CN102679039A - 一种集成于微流控芯片内的气动微阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成于微流控芯片内的气动微阀。所述气动微阀包括至少1个由控制通道和可压缩气囊组成的封闭腔体；所述控制通道的一侧壁为弹性薄膜，且该侧壁为所述控制通道与所述微流控芯片的流体通道相交的共用壁；所述控制通道与所述可压缩气囊相连通，所述可压缩气囊的另一端与外界相连通，且该端部由弹性薄膜封闭。本发明提供的一种集成于微流控芯片内的气动微阀，避免使用常规微流控气动阀所需的外置高压气瓶和压力调控装置，通过简单的挤压气囊动作，为气动微阀工作提供所需的压强。本发明具有成本低、操作简便、小型便携等优点，特别适用于便携式的微流控分析系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成于微流控芯片内的气动微阀，属于微流控芯片技术领域。
背景技术
微阀是微流控芯片中用于实现微流体操控的最为重要的功能单元之一，其基本功能是实现流体通道的导通和隔断。在众多的微阀技术中，最早由Quake研究组于2000年提出的气动微阀，由于具备结构简单、响应速度快、易于大规模集成等优点，已成为目前微流控芯片中研究和应用最广泛的微阀技术。
微流控芯片上的气动微阀主要由两条垂直相交的流体通道以及夹在两通道间的弹性薄膜构成，其中一条通道为流体通道，用于芯片中的流体传输；另一通道为控制通道，一般与外接压力源相连，通过调节控制通道中的压强促使弹性薄膜朝流体通道发生形变，从而控制流体通道的导通与隔断。上述结构特征使得气动阀特别适合大规模地集成于微流控芯片上，因此在生化反应与分析领域中获得越来越多的关注。但是近年来随着微流控芯片在POCT（Point-of-Care Testing，现场即时检测）技术中的应用日益发展，人们对于小型化、集成化、自动化程度更高的微流控器件的需求与日俱增。为实现上述功能，对于气动微阀技术而言，人们不仅希望其结构简单、容易集成，而且希望外部关联设备也尽可能的小型而简便。
但是现有的气动微阀却存在以下局限性：气动阀的运行往往需要外接压力源以提供工作压强，目前的外加压力源主要采用高压气瓶（如高压空气、高压氮气等），并且需要一套专门的压力调节器用于调节气压，这些设备不仅外观笨重、体积大，难以携带，而且价格昂贵；此外，气动阀常开的工作状态需要外加压力源能够保持一个恒定的压强。上述这些特点决定了传统的气动微阀难以在小型便携的、一次性的微流控芯片中广泛推广。
发明内容
本发明的的是提供一种集成于微流控芯片内的气动微阀，其结构简单、操作简便、成本低廉。
本发明所提供的一种集成于微流控芯片内的气动微阀，它包括至少1个由控制通道和可压缩气囊组成的封闭腔体；
所述控制通道的一侧壁为弹性薄膜，且该侧壁为所述控制通道与所述微流控芯片的流体通道相交的共用壁；所述控制通道与所述可压缩气囊相连通，所述可压缩气囊的另一端与外界相连通，且该端部由弹性薄膜封闭。
上述的集成于微流控芯片内的气动微阀中，所述控制通道位于所述流体通道的上方或下方；当所述控制通道位于所流体通道的上方时，所述气动微阀对流体进行控制的方式为“下压式”，当所述控制通道位于所流体通道的下方时，所述气动微阀对流体进行控制的方式为“上推式”。
上述的集成于微流控芯片内的气动微阀中，所述封闭腔体内可填充有惰性流体。
上述的集成于微流控芯片内的气动微阀中，所述惰性流体可为惰性气体或惰性液体；所述惰性气体具体可为氮气或是压缩空气，所述惰性液体具体可为矿物油或是纯净水，所述惰性气体或惰性液体与微流控芯片的材料之间不发生化学反应，并且无法渗透过芯片的材料。
上述的集成于微流控芯片内的气动微阀中，所述弹性薄膜的厚度可为0~300μm，但不为零，其可由具有低弹性模量的高分子材料制成。
上述的集成于微流控芯片内的气动微阀中，所述弹性薄膜的材质可为硅橡胶、记忆合金、铝箔或压力膜；所述记忆合金具体可为形状记忆合金；当采用硅橡胶或记忆合金等可形变材料时，所述气动微阀可实现“开启—关闭”循环双向操作；当采用铝箔或压力膜等不能恢复原形的材料时，所述气动微阀只能实现“开启”的单向操作。
上述的集成于微流控芯片内的气动微阀中，所述气动微阀还可包括相配合的螺母与螺栓，所述螺母设于暴露于外的所述弹性薄膜上，当所述螺栓在所述螺母内进行定向移动时，暴露于外的所述弹性薄膜在所述螺栓的作用下发生形变。
上述的集成于微流控芯片内的气动微阀中，所述气动微阀还可包括电磁铁和金属块，所述金属块设于暴露于外的所述弹性薄膜上，所述弹性薄膜在所述电磁铁与金属块之间的吸引力的作用下发生形变。
本发明提供的集成于微流控芯片内的气动微阀的工作过程为：依靠外部压力挤压可压缩气囊使其发生压缩形变；压缩形变所产生的流体压强通过控制通道传递到弹性薄膜，促使薄膜朝流体通道发生相应的弹性形变，从而实现气动微阀控制流体流速及通断的功能。
对比现有的气动微阀技术，本发明提供的一种集成于微流控芯片内的气动微阀，避免使用常规微流控气动阀所需的外置高压气瓶和压力调控装置，通过简单的挤压气囊动作，为气动微阀工作提供所需的压强。本发明具有成本低、操作简便、小型便携等优点，特别适用于便携式的微流控分析系统。
附图说明
图1为本发明提供的气动微阀的结构示意图。
图2为本发明提供的气动微阀与螺母和螺栓配合时的结构示意图；其中，图2（a）为气动微阀处于空闲状态时的示意图，图2（b）为气动微阀处于工作状态时的示意图。
图3为本发明提供的气动微阀与电磁铁和铁块配合时的结构示意图；其中，图3（a）为气动微阀处于空闲状态时的示意图，图3（b）为气动微阀处于工作状态时的示意图。
图中各标记如下：1，4弹性薄膜、2控制通道、3可压缩气囊、5流体通道、6微流控芯片、7螺母、8螺栓、9电磁铁、10铁块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供的集成于微流控芯片内的气动微阀包括1个由控制通道2和可压缩气囊3组成的封闭腔体，该封闭腔体填充有压缩空气；控制通道2的一个侧壁为弹性薄膜1，其由可形变材料硅橡胶制成，弧度为200μm，且该侧壁为该控制通道2与微流控芯片6的流体通道5的相交的共用壁，控制通道2位于流体通道5的下方；控制通道2与可压缩气囊3的一端相连通，该可压缩气囊3的另一端与外界相连通，且该端部由弹性薄膜4进行封闭，该弹性薄膜4也为由硅橡胶制成的，其厚度为300μm。
如图2所示，本发明提供的气动微阀通过螺母7与螺栓8之间的相对移动实现对流体流速的控制：如图2（a）所示，螺母7位于弹性薄膜4上并固定，当气动微阀处于空闲状态时，螺栓8与弹性薄膜4不接触，此时弹性薄膜1和4都不发生任何形变，因此流体通道5中的流体以正常流速流动；当螺栓8沿着固定于微流控芯片6的螺母7向下运动时，如图2（b）所示，螺栓8使弹性薄膜4发生形变，产生的压强通过可压缩气囊3和控制通道2中的空气传递至弹性薄膜1，促使弹性薄膜1向流体通道5发生相应的弹性形变，从而导致流体通道5中的流体的运动速度降低；随着螺栓8位移的逐步下行，弹性薄膜1的形变量也不断加大，流体通道5中流体的流速也将随之降低，因此，通过螺母与螺栓的配合可可用于对微流控芯片中的流体速度进行精确的操控。
如图3所示，本发明通过的气动微阀通过电磁铁9与铁块10之间的吸引力实现对流体通道的通断控制，如图3（a）所示，当电磁铁9不加电压时，铁块10与弹性薄膜4不接触，气动微阀处于空闲状态，此时弹性薄膜1和4都不发生任何形变，因此流体通道5处于完全通路状态；当电磁铁9施加一定电压时，铁块10在磁场作用下向下运动，如图3（b）所示，铁块10使弹性薄膜4发生形变，产生的压强通过可压缩气囊3和控制通道2中的空气传递至弹性薄膜1，促使弹性薄膜1向流体通道5发生相应的弹性形变，该形变使弹性薄膜1紧贴于流体通道5的内壁，导致流体通道5处于完全断路状态；因此，通过电磁铁与铁块之间的吸引力可以精确实现对流体通道的通断控制。
当用本发明提供的气动微阀实现对流体方向的控制时，可通过设置2个或多个封闭腔体来实现，可通过选择性地控制弹性薄膜的形变实现对微流控芯片中流体方向的控制。
上述的气动微阀中，弹性薄膜1和4的厚度可在0~300μm的范围内进行调整，其其材质还可选择为记忆合金、铝箔或压力膜等材料；控制通道还可设置在流体通道的上方；该气动微阀还可通过手指或其它方式实现对弹性薄膜的形变。
Claims (8)
1.一种集成于微流控芯片内的气动微阀，其特征在于：所述气动微阀包括至少1个由控制通道和可压缩气囊组成的封闭腔体；
所述控制通道的一侧壁为弹性薄膜，且该侧壁为所述控制通道与所述微流控芯片的流体通道相交的共用壁；所述控制通道与所述可压缩气囊相连通，所述可压缩气囊的另一端与外界相连通，且该端部由弹性薄膜封闭。
2.根据权利要求1所述的气动微阀，其特征在于：所述控制通道位于所述流体通道的上方或下方。
3.根据权利要求1或2所述的气动微阀，其特征在于：所述封闭腔体内填充有惰性流体。
4.根据权利要求3所述的气动微阀，其特征在于：所述惰性流体为惰性气体或惰性液体；所述惰性气体为氮气或压缩空气，所述惰性液体为矿物油或纯净水。
5.根据权利要求1-4中任一所述的气动微阀，其特征在于：所述弹性薄膜的厚度为0~300μm，但不为零。
6.根据权利要求1-5中任一所述的气动微阀，其特征在于：所述弹性薄膜的材质为硅橡胶、记忆合金、铝箔或压力膜。
7.根据权利要求1-6中任一所述的气动微阀，其特征在于：所述气动微阀还包括相配合的螺母与螺栓，所述螺母设于暴露于外的所述弹性薄膜上，当所述螺栓在所述螺母内进行定向移动时，暴露于外的所述弹性薄膜在所述螺栓的作用下发生形变。
8.根据权利要求1-6中任一所述的气动微阀，其特征在于：所述气动微阀还包括电磁铁和金属块，所述金属块设于暴露于外的所述弹性薄膜上，所述弹性薄膜在所述电磁铁与金属块之间的吸引力的作用下发生形变。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
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Application publication date: 20120919 |