本发明涉及微化工，特别是提供一种智能微流控芯片，以及智能微流控芯片内温度场测控及压力场监测方法。
背景技术：
1、微流控芯片是一种利用微加工技术制造的设备，用于在微米至纳米级别的通道中实现高效率的化学反应。得益于其高比表面积和卓越的传热传质性能，微流控芯片在化工生产、药物合成及先进材料制备等多个领域展现出显著的应用潜力。该芯片适用于包括磺化、硝化、酯化等多种化学反应过程。
2、温度对微流控芯片的性能至关重要，因为它直接影响化学反应的速率和效率，以及流体的流动特性和产品的纯度。在现有的的温度测量技术中，接触式测温技术，如热电偶等，由于体积较大，不适合在微流控芯片内部进行温度测量。在温度异常的情况下，该技术难以精准定位异常点，从而无法进行及时调整。而非接触式测温技术，如红外测温等，则存在测温精确度不足的问题，无法确保反应体系维持在适合的温度范围内，可能导致产品纯度和产量的下降。在温度控制方面，外部控温技术，如水浴换热、冷热流体换热等，虽已被广泛应用，但无法实现精确的点对点控温，且控温速率较慢。集成加热技术，如集成铂加热器、金属涂层加热器等，只能进行加热，冷却需要依赖外部设备，导致反应体系体积较大，且能耗较高。电磁辐射加热技术，如微波加热、激光加热等，可能导致加热不均匀，产生热点，对设备造成热损伤。综上所述，这些温度测控方法均不具备精准快速的温度测控能力，可能对产品质量产生不利影响。
3、在微流控芯片的使用过程中，可能会出现诸如结焦等问题，导致反应通道阻塞，进而引起反应区域压降异常升高，影响微流控芯片的正常运行。采用压力检测技术，能够帮助操作人员及时发现并处理这类故障，从而避免生产事故的发生。在现有的压力检测技术中，研究者主要关注外部输送管路的压力检测，例如使用压力传感器、流量计等设备来监测进入微流控芯片的流体压力。然而，这些方法往往忽视了微流控芯片内部压力场对反应过程的影响。事实上，微流控芯片内局部压力差异可能会影响流体流动和混合特性，进而影响反应的均匀性和效率。
4、因此，研究开发一种新型的微流控芯片，以实现对微流控芯片内部温度场分布和变化的实时检测与控制，同时对芯片内部压力场分布和变化进行实时监测，对于准确预测和控制微反应过程具有重要意义。
技术实现思路
1、为了克服现有微流控芯片在快速温度和压力测量方面的局限性，以及无法准确反映芯片内部的温度场与压力场，并对芯片内部温度场进行精确控制的技术难题。本发明的第一个目的在于提供一种智能微流控芯片。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。
3、一种智能微流控芯片，其特征在于，所述智能微流控芯片含有反应过程检测单元，所述反应过程检测单元由温度传感器阵列和压力传感器阵列组成，分别用于监测芯片内反应区域的温度场和压力场变化，并将测量结果以数字量的形式输出；所述温度传感器阵列和压力传感器阵列支持在设备运行时进行在线编程，并能响应外部信号中断进行编程更新。
4、进一步地，所述温度传感器阵列和压力传感器阵列集成于第一印制电路板上；所述第一印制电路板接收来自温度传感器阵列和压力传感器阵列的数据，并传输至外部控制系统，以实现与外部控制系统的实时通讯。
5、更进一步地，温度场变化数据以数字量形式输出，经过第一印制电路板处理后，通过总线实时传输至外部控制系统，从而获得反应区域内的温度场信息；压力场变化数据也以数字量形式输出，经第一印制电路板导出后，通过总线实现与外部控制系统实时通信。
6、进一步地，所述智能微流控芯片还含有温度控制单元；所述温度控制单元由帕尔贴元件阵列、控制电路和驱动装置构成；其中，所述帕尔贴元件阵列与驱动装置集成于第二印制电路板上，所述第二印制电路板根据pid控制算法输出pwm信号，对驱动模块进行定时使能，以驱动帕尔贴元件阵列工作；所述驱动装置具有反馈检测和过热自断功能，利用pwm信号控制帕尔贴元件阵列的输出功率，并通过控制电路输出温度调节信号，从而实现对微流控芯片内部温度场的控制。
7、更进一步地，所述智能微流控芯片的结构从上至下依次为：第一印制电路板、上密封层、芯片层、下密封层、第二印制电路板；其中，第一印制电路板上集成设置反应过程检测单元和第一微处理器；第二印制电路板上设置温度控制单元和第二微处理器；所述芯片层表面设置有微反应通道，上密封层、下密封层用于封闭所述芯片层，从而形成微反应区域；所述上密封层上设置有用于温度和压力检测的检测孔。
8、再进一步地，所述芯片层材质采用氧化铝陶瓷，这种芯片耐高温、抗腐蚀、耐磨损，可以满足多种化学反应的需求，例如硝化、磺化等反应。
9、再进一步地，所述第一微处理器和第二微处理器均为stm32单片机。
10、本发明的智能微流控芯片耦合温度和压力监测功能，并且具有结构简单、使用方便、测量精度高的特点。
11、本发明的第二个目的在于提供一种微流控芯片内温度场测控与压力场监测方法，具体的技术方案如下。
12、一种微流控芯片内温度场测控及压力场监测方法，包括以下过程：
13、外部控制系统接收到温度传感器阵列传输的数据后，通过微处理器将温度控制单元，温度控制单元对微流控芯片的温度场进行精确控制；
14、通过压力传感器阵列采集微流控芯片内反应区域的压力场数据，并将其以数字量的形式传输至微处理器，微处理器对接收到的压力数据进行快速分析，若测得压力值超出预设的安全范围，将自动开启智能微流控芯片的报警功能，通过蜂鸣器和led指示灯发出报警，并在界面上以闪烁的方式来提醒操作人员采取相应措施。
15、进一步地，所述温度场数据和压力场数据在传输至外部控制系统后，通过使用python编程语言开发的人机界面进行状态显示。
16、更进一步地，人机界面具备以下功能：实时监控智能微流控芯片内的温度场和压力场变化趋势并在界面上实时显示；允许用户设定温度控制单元的目标值；调整压力报警阈值；在压力值超过安全限值时自动激活报警系统，并在界面上以闪烁方式提醒操作人员；利用所建立的温度场和压力场模型并结合计算机的机器学习技术用于预测该模型下流体的流型，进而对微流控芯片的产物进行深入的预测与分析；根据采集数据自动生成并输出详细报表。
17、本发明的智能微流控芯片具备高耐用性，能够耐受高温和高压环境，同时展现出良好的耐磨性和抗腐蚀性。通过与外部控制系统的连接，并采用高性能微处理器stm32单片机，温度控制指令得以传输至温度控制单元，实现对微流控芯片温度场的精确控制。同时，基于压力传感器阵列采集的压力场数据，系统能够在人机界面上提醒工作人员采取相应的压力调节措施，并具备微反应区域压力异常报警功能。这不仅提高了对微反应器内化学反应过程的准确预测和精准控制能力，还显著增强了微流控芯片在化工生产中的应用潜力。
18、相对于现有技术而言，本发明所取得的有益技术效果如下：
19、（1）本发明的智能微流控芯片集成了温度和压力实时监测功能，并且支持在设备运行中进行在线编程，同时能响应外部信号中断进行编程更新。这一发明克服了现有微流控芯片在快速温度和压力测量方面的局限性，提高了微反应过程的监测与控制能力。该芯片具有结构简单、操作便捷和测量精度高等特点。
20、（2）本发明的智能微流控芯片采用氧化铝陶瓷材质制造，由于氧化铝陶瓷材质所具有的优异热性能，例如高熔点、良好的高温化学稳定性、低的线膨胀系数以及良好的尺寸稳定性，本发明的智能微流控芯片展现出卓越的耐高温、抗腐蚀、耐磨损性能。这使其可以满足包括硝化、磺化、酯化等多种化学反应的需求。此外，氧化铝陶瓷材质天然具有抗压抗弯性，使得本发明的智能微流控芯片还具有耐高压、不易变形，运行稳定、使用寿命长的优点。
21、（3）相较于传统微流控芯片而言，本发明不仅能够测量微流控芯片内部的温度场和压力场，而且还在此基础上增加了温度控制、压力报警、参数计算、产物预测以及流型判别等功能。这些功能的集成使得系统能够及时发现问题并采取相应的措施，有效预防反应设备损坏和潜在的安全事故。
1.一种智能微流控芯片，其特征在于，所述智能微流控芯片含有反应过程检测单元，所述反应过程检测单元由温度传感器阵列（7）和压力传感器阵列（8）组成，分别用于监测芯片内反应区域的温度场变化和压力场变化，并将测量结果以数字量的形式输出；
2.如权利要求书1所述的智能微流控芯片，其特征在于，所述温度传感器阵列（7）和压力传感器阵列（8）集成于第一印制电路板（1）上；所述第一印制电路板（1）用于接收温度传感器阵列（7）和压力传感器阵列（8）输出的数据，并传输至外部控制系统，实现与外部控制系统的实时通讯。
3.如权利要求书2所述的智能微流控芯片，其特征在于，温度场变化数据以数字量形式输出，经过第一印制电路板（1）处理后，通过总线实时传输至外部控制系统，以获取反应区域内的温度信息；压力场变化数据也以数字量形式输出，经第一印制电路板（1）导出后，通过总线实现与外部控制系统实时通信。
4.如权利要求书1至3中任一项所述的智能微流控芯片，其特征在于，所述智能微流控芯片内含有温度控制单元；所述温度控制单元由帕尔贴元件阵列（6）、控制电路和驱动装置组成；其中，所述帕尔贴元件阵列（6）集成于第二印制电路板（5）上，所述第二印制电路板（5）根据pid控制算法输出pwm信号对驱动模块进行定时使能，以驱动帕尔贴元件阵列（6）工作；所述驱动装置具有反馈检测和过热自断功能，通过pwm信号控制帕尔贴元件阵列（6）的输出功率，并控制电路输出温度调节信号，实现对智能微流控芯片内部温度场的控制。
5.如权利要求4所述的智能微流控芯片，其特征在于，所述智能微流控芯片的结构为：第一印制电路板（1）、上密封层（2）、芯片层（3）、下密封层（4）、第二印制电路板（5）；其中，第一印制电路板（1）上集成设置反应过程检测单元和第一微处理器；第二印制电路板（5）上设置温度控制单元和第二微处理器；
6.如权利要求5所述的智能微流控芯片，其特征在于，所述芯片层（3）的材质采用氧化铝陶瓷；所述第一微处理器和第二微处理器均为stm32单片机。
7.一种微流控芯片内温度场测控及压力场监测方法，其特征在于，通过温度传感器阵列（7）自动采集微流控芯片内反应区域的温度场数据，并将其以数字量的形式传输至外部控制系统；通过压力传感器阵列（8）采集微流控芯片内反应区域的压力场数据，并将其以数字量的形式传输至微处理器；所述微流控芯片采用权利要求1至6中任一项所述的智能微流控芯片。
8.如权利要求7所述的一种微流控芯片内温度场测控及压力场监测方法，其特征在于，外部控制系统接收到温度传感器阵列（7）传输的数据后，通过第一微处理器将温度控制指令传输给温度控制单元，温度控制单元对微流控芯片的温度场进行精确控制；
9.如权利要求8所述的一种微流控芯片内温度场测控及压力场监测方法，其特征在于，所述温度场数据和压力场数据在传输至外部控制系统后，通过使用python编程语言开发的人机界面进行状态显示。
10.如权利要求9所述的一种微流控芯片内温度场测控及压力场监测方法，其特征在于，人机界面具备以下功能：实时监控智能微流控芯片内的温度场和压力场变化趋势并在界面上实时显示；允许用户设定温度控制单元的目标值；调整压力报警阈值；在压力值超过安全限值时自动激活报警系统，并在界面上以闪烁方式提醒操作人员；利用所建立的温度场和压力场模型并结合计算机的机器学习技术用于预测该模型下流体的流型，进而对微流控芯片的产物进行深入的预测与分析；根据采集数据自动生成并输出详细报表。
