CN102510278B - 一种以声表面波为能量源的纸基微流开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其通过在压电基片的疏水层上设置一个石蜡微加热单元，石蜡微加热单元包括PDMS微槽、连接于PDMS微槽的顶部上的PDMS固定片及悬置于PDMS微槽内的金属微池，且PDMS微槽的底部紧贴连接于疏水层上，这样压电基片上的叉指换能器激发的声表面波对置放于PDMS微槽内的甘油微流体进行辐射，使得甘油微流体温度升高，再经导热性能良好的金属微池对其内的固体石蜡进行加热，石蜡遇热膨胀，使位于薄铜片的微孔的上方的塑料薄片的一端上升，塑料薄片附带第三纸基微通道上升使第三纸基微通道分别与第一纸基微通道和第二纸基微通道接触，这种利用石蜡的热胀冷缩效应来控制开关的闭合与断开的方式，实现了开关的可编程特性。

Description

一种以声表面波为能量源的纸基微流开关

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片中的微流开关，尤其是涉及一种以声表面波为能量源的纸基微流开关。

背景技术

微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，自动完成分析全过程，用以代替传统的实验室工作。微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度大幅度提高等优点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。由于微流控芯片在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，因此其已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。鉴于微流控芯片所具有的广泛功能与用途，可以开发出生物计算机、基因与蛋白质测序、质谱和色谱等分析系统，成为系统生物学尤其系统遗传学的极为重要的技术基础。近年来，压电微流控芯片得到了快速发展，已经在其压电基片上实现了微流体输运、分离、富集等一系列的微流操作。目前，压电微流芯片已经发展成为微流控学研究的一个重要分支。

微流开关是微流控芯片中的重要组成部分，它可以对微流体的流向沿微通道进行定向分割，可以由用户编程确定微流体在什么时间，在哪些微通道中输运，实现微流分析。现有的以玻璃、硅片、PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）等为基底材料制作的微流控芯片，其微流开关主要通过微阀和微泵来实现微流控制，不仅增加了实验设备，而且外围设备体积较大不利于携带。纸基微流器件可克服这些缺点，它通过纸基片的毛细管力实现微流体输运。为了实现用户现场可编程纸基微流器件的功能，纸基微流开关是不可缺少的组成单元。期刊《片上实验室》2010年2499-2504页（Lab Chip, 2010, 10, 2499–2504）公开了《基于纸和胶带的可编程诊断器件》（《Programmable diagnostic devices made from paper and tape》），该论文公开的可编程微流开关工作时，用笔尖按住上面的第一纸基微通道并与下面的第二纸基微通道接触，微流体通过上面的第一纸基微通道流入下面的第二纸基微通道，微流体基于纸毛细管力使其定向流动，再用笔尖按住上面的第三纸基微通道并与下面的第二纸基微通道接触，微流体便可以从下面的第二纸基微通道流动到上面的第三纸基微通道上，如此反复，用笔尖的按压作为微流体输运的开关特性。这种可编程微流开关操作简单，制作成本低，无需外围气泵等设备，因而，便于携带。但由于它需要外加机械力来控制开关的闭合，不利于微流自动分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，且易于编程控制和利于集成化的纸基微流开关，它由声表面波来控制开关功能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于包括压电基片，所述的压电基片的上表面为工作表面，所述的压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波的叉指换能器，所述的压电基片的工作表面上且位于所述的叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上设置有疏水层，所述的疏水层上设置有石蜡微加热单元，所述的石蜡微加热单元包括用于容纳甘油微流体的PDMS微槽、连接于所述的PDMS微槽的顶部上的PDMS固定片及通过所述的PDMS固定片悬置于所述的PDMS微槽内且用于容纳固体石蜡的金属微池，所述的PDMS微槽具有顶部开口和底部开口，所述的PDMS微槽的底部紧贴连接于所述的疏水层上，所述的PDMS固定片上设置有与所述的金属微池的池口部分相配合的通孔，所述的金属微池的池口部分穿过所述的通孔与所述的PDMS固定片连接，所述的PDMS固定片上设置有用于覆盖所述的金属微池的池口的薄铜片，所述的薄铜片上设置有与所述的金属微池的池口相连通的微孔，所述的PDMS固定片和所述的薄铜片上共同涂覆有PDMS盖膜，所述的PDMS盖膜上支撑有载玻片，所述的载玻片的下表面上设置有第一纸基微通道和与所述的第一纸基微通道互不接触的第二纸基微通道，所述的PDMS盖膜上设置有塑料薄片，所述的塑料薄片的一端与所述的载玻片连接，所述的塑料薄片的另一端完全覆盖于所述的微孔上，所述的塑料薄片位于所述的微孔的上方的一端的上表面上设置有第三纸基微通道，所述的第三纸基微通道位于所述的微孔的上方，所述的金属微池内的固体石蜡未热胀时所述的第三纸基微通道与所述的第一纸基微通道和所述的第二纸基微通道互不接触，所述的金属微池内的固体石蜡热胀后驱使所述的塑料薄片附带所述的第三纸基微通道上升时所述的第三纸基微通道分别与所述的第一纸基微通道和所述的第二纸基微通道接触。

所述的第三纸基微通道的中心与所述的微孔的中心对准。

所述的第一纸基微通道和所述的第二纸基微通道之间的间隔区域的中心与所述的第三纸基微通道的中心对准。

所述的第一纸基微通道的接触部分位于所述的第三纸基微通道的第一接触部分的正上方，所述的第二纸基微通道的接触部分位于所述的第三纸基微通道的第二接触部分的正上方。

所述的载玻片的下表面上还设置有微流体引入纸基微通道，所述的微流体引入纸基微通道与所述的第一纸基微通道连接。

所述的载玻片的下表面的一端通过第一PDMS垫块与所述的塑料薄片的一端连接，所述的载玻片的下表面的另一端通过第二PDMS垫块与所述的PDMS盖膜连接。

所述的金属微池的池口边缘与所述的PDMS固定片的上表面处于同一水平面上。

所述的PDMS微槽、所述的PDMS固定片、所述的PDMS盖膜、所述的第一PDMS垫块和所述的第二PDMS垫块均主要由体积比为（5～12）：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成；所述的金属微池采用的材料为铝材料或铜材料。

所述的压电基片的工作表面上设置有用于反射所述的叉指换能器激发的声表面波的反射栅，所述的叉指换能器连接有信号发生装置，所述的信号发生装置主要由用于产生RF电信号的信号发生器和与所述的信号发生器连接的功率放大器组成，所述的压电基片的下表面上连接有PCB板，所述的PCB板上设置有引线脚，所述的叉指换能器包括两个汇流条，所述的汇流条通过导线与所述的引线脚相连接，所述的引线脚通过导线与所述的功率放大器相连接。

所述的压电基片的工作表面上对称设置有两个所述的叉指换能器，两个所述的叉指换能器具有相同的尺寸。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）通过在压电基片的疏水层上设置一个石蜡微加热单元，石蜡微加热单元包括用于容纳甘油微流体的PDMS微槽、连接于PDMS微槽的顶部上的PDMS固定片及通过PDMS固定片悬置于PDMS微槽内且用于容纳固体石蜡的金属微池，且PDMS微槽的底部紧贴连接于疏水层上，这样设置于压电基片的工作表面上的叉指换能器激发的声表面波对置放于PDMS微槽内的甘油微流体进行辐射，使得甘油微流体温度升高，再经导热性能良好的金属微池对金属微池内的固体石蜡进行加热，石蜡遇热膨胀，使位于薄铜片的微孔的上方的塑料薄片的一端上升，塑料薄片附带第三纸基微通道上升使第三纸基微通道分别与第一纸基微通道和第二纸基微通道接触，这种利用石蜡的热胀冷缩效应来控制纸基微流开关的闭合与断开的方式，实现了纸基微流开关的可编程特性，同时极大地拓展了压电微流控芯片的应用范围。

2）本发明利用声表面波作为能量源促使石蜡热胀，石蜡热胀使得第三纸基微通道分别与第一纸基微通道和第二纸基微通道接触，从而使得位于第一纸基微通道上的微流体流动到第三纸基微通道上，再从第三纸基微通道流动到第二纸基微通道上，实现了微流体的输运过程。

3）本发明的纸基微流开关的结构简单、成本低、操作简便，且由于其利用声表面波来控制开关的闭合与断开，利于集成到微流控芯片中；本发明的PDMS微槽本身具有部分粘性，可直接贴合在疏水层上，易于集成。

4）本发明的纸基微流开关可应用于疾病诊断、药物筛选、环境监测及食品安全等微流控芯片中。

附图说明

图1为本发明的纸基微流开关的结构示意图；

图2为本发明的纸基微流开关的局部透视示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，如图所示，其主要包括信号发生装置1和压电基片2，压电基片2的上表面为工作表面，压电基片2的工作表面上采用现有的微电子工艺光刻有两个用于激发声表面波的叉指换能器3和两个用于反射叉指换能器3激发的声表面波以减小RF信号的功率的反射栅4，两个叉指换能器3具有相同尺寸且位于压电基片2的工作表面对称的两侧边缘区域，压电基片2的工作表面上且位于两个叉指换能器3激发的声表面波的声传输路径上设置有疏水层5，即该疏水层5覆盖了两个叉指换能器3激发的声表面波的声传输路径，保证了甘油微流体位于声传输路径上，该疏水层5为在声传输路径上涂覆一层Teflon AF 1600疏水材料形成。疏水层5上设置有石蜡微加热单元6，石蜡微加热单元6包括用于容纳甘油微流体的PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）微槽61、连接于PDMS微槽61的顶部上的PDMS固定片62及通过PDMS固定片62悬置于PDMS微槽61内且用于容纳固体石蜡的金属微池63，PDMS微槽61仅具有周壁，即PDMS微槽61设置有顶部开口和底部开口，PDMS微槽61的顶部开口和底部开口与PDMS微槽61的内部相通，PDMS微槽61的底部紧贴连接于疏水层5上，PDMS微槽61内装有甘油微流体，容纳于PDMS微槽61内的甘油微流体与疏水层5接触，当甘油微流体受到声表面波的辐射后温度上升；PDMS固定片62上设置有与金属微池63的池口部分相配合的通孔621，金属微池63的池口部分穿过通孔621与PDMS固定片62连接，金属微池63通过PDMS固定片62悬置于PDMS微槽61内，即金属微池63的底部与疏水层5互不接触，通过金属微池63的池口向金属微池63内注入固体石蜡，容纳于PDMS微槽61内的甘油微流体与金属微池63的外表面充分接触，甘油微流体被辐射升温后产生的热量经金属微池63传递给固体石蜡，从而使固体石蜡遇热膨胀。PDMS固定片62上设置有用于覆盖金属微池63的池口的薄铜片91，薄铜片91与金属微池63的池口边缘之间通过502胶水粘接，薄铜片91上设置有与金属微池63的池口相连通的微孔911，当金属微池63内的固体石蜡融化膨胀后可从微孔911中溢出；PDMS固定片62和薄铜片91上共同涂覆有PDMS盖膜92，PDMS盖膜92不仅连接了PDMS固定片62和薄铜片91，封闭了薄铜片91上的微孔911，而且因PDMS盖膜92所采用的材料特征，其易发生形变，这样石蜡遇热膨胀后会使位于薄铜片91的微孔911上方的部分PDMS盖膜鼓起；PDMS盖膜92上支撑有载玻片93，载玻片93的下表面上设置有第一纸基微通道94和与第一纸基微通道94互不接触的第二纸基微通道95，PDMS盖膜92上设置有塑料薄片97，塑料薄片97的一端与载玻片93连接，塑料薄片97的另一端完全覆盖于微孔911上，塑料薄片97位于微孔911的上方的一端的上表面上设置有第三纸基微通道96，第三纸基微通道96位于微孔911的上方，金属微池63内的固体石蜡未热胀时第三纸基微通道96与第一纸基微通道94和第二纸基微通道95互不接触，金属微池63内的固体石蜡热胀后驱使塑料薄片97附带第三纸基微通道96上升时第三纸基微通道96分别与第一纸基微通道94和第二纸基微通道95接触。

在此具体实施例中，信号发生装置1主要由用于产生RF（Radio Frequency，射频）电信号的信号发生器11和与信号发生器11连接的功率放大器12组成，压电基片2的下表面上连接有PCB板7，PCB板7上设置有多个引线脚71，叉指换能器3包括两个汇流条31，汇流条31通过导线经压焊或导电银胶等方式与引线脚71相连接，引线脚71通过导线与功率放大器12相连接，信号发生器11输出RF电信号，该RF电信号经功率放大器12放大后再加载到两个叉指换能器3上，叉指换能器3在RF电信号的作用下激发声表面波。在此，信号发生器11和功率放大器12均采用现有技术。在此，PCB板7也可由其它现有的可以固定导线的基板替代。

在此具体实施例中，压电基片2可采用机电耦合系数稍大的压电基片，基本可取机电耦合系数大于5.5%的压电基片，如128⁰-YX LiNbO₃压电基片，因为在相同的RF电信号下，设置于具有较大机电耦合系数的压电基片上的叉指换能器能够产生幅度较大的声表面波，这样易于利用幅度较大的声表面波辐射甘油微流体而使甘油微流体的温度升的较高、较快。

在此具体实施例中，疏水层5的厚度应设计的适中，这是因为如果疏水层太厚，则衰减声表面波太大，如果疏水层太薄，则压电基片2的表面疏水性不够好，将导致甘油微流体通过PDMS微槽61与疏水层5之间可能存在的缝隙中渗出，因此可将该疏水层5的厚度控制在1～3μm范围内。

在此具体实施例中，金属微池63采用铝材料或铜材料制成，也可以采用其它导热性能良好的金属材料制成，实际设计过程中可选择铝片，不仅导热性能较好，且价格相对便宜。

在此具体实施例中，第三纸基微通道96的中心与微孔911的中心对准，第一纸基微通道94和第二纸基微通道95之间的间隔区域的中心与第三纸基微通道96的中心对准，第一纸基微通道94的接触部分941位于第三纸基微通道96的第一接触部分961的正上方，第二纸基微通道95的接触部分951位于第三纸基微通道96的第二接触部分962的正上方，这样设计可使纸基微流开关的开关特征更好。

在此具体实施例中，载玻片93的下表面上还设置有微流体引入纸基微通道98，微流体引入纸基微通道98与第一纸基微通道94连接，微流体引入纸基微通道98与第二纸基微通道95互不接触，微流体通过微流体引入纸基微通道98引入。

在此具体实施例中，载玻片93的下表面的一端通过第一PDMS垫块991与塑料薄片97的一端连接，载玻片93的下表面的另一端通过第二PDMS垫块992与PDMS盖膜92连接。

在此具体实施例中，金属微池63的池口边缘与PDMS固定片62的上表面处于同一水平面上。

在此，金属微池63与PDMS固定片62的固定方法为：倒置金属微池63于一玻璃微槽中，然后倒入散净气泡后且未固化的PDMS聚合物材料，在50℃的恒温箱中固化1小时后在室温下放置直至PDMS聚合物固化，拿掉玻璃微槽，移去金属微池63的池口内的固化的PDMS聚合物。

在此，微流体引入纸基微通道98、第一纸基微通道94和第二纸基微通道95均通过双面胶粘贴在载玻片93的下表面上，第三纸基微通道96通过双面胶粘贴在塑料薄片97的上表面的一端。

在此，可将薄铜片91的厚度设计为0.2mm～0.5mm左右，实际处理过程中可从硬度和材料节省两个因素来考虑薄铜片91的厚度。可将薄铜片91上的微孔911的直径大小设计为1～3mm左右，第一纸基微通道94和第二纸基微通道95之间的水平直线距离可设计为2～3mm左右，第一纸基微通道94、第二纸基微通道95与第三纸基微通道96之间的垂直距离可设计在1.0～1.2mm范围内。一般情况下，当薄铜片91上的微孔911的直径较大时，可将第一纸基微通道94、第二纸基微通道95与第三纸基微通道96之间的垂直距离设计的较大；当薄铜片91上的微孔911的直径较小时，可将第一纸基微通道94、第二纸基微通道95与第三纸基微通道96之间的垂直距离设计的较小，如微孔911的直径为3mm左右时，可将第一纸基微通道94、第二纸基微通道95与第三纸基微通道96之间的垂直距离设计为1.2mm左右。在此，可将PDMS盖膜92的厚度设计为0.5mm左右，如果PDMS盖膜92太薄，则石腊膨胀时容易致使PDMS盖膜92破裂，如果PDMS盖膜92太厚，则石腊膨胀时要求膨胀力较大，在膨胀力不足时PDMS盖膜92不容易实现形变。

在此具体实施例中，PDMS微槽61、PDMS固定片62、PDMS盖膜92、第一PDMS垫块991和第二PDMS垫块992均主要由体积比为（5～12）：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成。制备PDMS微槽61时可采用模塑法，在制备过程中，为能够使PDMS微槽61的底部能够较好地紧贴粘在疏水层5上，可适当提高单体和固化剂的体积比比例，从而使得制成的PDMS微槽61具有比较好的柔软性，不仅能够提高PDMS微槽61粘贴于疏水层5上的固定力，而且在PDMS微槽61较好地粘贴于疏水层5上时，两者之间不会存在缝隙，从而有效防止了位于PDMS微槽61内的甘油微流体通过缝隙渗到PDMS微槽61外。如果在制备PDMS微槽61时选取的单体和固化剂的体积比例较小，则可在制成的PDMS微槽61的周壁的底部再涂上一层由具有较高体积比例的单体和固化剂混合而成的PDMS聚合物，并经过80℃恒温箱固化1小时，这样，PDMS微槽61的周壁的底部即可比较牢固地与压电基片粘合。

在实际制备该纸基微流开关时，可将叉指换能器3设计在压电基片2的工作表面靠近侧边的区域上，而将疏水层5设计在压电基片2的工作表面的中心区域上，这样可在压电基片2的工作表面的四周多设置几个叉指换能器，可从多个角度辐射甘油微流体。

Claims (9)

1.一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于包括压电基片，所述的压电基片的上表面为工作表面，所述的压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波的叉指换能器，所述的压电基片的工作表面上且位于所述的叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上设置有疏水层，所述的疏水层上设置有石蜡微加热单元，所述的石蜡微加热单元包括用于容纳甘油微流体的PDMS微槽、连接于所述的PDMS微槽的顶部上的PDMS固定片及通过所述的PDMS固定片悬置于所述的PDMS微槽内且用于容纳固体石蜡的金属微池，所述的PDMS微槽具有顶部开口和底部开口，所述的PDMS微槽的底部紧贴连接于所述的疏水层上，所述的PDMS固定片上设置有与所述的金属微池的池口部分相配合的通孔，所述的金属微池的池口部分穿过所述的通孔与所述的PDMS固定片连接，所述的PDMS固定片上设置有用于覆盖所述的金属微池的池口的薄铜片，所述的薄铜片上设置有与所述的金属微池的池口相连通的微孔，所述的PDMS固定片和所述的薄铜片上共同涂覆有PDMS盖膜，所述的PDMS盖膜上支撑有载玻片，所述的载玻片的下表面上设置有第一纸基微通道和与所述的第一纸基微通道互不接触的第二纸基微通道，所述的PDMS盖膜上设置有塑料薄片，所述的塑料薄片的一端与所述的载玻片连接，所述的塑料薄片的另一端完全覆盖于所述的微孔上，所述的塑料薄片位于所述的微孔的上方的一端的上表面上设置有第三纸基微通道，所述的第三纸基微通道位于所述的微孔的上方，所述的金属微池内的固体石蜡未热胀时所述的第三纸基微通道与所述的第一纸基微通道和所述的第二纸基微通道互不接触，所述的金属微池内的固体石蜡热胀后驱使所述的塑料薄片附带所述的第三纸基微通道上升时所述的第三纸基微通道分别与所述的第一纸基微通道和所述的第二纸基微通道接触；

所述的载玻片的下表面的一端通过第一PDMS垫块与所述的塑料薄片的一端连接，所述的载玻片的下表面的另一端通过第二PDMS垫块与所述的PDMS盖膜连接。

2.根据权利要求1所述的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于所述的第三纸基微通道的中心与所述的微孔的中心对准。

3.根据权利要求1或2所述的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于所述的第一纸基微通道和所述的第二纸基微通道之间的间隔区域的中心与所述的第三纸基微通道的中心对准。

4.根据权利要求3所述的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于所述的第一纸基微通道的接触部分位于所述的第三纸基微通道的第一接触部分的正上方，所述的第二纸基微通道的接触部分位于所述的第三纸基微通道的第二接触部分的正上方。

5.根据权利要求4所述的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于所述的载玻片的下表面上还设置有微流体引入纸基微通道，所述的微流体引入纸基微通道与所述的第一纸基微通道连接。

6.根据权利要求1所述的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于所述的金属微池的池口边缘与所述的PDMS固定片的上表面处于同一水平面上。

7.根据权利要求6所述的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于所述的PDMS微槽、所述的PDMS固定片、所述的PDMS盖膜、所述的第一PDMS垫块和所述的第二PDMS垫块均主要由体积比为（5～12）：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成；所述的金属微池采用的材料为铝材料或铜材料。

8.根据权利要求7所述的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于所述的压电基片的工作表面上设置有用于反射所述的叉指换能器激发的声表面波的反射栅，所述的叉指换能器连接有信号发生装置，所述的信号发生装置主要由用于产生RF电信号的信号发生器和与所述的信号发生器连接的功率放大器组成，所述的压电基片的下表面上连接有PCB板，所述的PCB板上设置有引线脚，所述的叉指换能器包括两个汇流条，所述的汇流条通过导线与所述的引线脚相连接，所述的引线脚通过导线与所述的功率放大器相连接。

9.根据权利要求8所述的一种以声表面波为能量源的纸基微流开关，其特征在于所述的压电基片的工作表面上对称设置有两个所述的叉指换能器，两个所述的叉指换能器具有相同的尺寸。

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