微流场可视化测速技术及其应用

　　0　引言

　　近10年来,随着MEMS加工技术的发展,微流体器件及系统得到了长足发展,已经衍生出生物芯片、微流控芯片、微泵、微阀和微流量传感器等一系列具有广泛应用前景的产品和原理样机[1]。与宏观流体机械相比,微流体器件具有高表面积/体积比、分子平均自由程与流道特征尺寸之比增大、表面效应及表面力作用明显等特点。因此,微流体系统的驱动机制以及流动特性与常规流体装置存在一定差异,流道结构设计与优化方面缺乏理论指导和有效的微流场检测手段。从国外相关行业的发展来看,目前解决这一问题的最有效手段是微流场的试接触式粒子图像测速技术(micro particle image velocimetry, Micro-PIV)。

　　1 Micro-PIV原理及发展

　　Micro-PIV技术是20世纪90年代在常规PIV基础上发展起来的一项新型微流场可视化技术。与传统PIV相比较,Micro-PIV装置具有以下特点:①通过显微光学系统拍摄微观尺度的流场图像;②光源采用全场照射方式,由于微流控器件的尺度小于毫米级,而激光片光源为保证光强,其厚度至少为0·5 mm,因此在Micro-PIV检测中无法使用片光源形式来定位流场平面,而是采用高数值孔径(NA数)的显微物镜控制其聚焦平面;③采用亚微米至纳米级荧光示踪粒子,为了尽量不使示踪粒子的加入而改变原流场的流动状况,一般在微流体Micro-PIV试验中使用的示踪粒子直径约为几十到几百纳米,同时在显微拍摄装置上添加荧光滤光片,滤去背景干扰光线,使粒子图像的信噪比大幅提高;④纳米级示踪粒子布朗运动现象明显,由于微流体本身特征尺度很小,所以由布朗运动引起的误差成为主要误差,如何消除此误差成为保证Micro-PIV试验精度需要解决的关键问题[2]。其测量原理如图1所示。

　　国外从20世纪90年代初开始进行Micro-PIV方面的研究。Lanzilloto等利用X光微成像技术对规则微管道内的流速场进行了研究,采用的示踪物质是直径为1~20μm的微荧光液滴,由于微液滴在流动中会产生变形,尺寸也相对过大,因此在流场图中存在明显的矢量误差。Chen等[3]利用基于多普勒效应的X光体层照相技术的干涉测量法进行微管道内流场的试验分析,采　　用的示踪粒子的直径为1·7μm。由于该试验是采用单粒子测量,所以未能获得管内流动的全场图像。Steinman[4]采用DPIV技术进行了动脉血管中血液流动情况可视化研究,并利用伪色彩方法处理得到矢量图像,取得了动脉血管内血液流动微观状况的详细数据。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室自1999年就进行了Micro-PIV技术储备与设备国产化研究,目前已经成功研制出国内第一台具有自主知识产权的Micro-PIV产品。