CN103706413A - 微流控相变汽泡微泵阀及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微流控相变汽泡微泵阀，包括微通道结构、储液微穴、加热装置、底层芯片、绝缘层以及顶层芯片；所述微通道结构和所述储液微穴设置在顶层芯片上；所述储液微穴连接在所述微通道结构的两侧；所述储液微穴用于充装相变液体；所述加热装置设置在所述底层芯片上，所述加热装置用于对储液微穴内充装的相变液体进行加热；所述绝缘层设置在所述底层芯片和顶层芯片之间。本发明还提供相应的使用方法和相变液体的充注方法。本发明具有微泵和微阀双重功能，通过调节加热装置供给加热功率实现微泵和微阀功能转变，可缩减微流控加工工艺；作为微泵使用时，可实现微通道内流体间歇性输运；作为微阀使用时，可实现微通道内流体流量精确调节。

Description

微流控相变汽泡微泵阀及其方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片内流体驱动和控制，具体地，涉及一种微流控相变汽泡微泵阀及其方法。

背景技术

微流控分析芯片在生命科学，生化检测和微型能源系统等领域都有重要应用，微流控芯片内流体输运和流量控制是微流控的关键技术。在微流控芯片内受空间尺寸限制和微尺度效应影响，常规的流体驱动和控制方法直接应用于微流控芯片变得不可行。微泵和微阀是考虑微通道内流动特点，采用微机械加工技术在微流控芯片内制作的微流体驱动和控制装置。按原理可分为压力驱动、电水力驱动、电渗驱动、热驱动、表面张力驱动、离心力驱动等；如按有无可动部件分，又可分为有阀和无阀的驱动和控制；其中每一种驱动和控制方式又有各种不同的操作形式。

以热为动力源实现微流控芯片内流体输运和控制是微流控技术一个重要组成部分。热驱动泵的工作原理是，加热液体使其产生表面张力梯度的变化来驱动微流体；热气微泵主要通过气体加热膨胀来驱动弹性薄膜形变产生致动力实现流体驱动。使用热驱动的微阀主要有热空气驱动微阀、双金属驱动微阀和形状记忆合金驱动微阀三种。此外有一种固液相变驱动微阀，其致动部件是水凝胶、溶胶－凝胶、石蜡等沸点比较低的物质，通过改变温度使其处于不同相态，从而实现阀的开关功能。

基于汽液相变两相间较大的密度差，以液体沸腾产生汽泡为致动器驱动和控制微通道内流体为原理的微泵和微阀装置鲜有报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微流控相变汽泡微泵阀及其方法。

根据本发明的一个方面，提供的一种微流控相变汽泡微泵阀，包括微通道结构、储液微穴、加热装置、底层芯片、绝缘层以及顶层芯片；

所述微通道结构和所述储液微穴设置在顶层芯片上；所述储液微穴连接在所述微通道结构的两侧；所述储液微穴用于充装相变液体；所述加热装置设置在所述底层芯片上，所述加热装置用于对储液微穴内充装的相变液体进行加热；所述绝缘层设置在所述底层芯片和顶层芯片之间。

优选地，所述微通道结构包括流体入口、流体出口和主流微通道；所述流体入口和所述流体出口分别设置在主流微通道的两端。

优选地，所述储液微穴沿所述主流微通道的两侧交错排列。

优选地，所述储液微穴包括末端凹穴和向下倾斜的渐缩通道段；所述末端凹穴设置在渐缩通道段的末端。

优选地，所述加热装置包括微加热器、导线以及电源；所述微加热器、所述导线以及所述电源顺次相连，所述微加热器为采用溅射加工工艺制成的铂金属薄膜，所述导线为溅射加工工艺制成的铜薄膜，所述电源为连续加热的直流电源或者直流电源配合脉冲函数发生器组成脉冲加热电源。

优选地，还包括相变液体，所述相变液体充注在储液微穴中。

优选地，所述相变液体为丙酮。

根据本发明的另一个方面，提供的一种微流控相变汽泡微泵阀的相变液体的充注方法，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片放置使流体入口在上部，流体出口在下部；

步骤2：将相变液体通过微通道结构充注到储液微穴内；

步骤3：再将待检验样品或者气体充注到微通道结构的主流微通道内以使得相变液体排出，则储液微穴内残留的相变液体为充注的用于核态沸腾的液体。

根据本发明的另一个方面，提供的一种微流控相变汽泡微泵阀用作微阀的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片的放置角度使流体入口在上部，流体出口在下部；其中，主流微通道内充注有流体；

步骤2：增大加热装置的加热功率，使储液微穴内的相变液体核态沸腾产生汽泡，汽泡进入主流微通道形成汽塞以阻塞流体流动。

根据本发明的另一个方面，提供的一种微流控相变汽泡微泵阀用作微泵的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片的放置角度使流体入口在下部，流体出口在上部；其中，主流微通道内充注有流体；

步骤2：增大加热装置的加热功率，使储液微穴内核态沸腾产生的汽泡在主流微通道内形成汽塞，汽塞受浮力作用带动汽塞上部的流体沿主流微通道向上流动。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明具有微泵和微阀双重功能，通过调节加热装置供给加热功率实现微泵和微阀功能转变，可缩减微流控加工工艺；作为微泵使用时，可实现微通道内流体间歇性输运；作为微阀使用时，可实现微通道内流体流量精确调节；由于汽液两相间密度相差很大，储液微穴内少量液体沸腾可产生足够量汽泡，作为微阀使用时可在较宽的驱动压力区间实现微流体流量调节，作为微泵使用时可提供较大的驱动压力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的立体分解示意图；

图2本发明的结构示意图；

图3为本发明作为微阀使用时原理示意图；

图4为本发明作为微泵使用时原理示意图。

图中：

1 为顶层芯片；

2 为绝缘层；

3 为底层芯片；

4 为微通道结构；

5 为流体入口；

6 为流体出口；

7 为储液微穴；

8 为微加热器；

9 为导线；

10 为汽塞；

11 为流体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种微流控相变汽泡微泵阀，具有微泵和微阀双重功能，可实现微通道内流体间歇性输运等特点。

如图1所示，本发明提供的一种微流控相变汽泡微泵阀，主要由微通道结构4，储液微穴7、相变液体、加热装置底层芯片3以及顶层芯片1组成。微通道结构4设置在顶层芯片1。所述底层芯片3和所述顶层芯片1为玻璃芯片。采用MEMS（微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems)加工工艺在顶层芯片1上刻蚀出微通道结构4。微通道结构4包括流体入口5，流体出口6和主流微通道。流体入口5和流体出口6分别位于微通道结构4的主流微通道的两端；微通道结构4的侧壁上加工储液微穴7，储液微穴7由向下倾斜的渐缩通道段和末端凹穴组成；凹穴截面直径为微通道结构4的主流微通道的十分之一。根据本实施例微流控芯片使用需求，设置交错排列的多个储液微穴7，同侧相邻储液微穴7间距为主流微通道的宽度的两倍。考虑到丙酮的低沸点和不会对主流微通道内待检测样品产生影响，选择丙酮作为本实施例的相变液体。加热装置包括微加热器8、导线9以及电源；微加热器8、导线9以及电源顺次相连。采用MEMS技术中常见的溅射技术，在底层芯片3上对应储液微穴7的位置溅射厚度为0.1μm方形铂金属薄膜作为微加热器8，溅射铜薄膜作为导线9将电路引出芯片与外部的电源连接。电源为连续加热的直流电源或者直流电源配合脉冲函数发生器组成脉冲加热电源。加热方式可以选择脉冲加热和连续加热两种。作为微阀使用时，如图3所示，采用连续加热方式通过控制相变汽塞10的大小调节主流微通道内流体11流量；作为微泵使用，如图4所示，采用脉冲加热方式控制相变产生汽塞10的大小和数量实现主流微通道内流体11的间歇性输运。

进一步地，本发明采用三层结构装配，如图2所示，顶层为带有微通道结构4和储液微穴7的顶层芯片1，底层为底层芯片3，中间层为绝缘层2，绝缘层2为聚酰亚胺薄膜。采用热封接方法将三层结构键合密封在一起。

当本发明提供的微流控相变汽泡微泵阀作为微阀使用时，如图3所示，调整芯片放置使流体入口5在上部，流体出口6在下部，流体至上而下流动。将相变液体充注到微流控芯片内，之后再充注待检验样品将微通道结构4的主流微通道内的相变液体排出，储液微穴7内残留的相变液体作为沸腾使用液体；增大加热功率，使储液微穴7内的相变液体沸腾产生汽泡，汽泡进入主流微通道形成汽塞10，调节加热功率控制形生汽塞10的数量和体积大小。提供的加热功率不足以使储液微穴7内相变液体沸腾时，微阀处于开启状态；随着加热功率逐渐增加，有少量汽泡产生，汽泡体积较小，引起主流微通道内的流动阻力较小，主流微通道流量较大；随着加热功率进一步增加，汽泡数量增多，体积变大，引起的流动阻力增大，流量减小；直到流体驱动力不足以克服汽塞10产生引起的流动阻力，流体11停止运动，微阀处于关闭状态。

当本发明提供的微流控相变汽泡微泵阀作为微泵使用时，如图4所示，流体入口5在下部，流体出口6在上部，流体11从下而上流动。提供的加热功率不足以使储液微穴7内相变液体沸腾时，微泵处于不工作状态；随着加热功率逐渐增加，储液微穴7内沸腾产生的汽泡在微通道内形成汽塞10，汽塞10受浮力作用带动汽塞下部流体11沿微通道4向上流动。同样调节加热功率控制产生汽泡数量和体积大小，进而控制微泵产生的驱动力和流量大小。

储液微穴的设计，一方面用于存储相变液体以满足持续沸腾需要，另一方面为液体沸腾提供汽化核心，可保证在较低过热度时达到稳定核态沸腾状态，稳定产生汽泡；倾斜式渐缩通道设计有利于产生汽泡顺利进入主流微通道，不至于引起微凹穴内局部干涸。根据微流控芯片具体使用需求，可在微通道两侧壁分别设置交错排列多个储液微穴7。储液微穴7的交错布置是防止一侧壁面储液微穴7内气泡的产生对另一侧产生影响，使核态沸腾变得复杂，难以控制汽泡产生的稳定性。储液微穴7间距设置考虑防止纵向汽泡聚合进而引起流体波动。相变液体有多种选择，选取原则是：（1）相变液体不与主流微通道内待检测流体11发生反应，不影响主流微通道内流体的检测；（2）饱和沸腾温度尽可能低。这样一方面防止饱和沸腾温度过高会对样品产生影响；另一方面可减少所需加热功率，降低对加热装置的要求；（3）不与待检测样品相溶。相变液体可以是预先封存在储液微穴内，也可以现场充注自选相变液体。现场充注相变液体的方法是：首先将选定的相变液体注入微流控芯片内，然后外部通气或者通入微流控溶液，将主流微通道内的相变液体排出来，由于设计的储液微穴7，在排出主流微通道内的相变液体时，储液微穴7内仍然会滞留一部分相变液体，完成储液微穴内相变液体充注。

本发明工作原理为：加热储液微穴7内的低沸点相变液体达到沸腾状态，相变液体核态沸腾产生汽泡，由于主流微通道的尺寸限制，汽泡很快生长到占据整个主流微通道横截面，在主流微通道内形成汽泡塞10而断开流体11。根据供给汽泡热量的不同，汽泡体积缩小、不变或者长大。在竖直微通道4内，汽塞10受向上的浮力作用（浮力大小与汽泡体积成正比），增加了流体11至上而下流动阻力。在入口压力保持不变情况下，流动阻力增大则流量减小，当流体流动驱动力不能克服因汽塞10存在增加的流动阻力时，微通道内流体11停止运动。沿主流微通道4侧壁布置的多个储液微穴7可在主流微通道内同时产生多个汽塞10，调节加热功率控制产生汽泡的数量和体积大小，改变流体流动阻力，进而控制流体11流量，此种情况对应该发明作为微阀使用，如图3所示。作为微泵使用时，如图4所示，主流微通道入口在下部，出口在上部，流体从下而上流动。储液微穴7内沸腾产生汽泡在主流微通道内形成汽塞10，汽塞10受浮力作用沿微通道向上移动，在汽塞下部形成负压区，汽塞下部流体11在负压作用下跟随汽塞10沿主流微通道向上流动。同样，流量大小取决于汽塞10所受浮力大小，这可以通过加热装置控制产生汽泡的数量和体积大小来实现。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种微流控相变汽泡微泵阀，其特征在于，包括微通道结构、储液微穴、加热装置、底层芯片、绝缘层以及顶层芯片；

所述微通道结构和所述储液微穴设置在顶层芯片上；所述储液微穴连接在所述微通道结构的两侧；所述储液微穴用于充装相变液体；所述加热装置设置在所述底层芯片上，所述加热装置用于对储液微穴内充装的相变液体进行加热；所述绝缘层设置在所述底层芯片和顶层芯片之间。

2.根据权利要求1所述的微流控相变汽泡微泵阀，其特征在于，所述微通道结构包括流体入口、流体出口和主流微通道；所述流体入口和所述流体出口分别设置在主流微通道的两端。

3.根据权利要求2所述的微流控相变汽泡微泵阀，其特征在于，所述储液微穴沿所述主流微通道的两侧交错排列。

4.根据权利要求1所述的微流控相变汽泡微泵阀，其特征在于，所述储液微穴包括末端凹穴和向下倾斜的渐缩通道段；所述末端凹穴设置在渐缩通道段的末端。

5.根据权利要求1所述的微流控相变汽泡微泵阀，其特征在于，所述加热装置包括微加热器、导线以及电源；所述微加热器、所述导线以及所述电源顺次相连，所述微加热器为采用溅射加工工艺制成的铂金属薄膜，所述导线为溅射加工工艺制成的铜薄膜，所述电源为连续加热的直流电源或者直流电源配合脉冲函数发生器组成脉冲加热电源。

6.根据权利要求1所述的微流控相变汽泡微泵阀，其特征在于，还包括相变液体，所述相变液体充注在储液微穴中。

7.根据权利要求6所述的微流控相变汽泡微泵阀，其特征在于，所述相变液体为丙酮。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的微流控相变汽泡微泵阀的相变液体的充注方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片放置使流体入口在上部，流体出口在下部；

步骤2：将相变液体通过微通道结构充注到储液微穴内；

步骤3：再将待检验样品或者气体充注到微通道结构的主流微通道内以使得相变液体排出，则储液微穴内残留的相变液体为充注的用于核态沸腾的液体。

9.一种权利要求1至7中任一项所述的微流控相变汽泡微泵阀用作微阀的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片的放置角度使流体入口在上部，流体出口在下部；其中，主流微通道内充注有流体；

步骤2：增大加热装置的加热功率，使储液微穴内的相变液体核态沸腾产生汽泡，汽泡进入主流微通道形成汽塞以阻塞流体流动。

10.一种权利要求1至7中任一项所述的微流控相变汽泡微泵阀用作微泵的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片的放置角度使流体入口在下部，流体出口在上部；其中，主流微通道内充注有流体；

步骤2：增大加热装置的加热功率，使储液微穴内核态沸腾产生的汽泡在主流微通道内形成汽塞，汽塞受浮力作用带动汽塞上部的流体沿主流微通道向上流动。

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