用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計及製作方法
2023-09-12 07:13:10
專利名稱：用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計及製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量液體粘度以及彈性的微型流變儀或粘度儀及製作方法， 尤其是一種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計及製作方法。
(ニ)
背景技術：
粘度的測量是通過測量流體阻力，它的值取決於非牛頓流體的形變率。形變率是通過單位時間內一個單元的切變率給出的。用已知的切變率測量得到的粘度是真實的粘度。流體實際粘度對切變率的依賴性取決於描述材料特性的粘度曲線，在考慮到エ藝效率時流體粘度是ー個重要因素。但是許多情況下，粘度是在不明確的測試環境下測量的，這樣切變率就不可知了。在不明確的情況下測量的粘度值只是表觀的。由於實際粘度是在切變率已知的情況下測量的，因此實際粘度是普遍的，而表觀粘度不是。取而代之，表觀粘度依賴於測量系統。例如將一個轉軸浸入到被測液體中，轉軸轉速恆定，此時由於切變率未知， 轉軸カ的值取決於表觀粘度。最好，表觀粘度可以是轉軸轉速的函數。事實上，只有當被測液體的基本等式成立吋，轉軸的旋轉速度與切變率相關。但是，對於非牛頓液體的基本等式很少知道。因此，在不明確的條件下非牛頓液體的實際粘度不可測量。只考慮表觀粘度的方法已經被發展和應用到生產質量控制和材料特性描述中。各種在線測量的粘度儀被設計用於實時粘度測量。國外已有專利描述了實時測量多種待測流體表觀粘度的系統，但是通過這些系統獲得的表觀粘度測量值並不準確。材料基礎發展的公式化需要真實粘度測量值，同時エ藝設備和附件(例如印模，鑄模，擠壓螺杆等)的設計需要材料的真實粘度。但是，由於表觀粘度測量更容易更迅速並且實恵，已經作為ー個指示被用於快速測試。實際粘度很難測量並且只能用少數幾種設備(流變儀和毛細管粘度計) 測量。流變儀在測試樣品上給定ー個切變率來測量真實粘度。當前測量真實粘度的流變計是多功能的，也可以用於其它特性的測量，因此它的價格昂貴。通常大量樣品需要用先進的流變儀進行粘度測量。而且這些流變儀並不適用於在線應用並且高呑吐量的測量。圓形毛細管粘度計是另一種類型的流變計，它通過考慮ー個合適的補償來測量表觀粘度和真實粘度。它測量測量粘度的同時還需要測量ー個液滴壓力。它是圓形的，只能測量出入口的壓力。由於這個局限性，它只能測量表觀粘度。除非通過用倆個具有不同長度直徑比的毛細管來糾正入口效應，然而倆個毛細管的使用又使得粘度計變得笨重或費時。當前與矩形開ロ有關的粘度計也用於測量實際粘度。這個粘度計測試矩形開ロ流體通道內的液流並且使用壓カ傳感器測量給定流速的沿著通道的壓力。與毛細管粘度計相比，開ロ流體通道內部是平坦的，這樣可以用壓力傳感器測量其內部的壓力，然後再從壓カ 測量中計算出剪切力。隨著流速的變化，切變率也隨之改變。在不同切變率下測量剪切力， 用已知的公式可以計算出真實的粘度，這樣要比用倆個單獨的毛細管測量要簡單得多。但是這些粘度計只當流體通道的寬度與深度相比足夠大時比較簡單。這些開ロ的粘度計需要泵系統來對測試流體的流速進行精確控制。通常，這些開ロ的粘度計被用作擠壓機的附屬物，隨著液體流出擠壓機。當前的做法是，在通道內単獨安裝壓カ傳感器來測量穩定的壓力。但是，眾所周知液體流動的不穩定嚴重影響到壓力的測量，尤其是對於非牛頓液體。同時通道表面的任何不平坦都會影響到壓力傳感器測量值。因此，測量精度通常包括壓カ傳感器在通道內安裝效果。一個簡單的幾何開ロ，切變率會通過泵系統控制的流速改變而改變。同吋，當前大多數開ロ粘度計都是用傳統機械エ藝製作的。此外，所有這些粘度計都是相對大尺寸的樣品而製作的。因此，小尺寸樣品不能用這樣的粘度計測量。這些傳統的粘度計不適於測量那些只用在小容量的測試樣品和高吞吐樣品。
發明內容
本發明的目的在於設計一種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計及製作方法，它能夠解決現有技術存在的不足，通過集成了龐大的壓カ傳感器陣列的流體通道， 來測量微小樣品的真實粘度和弾性。本發明的技術方案一種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於它具有ー個內表面比較光滑且深度為微米級的流體通道；所說的流體通道內集成有壓 カ傳感器陣列；所說的流體通道內具有幾何變化，構成收縮和擴展區域。上述所說的流體通道的深度大於10微米，長度大於300微米，寬度大於100微米。上述所說的壓力傳感器陣列置於通道的頂部或底部。上述所說的流體通道內具有的幾何變化為突起，突起的形狀為長方形、三角形或雙曲面形；所說的突起前後的通道底部分別集成有用來測量流體的拉伸粘度及彈性的壓カ 傳感器，其餘平直通道底部集成有用來測量流體的真實粘度的壓カ傳感器。上述所說的收縮和擴展區域為突變或漸變的。上述所說的微流變計相互串聯或並聯。上述所說的微流變計的入口連接有泵，被測樣品由泵驅動進入微流變計。上述所說的被測樣品經過閥I流入微流變計，後經由閥II流出。ー種上述用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計的製作方法，其特徵在於它由以下步驟構成(1)流體通道的製作在晶片上進行腐蝕形成通道，通道深度大於10微米，長度大於300微米，寬度大於100微米；(2)壓カ傳感器陣列的製作壓カ傳感器是在晶片上形成腔，流體流過將使腔表面發生形變；(3)通道和傳感器陣列分別在晶片上製作，將這倆個晶片結合；結合後的晶片上的流體単元被進ー步切成各自獨立的片上流變計。上述所說的晶片為Si或GaAs。本發明的工作原理本發明有ー個內表面比較光滑的流體通道，集成了一個龐大的壓カ傳感器陣列用來感應沿著通道的壓力，通道的幾何變化會在通道內形成收縮區域， 通過收縮區域上遊或下遊的壓力傳感器的適當移動，就可測量液體樣品的粘度；流變計測試液體被泵驅動通過開ロ進入，並在通道中流動形成了壓カ差，然後通過液體擠壓腔表面的壓力，流體樣品在每個腔內形成形變，置於腔內的壓カ傳感器完成對流體樣品進行測量。 多種流變計可以相互並聯或串聯來測量高呑吐量的多種樣品的流體特性；對於高呑吐量樣品的測量，許多樣品的自動採樣下載被添加到了系統中；之後自動採樣液體被泵壓送到晶片上用於高吞吐量測量。本發明的優越性及技術效果(1)本發明能夠對微米體積的樣品粘度和彈性進行測量；( 通過集成壓カ傳感器陣列縮小了微流變計的體積。
圖1為本發明所涉ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計的俯視圖。圖2為圖1的A-A剖面圖。圖3為本發明所涉ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計ー種實施例的示意圖。圖4為本發明所涉ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計並聯使用示意框圖。圖5為本發明所涉ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計串聯使用示意框圖。其中，1為通道，2為壓カ傳感器，3為突起，4為入口，5為出口。
具體實施例方式實施例1 一種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計(見圖1、圖2)，其特徵在於它具有ー個內表面比較光滑且深度為微米級的流體通道1 ；所說的流體通道1內集成有壓カ傳感器2陣列；所說的流體通道1內具有幾何變化，構成收縮和擴展區域。上述所說的流體通道1的深度15微米，長度400微米，寬度150微米。上述所說的壓力傳感器2陣列置於通道1的底部。(見圖1、圖2)上述所說的流體通道1內具有的幾何變化為突起3，突起3的形狀為長方形；所說的突起3前後的通道1底部分別集成有用來測量流體的拉伸粘度及彈性的壓カ傳感器，其餘平直通道1底部集成有用來測量流體的真實粘度的壓カ傳感器。(見圖1、圖2)上述所說的收縮和擴展區域為突變。上述所說的微流變計相互並聯。(見圖4)上述所說的被測樣品經過閥I流入微流變計，後經由閥II流出。(見圖4)ー種上述用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計的製作方法，其特徵在於它由以下步驟構成(1)流體通道的製作在晶片上進行腐蝕形成通道，通道深度大於10微米，長度大於300微米，寬度大於100微米；(2)壓カ傳感器陣列的製作壓カ傳感器是在晶片上形成腔，流體流過將使腔表面發生形變；(3)通道和傳感器陣列分別在晶片上製作，將這倆個晶片結合；結合後的晶片上的流體単元被進ー步切成各自獨立的片上流變計。上述所說的晶片為Si或GaAs。上述所說的通道和傳感器陣列用已知批量エ藝在晶片上製作。實施例2 —種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計(見圖幻，其特徵在於它具有ー個內表面比較光滑且深度為微米級的流體通道1 ；所說的流體通道1內集成有壓カ傳感器2陣列；所說的流體通道1內具有幾何變化，構成收縮和擴展區域。上述所說的流體通道1的深度15微米，長度400微米，寬度150微米。上述所說的壓力傳感器2陣列置於通道1的底部。(見圖3)上述所說的流體通道1內具有的幾何變化為突起3，突起3的形狀為長方形；所說的突起3前後的通道1底部分別集成有用來測量流體的拉伸粘度及彈性的壓カ傳感器，其餘平直通道1底部集成有用來測量流體的真實粘度的壓カ傳感器。(見圖3)上述所說的收縮和擴展區域為突變。上述所說的微流變計相互串聯。(見圖5)上述所說的微流變計的入口連接有泵，被測樣品由泵驅動進入微流變計。(見圖 5)ー種上述用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計的製作方法，其特徵在於它由以下步驟構成(1)流體通道的製作在晶片上進行腐蝕形成通道，通道深度大於10微米，長度大於300微米，寬度大於100微米；(2)壓カ傳感器陣列的製作壓カ傳感器是在晶片上形成腔，流體流過將使腔表面發生形變；(3)通道和傳感器陣列分別在晶片上製作，將這倆個晶片結合；結合後的晶片上的流體単元被進ー步切成各自獨立的片上流變計。上述所說的晶片為Si或GaAs。上述所說的通道和傳感器陣列用已知批量ェ藝在晶片上製作。
權利要求
1.一種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於它具有ー個內表面比較光滑且深度為微米級的流體通道；所說的流體通道內集成有壓カ傳感器陣列；所說的流體通道內具有幾何變化，構成收縮和擴展區域。
2.根據權利要求1所說的ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於所說的流體通道的深度大於10微米，長度大於300微米，寬度大於100微米。
3.根據權利要求1所說的ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於所說的壓カ傳感器陣列置於通道的頂部或底部。
4.根據權利要求1所說的ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於所說的流體通道內具有的幾何變化為突起，突起的形狀為長方形、三角形或雙曲面形； 所說的突起前後的通道底部分別集成有用來測量流體的拉伸粘度及彈性的壓カ傳感器，其餘平直通道底部集成有用來測量流體的真實粘度的壓カ傳感器。
5.根據權利要求1所說的ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於所說的收縮和擴展區域為突變或漸變的。
6.根據權利要求1所說的ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於所說的微流變計相互串聯或並聯。
7.根據權利要求1所說的ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於所說的微流變計的入口連接有泵，被測樣品由泵驅動進入微流變計。
8.根據權利要求1所說的ー種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，其特徵在於所說的被測樣品經過閥I流入微流變計，後經由閥II流出。
9.一種權利要求1所述用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計的製作方法，其特徵在於它由以下步驟構成(1)流體通道的製作在晶片上進行腐蝕形成通道，通道深度大於10微米，長度大於 300微米，寬度大於100微米；(2)壓カ傳感器陣列的製作壓カ傳感器是在晶片上形成腔，流體流過將使腔表面發生形變；(3)通道和傳感器陣列分別在晶片上製作，將這倆個晶片結合；結合後的晶片上的流體単元被進ー步切成各自獨立的片上流變計。
10.根據權利要求9所說的用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計的製作方法，其特徵在於所說的晶片為Si或GaAs。
全文摘要
一種用於測量微米體積樣品粘度和彈性的微流變計，它具有一個內表面比較光滑且深度為微米級的流體通道；所說的流體通道內集成有壓力傳感器陣列；所說的流體通道內具有幾何變化，構成收縮和擴展區域。製作方法為流體通道的製作在晶片上進行腐蝕形成通道，通道深度大於10微米，長度大於300微米，寬度大於100微米；壓力傳感器陣列的製作壓力傳感器是在晶片上形成腔，流體流過將使腔表面發生形變；通道和傳感器陣列分別在晶片上製作，將這倆個晶片結合；結合後的晶片上的流體單元被進一步切成各自獨立的片上流變計。優越性本發明能夠對微米體積的樣品粘度和彈性進行測量；通過集成壓力傳感器陣列縮小了微流變計的體積。
文檔編號G01N11/00GK102564898SQ20101061595
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者吳元慶, 屈懷泊, 徐超, 牟詩城, 高鵬 申請人:國家納米技術與工程研究院