微流控系統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，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關系，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的原理，并詳細介紹了系統設計及自動化控制實現方法。

0.引言

隨著半導體制造業、生物工程、醫學化工等行業的興起及微機電系統的發展，微 /納流控系統( Micro /nano － fluidic) 已經是目前生物醫學和分析化學領域熱門的研究課題 。微流體驅動與控制技術中，流量控制與測量是至關重要的環節 。伴隨著微 /納流控系統的深入研究與運用，生物醫學工程與精細化學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工作者的重視，應用于生物醫藥領域的液體微小流量更是當下流體計量領域急需的計量技術之一。

1.微小液體流量計量現狀

由于對微 /納流控系統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、質量法，基本是常規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，國內外少量關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的主動式活塞液體流量標準裝置，但由于在微小流量計量檢定時，多數情況下活塞移動的距離度要求更高且更加靈活，因此，采用固定光電開關的檢定方法存在一定局限性。德國聯邦物理技術研究院( PTB) 水流量實驗室的小流量標準裝置的流量范圍為 ( 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。法國工業技術研究中心研究設計了一種微小流量計量標準裝置 ，由稱重系統原標準和層流差壓件為傳遞標準組成。經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徑( 100 ～ 325μm) 和長度( 1 ～ 4m) 一組毛細管中的一支，監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。但由于該套設備體積龐大，操作相當繁瑣、不易控制，為流量測量工作帶來了一定不便，不具有實際應用性、推廣性。浙江省計量科學研究院設計了一種應用于生物醫藥領域的電驅動活塞式液體

微小流量計量標準檢定系統 ，以活塞缸作為計量容積標準，裝置通過步進電機驅動標準計量活塞缸活塞產生流體源，活塞缸與光柵尺配合構成流量測量系統，通過計算流體介質在一定測量時間內推動活塞排出活塞缸內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***主要的現象，指微流體系統的液體流場 － 電場 － 離子場多物理場耦合流動現象 。而研究表明，微通道流動電位勢與流量之間具有關聯，因此基于微通道流動電位勢測量來設計流量計量方法，是***符合微 /納液體流動機理的方法，原理上具有***佳測量效果，無論是準確性、重復性、可操控性還是時間經濟性。

微 /納液體流動以毛細管流為典型流態。對于二元對稱結構電介質溶液，雙電層電位 ψ 與電荷密度 ρe 之間的關系可以用 Poisson － Boltzmann 方程來描述:

結果表明，流動電位勢與流量之間依然呈現基本線性的關系，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設計

根據流動電位勢與流量的近似線性關系，建立自動化微小液體流量計量系統，其結構示意圖如圖 2 所示。

系統由液體動力源、水池、管路系統、旁通校驗系統、標準測量段、以及信號采集控制系統組成。

流體動力源使用小型高壓平流水泵，高壓水泵壓力( 0 ～20) Mpa。

管路系統所用材料為玻璃毛細管，內徑( 1 ～ 2) mm。

微管道內徑 100μm，長度 5cm，材質為玻璃，整個裝置管道構成回路。在微毛細管通道兩端設置大的圓柱形儲水池，材質為玻璃，以造成離子的富集引起電位差。使用外加電場調控微通道表面 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準，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標準測量段后進入旁通校驗系統，讀取電子天平讀數及密度計讀數，與標準段測量段累積值比較獲得示值誤差，對微液體流量裝置進行定期校準。

信號采集控制系統由上位機、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 作為下位機進行邏輯控制。使用鉑電極采集產生的流動電位勢，電位通過導線引出到 16 位高精度 A /D 轉換模塊，通過 A /D 轉換之后數字信號通過 PLC 的 ＲS485 通訊模塊進入上位機，上位機根據式( 4) 的對應關系將流動電位勢信號轉換成流量信號。下位機 S7200 采用 ＲS485 通信與 A /D 轉換模塊及電子天平交換數據，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、檢定數據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確性及測量范圍。測量液量流量范圍可達 500nL /Min ～ 500μL /Min，測量不確定度 0. 1% 。

4.結論

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