CN104568287B - 一种利用pdms薄膜的形变直接测量微通道内压力装置 - Google Patents

Abstract

一种利用PDMS薄膜的形变直接测量微通道内压力装置，带凹槽的PDMS芯片与主通道通过一层特别薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜隔开，这样凹槽密闭，凹槽内气体的压强已知(标准大气压)，当主通道内的流体经过凹槽时，PDMS薄膜会产生变形，导致凹槽内气体体积发生改变，通过测量凹槽内气体体积的大小，快速准确地得到该位置主通道内压力的大小。本发明新颖之处在于设计了一种测量微通道内压力的新装置。微凹槽和微通道的尺寸都可以自行设计，满足不同的测量压力范围。

Description

一种利用PDMS薄膜的形变直接测量微通道内压力装置

技术领域

本发明涉及一种直接测量微通道内压力的方法，特别是涉及流体力学中微观尺度下的微流控芯片实现对微通道内压力的测量与控制。本发明属于利用实验装置直接测量微通道内压力方法技术领域。

背景技术

随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，微电子机械***(MEMS)的研究得到了更广泛的应用。作为MEMS的一个重要分支,微流体控制***以其功能的高度集成性和巨大的潜在应用备受瞩目。微尺度流动则是研究微流控***的基础，作为微尺度流动的重要参数—微通道内的压力将直接影响微尺度下流体的流动特性，准确地实现微流控***中压力的测量和控制能够更好地描述和理解微尺度条件下流体的流动特性比如流体速度、粘度以及流动阻力等，在工程实践中，微流控***内压力的测量和控制广泛应用于微泵、细胞培养、化学试剂的传送、生物制药等技术领域。

而实际上对微流控***的压力测量和控制迄今为止还存在很多困难，一方面是在微尺度下，液体的表面积与体积比将会增大，这使得液固之间的浸润性显著影响液体的运动特性。流体在微通道中流动时主要受外场力、黏性力和表面张力的作用，惯性力的影响常常忽略不计。这种不同于宏观尺度的微尺度效应，导致通过传统的压力测量方法和理论模型分析得到的结论解不再适合微尺度流动。另一方面，现阶段对微流控***的压力测量手段存在一定的局限性，现阶段微尺度压力测量的方法大多数是在微流控***外采用压力传感器比如激光位移传感器、微压电传感器等，但这类方法也存在一定的缺点：1、需要在微流控***外增加复杂的外部测压装置，操作复杂、设备昂贵，响应时间长；2、无法测量微通道内任意位置的局部压力；3、流体流动传输过程中存在压力耗散，导致测量的压力不准确。

发明内容

本发明是为了在不需要外部测压设备的条件下，简单、快速、准确地测量出微通道某一位置的压力大小。本发明目的在于提供了一个带有凹槽的PDMS微芯片，带凹槽的PDMS芯片与主通道通过一层特别薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜隔开，这样凹槽密闭，凹槽内气体的压强已知(标准大气压)，当主通道内的流体经过凹槽时，PDMS薄膜会产生变形，导致凹槽内气体体积发生改变，通过测量凹槽内气体体积的大小，可以快速准确地得到该位置主通道内压力的大小。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种利用PDMS薄膜的形变直接测量微通道内压力的装置，该装置所涉及的结构包括PDMS微芯片1、PDMS薄膜2、主通道3、玻璃芯片4、空气凹槽5、CCD相机6、测试仪器7。

其中在PDMS微芯片1下壁面中心处开有一个空气凹槽5，PDMS薄膜2上壁面通过了标准UV光刻法处理与PDMS微芯片1下壁面黏合在一起，从而使空气凹槽5密闭，主通道3刻制在玻璃芯片4的上壁面，PDMS薄膜2的下壁面经过等离子体处理贴合于玻璃芯片4的上壁面。空气凹槽5和主通道3在同一竖直位置。CCD相机6固定在相机机架上，调节CCD相机使其正对着空气凹槽5，测试仪器7与CCD相机6通过导线连接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明新颖之处在于设计了一种测量微通道内压力的新装置。微凹槽和微通道的尺寸都可以自行设计，满足不同的测量压力范围。

2、本发明方法能够实现对微通道内某一位置压力的实时测量，操作简单，不需要复杂的额外测压设备，具有高效、经济、准确的特点。

3、本发明进行计算时采用多次测量求平均值的方法，保证了实验的精度。

附图说明

图1是本发明一种利用PDMS薄膜的形变直接测量微通道内压力的方法所用的实验装置示意图。

图2是本发明带薄膜密闭凹槽的微通道的主视图。

图3是本发明带薄膜密闭凹槽的微通道的俯视图。

图中：1、PDMS微芯片，2、PDMS薄膜，3、主通道，4、玻璃芯片，5、空气凹槽，6、CCD相机，7、测试仪器。

具体实施方式

下面结合结构附图对本装置是如何实现利用PDMS薄膜的形变直接测量微通道内压力作进一步详细说明。

图1为一种利用PDMS薄膜的形变直接测量微通道内压力所用的实验装置示意图，该装置放置在观测平台上，其中主要由PDMS微芯片1(下壁面中心处开有空气凹槽5，透光性很好，方便CCD相机6观测空气凹槽5内气体体积的变化)、PDMS薄膜2(上壁面通过标准UV光刻法与PDMS微芯片1的下壁面黏合在一起，形成了密闭的空气凹槽5，薄膜厚度只有50μm，以保证薄膜对微通道内压力的变化非常敏感，即使微小的压力改变薄膜也能产生相应变形)、主通道3(刻制在玻璃芯片4上壁面中心处，与空气凹槽5在同一个竖直位置，液体可在其中流动，速度可通过外部的微型驱动泵控制)、玻璃芯片4(上壁面中心处开有主通道3，上壁面经过等离子体处理后与PDMS薄膜2的下壁面相贴合)、空气凹槽5(处于PDMS微芯片1下壁面中心处，再与PDMS薄膜2构成一个密闭的空腔，当主通道3内没有流体时内部含有一个标准大气压)、CCD相机6(固定在相机机架上，调节CCD相机6使其正对着空气凹槽5，分辨率高使其能够清楚地观测到空气凹槽5内气体体积的变化程度)、测试仪器7(与CCD相机通过导线相连接，实现将凹槽内体积的改变转化为压力的变化)几个部分构成。PDMS微芯片1与PDMS薄膜2都是通过软光刻法微加工制成，两者之间通过标准UV光刻法黏合在一起，达到很好的密封效果。主通道3是通过微加工刻蚀的方法刻制在玻璃芯片4的上表面，。当主通道3内没有液体流动时，空气凹槽5内含有一个标准大气压，PDMS薄膜2也不产生变形。反之当主通道3有液体经过时，正对着空气凹槽5的CCD相机6就能够实时监测PDMS薄膜2的形变(即空气凹槽5内气体体积的变化)并且将体积变化信号传输至测试仪器7中，完成将体积变化信号转换成压力变化输出，实现对空气凹槽位置处压力的实时测量。液体在主通道3内流动速度不同，空气凹槽5端口处PDMS薄膜2的形变也不一样，通过CCD相机6对空气凹槽5的实时监测，得到空气凹槽5内气体体积的改变量，最后计算出此时空气凹槽5位置处的相应的压力大小。

实验装置搭建完成后，具体的实施过程如下：首先利用外部微型驱动泵将固定流量的液体注射进入主通道3中，待主通道3内的液体流动速度稳定后通过CCD相机6获取空气凹槽5端口位置处PDMS薄膜2变形的图片，将获取了的图片经过导线传至测试仪器7中，然后在空气凹槽5深度D已知的情况下，利用相应的软件工具数值计算出空气凹槽5内气体体积的变化量，再通过流体力学相关理论得出空气凹槽5位置相应的压力大小。保持流量不变，多次测量求压力的平均值。本装置通过改变外部微型驱动泵的入口流量，能够实现测量不同速度的液体经过主通道3时空气凹槽5端口处PDMS薄膜2的形变，继而得到不同速度入口的流体经过空气凹槽5位置时压力的大小。

Claims (2)

1.一种利用PDMS薄膜的形变直接测量微通道内压力的装置，其特征在于：该装置包括PDMS微芯片(1)、PDMS薄膜(2)、主通道(3)、玻璃芯片(4)、空气凹槽(5)、CCD相机(6)、测试仪器(7)；

其中在PDMS微芯片(1)下壁面中心处开有一个空气凹槽(5)，PDMS薄膜(2)上壁面通过标准UV光刻法处理与PDMS微芯片(1)下壁面黏合在一起，从而使空气凹槽(5)密闭，主通道(3)刻制在玻璃芯片(4)的上壁面，PDMS薄膜(2)的下壁面经过等离子体处理贴合于玻璃芯片(4)的上壁面；空气凹槽(5)和主通道(3)在同一竖直位置；CCD相机(6)固定在相机机架上，调节CCD相机使其正对着空气凹槽(5)，测试仪器(7)与CCD相机(6)通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用PDMS薄膜的形变直接测量微通道内压力的装置，其特征在于：实验装置搭建完成后，具体的实施过程如下，首先利用外部微型驱动泵，将固定流量的流体注射进入主通道(3)中，待主通道(3)内的流体流动速度稳定后通过CCD相机(6)获取空气凹槽(5)端口位置处PDMS薄膜(2)变形的图片，将获取了的图片经过导线传至测试仪器(7)中，然后在空气凹槽(5)深度D已知的情况下，利用相应的软件工具数值计算出空气凹槽(5)内气体体积的变化量，再通过流体力学相关理论得出空气凹槽(5)位置相应的压力大小；保持流量不变，多次测量求压力的平均值；本装置通过改变外部微型驱动泵的入口流量，能够实现测量不同速度的流体经过主通道(3)时空气凹槽(5)端口处PDMS薄膜(2)的形变，继而得到不同速度入口的流体经过空气凹槽(5)位置时压力的大小。