專利名稱：微量液體體積測量的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種液體體積測量的方法及裝置。特別是涉及一種利用微量液體的導
電性實現微量液體體積測量的方法及裝置。
背景技術：
近年來微流體技術的快速發展，已經在生物、化學及醫學等領域上造成了革命性 的沖擊，越來越多的微流體器件得到廣泛的應用。微流體器件中傳輸、參與反應的液體體積 非常小，一方面節省了樣品量，另一方面也給精確測量控制參與反應的液體體積帶來了難 度，于是多種微量液體流量計應運而生，例如，差壓型流量計、渦輪型流量計、科里奧利流量 計、溫度型流量計等。然而這些流量計有的含有可動部件，結構復雜，難以實現與其它微流 體器件的集成；有的容易受到外部環境或者干擾信號的影響。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種利用微量液體的導電性，測量微量液體 通過微管路的流速和時間，實現微量液體體積測量的方法及裝置。
本發明所采用的技術方案是一種微量液體體積測量的方法，是利用微量液體的
導電性，在微管路內設置兩對微電極，根據已知的微管路的橫截面積和兩對微電極之間的
間距，以及測量得到的微量液體流經微電極時與微電極相連的測量電路中電阻兩端電壓的
跳變時間，得到微量液體通過微管路的時間和流速，計算得出微量液體流經微管路的體積，
對于不導電的微量液體，需在微量液體中增加導電離子。
包括如下步驟 1)使被測的微量液體勻速或勻加速流過設置有兩對微電極的微管路，測量微量液 體流經微電極時與微電極相連的測量電路中電阻兩端電壓的跳變時間，得到微量液體前端 和后端流經兩對微電極的時間； 2)計算出微量液體前端流過兩對微電極之間的時間，以及微量液體后端流過兩對 微電極之間的時間； 3)根據計算出的時間和已知的兩對微電極之間的距離求出微量液體的流速；
4)求出微量液體在微管路中的長度；
5)求出微量液體在微管路中的體積。 —種使用微量液體體積測量方法的測量裝置，包括有一端設置有輸入端口 、另一 端設置有輸出端口的微管路，以及一端與測量電路相連另一端位于微管路內的第一微電極 對和第二微電極對。 所述的第一微電極對和第二微電極對采用能夠保證電極在具有導電性微量液體 中的長期穩定性的金、鉬貴金屬。 所述的第一微電極對和第二微電極對采用金屬膜電極微加工技術加工得到。
所述的金屬膜電極微加工技術包括有轉印技術和剝離技術等。
所述的第一微電極對和第二微電極對固定在基底層上。
本發明的微量液體體積測量的方法及裝置，具有如下特點 1.本發明利用微量液體的導電性，實現微量液體體積的測量，適用于所有具有導 電性的微量液體體積的測量，對于不導電的微量液體，通過在微量液體中增加導電離子等 措施也可以使用該方法及裝置測量其體積； 2.本發明的裝置適用于勻速和勻加速流動的微量液體的測量，可以同時測量微量 液體流過管道的速度、時間和體積； 3.本發明的裝置不含可動部件，結構簡單，易于采用現有的材料和微加工方法制
備，既可以直接集成到各種微流體芯片中，也可以單獨做成微量液體流量計； 4.本發明的裝置所需要的測量電路和信號處理方法簡單，不易受外部信號的干擾。
圖1是微量液體體積測量裝置的結構示意圖；
圖2是測量電路示意圖； 圖3是測量電路中電阻兩端電壓的跳變時序圖。
其中 1 :第一微電極對 2 :第二微電極對 3 :微管路 4 :微量液體 5:輸入端口 6:輸出端口
7 :電極之間固定距離8 :基底層
9:直流電壓源 IO:電阻
ll:電阻 12:數據采集卡
13:計算機
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明的微量液體體積測量的方法及裝置做出詳細說 明。 如圖1所示，本發明的微量液體體積測量裝置，包括有一端設置有輸入端口 5、另 一端設置有輸出端口 6的微管路3，以及一端與測量電路相連另一端位于微管路3內的第一 微電極對1和第二微電極對2。 所述的第一微電極對1和第二微電極對2采用能夠保證電極在具有導電性微量液 體中的長期穩定性的金、鉑貴金屬。所述的第一微電極對1和第二微電極對2采用包括有 轉印技術和剝離技術等的金屬膜電極微加工技術加工得到。所述的第一微電極對1和第二 微電極對2固定在基底層8上。 本發明的微量液體體積測量裝置可以采用如下的加工步驟制作 (1)通過轉印技術/剝離技術將金/鉑等貴金屬加工成型到硅/玻璃/聚合物材
料表面，獲得含有微電極的基底層； (2)在另一層硅/玻璃/聚合物材料表面加工固定截面的微管路，獲得含有微管路的頂層； (3)將基底層與頂層綁定在一起； (4)在微管路的兩端固定輸入端口和輸出端口 ； (5)連接電極和測量電路。 本發明的微量液體體積測量方法，是利用微量液體的導電性，在微管路內設置兩 對微電極，利用已知的微管路的橫截面積和兩對微電極之間的間距，以及測量得到的微量 液體流經微電極時與微電極相連的測量電路中電阻兩端電壓的跳變時間，得到微量液體通 過微管路的時間和流速，計算得出微量液體在微管路中的體積，從而實現微量液體體積的 測量，對于不導電的微量液體，測量前需在微量液體中增加導電離子。 所述的測量電路如圖2所示，該測量電路通過直流電壓源9為微電極1、2和電阻 10、11提供電壓，通過數據采集卡12測量記錄電阻10、11兩端的電壓，并將數據傳輸到計 算機13，以供后續數據處理獲得電壓的跳變時間。當一段導電的微量液體通過微管路中的 微電極時，與微電極相連的測量電路中電阻兩端的電壓發生兩次跳變當不導電流體(空 氣)/導電的微量液體界面通過電極對時，電壓從0伏跳變增加；當導電的微量液體/不導 電流體(空氣)界面通過電極對時，電壓跳變回0伏。 一段具有導電性的微量液體通過同 一對微電極時產生的兩次與微電極相連的測量電路中電阻兩端的電壓跳變時間之差為微 量液體通過該對微電極所需的時間。利用已知的微管路的橫截面積和兩對微電極之間的間 距，以及測量得到的與微電極相連的測量電路中電阻兩端電壓的跳變時間，可以計算得出 微量液體在微管路中的流速和體積。
本發明的微量液體體積測量方法具體包括如下步驟 1)使被測的具有導電性的微量液體勻速或勻加速流過設置有兩對微電極的微管 路，測量微量液體流經微電極時與微電極相連的測量電路中電阻兩端電壓的跳變時間，得 到微量液體前端和后端流經兩對微電極的時間； 2)計算出微量液體前端流過兩對微電極之間的時間，以及微量液體后端流過兩對 微電極之間的時間； 3)根據計算出的時間和已知的兩對微電極之間的距離求出微量液體的流速；
4)求出微量液體在微管路中的長度；
5)求出微量液體在微管路中的體積。 由于本發明涉及的方法和裝置針對的是微量液體體積的測量，所以忽略微量液體 通過微管路時驅動力與阻力之差的波動。下面分別針對勻速和勻加速兩種情況，介紹本發 明的微量液體體積測量方法與裝置中的數據處理方法。
(1)勻速微量液體體積測量數據處理方法 當一段具有導電性的微量液體以流速v勻速通過已知橫截面積為A的微管路時， 與微電極相連的測量電路中電阻兩端的電壓發生兩次跳變當不導電流體(空氣)/導電的 微量液體界面通過電極對時，電壓從0伏跳變增加；當導電的微量液體/不導電流體(空 氣)界面通過電極對時，電壓跳變回O伏。 一段具有導電性的微量液體通過微量液體體積 測量裝置中的兩對微電極時所引起的與微電極相連的測量電路中電阻兩端的電壓跳變時 序如圖3所示。其中，^和t3分別是微量液體前端和后端通過第一微電極對1的時間，t2 和t4分別是微量液體前端和后端通過第二微電極對2的時間。
微量液體以固定流速通過固定截面的微管路，則微量液體前端流過兩對電極之間 的距離S所用的時間t廠^等于微量液體后端流過該距離的時間t4_t3，并且可知微量液體 的流速為
(1)
<formula>formula see original document page 6</formula> 另外，該段微量液體流過第一微電極對1所需的時間和流過第二微電極對2所需 的時間分別為tf^和t4_t2，i tf^ = t4_t2。該段微量液體在微管路中的長度為 = (2)
<formula>formula see original document page 6</formula> 則微量液體的體積為WM = S，3-0*X (3)
G -《 (2)勻加速微量液體體積測量數據處理方法 當一段具有導電性的微量液體以初速度v。，加速度a勻加速通過已知橫截面積為 A的微管路時，微量液體前端通過第一微電極對1和第二微電極對2的速度分別為v。+W^ 和v。+a*t2，對應的微量液體后端通過第一微電極對1和第二微電極對2的速度分別為 Vd+a氺t3禾卩Vd+a氺t4 0貝US =;(V。 + *《+ V。 + * -《)=4(V。 + "3 + V。 + a * ")(" - ")，利用上
2
2
式可以求出
v =-
紙
《+,,2)
(/4-,3)(/2-0(,4+/3-/2-0
(4) 而微〗
1
t液體在微管路中的長度為丄-^(v。
(5)
f1+v0+fl"3)(f3—O，將式(4)和
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式(5)代入上式可得
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則微量液體的體積為
<formula>formula see original document page 6</formula> 太^"昍力、
明的組合和方法已通過詳細實施過程進行了描述，但是本領域技術人員明顯能在不脫離本 發明內容、精神和范圍內對本文所述的方法和裝置進行拼接或改動，或增減某些部件，更具 體地說，所有相類似的替換和改動對本領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包 括在本發明精神、范圍和內容之中。
本發明公開和揭示的所有組合和方法可以通過借鑒本文公開內容產生，盡管本發
權利要求
一種微量液體體積測量方法，其特征在于在微管路內設置兩對微電極，利用微量液體的導電性，根據微管路的橫截面積和兩對微電極之間的間距，以及微量液體流經微電極時測量得到的與微電極相連的測量電路中電阻兩端電壓的跳變時間，得到微量液體通過微管路的時間和流速，計算得出流經微管路的微量液體的體積，對于不導電的微量液體，測量前需在微量液體中增加導電離子。
2. 根據權利要求1所述的微量液體體積的測量方法，其特征在于，包括如下步驟1) 使被測的微量液體勻速或勻加速流過設置有兩對微電極的微管路，測量微量液體流經微電極時與微電極相連的測量電路中電阻兩端電壓的跳變時間，得到微量液體前端和后端流經兩對微電極的時間；2) 計算微量液體前端流過兩對微電極之間的時間，以及微量液體后端流過兩對微電極之間的時間；3) 根據計算出的時間和已知的兩對微電極之間的距離求出微量液體的流速；4) 求出微量液體在微管路中的長度；5) 求出微量液體在微管路中的體積。
3. —種使用微量液體體積測量方法的測量裝置，其特征在于，包括有一端設置有輸入端口 (5)、另一端設置有輸出端口 (6)的微管路(3)，以及一端與測量電路相連另一端位于微管路(3)內的第一微電極對(1)和第二微電極對(2)。
4. 根據權利要求3所述的微量液體體積測量裝置，其特征在于，所述的第一微電極對(1)和第二微電極對(2)采用能夠保證電極在具有導電性微量液體中的長期穩定性的金、鉑貴金屬。
5. 根據權利要求4所述的微量液體體積測量裝置，其特征在于，所述的第一微電極對(1)和第二微電極對(2)采用金屬膜電極微加工技術加工得到。
6. 根據權利要求5所述的微量液體體積測量裝置，其特征在于，所述的金屬膜電極微加工技術包括有轉印技術和剝離技術等。
7. 根據權利要求3所述的微量液體體積測量裝置，其特征在于，所述的第一微電極對(1)和第二微電極對(2)固定在基底層(8)上。
全文摘要
一種微量液體體積測量的方法及裝置，方法是在微管路內設置兩對微電極，利用微量液體的導電性，根據微管路的橫截面積和兩對微電極之間的間距，以及微量液體流經微電極時測量得到的與微電極相連的測量電路中電阻兩端電壓的跳變時間，得到微量液體通過微管路的時間和流速，計算得出流經微管路的微量液體的體積，對于不導電的微量液體，測量前需在微量液體中增加導電離子。裝置包括有一端設置有輸入端口、另一端設置有輸出端口的微管路，以及一端與測量電路相連另一端位于微管路內的第一微電極對和第二微電極對。本發明適用于所有具有導電性的微量液體體積的測量，對于不導電的微量液體，測量前需在微量液體中增加導電離子。本發明能同時測量微量液體流過微管道的速度、時間和體積，結構簡單，易于制作。
文檔編號G01F22/00GK101782412SQ20101003135
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月14日 優先權日2010年1月14日
發明者于海霞, 徐可欣, 栗大超 申請人:天津大學