专利名称：一种微流道速度分布的测量装置和测量方法
技术领域：
本发明涉及一种微流道速度分布的测量装置和测量方法。
技术背景微尺度流动主要的流动特点(1)在这种特征尺度范围内，表面积与体积之比 增大到106m—',与表面有关的传热、传质过程对流动有很大影响；(2)尺度缩小使 得流场中某些梯度量变大，与速度梯度、温度梯度有关的物理参数的作用将增强； (3)界面力(液固、液气)对流动的作用将明显增强。为了深入认识这些新的流动 问题，在理论研究的同时进行实验观测尤为重要。微流动是MEMS (Micro-Electro-Mechanical System,即微电子机械系统)系统研 究中的一个重要内容，对微流动机理的研究成为MEMS领域发展的重要基础。MicroPIV (Micro Particle Image Veloci腿try)技术逐渐发展成熟并已成功的被应用于微流动 的实验测量中。现有的微流道速度分布的测量技术(指目前MicroPIV技术)，比如文献l:"王昊利 等，Micro—PIV技术一粒子图像测速技术的新进展，力学进展，第35巻第1期，2005 年2月25日"中公开的技术，其流场分辨率仅在小于5 10 jim的水平，而微尺度流动 特征长度为O.l nm l mra，流场速度测量的空间分辨率要求达到0.5 jim。又如文献2: "郝鹏飞，微细管道和微喷管的流动特征研究，清华大学博士论文，2006"中，在小168nra 圆管中的使用直径1，的荧光粒子。而比如商业产品TSI公司和Dantc公司均推荐使用 直径^lnra的荧光粒子。为了观测20Mm以下微流道，必须使用直径《200nm的荧光粒子。根据Rayleigh散射公式，粒子散射光强随粒子直径减小而成^6规律减弱。因此目前商用产品无法观测直径<1,的荧光粒子，无法满足几十微米截面尺寸的微管道和近壁流动的观测。鉴于现有技术的不足，就霈要一种新的微流道速度分布的测量装置和测量方法
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，从而提供一种微流道速度分布的测量装 置和测量方法。为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案 一种微流道速度分布的测量装置，包括一显微镜IO,该显微镜有一物镜20和一反射装置17;其特征在于，还包括 一双脉冲激光器12,该双脉冲激光器发出的激光经过一光学系统11进入所述显微镜10的反射装置17,激光反射进入所述物镜20并进入视场；—光量子检测器13与所述显微镜10配合，用于记录物镜20所观测的微流道21的光强分布。一同步控制器14分别与所述光量子检测器13和双脉冲激光器12连接 一处理器15分别与所述同步控制器14、光量子检测器13连接。 在上述技术方案中，进一歩地，还包括一位移控制器16安装在所述物镜上，位 移控制器16调节物镜的位置，可以观测微流道中不同深度位置的流场。 进一步地，所述处理器15为一计算机。 进一 ,所述光学系统ll为聚焦透镜和准直透镜。
基于上述装置的一种微流道速度分布的测量方法，包括如下步骤1) 将各仪器调整至准备工作状态；2) 向微流道注入荧光粒子溶液，驱动管道内液体流动，然后将微管道固定在显 微镜工作台上；3) 关闭环境光源，使用连续光观察粒子运动，并通过光量子检测器采集图像； 调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置；此处的连续光是指显 微镜的汞灯光源发出的荧光4) 设定光量子探测器曝光时间T，激光双脉冲间隔时间t，且t〈T;调整t值， 使得光量子检测器捕捉的图像中，双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的 间距在20 50像素；5) 在双脉冲激光照射下，连续拍摄多帧图像；6) 调整物镜焦平面到新的位置，调整激光双脉冲时间间隔t，使用光量子检测 器再拍摄多帧图像7)重复步骤6),拍摄不同位置的图像。在上述技术方案中，进一步地，所述步骤2)中，通过气源驱动管道内液体流动。进一步地，所述步骤4)中曝光时间为0ms 100ms。与现有技术相比，本发明的优点在于1) 光学探测灵敏度高；2) 流场速度探测空间分辨率高；3) 垂直方向位移调节精度高。
图1是本发明的微流道速度分布的测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一 歩^Mffl描述参照图1制作本发明的微流道速度分布的测量装置示意图。其中，显微镜io 采用Olympus 1X71倒置荧光显微镜，具有白光和UV光双光源，有IOX、 40X、 60X 和100X物镜20,其中IOOX为油镜,数值孔径NA-1.35,镜头油折射率n-l. 516， 光学分辨率S=0.35um,工作距离为IOO pm。反射装置17采用直角反射棱镜。光学系统11采用市场所售常规聚焦透镜和准直透镜产品。双脉冲激光器12采用NewWave Solo PIV120, Nd:YAG双脉冲激光器，发射光 波长3l-532nm,脉冲频率l-15Hz可调，光斑直径5mm，脉宽3 5ns，最大激光能量 120mJ,实际测量时使用范围可以为5 15mJ。光量子检测器13采用Andor iXon DV885单光子检测器，拍摄图像1004X1002 像素，单个像素宽度为8拜，配合荧光显微镜在1Xlbining下图像分辨率可达到 80nm。具有电子增益功能，冷却至-70*0暗电流仅为0.0076-^1//560，量子效率达 65%。读出速度35MHz，图像传输31.5帧/秒，帧转模式下最短曝光时间l(His。同步控制器14采用市场所售常规产品，如北京立方天地MicroPulse 710产品。
处理器15采用市场所售常规计算机。位移控制器16采用市场所售常规产品，如PI-721.LLQ产品，位移调节范围 100，，位移调节精度10nm。本发明优点如下1. 采用高光灵敏度的单光子检测器，使系统具有高的光学探测灵敏度 为了检测直径《500nm粒子的图像，选用在荧光波长范围内(《620nm),量子效率高达70%的单光子检测器。在5ns脉宽的激光照射下，可以捕捉到直径S200nm 的荧光粒子的图像，这是目前商业系统所无法达到的。2. 采用100x物镜和上述单光子探测器配合，提高了速度空间分辨率 采用100x物镜时，观测流场为80pm。单光子检测器拍摄像素为1004x1002,单个像素尺寸为8fxm,因此该系统的速度空间分辨率达到80nm。3. 釆用纳米位移控制器，提高了纳米垂直位移调节精度本系统将PI物镜纳米位移控制器引入，使物镜在100nm范围内的垂直移动精 度达到10nm。基于上述装置的微流道速度分布的测量方法，包括如下步骤-1) 打开显微镜白光、UV光光源、激光器、单光子探测器、PI纳米位移控制器 和电脑(包括电脑中的激光器、单光子检测器同步控制软件以及PI纳米位移控制软 件)，将各仪器都调整至准备工作状态。2) 向微流道注入荧光粒子溶液，通过气源等方式驱动管道内液体流动，然后将 微管道固定在显微镜工作台上。如果使用100x/1. 35的油镜，需要在固定之前滴加 镜头油。在白光下(使用第l档滤镜)通过显微镜观测并调节工作平台方位，将管道 置于显微镜视野内。3) 关闭环境光源，使用连续光(使用第5档滤镜)观察粒子运动，并通过单光子 检测器采集图像(曝光时间20 30ms)显示于电脑中。调节物镜的垂直位￡ (可使用 PI纳米位移控制器精确调节)，一般调整到流道的下底面成像最清晰，并以此作为 实验开始的位置。4) 切换光路到激光照射模式(并使用第4档滤镜)，将单光子检测器和激光器都 设为外触发模式，通过同步器的控制软件设置好同步控制器的时序。设定单光子探 测器曝光时间T,激光双脉冲间隔时间t，且保证t〈T。调整t值，使得单光子检测 器捕捉的图像中,双脉冲激光照射得到的同一 个粒子的两个光斑的间距适合(一般在20 50像素)。调整好后，在双脉冲激光照射下，一次连续拍摄50 100帧图像。5) 调整物镜焦平面到新的位置(使用PI纳米位移控制器数控模式精确调节)， 调整激光双脉冲时间间隔t，使用单光子检测器再拍摄一组图像。重复4-5的步骤, 即可拍摄不同位置的图像。6) 将拍摄的图像以tif序列图像格式导出，使用图像分析软件进行处理。利用本实施例的上述装置和方法，结合下述三个测量实验来说明本发明的优越性(1) 微流道实验对截面50X20nm的方管微流道，驱动压力P=30kPa,示踪粒子小200nm，激光 脉冲脉宽5ns,脉冲间隔lms,激光强度约10mJ条件下观测流动。对10个垂向位 置纪录了流场图像，并用PIV方法分析速度场，最大速度达到0.22m/s。(2) 磁性液体在Y型微流道混合实验观测磁性液体在Y型微流道(宽101.6fim、深67. ljim、长lcm)中的混合过程, 流场观测范围在10X时达到800nm。(3) 的Onm荧光粒子溶液静态观测利用PI物镜纳米定位仪，调节物镜焦平面位置，静态观测溶液中的Omn荧光粒 子的灰度变化，在垂直方向0 300nm范围调节，精度为10nm。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、 一种微流道速度分布的测量装置，包括—显微镜(10),该显微镜有一物镜(20)和一反射装置(17):其特征在于， 还包括—双脉冲激光器(12)，该双脉冲激光器发出的激光经过一光学系统(11)进入 所述显微镜(10)的反射装置(17),激光反射进入所述物镜(20)并进入视场—用于记录物镜(20)所观测的微流道(21)中荧光粒子的光强分布的光量子 检测器(13)与所述显微镜(10)配合；一同步控制器(14)分别与所述光量子检测器(13)和双脉冲激光器(12)连接；一处理器(15)分别与所述同步控制器(14)、光量子检测器(13)连接。
2、 根据权利要求1所述微流道速度分布的测量装置，其特征在于，还包括一用 于调节所述物镜(20)位置的位移控制器(16)安装在所述物镜(20)上。
3、 根据权利要求1所述微流道速度分布的测量装置，其特征在于，所述处理器 (15)为一计算机。
4、 根据权利要求l、 2或3任一项所述微流道速度分布的测量装置，其特征在 于，所述光学系统(11)为聚焦透镜和准直透镜。
5、 一种根据权利要求1的微流道速度分布的测量方法，包括如下歩骤1) 将各仪器调整至准备工作状态；2) 向微流道注入荧光粒子溶液，驱动管道内液体流动，然后将微管道固定在显 微镜工作台上；3) 关闭环境光源，使用连续光观察粒子运动，并通过光量子检测器采集图像: 调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置；4) 设定光量子探测器曝光时间T,激光双脉冲间隔时间t，且t〈T;调整t值，使得光量子检测器捕捉的图像中，双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的 间距在20 50像素；5) 在双脉冲激光照射下，连续拍摄多帧图像6) 调整物镜焦平面到新的位置，调整激光双脉冲时间间隔t，使用光量子检测 器再拍摄多帧图像7)重复步骤6),拍摄不同位置的图像。
6、 根据权利要求5所述微流道速度分布的测量方法，其特征在于，所述歩骤2) 中是通过气源驱动管道内液体流动。
7、 根据权利要求5或6所述微流道速度分布的测量方法，其特征在于，所述步 骤4)中曝光时间为0ms 100ms。
全文摘要
本发明公开了一种微流道速度分布的测量装置和测量方法。该装置包括一显微镜；一双脉冲激光器，一光量子检测器；一同步控制器；一处理器。该方法包括如下步骤1)将各仪器调整至准备工作状态；2)向微流道注入荧光粒子溶液，驱动管道内液体流动；3)调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置；4)双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的间距在20～50像素；5)在双脉冲激光照射下，连续拍摄多帧图像；6)调整物镜焦平面到新的位置再拍摄多帧图像；7)重复步骤6)，拍摄不同位置的图像。本发明具有光学探测灵敏度高、流场速度探测空间分辨率高、垂直方向位移调节精度高的优点。
文档编号G01P5/00GK101122610SQ20061008924
公开日2008年2月13日 申请日期2006年8月11日 优先权日2006年8月11日
发明者李战华, 王绪伟, 旭 郑 申请人:中国科学院力学研究所