Automatische Charakterisierung von Strömungsregimen in einem Mikrokanal

Nico Rathmayr

Automatische Charakterisierung von Strömungsregimen in einem Mikrokanal

Translated title of the contribution: Automatic Characterization of Droplet Flow Regimes in Microfluidic T-Junctions

Nico Rathmayr

Institute of Measurement Technology

Research output: Thesis › Master's / Diploma thesis

Abstract

The generation and control of droplets in microfluidic systems is a central topic in modern lab-on-a-chip technologies.
In particular, T-junction structures have proven to be versatile and well-studied geometries, as they enable reproducible
droplet formation under defined conditions. However, precise characterization and classification of the occurring flow regimes
is essential for many applications, such as biomedical diagnostics or chemical reaction studies on the microscale. Existing methods often require complex optical systems for observation, which complicates integration into compact, portable platforms.
The aim of this work is therefore to develop a method for automated, sensor-based analysis of flow regimes in a microfluidic
T-junction, thereby creating a foundation for flexible, cost-efficient, and user-friendly applications.

The automatic characterization of flow regimes is carried out through the use of capacitive sensing in combination with
continuous signal analysis. This approach not only enables continuous measurement and classification of the flow regimes, but also provides a practical user interface that integrates both control and visualization. Three embedded electrode pairs
deliver the raw signals, from which key parameters such as droplet sequence, droplet velocity, and droplet length are extracted.
These parameters form the basis for classification into the prevailing flow regime, whose occurrence depends largely on the
geometry of the T-junction, the absolute flow rates, and their ratio.

To represent and analyze the operating behavior, a so-called regime map is used. Measurement points are plotted on this map in such a way that the entire operating window of the T-junction is captured. The raw signals pass through a series of preprocessing
steps, followed by targeted feature extraction that takes into account parameters such as time intervals, pulse widths, amplitudes, and characteristic shape features. Classification is then performed using a hybrid decision logic that combines fast decisions with more robust methods, ensuring reliable and differentiated discrimination of regimes.

In addition, a cross-platform, intuitive graphical user interface (GUI) has been developed, which combines all essential functions in a compact application. These include pump control, measurement control, visualization of the three electrode channels, as well as automatic edge detection. Furthermore, calculated parameters such as droplet velocity and droplet length are displayed. The flow
regime determined from the measurement data is also visualized graphically, providing users with direct feedback on the current operating state. Accurate prediction, detection, and classification of flow regimes in a given T-junction thus opens up new possibilities for precise and flexible droplet generation, particularly in lab-on-a-chip applications.

Keywords: Microfluidics, Flow regimes, Capacitive sensing, Droplet generation, Visualization

Translated title of the contribution	Automatic Characterization of Droplet Flow Regimes in Microfluidic T-Junctions
Original language	German (Austria)
Qualification	Master
Awarding Institution	Johannes Kepler University Linz
Supervisors/Reviewers	Da Silva, Marco, Supervisor Tröls, Andreas, Supervisor
Award date	08 Oct 2025
Publication status	Published - 08 Oct 2025

Fields of science

202016 Electrical engineering
202015 Electronics
202012 Electrical measurement technology
202027 Mechatronics
202037 Signal processing

JKU Focus areas

Digital Transformation

UN SDGs

This output contributes to the following UN Sustainable Development Goals (SDGs)

Access to Document

https://epub.jku.at/urn/urn:nbn:at:at-ubl:1-96058

1 Article

Automatic Characterization of Droplet Flow Regimes in Microfluidic T- Junctions Using Capacitive Sensing
Tröls, A., Rathmayr, N. & Da Silva, M., 31 Jul 2025, In: IEEE Sensors Letters. 9, 9, 4 p., 4501904.
Research output: Contribution to journal › Article › peer-review

Open Access

Cite this

@mastersthesis{989e23fe26c242eeb2515f042d86c3ee,

title = "Automatische Charakterisierung von Str{\"o}mungsregimen in einem Mikrokanal",

abstract = "Die Erzeugung und Kontrolle von Tropfen in mikrofluidischen Systemen ist ein zentrales Thema moderner Lab-on-a-Chip-Technologien. Insbesondere T-Junction-Strukturen haben sich dabei als vielseitige und gut untersuchte Geometrien etabliert, da sie eine reproduzierbare Tropfenbildung unter definierten Bedingungen erm{\"o}glichen. Eine pr{\"a}zise Charakterisierung und Klassifizierung der auftretenden Str{\"o}mungsregime ist jedoch f{\"u}r viele Anwendungen unverzichtbar, etwa in der biomedizinischen Diagnostik oder bei chemischen Reaktionsstudien im Mikroma{\ss}stab. Bisherige Methoden erfordern h{\"a}ufig aufw{\"a}ndige optische Systeme zur Beobachtung, was die Integration in kompakte, portable Plattformen erschwert. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Verfahren zur automatisierten, sensorbasierten Analyse von Str{\"o}mungsregimen in einer mikrofluidischen T-Junction zu entwickeln und damit eine Grundlage f{\"u}r flexible, kosteneffiziente und benutzerfreundliche Anwendungen zu schaffen. Die automatische Charakterisierung von Str{\"o}mungsregimen erfolgt durch den Einsatz kapazitiver Sensorik in Kombination mit einer fortlaufenden Signalanalyse. Auf diese Weise wird nicht nur eine kontinuierliche Messung und Klassifikation der Str{\"o}mungsregime erm{\"o}glicht, sondern auch eine praktische Nutzerschnittstelle bereitgestellt, die sowohl Steuerung als auch Visualisierung umfasst. Drei eingebettete Elektrodenpaare liefern hierbei die Rohsignale, aus denen Kennwerte wie Tropfenabfolge, Tropfengeschwindigkeit und Tropfenl{\"a}nge extrahiert werden. Diese Gr{\"o}{\ss}en dienen als Grundlage f{\"u}r die Einordnung in das jeweils vorherrschende Str{\"o}mungsregime, dessen Auftreten ma{\ss}geblich von der Geometrie der T-Junction, den absoluten Str{\"o}mungsgeschwindigkeiten sowie ihrem Verh{\"a}ltnis abh{\"a}ngt. Zur Darstellung und Analyse des Betriebsverhaltens wird eine sogenannte Regime-Map eingesetzt. Auf dieser werden die Messpunkte so abgebildet, dass das gesamte Betriebsfenster der T-Junction erfasst wird. Die Rohsignale durchlaufen dabei eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten, gefolgt von einer gezielten Feature-Extraktion, die Parameter wie Zeitdifferenzen, Impulsbreiten, Amplituden und charakteristische Formmerkmale ber{\"u}cksichtigt. Anschlie{\ss}end erfolgt die Klassifikation mithilfe einer hybriden Entscheidungslogik, die schnelle Entscheidungen mit robusteren Verfahren kombiniert, um eine zuverl{\"a}ssige und differenzierte Unterscheidung der Regime zu gew{\"a}hrleisten. Erg{\"a}nzend wurde eine plattform{\"u}bergreifende, intuitive grafische Benutzeroberfl{\"a}che (GUI) entwickelt, die s{\"a}mtliche wesentlichen Funktionen in einer kompakten Anwendung vereint. Dazu geh{\"o}ren die Pumpensteuerung, die Messsteuerung, die Visualisierung der drei Elektrodenkan{\"a}le sowie die automatische Flankenerkennung. Dar{\"u}ber hinaus werden berechnete Kennwerte wie Tropfengeschwindigkeit und Tropfenl{\"a}nge dargestellt. Zus{\"a}tzlich wird das aus den Messdaten bestimmte Str{\"o}mungsregime grafisch visualisiert, sodass Anwender eine direkte R{\"u}ckmeldung {\"u}ber den aktuellen Betriebszustand erhalten. Die genaue Vorhersage, Erkennung und Klassifizierung von Str{\"o}mungsregimen in einer gegebenen T-Junction er{\"o}ffnet damit neue M{\"o}glichkeiten f{\"u}r eine pr{\"a}zise und flexible Tropfengenerierung, insbesondere in Lab-on-a-Chip-Anwendungen. Schlagw{\"o}rter: Mikrofluidik, Str{\"o}mungsregime, Kapazitive Sensorik, Tropfengenerierung, Visualisierung ",

author = "Nico Rathmayr",

year = "2025",

month = oct,

day = "8",

language = "Deutsch ({\"O}sterreich)",

school = "Johannes Kepler Universit{\"a}t Linz",

}

TY - THES

T1 - Automatische Charakterisierung von Strömungsregimen in einem Mikrokanal

AU - Rathmayr, Nico

PY - 2025/10/8

Y1 - 2025/10/8

N2 - Die Erzeugung und Kontrolle von Tropfen in mikrofluidischen Systemen ist ein zentrales Thema moderner Lab-on-a-Chip-Technologien. Insbesondere T-Junction-Strukturen haben sich dabei als vielseitige und gut untersuchte Geometrien etabliert, da sie eine reproduzierbare Tropfenbildung unter definierten Bedingungen ermöglichen. Eine präzise Charakterisierung und Klassifizierung der auftretenden Strömungsregime ist jedoch für viele Anwendungen unverzichtbar, etwa in der biomedizinischen Diagnostik oder bei chemischen Reaktionsstudien im Mikromaßstab. Bisherige Methoden erfordern häufig aufwändige optische Systeme zur Beobachtung, was die Integration in kompakte, portable Plattformen erschwert. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Verfahren zur automatisierten, sensorbasierten Analyse von Strömungsregimen in einer mikrofluidischen T-Junction zu entwickeln und damit eine Grundlage für flexible, kosteneffiziente und benutzerfreundliche Anwendungen zu schaffen. Die automatische Charakterisierung von Strömungsregimen erfolgt durch den Einsatz kapazitiver Sensorik in Kombination mit einer fortlaufenden Signalanalyse. Auf diese Weise wird nicht nur eine kontinuierliche Messung und Klassifikation der Strömungsregime ermöglicht, sondern auch eine praktische Nutzerschnittstelle bereitgestellt, die sowohl Steuerung als auch Visualisierung umfasst. Drei eingebettete Elektrodenpaare liefern hierbei die Rohsignale, aus denen Kennwerte wie Tropfenabfolge, Tropfengeschwindigkeit und Tropfenlänge extrahiert werden. Diese Größen dienen als Grundlage für die Einordnung in das jeweils vorherrschende Strömungsregime, dessen Auftreten maßgeblich von der Geometrie der T-Junction, den absoluten Strömungsgeschwindigkeiten sowie ihrem Verhältnis abhängt. Zur Darstellung und Analyse des Betriebsverhaltens wird eine sogenannte Regime-Map eingesetzt. Auf dieser werden die Messpunkte so abgebildet, dass das gesamte Betriebsfenster der T-Junction erfasst wird. Die Rohsignale durchlaufen dabei eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten, gefolgt von einer gezielten Feature-Extraktion, die Parameter wie Zeitdifferenzen, Impulsbreiten, Amplituden und charakteristische Formmerkmale berücksichtigt. Anschließend erfolgt die Klassifikation mithilfe einer hybriden Entscheidungslogik, die schnelle Entscheidungen mit robusteren Verfahren kombiniert, um eine zuverlässige und differenzierte Unterscheidung der Regime zu gewährleisten. Ergänzend wurde eine plattformübergreifende, intuitive grafische Benutzeroberfläche (GUI) entwickelt, die sämtliche wesentlichen Funktionen in einer kompakten Anwendung vereint. Dazu gehören die Pumpensteuerung, die Messsteuerung, die Visualisierung der drei Elektrodenkanäle sowie die automatische Flankenerkennung. Darüber hinaus werden berechnete Kennwerte wie Tropfengeschwindigkeit und Tropfenlänge dargestellt. Zusätzlich wird das aus den Messdaten bestimmte Strömungsregime grafisch visualisiert, sodass Anwender eine direkte Rückmeldung über den aktuellen Betriebszustand erhalten. Die genaue Vorhersage, Erkennung und Klassifizierung von Strömungsregimen in einer gegebenen T-Junction eröffnet damit neue Möglichkeiten für eine präzise und flexible Tropfengenerierung, insbesondere in Lab-on-a-Chip-Anwendungen. Schlagwörter: Mikrofluidik, Strömungsregime, Kapazitive Sensorik, Tropfengenerierung, Visualisierung

AB - Die Erzeugung und Kontrolle von Tropfen in mikrofluidischen Systemen ist ein zentrales Thema moderner Lab-on-a-Chip-Technologien. Insbesondere T-Junction-Strukturen haben sich dabei als vielseitige und gut untersuchte Geometrien etabliert, da sie eine reproduzierbare Tropfenbildung unter definierten Bedingungen ermöglichen. Eine präzise Charakterisierung und Klassifizierung der auftretenden Strömungsregime ist jedoch für viele Anwendungen unverzichtbar, etwa in der biomedizinischen Diagnostik oder bei chemischen Reaktionsstudien im Mikromaßstab. Bisherige Methoden erfordern häufig aufwändige optische Systeme zur Beobachtung, was die Integration in kompakte, portable Plattformen erschwert. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Verfahren zur automatisierten, sensorbasierten Analyse von Strömungsregimen in einer mikrofluidischen T-Junction zu entwickeln und damit eine Grundlage für flexible, kosteneffiziente und benutzerfreundliche Anwendungen zu schaffen. Die automatische Charakterisierung von Strömungsregimen erfolgt durch den Einsatz kapazitiver Sensorik in Kombination mit einer fortlaufenden Signalanalyse. Auf diese Weise wird nicht nur eine kontinuierliche Messung und Klassifikation der Strömungsregime ermöglicht, sondern auch eine praktische Nutzerschnittstelle bereitgestellt, die sowohl Steuerung als auch Visualisierung umfasst. Drei eingebettete Elektrodenpaare liefern hierbei die Rohsignale, aus denen Kennwerte wie Tropfenabfolge, Tropfengeschwindigkeit und Tropfenlänge extrahiert werden. Diese Größen dienen als Grundlage für die Einordnung in das jeweils vorherrschende Strömungsregime, dessen Auftreten maßgeblich von der Geometrie der T-Junction, den absoluten Strömungsgeschwindigkeiten sowie ihrem Verhältnis abhängt. Zur Darstellung und Analyse des Betriebsverhaltens wird eine sogenannte Regime-Map eingesetzt. Auf dieser werden die Messpunkte so abgebildet, dass das gesamte Betriebsfenster der T-Junction erfasst wird. Die Rohsignale durchlaufen dabei eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten, gefolgt von einer gezielten Feature-Extraktion, die Parameter wie Zeitdifferenzen, Impulsbreiten, Amplituden und charakteristische Formmerkmale berücksichtigt. Anschließend erfolgt die Klassifikation mithilfe einer hybriden Entscheidungslogik, die schnelle Entscheidungen mit robusteren Verfahren kombiniert, um eine zuverlässige und differenzierte Unterscheidung der Regime zu gewährleisten. Ergänzend wurde eine plattformübergreifende, intuitive grafische Benutzeroberfläche (GUI) entwickelt, die sämtliche wesentlichen Funktionen in einer kompakten Anwendung vereint. Dazu gehören die Pumpensteuerung, die Messsteuerung, die Visualisierung der drei Elektrodenkanäle sowie die automatische Flankenerkennung. Darüber hinaus werden berechnete Kennwerte wie Tropfengeschwindigkeit und Tropfenlänge dargestellt. Zusätzlich wird das aus den Messdaten bestimmte Strömungsregime grafisch visualisiert, sodass Anwender eine direkte Rückmeldung über den aktuellen Betriebszustand erhalten. Die genaue Vorhersage, Erkennung und Klassifizierung von Strömungsregimen in einer gegebenen T-Junction eröffnet damit neue Möglichkeiten für eine präzise und flexible Tropfengenerierung, insbesondere in Lab-on-a-Chip-Anwendungen. Schlagwörter: Mikrofluidik, Strömungsregime, Kapazitive Sensorik, Tropfengenerierung, Visualisierung

M3 - Master-/Diplomarbeit

ER -

Automatische Charakterisierung von Strömungsregimen in einem Mikrokanal

Abstract

Fields of science

JKU Focus areas

UN SDGs

Access to Document

Research output

Automatic Characterization of Droplet Flow Regimes in Microfluidic T- Junctions Using Capacitive Sensing

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