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CN106362811B - 一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片，本发明通过比较对比接口处两通道液体交界面的位移大小和方向来指示两侧压力差。由于可变形下壁面微通道要在液滴生成的主通道下壁面加入凹槽结构，而受制作精度所限，凹槽结构的宽度大于微通道结构主通道的宽度，以形成主通道宽度方向上完整的薄壁面结构，所以液滴生成通道和压力对比通道的上游要分开设计以避免互相干扰，液滴生成通道和压力对比通道为90°折线形。由于压力信号在传递过程中会逐渐衰减，压力对比接口不能离液滴交汇生成处太远。本发明利用界面的位移方向和大小来指示液滴生成通道的压力变化，操作方法简单直观，实验效果稳定可靠。

Description

一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种基于壁面可变形的液滴生成结构，通过改进液滴生成下游的侧壁面结构，增加一个流动方向平行的对比通道和压力对比接口，组成一种测量壁面可变形通道中压力变化的对比结构。
背景技术
近年来，以微液滴技术为核心的微流控技术得到迅速发展，微液滴的存在带来一些突出优点，体积小，比表面积大，速度快，通量高，大小均匀，体系封闭等，这些优点使得微液滴技术已经在物理、化学、生物以及多学科交叉等领域取得广泛应用。
在微液滴技术中，液滴/气泡的生成和运动会产生额外压力，对通道内部的压力和速度分布产生很大影响，增加了系统的功能性和复杂性。目前实验和工程中经常会利用液滴/气泡产生的额外压力来满足不同需求，比如该压力可以作为一种逻辑信号来控制逻辑门或逻辑开关；多重乳化带来的压力变化在石油开采中也起到非常重要的作用，可以借助微液滴技术模拟地下多孔环境，并在实验室层面测量该压力。此外，液滴/气泡存在时两相交界面增加的非线性可以用来扰动低雷诺数下系统的层流流动状况，增强连续相的混合效率。这些功能的实现需要了解各种流动条件下不同尺寸液滴/气泡对系统压力变化的具体作用规律。
已有很多在微尺度条件测量该压力的方法，最直接的一种就是将微型化的传感器嵌入到微通道中来得到测量点的压力变化数据，但是由于传感器尺寸较大，兼容不友好使得系统结构相对复杂，测量位置受到限制致使只能测量单相流动的压降或要测量一段距离上多个液滴的总压差。这就使得该方法在很多装置上难以较好的嵌入，另一方面很多情况下我们会更加关心液滴不同状态下的压力变化趋势，并不一定要得到具体的数值。
发明内容
本发明基于设计的壁面可变形的T型微液滴生成结构，改变交汇生成结构下游处的侧壁面，增加流动方向与主通道平行的对比通道和压力对比接口，通过比较对比接口处两通道液体交界面的位移大小和方向来指示两侧压力差。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片，整个微流控芯片由盖片1、薄膜层2和基片3组成，三部分均由PDMS材料制成；图1中，盖片1内部设有微通道结构4，微通道结构4上设有开口侧；薄膜层2为平整平面；基片3内部设有凹槽结构5，凹槽结构5上也设有开口侧；微通道结构4上的开口侧和凹槽结构5上的开口侧与薄膜层2直接接触配合，盖片1、薄膜层2和基片3上下依次配合形成微流控芯片的整体结构，如图1所示。
如图2所示，所述微通道结构4包括液滴生成部分和压力对比部分；
液滴生成部分由离散相入口8、未染色的连续相入口7、出口12和液滴生成通道9组成；压力对比部分由染色的连续相入口6、压力对比通道10和出口12组成；
液滴生成部分的出口12和压力对比部分的出口12同一个口；液滴生成通道9的上游与离散相入口8和未染色的连续相入口7相连，液滴生成通道9的下游与出口12相通；压力对比通道10的上游与染色的连续相入口6相连，压力对比通道10的下游也与出口12相通；液滴生成通道9和压力对比通道10在液滴生成的下游通过压力对比接口11连接；第一对准槽13设置在微通道结构4上，如图3所示为基片3上的结构，第二对准槽14设置在凹槽结构5上；第一对准槽13与第二对准槽14相对应，用以保证盖片1、薄膜层2和基片3的键合连接。
由于可变形下壁面微通道要在液滴生成的主通道下壁面加入凹槽结构，而受制作精度所限，凹槽结构的宽度大于微通道结构4主通道的宽度，以形成主通道宽度方向上完整的薄壁面结构，所以液滴生成通道9和压力对比通道10的上游要分开设计以避免互相干扰，液滴生成通道9和压力对比通道10为90°折线形。另一方面，由于压力信号在传递过程中会逐渐衰减，所以为了测量液滴生成过程中的压力变化，压力对比接口11不能离液滴交汇生成处太远。
本发明设计了压力对比通道和压力对比接口，利用界面的位移方向和大小来指示液滴生成通道的压力变化，操作方法简单直观，实验效果稳定可靠。
附图说明
图1是本发明一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片的三维总体轮廓示意图。
图2是本发明一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片中微通道结构的示意图。
图3是本发明一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片中凹槽结构的示意图。
图4是本发明一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片液滴生成过程和运动过程中不同时刻，压力对比接口的界面变化图。其中，(a)为压力对比接口两侧压力平衡时的界面图，(b)为液滴生成某时刻的界面图，(c)为液滴在运动某时刻的界面图。
图中：1、盖片，2、薄膜层，3、基片，4、微通道结构，5、凹槽结构，6、染色的连续相入口，7、未染色的连续相入口，8、离散相入口，9、液滴生成通道，10、压力对比通道，11、压力对比接口，12、出口，13、第一对准槽，14、第二对准槽。
注：
1、图1中的微通道结构为示意图，实验中的压力对比结构为图2所示；
2、图4中提供的界面变化图测得的实验条件：未染色的油相压力为56mbar、染色的油相压力为35mbar、离散相压力为14-17mbar。
具体实施方式
下面结合结构附图对发明一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片的工作过程和作用效果进行详细说明。
本装置的具体工作过程如下：液滴生成部分，离散相液体从离散相入口8流入，未染色的连续相液体从未染色的连续相入口7流入，两者在液滴生成通道9的交汇结构处相遇，离散相液体破碎形成液滴并随连续相一起往下游流动，最终通过出口12流出芯片。压力对比部分，染色的连续相液体从染色的连续相入口6流入，通过压力对比通道10流到出口12。从染色的连续相入口6和未染色的连续相入口7通入的连续相液体为同一种液体，区别是染色的连续相入口6的通道中流动的是被染色的液体，所以在压力对比接口11处可以形成分界清晰且稳定的界面，该界面会根据两边通道内的压差发生移位。
如图4(a)所示，液滴生成前调节两侧压力使压力对比接口的交界面处于中间位置，以此作为后续对比实验的基准。图4(b)所示为液滴生成过程中界面变化图，此时交界面向下移位；图4(c)所示为液滴运动过程中界面变化图，此时交界面向上移位。通过对比，可以清楚地观察到生成和运动过程中，液滴流动位置与对比接口交界面上下移位的对应关系。

Claims (2)

1.一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片，其特征在于：整个微流控芯片由盖片(1)、薄膜层(2)和基片(3)组成，三部分均由PDMS材料制成；盖片(1)内部设有微通道结构(4)，微通道结构(4)上设有开口侧；薄膜层(2)为平整平面；基片(3)内部设有凹槽结构(5)，凹槽结构(5)上也设有开口侧；微通道结构(4)上的开口侧和凹槽结构(5)上的开口侧与薄膜层(2)直接接触配合，盖片(1)、薄膜层(2)和基片(3)上下依次配合形成微流控芯片的整体结构；
所述微通道结构(4)包括液滴生成部分和压力对比部分；
液滴生成部分由离散相入口(8)、未染色的连续相入口(7)、出口(12)和液滴生成通道(9)组成；压力对比部分由染色的连续相入口(6)、压力对比通道(10)和出口(12)组成；
液滴生成部分的出口(12)和压力对比部分的出口(12)是同一个口；液滴生成通道(9)的上游与离散相入口(8)和未染色的连续相入口(7)相连，液滴生成通道(9)的下游与出口(12)相通；压力对比通道(10)的上游与染色的连续相入口(6)相连，压力对比通道(10)的下游也与出口(12)相通；液滴生成通道(9)和压力对比通道(10)在液滴生成的下游通过压力对比接口(11)连接；第一对准槽(13)设置在微通道结构(4)上，第二对准槽(14)设置在凹槽结构(5)上；第一对准槽(13)与第二对准槽(14)相对应，用以保证盖片(1)、薄膜层(2)和基片(3)的键合连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量壁面可变形通道中压力变化的微流控芯片，其特征在于：由于可变形下壁面微通道要在液滴生成的主通道下壁面加入凹槽结构，而受制作精度所限，凹槽结构的宽度大于微通道结构(4)主通道的宽度，以形成主通道宽度方向上完整的薄壁面结构，所以液滴生成通道(9)和压力对比通道(10)的上游要分开设计以避免互相干扰，液滴生成通道(9)和压力对比通道(10)为90°折线形；由于压力信号在传递过程中会逐渐衰减，所以为了测量液滴生成过程中的压力变化，压力对比接口(11)不能离液滴交汇生成处太远。
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