CN111504406A - 一种超微小流量液体的流量检测芯片及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超微小流量液体检测技术，具体涉及一种超微小流量液体的流量检测芯片及检测方法。流量检测芯片包括检测液体入口、检测液体出口、第二液体入口和微通道。将待检测的液体通过检测液体入口注入到芯片的微通道中，待检测液体全部注满芯片后在第二液体入口注入少量第二液体，将第二液体入口密封，再将待检测液体继续通入芯片中，在显微镜下持续观察不同时刻待检测液体与第二液体分界面的位置，根据观测的时间和界面位置计算出待检测液体体积流量。本发明操作简单，测量成本低、精度高。

Description

一种超微小流量液体的流量检测芯片及检测方法
技术领域
本发明属于超微小流量液体检测技术，具体涉及一种超微小流量液体的流量检测芯片及检测方法。
背景技术
目前对微小流量的尚无十分明确的定义和界限，在不同的领域存在不同的划分。在微小流体器件和医疗器械流量测量等领域中，按照体积流量的大小可分为小流量、微小流量和超微小流量三类，其中体积流量范围在几百mL/min到几千mL/min称为小流量；体积流量范围在几mL/min到几百mL/min称为微小流量；体积流量范围在1mL/min甚至几nL/min称为超微小流量。
在制造业中使用的流量测量仪表的测量原理大体是差压式、面积式、容积式、涡轮式、电磁式的流量计等。但在超微小流量的测量中，尤其是体积流量在nL/min量级时，由于流体的动能甚小会导致检测灵敏度变化、稳定度不够、响应速度不足、复线性差等问题，因此较难用传统的测量方法测量超微小的大小。
当前对超微小流量的测量方法主要有质量法和微粒子成像法(Micro-PIV)。其中质量法主要使用超精密天平测量在一段时间内的待测液体的质量累计变化计算从而求得流量，但较难测量出在nL/min级别的流量值。微粒子成像法是在流场中放入流动跟随性好的示踪粒子，在显微镜下对示踪粒子进行观测并记录一段时间间隔内的粒子位移情况，最后通过图像分析技术得到流场的速度信息从而求得流量大小。微粒子成像法对实验设备要求精度较高，由于引入了示踪粒子和图像处理，在操作步骤上也相对繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种设备简单、容易操作的用芯片检测超微小流量的方法，以达到nL/min级别的体积流量的检测。
为解决上述技术问题本发明采用如下技术方案：
一种超微小流量液体的流量检测芯片，检测芯片上对称刻蚀有多组通道，每组通道包括微通道1、检测液体入口3、第二液体入口4和检测液体出口2；所述的微通道1的两端分别通过过渡通道与检测液体入口3和检测液体出口2连通，所述第二液体入口4与检测液体入口3和微通道1之间的过渡通道连通。
所述微通道1为横截面积恒定的微小沟道，且具有多段往复的结构，形成S形，用于增加沟道长度；过渡通道与微通道1的宽度和深度一致；微通道1的宽度和深度根据初步估计的待检测液体的流量确定，具体如下：
初步估计的待检测液体的体积流量QV为：
Figure BDA0002494621530000021
其中，QV为体积流量，Δl为时间Δt内待检测液体与第二液体分界面前进的距离，w为微通道宽度，h为微通道深度，Δt为时间。
定义q为待检测液体与第二液体分界面前进宽度比：
Figure BDA0002494621530000022
其中，q＝0.5-1.5；
根据公式(1)和公式(2)确定微通道1的宽度和深度的关系：
QV＝q×w2×h (3)
再结合流量检测芯片制造过程中的深宽比要求，确定微通道深度后即可确定微通道的宽度。
所述微通道1一侧为透明或半透明状态，便于显微镜观察微通道1内第二液体分界面流动情况。
流量检测芯片上的多个微通道1，各个微通道1的深度相同，宽度不同，不同宽度的微通道用来测量不同范围的体积流量。
一种超微小流量液体的流量检测方法，采用上述检测芯片，具体步骤如下：
将待检测的液体通过检测液体入口3注入到微通道1中，微通道1中全部充满待检测的液体后，在第二液体入口4注入第二液体，第二液体为能与待检测液体形成分界面的液体；然后将第二液体入口4密封，待检测液体持续通入检测液体入口3中，微通道1中多余待检测液体通过检测液体出口2回收；在显微镜下观察不同时刻待检测液体与第二液体形成的分界面的位置，根据观测的时间和界面位置以及公式(1)计算出待检测液体的体积流量。
注入待检测液体和第二液体时，要求无气泡混入流量检测芯片的通道中。
本发明的用芯片实现微小流量检测方法与现有流量检测技术相比，具有以下有益效果：(1)本发明采用的技术易行、仪器简单，测量成本低；(2)同一片芯片可以设计不同尺寸多个微通道，可以实现不同流量级别的流量测量；(3)微通道尺寸也可以根据待检测流量范围自主设计，提高流量测量精度；(4)可以根据待检测液体的性质选用合适的第二液体，在微通道内与第一液体形成清晰的分界面便于后续图像分析。
附图说明
图1是本发明超微小流量液体检测芯片的示意图。
图中：1微通道；2检测液体出口；3检测液体入口；4第二液体入口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的一种超微小流量液体检测芯片及检测方法做进一步的详细说明。显然，这里描述的具体实施例仅是用以解释本发明，并不用于限定本发明，基于本发明中的实施例，本领域内的普通技术人员在没有创造性的劳动前提下所获得的其他所有实施例，均属于本发明保护范围。
如图1所示，一种超微小流量液体检测芯片，流量检测芯片上对称刻蚀有多组通道，每组通道包括微通道1、检测液体入口3、第二液体入口4和检测液体出口2。
初步估计待检测液体体积流量的大小，根据不同的体积流量值选择合适的横截面积的芯片，以达到最佳观测效果。
微通道1的尺寸设计：根据不同范围内的体积流量设计检测芯片，待检测液体的体积流量QV的计算公式为：
Figure BDA0002494621530000041
其中，QV为体积流量，Δl为时间Δt内待检测液体与第二液体分界面前进的距离，w为微通道宽度，h为微通道深度，Δt为时间。
当微通道1内液体流动速度太快时，在显微镜下会捕捉不到待检测液体与第二液体分界面；当液体流动太慢时，在显微镜下又会出现待检测液体与第二液体分界面无变化的情况。因此合理设计微通道横截面尺寸对能否检测到流量十分关键。定义q为分界面前进宽度比：
Figure BDA0002494621530000042
认为q在0.5-1.5时为最佳观测值。否则，若q过大，则微通道内液体流动速度太快导致显微镜捕捉不到分界面；若q过小，液体流动太慢，在显微镜下的分界面位置几乎保持不变。
本实施例采用的芯片是硅芯片，待测液体为水，第二液体为汞，根据不同范围内的体积流量设计出不同的微通道1的横截面尺寸，具体尺寸和对应的测量流量范围如下：
表1微通尺寸和最佳流量表
Figure BDA0002494621530000051
根据上述参数设计芯片掩膜板图案，制作相应掩膜板，以干法刻蚀的方式制作所需硅芯片。
流量检测：初步估计待测流量值的大小，根据待测流量值选择合适尺寸微通道的芯片，将待测流量的设备液体输出口与检测液体入口3连接，将水通过检测液体入口3注入到芯片的微通道1中，在芯片全部充满水且芯片内无气泡后，将汞输入设备与第二液体入口4连接，在第二液体入口4注入少量汞，并保证芯片内无气泡，将第二液体入口4密封，待水持续通入检测液体入口3中，微通道1中多余检测液体通过检测液体出口2回收，在显微镜下观察不同时刻水-汞分界面的位置，截取不同时刻的显微镜图像。
流量计算：根据式(1)计算出所测液体的体积流量。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，“密封”等术语应做广泛理解。例如“密封”可以是用胶枪填满胶，也可以是通过小活塞密封，也可以是锡纸密封等等。
本领域的技术人员容易理解，上述实施例仅是本发明的最佳实施例之一，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超微小流量液体的流量检测芯片，其特征在于，所述的流量检测芯片上对称刻蚀有多组通道，每组通道包括微通道(1)、检测液体入口(3)、第二液体入口(4)和检测液体出口(2)；所述的微通道(1)的两端分别通过过渡通道与检测液体入口(3)和检测液体出口(2)连通，所述第二液体入口(4)与检测液体入口(3)和微通道(1)之间的过渡通道连通；
所述微通道(1)为横截面积恒定的沟道，且具有多段往复的结构，形成S形；过渡通道与微通道(1)的宽度和深度一致；微通道(1)的宽度和深度根据初步估计的待检测液体的流量确定，具体如下：
初步估计的待检测液体的体积流量QV为：
Figure FDA0002494621520000011
其中，QV为体积流量，Δl为时间Δt内待检测液体与第二液体分界面前进的距离，w为微通道宽度，h为微通道深度，Δt为时间；
定义q为待检测液体与第二液体分界面前进宽度比：
Figure FDA0002494621520000012
其中，q＝0.5-1.5；
根据公式(1)和公式(2)确定微通道(1)的宽度和深度的关系：
QV＝q×w2×h (3)
再结合流量检测芯片制造过程中的深宽比要求，确定微通道深度后即可确定微通道的宽度。
2.根据权利要求1所述的一种超微小流量液体的流量检测芯片，其特征在于，所述微通道(1)一侧为透明或半透明状态，便于显微镜观察微通道(1)内第二液体分界面流动情况。
3.根据权利要求1或2所述的一种超微小流量液体的流量检测芯片，其特征在于，流量检测芯片上的多个微通道(1)，各个微通道(1)的深度相同，宽度不同，不同宽度的微通道用来测量不同范围的体积流量。
4.一种超微小流量液体的流量检测方法，采用权利要求1-3所述的流量检测芯片，其特征在于，具体步骤如下：
将待检测的液体通过检测液体入口(3)注入到微通道(1)中，微通道(1)中全部充满待检测的液体后，在第二液体入口(4)注入第二液体，第二液体为能与待检测液体形成分界面的液体；然后将第二液体入口(4)密封，待检测液体持续通入检测液体入口(3)中，微通道(1)中多余待检测液体通过检测液体出口(2)回收；在显微镜下观察不同时刻待检测液体与第二液体形成的分界面的位置，根据观测的时间和界面位置以及公式(1)计算出待检测液体的体积流量。
5.根据权利要求4所述的一种超微小流量液体的流量检测方法，其特征在于，注入待检测液体和第二液体时，要求无气泡混入流量检测芯片的通道中。
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