CN102967629A

CN102967629A - 纳通道中的热气泡产生、检测装置及检测方法

Info

Publication number: CN102967629A
Application number: CN2012105158934A
Authority: CN
Inventors: 陈敏; 陈冬冬; 李德玉
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: CN102967629B

Abstract

本发明涉及一种纳通道中的热气泡产生、检测装置及检测方法。所述装置，包括纳通道热气泡发生芯片及电路设计及数据采集系统；纳通道热气泡发生芯片由4个等大的储液池，加热电极，微通道，纳通道，引导区和加热线圈构成；电路设计及数据采集系统包含主信号电路，通道加热电路及电阻辅助测量电路三支电路。本发明利用加热线圈、加热电极以及数据采集卡提供的可控电压，可在数十纳米高的通道中产生热气泡。再利用设计的电路及数据采集系统，可以实时检测纳通道热气泡变化。本发明可有效地解决目前的实验手段尚无法直接观察到纳米尺度热气泡的困境，也为进一步利用和控制纳通道的热气泡提供了一条新思路。

Description

纳通道中的热气泡产生、检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种纳通道中的热气泡产生、检测装置及检测方法。

背景技术

随着微机电系统（MEMS）技术的快速发展与应用，微通道或微限制空间内的液体沸腾与相变传热已成为热科学与工程中的新兴热点领域。近几十年来，随着实验技术的日益进步，人们对微通道中的热气泡的认识日臻完善。一系列基于热气泡现象的微器件应运而生。其中的一些产品，如热气泡打印机等，更是给人们带来了诸多便利。随着研究的深入与技术手段的不断提高，人们自然会进一步想到一些问题，如当尺度进一步下降到纳米尺度时，纳通道中的热气泡成核的特点又是怎样，如何控制及利用纳通道中的热气泡，进一步发展基于纳尺度热气泡的传感技术等，这些问题充满了未知。目前虽然已有少量的研究工作探讨了纳通道中的气泡问题，但是，由于器件设计与加工工艺的复杂，以及对加工精度的极高要求，目前关于纳通道中的热气泡方面的实验研究还鲜有文献报道，对纳通道中的热气泡的认识还刚刚起步。与此同时，由于气泡成核时间极短（纳秒至微秒尺度），临界成核尺寸极小（纳米至微米尺度），目前的实验技术手段还很难直接观察到气泡从胚核逐渐长大的完整过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳通道中的热气泡产生、检测装置及检测方法，为了解和认识纳通道中的热气泡特性，进一步设计并制作基于纳尺度热气泡的纳传感器件提供一定的技术支持。

设计纳通道中热气泡产生及检测装置，主要包括两个部分。第一部分利用微纳加工技术，设计纳通道的热气泡发生芯片。第二部分设计数据采集电路，搭建可以检测纳通道热气泡的测量平台。对于第一部分，纳通道中热气泡发生芯片的设计思路是，在纳米级通道上方数微米处设计布置加热线圈，利用电流的热效应，对该加热线圈施加可控的电压以加热纳通道中的液体。当温度上升到一定值后，热气泡便可以产生。制作符合这一要求的纳通道热气泡成核器件，器件中需要包含微通道、纳通道、对纳通道中的溶液进行加热的加热线圈及加热电极等。

由于目前的技术手段还很难直接观察到纳米级的热气泡，所以考虑利用间接的办法来检测第一部分产生的热气泡。实际上，一旦通道中产生了热气泡，热气泡的出现与通道中含有了不导电的颗粒情况类似。也就是说，气泡的出现会导致通道电阻的增大及通道两端电流的减小。而且，电流减小的幅度与热气泡的形状大小相互对应。因此，通过考察通道中的电流随时间变化情况可以间接考察通道中的热气泡行为特性。

本发明所述的纳通道中热气泡产生及检测装置，包括纳通道热气泡发生芯片及电路设计与数据采集系统。其中热气泡发生芯片包含：4个等大的储液池，加热电极，微通道，纳通道，引导区，加热线圈。所述储液池与微通道直接相连，纳通道通过引导区与微通道连接，而加热电极及加热线圈布置在纳通道的上方，加热线圈的左右两端分别与加热电极相连。电路设计与数据采集系统包含主信号电路，通道加热电路及电阻辅助测量电路三支电路。其中主信号电路用于测量通道两端流经的电流大小，该支路电流变化情况直接反映纳通道中热气泡的变化过程；通道加热电路用于通道内部溶液加热；电阻辅助测量电路用于测量加热线圈两端的实际电压值。

纳通道热气泡发生芯片含有四个电极，其中上部分两个电极利用数据采集卡对加热线圈供电，利用采集卡指令实现对加热电压的可控操作，下部分的两个电极用于准确测量加热线圈流经的电流，可进一步根据线圈的电阻温度系数定量获得通道温度值。

本发明还公开了一种纳通道中的热气泡产生及检测方法，设置如上所述检测装置，根据电阻辅助测量电路测得到电压结合通道加热电路得到的电流可计算加热线圈的电阻值，而后根据加热线圈的电阻温度系数，可得到纳通道电流变化情况与通道温度之间的定量关系。

本发明的有益效果：通过纳通道热气泡发生芯片及整个检测系统的发明设计，利用加热线圈、加热电极以及数据采集卡提供的可控电压，可在数十纳米高的通道中产生热气泡。而后，利用设计的电路及数据采集系统，可以实时检测纳通道热气泡变化。利用该发明设计，可有效地解决目前的实验手段尚无法直接观察到纳米尺度热气泡的困境，也为进一步利用和控制纳通道的热气泡提供了一条新思路。

附图说明

图1为本发明纳通道中的热气泡产生及检测装置的第一部分：纳通道中的热气泡发生芯片的设计图。其中图1(b)为图1(a)中黑色区域的放大图，图1(c)为图1(b)中黑色区域的放大图。其中：1-储液池，2-加热电极，3-微通道，4-纳通道，5-引导区，6-加热线圈。

图2为本发明纳通道中的热气泡产生及检测装置的数据采集系统原理图。其中，热气泡发生芯片外的虚线框为电磁屏蔽装置，1，2，3为三支数据采集电路，DAQ为数据采集设备，A、V分别为高精度电流计、电压计。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一歩说明：

图1为纳通道热气泡发生芯片的设计图。其中图1(a)为芯片整体图，图1(b)和图1(c)分别为图1(a)及图1(b)中的黑色区域放大图。由图1可见，芯片的主体部分由四个储液池1、加热电极2及加热线圈6、微通道3及纳通道4等部分组成。如图1(c)所示，加热电极2及线圈6位于纳通道4的上方，加热电极2中心的加热线圈6宽度设计尺寸为2um左右。加热电极2共有四个接线端，如图1(a)所示，设计四个接线端的目的是为了利用四角欧姆法准确测量加热线圈的电阻，进一步根据线圈的电阻温度系数获得通道的温度值。当加热电极接入一定的电压时，加热线圈将产生焦耳热。利用这一办法，可实现对纳通道中的溶液进行加热。

纳通道热气泡发生芯片各个组成部分的连接关系如下：储液池与微通道直接相连，纳通道通过1(c)所示的引导区5与微通道连接。而加热电极2及加热线圈6布置在纳通道4的上方。加热线圈的左右两端分别与加热电极相连。

由于纳通道的尺寸仅为纳米量级，若与上盖直接键合，纳通道将很容易阻塞。因此，图1中的纳通道及两端的引导区，即图1(c)中的部分5，这部分“埋在”器件表面以下，在与上盖键合时，该区域不与上盖直接接触，以确保纳通道的洁净与畅通。

图2为该装置的数据采集系统设计图。由图2可见，整个测试装置包含三支电路。第一支电路如图2中电路1所示，这条电路称作主信号电路，其测量的信号为通道两端流经的电流大小，该支路的电源由稳压电源提供。支路1的电流用高精度电流计测量，保证最小量程为纳安级。测量装置的另外两条电路如图中的2和3所示。其中电路2称为通道加热电路。其电压可利用数据采集卡本身的输出电压来作为加热电路的电压。选择采集卡自身输出电压在-5V~+5V之间，可以较方便地通过程序自动控制输出电压大小。同样，电路2中的电流信号用另外一个高精度电流计，测量并接入数据采集卡。电路3的目的是为了测量加热线圈两端的实际电压值，称作电阻辅助测量电路，该电压值结合通道加热电路2中的电流大小可以准确得到加热线圈的电阻值。若没有电阻辅助测量电路3的存在，直接利用电路2中的电压信号与电流信号估算加热线圈的电阻值大小将不准确，因为这一电阻包含加热线圈以外的电极部分，电极部分在加热的过程中也会发生变化。因此，这一办法无法准确获得加热线圈的电阻变化情况。利用电路3测得到电压结合电路2得到的电流计算加热线圈的电阻值即四角欧姆电阻法。利用这一途径得到的加热线圈的电阻虽然也包含加热电极的电阻，但加热电极的阻值不变。所以四角欧姆法可以准确的得到加热线圈的电阻变化情况。而后，进一步根据加热线圈的电阻温度系数，可获得加热线圈的温度。

信号测量过程中，为了屏蔽干扰信号，将热气泡发生芯片用胶带固定在电磁屏蔽铝盒，并在铝盒的前后左右打上数个小孔，每个小孔中安装一个BNC标准接线柱。将加热电极上引出的四根导线焊接在铝盒的接线柱上，同时把测量通道中电流的左右两个储液池中的铂电极接到另外两个BNC标准接线柱上。在这些接线完成后，盖上铝盒的上盖并拧上上盖的螺丝。封闭的铝盒可以一定程度上起到电磁屏蔽效果。

Claims

1.纳通道中的热气泡产生及检测装置，包括纳通道热气泡发生芯片及电路设计及数据采集系统；其特征在于，

热气泡发生芯片包含：4个等大的储液池（1），加热电极（2），微通道（3），纳通道（4），引导区（5），加热线圈（6）；所述储液池（1）与微通道（3）直接相连，纳通道通过引导区（5）与微通道（3）连接；而加热电极电极（2）及加热线圈（6）布置在纳通道（4）的上方；加热线圈的左右两端分别与加热电极相连；

电路设计及数据采集系统包含主信号电路，通道加热电路及电阻辅助测量电路三支电路；其中电路主信号电路用于测量通道两端流经的电流大小，该支路电流变化情况直接反映纳通道中热气泡的变化过程；通道加热电路用于通道内部溶液加热；电阻辅助测量电路用于测量加热线圈两端的实际电压值。

2. 根据权利要求1所述的纳通道中的热气泡产生及检测装置，其特征在于：纳通道热气泡发生芯片含有四个电极，其中上部分两个电极利用数据采集卡的对加热线圈供电，利用采集卡指令实现对加热电压的可控操作；下部分的两个电极用于准确测量加热线圈流经的电流，可进一步根据线圈的电阻温度系数定量获得通道温度值。

3. 一种纳通道中的热气泡产生及检测方法，其特征在于：设置如权利要求1所述装置，根据电阻辅助测量电路测得到电压结合通道加热电路得到的电流可计算加热线圈的电阻值，而后根据加热线圈的电阻温度系数，可得到纳通道电流变化情况与通道温度之间的定量关系。