CN102564898A - 用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，它具有一个内表面比较光滑且深度为微米级的流体通道；所说的流体通道内集成有压力传感器阵列；所说的流体通道内具有几何变化，构成收缩和扩展区域。制作方法为：流体通道的制作：在晶片上进行腐蚀形成通道，通道深度大于10微米，长度大于300微米，宽度大于100微米；压力传感器阵列的制作：压力传感器是在晶片上形成腔，流体流过将使腔表面发生形变；通道和传感器阵列分别在晶片上制作，将这俩个晶片结合；结合后的晶片上的流体单元被进一步切成各自独立的片上流变计。优越性：本发明能够对微米体积的样品粘度和弹性进行测量；通过集成压力传感器阵列缩小了微流变计的体积。

Description

用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计及制作方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种用于测量液体粘度以及弹性的微型流变仪或粘度仪及制作方法，尤其是一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计及制作方法。

(二)背景技术：

粘度的测量是通过测量流体阻力，它的值取决于非牛顿流体的形变率。形变率是通过单位时间内一个单元的切变率给出的。用已知的切变率测量得到的粘度是真实的粘度。流体实际粘度对切变率的依赖性取决于描述材料特性的粘度曲线，在考虑到工艺效率时流体粘度是一个重要因素。但是许多情况下，粘度是在不明确的测试环境下测量的，这样切变率就不可知了。在不明确的情况下测量的粘度值只是表观的。由于实际粘度是在切变率已知的情况下测量的，因此实际粘度是普遍的，而表观粘度不是。取而代之，表观粘度依赖于测量系统。例如：将一个转轴浸入到被测液体中，转轴转速恒定，此时由于切变率未知，转轴力的值取决于表观粘度。最好，表观粘度可以是转轴转速的函数。事实上，只有当被测液体的基本等式成立时，转轴的旋转速度与切变率相关。但是，对于非牛顿液体的基本等式很少知道。因此，在不明确的条件下非牛顿液体的实际粘度不可测量。

只考虑表观粘度的方法已经被发展和应用到生产质量控制和材料特性描述中。各种在线测量的粘度仪被设计用于实时粘度测量。国外已有专利描述了实时测量多种待测流体表观粘度的系统，但是通过这些系统获得的表观粘度测量值并不准确。材料基础发展的公式化需要真实粘度测量值，同时工艺设备和附件(例如：印模，铸模，挤压螺杆等)的设计需要材料的真实粘度。但是，由于表观粘度测量更容易更迅速并且实惠，已经作为一个指示被用于快速测试。实际粘度很难测量并且只能用少数几种设备(流变仪和毛细管粘度计)测量。流变仪在测试样品上给定一个切变率来测量真实粘度。当前测量真实粘度的流变计是多功能的，也可以用于其它特性的测量，因此它的价格昂贵。通常大量样品需要用先进的流变仪进行粘度测量。而且这些流变仪并不适用于在线应用并且高吞吐量的测量。圆形毛细管粘度计是另一种类型的流变计，它通过考虑一个合适的补偿来测量表观粘度和真实粘度。它测量测量粘度的同时还需要测量一个液滴压力。它是圆形的，只能测量出入口的压力。由于这个局限性，它只能测量表观粘度。除非通过用俩个具有不同长度直径比的毛细管来纠正入口效应，然而俩个毛细管的使用又使得粘度计变得笨重或费时。

当前与矩形开口有关的粘度计也用于测量实际粘度。这个粘度计测试矩形开口流体通道内的液流并且使用压力传感器测量给定流速的沿着通道的压力。与毛细管粘度计相比，开口流体通道内部是平坦的，这样可以用压力传感器测量其内部的压力，然后再从压力测量中计算出剪切力。随着流速的变化，切变率也随之改变。在不同切变率下测量剪切力，用已知的公式可以计算出真实的粘度，这样要比用俩个单独的毛细管测量要简单得多。但是这些粘度计只当流体通道的宽度与深度相比足够大时比较简单。这些开口的粘度计需要泵系统来对测试流体的流速进行精确控制。通常，这些开口的粘度计被用作挤压机的附属物，随着液体流出挤压机。当前的做法是，在通道内单独安装压力传感器来测量稳定的压力。但是，众所周知液体流动的不稳定严重影响到压力的测量，尤其是对于非牛顿液体。同时通道表面的任何不平坦都会影响到压力传感器测量值。因此，测量精度通常包括压力传感器在通道内安装效果。一个简单的几何开口，切变率会通过泵系统控制的流速改变而改变。同时，当前大多数开口粘度计都是用传统机械工艺制作的。此外，所有这些粘度计都是相对大尺寸的样品而制作的。因此，小尺寸样品不能用这样的粘度计测量。这些传统的粘度计不适于测量那些只用在小容量的测试样品和高吞吐样品。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计及制作方法，它能够解决现有技术存在的不足，通过集成了庞大的压力传感器阵列的流体通道，来测量微小样品的真实粘度和弹性。

本发明的技术方案：一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于它具有一个内表面比较光滑且深度为微米级的流体通道；所说的流体通道内集成有压力传感器阵列；所说的流体通道内具有几何变化，构成收缩和扩展区域。

上述所说的流体通道的深度大于10微米，长度大于300微米，宽度大于100微米。

上述所说的压力传感器阵列置于通道的顶部或底部。

上述所说的流体通道内具有的几何变化为突起，突起的形状为长方形、三角形或双曲面形；所说的突起前后的通道底部分别集成有用来测量流体的拉伸粘度及弹性的压力传感器，其余平直通道底部集成有用来测量流体的真实粘度的压力传感器。

上述所说的收缩和扩展区域为突变或渐变的。

上述所说的微流变计相互串联或并联。

上述所说的微流变计的入口连接有泵，被测样品由泵驱动进入微流变计。

上述所说的被测样品经过阀I流入微流变计，后经由阀II流出。

一种上述用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计的制作方法，其特征在于它由以下步骤构成：

(1)流体通道的制作：在晶片上进行腐蚀形成通道，通道深度大于10微米，长度大于300微米，宽度大于100微米；

(2)压力传感器阵列的制作：压力传感器是在晶片上形成腔，流体流过将使腔表面发生形变；

(3)通道和传感器阵列分别在晶片上制作，将这俩个晶片结合；结合后的晶片上的流体单元被进一步切成各自独立的片上流变计。

上述所说的晶片为Si或GaAs。

本发明的工作原理：本发明有一个内表面比较光滑的流体通道，集成了一个庞大的压力传感器阵列用来感应沿着通道的压力，通道的几何变化会在通道内形成收缩区域，通过收缩区域上游或下游的压力传感器的适当移动，就可测量液体样品的粘度；流变计测试液体被泵驱动通过开口进入，并在通道中流动形成了压力差，然后通过液体挤压腔表面的压力，流体样品在每个腔内形成形变，置于腔内的压力传感器完成对流体样品进行测量。多种流变计可以相互并联或串联来测量高吞吐量的多种样品的流体特性；对于高吞吐量样品的测量，许多样品的自动采样下载被添加到了系统中；之后自动采样液体被泵压送到芯片上用于高吞吐量测量。

本发明的优越性及技术效果：(1)本发明能够对微米体积的样品粘度和弹性进行测量；(2)通过集成压力传感器阵列缩小了微流变计的体积。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计的俯视图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为本发明所涉一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计一种实施例的示意图。

图4为本发明所涉一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计并联使用示意框图。

图5为本发明所涉一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计串联使用示意框图。

其中，1为通道，2为压力传感器，3为突起，4为入口，5为出口。

(五)具体实施方式：

实施例1：一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计(见图1、图2)，其特征在于它具有一个内表面比较光滑且深度为微米级的流体通道1；所说的流体通道1内集成有压力传感器2阵列；所说的流体通道1内具有几何变化，构成收缩和扩展区域。

上述所说的流体通道1的深度15微米，长度400微米，宽度150微米。

上述所说的压力传感器2阵列置于通道1的底部。(见图1、图2)

上述所说的流体通道1内具有的几何变化为突起3，突起3的形状为长方形；所说的突起3前后的通道1底部分别集成有用来测量流体的拉伸粘度及弹性的压力传感器，其余平直通道1底部集成有用来测量流体的真实粘度的压力传感器。(见图1、图2)

上述所说的收缩和扩展区域为突变。

上述所说的微流变计相互并联。(见图4)

上述所说的被测样品经过阀I流入微流变计，后经由阀II流出。(见图4)

一种上述用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计的制作方法，其特征在于它由以下步骤构成：

(1)流体通道的制作：在晶片上进行腐蚀形成通道，通道深度大于10微米，长度大于300微米，宽度大于100微米；

(2)压力传感器阵列的制作：压力传感器是在晶片上形成腔，流体流过将使腔表面发生形变；

(3)通道和传感器阵列分别在晶片上制作，将这俩个晶片结合；结合后的晶片上的流体单元被进一步切成各自独立的片上流变计。

上述所说的晶片为Si或GaAs。

上述所说的通道和传感器阵列用已知批量工艺在晶片上制作。

实施例2：一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计(见图3)，其特征在于它具有一个内表面比较光滑且深度为微米级的流体通道1；所说的流体通道1内集成有压力传感器2阵列；所说的流体通道1内具有几何变化，构成收缩和扩展区域。

上述所说的流体通道1的深度15微米，长度400微米，宽度150微米。

上述所说的压力传感器2阵列置于通道1的底部。(见图3)

上述所说的流体通道1内具有的几何变化为突起3，突起3的形状为长方形；所说的突起3前后的通道1底部分别集成有用来测量流体的拉伸粘度及弹性的压力传感器，其余平直通道1底部集成有用来测量流体的真实粘度的压力传感器。(见图3)

上述所说的收缩和扩展区域为突变。

上述所说的微流变计相互串联。(见图5)

上述所说的微流变计的入口连接有泵，被测样品由泵驱动进入微流变计。(见图5)

一种上述用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计的制作方法，其特征在于它由以下步骤构成：

(1)流体通道的制作：在晶片上进行腐蚀形成通道，通道深度大于10微米，长度大于300微米，宽度大于100微米；

(2)压力传感器阵列的制作：压力传感器是在晶片上形成腔，流体流过将使腔表面发生形变；

(3)通道和传感器阵列分别在晶片上制作，将这俩个晶片结合；结合后的晶片上的流体单元被进一步切成各自独立的片上流变计。

上述所说的晶片为Si或GaAs。

上述所说的通道和传感器阵列用已知批量工艺在晶片上制作。

Claims (10)

1.一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于它具有一个内表面比较光滑且深度为微米级的流体通道；所说的流体通道内集成有压力传感器阵列；所说的流体通道内具有几何变化，构成收缩和扩展区域。

2.根据权利要求1所说的一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于所说的流体通道的深度大于10微米，长度大于300微米，宽度大于100微米。

3.根据权利要求1所说的一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于所说的压力传感器阵列置于通道的顶部或底部。

4.根据权利要求1所说的一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于所说的流体通道内具有的几何变化为突起，突起的形状为长方形、三角形或双曲面形；所说的突起前后的通道底部分别集成有用来测量流体的拉伸粘度及弹性的压力传感器，其余平直通道底部集成有用来测量流体的真实粘度的压力传感器。

5.根据权利要求1所说的一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于所说的收缩和扩展区域为突变或渐变的。

6.根据权利要求1所说的一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于所说的微流变计相互串联或并联。

7.根据权利要求1所说的一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于所说的微流变计的入口连接有泵，被测样品由泵驱动进入微流变计。

8.根据权利要求1所说的一种用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计，其特征在于所说的被测样品经过阀I流入微流变计，后经由阀II流出。

9.一种权利要求1所述用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计的制作方法，其特征在于它由以下步骤构成：

(1)流体通道的制作：在晶片上进行腐蚀形成通道，通道深度大于10微米，长度大于300微米，宽度大于100微米；

(2)压力传感器阵列的制作：压力传感器是在晶片上形成腔，流体流过将使腔表面发生形变；

(3)通道和传感器阵列分别在晶片上制作，将这俩个晶片结合；结合后的晶片上的流体单元被进一步切成各自独立的片上流变计。

10.根据权利要求9所说的用于测量微米体积样品粘度和弹性的微流变计的制作方法，其特征在于所说的晶片为Si或GaAs。

Images