CN114700125A - 一种全液滴整流器以及流体液滴位移控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化学仪器领域，特别是涉及一种全液滴整流器及其制备方法，以及采用全液滴整流器的流体液滴位移控制系统和一种微量流体液滴的移动控制方法。全液滴整流器包含基材和多条弧形的棘齿单元。其中，基材呈条形平板状。棘齿单元呈长条形，棘齿单元平行等间隔地设置在基材的上表面，并沿基材的延伸方向依次呈鱼鳞状渐次排列。棘齿单元在基材上朝弧形结构的圆心一侧倾斜，且每条弧形的棘齿单元相对平行于基材延伸方向的一条中线对称。流体液滴位移控制系统包括：信号发生器、振动发生器、全液滴整流器、液滴注射器、以及控制器。本发明解决了现有流体整流方法存在的传输速率低，传输方向单一、输送量小，难以输送活性物质等问题。

Description

一种全液滴整流器以及流体液滴位移控制系统
技术领域
本发明涉及化学仪器领域，特别是涉及一种全液滴整流器及其制备方法，以及采用全液滴整流器的流体液滴位移控制系统和一种微量流体液滴的移动控制方法。
背景技术
在生物医学检测和化学医药领域，通常需要对微量的流体位移操纵，进而实现对微生物或小分子类活性物质进行定量和定向输送的目的。这种进行流体定向输送的设备通常称为流体整流器。现有的实现流体整流的方法主要有电场型、热场型、磁场型和光场型。其中，电场型是采用电润湿或电祛湿的方式改变流体流向。磁场性是利用磁场作为驱动力操作流体流动。光场型则是利用光源作为激发源，对目标物进行照射，驱动流体定向位移。热场型则是通过热蒸发等方式驱动流体转移。
以上各个流体位移驱动方式均可以在不同场景下对流体的移动过程进行操纵。但是现有的各种流体整流方式仍然存在会存在流体位移速率低，无法实现多向传输、操纵的流体体积较小等问题。此外，部分整流方法还可能对输送的流体的化学性质或物理性质产生影响，造成流体中负载的特定物质变性，失去生物活性等等。
发明内容
基于此，有必要针对现有流体整流方法存在的传输速率低，传输方向单一、输送量小，难以输送活性物质等问题；提供一种全液滴整流器及其制备方法，以及采用全液滴整流器的流体液滴位移控制系统和一种微量流体液滴的移动控制方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种全液滴整流器，该产品用于可控地定向移动目标流体的液滴。全液滴整流器包含基材和多条弧形的棘齿单元。其中，基材呈条形平板状。棘齿单元呈长条形，棘齿单元平行等间隔地设置在基材的上表面，并沿基材的延伸方向依次呈鱼鳞状渐次排列。棘齿单元在基材上朝弧形结构的圆心一侧倾斜，且每条弧形的棘齿单元相对平行于基材延伸方向的一条中线对称。全液滴整流器中所有的棘齿单元构成棘齿阵列，棘齿阵列作为平行于基材延伸方向的液流通道。
本发明提供的全液滴整流器使用时，待输送的液滴滴加在液流通道上。当以预设振动方向、振动频率和振动幅度的声场驱动全液滴整流器共振时，目标流体的液滴在液流通道上以相应的运动速度和运动方向定向移动。改变振动方向、振动频率和振动幅度后，流体的运动速度和运动方向随之改变，即实现：通过声场驱动流体运动的目的。
作为本发明进一步的改进，棘齿单元的曲率半径为R：3mm＜R＜10mm。棘齿阵列的相邻棘齿单元间构成一个沟槽。棘齿单元的顶部距基材上表面的垂直高度为槽深D，D：90μm＜D＜150μm。相邻棘齿单元的间距为槽宽P，P：120μm＜P＜160μm。棘齿单元下表面与基材所在平面的夹角为下倾角α1，α1：45°＜α1＜70°。棘齿单元上表面与基材所在平面的夹角为上倾角α1，α2：20°＜α2＜45°。
作为本发明进一步地改进，棘齿阵列的最佳结构参数为：R＝5.2mm；P＝152.2μm；D＝100.5μm；α1＝57°；α2＝37°。
作为本发明进一步的改进，全液滴整流器可以采用金属、陶瓷、玻璃、半导体或有机聚合物材料制备而成。具体地，常见的可使用的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅片、聚四氟乙烯等。
作为本发明进一步的改进，基材采用在目标流体浸润条件下具有化学稳定性，且二者间的固-液界面夹角θ＞90°的材料制备而成。
作为本发明进一步的改进，液流通道的材料表面涂布有改性涂层，所述改性涂层采用在目标流体浸润条件下具有化学稳定性，且二者间的固-液界面夹角θ＞90°的材料制备而成。
本发明还包括一种流体液滴位移控制系统，该控制系统用于以液滴的形式按照目标流速向目标方向定向输送任意类型的目标流体。位移控制系统包括：信号发生器、振动发生器、全液滴整流器、液滴注射器、以及控制器。
其中，信号发生器用于根据人工输入的包含移动速度和移动方向的控制指令，生成一个包含振动方向、振幅和振动频率的振动控制信号，和/或生成一个包含转动角度的转动信号。其中，振动方向、振幅和振动频率构成第一变量组，移动方向和移动速度构成第二变量组；信号发生器中预设有第一变量组和第二变量组之间的映射关系。
振动发生器包括振动电机、转向电机和振动平台。振动平台的上表面保持水平，振动平台中央含有一个安装槽。振动平台分别与振动电机和转向电机的输出轴通过传动机构连接，转向电机用于接收信号发生器生成的转动控制信号，并按照预设的转动角度驱动振动平台在水平面转动。振动电机用于接收信号发生器生成的振动控制信号，并按照预设的振动方向、振幅和振动频率驱动振动平台水平或竖直振动。
全液滴整流器采用如前述的产品；全液滴整流器的结构参数和产品的材料种类根据待输送的流体液滴的性质进行选型。全液滴整流器可拆卸安装在振动平台的安装槽内。
液滴注射器，其用于盛装带输送的流体，并将流体以预设的体积大小滴加到全液滴整流器的液流通道的目标位置。
控制器与信号发生器、液滴注射器电连接。控制器用于控制信号发生器和液滴注射器的运行状态。
作为本发明进一步的改进，流体液滴位移控制系统中还包括一个涂布器。涂布器用于根据预设的涂布厚度向全液滴整流器的表面均匀地涂布润滑剂。涂布器与控制器电连接，控制器用于控制涂布器的运行状态。
本发明还包括一种微量流体液滴的移动控制方法，该方法用于采用如前述流体液滴位移控制系统，驱动目标流体以液滴的形式沿目标方向定向移动，并动态控制液体的流速。该移动控制方法包括如下步骤：
S1：将目标流体加注到液滴注射器内，并根据目标流体的物理性质调整液滴注射器滴加的液滴体积。
S2：根据目标流体的物理或化学性质，选择使用最佳材料种类生产的且具有最优结构参数的全液滴整流器，将全液滴整流器固定安装到振动发生器的振动平台上。
S3：选择与目标流体互不相容且具有化学稳定性的润滑剂，并加注到涂布器内，设定润滑剂的涂布厚度。
S4：向信号发生器输入目标运动方向和目标运动速度。
S5：开启流体液滴位移控制系统运行，在流体液滴位移控制系统运行过程中，
S51：控制器首先根据目标运动方向驱动振动平台转动，使得全液滴整流器中液流通道的延伸方向与目标运动方向平行。
S52：然后驱动涂布器以预设的涂布厚度向全液滴整流器的表面涂抹润滑剂。
S53：接着驱动液滴注射器向全液滴整流器的目标落点处滴加符合预设体积的液滴。
S54：最后由信号发生器根据目标运动方向和目标运动速度生成包含相应的振动方向、振动频率和振动幅度的振动控制信号，振动电机接收到振动控制信号后，驱动振动平台按照预设的振动方向、振动频率和振动幅度振动；从而使得全液滴整流器上的目标流体按照预设的方向和速冻在液流通道上移动。
本发明还包括一种全液滴整流器的制备方法，该方法采用3D打印工艺、化学成型或飞秒激光加工技术制造如前述的全液滴整流器。
其中，全液滴整流器的飞秒激光加工工艺包括如下步骤：
(1)设计满足目标需求的全液滴整流器的三维模型。三维模型的结构参数包含基材的尺寸，棘齿单元的曲率半径、上倾角、下倾角；以及棘齿阵列的槽深、槽宽和单元数量。
(2)根据应用的目标流体的性质选择制备全液滴整流器的材质，该材质应当适用于进行飞秒激光加工；如采用聚二甲基硅氧烷。
(3)采用上步骤选用的材质制造满足三维模型中尺寸的基材。
(4)将基材固定在飞秒激光倾斜加工系统的加工平台上。
(5)根据结构参数生成飞秒激光倾斜加工系统的加工过程中的加工参数，加工参数包括激光功率、扫描速度和扫描路径。
(6)飞秒激光倾斜加工系统以相应的激光功率发射飞秒激光，并以相应的扫描速度和扫描路径将飞秒激光投射在基材上，在基材上烧蚀出相应的沟槽，以形成相应的棘齿阵列。
(7)对上步骤飞秒激光倾斜加工系统加工出的产品进行清洗，干燥，然后在加工出棘齿阵列表面均匀涂布与待输送的目标流体互不相容的润滑介质；得到所需的全液滴整流器。
本发明提供的一种全液滴整流器及其制备方法，以及采用全液滴整流器的流体液滴位移控制系统和一种微量流体液滴的移动控制方法。具有如下有益效果：
本发明创造性的设计了一种“搓衣板”状的全液滴整流器；并在全液滴整流器的棘齿阵列中，利用“声场”驱动液滴定向移动。应用本发明设计的全液滴整流器和流体液滴位移控制系统后。既可以操作流体液滴正向移动也可以操作流体液滴反向移动，流体液滴的移动速率也可以进行调控。
同时，本发明提供的方法和装置还可以通过“声场”的频率、振动方向等调控手段，驱动不同体积的流体在特定时间依次移动，进而实现对流体位移状态的编程控制。采用不同结构尺寸的全液滴整流器后，本发明的方案还可以对不同体积的液滴进行可控输送。因此，本发明相对对现有多种流体输送方式而言，灵活性更高，输送效果更好。
本发明提供的技术方案中，驱动流体运动的动力源为“声场”，声场的振动对流体成分的理化性质影响较小。该驱动方式除了会导致成分不均匀流体的成分均匀化以外，几乎不会对流体的化学成分的理化性质发生变化；因而非常适合用于具有生物活性的成分的定向输送，如用来输送微量的生物医药产品等。即：本发明的方案的实用价值更加突出。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的一种全液滴整流器宏观的三维模型图。
图2为本发明实施例1中全液滴整流器的实物照片，图中如年轮圈层一般的结构即为分布的各个棘齿单元。
图3为本发明实施例1提供的全液滴整流器中棘齿阵列中棘齿单元侧面的显微照片。
图4为实施例1中棘齿单元的曲率半径的符号标记图。
图5为实施例1中棘齿阵列中各个结构参数的符号标记图。
图6为实施例2中，不同成分的流体在全液滴整流器上输送过程中的位移时间曲线。
图7为实施例2中，流体液滴在竖直振动条件下正向移动过程的隔帧摄影图像。
图8为实施例2中，流体液滴在水平振动条件下的反向移动过程的隔帧摄影图像。
图9为实施例2中，水平振动条件下，不同体积液滴的输送速率随振动频率的变化曲线。
图10为实施例2中，竖直振动条件下，不同体积液滴的输送速率随振动频率的变化曲线。
图11为实施例2中，不同体积液滴在竖直振动条件下的启动频率直观对照图。
图12为实施例2中，不同体积液滴在水平振动条件下的启动频率直观对照图。
图13为实施例2中，竖直振动条件下，液滴实现输送的启动频率随液滴体积的变化曲线。
图14为实施例2中，水平振动条件下，液滴实现输送的启动频率随液滴体积的变化曲线。
图15为实施例2中，棘齿单元不同弧度对应的输送液滴的最佳体积。
图16为实施例2中，竖直振动条件下，油膜厚度与液滴运输速率间的变化曲线。
图17为实施例2中，水平振动条件下，油膜厚度与液滴运输速率间的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
本实施例提供一种全液滴整流器，该产品用于可控地定向移动目标流体的液滴。(以下内容描述中，“目标流体”指待输送的液态物质，如氯化钠溶液、乙醇、水、甘油、橄榄油等。“液滴”指目标流体的输送时的特定形态。)全液滴整流器的结构如图1和图2所示，包含基材以及位于基材表面的多条弧形的棘齿单元。其中，基材呈条形平板状。棘齿单元平行等间隔地设置在基材的上表面，并沿基材的延伸方向依次呈鱼鳞状排列。如图3所示，棘齿单元的侧面近似于棘轮中的棘齿，棘齿单元在基材上朝弧形结构的圆心一侧倾斜，且每条弧形的棘齿单元相对平行于基材延伸方向的一条中线对称。
本实施例中提供的全液滴整流器为一块表面含有特殊的表面微结构的条形薄板或薄膜。这种特殊的微结构即为前述的棘齿阵列；全液滴整流器中棘齿阵列由一个个单独的棘齿单元构成，每个棘齿单元就像连接在基板上的一根长条状的弧形的鳞片。棘齿阵列作为平行于基材延伸方向的液流通道。
全液滴整流器的液流通道表面还涂布有润滑介质，润滑介质采用与目标流体不发生化学反应，也互不相溶的流体。例如输送水性盐溶液时，采用硅油作为润滑介质。润滑基质的厚度应当尽量薄，润滑介质的最大厚度应当满足：不能使得基材的液流通道中特殊的微结构(棘齿阵列)被“填平”。
本实施例提供的全液滴整流器使用时，待输送的液滴滴加在液流通道上。当以预设的振动方向、振动频率和振动幅度驱动全液滴整流器振动时，目标流体的液滴在液流通道上以相应的运动速度和运动方向定向移动。改变振动方向、振动频率和振动幅度后，流体的运动速度和运动方向随之改变，即实现：通过声场驱动流体运动的目的。
在本实施例中，如图4所示，棘齿单元的曲率半径为R：3mm＜R＜10mm。棘齿阵列的相邻棘齿单元间构成一个沟槽。棘齿单元的顶部距基材上表面的垂直高度为槽深D，D：90μm＜D＜150μm。相邻棘齿单元的间距为槽宽P，P：120μm＜P＜160μm。棘齿单元下表面与基材所在平面的夹角为下倾角α1，α1：45°＜α1＜70°。棘齿单元上表面与基材所在平面的夹角为上倾角α1，α2：20°＜α2＜45°。
全液滴整流器中的棘齿阵列的结构参数是影响产品的性能的一个核心控制变量，使用本实施例的全液滴整流器时。这些结构参数对最终的输送效果具有重要影响，例如当需要输送的流体的液滴尺寸不同时，则应当调整棘齿阵列中棘齿单元间的沟槽的槽深及槽高，并对全液滴整流器表面的单位面积内的棘齿单元的密度进行调整。当输送的流动的黏度不同时，则采用的全液滴整流器的结构尺寸也不一样。具体的选型需要根据实际的输送需求进行试验验证，进而确定最佳选项。
在本实施例中，输送常规的盐溶液类流体时，全液滴整流器中的棘齿阵列的最佳结构参数为：R＝5.2mm；P＝152.2μm；D＝100.5μm；α1＝57°；α2＝37°。
本实施例对全液滴整流器的材质不做限定，可以采用金属、陶瓷、玻璃、半导体或有机聚合物材料制备而成。全液滴整流器是一个输送工具，仅用于控制液滴定向移动，因此，在应用过程中，全液滴整流器至少包括如下两个性能要求：
第一点：输送过程中，待输送的流体应当不与全液滴整流器发生化学反应，全液滴整流不会在输送过程中对目标流体的化学性质造成影响。
基于此，选用的材料应当是具有良好的化学惰性，或者针对特定物质具有良好的化学稳定性.进而保证输送工具不会与运输的特定流体的化学成分发生反应。
例如，当运输的流体为氢氟酸时，全液滴整流器则不能使用玻璃基产品。当输送的的流体为煤油、松香油等具有腐蚀性的有机化学物时，则不允许使用聚酯类材料制备的全液滴整流器。
第二点：待输送的目标流体在制备全液滴整流器的材料表面的润湿性应当较差。这是因为当二者的润湿性较佳时，带输送的流体可能会在输送载体(即全液滴整流器)表面发生浸润，这会使得流体液滴状态丧失；进而无法实现定向输送。
因此在输送常规的水溶性材料构成的流体时，则全液滴整流器应当使用疏水材料，或材料的表面具有疏水特性。而在输送油性高分子材料时，则需要制备的全液滴整流器表面具有疏油性。
由此可见，选择采用何种材料制备所需的全液滴整流器，主要取决于该全液滴整流器用于输送何种性质的流体。此外，材料的可加工特性也是需要权衡的一个方面。由于需要在材料表面形成特殊的“精细”的微结构，因此，结构强度和可加工特性都是决定最终产品材料选择的核心要素。
具体地，在本实例中，针对大部分流体的输送需求，整理出的具有较强通用性的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅片、聚四氟乙烯等。
正如前文所述，本实施例的全液滴整流器中的基材采用在目标流体浸润条件下具有化学稳定性，且二者间的固-液界面夹角θ＞90°的材料制备而成。但是在其它实施例中，为了便于生产加工，基材使用的材料本身可以不满足以上性质。而是在基材上加工出的液流通道的表面涂布改性涂层。改性涂层采用在目标流体浸润条件下具有化学稳定性，且二者间的固-液界面夹角θ＞90°的材料制备而成。
例如在玻璃基材料的表面使用一种特殊的聚丙烯涂层；那么这种玻璃材质的全液滴整流器也可以用于输送氢氟酸流体的液滴。该实施例中采用的玻璃基+丙烯酸涂层制备的全液滴整流器可以理解为是一种使用特殊的复合材料制备的产品。使用复合材料可以综合不同的材料的优势，例如，玻璃基+丙烯酸涂层既具有玻璃基材料易于蚀刻加工，结构强度高的特点；又具有聚丙烯耐氢氟酸腐蚀的特点。
本实施例设计的全液滴整流器中微结构的尺度各不相同，结构约精细则加工难度越大。同时，在采用不同的材料进行生产制造时，由于材料的特性更不相同，因此采用的加工方法也更不相同。因此该全液滴整流器应当根据结构和材料采取不同的生产制造工艺精细生产。例如，针对不同的性能的基体材料，可以采用的工艺包含3D打印、化学蚀刻、气相沉积、光刻技术等等。
以下，采用聚二甲基硅氧烷薄膜作为基材，对采用飞秒激光加工工艺生产全液滴整流器的详细过程进行说明。生产工艺具体包括如下步骤：
(1)设计满足目标需求的全液滴整流器的三维模型。三维模型的结构参数包含基材的尺寸，棘齿单元的曲率半径、上倾角、下倾角；以及棘齿阵列的槽深、槽宽和单元数量。
本实施例中，棘齿单元的曲率半径R＝5.2mm；棘齿阵列的槽宽P＝152.2μm；槽深D＝100.5μm；上倾角α1＝57°；下倾角α2＝37°。
(2)根据应用的目标流体的性质选择制备全液滴整流器的材质，具体地，本实施例选择的基体材料为聚二甲基硅氧烷，该材料具有较强的耐候性，耐热性和耐寒性俱佳；可在-50℃～200℃下长期使用，材料的黏度随温度变化小。聚二甲基硅氧烷制备的薄膜的表面张力小，且具有导热性，导热系数为0.134-0.159W/M*K。薄膜的透明度较好，透光率为100％，可以便于观察表面液滴的流动过程。
此外，聚二甲基硅氧烷具有较强的惰性和良好的化学稳定性；具有良好的绝缘防水性能。材料的疏水性较强，还具有很高的抗剪切能力。这些性质都是全液滴整流单元需要具备的特性。此外，需要强调的是，聚二甲基硅氧烷还非常适合进行飞秒激光加工，通过激光光束可以在材料上非常精确地烧蚀出所需的表面微结构。
(3)采用上步骤选用的材质制造满足三维模型中尺寸的基材。本实施例直接裁剪出一片具有合适尺寸的聚二甲基硅氧烷薄膜作为所需的待加工基材。
(4)将基材固定在飞秒激光倾斜系统的加工平台上。本实施例拟通过飞秒激光加工出基材表面的棘齿阵列，因此飞秒激光出射的激光光线应当倾斜射入到材料表面，因此本实施例采用的斜加工平台进行加工。特别加工平台出出射光线的斜率取决于拟加工出的各个棘齿单元的上倾角和下倾角。
(5)根据结构参数生成飞秒激光倾斜加工系统的加工过程中的加工参数，加工参数包括激光功率、扫描速度和扫描路径。
本实施例加工出的全液滴整流器的棘齿单元呈弧形，因此飞秒激光的扫描路径即为符合要求的多条相互平行的弧线。飞秒激光加工过程中，激光功率和扫描速率与加工出的沟槽的宽度和深度等结构参数具有很强的相关性；并最终影响到加工出的产品的性能。
例如：本实施例在加工过程中不断微调激光功率后发现：当激光功率由100mW调节到300mW时，沟槽深度由～47μm增加到～110μm，而沟槽宽度变化不大。因此，激光功率是调节槽深的一个很好的单一参数。
当激光功率小于100mW时，加工出的棘齿阵列的各向异性很小，导致液滴的各向异性滞后力很小，液滴无法在液流通道上进行输送。当激光功率大于300mW时，加工出的棘齿阵列又会发生一定程度的翘曲变形，不利于液滴的操纵。
本实施例在加工过程中不断微调扫描速度后发现：当扫描速度从21mm/s增加到14mm/s时，槽深从～170μm线性减小到～90μm。同样，沟槽宽度保持在～150μm的固定值。因此，扫描速度也是一个很好的加工参数，可以单独调节深度参数。此外，扫描速度也会影响到产品的加工时长，当扫描速度过慢时，会导致结构制造效率相对较低，耗时较长。
综上所述，在飞秒激光倾斜加工系统加工过程中，调整激光功率和扫描速度两项加工参数，可以对加工出的沟槽深度和宽度进行优化调整。同时，在生产过程还应当根据不同产品的加工效率需求，对加工参数进行合理调整，进而控制时间成本。
(6)飞秒激光倾斜加工系统以相应的激光功率发射飞秒激光，并以相应的扫描速度和扫描路径将飞秒激光投射在基材上，在基材上烧蚀出相应的沟槽，以形成相应的棘齿阵列。
(7)对上步骤飞秒激光倾斜加工系统加工出的产品进行清洗，干燥，然后在加工出棘齿阵列表面均匀涂布与待输送的目标流体互不相容的润滑介质；得到所需的全液滴整流器。
实施例2
本实施例提供一种流体液滴位移控制系统，该控制系统用于以液滴的形式按照目标流速向目标方向定向输送任意类型的目标流体。具体的，本实施例提供的位移控制系统包括：信号发生器、振动发生器、全液滴整流器、液滴注射器、以及控制器。
其中，信号发生器用于根据人工输入的包含移动速度和移动方向的控制指令，生成一个包含振动方向、振幅和振动频率的振动控制信号，和/或生成一个包含转动角度的转动信号。其中，振动方向、振幅和振动频率构成第一变量组，移动方向和移动速度构成第二变量组；信号发生器中预设有第一变量组和第二变量组之间的映射关系。
振动发生器包括振动电机、转向电机和振动平台。振动平台的上表面保持水平，振动平台中央含有一个安装槽。振动平台分别与振动电机和转向电机的输出轴通过传动机构连接，转向电机用于接收信号发生器生成的转动控制信号，并按照预设的转动角度驱动振动平台在水平面转动。振动电机用于接收信号发生器生成的振动控制信号，并按照预设的振动方向、振幅和振动频率驱动振动平台水平或竖直振动。
全液滴整流器采用如前述的产品；全液滴整流器的结构参数和产品的材料种类根据待输送的流体液滴的性质进行选型。全液滴整流器可拆卸安装在振动平台的安装槽内。
液滴注射器，其用于盛装带输送的流体，并将流体以预设的体积大小滴加到全液滴整流器的液流通道的目标位置。
控制器与信号发生器、液滴注射器电连接。控制器用于控制信号发生器和液滴注射器的运行状态。
在上述系统中，将待输送的流体滴加在全液滴整流器的棘齿阵列中之后，只需要向系统输入拟输送的方向和速度等相关指令，系统就可以自动按照预设的振动方向、振动幅度和振动频率驱动振动平台振动。进而在全液滴整流器周围形成特定的“声场”，液滴在“声场”的驱动下沿着棘齿阵列以一定的速度定向移动。
为了提高产品性能，本实施例的流体液滴位移控制系统中还包括一个涂布器。涂布器用于根据预设的涂布厚度向全液滴整流器的表面均匀地涂布润滑剂。涂布器与控制器电连接，控制器用于控制涂布器的运行状态。
本实施例在棘齿阵列中涂布的润滑液的相当于前文所言的“涂层”材料，即改善材料的界面作用。润滑油可以根据不同的流体输送需求选择不同的产品，例如采用硅油作为润滑油，可以用于输送疏油性的流体，例如H2O和无机盐溶液等。
本实施例中，前述流体液滴位移控制系统，可以实现驱动目标流体以液滴的形式沿目标方向定向移动，并动态控制液体的流速的目的。具体地，本实施例提供的微量流体液滴的移动控制方法包括如下步骤：
S1：将目标流体加注到液滴注射器内，并根据目标流体的物理性质调整液滴注射器滴加的液滴体积。
S2：根据目标流体的物理或化学性质，选择使用最佳材料种类生产的且具有最优结构参数的全液滴整流器，将全液滴整流器固定安装到振动发生器的振动平台上。
S3：选择与目标流体互不相容且具有化学稳定性的润滑剂，并加注到涂布器内，设定润滑剂的涂布厚度。
S4：向信号发生器输入目标运动方向和目标运动速度。
S5：开启流体液滴位移控制系统运行，在流体液滴位移控制系统运行过程中，
S51：控制器首先根据目标运动方向驱动振动平台转动，使得全液滴整流器中液流通道的延伸方向与目标运动方向平行。
S52：然后驱动涂布器以预设的涂布厚度向全液滴整流器的表面涂抹润滑剂。
S53：接着驱动液滴注射器向全液滴整流器的目标落点处滴加符合预设体积的液滴。
S54：最后由信号发生器根据目标运动方向和目标运动速度生成包含相应的振动方向、振动频率和振动幅度的振动控制信号，振动电机接收到振动控制信号后，驱动振动平台按照预设的振动方向、振动频率和振动幅度振动；从而使得全液滴整流器上的目标流体按照预设的方向和速冻在液流通道上移动。
为了验证本实施例提供的设备和方法的性能，本实施例还采用上述系统和方法进行了如下的流体输送试验。
1、本实施例中，共采用6种不同的流体作为本实施例中实现输送的样本，具体的包括：饱和CuSO4溶液，H2O，饱和NaHCO3溶液；5wt％的H2O2，5mM的标准Glucose溶液，1.4wt％的HCI溶液。将各个溶液等量滴加的全液滴整流器的棘齿阵列中央，然后提供相同频率和振幅的声场，观察不同样本在水平振动和竖直振动声场下的输送规律。其中，根据观察结果绘制6个样本的运动曲线如图6所示。
分析图6中曲线可以发现：各种不同成分的流体在水平振动和竖直振动的驱动下液滴在弧形倾斜微槽阵列表面上都能运输。即可以实现双向传输。如图7和图8所示，在竖直振动条件下，液滴向右输送，而在水平振动的条件下，液滴向左输送。
2、本实施例进一步验证了振动频率和流体液滴的尺寸与运输速率之间的关系。在竖直振动条件下，10μL的液滴和20μL的液滴在不同振动频率条件下的运输速率如图9中的曲线所示。在水平振动条件下，10μL、20μL和60μL的液滴的运输速率随振动频率的变化曲线如图10所示。
结合图9和图10中曲线可知：在水平振动条件下，流体液滴的运输速率与声场的振动频率有关，且随着振动频率越高流体的运输速率先增大后减小。在竖直振动条件下，流体液滴的运输速率与声场的振动频率有关，且振动频率越高，流体的运输速率越慢。
3、虽然不同液滴的体积与运输速率之间无明显的相关关系，但体积对于流体液滴能够被输送的启动频率依然具有影响。也即是说，对于特定体积的流体液滴，只有振动频率达到一个临界值，声场才能产生驱动流体液滴运动的效果。为了分析不同体积的流体液滴的启动频率，本实施例设计了如下的对比试验。
如图11和图12所示，本实施例采用不同颜色对三个不同体积(14μL、8μL和6μL)的液滴进行染色，并将各个液滴间隔设置在同一片全液滴整流器上，然后不断增加水平振动或竖直振动的振动频率，通过间隔摄影的方式观察各个液滴合适开始运动的振动频率。
结合图中影像可以发现：在竖直振动条件下，当频率为26Hz时，14ul的液滴优先运输到样品最右端，8ul、6ul的液滴扎钉住，频率为31Hz时，6ul、14ul的液滴扎钉住，8ul的液滴运输到最右端，最后，将频率换到35Hz，6ul的液滴运输到弧形倾斜微板阵列的最右端。在水平振动条件下，6ul、8ul和14ul的启动频率分别为57Hz、66Hz和73hz。
由此可见，液滴在声场中可以进行定向输送的启动频率，与液滴的体积(或质量)有关.
具体地，本实施例还通过进一步地试验测量出不同体积的液滴对应的最小启动频率，测量结果如图13和图14中的曲线所示，
分析图13和图14的曲线可以发现：在竖直振动条件下，液滴的体积越大，则对应的启动频率越小。但是在水平振动条件下，当液滴体积小于20ul时，体积越小，启动频率越大；当液滴体积大于20ul时，体积越大，则启动频率也越大。
结合本实施例中测量出的启动频率数据，技术人员可以对不同液滴的输送过程进行编程调控，使得不同体积的流体液滴可以按照需要的运输先后顺序、运输速率和输送方向进行定向传输。实现在不同驱动策略下，对液滴的输送过程中进行灵活控制目的。
4、具有弧度是每条棘齿单元的结构属性，该属性对流体额输送性能也具有影响，本实施例还对比研究不同弧度的棘齿单元与输送的液滴的液滴的体积之间关旭，并统计得到各个曲率半径对应的最佳的流体液滴的体积，得到的的统计结果如图15所示。分析图中数据大致可知：待输送的流体液滴的体积越大，应当使用棘齿单元曲率半径越大的全液滴整流器产品。
5、本实施例还验证了润滑油的油膜厚度与流体输送速率的影响。具体地，有膜厚度以旋涂仪器的旋涂时间表征，旋涂时间越长则油膜厚度越大，具体的在水竖直振动和水平振动条件下，油膜厚度与液滴的传输速率之间的变化曲线如图16和图17所示。
结合图16和图17中的数据可知：油膜厚度在竖直振动和水平振动条件下对流体的传输速率的影响趋势是一致的。油膜厚度有一个最佳的临界值，在小于临界值时，油膜厚度增加会提高流体的传输速率；但是当油膜厚度超过最佳的临界值时，油膜厚度的增加反而会导致流体的传输速率降低。
分析出现上述情况的原因在于：当油膜厚度较小时，棘齿阵列的结构各向异性明显，单润滑效果较弱，因此增加油膜厚度就可以提升润滑效果，进而提高流体的传输速率。但是当油膜厚度过大时，倾斜的棘齿单元就会被润滑油覆盖，此时棘齿单元的各向异性就会消失，此时，增大油膜厚度虽然会导致润滑效果增强，但全液滴整流器的基材表面的微结构(棘齿阵列)会因为润滑油的覆盖而减弱甚至消失，此时液滴的定向传输速率自然不断下降甚至消失。
需要强调的是，在声场驱动条件下，流体在全液滴整流器的棘齿阵列上的输送方向仍然是线性的，即只能进行往复式输送，要么向阵列的一侧，要么向阵列的另一侧，无法实现全向运输。如果希望对液滴进行任意方向的输送，则可以利用本实施提供的流体液滴位移控制系统中的转动电机，先对全液滴整流器进行转向，然后再进行声场驱动，进而实现液滴的全向输送。
以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种全液滴整流器，其用于可控地定向移动目标流体的液滴；所述全液滴整流器包含基材和多条弧形的棘齿单元；基材呈条形平板状；所述棘齿单元呈长条形，棘齿单元平行等间隔地设置在所述基材的上表面，并沿基材的延伸方向依次呈鱼鳞状渐次排列；所述棘齿单元在基材上朝弧形结构的圆心一侧倾斜，且每条弧形的棘齿单元相对平行于基材延伸方向的一条中线对称；所有的棘齿单元构成棘齿阵列，所述棘齿阵列作为平行于基材延伸方向的液流通道；所述液流通道的表面还设有均匀的润滑介质，所述润滑介质采用与待输送的目标流体互不相溶的流体物质；
当以预设振动方向、振动频率和振动幅度声场驱动所述全液滴整流器共振时，目标流体的液滴在液流通道上以相应的运动速度和运动方向定向移动。
2.根据权利要求1所述的全液滴整流器，其特征在于：所述棘齿单元的曲率半径为R：3mm＜R＜10mm；所述棘齿阵列的相邻棘齿单元间构成一个沟槽；所述棘齿单元的顶部距基材上表面的垂直高度为槽深D，D：90μm＜D＜150μm；相邻棘齿单元的间距为槽宽P，P：120μm＜P＜160μm；棘齿单元下表面与基材所在平面的夹角为下倾角α1，α1：45°＜α1＜70°；棘齿单元上表面与基材所在平面的夹角为上倾角α1，α2：20°＜α2＜45°。
3.根据权利要求2所述的全液滴整流器，其特征在于：所述棘齿阵列中，R＝5.2mm；P＝152.2μm；D＝100.5μm；α1＝57°；α2＝37°。
4.根据权利要求1所述的全液滴整流器，其特征在于：所述全液滴整流器采用金属、陶瓷、玻璃、半导体或有机聚合物材料制备而成。
5.根据权利要求2所述的全液滴整流器，其特征在于：所述基材采用在目标流体浸润条件下具有化学稳定性，且二者间的固-液界面夹角θ＞90°的材料制备而成。
6.根据权利要求2所述的全液滴整流器，其特征在于：所述液流通道的材料表面涂布有改性涂层，所述改性涂层采用在目标流体浸润条件下具有化学稳定性，且二者间的固-液界面夹角θ＞90°的材料制备而成。
7.一种流体液滴位移控制系统，其特征在于，其用于以液滴的形式按照目标流速向目标方向定向输送任意类型的目标流体，所述位移控制系统包括：
信号发生器，其用于根据人工输入的包含移动速度和移动方向的控制指令，生成一个包含振动方向、振幅和振动频率的振动控制信号，和/或生成一个包含转动角度的转动信号；其中，振动方向、振幅和振动频率构成第一变量组，移动方向和移动速度构成第二变量组；所述信号发生器中预设有第一变量组和第二变量组之间的映射关系；
振动发生器，其包括振动电机、转向电机和振动平台；所述振动平台的上表面保持水平，振动平台中央含有一个安装槽；所述振动平台分别与振动电机和转向电机的输出轴通过传动机构连接，所述转向电机用于接收所述信号发生器生成的转动控制信号，并按照预设的转动角度驱动振动平台在水平面转动；所述振动电机用于接收所述信号发生器生成的振动控制信号，并按照预设的振动方向、振幅和振动频率驱动振动平台水平或竖直振动；
全液滴整流器，其采用如权利要求5或6中任意一项所述的全液滴整流器；所述全液滴整流器的结构参数和产品的材料种类根据待输送的流体液滴的性质进行选型；所述全液滴整流器可拆卸安装在所述振动平台的安装槽内；
液滴注射器，其用于盛装带输送的流体，并将流体以预设的体积大小滴加到所述全液滴整流器的液流通道的目标位置；以及
控制器，其与所述信号发生器、液滴注射器电连接；所述控制器用于控制信号发生器和液滴注射器的运行状态。
8.根据权利要求7所述的流体液滴位移控制系统，其特征在于：还包括一个涂布器，所述涂布器用于根据预设的涂布厚度向所述全液滴整流器的表面均匀地涂布润滑剂；所述涂布器与所述控制器电连接，所述控制器用于控制所述涂布器的运行状态。
9.一种微量流体液滴的移动控制方法，其特征在于：其用于采用如权利要求8的流体液滴位移控制系统，驱动目标流体以液滴的形式沿目标方向定向移动，并动态控制液体的流速；所述移动控制方法包括如下步骤：
S1：将目标流体加注到液滴注射器内，并根据目标流体的物理性质调整液滴注射器滴加的液滴体积；
S2：根据目标流体的物理或化学性质选择使用最佳材料种类生产的且具有最优结构参数的全液滴整流器，将全液滴整流器固定安装到振动发生器的振动平台上；
S3：选择与目标流体互不相容且具有化学稳定性的润滑剂，并加注到涂布器内，设定润滑剂的涂布厚度；
S4：向信号发生器输入目标运动方向和目标运动速度；
S5：开启流体液滴位移控制系统运行，在流体液滴位移控制系统运行过程中，
S51：控制器首先根据目标运动方向驱动振动平台转动，使得全液滴整流器中液流通道的延伸方向与目标运动方向平行；
S52：然后驱动涂布器以预设的涂布厚度向全液滴整流器的表面涂抹润滑剂；
S53：接着驱动液滴注射器向全液滴整流器的目标落点处滴加符合预设体积的液滴；
S54：最后由信号发生器根据目标运动方向和目标运动速度生成包含相应的振动方向、振动频率和振动幅度的振动控制信号，振动电机接收到所述振动控制信号后，驱动振动平台按照预设的振动方向、振动频率和振动幅度振动；从而使得全液滴整流器上的目标流体按照预设的方向和速度在液流通道上移动。
10.一种全液滴整流器的制备方法，其特征在于，其采用3D打印工艺、化学成型或飞秒激光加工技术制造如权利要求1所述的全液滴整流器；
所述全液滴整流器的飞秒激光加工工艺包括如下步骤：
(1)设计满足目标需求的全液滴整流器的三维模型；所述三维模型的结构参数包含基材的尺寸，棘齿单元的曲率半径、上倾角、下倾角；以及棘齿阵列的槽深、槽宽和单元数量；
(2)根据应用的目标流体的性质选择制备全液滴整流器的材质，所述材质适用于进行飞秒激光加工；
(3)采用上步骤选用的材质制造满足三维模型中尺寸的基材；
(4)将基材固定在飞秒激光倾斜加工系统的加工平台上，
(5)根据所述结构参数生成飞秒激光倾斜加工系统的加工过程中的加工参数，所述加工参数包括激光功率、扫描速度和扫描路径；
(6)飞秒激光倾斜加工系统以相应的激光功率发射飞秒激光，并以相应的扫描速度和扫描路径将飞秒激光投射在基材上，在基材上烧蚀出相应的沟槽，以形成相应的棘齿阵列；
(7)对上步骤飞秒激光倾斜加工系统加工出的产品进行清洗，干燥；然后在加工出棘齿阵列表面均匀涂布与待输送的目标流体互不相容的润滑介质，得到所需的全液滴整流器。
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