什么是微压力传感器

mary68410 2010-11-18 06:05:41 398 浏览

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honglian0904 2010-11-19 00:00:00

微压就是很小的压力！从字面意思就可以理解了！

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新乐小男人year 2016-12-01 00:00:00

力传感器是工业实践中Z为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途

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该技术的目的是在微流道中产生流体-流体分散体（主要是油包水乳液），它允许产生单分散液滴/气泡，或具有非常低的多分散性的液滴：小于3%（见下图）。

如何在微通道内产生液滴或气泡？
产生液滴/气泡的Z常见方法是在微流体连接处应用和控制流体流速，这种方法比较容易实现。微流体中的乳液处理是基于在微通道交点处（junction）注入连续相（Qc）和分散相（Qd）时的流速控制。微通道的连接限定了液滴/气泡产生的几何形状。在微流体系统中主要有三种方法来产生和操纵液滴/气泡[2]，这些方法是以其通道的几何形状进行区分的，分别是：
（1）共轴流
（2）交叉流动或T型交叉
（3）流动聚焦

液滴/气泡的形成取决于连续相施加在分散相上的剪切力，该剪切力使两种流体之间的界面变形，直到形成液滴或气泡。表征这种现象的参数是毛细管数Ca：

该公式表达了剪切力和界面力之间的竞争。U是连续相的特征速度，μc是连续相的动态密度，γ是界面张力。界面力试图将分散相保留在其通道中。

当分散相穿透主通道（连续相的通道）时，液滴/气泡开始产生，因此，两种不混溶的流体在微通道的连接处形成界面。界面在连续相流的方向上移动并形成颈部。通过界面的运动，颈部变得越来越窄，直到其破裂并形成液滴/气泡[3]（图2）。

图2：不断增长的液滴（油包水）的快照图和共轴流几何形状中的Z终分解

图2照片中液滴断裂的视频展示，点击这里

产生的液滴/气泡将连续相的流动限制在薄润滑膜中，液体界面和微通道壁之间。液滴/气泡越多，润滑膜越薄，此润滑膜的限制空间在局部地区域内增加了对连续相流动的阻力[3]。因此，它在上游产生的压力增加，其限制界面直到颈部变得太窄并且断裂。

很明显的是必须特别注意导管尺寸和化学性质的选择。氟化材料（例如Teflon导管）可以用氟化油（例如FC40）润湿，因此，可以使水滴与管壁之间的潜在问题的相互作用Z小化。

采用微流控技术合成乳液的主要优点是对液滴/气泡的产量和单分散性可控。实际上，数字微流体技术提供了高精度管理的可能性：
（1）液滴/气泡大小
（2）产生频率
（3）液滴内部的组分

理解上述参数的关键是调节液滴/气泡大小的原理。产生液滴的器件有几种不同的几何形状，我们只关注其中的一个（图3）。如果需要了解其他液滴产生的几何形状，请参阅[2]。液滴/气泡的大小由许多因素校准。首先，当分散相进入主通道并填充时，液滴/气泡的长度L等于通道ω的宽度。定义d为颈部的大小，h定义为微通道的高度。

图3：交叉流动（或T型接头）几何形状的液滴产生示意图

用于产生液滴的微流体流动控制系统是产生单分散液滴的Z关键部件之一。OB1微流体压力控制器被认为是Z精确的，是世界上Z快的液滴生成流量控制器，如果您想了解更多的相关信息，请点击此处。

当液滴/气泡进入主通道时，连续相的压力增加。因此，该压力使颈部收缩并以速度Vc减小其尺寸，连续相的流速可通过下式进行估算：

在颈部压缩的这段时间内，分散相进入主通道。液滴的大小以速度Vd增加，可以用下式推断分散相的流速为：

因此，液滴/气泡的Z终长度是填充主通道ω之前的初始长度和进入主通道的延伸时间内累积的长度之和te。此时间是将颈部从其初始尺寸d压缩（以速度Vc）直至其断裂所需的时间：

颈部的初始尺寸d取决于分散相的微通道ωd的大小。根据科学家的选择，比率d/ω通常等于1。因此，液滴的大小由科学家用他的实验参数和/或约束来校准。上面定义的模型[4]已通过实验验证（图4）。该图显示了如何控制液滴/气泡的大小。

图4：液滴尺寸的报告数据VS两相流体的流量比率

液滴/气泡产生的频率也很容易控制。可以用一定比率的流速固定液滴/气泡的尺寸，并且在不改变液滴/气泡尺寸的情况下，通过增加流速来增加液滴的产生频率。Z常用的参数是控制液滴内部组分的能力，它为物理学、化学和微生物学等多个领域的微流体学提供了许多应用[5]。

流动聚焦几何结构中的液滴生成实例
参考文献
[1] H.A. Stone, A.D. Stroock, and A. Ajdari. Engineering flows in small devices. Annual Review of Fluid Mechanics, 36(1) :381– 411, (2004).
[2] G. F. Christopher and S. L. Anna. Microfluidic methods for generating continuous droplet streams. Journal of Physics D: Applied Physics, 40(19): R319, (2007).
[3] M. De Menech, P. Garstecki, F. Jousse, and H. A. Stone. Transition from squeezing to dripping in a microfluidic t-shaped junction. Journal of Fluid Mechanics, 595(1): 141–161, (2008).
[4] Piotr Garstecki, Michael J. Fuerstman, Howard A. Stone, and George M. Whitesides. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic t-junctionscaling and mechanism of break-up. Lab Chip, 6(3): 437–446, (2006).
[5] Ansgar Huebner, Sanjiv Sharma, Monpichar Srisa-Art, Florian Hollfelder, Joshua Edel, and Andrew deMello. Microdrople ts : A sea of applications ? Lab Chip, 8(8) :1244–1254, (2008).
[6] Javier Atencia and David J. Beebe. Controlled microfluidic interfaces. Nature, 437(7059) :648–655, (2005).

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