CN109603934A - 一种通过毛细管内部金属液滴位置变化测量微通道内部压力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毛细管的微通道快速测压装置，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，另一端在加入金属微滴稼镁铟后插入测压支路后端，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。本发明微通道的结构可以自行设计，金属微滴可重复利用，满足不同的测量压力范围，简单有效。

Description

一种通过毛细管内部金属液滴位置变化测量微通道内部压力 装置

技术领域

本发明针对微流控芯片中的流路压力，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

微流控芯片是在微米或纳米尺度上对流体进行一系列操作，来实现特定控制的新型技术。该技术涉及力学、化学、物理学等多个基础学科领域，并将各学科所包含的基本功能集成到一个几平方厘米的芯片上。由于芯片整体尺寸的减小，可以在消耗很少量试剂的情况下生成液滴或气泡并针对这些基本单元进行操作，实现包括运动控制、条件筛选、反应和检测等各种不同功能，而且可以做成多通道的重复结构来达到平行实验，大大提高了芯片的效率，降低了时间和经济成本。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)，在开口端提前注入约为毛细管五分之一高度的金属液滴(镓铟锡)，镓铟锡合金上使用纳米等级微粒材料(聚四氟乙烯和碳纳米管)覆盖，使其具有纳米颗粒覆盖层。将主通道用液体充满，当液体不流动时毛细管中金属液滴处于最低端位置，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，毛细管中金属液滴的液面会上升，观测并记录流动稳定后其液面的位置，得到金属液滴上升的高度值，便可以很直观的反映主通道内压力的变化过程，同时可以快速准确地得到该位置主通道内压力的大小，金属液滴镓铟锡在上升变形后去除压力时可以恢复最初尺寸和结构的的特性，可以反复使用，并能够长时间准确测量。

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PDMS微芯片1、主通道2、测压支路3、毛细管4(一端密闭)、玻璃基板5、金属液滴6。

PDMS微芯片1的下壁面利用软光刻法加工了一个主通道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，另一端加入金属液滴6后插入测压支路后端，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、本发明进行计算时不需多次测量求平均值的方法，一次便可测量准确，金属液滴可以反复使用并且拆卸装填方便。

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3是本发明的微通道B-B剖视图。

图4是本发明的微通道C-C剖视图。

图中：1、PDMS微芯片，2、主通道，3、测压支路，4、毛细管，5、玻璃基底，6、金属液滴镓铟锡。

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金属液滴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，在开口端注入金属微滴稼镁铟6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中的金属微滴产生明显的高度差)、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。初始是密闭的毛细管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中液注的金属微滴6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中金属微滴6液面的最终位置，通过金属微滴6高度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。

Claims (2)

1.一种基于毛细管的微通道快速测压装置，其特征在于：装置所涉及的结构包括PDMS微芯片(1)、主通道(2)、测压支路(3)、毛细管(4)、玻璃基板(5)和金属液滴稼镁铟(6)；

PDMS微芯片(1)的下壁面利用软光刻法加工了一个主通道(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，另一端注入金属液滴稼镁铟(6)，注入金属液滴稼镁铟(6)的高度为毛细管(4)高度的五分之一，后插入测压支路后端，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微芯片(1)的下壁面相黏合。

2.根据权利要求1所述的一种基于毛细管的微通道快速测压装置，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)内液体压力保持恒定，金属液滴稼镁铟(6)处于初始位置且保持不变，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)中的液注上升，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)中金属液滴稼镁铟(6)上升的高度，此高度的变化直观的反映出毛细管(4)内压力的变化，利用流体力学相关理论计算出此时该位置主通道(2)中的压力大小。