪，调节物镜焦平面位置，静态观测溶液中φ50nm荧光粒子的灰度变化，在垂直方向0～300nm范围调节，精度为10nm。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种微流道速度分布的测量装置，包括：

一显微镜(10)，该显微镜有一物镜(20)和一反射装置(17)；其特征在于，还包括：

一双脉冲激光器(12)，该双脉冲激光器发出的激光经过一光学系统(11)进入所述显微镜(10)的反射装置(17)，激光反射进入所述物镜(20)并进入视场；

一用于记录物镜(20)所观测的微流道(21)中荧光粒子的光强分布的光量子检测器(13)与所述显微镜(10)配合；

一同步控制器(14)分别与所述光量子检测器(13)和双脉冲激光器(12)连接；

一处理器(15)分别与所述同步控制器(14)、光量子检测器(13)连接，所述处理器(15)为一计算机；

一用于调节所述物镜(20)位置的位移控制器(16)安装在所述物镜(20)上；

所述物镜(20)为100X物镜；

所述光量子检测器(13)采用Andor iXon DV885单光子检测器；

所述位移控制器(16)为PI物镜纳米位移控制器，该PI物镜纳米位移控制器的位移调节范围100μm，位移调节精度10nm。

2、根据权利要求1所述微流道速度分布的测量装置，其特征在于，所述光学系统(11)为聚焦透镜和准直透镜。

3、一种根据权利要求1的所述微流道速度分布的测量装置进行测量的方法，包括如下步骤：

1)将各仪器调整至准备工作状态；

2)向微流道注入荧光粒子的直径≤500nm的荧光粒子溶液，通过气源驱动管道内液体流动，然后将微管道固定在显微镜工作台上；

3)关闭环境光源，使用连续光观察粒子运动，并通过光量子检测器采集图像；调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置；

5)使用PI纳米位移控制器数控模式精确调节，调整物镜焦平面到新的位置，调整激光双脉冲时间间隔t，在双脉冲激光照射下，使用单光子检测器再拍摄一组图像；重复步骤4)步骤5)，拍摄不同位置的图像；所述曝光时间为0ms～100ms；

6)将步骤5)拍摄的图像以tif序列图像格式导出，使用图像分析软件进行处理。