微流控中微流體的穩定性和分辨率
在微流控實驗中,微流體的穩定性是需要關注的一個參數,因為微流體的穩定性與驅動泵的性能有關,同時也與微流體的流阻有關。對于微流體穩定性任何討論,對三個參數需要加以區別,這三個參數是流動穩定性、動態分辨率和測量分辨率。
微流體的流動穩定性
微流體的流動穩定性是描述流體控制器件限制波動變化或可控物理參數變化的一種方式。穩定性的值越小,流體流動的穩定性越高。
為了能夠相對完整的描述流體的穩定性,可以考慮使用如下3個參數:穩定區間(stability band)、標準差(standard-deviation)和變化系數(coefficient of variation, CV),具體表達式如下圖所示。
穩定區間(stability band):對于所設定的流速值,穩定區間指實際測量到的液體最大流速值和最小流速值之間的區域。對于壓力驅動的流量控制系統,穩定區間是以滿量程壓力范圍的百分比給出。
標準差(standard-deviation):相較于數據集的平均值,標準差是用來量化參數變化的一個統計工具。標準差可用于定義置信區間(可靠區間)。
變化系數(coefficient of variation, CV)變化系數是表達標準差的一個相對方法。該值通過標準差除以測量參數的平均值給出,通常表達為一個無量綱的百分比。
動態分辨率
微流體控制系統在控制模式下的最低物理參數的變化。例如,如果您使用基于壓力致動的控制系統,動態分辨率是設備能夠區分的壓強變化的最小量。動態分辨率與微流控儀器的調節算法、儀器的內部致動器和傳感器有關。動態分辨率越低,可控制的流速越小。
測量分辨率
測量分辨率是傳感器檢測到的物理參數的最小變化。如果您使用基于壓力致動的流體控制器,那么測量分辨率是控制器內部傳感器檢測到的最小壓強變化。基于反饋環路的流體控制系統不能提供比傳感器的測量分辨率更好的動態性能(穩定性,動態分辨率)。
在本例中,流量控制器1(flow controller 1)具有更好的測量分辨率和穩定區間,如上圖所示。兩個流體控制器(flow controller 1和flow controller 2)的動態分辨率是相同的,但是,由于提高了穩定性,流體控制器1(t=50之前和之后)的穩定區間沒有出現重疊。壓力范圍(從200.5到201.5,flow controller 1)也沒有重疊。提高動態分辨率可以解決壓力范圍重疊的問題。
流量控制器2(flow controller 2)的穩定性和測量分辨率都比較差,其穩定區間相互重疊。該控制器的壓力范圍出現了重疊,但是其也為實驗提供了較低水平的性能,這對重現相同的數據帶來了較大的困難。