一种微流体驱动和计量一体化的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于生物工程领域，具体是一种微流体驱动和计量一体化的装置。
【背景技术】
[0002] 自20世纪90年代初，瑞士科学院首次提出以微机电系统（MEMS)为基础的微全分 析系统的概念，之后微流体芯片微通道中的分析技术得到快速发展，成为世界上前沿的科 技领域之一。典型的微流体驱动部分只有几个平方厘米，采用微加工技术在玻璃、PDMS等 材料表面刻蚀宽度和深度仅为几十到几百微米的微通道，施加外力驱动通道中的微流体流 动，完成进样操作。近年来，随着微流体研究的逐渐深入，微流体研究领域的重点转为微流 体芯片的设计，从而实现微流体的驱动和计量。驱动微流体是各个单元间检测试样运输的 决定因素，因此，实现微流体的驱动控制和计量逐渐成为设计的重点。高效的微流体驱动和 计量的设计能够确保流体易于控制，提高检测效率，故实现高效微流体驱动和计量成为微 流体研究的一个重要任务。
[0003]目前的微流体驱动设计中，应用最为成功的驱动方式为电渗驱动（EOF)，但是电渗 驱动依旧具有一定的不足，比如，为保证较小尺寸下良好的流体驱动效果，系统需承担很强 的电场强度，导致焦耳热效应产生，影响电场和流场；而减弱焦耳热效应的交流外加电场会 造成微流体平均驱动效果为零的后果；电渗驱动中壁面双电层的电位一般小于100mV，传 输效果并不够理想。
[0004] 诱导电渗驱动（ICE0F)，其产生所基于的双电荷层为外加电场作用于可极化障碍 物诱导极化而来，可通过各种人工的方式对双电层进行调控，可很好的规避电渗驱动中存 在的诸多不足，有利于更高效的流体传输。此外，诱导电渗流驱动效果下的流速与外加电场 之间呈非线性关系，因此可在相同外加电场情况下，获得相对电渗流驱动更好的驱动效果。 然而，到目前为止，由于各种原因，基于诱导电渗流（ICE0F)理论的微流控驱动装置的设计 仍旧处于设计验证阶段，但其优越的性能已经让我们看到了其广阔的应用前景，因此研究 诱导电渗流，并将其应用到微流体驱动的设计上，具有重要意义。
[0005] 微流体驱动和计量部分可以组装成微流体芯片，该芯片作为一种微型化的分析仪 器，在许多检定操作环节对于流量的控制具有较高的要求。本申请即致力于在充分利用诱 导电渗驱动微流体优秀的效果基础上，通过微尺度流量的计量和外围电路的反馈控制，实 现微栗流量的可控性输出，实现微流体诱导驱动和计量一体化的设计。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供了一种微流体驱动和计量一体化 的装置，应用ICE0F对于微流体驱动的良好效应，给出T形通道的设计，并基于微流体对应 变式锰丝和可极化铂金的影响，使微流体驱动部分和计量部分高度一体化，实现微流体的 有效驱动和计量，同时结合外围反馈控制电路，自动调节微流体流量。
[0007] 本实用新型采用T形微管道，在垂直管道与平行管道交接处嵌入可极化性质的圆 筒形套层，通过外加电场实现圆筒形套层外铂金环结构的诱导电渗驱动；应变式锰丝嵌入 在可极化性质的圆筒形套层中，基于微流体对于应变式锰丝的阻值变化实现流量实时监 控。
[0008] 所述的圆筒形套层与应变式锰丝为同轴设置，圆筒形套层与应变式锰丝之间所形 成的缝隙添加有绝缘介质，应变式锰丝与外围导线连接。
[0009] 进一步说，所述的圆筒形套层壁厚为0. 008D~0. 01D，所述的应变式锰丝直径为 0. 07?~0. 85D，其中D表示圆筒的截面直径。
[0010] 与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
[0011] (l)ICEOF的应用，实现了微通道内，微流体的无阀高效驱动效果；
[0012] (2)MEMS应用理念，将可极化的驱动元件、计量部分的应变感应元件内嵌在微通道 中，实现微通道内，流量精确测量和驱动的一体化；
[0013] (3)外围反馈电路设计，实现了微栗流量的可控性输出。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明T型微通道驱动计量一体化的示意图；
[0015] 图2a是套层结构图；
[0016] 图2b是套层剖示图；
[0017] 图3是不同电场强度下T型微栗出口处速度分布图；
[0018] 图4是本发明的整体设计路线简图；
[0019] 图5a和图5b是应变式流量传感器原理图。
【具体实施方式】
[0020] 以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0021 ] 如图1、图2a、图2b和图3所示，是微流体驱动和计量一体化的装置。该方法应用 ICE0F在微流体驱动的效应，给出T形通道的设计，并基于微流体对应变式锰丝和可极化铂 金的影响，使微流体驱动部分和计量部分高度一体化，实现微流体的有效驱动和计量。同时 结合合理的外围反馈控制电路，使之自动调节微流体流量。
[0022] 微流体驱动和计量的设计，在T形微管道，垂直管道与平行管道交接处嵌入可极 化性质的圆筒形套层1，通过外加电场实现套层外铂金环结构9的诱导电渗驱动，同时垂直 管道的两端带有负电极3和正电极2,以及通道出口 6,平行管道的两端开有第一通道入口 4和第二通道入口 5 ;流量计量的设计，利用基于MEMS加工技术，将应变式锰丝嵌入到垂直 管道与平行管道交接处的可极化性质的圆筒形套层中，基于流体对于应变式锰丝的阻值变 化，结合外围放大电路、单片机、LCD显示等实现流量实时监控；流量反馈控制的设计，则是 根据既定的流量和输入电压控制关系，经单片机处理输出合理的电压值，反馈到微栗出口 处充当激励电压，实现对T型微栗输出流量的反馈控制。
[0023] 其中的流体为无腐蚀性且粘性适中的中性液体，套层外铂金环结构与应变式锰丝 7为同轴设置，套层外铂金环结构9与应变式锰丝7之间所形成的缝隙添加绝缘介质，只有 应变式锰丝与外围导线连接，且套筒的径向外侧面靠近出口处断面上镀有特殊绝缘材料8 的薄膜。套层外铂金环结构9壁厚为0. 008D~0. 01D。应变式锰丝直径为0. 07?~0. 85D， 其中D表示圆筒的截面直径。
[0024] (1)驱动部分的设计
[0025] 针对T型微栗，以嵌入障碍物在外加电场作用下诱导产生的电渗流，实现流体驱 动效果的增强。具体的设计核心即在T型微通道垂直通道与水平通道交界处，嵌入半边圆 柱形障碍物。采用Fluent仿真，对T型通道的工作性能进行分析，给出数值模拟计算的数 学模型。
[0026] 假设所研究液体为黏性不可压缩的牛顿流体，则该算例中流场的动量方程可写 作：
[0027]
(1)
[0028] 其中，P为流体密度，V为速度矢量，p为压力值，y为流体粘度系数，z为离子化 合价，e为电子电荷量，c。为离子浓度值，也为双电层壁面电势，为外加电场电势，k B为玻 尔兹曼常数，T为绝对温度。
[0029] 外加电场控制方程和双电层壁面电势控制方程分别如公式（2)及公式（3)所示：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 其中，Pj%溶液局部体积净电荷密度，e。为真空介电常数，为电解液的相对介电 系数，可定义e = ￡。￡1^为溶液介电常数。
[0034] 为了对微栗工作性能做较为全面的评估，给定入口处边界条件为
且进出口压力值均为一个大气压值，且 不存在滑移边界条件，经过合理设定数值模拟边界条件，编写合理CFD接口程序，对T型微 栗驱动效果进行模拟。出口处动压的对比图，如图3所示，可以看到，在所施加的电场强度 范围内，可获得的出口处速度驱动范围为〇. 62m/s~17. 4m/s，驱动效果良好。
[0035] (2)流量计量及反馈电路的设计
[0036] 流量计量的设计部分，提出采用基于MEMS技术的应变式流量传感器，通过传感器 电路获得与通道流量呈确定函数关系的电压信号A，并通过同相放大电路和单片机中的DA 通道进行信号处理，获得对应通道流量值Q，并通过LCD液晶显示，实现流量计量，参加图4。
[0037] 应变式流量传感器，是利用通道内微流体对应变式锰丝产生形变的原理制作的， 一定流速的流体使锰丝产生一定程度的形变，然后通过应变传感器得出锰丝的阻值变化， 再经过放大电路和测量电桥得出流量值与电压之间的函数关系。其结构上主要是应变式 电阻锰丝，锰丝竖直放置在管道中间，用于流量的标定。其基本原理图见附图5a和图5b所 示，这里给出微流体流量值与传感器输出电压值之间的关系，如公式所示，可以看到微栗输 出流量值Q与传感器输出电压值U之间呈确定函数关系。
[0038] R = p *L*V( Jr *D2) (5)
[0043] 流量的液晶显示部分，利用单片机DA通道内实现电压信号与流量值的转换，并将 当时的流量值显示到液晶显示屏上。
[0044] 流量反馈控制部分，则是结合微通道中外加电压值与输出流量之间的关系和输出 流量与传感器测量电压值之间的关系，通过单片机的DA通道，调节输出与所需流量值相对 应的反馈电压值。将该电压值反馈到T型微栗的入口处作为激励电压，实现输入电压值的 实时反馈控制，进而对T型管道内的流场流速和流量进行控制，完成本申请中关键的流量 反馈控制。
[0045] 综上，本实用新型实现了通道内微流体的驱动和计量，并且高效驱动微流体、实现 流量的可控调节。
【主权项】
1. 一种微流体驱动和计量一体化的装置，采用T形微管道，其特征在于： 在垂直管道与平行管道交接处嵌入可极化性质的圆筒形套层，通过外加电场实现圆筒 形套层外铂金环结构的诱导电渗驱动；应变式锰丝嵌入在可极化性质的圆筒形套层中，基 于微流体对于应变式锰丝的阻值变化实现流量实时监控； 所述的圆筒形套层与应变式锰丝为同轴设置，圆筒形套层与应变式锰丝之间所形成的 缝隙添加有绝缘介质，应变式锰丝与外围导线连接。2. 根据权利要求1所述的一种微流体驱动和计量一体化的装置，其特征在于：所述的 圆筒形套层壁厚为0. 008D~0. 01D，所述的应变式锰丝直径为0. 07?~0. 85D，其中D表 示圆筒的截面直径。
【专利摘要】本实用新型涉及一种微流体驱动和计量一体化的装置。本实用新型采用T形微管道，在垂直管道与平行管道交接处嵌入可极化性质的圆筒形套层，通过外加电场实现圆筒形套层外铂金环结构的诱导电渗驱动；应变式锰丝嵌入在可极化性质的圆筒形套层中，基于微流体对于应变式锰丝的阻值变化实现流量实时监控。本实用新型实现了微通道内，微流体的无阀高效驱动效果；将可极化的驱动元件、计量部分的应变感应元件内嵌在微通道中，实现微通道内，流量精确测量和驱动的一体化。
【IPC分类】B81B7/02, F04B49/06, B81C1/00, F04B13/00
【公开号】CN204783591
【申请号】CN201520379163
【发明人】杜鹏飞, 代伟, 武永燎, 张凯, 凃程旭
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年6月4日