CN105699254A - 一种研究微尺度流场流动状态的方法及集成模板 - Google Patents

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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明涉及一种研究微流场的方法和模板，具体涉及一种研究微尺度流场流动状态的方法及集成模板。本发明包括基板(1)、与基板(1)上表面接触的上视窗玻璃板(2)、与基板(1)下表面接触的下视窗玻璃板(3)，在基板(1)上开设选自十字交叉流道(4)、收缩流道(5)、收缩－膨胀流道(6)、带有双曲线形式的收缩流道(7)、T形流道(8)、扩张流道(9)、直角过渡的U形流道(10)、多齿形流道(11)、带R过渡的U形流道(12)、三角形流道(13)和带有圆弧过渡的三角形流道(14)的至少两种微流道。本发明提出的集成模板具有使用方便、不用更换、制造成本低、测量准确及使用寿命长等优点。

Description

一种研究微尺度流场流动状态的方法及集成模板
技术领域
本发明涉及一种研究微流场的方法和模板，具体涉及一种研究微尺度流场流动状态的方法及集成模板。
背景技术
目前,传统微流道芯片虽然应用广泛,但大部分微流道生物芯片和微机电系统(MEMS)只用于生物学、医学研究以及芯片实验室(Lab-on-chip)的控制等领域，存在流道单一的缺点，无法满足研究高分子流体在微尺度下多种流动状态的需要。若用于研究高分子流体在多种不同结构流道中的流动状态，必须制造多种芯片，并每次进行更换才能满足实验要求，造成使用不方便，造价高等缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了将多种几何特征的微流道集成在一块模板上的技术方案。它主体思路是将几种典型的微流道合理地集成放置到同一个模板上，可获得微流场中的速度分布和主应力差等色条纹等信息，非常适合于研究高分子流体在微尺度下的多种流动状态，对研究高分子流体在微流道中的流变特性和流体动力学具有一定应用价值。
本发明中的研究微尺度流场流动状态的集成模板包括基板和两块低应力透明玻璃板，如图1、2所示，基板1，其上表面与上视窗玻璃板2接触，基板1下表面与下视窗玻璃板3接触；在基板1上开设多种几何结构的流道，包括十字交叉流道4、收缩流道5、收缩－膨胀流道6、带有双曲线形式的收缩流道7、T形流道8、扩张流道9、直角过渡的U形流道10、多齿形流道11、带R过渡的U形流道12、三角形流道13和带有圆弧过渡的三角形流道14，共计11种不同几何结构的流道；在基板1上还设置流体入口15和流体出口16。该集成模板上不同几何结构的微流道还可以变换位置，以不同的组合方式呈现在基板上，如图3、4、5所示。其中直角过渡的U形流道10和带R过渡的U形流道12分别位于集成模板的中轴线两侧，并大致关于所述中轴线对称；多齿形流道11、三角形流道13和带有圆弧过渡的三角形流道14不全都开设在集成模板的中轴线一侧，这样使得注入高分子流体时，集成模板受力较均匀。
这些不同几何结构的微流道可用于研究高分子流体的复杂流动状态和流变特征，利用十字交叉流道4、带有双曲线形式的收缩流道7、三角形流道13和带有圆弧过渡的三角形流道14可以研究高分子在不同的拉伸流场中的流变行为；利用收缩流道5可以研究剪切流场中的流动情况；利用其他几何结构的流道可以获得这两种流场组合下的复杂流变行为。另外，直角过渡的U形流道10和带R过渡的U形流道12还可以研究高分子流体的微注射流动过程。
本发明将多种几何结构的微流道集成到一块模板上，不用更换微流道芯片即可测试高分子流体在多种流场中的流动状态，需要观察某种几何结构流道中的流动情况时，只需将该部位移至体视显微镜的视野中，借助图6所示的微尺度PIV系统可以测量流场中的速度，利用图7所示的流动双折射(FIB)系统可以获得流场中的主应力等色条纹分布。
本发明中这些不同几何结构的微流道可用于研究高分子流体的复杂流动状态和流变特征，满足研究高分子在拉伸流场、剪切流场以及这两种流场组合下的复杂流变行为，还可以研究高分子流体的微注射过程。特别是本发明提出的集成模板中的流道设置大致关于基板中轴对称，使集成模板受力均匀，提高了其使用寿命和减少了因基板变形引起的测量误差，具有使用方便、不用更换、制造成本低、测量准确及使用寿命长等优点。
附图说明
图1为本发明研究微尺度流场流动状态的集成模板的俯视图；
图2为本发明研究微尺度流场流动状态的集成模板的A-A剖视图；
图3-5为几种形状的微流道以不同方式组合的集成模板俯视图。
附图标注：1-基板；2-上视窗玻璃板；3-下视窗玻璃板；4-十字交叉流道；5-收缩流道；6-收缩－膨胀流道；7-带有双曲线形式的收缩流道；8-T形流道；9-扩张流道；10-直角过渡的U形流道；11-多齿形流道；12-带R过渡的U形流道；13-三角形流道；14-带有圆弧过渡的三角形流道；15-流体入口；16-流体出口。
图6为用于测试微流场速度的微尺度PIV系统示意图；
图7为用于测试流场应力的流动双折射(FIB)系统示意图。
附图标注：21-激光器；22-精密微注射泵；23-CCD相机；24-镜片；25-显微镜物镜；26-流体管路；27-1/4波片；28-起偏镜；29-光路；30-三棱镜；31-微流道集成模板；32-流体回收池；33-检偏镜；34-图像采集和分析系统。
图8为实施例2、3中使用的集成模板俯视图，标注同图1-5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提出的研究微尺度流场流动状态的方法及集成模板进行具体的描述，但本发明的技术方案并不仅限于实施例中的描述。
实施例1：
首先将水平放置的微流道集成模板31放在芯片支架上，然后将要进行观测的微流道几何结构，如图1所示的十字交叉流道4，移动置于体视显微镜的物镜25下方。
开启精密微注射泵22将高分子流体从集成模板31的入口15注入，流体沿着直段微流道进入十字交叉流道4，等待流场稳定后，借助微尺度PIV系统可以测量十字交叉微流道中的速度分布。速度测量完毕后，停止精密微注射泵22，更换流动双折射(FIB)系统，光学系统调整完毕后，再开启精密微注射泵22，稍等一段时间直到十字交叉微流道中的流体流动稳定后，进行应力的测定，这样可以获得流场的主应力等色条纹。
实施例2：
首先将水平放置的微流道集成模板31放在芯片支架上，然后将要进行观测的微流道几何结构，如图8所示虚线框内带直角过渡的U形流道10，移动置于体视显微镜的物镜25下方。
开启精密微注射泵22将高分子流体从集成模板靠近带直角过渡的U形流道10一侧的入口15注入，流体沿着直段微流道进入带直角过渡的U形流道10，此时观察并用CCD相机23拍摄流道中流体的前沿流动情况，便获得类似流体注射时的流动状态。等待流场稳定后，借助微尺度PIV系统可以测量U形微流道中的速度分布。速度测量完毕后，停止精密微注射泵22，更换流动双折射(FIB)系统，光学系统调整完毕后，再开启精密微注射泵22，稍等一段时间直到U形微流道中的流体流动稳定后，进行应力的测定，这样可以获得流场的主应力等色条纹。
实施例3：
首先将水平放置的微流道模板31放在芯片支架上，然后将要进行观测的微流道几何结构，如图8所示虚线框内的带R过渡的U形流道12，移动置于体视显微镜的物镜25下方。
开启精密微注射泵22将高分子流体从集成模板靠近带R过渡的U形流道12一侧的入口15注入，流体沿着直段微流道进入带R过渡的U形流道12，此时观察并用CCD相机23拍摄流道中流体的前沿流动情况，便获得类似流体注射时的流动状态。等待流场稳定后，借助微尺度PIV系统可以测量U形微流道中的速度分布。速度测量完毕后，停止精密微注射泵22，更换流动双折射(FIB)系统，光学系统调整完毕后，再开启精密微注射泵22，稍等一段时间直到U形微流道中的流体流动稳定后，进行应力的测定，这样可以获得微流场的主应力等色条纹。

Claims (8)

1.一种研究微尺度流场流动状态的方法，其特征在于：将十字交叉流道(4)、收缩流道(5)、收缩－膨胀流道(6)、带有双曲线形式的收缩流道(7)、T形流道(8)、扩张流道(9)、直角过渡的U形流道(10)、多齿形流道(11)、带R过渡的U形流道(12)、三角形流道(13)、带有圆弧过渡的三角形流道(14)中两种或两种以上的微流道集成到同一块基板(1)上，来研究流体在拉伸流场、剪切流场以及两种流场组合下的流变行为和微注射流动过程。
2.如权利要求1所述的一种研究微尺度流场流动状态的方法，其特征在于：利用微尺度PIV系统测量流场中的速度分布，利用流动双折射系统获得流场中的主应力等色条纹分布。
3.一种研究微尺度流场流动状态的集成模板，其特征在于：包括基板(1)、与基板(1)上表面接触的上视窗玻璃板(2)、与基板(1)下表面接触的下视窗玻璃板(3)，在基板(1)上开设选自十字交叉流道(4)、收缩流道(5)、收缩－膨胀流道(6)、带有双曲线形式的收缩流道(7)、T形流道(8)、扩张流道(9)、直角过渡的U形流道(10)、多齿形流道(11)、带R过渡的U形流道(12)、三角形流道(13)和带有圆弧过渡的三角形流道(14)的至少两种微流道。
4.如权利要求3所述的研究微尺度流场流动状态的集成模板，其特征在于：将十字交叉流道(4)、收缩流道(5)、收缩－膨胀流道(6)、带有双曲线形式的收缩流道(7)、T形流道(8)、扩张流道(9)的至少一种微流道开设在集成模板的中轴线上。
5.如权利要求3所述的研究微尺度流场流动状态的集成模板，其特征在于：将直角过渡的U形流道(10)、多齿形流道(11)、带R过渡的U形流道(12)、三角形流道(13)和带有圆弧过渡的三角形流道(14)的至少一种微流道开设在集成模板的中轴线两侧。
6.如权利要求5所述的研究微尺度流场流动状态的集成模板，其特征在于：直角过渡的U形流道(10)和带R过渡的U形流道(12)分别位于集成模板的中轴线两侧，并关于所述中轴线对称。
7.如权利要求6所述的研究微尺度流场流动状态的集成模板，其特征在于：多齿形流道(11)、三角形流道(13)和带有圆弧过渡的三角形流道(14)设置在集成模板的中轴线两侧。
8.如权利要求3所述的研究微尺度流场流动状态的集成模板，其特征在于：还在基板(1)上设置了流体入口(15)以及流体出口(16)。
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