CN104568288B - 一种基于毛细管的微通道快速测压装置 - Google Patents

Abstract

一种基于毛细管的微通道快速测压装置，在其中PDMS微芯片的下壁面，利用软光刻法加工了一个主通道和测压支路，测压支路的一端开口在主通道内需要测量压力的位置，另一端(后端)与毛细管相接，毛细管一端密闭，另一端插入测压支路后端，两者通过玻璃胶密封，玻璃基底的上壁面通过等离子处理后与PDMS微芯片的下壁面相黏合。本发明新颖之处在于设计了一种测量微通道内压力的新方法。微通道的结构可以自行设计，毛细管的长度也可以自行选择以可以满足不同的测量压力范围。

Description

一种基于毛细管的微通道快速测压装置

技术领域

本发明针对微流控芯片中的流路压力，本发明属于利用实验装置快速测量微通道内压力技术领域。

背景技术

自20世纪90年代A.Manz提出微全分析系统(μ-TAS)以来，在短短的十几年期间已发展成为当今世界上最前沿的科技领域之一，同时也快速推动了微电子机械系统(MEMS)的发展，迄今为止，微电子机械系统广泛应用于微机械元器件制造、信息、汽车工业、生物医学工程、航空航天、国防军事等多个领域。作为MEMS的一个重要分支,微流控系统以其具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点广泛利用在细胞学、生物化学领域、药学领域、化学合成领域、环境检测及临床诊断等方面。微尺度流动是微流控芯片的基本现象，其中压力、流速等流动参数的控制和测量更是微流控芯片研究的基础，微通道内的压力对微流体的流动特性有着重要影响，相应地能够影响微流控芯片的工作性能，而且准确地实现微流控系统中压力的测量和控制能够更好地描述和理解微尺度条件下流体的流动特性。在工程应用中，微流控芯片内压力的测量和控制可以利用在微型泵阀工作性能的评定、细胞环境的检测、生物制药、化学试剂的传送以及血液动力学等技术领域。

实际上对微流控系统的压力测量和控制迄今为止现有的方法还存在一定的困难，一方面是在微尺度下，微流体的流动特性会产生一种不同于宏观条件下的“尺寸效应”，这将导致传统的压力测量方法和理论模型因其不能准确反映微尺度流路内的流动变化而不再适用于微流控系统中。另一方面，现阶段对微流控系统的压力测量手段都有其自身的一些局限性，现阶段微流控中压力测量的方法大多数是在微流控系统外采用压力传感器比如激光位移传感器、微压电传感器等，但这类方法也存在一定的缺点：1、需要在微流控系统外增加复杂的外部测压装置，实现困难、操作复杂、设备昂贵，响应时间长；2、无法实现测量微流控芯片任意位置的压力；3、传统在芯片外部放置压力传感器的方法由于测量过程中存在一定的压力耗散，导致测量的压力不准确。

发明内容

本发明是为了在不需要外部测压设备的条件下，简单、快速、准确地测量出微通道某一位置的压力大小。本发明目的在于提供了一个在要测压的位置存在一个压力检测支路的主通道，一根一端密闭的毛细管(开口端可以插入压力检测支路中)。首先将主通道用液体充满，当液体不流动时观测并记录毛细管中液柱的位置，此时毛细管内的空气为标准大气压，然后当主通道内的液体产生流动时，毛细管中液柱的液面会上升，观测并记录流动稳定后液面的位置，得到液柱上升的高度差，这种高度差与液体的流动速度有关，能够反映主通道内压力的变化过程，通过测量毛细管内液柱上升的高度差，可以快速准确地得到该位置主通道内压力的大小。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下

一种基于毛细管的微通道快速测压装置，装置所涉及的结构包括主通道2、测压支路3、毛细管4(一端密闭)、玻璃基板5。

在PDMS微流控芯片1的下壁面利用软光刻法加工有一个主通道2和测压支路3，测压支路3的一端开口在主通道2内需要测量压力的位置，另一端(后端)与毛细管4相接，毛细管4一端密闭，另一端插入测压支路后端，两者通过玻璃胶密封，玻璃基底5的上壁面通过等离子处理后与PDMS微流控芯片1的下壁面相黏合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明新颖之处在于设计了一种测量微通道内压力的新方法。微通道的结构可以自行设计，毛细管的长度也可以自行选择以可以满足不同的测量压力范围。

2、本发明方法能够实现对微通道内某一位置压力的实时测量，操作简单，不需要复杂的额外测压设备，可以节约时间和成本，具有高效、经济、准确的特点。

3、本发明进行计算时采用多次测量求平均值的方法，保证了实验的精度。

附图说明

图1是本发明一种基于毛细管的微通道快速测压方法所用的实验装置示意图。

图2是本发明的微通道两个特征位置的剖视图。

图中：1、PDMS微流控芯片，2、主通道，3、测压支路，4、毛细管，5、玻璃基底。

具体实施方式

下面结合结构附图对本装置是如何实现利用毛细管内的液面位置的变化直接测量微通道内的压力作进一步详细说明。

图1为一种基于毛细管的微通道快速测压所用的实验装置示意图。该装置主要由PDMS微流控芯片1(下壁面处利用软光刻法加工了主通道2和测压支路3)、主通道2(刻制在PDMS微芯片的下壁面中心处，在要测量压力的位置连接一个测压支路3，液体可在其中流动，速度可通过外部的微型驱动泵控制)、测压支路3(开口位于主通道2要测压的位置，后端和毛细管4的开口端相连接，通道直径60μm，能保证不影响主通道3内液体的流动)、毛细管4(一端密闭，而开口端插入测压支路3的后端，并用玻璃胶密封，直径50μm，可以保证毛细管4对主通道2内压力的变化非常敏感，即使微小的压力变化也能让毛细管4中的液柱产生明显的高度差)、玻璃基板5(上壁面经过等离子处理后与PDMS微流控芯片1的下壁面黏合)几个部分构成。其中主通道2和测压支路3都是通过软光刻法微加工制成。当主通道2内的液体不流动时，观测并记录毛细管4中液柱液面的初始位置，此时密闭的毛细管4中含有一个标准大气压，当主通道2内液体流动时，毛细管4中液柱的液面会随之上升，待主通道2内液体流速稳定后，观测并记录毛细管4中液柱液面的最终位置，两个不同位置之间存在一个高度差Δh，通过这个高度差Δh，可以快速准确计算出此时该位置主通道2中的压力大小。

实验装置搭建完成后，具体的实施过程如下：首先利用外部微型驱动泵将液体注满主通道2后停止驱动泵保证主通道2内液体不流动，主通道2内的小部分液体会经过测压支路3进入毛细管4中形成液柱，观测并记录毛细管4中液柱的初始位置a，此时毛细管4中密闭的空气为一个标准大气压。然后利用外部微型泵驱动将固定流量的液体注射进入主通道2中，由测压支路3进入的毛细管4的液体会驱动毛细管4中的液柱上升，一段时间待主通道2内的液体流动速度稳定后观察并记录毛细管4中液柱的最终位置b，两个不同位置a、b之间存在一个高度差Δh，利用流体力学相关理论可以计算出两位置之间毛细力的大小以及毛细管4内压力的变化，再由毛细力的大小和毛细管4中压力的变化可以快速准确计算出此时该位置主通道2中的压力大小。实验中保持流量不变，多次测量求压力的平均值。外部微型驱动泵可以改变入口流量的大小，这样可以测量不同速度的液体经过主通道2时毛细管4内液柱液面的上升高度差，继而可以得到不同速度入口的流体通过主通道2某一位置时压力的大小。

Claims (1)

1.一种基于毛细管的微通道快速测压方法，该方法基于毛细管的微通道快速测压装置实现，该装置包括主通道(2)、测压支路(3)、毛细管(4)、玻璃基板(5)；

在PDMS微流控芯片(1)的下壁面，利用软光刻法加工有一个主通道(2)和测压支路(3)，测压支路(3)的一端开口在主通道(2)内需要测量压力的位置，另一端与毛细管(4)相接，毛细管(4)一端密闭，另一端插入测压支路后端，两者通过玻璃胶密封，玻璃基板(5)的上壁面通过等离子处理后与PDMS微流控芯片(1)的下壁面相黏合；

其特征在于：实验装置搭建完成后，具体的实施过程如下，首先利用外部微型驱动泵将液体注满主通道(2)后停止驱动泵保证主通道(2)内液体不流动，主通道(2)内的小部分液体会经过测压支路(3)进入毛细管(4)中形成液柱，观测并记录毛细管(4)中液柱的初始位置a，此时毛细管(4)中密闭的空气为一个标准大气压；然后利用外部微型驱动泵驱动，将固定流量的液体注射进入主通道(2)中，由测压支路(3)进入的毛细管(4)的液体会驱动毛细管(4)中的液柱上升，一段时间待主通道(2)内的液体流动速度稳定后观察并记录毛细管(4)中液柱的最终位置b，两个不同位置a、b之间存在一个高度差Δh，利用流体力学相关理论计算出两位置之间毛细力的大小以及毛细管(4)内压力的变化，再由毛细力的大小和毛细管(4)中压力的变化可以快速准确计算出此时该位置主通道(2)中的压力大小；实验中保持流量不变，多次测量求压力的平均值；外部微型驱动泵改变入口流量的大小，这样测量不同速度的液体经过主通道(2)时毛细管(4)内液柱液面的上升高度差，继而得到不同速度入口的流体通过主通道(2)某一位置时压力的大小。