[发明专利]一种研究微尺度流场流动状态的方法及集成模板

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究微流场的方法和模板，具体涉及一种研究微尺度流场流 动状态的方法及集成模板。

背景技术

目前,传统微流道芯片虽然应用广泛,但大部分微流道生物芯片和微机电系 统(MEMS)只用于生物学、医学研究以及芯片实验室(Lab-on-chip)的控制等领域， 存在流道单一的缺点，无法满足研究高分子流体在微尺度下多种流动状态的需 要。若用于研究高分子流体在多种不同结构流道中的流动状态，必须制造多种芯 片，并每次进行更换才能满足实验要求，造成使用不方便，造价高等缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了将多种几何特征的微流道集成在一块 模板上的技术方案。它主体思路是将几种典型的微流道合理地集成放置到同一个 模板上，可获得微流场中的速度分布和主应力差等色条纹等信息，非常适合于研 究高分子流体在微尺度下的多种流动状态，对研究高分子流体在微流道中的流变 特性和流体动力学具有一定应用价值。

本发明中的研究微尺度流场流动状态的集成模板包括基板和两块低应力透 明玻璃板，如图1、2所示，基板1，其上表面与上视窗玻璃板2接触，基板1 下表面与下视窗玻璃板3接触；在基板1上开设多种几何结构的流道，包括十字 交叉流道4、收缩流道5、收缩－膨胀流道6、带有双曲线形式的收缩流道7、T 形流道8、扩张流道9、直角过渡的U形流道10、多齿形流道11、带R过渡的 U形流道12、三角形流道13和带有圆弧过渡的三角形流道14，共计11种不同 几何结构的流道；在基板1上还设置流体入口15和流体出口16。该集成模板上 不同几何结构的微流道还可以变换位置，以不同的组合方式呈现在基板上，如图 3、4、5所示。其中直角过渡的U形流道10和带R过渡的U形流道12分别位 于集成模板的中轴线两侧，并大致关于所述中轴线对称；多齿形流道11、三角 形流道13和带有圆弧过渡的三角形流道14不全都开设在集成模板的中轴线一 侧，这样使得注入高分子流体时，集成模板受力较均匀。

这些不同几何结构的微流道可用于研究高分子流体的复杂流动状态和流变 特征，利用十字交叉流道4、带有双曲线形式的收缩流道7、三角形流道13和带 有圆弧过渡的三角形流道14可以研究高分子在不同的拉伸流场中的流变行为； 利用收缩流道5可以研究剪切流场中的流动情况；利用其他几何结构的流道可以 获得这两种流场组合下的复杂流变行为。另外，直角过渡的U形流道10和带R 过渡的U形流道12还可以研究高分子流体的微注射流动过程。

本发明将多种几何结构的微流道集成到一块模板上，不用更换微流道芯片 即可测试高分子流体在多种流场中的流动状态，需要观察某种几何结构流道中的 流动情况时，只需将该部位移至体视显微镜的视野中，借助图6所示的微尺度 PIV系统可以测量流场中的速度，利用图7所示的流动双折射(FIB)系统可以 获得流场中的主应力等色条纹分布。

本发明中这些不同几何结构的微流道可用于研究高分子流体的复杂流动状 态和流变特征，满足研究高分子在拉伸流场、剪切流场以及这两种流场组合下的 复杂流变行为，还可以研究高分子流体的微注射过程。特别是本发明提出的集成 模板中的流道设置大致关于基板中轴对称，使集成模板受力均匀，提高了其使用 寿命和减少了因基板变形引起的测量误差，具有使用方便、不用更换、制造成本 低、测量准确及使用寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明研究微尺度流场流动状态的集成模板的俯视图；

图2为本发明研究微尺度流场流动状态的集成模板的A-A剖视图；

图3-5为几种形状的微流道以不同方式组合的集成模板俯视图。

附图标注：1-基板；2-上视窗玻璃板；3-下视窗玻璃板；4-十字交叉流道； 5-收缩流道；6-收缩－膨胀流道；7-带有双曲线形式的收缩流道；8-T形流道； 9-扩张流道；10-直角过渡的U形流道；11-多齿形流道；12-带R过渡的U形流 道；13-三角形流道；14-带有圆弧过渡的三角形流道；15-流体入口；16-流体出 口。

图6为用于测试微流场速度的微尺度PIV系统示意图；

图7为用于测试流场应力的流动双折射(FIB)系统示意图。