CN108593028A - 一种液体离散结构以及液体测量装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种液体离散结构，用于将连续液体离散为可控体积液滴，包括：第一超表面结构，其中心位置开设喷嘴，其下表面为超疏液表面；第二超表面结构，其上表面为超疏液表面，其下表面为超亲液表面；第二超表面结构形成有微通孔阵列，微通孔内壁为超亲液表面；第二超表面结构位于第一超表面结构下方，与第一超表面结构平行间隔设置，第一超表面结构与第二超表面结构之间形成离散腔。
Description
技术领域
本公开属于液体流量的高精度检测技术领域，尤其涉及一种液体离散结构以及液体测量装置。
背景技术
连续流体的液滴离散化是日常生活中的常见现象，如水阀的滴漏，输液过程中点滴等，但对所形成液滴的均匀性缺少研究。实际上，不同压强、不同流率下液滴的体积并不恒定。另一方面，采用液滴下落速度的方式判断流量(如输液时)也并不准确。
近年来微流控技术的受到广泛的关注并取得一定的发展，在生物、医疗、化学等领域均有重要的应用。在微流控系统中，如何精确控制液体的流量逐渐成为关注的热点。例如，在微流体运输系统中，长时间的开环运行会导致输送液体流量的误差逐渐变大，严重影响输送的精度。能够进行实时流量反馈的闭环控制则能够极大的减小误差，保证整个微流控系统的精确性。这其中作为反馈装置的流量计是一个十分重要的部分，高精度高灵敏度的微流量计能够得出更准确的实时流量，使得整个微流体运输系统更加准确与稳定。因此，在微流控领域中，微流量计的设计与研究有着很大的发展与应用前景。
目前常规的用于测量微升/分钟或纳升/分钟的流量测量装置主要以 MEMS流量计、光纤微流量计、热敏式微流量计为主。例如，中国专利 CN1982854A《流量测量装置及其制造方法》介绍了一种利用MEMS微加工技术制造的电压差式流量计，通过检测液体流过管道中两电极的时间差和体积差来得到流量大小。该装置的可测量范围为0.01微升/分钟到10微升/分钟，检测方式简单。但是通过光刻和刻蚀等MEMS技术加工微管道和电极工艺复杂，成本高且流量测量范围较小，不利于流量计的大批量生产与推广。此外，中国专利CN104764500A《激光微流量计》提出了一种激光微流量计，实现了在高压下连续流体的实时自动化测量，还通过激光测距传感器和光纤来精确检测流体流量，提高准确度。然而，该流量计由于包含压力泵、光纤、激光测距系统与数据采集系统，导致装置体积庞大，不利于器件集成化和微型化的发展。商业上，法国Fluigent公司的流量计在微流控芯片领域比较受欢迎，其流量计产品利用的是热敏式的原理，利用加热元件对管道中流体加热，再根据流速与热传导速度之间的关系，实现7纳升/分钟到5毫升/分钟范围的流速测量，精度最高能达到75纳升/ 分钟，但价格十分昂贵。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提出一种液体离散结构以及液体测量装置，液体离散结构的两层材料中间保持间隔，且具有超表面的结构，来将连续流体等体积离散。基于该液体离散结构公开了一种液体测量装置，突破现有微流量计成本高、结构复杂、体积大的问题，液体测量装置的流速测量范围为0到200微升 /分钟，流量测量的分辨率可达到0.5微升/分钟甚至更小，解决了液滴体积随流量变化和通过观测液滴数量测量流量准确度低的问题，可满足微流控领域对于流量检测的需要。
(二)技术方案
本公开提供了一种液体离散结构，用于将连续液体离散为可控体积液滴，包括：第一超表面结构，其中心位置开设喷嘴，其下表面为超疏液表面；第二超表面结构，其上表面为超疏液表面，其下表面为超亲液表面；第二超表面结构形成有微通孔阵列，微通孔内壁为超亲液表面；第二超表面结构位于第一超表面结构下方，与第一超表面结构平行间隔设置，第一超表面结构与第二超表面结构之间形成离散腔。
在本公开的一些实施例中，由第二超表面结构的上表面至其下表面的方向，所述微通孔的直径渐增。
在本公开的一些实施例中，所述第一超表面结构和第二超表面结构之间的间隔为0毫米-2毫米。
在本公开的一些实施例中，所述超疏液表面为超疏水表面，所述超亲液表面为超亲水表面；或者，所述超疏液表面为超疏油表面，所述超亲液表面为超亲油表面。
在本公开的一些实施例中，所述第一超表面结构和第二超表面结构采用高分子材料或金属薄膜材料。
在本公开的一些实施例中，所述第一超表面结构和第二超表面结构的材料不相同，或者，所述第一超表面结构和第二超表面结构的材料相同，集成于微流控芯片中。
本公开提供了一种液体测量装置，包括：腔壳，其内部具有容置腔体，其顶端具有入口导管，其底端具有出口导管，上述任一液体离散结构封装于所述容置腔体顶部，第一超表面结构的喷嘴与入口导管连通；信号检测模块，连接液体离散结构，用于检测液滴下落，并计算流量；结果显示模块，用于实时显示流量。
在本公开的一些实施例中，所述信号检测模块为电信号检测模块，包括：电源、电信号检测单元以及电阻；所述电源电性连接第一超表面结构，所述电信号检测单元和电阻并联于所述第二超表面结构与地之间，形成检测电路。
在本公开的一些实施例中，所述信号检测模块为光信号检测模块，包括：光发射器、光接收器和光信号检测单元；光发射器设置于离散腔的一端，光接收器设置于离散腔的另一端，光信号检测单元连接光发射器和光接收器，形成检测光路。
在本公开的一些实施例中，所述信号检测模块为力信号检测模块，包括：压力传感器和压力信号检测单元；压力传感器包括两个应变片，分别贴附于第二超表面结构的上表面和下表面，并电性连接压力信号检测单元。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：
本公开核心结构简单，操作方便，成本较低，即插即用。通过两层具有超表面的结构生成体积稳定的离散液滴，再用信号检测模块记录液滴下落的个数与时间间隔，经过信号处理与计算后，实时的测量出流量。
本公开的核心结构两层具有超表面结构由高分子材料、金属薄膜材料制作，成本低可替换。第一超表面结构端面的超疏水特性，保证液滴在产生过程中不粘附在喷口处；第二超表面结构双面不同特性，能阻断液滴继续增大，使得离散更加微量化且能够提高离散液滴体积的稳定性。
本公开采用信号检测模块采集液滴下落信息，操作简单且便于实现。
本公开装置总体积小，具有便携式的特点，能运用在多种场合。
本公开适用的流体种类多样，包括但不限于水性溶液。如油性溶液，也可以采用相应疏油，亲油处理，可以达到同样等体积离散效果。
附图说明
图1是本公开第一实施例的液体离散结构的结构示意图。
图2是本公开第二实施例的液体测量装置的结构示意图。
图3是本公开第二实施例的液体测量装置的信号检测模块的结构示意图；(a)、(b)、(c)分别用电信号检测模块、光信号检测模块、力信号检测模块的结构示意图。
【符号说明】
10-第一超表面结构；11-下表面；12-喷嘴；
20-第二超表面结构；21-上表面；22-下表面；23-微通孔；
31-离散腔；32-液滴；
41-腔壳；42-入口导管；43-出口导管；
9-信号检测模块；Vcc-电源；91-电信号检测单元；R-电阻；92-光发射器；93-光接收器；94-光信号检测单元；95-压力传感器；96-压力信号检测单元；
10-结果显示模块。
具体实施方式
本公开提出来一种液体离散结构以及液体测量装置，利用二层具有超表面材料的结构来分割连续流体。首先要实现连续流体的液滴离散化，同时避免液滴在喷口处附着；其次，要令形成的离散液滴体积具有较好的一致性，不随流速变化而变化，以保证等体积离散；另外，根据测量原理提到的流量等于单位时间内流过单位面积的液体体积，因此得到液滴离散的时间间隔后，再结合前述离散液滴体积，即可得出实时流量。
下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本公开第一实施例提供了一种液体离散结构，用于将连续液体离散为可控体积液滴，参见图1所示，包括：
两层具有超表面材料的结构：第一超表面结构10和第二超表面结构 20，二者平行间隔设置，二者之间的间隔形成离散腔31。
在图1中，第一超表面结构10位于第二超表面结构20上方。第一超表面结构10的材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，在其中心位置利用飞秒激光工艺加工有直径100微米的微通孔作为喷嘴12，液体可从喷嘴12流出。第一超表面结构的下表面11为接触角大于150度的超疏水表面，可利用飞秒激光工艺加工而成。
第二超表面结构20位于第一超表面结构10下方。第二超表面结构20 的材料为铝箔，厚度为50微米。第二超表面结构的上表面21为超疏水表面，其下表面22为超亲水表面，可利用飞秒激光工艺去除下表面22的氟硅烷超疏水成分而成。
第二超表面结构20形成有微通孔阵列，微通孔23的直径为50微米 -200微米。微通孔阵列可利用飞秒激光工艺加工而成。微通孔23内壁为超亲水表面，通过在氟化处理后再去除微通孔23内壁的氟硅烷超疏水成分而成。
优选地，微通孔23的形状为如图1所示圆台形，由第二超表面结构上表面21至下表面22直径渐增，以提高离散效果。
第一超表面结构10和第二超表面结构20之间保持一定间隔，优选地，该间隔为0毫米-2毫米。
液体流入喷嘴12，从喷嘴12流出后在离散腔31形成液滴32。当液滴32增大到与上表面21接触时，液体被迅速剪断，与下表面11分离，并通过微通孔23导流引到第二超表面结构的下表面22。由于液滴32从接触第二超表面结构上表面21至被导入第二超表面结构下表面22的时间很短，因此，液滴32的体积大小受第一超表面结构下表面11和第二超表面结构上表面21所限定的离散腔31决定，在一定范围内受液体流量和重力的影响小，因此可以保持单个液滴体积的恒定。离散的单个液滴的体积受离散腔31间距控制，二者成正相关关系，第一超表面结构10和第二超表面结构20之间的间隔越小，单个液滴的体积越小。
以上仅是示例性说明，第一超表面结构10和第二超表面结构20可以采用高分子材料或金属薄膜材料，例如PDMS、PMMA、玻璃、硅片、铝箔、铜箔等，这些材料成本低可替换。本公开适用的流体种类多样，包括但不限于水性溶液和油性溶液。当适用油性溶液时，第一超表面结构的下表面11为超疏油表面，第二超表面结构上表面21和下表面22分别为超疏油表面和超亲油表面，采用相应的疏油、亲油处理工艺得到，可以达到同样的等体积离散效果。
本实施例的超疏水表面可利用飞秒激光微结构工艺、氟硅烷浸泡工艺、特氟龙涂覆工艺或纳米颗粒沉积工艺修饰而成；超亲水表面可利用飞秒激光烧蚀工艺或等离子体轰击工艺加工而成。喷嘴12的半径优选为25微米到50微米，微通孔23的半径为30微米到40微米。
本公开第二实施例提供了一种液体测量装置，参见图2所示，包括：腔壳41、信号检测模块9以及结果显示模块10，腔壳41内封装有第一实施例所述的液体离散结构。腔壳41内部具有容置腔体，其顶端具有入口导管42，其底端具有出口导管43。液体离散结构封装于容置腔体顶部，第一超表面结构的喷嘴12与入口导管42连通。
本实施例的液体测量装置通过标定单个液滴体积与检测液滴产生数量、频率的方式来检测流体流量。液体离散结构为液体测量装置的核心部分，用于将连续液体离散成液滴，并能在连续液体流量变化情况下保证液滴体积的稳定。
信号检测模块9用于检测液滴下落，并记录液滴的下落个数和下落频率，计算出流量。结果显示模块10将流量实时数字化显示。
本实施例的液体测量装置在使用时，连续液体通过入口导管42流入喷嘴12，下表面11经超疏水表面处理后的第一超表面结构的喷嘴12产生液滴32，进入离散腔31，由于表面张力的原因，在液滴32体积增大的过程中，“固-液-气”三相线固定在喷嘴12的圆周处，而不会向外扩张，这样能保证液滴体积的初步稳定。随后，液滴体积增大到足以接触下方的第二超表面结构上表面21。由于该上表面21具有超疏水特性，一旦上表面21和下表面11之间距离确定，在不同流量下产生液滴的体积是恒定的，这就保证了不同流量下液体的等体积离散。液滴32接触到超疏水的下表面11时，由于微通孔23内壁的超亲水特性，导致上表面21与下表面11 所形成的拉普拉斯压力差作用在液滴32上，致使液滴32迅速与上表面21 分离，并通过微通孔阵列吸附到第二超表面结构下表面22，并从下表面 22滴落，最后从出口导管43流出，这就完成了一个体积稳定的液滴离散的过程。由于不同液体粘度密度的差异性，它们分别有各自的离散体积Vo，需要预先标定。在上述离散的过程中，信号检测模块9感应离散液滴在离散腔31的下落过程，并且对液滴进行计数，同时记录液滴下落的频率f，再根据公式Q＝Vof得出流体的实时流量，最后通过结果显示模块10显示流量值。
如图3所示，本实施例的信号检测模块9可以采用电信号检测、光信号检测、力信号检测三种方式。
如图3中(a)所示，信号检测模块9为电信号检测模块，包括：电源Vcc、电信号检测单元91以及电阻R。电源Vcc电性连接第一超表面结构10，电信号检测单元91和电阻R并联于第二超表面结构20与地之间，形成检测电路。
液体离散结构作为开关，当没有液体流过离散腔31时，检测电路处于断开状态，此时没有高电平信号输出，电信号检测单元91采集到的电信号为低电平。当有液滴32在第一超表面结构喷嘴12处形成，并且其体积增大到刚刚接触第二超表面结构上表面21而尚未脱离第二超表面结构下表面22时，此时若液体为导电液体，则检测电路导通，电信号检测单元91采集到的电信号为高电平。而一旦液滴32接触第二超表面结构上表面21，会被迅速拽落，此时检测电路处于断路状态，电信号恢复成低电平状态。检测电路导通的时间相对于整个液滴产生的周期来说非常短，因此电信号检测单元91输出的信号可视为脉冲信号。只需检测脉冲信号的频率，就可得到液滴下落的频率并以此检测流量大小。
如图3中(b)所示，信号检测模块9为光信号检测模块，包括：光发射器92、光接收器93和光信号检测单元94。
离散腔31设有垂直于液滴32下落方向的一对光电传感器，光发射器92设置于离散腔31的一端，光接收器93设置于离散腔31的另一端，光信号检测单元94连接光发射器92和光接收器93，形成检测光路。
当没有液滴32下落时，检测光路导通，光信号检测单元94无信号输出。而有液滴32下落时阻挡了光发射器92和光接收器93之间的光路，光信号检测单元94输出信号，由此来检测液滴下落的频率并得到流量大小。
如图3中(c)所示，信号检测模块9为力信号检测模块，包括：压力传感器95和压力信号检测单元96。
压力传感器95包括两个高灵敏度应变片，两个高灵敏度应变片分别贴附于第二超表面结构的上表面21和下表面22，并电性连接压力信号检测单元96。
当有液滴32下落在第二超表面结构20时，液滴32产生的作用力通过高灵敏度应变片感知，高灵敏度应变片将力信号转化为电信号，并输出至压力信号检测单元96，压力信号检测单元96得到液滴下落的信息。
本公开的第二超表面结构20可以采用与第一超表面结构10相同的材料，例如PDMS。这样可以采用兼容工艺将第一超表面结构10和第二超表面结构20整合到一个微流控芯片中，使本公开的液体离散结构成为微流控芯片。本公开结构简单、集成性好、检测分辨率高、生物兼容性好，有望用于生物医疗设备中的流量检测。
至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液体离散结构，用于将连续液体离散为可控体积液滴，其特征在于，包括：
第一超表面结构，其中心位置开设喷嘴，其下表面为超疏液表面；
第二超表面结构，其上表面为超疏液表面，其下表面为超亲液表面；
第二超表面结构形成有微通孔阵列，微通孔内壁为超亲液表面；
第二超表面结构位于第一超表面结构下方，与第一超表面结构平行间隔设置，第一超表面结构与第二超表面结构之间形成离散腔。
2.如权利要求1所述的液体离散结构，其特征在于，由第二超表面结构的上表面至其下表面的方向，所述微通孔的直径渐增。
3.如权利要求1所述的液体离散结构，其特征在于，所述第一超表面结构和第二超表面结构之间的间隔为0毫米-2毫米。
4.如权利要求1所述的液体离散结构，其特征在于，所述超疏液表面为超疏水表面，所述超亲液表面为超亲水表面；或者，所述超疏液表面为超疏油表面，所述超亲液表面为超亲油表面。
5.如权利要求1所述的液体离散结构，其特征在于，所述第一超表面结构和第二超表面结构采用高分子材料或金属薄膜材料。
6.如权利要求5所述的液体离散结构，其特征在于，
所述第一超表面结构和第二超表面结构的材料不相同，
或者，
所述第一超表面结构和第二超表面结构的材料相同，集成于微流控芯片中。
7.一种液体测量装置，其特征在于，包括：
腔壳，其内部具有容置腔体，其顶端具有入口导管，其底端具有出口导管，权利要求1至6任一项所述的液体离散结构封装于所述容置腔体顶部，第一超表面结构的喷嘴与入口导管连通；
信号检测模块，连接液体离散结构，用于检测液滴下落，并计算流量；
结果显示模块，用于实时显示流量。
8.如权利要求7所述的液体测量装置，其特征在于，所述信号检测模块为电信号检测模块，包括：电源、电信号检测单元以及电阻；所述电源电性连接第一超表面结构，所述电信号检测单元和电阻并联于所述第二超表面结构与地之间，形成检测电路。
9.如权利要求7所述的液体测量装置，其特征在于，所述信号检测模块为光信号检测模块，包括：光发射器、光接收器和光信号检测单元；光发射器设置于离散腔的一端，光接收器设置于离散腔的另一端，光信号检测单元连接光发射器和光接收器，形成检测光路。
10.如权利要求7所述的液体测量装置，其特征在于，所述信号检测模块为力信号检测模块，包括：压力传感器和压力信号检测单元；压力传感器包括两个应变片，分别贴附于第二超表面结构的上表面和下表面，并电性连接压力信号检测单元。
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