微流控系統(tǒng)液體流量一般為每分鐘幾微升甚至幾納升，計(jì)量非常困難。微通道液體流量與電動(dòng)流密切相關(guān)，流場(chǎng)、電場(chǎng)、離子場(chǎng)相互耦合作用使得流動(dòng)時(shí)形成流動(dòng)電位勢(shì)，其與流量具有定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，本研究介紹了基于流動(dòng)電位勢(shì)來(lái)建立自動(dòng)化微小液體流量計(jì)量系統(tǒng)的原理，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)方法。

0.引言

隨著半導(dǎo)體制造業(yè)、生物工程、醫(yī)學(xué)化工等行業(yè)的興起及微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微 /納流控系統(tǒng)( Micro /nano － fluidic) 已經(jīng)是目前生物醫(yī)學(xué)和分析化學(xué)領(lǐng)域熱門的研究課題 。微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)中，流量控制與測(cè)量是至關(guān)重要的環(huán)節(jié) 。伴隨著微 /納流控系統(tǒng)的深入研究與運(yùn)用，生物醫(yī)學(xué)工程與精細(xì)化學(xué)的流量測(cè)量使得流量測(cè)量正在向低端延伸，微小流量的測(cè)量需求漸漸凸顯起來(lái) ，也引起了越來(lái)越多的科學(xué)工作者的重視，應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的液體微小流量更是當(dāng)下流體計(jì)量領(lǐng)域急需的計(jì)量技術(shù)之一。

1.微小液體流量計(jì)量現(xiàn)狀

由于對(duì)微 /納流控系統(tǒng)的流動(dòng)機(jī)理理解不透徹及運(yùn)用滯后，因而目前的微 /納液體流量的測(cè)量裝置大多還是基于宏觀流量測(cè)量原理，比如容積法、差壓法、質(zhì)量法，基本是常規(guī)流量測(cè)量裝置的尺寸縮小化。然而，由于微 /納液體流動(dòng)的尺度縮小化，其流量范圍通常僅為每分鐘幾微升甚至幾納升，基于上述傳統(tǒng)宏觀測(cè)量原理的流量測(cè)量方法不可避免的具有一定的局限性。

目前，國(guó)內(nèi)外少量關(guān)于微小液體流量測(cè)量方法的研究。官志堅(jiān) 等人提出了一種依賴于光電開(kāi)關(guān)的主動(dòng)式活塞液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，但由于在微小流量計(jì)量檢定時(shí)，多數(shù)情況下活塞移動(dòng)的距離度要求更高且更加靈活，因此，采用固定光電開(kāi)關(guān)的檢定方法存在一定局限性。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院( PTB) 水流量實(shí)驗(yàn)室的小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量范圍為 ( 1 ～ 2000) mL /min，裝置的不確定度為 0. 1% ～ 0. 2% 。該裝置的研制為流量測(cè)量向低端延伸做出了良好的鋪墊，但測(cè)量的流量值仍然比較大，對(duì)微小流量不能測(cè)量。法國(guó)工業(yè)技術(shù)研究中心研究設(shè)計(jì)了一種微小流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置 ，由稱重系統(tǒng)原標(biāo)準(zhǔn)和層流差壓件為傳遞標(biāo)準(zhǔn)組成。經(jīng)排除空氣過(guò)濾微粒之后的水源，在控制的溫度和壓力下流過(guò)不同內(nèi)徑( 100 ～ 325μm) 和長(zhǎng)度( 1 ～ 4m) 一組毛細(xì)管中的一支，監(jiān)測(cè)其在層流條件下流動(dòng)，稱重計(jì)時(shí)求取流量。裝置的流量不確定度為 0. 1% ，可檢定流量范圍為 1 mL /h ～ 10L /h。但由于該套設(shè)備體積龐大，操作相當(dāng)繁瑣、不易控制，為流量測(cè)量工作帶來(lái)了一定不便，不具有實(shí)際應(yīng)用性、推廣性。浙江省計(jì)量科學(xué)研究院設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的電驅(qū)動(dòng)活塞式液體

微小流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定系統(tǒng) ，以活塞缸作為計(jì)量容積標(biāo)準(zhǔn)，裝置通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量活塞缸活塞產(chǎn)生流體源，活塞缸與光柵尺配合構(gòu)成流量測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算流體介質(zhì)在一定測(cè)量時(shí)間內(nèi)推動(dòng)活塞排出活塞缸內(nèi)流體體積來(lái)測(cè)量流量，可測(cè)量流量范圍為( 0. 1 ～ 1000) mL /h，但是裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)不高，其測(cè)量擴(kuò)展不確定度僅為 0. 5% ～ 1. 0% 。

2.基于流動(dòng)電位勢(shì)的微小液體流量計(jì)量機(jī)理

電動(dòng)流是微 /納液體流動(dòng)中***主要的現(xiàn)象，指微流體系統(tǒng)的液體流場(chǎng) － 電場(chǎng) － 離子場(chǎng)多物理場(chǎng)耦合流動(dòng)現(xiàn)象 。而研究表明，微通道流動(dòng)電位勢(shì)與流量之間具有關(guān)聯(lián)，因此基于微通道流動(dòng)電位勢(shì)測(cè)量來(lái)設(shè)計(jì)流量計(jì)量方法，是***符合微 /納液體流動(dòng)機(jī)理的方法，原理上具有***佳測(cè)量效果，無(wú)論是準(zhǔn)確性、重復(fù)性、可操控性還是時(shí)間經(jīng)濟(jì)性。

微 /納液體流動(dòng)以毛細(xì)管流為典型流態(tài)。對(duì)于二元對(duì)稱結(jié)構(gòu)電介質(zhì)溶液，雙電層電位 ψ 與電荷密度 ρe 之間的關(guān)系可以用 Poisson － Boltzmann 方程來(lái)描述:

結(jié)果表明，流動(dòng)電位勢(shì)與流量之間依然呈現(xiàn)基本線性的關(guān)系，且在極小流量時(shí)所得到的流動(dòng)電位勢(shì)反饋信號(hào)已足夠大。因此，實(shí)際中測(cè)量流動(dòng)電位勢(shì)來(lái)計(jì)算流量可行且信號(hào)靈敏。

3.自動(dòng)化微小液體流量計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)流動(dòng)電位勢(shì)與流量的近似線性關(guān)系，建立自動(dòng)化微小液體流量計(jì)量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。

系統(tǒng)由液體動(dòng)力源、水池、管路系統(tǒng)、旁通校驗(yàn)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量段、以及信號(hào)采集控制系統(tǒng)組成。

流體動(dòng)力源使用小型高壓平流水泵，高壓水泵壓力( 0 ～20) Mpa。

管路系統(tǒng)所用材料為玻璃毛細(xì)管，內(nèi)徑( 1 ～ 2) mm。

微管道內(nèi)徑 100μm，長(zhǎng)度 5cm，材質(zhì)為玻璃，整個(gè)裝置管道構(gòu)成回路。在微毛細(xì)管通道兩端設(shè)置大的圓柱形儲(chǔ)水池，材質(zhì)為玻璃，以造成離子的富集引起電位差。使用外加電場(chǎng)調(diào)控微通道表面 Zeta 電位，提升流動(dòng)電位勢(shì)，放大流量信號(hào)。

旁通校驗(yàn)系統(tǒng)由換向閥及校驗(yàn)支路組成，以高精度電子天平和密度計(jì)組成校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，電子天平量程 220g，分辨率為 0. 1mg。使用時(shí)，使用換向閥使液體流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量段后進(jìn)入旁通校驗(yàn)系統(tǒng)，讀取電子天平讀數(shù)及密度計(jì)讀數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)段測(cè)量段累積值比較獲得示值誤差，對(duì)微液體流量裝置進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

信號(hào)采集控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)、傳感器、通訊模塊組成。以工控筆記本作為上位機(jī)，以西門子 S7200PLC 作為下位機(jī)進(jìn)行邏輯控制。使用鉑電極采集產(chǎn)生的流動(dòng)電位勢(shì)，電位通過(guò)導(dǎo)線引出到 16 位高精度 A /D 轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò) A /D 轉(zhuǎn)換之后數(shù)字信號(hào)通過(guò) PLC 的 ＲS485 通訊模塊進(jìn)入上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)式( 4) 的對(duì)應(yīng)關(guān)系將流動(dòng)電位勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)。下位機(jī) S7200 采用 ＲS485 通信與 A /D 轉(zhuǎn)換模塊及電子天平交換數(shù)據(jù)，采用 I /O 信號(hào)控制校驗(yàn)支路的切換閥門，使用 Labview 編寫(xiě)專用控制與測(cè)試程序，人機(jī)交互、檢定流程控制、檢定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和報(bào)表生成等自動(dòng)化功能。

由于原始傳感信號(hào)即是電信號(hào)可直接測(cè)量，相比目前其他測(cè)量方法可提高微 /納液體流量測(cè)量的準(zhǔn)確性及測(cè)量范圍。測(cè)量液量流量范圍可達(dá) 500nL /Min ～ 500μL /Min，測(cè)量不確定度 0. 1% 。

4.結(jié)論

本文分析了微小液體流量計(jì)量現(xiàn)狀，介紹了以流量電位勢(shì)測(cè)量微通道液體流量之間的機(jī)理，設(shè)計(jì)微小液體流量計(jì)量系統(tǒng)，滿足微小液體流量測(cè)量的需求。