CN104963845A - 一种微流体驱动和计量一体化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流体驱动和计量一体化的方法，应用ICEOF在微流体驱动的效应，给出T形通道的设计，并基于微流体对应变式锰丝和可极化铂金的影响，使微流体驱动部分和计量部分高度一体化，实现微流体的有效驱动和计量，同时结合外围反馈控制电路，自动调节微流体流量。本发明的优点：(1)ICEOF的应用，实现了微通道内，无阀高效驱动效果；(2)MEMS应用理念，将可极化的驱动元件、计量部分的应变感应元件内嵌在微通道中，实现微通道内，流量精确测量和驱动的一体化；(3)外围反馈电路设计，实现了微泵流量的可控性输出；(4)圆筒形套层圆环首次引入半极化镀膜处理，明显增强驱动效果，降低外加电压的输入量，节能高效。
Description
技术领域
本发明属于生物工程领域，涉及一种微流体驱动和计量一体化的方法。
背景技术
自20世纪90年代初，瑞士科学院首次提出以微机电系统（MEMS）为基础的微全分析系统的概念，之后微流体芯片微通道中的分析技术得到快速发展，成为世界上前沿的科技领域之一。典型的微流体驱动部分只有几个平方厘米，采用微加工技术在玻璃、PDMS 等材料表面刻蚀宽度和深度仅为几十到几百微米的微通道，施加外力驱动通道中的微流体流动，完成进样操作。近年来，随着微流体研究的逐渐深入，微流体研究领域的重点转为微流体芯片的设计，从而实现微流体的驱动和计量。驱动微流体是各个单元间检测试样运输的决定因素，因此，实现微流体的驱动控制和计量逐渐成为设计的重点。高效的微流体驱动和计量的设计能够确保流体易于控制，提高检测效率，故实现高效微流体驱动和计量成为微流体研究的一个重要任务。
目前的微流体驱动设计中，应用最为成功的驱动方式为电渗驱动(EOF)，但是电渗驱动依旧具有一定的不足，比如，为保证较小尺寸下良好的流体驱动效果，系统需承担很强的电场强度，导致焦耳热效应产生，影响电场和流场；而减弱焦耳热效应的交流外加电场会造成微流体平均驱动效果为零的后果；电渗驱动中壁面双电层的电位一般小于100mV，传输效果并不够理想。
诱导电渗驱动(ICEOF)，其产生所基于的双电荷层为外加电场作用于可极化障碍物诱导极化而来，可通过各种人工的方式对双电层进行调控，可很好的规避电渗驱动中存在的诸多不足，有利于更高效的流体传输。此外，诱导电渗流驱动效果下的流速与外加电场之间呈非线性关系，因此可在相同外加电场情况下，获得相对电渗流驱动更好的驱动效果。然而，到目前为止，由于各种原因，基于诱导电渗流(ICEOF)理论的微流控驱动装置的设计仍旧处于设计验证阶段，但其优越的性能已经让我们看到了其广阔的应用前景，因此研究诱导电渗流，并将其应用到微流体驱动的设计上，具有重要意义。
微流体驱动和计量部分可以组装成微流体芯片，该芯片作为一种微型化的分析仪器，在许多检定操作环节对于流量的控制具有较高的要求。本申请即致力于在充分利用诱导电渗驱动微流体优秀的效果基础上，通过微尺度流量的计量和外围电路的反馈控制，实现微泵流量的可控性输出，实现微流体诱导驱动和计量一体化的设计。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种微流体驱动和计量一体化的方法，应用ICEOF在微流体驱动的效应，给出T形通道的设计，并基于微流体对应变式锰丝和可极化铂金的影响，使微流体驱动部分和计量部分高度一体化，实现微流体的有效驱动和计量，同时结合外围反馈控制电路，自动调节微流体流量。
进一步的，在T形微管道，垂直管道与平行管道交接处嵌入可极化性质的圆筒形套层，通过外加电场实现圆筒形套层的诱导电渗驱动；将应变式锰丝嵌入到垂直管道与平行管道交接处的可极化性质的圆筒形套层中，基于流体对于应变式锰丝的阻值变化实现流量实时监控；流量反馈控制的设计，根据流量和输入电压控制关系，经单片机处理输出合理的电压值，反馈到微泵出口处充当激励电压，实现对T型微泵输出流量的反馈控制。
进一步的，所述的流体为无腐蚀性且粘性适中的中性液体。
进一步的，所述的圆筒形套层与应变式锰丝为同轴设置，圆筒形套层与应变式锰丝之间所形成的缝隙添加绝缘介质，应变式锰丝与外围导线连接，且套筒的径向外侧面靠近出口处断面上镀有特殊绝缘材料的薄膜。
进一步的，所述的圆筒形套层壁厚为0.008D～0.01D，所述的应变式锰丝直径为为0.075D～0.85D，其中D表示圆筒的截面直径。
进一步的，流量计量的设计部分，采用基于MEMS技术的应变式流量传感器，通过传感器电路获得与通道流量呈确定函数关系的电压信号U1，并通过同相放大电路和单片机中的DA通道进行信号处理，获得对应通道流量值Q，并通过LCD液晶显示，实现流量计量。
进一步的，流量反馈控制部分，结合微通道中外加电压值与输出流量之间的关系和输出流量与传感器测量电压值之间的关系，通过单片机的DA通道，调节输出与所需流量值相对应的反馈电压值，将该电压值反馈到T型微泵的入口处作为激励电压，实现输入电压值的实时反馈控制，进而对T型管道内的流场流速和流量进行控制，完成流量反馈控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)ICEOF的应用，实现了微通道内，无阀高效驱动效果；
(2)MEMS应用理念，将可极化的驱动元件、计量部分的应变感应元件内嵌在微通道中，实现微通道内，流量精确测量和驱动的一体化；
(3)外围反馈电路设计，实现了微泵流量的可控性输出；
(4)圆筒形套层圆环首次引入半极化镀膜处理，明显增强驱动效果，降低外加电压的输入量，节能高效。
附图说明
图1是本发明T型微通道驱动计量一体化的示意图；
图2.1和图2.2是套层结构图及剖示图；
图3是不同电场强度下T型微泵出口处速度分布图；
图4是本发明的整体设计路线简图；
图5是应变式流量传感器原理图；
图6是应变式流量传感器电路。
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。
如图1-3所示，本是发明的微流体驱动和计量一体化的方法。该方法应用ICEOF在微流体驱动的效应，给出T形通道的设计，并基于微流体对应变式锰丝和可极化铂金的影响，使微流体驱动部分和计量部分高度一体化，实现微流体的有效驱动和计量。同时结合合理的外围反馈控制电路，使之自动调节微流体流量。
微流体驱动和计量的设计，在T形微管道，垂直管道与平行管道交接处嵌入可极化性质的圆筒形套层1，通过外加电场实现套层外铂金环结构9的诱导电渗驱动；流量计量的设计，利用基于MEMS加工技术，将应变式锰丝7嵌入到垂直管道与平行管道交接处的可极化性质的圆筒形套层1中，基于流体对于应变式锰丝7的阻值变化，结合外围放大电路、单片机、LCD显示等实现流量实时监控；流量反馈控制的设计，则是根据既定的流量和输入电压控制关系，经单片机处理输出合理的电压值，反馈到微泵出口处充当激励电压，实现对T型微泵输出流量的反馈控制。
所述的流体为无腐蚀性且粘性适中的中性液体。
所述的套层外铂金环结构9与应变式锰丝7为同轴设置，套层外铂金环结构9与应变式锰丝7之间所形成的缝隙添加绝缘介质8，只有应变式锰丝7与外围导线连接，且套筒的径向外侧面靠近出口处断面上镀有特殊绝缘材料的薄膜。
所述的套层外铂金环结构9壁厚为0.008D～0.01D。
所述的应变式锰丝7直径为为0.075D～0.85D，其中D表示圆筒的截面直径。
（1）驱动部分的设计
针对T型微泵，以嵌入障碍物在外加电场作用下诱导产生的电渗流，实现流体驱动效果的增强。具体的设计简图如图2所示，设计的核心即在T型微通道垂直通道与水平通道交界处，嵌入半边不同性质的圆柱形障碍物。障碍物周围是一层绝缘性质的填充物，向外套一层套层外铂金环结构9。这里我们采用Fluent仿真，对T型通道的工作性能进行分析，给出数值模拟计算的数学模型。
假设所研究液体为黏性不可压缩的牛顿流体，则该算例中流场的动量方程可写作：
(1)
其中，为流体密度，为速度矢量，为压力值，为流体粘度系数，为离子化合价，为电子电荷量，为离子浓度值，为双电层壁面电势，为外加电场电势，为玻尔兹曼常数，为绝对温度。
外加电场控制方程和双电层壁面电势控制方程分别如公式(2)及公式(3)所示：
(2)
(3)
(4)
其中，为溶液局部体积净电荷密度， 为真空介电常数，为电解液的相对介电系数，可定义 为溶液介电常数。
为了对微泵工作性能做较为全面的评估，我们给定入口处边界条件为，，且进出口压力值均为一个大气压值，且不存在滑移边界条件，经过合理设定数值模拟边界条件，编写合理CFD接口程序，对T型微泵驱动效果进行模拟。出口处动压的对比图，如图3所示，可以看到，在所施加的电场强度范围内，可获得的出口处速度驱动范围为0.62m/s～17.4m/s，驱动效果良好。
(2) 流量计量及反馈电路的设计
整体的的发明技术路线如图4所示，流量计量的设计部分，我们提出采用基于MEMS技术的应变式流量传感器，通过传感器电路获得与通道流量呈确定函数关系的电压信号U1，并通过同相放大电路和单片机中的DA通道进行信号处理，获得对应通道流量值Q，并通过LCD液晶显示，实现流量计量。
应变式流量传感器，是利用通道内微流体对应变式锰丝产生形变的原理制作的，一定流速的流体使锰丝产生一定程度的形变，然后通过应变传感器得出锰丝的阻值变化，再经过放大电路和测量电桥得出流量值与电压之间的函数关系。其结构上主要是应变式电阻锰丝，锰丝竖直放置在管道中间，用于流量的标定。将应变式锰丝与外接的三个固定电阻组成测量电桥。流体静止时，测量电桥处于平衡状态。流体流动时，沿管道轴向的温度场分布的对称性被扰动破坏，引起测温电阻器阻值的变化，进而造成电桥失去平衡，输出一个直流电压信号。其基本原理图见附图5所示，其传感器电路见附图6所示。这里我们给出微流体流量值与传感器输出电压值之间的关系，如公式所示，可以看到微泵输出流量值Q与传感器输出电压值U之间呈确定函数关系。
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
流量的液晶显示部分，即基于公式编写C语言编程，在单片机DA通道内实现电压信号与流量值的转换，并将其显示到液晶显示屏上。
流量反馈控制部分，则是结合微通道中外加电压值与输出流量之间的关系和输出流量与传感器测量电压值之间的关系，通过单片机的DA通道，调节输出与所需流量值相对应的反馈电压值。将该电压值反馈到T型微泵的入口处作为激励电压，实现输入电压值的实时反馈控制，进而对T型管道内的流场流速和流量进行控制，完成本申请中关键的流量反馈控制。
Claims (7)
1.一种微流体驱动和计量一体化的方法，应用ICEOF在微流体驱动的效应，给出T形通道的设计，并基于微流体对应变式锰丝和可极化铂金的影响，使微流体驱动部分和计量部分高度一体化，实现微流体的有效驱动和计量，同时结合外围反馈控制电路，自动调节微流体流量。
2.如权利要求1所述的微流体驱动和计量一体化的方法，其特征在于：在T形微管道，垂直管道与平行管道交接处嵌入可极化性质的圆筒形套层（9），通过外加电场实现圆筒形套层（9）的诱导电渗驱动；将应变式锰丝（7）嵌入到垂直管道与平行管道交接处的可极化性质的圆筒形套层（9）中，基于流体对于应变式锰丝（7）的阻值变化实现流量实时监控；流量反馈控制的设计，根据流量和输入电压控制关系，经单片机处理输出合理的电压值，反馈到微泵出口处充当激励电压，实现对T型微泵输出流量的反馈控制。
3.如权利要求1所述的微流体驱动和计量一体化的方法，其特征在于：所述的流体为无腐蚀性且粘性适中的中性液体。
4.如权利要求2所述的微流体驱动和计量一体化的方法，其特征在于：所述的圆筒形套层（9）与应变式锰丝（7）为同轴设置，圆筒形套层（9）与应变式锰丝（7）之间所形成的缝隙添加绝缘介质（8），应变式锰丝（7）与外围导线连接，且套筒的径向外侧面靠近出口处断面上镀有特殊绝缘材料的薄膜。
5.如权利要求2所述的微流体驱动和计量一体化的方法，其特征在于：所述的圆筒形套层（9）壁厚为0.008D～0.01D，所述的应变式锰丝（7）直径为为0.075D～0.85D，其中D表示圆筒的截面直径。
6.如权利要求2所述的微流体驱动和计量一体化的方法，其特征在于：流量计量的设计部分，采用基于MEMS技术的应变式流量传感器，通过传感器电路获得与通道流量呈确定函数关系的电压信号U1，并通过同相放大电路和单片机中的DA通道进行信号处理，获得对应通道流量值Q，并通过LCD液晶显示，实现流量计量。
7.如权利要求2所述的微流体驱动和计量一体化的方法，其特征在于：流量反馈控制部分，结合微通道中外加电压值与输出流量之间的关系和输出流量与传感器测量电压值之间的关系，通过单片机的DA通道，调节输出与所需流量值相对应的反馈电压值，将该电压值反馈到T型微泵的入口处作为激励电压，实现输入电压值的实时反馈控制，进而对T型管道内的流场流速和流量进行控制，完成流量反馈控制。
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| Fu et al. | Contactless microfluidic pumping using microchannel-integrated carbon black composite membranes |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170714 Termination date: 20180305 |