CN101709789A - 一种光驱动微阀及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料和微机械技术领域，具体为一种光驱动微阀及驱动方法。该光驱动微阀包含一个可产生形变的单元，所述单元包含在光照下产生伸缩变形的光致形变材料。所述微阀可为悬臂梁结构或阀膜结构。所述悬臂梁结构由基板、悬臂支架、光致形变材料制成的悬臂梁和阀塞组成。所述阀膜结构包括阀座和基板，所述底座与基板之间的空间形成微阀的流道，位于所述阀座上的上阀膜与位于所述基板上的下阀膜相贴合。本发明还提供一种驱动微阀的方法，将光照射到微阀的光致形变材料上，通过光致形变材料的形变控制微阀的开合。本发明的微阀结构简单，尺寸较小，适用于微流体传输与控制、微机械技术领域；本发明的光驱动方法具有传递功率大、非接触、快速、精确、清洁等优点，实现光能向机械能的直接转换。

Description

一种光驱动微阀及其驱动方法

技术领域

本发明属于材料和微机械技术领域，具体涉及一种利用光直接驱动的微阀以及驱动微阀的方法。

背景技术

随着微机械系统(MEMS)研究的不断进展，对执行器的要求越来越高：直接驱动、大驱动力、大位移、快速响应等。开发性能优异的光致形变材料及其复合材料，研制由光能直接驱动的微阀对微流体控制系统有重要意义。随着微流体系统技术应用领域不断加大，包括生物工程、药物传送、化学分析、军事、医疗保健、太空探索等，随着人类基因工程的发展，微流体系统在生命科学中的作用日益突出，它已经广泛应用于聚合酶链式反应、DNA分析和排序等方面。微阀作为微流体系统的主要元件之一，其作用包括径流调节、开/关转换以及密封生物分子、微/纳例子、化学试剂等。微阀主要分为有源微阀和无源微阀。有源微阀需要在某种驱动力的作用下实现对微流体的控制，传统的驱动方式主要有压电、磁、电、热相变、双稳态等。压电阀虽然具有灵敏度高、响应快的特点，但所需电场电压较高，能耗大而且危险性较高，很难直接应用。静电驱动的微阀虽反应时间快、功率低，但是驱动力较小。热驱动方式虽然结构简单，但消耗功率大、反应时间长。此外，传统的电、磁和热供能由于需要导线和一些转换器件，使结构的微型化成为一大问题。

光驱动具有传递功率大、可远程控制、快速、精确、清洁等优点，逐渐成为MEMS的最佳供能方式。将光能直接转化为机械能，实现光直接驱动执行器，这是许多科学家多少年来一直致力追求的梦想。光驱动可克服传统驱动方式的缺点，具备独特的特点。同济大学与复旦大学合作，利用新型液晶聚合物材料在光能下的三维运动特性，将其应用于微机械技术领域，为光驱动微阀的发展奠定了基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、光直接驱动、主动型结构的微阀，以及该微阀的驱动方法。使该微阀可用于小空间、远距离、电磁设备无法工作等特殊场合，并实现远程控制驱动阀门动作的功能。

本发明提供的光驱动微阀，包含一个可产生形变的单元，其中，所述单元包含在光照下可产生伸缩变形的光致形变材料，该单元为悬臂梁结构或者为阀膜结构。

其中，所述悬臂梁结构由基板、悬臂支架、阀塞和光致形变材料制成的悬臂梁组成。所述悬臂梁一端通过粘结剂与悬臂支架固连，另一端与阀塞粘结，其余部分悬空。所述悬臂支架通过粘结剂与基板固连。对应于阀塞的位置，基板上设有阀门，所述阀塞和阀门的阀口的配合表面具有一定的倾角，有利于阀塞的导向和流体的密封。

其中，所述阀膜结构至少包括阀座和基板，所述阀座与基板之间的空间形成微阀的流道，所述阀座上有上阀膜，所述基板上有下阀膜，上阀膜与下阀膜之间相贴合，组成阀门。

其中，所述下阀膜具有至少两层结构，其中上层为光致形变材料，下层为柔性高分子材料，层与层之间通过粘结剂粘结。所述下阀膜通过阀座与基板的压力压于基板的凹槽中。所述上阀膜为柔性高分子材料，通过粘结剂与阀座中部凸台部分固定连接。

其中，所述光致形变材料可以选用光致弯曲液晶高分子材料。

其中，所述的悬臂支架和阀塞由高分子材料、金属、陶瓷或它们的复合材料制成，优选高分子材料，更优选橡胶材料。所述阀座与基板由透光材料制成，所述透光材料选自有机玻璃、塑料、陶瓷中的一种，优先选用有机玻璃。所述的柔性高分子材料优选为聚乙烯、聚丙烯、天然橡胶中的一种，或者有它们构成的复合高分子材料，优选聚乙烯材料。

其中，所述的粘结剂选自聚丙烯酸酯类粘结剂、聚氨酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、橡胶类粘结剂中的一种，优选为环氧树脂类粘结剂。

本发明提供的上述光驱动微阀的方法，是利用光照射在微阀的光致形变材料使其发生形变从而控制阀门动作。

其中，光从上往下照射悬臂梁结构微阀的光致形变材料使其一端产生翘起弯曲，控制阀门打开；关闭光源使其恢复原始状态，控制阀门关闭。光从上往下照射阀膜结构微阀的光致形变材料使其产生凹形弯曲，控制阀门打开；关闭光源使其恢复原始状态，控制阀门关闭。

由以上技术方案可知，本发明中的微阀及其驱动微阀的方法具有如下优点及效果：

(1)本发明中的微阀结构简单、可具有非常小的尺寸，制造步骤简单，适合产业化生产。

(2)光驱动方式具有传统方式所不具备的特点：快速、精确、远程操作、传递功率大、清洁等。

(3)本发明中的微阀具有主动控制的特点，能用于单向阀，具有一个方向流动而另一个方向截止的特性。本发明的微阀能够应用于生命科学，进行药物传送和释放，可按给药时间控制周期长短，进行主动控制。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1是本发明实施例中悬臂梁结构的光驱动微阀的闭合状态结构示意图。

图2是悬臂梁结构的光驱动微阀的打开状态结构示意图。

图3是阀膜结构的光驱动微阀的闭合状态结构示意图。

图4是阀膜结构的光驱动微阀的打开状态结构示意图。

图中标号：1悬臂梁结构的光驱动微阀，101阀塞，102基板，103阀门，104悬臂支架，105悬臂梁，2阀膜结构的光驱动微阀，201阀座，202基板，203上阀膜，204流道，3下阀膜，301下阀膜上层，302下阀膜下层。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施列。应当注意，这里描述的实施例只能用于举例说明，并不用于限制本发明。

本发明中的光驱动微阀至少包含一个可产生形变的单元，所述单元包含在光照下产生伸缩变形的光致形变材料。如图所示，所述微阀具有两种结构，一种为悬臂梁结构1，一种为阀膜结构2。

悬臂梁结构的光驱动微阀1由悬臂支架104、阀塞101和光致形变材料制成的悬臂梁105组成。所述悬臂梁105一端与悬臂支架104通过粘结剂固定连接，另一端与阀塞101粘结，其余部分悬空。所述阀塞101和阀门103的阀口配合表面具有一定的倾角，有利于阀塞101的导向和流体的密封。所述的悬臂支架104和阀塞101选用橡胶材料。

阀膜结构的光驱动微阀2包括至少一个阀座201和基板202，阀座201中间部分有一凸台，上阀膜203粘于该凸台上，基板上有一凹槽，下阀膜3嵌合于该凹槽中。

所述阀座201与基板202两侧之间的空间形成微阀2的流道204，位于所述阀座201上的上阀膜203与位于所述基板202上的下阀膜3相贴合。所述下阀膜3具有至少两层结构，其中上层301为光致形变材料层，下层302为柔性高分子材料层，上层与下层之间通过粘结剂粘结。

所述下阀膜3通过阀座201与基板202的压力压于基板202的凹槽中。所述上阀膜203为柔性高分子材料，通过粘结剂与阀座201的凸台部分固定连接。

所述的悬臂梁105和下阀膜上层301采用光致弯曲液晶高分子材料，其厚度为18～25微米。

所述阀座201与基板202选用有机玻璃。

所述的下阀膜下层302采用聚乙烯材料，厚度为8～12微米。

所述的粘结剂选用环氧树脂。

下面简单描述所述两种结构的光驱动微阀的工作机理。

悬臂梁结构的光驱动微阀工作机理：所述微阀通过光(波长范围：200～450nm)从上往下照到形变单元的光致形变材料使其照射层产生伸缩变形，由于光致形变材料一端固定，类似悬臂梁结构，光致形变材料相当于悬臂梁，其照射层伸缩变形致使悬臂产生向光照侧的翘起弯曲，图2为向上弯曲，阀塞沿着阀门向上移动，此时阀门打开，液体或气体可流过微阀。当关闭光照使其恢复原始状态，阀塞向下移动，阀门处于关闭状态，如图1所示。所述的液体或气体不与微阀所有的组成材料发生化学反应。

阀膜结构的光驱动微阀工作机理：所述微阀通过光(波长范围：200～450nm)从上往下照到形变单元的光致形变材料使其照射层产生伸缩变形，使其下阀膜产生凹形弯曲，如图4所示，此时下阀膜不再与上阀膜贴合，表现为阀门打开的状态，流体或气体可通过微阀。当关闭光照，下阀膜恢复至原来的状态，此时下阀膜与上阀膜贴合，表现为阀门关闭的状态，如图3所示。

本发明中两种结构的微阀均为主动阀。其中悬臂梁结构的光驱动微阀1可做单向阀使用。如图1所示，当阀口上下之间为负压力差时，液体或气体能够通过微阀，微阀不起控制作用；当阀口上下之间为正压力差时，光照射光致形变材料使其产生伸缩变形，阀塞在力矩的作用下向上移动，阀门处于打开状态，如图2所示。阀膜结构的光驱动微阀2可做常闭阀使用。如图3所示，当关闭光照时，上下阀膜两边的流道被隔开，流体不能通过微阀，表现为常闭状态。当光照射光致形变材料使其产生形变时，下阀膜弯曲变形，微阀打开，流体允许通过，如图4所示。

虽然已参照上述实施例描述了本发明，但应当理解，所用术语只起说明和示例之用，而非限制性术语。由于本发明能够以多种形式具体实施，在不背离所附权利要求所定义的本发明的原理的精神和范围内，各种增添、变形和替换都应落入本发明的权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光驱动微阀，包含一个可产生形变的单元，其特征在于，所述单元包含在光照下可伸缩变形的光致形变材料，该单元为悬臂梁结构，或者为阀膜结构。

2.如权利要求1所述的光驱动微阀，其特征在于，所述悬臂梁结构由基板、悬臂支架、阀塞和光致形变材料制成的悬臂梁组成；所述悬臂梁一端通过粘结剂与悬臂支架固连，另一端与阀塞粘结，其余部分悬空；所述悬臂支架通过粘结剂与基板固连；对应于阀塞的位置，基板上有一个阀门，所述阀塞和阀门的阀口配合表面具有一定的倾角，以利于阀塞的导向和流体的密封。

3.如权利要求1所述的光驱动微阀，其特征在于，所述阀膜结构包括阀座和基板，所述阀座与基板之间的空间形成微阀的流道，位于所述阀座上有上阀膜，所述基板有下阀膜，上阀膜与下阀膜相贴合，组成阀门。

4.如权利要求3所述的光驱动微阀，其特征在于，所述下阀膜具有至少两层结构，其中上层为光致形变材料，下层为柔性高分子材料，上层与下层之间通过粘结剂粘结；所述下阀膜通过阀座与基板的压力压于基板的凹槽中；所述上阀膜为柔性高分子材料，通过粘结剂与阀座的凸台部分固定连接。

5.如权利要求2所述的光驱动微阀，其特征在于，所述的悬臂支架和阀塞由高分子材料、金属、陶瓷或它们的复合材料制成。

6.如权利要求4所述的光驱动微阀，其特征在于，所述阀座与基板由透光材料制成，所述透光材料选自有机玻璃、塑料、陶瓷中的一种；所述的柔性高分子材料选自聚乙烯、聚丙烯、天然橡胶中的一种，或者有它们构成的复合高分子材料。

7.如权利要求2或4所述的光驱动微阀，其特征在于，所述的粘结剂选自聚丙烯酸酯类粘结剂、聚氨酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、橡胶类粘结剂中的一种。

8.如权利要求1所述的光驱动微阀的驱动方法，其特征在于利用光照射微阀的光致形变材料，使其发生形变从而控制阀门动作。

9.如权利要求8所述的办法，其特征在于，对于悬臂梁结构，光从上往下照射悬臂梁结构微阀的光致形变材料使其一端产生翘起弯曲，控制阀门打开；关闭光源使其恢复原始状态，控制阀门关闭；对于阀膜结构，光从上往下照射阀膜结构微阀的光致形变材料，使其产生凹形弯曲，控制阀门打开；关闭光源使其恢复原始状态，控制阀门关闭。

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