[發明專利]一種微流體驅動和計量一體化的方法

有效

• 申請號: 201510098375.0
• 申請日: 2015-03-05
• 公開（公告）號: CN104963845B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 杜鵬飛;代偉;何濤;武永燎;杜澤俊;張凱;凃程旭
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: F04B49/06
• 分類號: F04B49/06;F04B13/00;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙)33213
• 代理人: 吳秉中

技術領域

本發明屬于生物工程領域，涉及一種微流體驅動和計量一體化的方法。

背景技術

自20世紀90年代初，瑞士科學院首次提出以微機電系統(MEMS)為基礎的微全分析系統的概念，之后微流體芯片微通道中的分析技術得到快速發展，成為世界上前沿的科技領域之一。典型的微流體驅動部分只有幾個平方厘米，采用微加工技術在玻璃、PDMS等材料表面刻蝕寬度和深度僅為幾十到幾百微米的微通道，施加外力驅動通道中的微流體流動，完成進樣操作。近年來，隨著微流體研究的逐漸深入，微流體研究領域的重點轉為微流體芯片的設計，從而實現微流體的驅動和計量。驅動微流體是各個單元間檢測試樣運輸的決定因素，因此，實現微流體的驅動控制和計量逐漸成為設計的重點。高效的微流體驅動和計量的設計能夠確保流體易于控制，提高檢測效率，故實現高效微流體驅動和計量成為微流體研究的一個重要任務。

目前的微流體驅動設計中，應用最為成功的驅動方式為電滲驅動(EOF)，但是電滲驅動依舊具有一定的不足，比如，為保證較小尺寸下良好的流體驅動效果，系統需承擔很強的電場強度，導致焦耳熱效應產生，影響電場和流場；而減弱焦耳熱效應的交流外加電場會造成微流體平均驅動效果為零的后果；電滲驅動中壁面雙電層的電位一般小于100mV，傳輸效果并不夠理想。

誘導電滲驅動(ICEOF)，其產生所基于的雙電荷層為外加電場作用于可極化障礙物誘導極化而來，可通過各種人工的方式對雙電層進行調控，可很好的規避電滲驅動中存在的諸多不足，有利于更高效的流體傳輸。此外，誘導電滲流驅動效果下的流速與外加電場之間呈非線性關系，因此可在相同外加電場情況下，獲得相對電滲流驅動更好的驅動效果。然而，到目前為止，由于各種原因，基于誘導電滲流(ICEOF)理論的微流控驅動裝置的設計仍舊處于設計驗證階段，但其優越的性能已經讓我們看到了其廣闊的應用前景，因此研究誘導電滲流，并將其應用到微流體驅動的設計上，具有重要意義。

微流體驅動和計量部分可以組裝成微流體芯片，該芯片作為一種微型化的分析儀器，在許多檢定操作環節對于流量的控制具有較高的要求。本申請即致力于在充分利用誘導電滲驅動微流體優秀的效果基礎上，通過微尺度流量的計量和外圍電路的反饋控制，實現微泵流量的可控性輸出，實現微流體誘導驅動和計量一體化的設計。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種微流體驅動和計量一體化的方法，應用ICEOF在微流體驅動的效應，給出T形通道的設計，并基于微流體對應變式錳絲和可極化鉑金的影響，使微流體驅動部分和計量部分高度一體化，實現微流體的有效驅動和計量，同時結合外圍反饋控制電路，自動調節微流體流量。

進一步的，在T形微管道，垂直管道與平行管道交接處嵌入可極化性質的圓筒形套層，通過外加電場實現圓筒形套層的誘導電滲驅動；將應變式錳絲嵌入到垂直管道與平行管道交接處的可極化性質的圓筒形套層中，基于流體對于應變式錳絲的阻值變化實現流量實時監控；流量反饋控制的設計，根據流量和輸入電壓控制關系，經單片機處理輸出合理的電壓值，反饋到微泵出口處充當激勵電壓，實現對T型微泵輸出流量的反饋控制。

進一步的，所述的流體為無腐蝕性且粘性適中的中性液體。

進一步的，所述的圓筒形套層與應變式錳絲為同軸設置，圓筒形套層與應變式錳絲之間所形成的縫隙添加絕緣介質，應變式錳絲與外圍導線連接，且套筒的徑向外側面靠近出口處斷面上鍍有特殊絕緣材料的薄膜。

進一步的，所述的圓筒形套層壁厚為0.008D～0.01D，所述的應變式錳絲直徑為為0.075D～0.85D，其中D表示圓筒的截面直徑。

進一步的，流量計量的設計部分，采用基于MEMS技術的應變式流量傳感器，通過傳感器電路獲得與通道流量呈確定函數關系的電壓信號U₁，并通過同相放大電路和單片機中的DA通道進行信號處理，獲得對應通道流量值Q，并通過LCD液晶顯示，實現流量計量。

進一步的，流量反饋控制部分，結合微通道中外加電壓值與輸出流量之間的關系和輸出流量與傳感器測量電壓值之間的關系，通過單片機的DA通道，調節輸出與所需流量值相對應的反饋電壓值，將該電壓值反饋到T型微泵的入口處作為激勵電壓，實現輸入電壓值的實時反饋控制，進而對T型管道內的流場流速和流量進行控制，完成流量反饋控制。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

(1)ICEOF的應用，實現了微通道內，無閥高效驅動效果；