一種基于毛細(xì)管的微通道快速測壓裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對微流控芯片中的流路壓力，本發(fā)明屬于利用實驗裝置快速測量微通道內(nèi)壓力技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀(jì)90年代A.Manz提出微全分析系統(tǒng)(μ -TAS)以來，在短短的十幾年期間已發(fā)展成為當(dāng)今世界上最前沿的科技領(lǐng)域之一，同時也快速推動了微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，迄今為止，微電子機(jī)械系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于微機(jī)械元器件制造、信息、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天、國防軍事等多個領(lǐng)域。作為MEMS的一個重要分支，微流控系統(tǒng)以其具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成十倍上百倍地提高等特點廣泛利用在細(xì)胞學(xué)、生物化學(xué)領(lǐng)域、藥學(xué)領(lǐng)域、化學(xué)合成領(lǐng)域、環(huán)境檢測及臨床診斷等方面。微尺度流動是微流控芯片的基本現(xiàn)象，其中壓力、流速等流動參數(shù)的控制和測量更是微流控芯片研宄的基礎(chǔ)，微通道內(nèi)的壓力對微流體的流動特性有著重要影響，相應(yīng)地能夠影響微流控芯片的工作性能，而且準(zhǔn)確地實現(xiàn)微流控系統(tǒng)中壓力的測量和控制能夠更好地描述和理解微尺度條件下流體的流動特性。在工程應(yīng)用中，微流控芯片內(nèi)壓力的測量和控制可以利用在微型泵閥工作性能的評定、細(xì)胞環(huán)境的檢測、生物制藥、化學(xué)試劑的傳送以及血液動力學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]實際上對微流控系統(tǒng)的壓力測量和控制迄今為止現(xiàn)有的方法還存在一定的困難，一方面是在微尺度下，微流體的流動特性會產(chǎn)生一種不同于宏觀條件下的“尺寸效應(yīng)”，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)的壓力測量方法和理論模型因其不能準(zhǔn)確反映微尺度流路內(nèi)的流動變化而不再適用于微流控系統(tǒng)中。另一方面，現(xiàn)階段對微流控系統(tǒng)的壓力測量手段都有其自身的一些局限性，現(xiàn)階段微流控中壓力測量的方法大多數(shù)是在微流控系統(tǒng)外采用壓力傳感器比如激光位移傳感器、微壓電傳感器等，但這類方法也存在一定的缺點:1、需要在微流控系統(tǒng)外增加復(fù)雜的外部測壓裝置，實現(xiàn)困難、操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴，響應(yīng)時間長；2、無法實現(xiàn)測量微流控芯片任意位置的壓力；3、傳統(tǒng)在芯片外部放置壓力傳感器的方法由于測量過程中存在一定的壓力耗散，導(dǎo)致測量的壓力不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了在不需要外部測壓設(shè)備的條件下，簡單、快速、準(zhǔn)確地測量出微通道某一位置的壓力大小。本發(fā)明目的在于提供了一個在要測壓的位置存在一個壓力檢測支路的主通道，一根一端密閉的毛細(xì)管(開口端可以插入壓力檢測支路中)。首先將主通道用液體充滿，當(dāng)液體不流動時觀測并記錄毛細(xì)管中液注的位置，此時毛細(xì)管內(nèi)的空氣為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后當(dāng)主通道內(nèi)的液體產(chǎn)生流動時，毛細(xì)管中液注的液面會上升，觀測并記錄流動穩(wěn)定后液面的位置，得到液注上升的高度差，這種高度差與液體的流動速度有關(guān)，能夠反映主通道內(nèi)壓力的變化過程，通過測量毛細(xì)管內(nèi)液注上升的高度差，可以快速準(zhǔn)確地得到該位置主通道內(nèi)壓力的大小。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
[0006]一種基于毛細(xì)管的微通道快速測壓裝置，裝置所涉及的結(jié)構(gòu)包括PDMS微芯片1、主通道2、測壓支路3、毛細(xì)管4(管壁有刻度可以直接讀數(shù)，一端密閉)、玻璃基板5。
[0007]其中PDMS微芯片I的下壁面利用軟光刻法加工了一個主通道2和測壓支路3，測壓支路3的一端開口在主通道2內(nèi)需要測量壓力的位置，另一端(后端)與毛細(xì)管4相接，毛細(xì)管4 一端密閉，另一端插入測壓支路后端，兩者通過玻璃膠密封，玻璃基底5的上壁面通過等離子處理后與PDMS微芯片I的下壁面相黏合。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0009]1、本發(fā)明新穎之處在于設(shè)計了一種測量微通道內(nèi)壓力的新方法。微通道的結(jié)構(gòu)可以自行設(shè)計，毛細(xì)管的長度也可以自行選擇以可以滿足不同的測量壓力范圍。
[0010]2、本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)對微通道內(nèi)某一位置壓力的實時測量，操作簡單，不需要復(fù)雜的額外測壓設(shè)備，可以節(jié)約時間和成本，具有高效、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的特點。
[0011]3、本發(fā)明進(jìn)行計算時采用多次測量求平均值的方法，保證了實驗的精度。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明一種基于毛細(xì)管的微通道快速測壓方法所用的實驗裝置示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的微通道兩個特征位置的剖視圖。
[0014]圖中:1、PDMS微芯片，2、主通道，3、測壓支路，4、毛細(xì)管，5、玻璃基底。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合結(jié)構(gòu)附圖對本裝置是如何實現(xiàn)利用毛細(xì)管內(nèi)的液面位置的變化直接測量微通道內(nèi)的壓力作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016]圖1為一種基于毛細(xì)管的微通道快速測壓所用的實驗裝置示意圖。該裝置主要由PDMS微芯片I (下壁面處利用軟光刻法加工了主通道2和測壓支路3)、主通道2 (刻制在PDMS微芯片的下壁面中心處，在要測量壓力的位置連接一個測壓支路3，液體可在其中流動，速度可通過外部的微型驅(qū)動泵控制)、測壓支路3 (開口位于主通道2要測壓的位置，后端和毛細(xì)管4的開口端相連接，通道直徑60 μ m，能保證不影響主通道3內(nèi)液體的流動)、毛細(xì)管4 (管壁有刻度可以直接讀數(shù)，一端密閉，而開口端插入測壓支路3的后端，并用玻璃膠密封，直徑50 μπι，可以保證毛細(xì)管4對主通道2內(nèi)壓力的變化非常敏感，即使微小的壓力變化也能讓毛細(xì)管4中的液注產(chǎn)生明顯的高度差)、玻璃基板5 (上壁面經(jīng)過等離子處理后與PDMS微芯片I的下壁面黏合)幾個部分構(gòu)成。其中主通道2和測壓支路3都是通過軟光刻法微加工制成。當(dāng)主通道2內(nèi)的液體不流動時，觀測并記錄毛細(xì)管4中液注液面的初始位置，此時密閉的毛細(xì)管4中含有一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，當(dāng)主通道2內(nèi)液體流動時，毛細(xì)管4中液注的液面會隨之上升，待主通道2內(nèi)液體流速穩(wěn)定后，觀測并記錄毛細(xì)管4中液注液面的最終位置，兩個不同位置之間存在一個高度差A(yù)h，通過這個高度差A(yù)h，可以快速準(zhǔn)確計算出此時該位置主通道2中的壓力大小。
[0017]實驗裝置搭建完成后，具體的實施過程如下:首先利用外部微型驅(qū)動泵將液體注滿主通道2后停止驅(qū)動泵保證主通道2內(nèi)液體不流動，主通道2內(nèi)的小部分液體會經(jīng)過測壓支路3進(jìn)入毛細(xì)管4中形成液注，觀測并記錄毛細(xì)管4中液注的初始位置a，此時毛細(xì)管4中密閉的空氣為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。然后利用外部微型泵驅(qū)動將固定流量的液體注射進(jìn)入主通道2中，由測壓支路3進(jìn)入的毛細(xì)管4的液體會驅(qū)動毛細(xì)管4中的液注上升，一段時間待主通道2內(nèi)的液體流動速度穩(wěn)定后觀察并記錄毛細(xì)管4中液注的最終位置b，兩個不同位置a、b之間存在一個高度差A(yù)h，利用流體力學(xué)相關(guān)理論可以計算出兩位置之間毛細(xì)力的大小以及毛細(xì)管4內(nèi)壓力的變化，再由毛細(xì)力的大小和毛細(xì)管4中壓力的變化可以快速準(zhǔn)確計算出此時該位置主通道2中的壓力大小。實驗中保持流量不變，多次測量求壓力的平均值。外部微型驅(qū)動泵可以改變?nèi)肟诹髁康拇笮?，這樣可以測量不同速度的液體經(jīng)過主通道2時毛細(xì)管4內(nèi)液注液面的上升高度差，繼而可以得到不同速度入口的流體通過主通道2某一位置時壓力的大小。
【主權(quán)項】
1.一種基于毛細(xì)管的微通道快速測壓裝置，其特征在于:裝置所涉及的結(jié)構(gòu)包括PDMS微芯片(1)、主通道(2)、測壓支路(3)、毛細(xì)管(4)、玻璃基板(5); 其中PDMS微芯片(I)的下壁面利用軟光刻法加工了一個主通道(2)和測壓支路(3)，測壓支路(3)的一端開口在主通道(2)內(nèi)需要測量壓力的位置，另一端與毛細(xì)管(4)相接，毛細(xì)管(4)管壁有刻度可以直接讀數(shù)，一端密閉，另一端插入測壓支路后端，兩者通過玻璃膠密封，玻璃基底(5)的上壁面通過等離子處理后與PDMS微芯片(I)的下壁面相黏合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于毛細(xì)管的微通道快速測壓裝置，其特征在于:實驗裝置搭建完成后，具體的實施過程如下，首先利用外部微型驅(qū)動泵將液體注滿主通道(2)后停止驅(qū)動泵保證主通道(2)內(nèi)液體不流動，主通道(2)內(nèi)的小部分液體會經(jīng)過測壓支路(3)進(jìn)入毛細(xì)管(4)中形成液注，觀測并記錄毛細(xì)管(4)中液注的初始位置a，此時毛細(xì)管(4)中密閉的空氣為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；然后利用外部微型泵驅(qū)動將固定流量的液體注射進(jìn)入主通道2中，由測壓支路(3)進(jìn)入的毛細(xì)管(4)的液體會驅(qū)動毛細(xì)管(4)中的液注上升，一段時間待主通道(2)內(nèi)的液體流動速度穩(wěn)定后觀察并記錄毛細(xì)管(4)中液注的最終位置b，兩個不同位置a、b之間存在一個高度差A(yù)h，利用流體力學(xué)相關(guān)理論可以計算出兩位置之間毛細(xì)力的大小以及毛細(xì)管⑷內(nèi)壓力的變化，再由毛細(xì)力的大小和毛細(xì)管⑷中壓力的變化可以快速準(zhǔn)確計算出此時該位置主通道(2)中的壓力大??；實驗中保持流量不變，多次測量求壓力的平均值；外部微型驅(qū)動泵可以改變?nèi)肟诹髁康拇笮?，這樣可以測量不同速度的液體經(jīng)過主通道(2)時毛細(xì)管(4)內(nèi)液注液面的上升高度差，繼而可以得到不同速度入口的流體通過主通道(2)某一位置時壓力的大小。
【專利摘要】一種基于毛細(xì)管的微通道快速測壓裝置，其中PDMS微芯片的下壁面利用軟光刻法加工了一個主通道和測壓支路，測壓支路的一端開口在主通道內(nèi)需要測量壓力的位置，另一端(后端)與毛細(xì)管相接，毛細(xì)管一端密閉，另一端插入測壓支路后端，兩者通過玻璃膠密封，玻璃基底的上壁面通過等離子處理后與PDMS微芯片的下壁面相黏合。本發(fā)明新穎之處在于設(shè)計了一種測量微通道內(nèi)壓力的新方法。微通道的結(jié)構(gòu)可以自行設(shè)計，毛細(xì)管的長度也可以自行選擇以可以滿足不同的測量壓力范圍。
【IPC分類】G01L7-18
【公開號】CN104568288
【申請?zhí)枴緾N201410818631
【發(fā)明人】申峰, 肖鵬, 李易, 劉趙淼
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月24日