一种微流体驱动和计量一体化的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物工程领域，涉及一种微流体驱动和计量一体化的方法。
【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l〇〇mV，传 输效果并不够理想。
[0004] 诱导电渗驱动（ICEOF)，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（ICEOF)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 现微泵流量的可控性输出，实现微流体诱导驱动和计量一体化的设计。
【发明内容】
[0006] 本发明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方 法，应用ICEOF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 可极化钼金的影响，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] 进一步的，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，通过外加电场实现圆筒形套层的诱导电渗驱动；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实现流 量实时监控；流量反馈控制的设计，根据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，反馈到微泵出口处充当激励电压，实现对T型微泵输出流量的反馈控制。
[0008] 进一步的，所述的流体为无腐蚀性且粘性适中的中性液体。
[0009] 进一步的，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绝缘介质，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的薄膜。
[0010] 进一步的，所述的圆筒形套层壁厚为〇. 008D~0. 01D，所述的应变式锰丝直径为 为0. 07?~0. 85D，其中D表示圆筒的截面直径。
[0011] 进一步的，流量计量的设计部分，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U 1，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IXD液晶显示，实现流量计量。
[0012] 进一步的，流量反馈控制部分，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型微泵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，完成流量反馈控制。
[0013] 与现有技术相比，本发明的优点在于： (1) ICEOF的应用，实现了微通道内，无阀高效驱动效果； (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； (3) 外围反馈电路设计，实现了微泵流量的可控性输出； (4) 圆筒形套层圆环首次引入半极化镀膜处理，明显增强驱动效果，降低外加电压的输 入量，节能高效。
【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； 图2. 1和图2. 2是套层结构图及剖示图； 图3是不同电场强度下T型微泵出口处速度分布图； 图4是本发明的整体设计路线简图； 图5是应变式流量传感器原理图； 图6是应变式流量传感器电路。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0016] 如图1-3所示，本是发明的微流体驱动和计量一体化的方法。该方法应用ICEOF 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钼金的 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。
[0017] 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钼金环结构9的诱导电渗驱动；流量计量 的设计，利用基于MEMS加工技术，将应变式锰丝7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1中，基于流体对于应变式锰丝7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，反馈到微泵出口处充当激励电压，实现对 T型微泵输出流量的反馈控制。
[0018] 所述的流体为无腐蚀性且粘性适中的中性液体。
[0019] 所述的套层外钼金环结构9与应变式锰丝7为同轴设置，套层外钼金环结构9与 应变式锰丝7之间所形成的缝隙添加绝缘介质8,只有应变式锰丝7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的薄膜。
[0020] 所述的套层外钼金环结构9壁厚为0· 008D~0· 01D。