CN109738113A - 一种基于微气泡的微通道内压强测试方法 - Google Patents

Abstract

一种基于微气泡的微通道内压强测试方法：恒温环境向微通道液体内注入不相溶的微气泡，微气泡体积随微通道内压强变化而变化；结合显微镜与高速摄像机拍摄通道不同位置处微气泡图像，计算微气泡体积及体积相对变化，或通过超声波、射线等方式直接测量微通道不同位置处微气泡体积，获得微气泡体积相对变化；基于气体状态方程，利用微气泡体积相对变化，计算微通道内不同位置处压强相对变化；微通道出口连通外界大气，确定出口处压强值；通过微通道内不同位置处压强相对变化与微通道出口处压强值，计算微通道不同位置处压强或不同位置间压差。本发明测量方便、操作简单、精度高、对微通道结构无破坏，在生物医学、微型芯片集成等领域有重要应用价值。

Description

一种基于微气泡的微通道内压强测试方法

技术领域

本发明涉及一种压强测试方法，具体涉及一种基于微气泡的微通道内压强测试方法。

背景技术

微尺度通道内压强测试在生物医学、微型芯片集成等领域有着重要的应用价值。如人体中分布着大量的毛细血管，直径常处于微米级别，血液在这些微尺度通道中流动。通过准确测量毛细血管中的压强分布可以研究血栓形成和发展时毛细血管内的血液流动状况，有助于揭示毛细血管内血栓的形成和发展过程与机理。除此之外，微通道内的压降是微流控芯片集成过程中需要考虑的一个重要因素。对微流控芯片上的各个微通道内的压强进行准确测量对于芯片有效集成和保证微流控芯片发挥正常功能有着重要的意义。

目前，对微通道内压强测试的方法主要包括传统差压计式压强测量方法、压敏涂料法、光学薄膜检测法、压强微膜传感器法等方法。传统的差压计式压强测量方法通过在微通道出入口开孔连接差压计进行压强测量，新开孔的引入会产生额外的局部阻力损失，从而引入新的测量误差。另外，新开孔对原来的微通道具有不可逆破坏性。压敏涂料法需要在微通道内布置复杂的压敏材料，光学薄膜法和压强微膜传感器法需要在微通道内布置特殊的压力测试组件，加工与操作较为复杂。因此，发展一种精度高、测量方便、操作简单、对微通道结构无破坏的微通道内压强测试方法，对于生物医学、微型芯片集成等领域中的相关研究与应用有着非常重要的意义。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种基于微气泡的微通道内压强测试方法，具有精度高、测量方便、操作简单、对微通道结构无破坏等优点，在生物医学、微型芯片集成等领域，具有巨大的应用潜力。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微气泡的微通道内压强测试方法，包括如下步骤：

步骤A：向微通道的流体内注入不相溶的微气泡，在微尺度表面张力的作用下，微气泡将沿微通道中心对称分布，且微气泡与微通道壁面间存在一层液膜，使得微气泡与微通道固体壁面相互不接触，微气泡的体积随微通道内不同位置处的压强变化而变化；

步骤B：通过显微镜与高速摄像机相结合，拍摄微通道不同位置处的微气泡图像，通过微通道不同位置处的微气泡的图像，计算微气泡的体积及体积相对变化；或通过超声波或射线方式直接测量微通道不同位置处的微气泡体积，获得不同位置处的体积相对变化；

步骤C：通过气体状态方程，基于微气泡体积相对变化，计算微通道内不同位置处的压强相对变化；

步骤D：微通道出口与外界大气相连通，确定通道出口处静压强为当地大气压；

步骤E：通过微通道内不同位置处的压强相对变化与微通道出口处的压强值计算微通道不同位置处的压强或不同位置间的压差，实现对微通道内不同位置处的压强或不同位置间压差的测量。

本发明和现有技术相比较，具有如下优点：

1)测量方便，操作简单。本发明仅需向微通道内注入不溶于液体的微气泡，基于压强与微气泡体积的影响作用，通过微气泡的体积变化，便可实现对微通道内不同位置处压强及不同位置间压差的测量，具有测量方便、操作简单的优点。

2)对微通道结构无破坏，不需要复杂的传感器及相关电路，简单可靠。本发明不需要在微通道内部加工压强测试组件，对微通道结构没有破坏，且无需复杂的电路。测试原理简单可靠，具有较高的精度。

附图说明

图1微通道内气泡体积变化示意图。

图2本发明的压强测试方法流程图。

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的说明：

如图1和图2所示，本发明为一种基于微气泡的微通道内压强测试方法，具体步骤为：

步骤A：恒温环境，通过微通道的入口5向微通道4的流体内注入不相溶的微气泡，在微尺度表面张力的作用下，微气泡将沿通道中心对称分布，且微气泡与微通道壁面间存在一层液膜，使得微气泡与微通道固体壁面相互不接触，微气泡的体积随微通道内不同位置处的压强变化而变化；

步骤B：通过显微镜与高速摄像机相结合，透过微通道的上壁面1或下壁面2，拍摄微通道不同位置处的微气泡图像，通过微通道不同位置处的微气泡的图像，计算微气泡的体积及体积相对变化；或通过超声波、射线等方式直接测量微通道不同位置处的微气泡体积，获得不同位置处的体积相对变化；

步骤C：通过气体状态方程pV＝nRT(式中，p是气体压强，V是气体体积，n表示气体物质的量，T表示气体的热力学温度，R为理想气体常数)，对于已注入微通道流体内的不相溶微气泡，在环境温度恒定的条件下，参数n、T、R皆不变化，因此气体的压强与气体的体积的乘积为定值。根据微气泡的内外压强平衡可知，此时微气泡内部的气体压强即为此处微通道的流体静压强。因此，可以基于微气泡体积相对变化，计算微通道内不同位置处的静压强相对变化；

步骤D：微通道出口3与外界大气相连通，确定通道出口处静压强为当地大气压；

步骤E：通过微通道内不同位置处的压强相对变化与微通道出口处的压强值计算微通道不同位置处的压强或不同位置间的压差，实现对微通道内不同位置处的压强或不同位置间压差的测量。

作为本发明的优选实施方式，所述本发明中微气泡的尺寸相对于微通道截面较小，微气泡的存在不影响微通道内的压强变化；

作为本发明的优选实施方式，所述本发明中测试环境为恒温环境，且温度已知；

作为本发明的优选实施方式，所述本发明中微通道的壁面为透光材料，或在不同位置开设有透光窗口，开设透光窗口的面积较小，不影响微通道内的压强变化；

作为本发明的优选实施方式，所述本发明中微通道出口与外界大气相连通，当地大气压值已知，通道出口处静压强为当地大气压，或通过当地大气压与出口液柱高度计算出微通道出口处的静压强；

下面以一实施例说明本发明的实施过程：

以对微通道内的压强测量为例，恒温环境条件下，温度已知。通过微通道的入口5向微通道4的流体内注入不相溶、尺寸较小的微气泡。在微尺度表面张力的作用下，气泡将沿通道中心对称分布，且气泡与通道壁面间存在一层液膜，使得气泡与通道固体壁面相互不接触，微气泡的体积随微通道内不同位置处的压强变化而变化；通过显微镜与高速摄像机相结合，透过微通道的上壁面1或下壁面2，拍摄微通道不同位置处的微气泡图像，通过微通道不同位置处的微气泡的图像，计算微气泡的体积及体积相对变化；或通过超声波、射线等方式直接测量微通道不同位置处的微气泡体积，获得不同位置处的体积相对变化；通过气体状态方程，基于微气泡体积相对变化，计算微通道内不同位置处的压强相对变化；微通道出口3与外界大气相连通，确定通道出口处静压强为当地大气压，当地大气压可测量已知；通过微通道内不同位置处的压强相对变化与微通道出口处的压强值计算微通道不同位置处的压强或不同位置间的压差，实现对微通道内不同位置处的压强或不同位置间压差的测量。具有精度高、测量方便、操作简单、对微通道结构无破坏等优点，在生物医学、微型芯片集成等领域，具有巨大的应用潜力。

Claims (5)

1.一种基于微气泡的微通道内压强测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：向微通道的流体内注入不相溶的微气泡，在微尺度表面张力的作用下，微气泡将沿微通道中心对称分布，且微气泡与微通道壁面间存在一层液膜，使得微气泡与微通道固体壁面相互不接触，微气泡的体积随微通道内不同位置处的压强变化而变化；

步骤B：通过显微镜与高速摄像机相结合，拍摄微通道不同位置处的微气泡图像，通过微通道不同位置处的微气泡的图像，计算微气泡的体积及体积相对变化；或通过超声波或射线方式直接测量微通道不同位置处的微气泡体积，获得不同位置处的体积相对变化；

步骤C：通过气体状态方程，基于微气泡体积相对变化，计算微通道内不同位置处的压强相对变化；

步骤D：微通道出口与外界大气相连通，确定通道出口处静压强为当地大气压；

步骤E：通过微通道内不同位置处的压强相对变化与微通道出口处的压强值计算微通道不同位置处的压强或不同位置间的压差，实现对微通道内不同位置处的压强或不同位置间压差的测量。

2.根据权利要求1所述的基于微气泡的微通道内压强测试方法，其特征在于：所述微气泡的尺寸相对于微通道截面小，微气泡的存在不影响微通道内的压强变化。

3.根据权利要求1所述的基于微气泡的微通道内压强测试方法，其特征在于：测试环境为恒温环境。

4.根据权利要求1所述的基于微气泡的微通道内压强测试方法，其特征在于：所述微通道的壁面为透光材料，或在不同位置开设有透光窗口，开设透光窗口的面积不影响微通道内的压强变化。

5.根据权利要求1所述的基于微气泡的微通道内压强测试方法，其特征在于：所述微通道出口与外界大气相连通，通道出口处静压强为当地大气压，或通过当地大气压与出口液柱高度计算出微通道出口处的静压强。