基于电容检测的闭环液滴微流控系统的制作方法

本发明属于微流控技术领域，涉及一种滴微流控系统。

背景技术：

液滴微流控系统是一种重要的微流控系统，该系统涉及流体力学、生物、医学、化学和系统控制等多个学科，其中，在微流道中如何形成离散的微小液滴并精确控制液滴尺寸，是目前液滴微流控系统研究的重点和难点，对于液滴微流控系统在交叉学科领域的应用十分关键。为了实现液滴微流控系统液滴尺寸的实时调节和精确控制，满足液滴微流控系统在生物、医学、化学等学科的应用要求，需要提高液滴尺寸的测量速度和精度。目前，图像处理方法是最常用的液滴尺寸测量方法，图像处理方法需要显微镜、高速相机等昂贵的检测设备，对拍摄图像的质量要求较高。同时，图像处理过程复杂，处理时间较长，一定程度上会影响液滴尺寸测量的快速性和实时性。将电容检测方法应用于液滴微流控系统，可以提高液滴尺寸测量速度，实现液滴尺寸的快速测量。与图像处理方法相比，电容检测方法不需要显微镜、高速相机等昂贵的测量设备，检测成本较低。同时，电容检测方法测量时间短、速度快，能改善闭环液滴微流控系统的动态特性，实现液滴尺寸的快速调节和精确控制。

技术实现要素：

为了解决液滴微流控系统中，采用图像处理方法测量液滴尺寸，其测量过程复杂、速度慢以及检测设备价格昂贵等问题，本发明提供了一种基于电容检测的闭环液滴微流控系统。本发明将电容检测方法与闭环液滴微流控系统集成为一体，可提高液滴尺寸检测速度和闭环系统动态响应速度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于电容检测的闭环液滴微流控系统，包括供气气源、减压阀、压力表、第一气动比例阀、第二气动比例阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第一液体容器、第二液体容器、液体微流道、检测电极和微处理器，其中：

所述减压阀的气体入口与供气气源的出口连通，减压阀的气体出口分别与第一气动比例阀和第二气动比例阀的气体入口连通；

所述第一气动比例阀的气体出口与第一液体容器的气体入口连通，第二气动比例阀的气体出口与第二液体容器的气体入口连通；

所述第一液体容器和第二液体容器的液体出口分别与液体微流道的第一入口和第二入口连通；

所述检测电极用于测量液体微流道中的液滴尺寸，检测电极成对布置于液体微流道的上、下两侧，检测电极的电容信号输出端与微处理器的电容信号输入端相连；

所述微处理器的压力控制指令信号输出端分别与第一气动比例阀和第二气动比例阀的压力控制指令信号输入端相连；

所述第一压力传感器用于检测第一液体容器的气体驱动压力，第二压力传感器用于检测第二液体容器的气体驱动压力，第一压力传感器和第二压力传感器的气体压力信号输出端分别与微处理器的压力信号输入端相连。

本发明具有如下优点：

1）液滴尺寸测量速度快。当液体微流道中的液滴经过检测电极时，通过测量检测电极两端电容随时间的变化，经过微处理器分析计算后，可以快速获取液滴尺寸。

2）液滴尺寸测量精度高。由于检测电极具有较高的电容测量精度和灵敏度，当液体微流道中的液滴经过检测电极时，检测电极两端电容变化幅值较大，通过合理选取检测电极的电容测量范围，可以提高液滴尺寸的测量精度。

3）液滴尺寸测量成本低。由于电容检测方法不需要显微镜、高速相机等昂贵的测量设备，与图像处理方法比较，其检测成本较低。

4）控制精度高、动态特性好。将电容检测方法与闭环液滴微流控系统集成为一体，通过提高液滴尺寸的测量速度和精度，能改善闭环液滴微流控系统的动态特性，实现液滴尺寸的快速调节和精确控制。

附图说明

图1是基于电容检测的闭环液滴微流控系统的工作原理图；

图2是检测电极测量液滴尺寸的工作原理图；

图3是电容检测闭环液滴微流控系统的控制框图；

图中：1-供气气源、2-减压阀、3-压力表、4-第一气动比例阀、5-第二气动比例阀、6-第一压力传感器、7-第二压力传感器、8-第一液体容器、9-第二液体容器、10-液体微流道、11-液滴、12-检测电极、微处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的基于电容检测的闭环液滴微流控系统由供气气源1、减压阀2、第一气动比例阀4、第二气动比例阀5、第一压力传感器6、第二压力传感器7、第一液体容器8、第二液体容器9、液体微流道10、检测电极12和微处理器13构成，其中：

所述减压阀2的气体入口与供气气源1的出口连通，减压阀2的气体出口分别与第一气动比例阀4和第二气动比例阀5的气体入口连通；

所述第一气动比例阀4的气体出口与第一液体容器8的气体入口连通，第二气动比例阀5的气体出口与第二液体容器9的气体入口连通；

所述第一液体容器8和第二液体容器9的液体出口分别与液体微流道10的第一入口和第二入口连通；

所述检测电极12用于测量液体微流道10中的液滴11尺寸，检测电极12成对布置于液体微流道10的上、下两侧，检测电极12的电容信号输出端与微处理器13的电容信号输入端相连；

所述微处理器13的压力控制指令信号输出端分别与第一气动比例阀4和第二气动比例阀5的压力控制指令信号输入端相连；

所述第一压力传感器6用于检测第一液体容器8的气体驱动压力，第二压力传感器7用于检测第二液体容器9的气体驱动压力，第一压力传感器6和第二压力传感器7的气体压力信号输出端与微处理器13的压力信号输入端相连。

工作原理：如图2-3所示，由第一气动比例阀4和第二气动比例阀5分别调定第一液体容器8和第二液体容器9的气体驱动压力，通过改变气体驱动压力，调节流入液体微流道10的液体流量。外部气源先后经过减压阀2和气动比例阀进入盛有两种不相容液体的第一液体容器8和第二液体容器9中，由第一压力传感器6和第二压力传感器7分别测量第一液体容器8和第二液体容器9的气体驱动压力。随着气体驱动压力增大，两种不相容液体在气压驱动下，流入液体微流道10。两种不相容液体在液体微流道10的交汇处相遇，通过两相液体的相互挤压和剪切作用，在液体微流道10中形成离散的液滴11，当液体经过检测电极12时，检测电极12测量液滴11尺寸并反馈给微处理器13，通过比较实际液滴11尺寸与设定液滴11尺寸的差异，由微处理器13发出压力控制信号给第一气动比例阀4和第二气动比例阀5，调节第一液体容器8和第二液体容器9的气体驱动压力，使得实际液滴11尺寸与设定液滴11尺寸保持一致。

本发明中，所述供气气源的供气压力大小为1～2 bar，液体微流道中液滴长度尺寸的调节范围为50～500 µm。

本发明中，所述检测电极的电容测量最小分辨率为0.01 pF，测量范围为0.1～4.0 pF。

本发明中，第一液体容器中盛有硅油，第二液体容器中盛有水。

本发明能够实时测量液体微流道中的液滴尺寸，实现液滴尺寸的快速调节和精确控制，液滴尺寸动态响应时间小于0.5 s，调节精度高于0.5%，满足液滴微流控系统在生物、医学、化学等多学科的应用要求。