流量测试装置安装要求标准(流量测试装置怎么安装)

【文章摘要】

微流控数字片上流量计(DMC):基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的常规微流控器件的新型微流控流量测量技术,实现超高精度和宽可调范围的片上和局部微流控流量测量。

微流控数字片上流量计的特点:1、利用毛细作用诱导界面液滴夹断过程,过程中数字微流量计设备可以将连续液流离散化,变成具有大小一致、体积量化的液体单元。2、使用智能手机的非接触式无线光学检测方案作为读出模块。3、单个液滴传输量2.5nL,流速为几百nL/min到数十uL /min。流速测量范围[150nL/min- 80uL /min]。

【背景介绍】

微流量计可分为热式和非热式。基于量热传感机制的热式流量计最常用,同时包含加热和温度传感元件,缺点是在温度范围内的非线性需要额外校准和补偿。非热式结构复杂,需要外部扩展,流量传感性能不够。片上微流控流量传感器开发:很难将流量传感元件嵌入主要由PDMS弹性体制成的器件结构中。

【DMC工作原理】

数字液滴流量测量(DDF)法:使用表面张力和毛细作用将连续流动离散成单独的“数字”液滴。

算法原理:

,其中,

为体积流量,

为数字化频率,

为液滴传输量。模数转换中,液滴传输量与流量变化之间的关系很重要。利用表面张力对液流进行离散化:主要取决于微流体的几何形状(例如通道和喷嘴的尺寸)。低流速范围内,即:

(其中,

为韦伯数,ρ为密度,σ为表面张力,u为流速,R为特征长度),

可视作不变量。

DMC工作原理:

(1)emergence:液滴首先从喷嘴出来,并逐渐接近下游液体界面;

(2)coalescence:发生接触时,液桥将液滴和储液器连接起来,建立一条连续的液体路径,相当于电路中的闭合回路。

(3)pinch-off:在短暂的毛细作用和力重新平衡之后,液桥自动夹断,相当于切换到开环回路,同时将固定数量的液体转移到储液器

其中,(2)和(3)可以通过光学或电学方法实现控制。DMC结构:

(1)产生液滴的微型喷嘴

(2)下游收集池

(3)隔开(1)和(2)的空气缓冲室:起到两个作用:a)允许毛细作用下连续液流的离散化;b)提供缓冲机制,以在出口压力变化下稳定收集储液处的气液界面。

喷嘴尺寸

和分离距离

共同决定了

的大小。空气缓冲室的高度(

)与喷嘴和储液器的高度(

)不相同。这确保了在液滴形成期间,液滴不会干扰气室的顶面和底面。随出口压力(

)的增加,空气缓冲室内压力(

)随空气体积的压缩而升高,即

,特别是当侧气室的缓冲气液界面的曲率较小时。在准静态(当出口压力变化不大的情况下)时,集液器的气液界面压降仍然可以忽略不计,即Pa?Po≈0。因此,即使

变化,液滴形成界面的表面张力(与拉普拉斯压力一起)也保持不变。

如何实现液滴与收集器之间有一个平稳的界面:在液滴收集区使用锥形通道、优化吸收剂界面的宽度(

)。锥形和锐角的喷嘴设计减少了接触线从储液器边缘脱落的倾向。

【DMC的测试方法】

确定

:用三向旋塞将压力机连接到DMC的入口/出口管。三通接头的一个端口连接到一个充满空气的空注射器上,用来调节压力。

数字流量计评估指标:

数字化体积分辨率(即液滴传输量)、灵敏度、测量范围。

一个周期内液滴离散化示意图:

在低流量条件下,体积流量

可表示为:

其中,

是液滴与界面发生接触(coalescence)时的液滴体积,

是夹断后剩余的液滴体积,

分别表示emerging和liquid bridging的持续时间。图a开始接触,一旦发生接触,会形成图b所示的液体半月板颈(liquid meniscus neck)并膨胀,将液滴中的液体排入下游微通道中。liquid bridging状态持续约1.6ms,该时间

在低韦伯数范围内可能是一个与液体种类有关的常数。液桥由于DMC的几何尺寸被限制在毛细管尺度内。

图c中悬挂式液滴体积

成正比,且液滴在表面张力下形成的是球形,故可以通过球体积公式求出

。液滴转移体积

,由于

成正比,故

成正比。

图e中黑色比例尺为200um。夹断后,重新出现一个液滴的时间

约为13.3ms。若按一个周期为1.6+13.3=14.9ms,则数字化频率为67Hz。

设备灵敏度和体积分辨率:喷嘴设计:若采用直喷嘴,会导致喷嘴侧壁湿润,可能会使重复液滴数字化后的操作失败。因此需采用锥角喷嘴,防止侧壁湿润。流量测量灵敏度

,与液体传输量成反比。

也是体积分辨率,即输入流量最小的可检测变化值。

因为

成正比,而

仅由液滴的几何尺寸决定,与液体流速无关,故

也与流速无关,从而

也与流速无关。

喷嘴深度选为150um,低流速条件下,频率

与流速

线性关系,灵敏度近似恒定。由图a可知,分离距离

越长,线性测量范围越窄,故对于更大范围流速评估,需用较小的

。选用最小的

时,体积分辨率

最高为2.5nL。喷嘴宽度大于175um时会导致无法夹断,小于125um会导致喷嘴周围发生润湿。由图b可知,喷嘴宽度越小,灵敏度越高,最小为125um时,灵敏度最高为3.16Hz(ul/min),对应的最高体积分辨率为5.3nL。

测量范围:最大流量

和最小流量

为测量范围。

可定义在灵敏度和测量值在其线性范围内最大允许偏差的点上。文中定义偏差为15%。由图a可知,在最小

时,fmax约为524Hz,故

,约80ul/min。

与拉普拉斯压障有关(液滴通过半球极限时从喷嘴涌出所需的阈值压力)。最低可检测流速约为150nL/min。

【DMC芯片的读出方案】

1、电学方法检测聚结和夹断:搭建一个由直流电源和函数发生器驱动的电路检测输出阻抗变化。

图a:将两个电极分别插入喷嘴的上游和收集器的下游

图b:采样率为1kHz时测得的电阻抗。开环时电阻抗约为3.5MΩ,闭环时下降到0.5MΩ以下,通过测量阻抗的两个相邻波动的时间间隔可得液滴数字化频率。图中间隔约为100Hz。电学测量方法具有高分辨率,故为首选方法。

2、光学方法检测聚结和夹断:使用智能手机连接光学显微镜以960fps帧速率照相,利用matlab Canny函数检测每一帧中液滴的瞬态边缘,确定液滴离散化的频率。

上图中流速为以30fps(约33ms时间分辨率)检测到2Hz的数字化频率。

MEMS拓荒者的问题】

Vt是如何确定的,原文只是提到了Vt与Vc成线性关系,但是Vc根据其半径求得,但文中并没有提到Vc的半径是如何测量得到的。

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