[发明专利]纳通道中的热气泡产生、检测装置及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳通道中的热气泡产生、检测装置及检测方法。

背景技术

随着微机电系统（MEMS）技术的快速发展与应用，微通道或微限制空间内的液体沸腾与相变传热已成为热科学与工程中的新兴热点领域。近几十年来，随着实验技术的日益进步，人们对微通道中的热气泡的认识日臻完善。一系列基于热气泡现象的微器件应运而生。其中的一些产品，如热气泡打印机等，更是给人们带来了诸多便利。随着研究的深入与技术手段的不断提高，人们自然会进一步想到一些问题，如当尺度进一步下降到纳米尺度时，纳通道中的热气泡成核的特点又是怎样，如何控制及利用纳通道中的热气泡，进一步发展基于纳尺度热气泡的传感技术等，这些问题充满了未知。目前虽然已有少量的研究工作探讨了纳通道中的气泡问题，但是，由于器件设计与加工工艺的复杂，以及对加工精度的极高要求，目前关于纳通道中的热气泡方面的实验研究还鲜有文献报道，对纳通道中的热气泡的认识还刚刚起步。与此同时，由于气泡成核时间极短（纳秒至微秒尺度），临界成核尺寸极小（纳米至微米尺度），目前的实验技术手段还很难直接观察到气泡从胚核逐渐长大的完整过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳通道中的热气泡产生、检测装置及检测方法，为了解和认识纳通道中的热气泡特性，进一步设计并制作基于纳尺度热气泡的纳传感器件提供一定的技术支持。

设计纳通道中热气泡产生及检测装置，主要包括两个部分。第一部分利用微纳加工技术，设计纳通道的热气泡发生芯片。第二部分设计数据采集电路，搭建可以检测纳通道热气泡的测量平台。对于第一部分，纳通道中热气泡发生芯片的设计思路是，在纳米级通道上方数微米处设计布置加热线圈，利用电流的热效应，对该加热线圈施加可控的电压以加热纳通道中的液体。当温度上升到一定值后，热气泡便可以产生。制作符合这一要求的纳通道热气泡成核器件，器件中需要包含微通道、纳通道、对纳通道中的溶液进行加热的加热线圈及加热电极等。

由于目前的技术手段还很难直接观察到纳米级的热气泡，所以考虑利用间接的办法来检测第一部分产生的热气泡。实际上，一旦通道中产生了热气泡，热气泡的出现与通道中含有了不导电的颗粒情况类似。也就是说，气泡的出现会导致通道电阻的增大及通道两端电流的减小。而且，电流减小的幅度与热气泡的形状大小相互对应。因此，通过考察通道中的电流随时间变化情况可以间接考察通道中的热气泡行为特性。

本发明所述的纳通道中热气泡产生及检测装置，包括纳通道热气泡发生芯片及电路设计与数据采集系统。其中热气泡发生芯片包含：4个等大的储液池，加热电极，微通道，纳通道，引导区，加热线圈。所述储液池与微通道直接相连，纳通道通过引导区与微通道连接，而加热电极及加热线圈布置在纳通道的上方，加热线圈的左右两端分别与加热电极相连。电路设计与数据采集系统包含主信号电路，通道加热电路及电阻辅助测量电路三支电路。其中主信号电路用于测量通道两端流经的电流大小，该支路电流变化情况直接反映纳通道中热气泡的变化过程；通道加热电路用于通道内部溶液加热；电阻辅助测量电路用于测量加热线圈两端的实际电压值。

纳通道热气泡发生芯片含有四个电极，其中上部分两个电极利用数据采集卡对加热线圈供电，利用采集卡指令实现对加热电压的可控操作，下部分的两个电极用于准确测量加热线圈流经的电流，可进一步根据线圈的电阻温度系数定量获得通道温度值。

本发明还公开了一种纳通道中的热气泡产生及检测方法，设置如上所述检测装置，根据电阻辅助测量电路测得到电压结合通道加热电路得到的电流可计算加热线圈的电阻值，而后根据加热线圈的电阻温度系数，可得到纳通道电流变化情况与通道温度之间的定量关系。

本发明的有益效果：通过纳通道热气泡发生芯片及整个检测系统的发明设计，利用加热线圈、加热电极以及数据采集卡提供的可控电压，可在数十纳米高的通道中产生热气泡。而后，利用设计的电路及数据采集系统，可以实时检测纳通道热气泡变化。利用该发明设计，可有效地解决目前的实验手段尚无法直接观察到纳米尺度热气泡的困境，也为进一步利用和控制纳通道的热气泡提供了一条新思路。

附图说明

图1为本发明纳通道中的热气泡产生及检测装置的第一部分：纳通道中的热气泡发生芯片的设计图。其中图1(b)为图1(a)中黑色区域的放大图，图1(c)为图1(b)中黑色区域的放大图。其中：1-储液池，2-加热电极，3-微通道，4-纳通道，5-引导区，6-加热线圈。