micropiv系统对方形微流道3d速度分布测量

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1、MicroPIV系统对方形微流道3D速度分布的测量MicroPIV系统对方形微流道3D速度分布的测量郑旭王绪伟李战华*中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京，100080*lili@imech.ac.cn摘要：本文介绍了一种具有垂向精细调节功能的MicroPIV系统。在PI纳米位移控制器的配合下，垂直方向位移调节精度可达到10nm。对微方形流道55μm×20μm中不同垂直位置处的速度分布的测量结果表明，无量纲化实验测量速度分布与三维理论预测值符合得很好，同时垂直方向无量纲最大速度也与理论结果相符。证明宽深比小于3的微管

2、道的速度剖面的3D特征。关键词：MicroPIV，微流动，方形流道，速度分布1.引言微流动是MEMS系统研究中的一个重要内容，对微流动机理的研究成为MEMS领域发展的重要基础，Ho&Tai[1]对此已进行了全面的综述。Santiagoetal.[2]和Meinhartetal.[3]率先发展起来的MicroPIV技术，为微流动中速度测量和流动显示提供了重要的手段。近年来，MicroPIV技术逐渐发展成熟并已成功的被应用于微流动的实验测量中[4],[5]，但还有不少问题需要改进，如进一步提高空间分辨率，提高近壁区测量精度等。本文将介

3、绍由高放大倍数、高数值孔径物镜，纳米位移控制系统组建的MicroPIV系统，该系统的光学分辨率达到0.35μm，图像分辨率达到80nm，垂直位置调节精度达到10nm。现有微流控芯片以方形流道为主。当方形微流道制成宽度远大于高度的形状时，在宽度中心位置测得的沿高度方向的速度分布与二维Poiseuille流抛物线分布近似[4]。而依据White[6]给出的粘流方管理论解，高度和宽度相差不大的方管，三维效应将会非常明显，二维Poiseuille流抛物线解将不再适用。宏观尺度方管速度分布的理论分析已经有了比较完整的结果，Schlichti

4、ng[7]总结了Nikuradse实验，给出了层流方管横截面的等速度线，Patel&Head[8]给出了不同雷诺数下方管中不同层面最大速度的分布。但至今没有对方形微管道中的实验结果进行验证。而且微流动中壁面效应对近壁流动也将有明显的影响，这启发我们进一步利用MicroPIV来考察方形微流道中的速度分布。2.实验装置和方法2.1.MicroPIV系统中科院力学所LNM室的MicroPIV系统主要由双脉冲激光器(NewWave120XT)、荧光倒置显微镜(OlympusIX71)、EMCCD(Andor885)、纳米位移控制器(PI)

5、、同步控制器(北京立方天地Micropulse710)和电脑等组成。系统示意图如图1所示。图1.MicroPIV系统示意图(1)NewWaveNd:YAG双脉冲激光器，发射光波长为λ=532nm，发射脉冲频率在1-15Hz内可调，脉宽3~5ns，最大激光能量120mJ，实验时使用范围10~15mJ。(2)OlympusIX71荧光显微镜的核心部件是物镜。物镜分辨率δ计算公式为：(1)其中NA为物镜数值孔径，n为介质折射率，θ为物镜视场半角。可见选用高数值孔径的油镜，可以提高分辨率。因此我们选用了100X的油镜，数值孔径NA=1.3

6、5，镜头油折射率n=1.516，(δ=0.35μm)。物镜工作距离为100μm，这对微流道的制作有了一定的限制。依据文献[2]、[3]，物镜景深表示为：(2)其中M为物镜放大倍数，e为CCD单像素宽度(对Andor885EMCCDe=8μm)，那么δz=0.54μm。　　(3)实验使用的荧光粒子粒径为dp=200nm，被激发光波长约610nm，荧光液体由荧光粒子加超纯水配成，浓度约0.1%，其衍射光斑直径ds和有效光斑直径de分别为：(3)(4)当物镜放大倍数M=100，入射光波长λ=532nm时，ds=48.1μm，de=52.

7、1μm，即通过物镜观察到的荧光粒子直径为de/M=0.52μm。　　(4)物镜焦平面位置的垂直调节依靠PI纳米位移控制器，调节范围0~100μm，调节精度10nm。(5)图像拍摄使用1004×1002像素14bitAndor885EMCCD。该CCD有电子增益功能，光敏感度高。单个像素宽度为8μm，配合荧光显微镜，1×1bining下图像的分辨率可达到80nm(2×2bining格式，图像分别率为160nm)。但此CCD没有双曝光功能，对于快速流动的测量只能采用自相关方法。整套MicroPIV系统的工作由电脑控制8通道同步器来协调

8、，同步器工作频率设置为10Hz，时间精度达10ns。2.2微流道制作实验用方形微流道是用具有疏水性的聚二甲基硅氧烷(Poly-dimethylsiloxane，PDMS)通过MEMS软光刻工艺制成，其制作过程主要有以下几步：(a)设计管道线形，制作