CN111495295B - 微反应器内温度场的检测方法及一种微反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耦合反应区域温度场检测功能的微反应器及其使用方法，所述微反应器包含智能温度传感器阵列、印制电路板、微通道芯片层等部分，其中所述智能温度传感器阵列用于测量微反应器内温度场，并以数字量形式输出数据，所述印制电路板接收智能温度传感器阵列输出的数据，通过IIC总线将所述数据传输到计算机主机，实现实时与计算机主机通讯。本发明微反应器相对于使用传统的热电阻和热电偶等温度检测传感器的设备而言，具有精度高和测温快速的优点。

Description

微反应器内温度场的检测方法及一种微反应器

技术领域

本发明属于微化工技术领域，特别是提供一种微反应器内温度场的检测方法以及一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器。

背景技术

微化工技术是实现化学工业前沿技术——绿色化工的重要途径，是化学工业未来的发展方向之一，而微反应器则是微化工技术得以实现的关键设备。现有技术中，微反应器内的温度检测传感器主要使用热电偶和热电阻，或者是红外等非接触测量，这类技术中存在以下几点不足：首先，微反应器应用于快速和强放热反应，而现有的热电偶或热电阻温度检测传感器的热响应时间均较长，很难满足快速温度测量的需要。其次，微反应器内快速放热反应往往会在微通道中形成“热点”，而采用传统的热电偶和热电阻等测温方式往往不能测量微通道芯片的温度场，影响产品质量。最后，传统的温度传感器很难满足高精度的温度测量需求，例如采用热电阻和热电偶的温度传感器，大部分温度误差在1℃以上；铜-铜镍热电偶的精度能够达到0.5℃；而红外测量方法易受环境温度影响，测温精度大致在1℃左右，且一般用于测量高温物体，不能充分满足微化工和生物医药等领域(如PCR聚合酶链反应、电泳温度梯度聚焦、胶体粒子合成等)的测温精度需要。

发明内容

为了解决现有的温度检测传感器难以满足快速温度测量的需要以及精度不高、不能够准确反映微反应器内的温度场的技术问题，本发明的目的在于提供一种微反应器内温度场的检测方法以及一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，所述微反应器通过采用可编程智能温度传感器阵列的技术手段，能够实时快速精确测量微反应器内部温度场。

本发明技术方案如下。

一种微反应器内温度场的检测方法，其特征在于：所述微反应器至少包含提供微反应通道的微通道芯片层、具有在线编程及中断编程功能的智能温度传感器阵列和接收数据的印制电路板；所述微通道芯片层的上表面和/或下表面分布有提供微反应发生区域的微通道，侧面设置插口；所述智能温度传感器阵列插入所述插口，测量微反应器内温度，并以数字量形式输出数据，输出的数据由印制电路板导出，然后再通过IIC总线将数据实时传输到计算机主机，从而获得微反应器内的温度场信息。

一种优选的技术方案为，所述智能温度传感器阵列插入所述微通道芯片层侧面的插口时使用导热粘合剂增加二者的导热接触。

本发明还提供一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：所述快速检测装置由智能温度传感器阵列、印制电路板、微通道芯片层、上层换热层、上层密封层和下层密封层、下层换热层七部分组成，并以可拆卸方式装配为一体；所述智能温度传感器阵列具有在线编程及中断编程功能；所述微通道芯片层的上表面和/或下表面分布有微反应通道，侧面设置插口；所述智能温度传感器阵列插入所述插口，实现微反应器内温度的测量，并以数字量形式输出数据；所述微通道芯片层的上表面依次向上为上层密封层、上层换热层，下表面依次向下为下层密封层、下层换热层，所述印制电路板上设置有供连接IIC总线的端口；所述印制电路板导出智能温度传感器阵列输出的数据，然后通过IIC总线将所述数据传输到计算机主机，实现实时与计算机主机通讯。

进一步地，所述智能温度传感器阵列与所述印制电路板集成为一体。

一种进一步优选的技术方案为，所述上层密封层和下层密封层均为三层结构，其中所述上层密封层的结构从上到下依次为上层第二密封垫、上层间层隔板、上层第一密封垫；所述下层密封层的结构从上到下依次为下层第一密封垫、下层间层隔板、下层第二密封垫。

再一种优选的技术方案为，上述技术方案中，所述智能温度传感器阵列与所述微通道芯片内部的导热接触使用导热粘合剂。

进一步地，所述微反应器的输出量为16位数字量，分辨率为0.0078℃。

进一步地，所述微反应器的测温范围为－40℃～150℃，测温精度为±0.25℃，连续温度采样时间为240ms。

本发明所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，使用IIC总线传输数据，能够实时与单片机等主机通讯，并通过在线编程实现中断等不同的功能；印制电路板使用插拔的方式插入微通道芯片，将计算机服务器功能模块化设计方式与微反应器设计结合，当需求发生变化时，能够直接更换印制电路板来实现其他参数的测量或提高温度的测量精度的需求。

一种具体的实施例为，在印制电路板30×30mm面积上集成了4×4的可编程智能温度传感器阵列，能够检测微反应器内部的温度场，同时其有±0.25℃的测温精度，240ms的连续温度采样时间，其输出量为16位数字量，分辨率为0.0078℃，测温范围为－40℃～150℃。

上述实施例中，所有密封垫优选采用耐高温耐腐蚀材料，优选高分子材料，如聚四氟乙烯材质；所有层隔板优选采用不锈钢材料，如304不锈钢材质。

相对于现有技术而言，本发明所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，所取得的有益的技术效果如下：

(1)能够高精度(±0.25℃)和快速(240ms)测量微反应器内部的温度场。高精度满足对于精度控制要求高的反应的需求，如PCR聚合酶链反应、电泳温度梯度聚焦、胶体粒子合成等；快速的温度采集速度能够为后续的研究提供大量的数据支撑，同时也有利于快速的温度控制；温度场的高精度快速检测能够为研究快速和放热反应在微通道的温度分布情况提供技术支撑，同时有利于对其进行精确的温度控制。

(2)相对于使用传统的热电阻和热电偶等温度检测传感器的设备而言，首先，本发明所述的一种测量微反应器内温度的快速检测装置将智能温度传感器应用于微反应器的温度检测，能够快速检测温度场，温度采样时间为仅为240ms，精度为±0.25℃，明显优于热电偶与热电阻的温度测量精度；其次，传统的热电偶和热电阻热响应时间均较长，不能满足快速和强放热反应的温度测量需要，而本发明所述的一种测量微反应器内温度的快速检测装置能够与深度学习技术相结合，为多学科的交叉与融合提供数据支撑。

(3)微反应器中若采用传统测温方式往往不能测量微通道的温度场，快速放热反应往往会在微通道中形成“热点”，影响产品质量，采用本发明所述的一种测量微反应器内温度的快速检测装置能够精确测量微通道芯片中的温度场，为进一步研究温度场对产品质量的影响提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明微反应器的整体结构示意图、图2为本发明微反应器各部件的爆炸图。图中：1、螺栓；2、上层换热层；3、上层密封层；4、智能温度传感器阵列；5、插口；6、印制电路板；7、微通道芯片；8、下层密封层；9、下层换热层；10、螺母；3-1、上层第二密封垫；3-2、上层间层隔板；3-3、上层第一密封垫；8-1、下层第一密封垫；8-2、下层间层隔板；8-3、下层第二密封垫。

图3为微通道芯片层7的下表面平面图7-1和上表面平面图7-2；

图4为上层密封层的俯视图，图中，从左至右依次为：3-1、上层第二密封垫；3-2、上层间层隔板；3-3、上层第一密封垫。

图5为智能温度传感器的电路连接图，其中SCL、SDA、A0、A1为IIC总线和地址线；

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明装置的具体构造及其工作原理。

如图1所示，本发明一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器由智能温度传感器阵列4、印制电路板6、微通道芯片层7、上层换热层2和下层换热层9两个对称设置的换热层以及上层密封层3和下层密封层8两个对称设置的密封层等部分组成，并通过若干个螺栓1和对应的螺母10组装为一体。由于所述智能温度传感器阵列4是插入所述微通道芯片层7的侧面中间部位设置插口5中的，因此，在图1中未能显示。

为了更好地说明本发明一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器的具体构造，图2给出了本发明微反应器测温装置各部件的爆炸图。如图2所示，所述微通道芯片层7的上表面向上依次为上层密封层3、上层换热层2，下表面向下依次为下层密封层8、下层换热层9。其中，所述上层密封层3和下层密封层8均为三层结构，其中所述上层密封层3的结构从上到下依次为上层第二密封垫3-1、上层间层隔板3-2、上层第一密封垫3-3；所述下层密封层8的结构从上到下依次为下层第一密封垫8-1、下层间层隔板8-2、下层第二密封垫8-3。

作为一种具体的实施例，所述微通道芯片的上层和下层均加工有深度为1mm的微反应通道，或者仅微通道芯片的上层或下层加工有微反应通道，然后将其上和/或下层微反应通道包裹智能温度传感器阵列。密封层分为上中下三层，上下两层使用聚四氟乙烯材质，中层使用304不锈钢。

作为一种具体的实施例，所述具有快速检测反应器内温度场功能的微反应器装置在不安装螺栓与螺母的情况下其长宽高分别为50mm×50mm×21.5mm。所述微通道芯片层7上表面和下表面的反应区域和印制电路板6上智能温度传感器阵列区域大小为30mm×30mm。

作为一种具体的实施例，所述微通道芯片层7的上表面和下表面均加工有深度为1mm的微反应通道，或者仅微通道芯片层7的上表面和/或下表面加工有微反应通道，或者仅微通道芯片层7上表面和/或下表面加工有可供反应和/或混合的通道。然后将其上和/或下层微反应通道包裹智能温度传感器阵列。如图3所示，所述微通道芯片层7下表面的平面图如7-1所示，上表面的平面图如7-2所示。

作为一种具体的实施例，如图1所示，所述上层换热层2表面管状结构分别为冷却液的进出口(A、B)、物料的进口(D、E)和产物的出口(C)五个接口，或者所述上层换热层提供冷却液进出口、物料进口和产物出口。

本发明一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器中，上层换热层2和下层换热层9以及上层密封层3和下层密封层8均对称设置，其中，所述上层密封层3和下层密封层8均为三层结构，图4仅显示了上层密封层俯视图。如图4所示，上层密封层3的具体结构从左至右依次为上层第二密封垫3-1、上层间层隔板3-2、上层第一密封垫3-3。

本发明所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器中，所述智能温度传感器阵列4具有在线编程及中断编程功能，其插入所述微通道芯片层7的侧面中间部位设置插口5中，所述微通道芯片7的上下表面分布有深度为1mm的若干微反应通道，所述智能温度传感器阵列4插入所述插口5中，实现微反应器内温度的测量，并以数字量形式输出数据；而所述印制电路板6则进一步将智能温度传感器阵列4输出的数据引出，并通过IIC总线将所述数据传输到计算机主机，从而实现实时与计算机主机通讯。

本发明提供的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其输出量为16位数字量，分辨率为0.0078℃，测温范围为－40℃～150℃，测温精度为±0.25℃，连续温度采样时间为240ms。

作为一种具体的实施例，本发明所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器中，所述智能温度传感器阵列4集成在所述印制电路板6上，以使整个装置结构更为紧凑，操作更为方便。

作为一种优选的实施例，所述智能温度传感器阵列4与所述微通道芯片7内部的导热接触使用导热粘合剂，以增加温度测量的准确性和灵敏性。

本发明提供的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器中，智能温度传感器的电路连接方式如图5所示。在印制电路板30×30mm面积上集成了4×4个智能温度传感器ADT7420；通过上拉电阻将电位拉高；INT和CT为可编程中断，通过上拉电阻将电位拉高；印制电路板与计算机的连接是通过印制电路板上的排针来实现的，排针连接了IIC总线(SCL，SDA)和地址线(A0，A1)，IIC总线上通过地址线挂载4片温度传感器；VCC与GND为电源线，通过去耦电容连接。若想要获得更高的测温精度，更换ADT7420为ADT7422，两片传感器的封装形式与接口相同，因此能共用硬件和软件而不用做修改。

需要说明是的，上述实施例中，所有密封垫优选采用耐高温耐腐蚀材料，优选高分子材料，如聚四氟乙烯材质；所有层隔板优选采用不锈钢材料，如304不锈钢材质。

本发明中其他未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但并非以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，均涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微反应器内温度场的检测方法，其特征在于：所述微反应器至少包含提供微反应通道的微通道芯片层(7)、具有在线编程及中断编程功能的智能温度传感器阵列(4)和接收数据的印制电路板(6)；所述微通道芯片层(7)的上表面和/或下表面分布有提供微反应发生区域的微通道，侧面设置插口(5)；所述智能温度传感器阵列(4)插入所述插口(5)，测量微反应器内温度，并以数字量形式输出数据，输出的数据由印制电路板(6)导出，然后再通过IIC总线将数据实时传输到计算机主机，从而获得微反应器内的温度场信息。

2.如权利要求1所述的一种微反应器内温度场的检测方法，其特征在于：所述智能温度传感器阵列(4)插入所述微通道芯片层(7)侧面的插口(5)时使用导热粘合剂增加二者的导热接触。

3.一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：由智能温度传感器阵列(4)、印制电路板(6)、微通道芯片层(7)、上层换热层(2)、上层密封层(3)和下层密封层(8)、下层换热层(9)七部分组成，并以可拆卸方式组装为一体；

所述智能温度传感器阵列(4)具有在线编程及中断编程功能；

所述微通道芯片层(7)的上表面和/或下表面分布有微反应通道，侧面设置插口(5)；

所述微反应通道构成反应区域，所述智能温度传感器阵列(4)插入所述插口(5)，实现反应区域内温度的测量，并以数字量形式输出数据；

所述印制电路板(6)导出智能温度传感器阵列(4)输出的数据，并通过IIC总线将其传输到计算机主机，实现实时与计算机主机通讯。

4.如权利要求3所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：所述智能温度传感器阵列(4)集成在所述印制电路板(6) 上。

5.如权利要求3或4所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：所述上层密封层(3)和下层密封层(8)均为三层结构，其中所述上层密封层(3)的结构从上到下依次为上层第二密封垫(3-1)、上层间层隔板(3-2)、上层第一密封垫(3-3)；所述下层密封层(8)的结构从上到下依次为下层第一密封垫(8-1)、下层间层隔板(8-2)、下层第二密封垫(8-3)。

6.如权利要求5所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：所述上层第二密封垫(3-1)、上层第一密封垫(3-3)、下层第一密封垫(8-1)、下层第二密封垫(8-3)使用聚四氟乙烯材质。

7.如权利要求5所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：所述上层间层隔板(3-2)、下层间层隔板(8-2)以及上层换热层(2)、下层换热层(9)使用304不锈钢材质。

8.如权利要求5所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：所述智能温度传感器阵列(4)与所述微通道芯片层 (7)内部的导热接触使用导热粘合剂。

9.如权利要求5所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：所述微反应器的输出量为16位数字量，分辨率为0.0078℃。

10.如权利要求5所述的一种耦合微反应功能与反应区域温度场检测功能的微反应器，其特征在于：所述微反应器的测温范围为－40℃～150℃，测温精度为±0.25℃，连续温度采样时间为240ms。

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