微流控系統(tǒng)液體流量一般為每分鐘幾微升甚至幾納升，計量非常困難。微通道液體流量與電動流密切相關(guān)，流場、電場、離子場相互耦合作用使得流動時形成流動電位勢，其與流量具有定量對應(yīng)關(guān)系，本研究介紹了基于流動電位勢來建立自動化微小液體流量計量系統(tǒng)的原理，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計及自動化控制實現(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)動與控制技術(shù)中，流量控制與測量是至關(guān)重要的環(huán)節(jié) 。伴隨著微 /納流控系統(tǒng)的深入研究與運用，生物醫(yī)學(xué)工程與精細(xì)化學(xué)的流量測量使得流量測量正在向低端延伸，微小流量的測量需求漸漸凸顯起來 ，也引起了越來越多的科學(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)下流體計量領(lǐng)域急需的計量技術(shù)之一。

1.微小液體流量計量現(xiàn)狀

由于對微 /納流控系統(tǒng)的流動機理理解不透徹及運用滯后，因而目前的微 /納液體流量的測量裝置大多還是基于宏觀流量測量原理，比如容積法、差壓法、質(zhì)量法，基本是常規(guī)流量測量裝置的尺寸縮小化。然而，由于微 /納液體流動的尺度縮小化，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)宏觀測量原理的流量測量方法不可避免的具有一定的局限性。

目前，國內(nèi)外少量關(guān)于微小液體流量測量方法的研究。官志堅 等人提出了一種依賴于光電開關(guān)的主動式活塞液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，但由于在微小流量計量檢定時，多數(shù)情況下活塞移動的距離度要求更高且更加靈活，因此，采用固定光電開關(guān)的檢定方法存在一定局限性。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院( PTB) 水流量實驗室的小流量標(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量向低端延伸做出了良好的鋪墊，但測量的流量值仍然比較大，對微小流量不能測量。法國工業(yè)技術(shù)研究中心研究設(shè)計了一種微小流量計量標(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)排除空氣過濾微粒之后的水源，在控制的溫度和壓力下流過不同內(nèi)徑( 100 ～ 325μm) 和長度( 1 ～ 4m) 一組毛細(xì)管中的一支，監(jiān)測其在層流條件下流動，稱重計時求取流量。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，為流量測量工作帶來了一定不便，不具有實際應(yīng)用性、推廣性。浙江省計量科學(xué)研究院設(shè)計了一種應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的電驅(qū)動活塞式液體

微小流量計量標(biāo)準(zhǔn)檢定系統(tǒng) ，以活塞缸作為計量容積標(biāo)準(zhǔn)，裝置通過步進(jìn)電機驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)計量活塞缸活塞產(chǎn)生流體源，活塞缸與光柵尺配合構(gòu)成流量測量系統(tǒng)，通過計算流體介質(zhì)在一定測量時間內(nèi)推動活塞排出活塞缸內(nèi)流體體積來測量流量，可測量流量范圍為( 0. 1 ～ 1000) mL /h，但是裝置的準(zhǔn)確度等級不高，其測量擴展不確定度僅為 0. 5% ～ 1. 0% 。

2.基于流動電位勢的微小液體流量計量機理

電動流是微 /納液體流動中***主要的現(xiàn)象，指微流體系統(tǒng)的液體流場 － 電場 － 離子場多物理場耦合流動現(xiàn)象 。而研究表明，微通道流動電位勢與流量之間具有關(guān)聯(lián)，因此基于微通道流動電位勢測量來設(shè)計流量計量方法，是***符合微 /納液體流動機理的方法，原理上具有***佳測量效果，無論是準(zhǔn)確性、重復(fù)性、可操控性還是時間經(jīng)濟性。

微 /納液體流動以毛細(xì)管流為典型流態(tài)。對于二元對稱結(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 方程來描述:

結(jié)果表明，流動電位勢與流量之間依然呈現(xiàn)基本線性的關(guān)系，且在極小流量時所得到的流動電位勢反饋信號已足夠大。因此，實際中測量流動電位勢來計算流量可行且信號靈敏。

3.自動化微小液體流量計量系統(tǒng)設(shè)計

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

系統(tǒng)由液體動力源、水池、管路系統(tǒng)、旁通校驗系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)測量段、以及信號采集控制系統(tǒng)組成。

流體動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，長度 5cm，材質(zhì)為玻璃，整個裝置管道構(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。使用外加電場調(diào)控微通道表面 Zeta 電位，提升流動電位勢，放大流量信號。

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

信號采集控制系統(tǒng)由上位機、下位機、傳感器、通訊模塊組成。以工控筆記本作為上位機，以西門子 S7200PLC 作為下位機進(jìn)行邏輯控制。使用鉑電極采集產(chǎn)生的流動電位勢，電位通過導(dǎo)線引出到 16 位高精度 A /D 轉(zhuǎn)換模塊，通過 A /D 轉(zhuǎn)換之后數(shù)字信號通過 PLC 的 ＲS485 通訊模塊進(jìn)入上位機，上位機根據(jù)式( 4) 的對應(yīng)關(guān)系將流動電位勢信號轉(zhuǎn)換成流量信號。下位機 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 信號控制校驗支路的切換閥門，使用 Labview 編寫專用控制與測試程序，人機交互、檢定流程控制、檢定數(shù)據(jù)的存儲和報表生成等自動化功能。

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

4.結(jié)論

本文分析了微小液體流量計量現(xiàn)狀，介紹了以流量電位勢測量微通道液體流量之間的機理，設(shè)計微小液體流量計量系統(tǒng)，滿足微小液體流量測量的需求。