CN104180015B - 一种微阀及利用该微阀控制微流体输运的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微阀及利用该微阀控制微流体输运的方法，该微阀包括压电基片，压电基片的工作表面上设置有叉指换能器，且位于叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上设置有第一PDMS微槽，第一PDMS微槽的顶端开口上覆盖有导热金属片，导热金属片的上表面上设置有第二PDMS微槽，第二PDMS微槽的顶端开口上连接有PDMS软薄片，第二PDMS微槽的顶端上连接有PDMS聚合体，PDMS聚合体中软光刻有两条微通道，PDMS聚合体的底端与PDMS软薄片位置相对应处开设有与微通道连通的缺口，且缺口的边缘与PDMS软薄片密封连接；优点是无需气泵等体积较大的控制设备，利用声表面波就可实现微阀的开启与关闭，不仅使得微阀的结构简单、体积小，易集成于微流器件中，且响应速度快。

Description

一种微阀及利用该微阀控制微流体输运的方法

技术领域

本发明涉及一种用于微流控芯片中的微流体输运结构，尤其是涉及一种微阀及利用该微阀控制微流体输运的方法。

背景技术

微流技术可以将一系列常规的实验操作诸如抽样、样品预处理、分离、反应、检测和数据分析等集成于一块基片上。微流技术因其极大地降低了微流分析的成本、缩短了微流分析的时间，而获得了快速地发展，并已广泛应用于DNA测序、蛋白质分析、单细胞分析、毒品检测和食物安全等领域。

微通道是工作于连续流形式的微流系统中不可缺少的组成部分，是微流体赖以流动的场所。微阀是决定微流体沿特定微通道输运的基本单元，是连续流形式的微流器件中不可缺少的组成部分，国内外专家对微阀的结构和制作工艺作了较为深入的研究，提出了多种形式的微阀及其控制方法。

已报道的微流器件中集成的微阀，按照是否需要激励机构，可将其分为无源微阀和有源微阀两大类。

无源微阀不需要外部的动力或控制，其利用微流体本身流向和压力的变化就可实现微阀状态的改变。已报道的无源微阀以双晶片单向阀和凝胶阀为代表。双晶片单向阀由两个晶片相接而成，在一侧入口处加工出一弹性悬臂梁，当微流体正向流动时，弹性悬臂梁受压向下变形，微阀开启；当微流体反向流动时，弹性悬臂梁受反向压力而与上晶片相接，使通道封闭。双晶片单向阀的优点是泄漏小、响应速度快，其缺点是只能单向工作，且制作工艺较为复杂。凝胶阀是采用丙烯酰胺聚合体在高、低电压下的不同性质来实现阀开关状态的切换，在低电压下，空穴密集，微通道通路堵塞；在高电压下，空穴张开，微通道通路打开。凝胶阀已成功应用于PCR(PolymeraseChainReaction，聚合酶链式反应)芯片中，以完成PCR扩增和生化量检测，其优点是制作工艺简单、操作方便，其缺点是响应速度较慢，有待改进。

有源微阀是利用外界制动力来实现微阀的开启和关闭操作的，相比于无源微阀，有源微阀具有开关速度快、泄漏小等优点，因而对其研究更为广泛和深入，并提出了多种方法用于实现微阀开启和关闭。根据制动机理来分，有源微阀主要分为气动微阀、转矩控制微阀、相变阀和热膨胀阀等。气动微阀是以外部气体作为制动力的一类有源微阀，其一般通过在控制通道内施加一定气压来控制微阀的开启和闭合，施加气压时，中间层阀膜发生形变，向下挤压微流体通道，直到微流体通道堵塞；撤销气压时，中间层阀膜在自身弹性力的作用下恢复原状，微流体通道重新畅通，这种“下压”型气动微阀的优点是响应速度较快，缺点是深宽比较小，限制了应用范围。鉴于此，有人提出了“上推”型气动微阀，其在上层微流体通道和下层控制通道间直接夹入中间层阀膜，采用气动通过在控制腔室中施加一定气压或负压将中间层阀膜上推来完成微阀的关闭或开启，相比于“下压”型气动微阀，“上推”型气动微阀的优点是深宽比有较大幅度的增大，缺点是由于气路控制系统体积较大，价格昂贵，与微流器件的微小体积不相适应，因而使用范围受到了限制。其它几种制动类型的微阀都有其独特的优点，并适用于各自场合，但同时也有其局限性，如：转矩控制微阀难以实现自动化；相变阀由于相变物质直接位于微通道中，因此难以重复使用。如期刊《传感器与执行机构》2003年第89卷第3期315-323页(SensorsandActuatorsB,Vol.89(3),2003:315-323)公开了《大规模集成于玻璃微流器件的单片膜阀和横膈膜泵》(《Monolithicmembranevalvesanddiaphragmpumpsforpracticallarge-scaleintegrationintoglassmicrofluidicdevices》)，其公开的单片膜阀由上下两个玻璃基片构成，在上玻璃基片上采用标准的湿法化学腐蚀技术腐蚀微通道，在下玻璃基片上腐蚀位移腔，在上、下已腐蚀的玻璃基片中间设置有PDMS薄膜，当外界气动泵在向PDMS薄膜注入空气时，PDMS薄膜在气压作用下，向位移腔内弯曲，使得微通道连通，相当于微阀开启；当外界气动泵停止时，由于没有外界气压作用，因此PDMS薄膜恢复原状，微通道不连通，相当于微阀关闭。该单片膜阀可以有效地实现微通道内微流体输运的控制，但由于需要外部气动泵，而气动泵体积较大，因此难以集成于微流器件中，与微流器件的微型化不相适应，有待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微阀及利用该微阀控制微流体输运的方法，该微阀结构简单、体积小，易集成于微流器件中，且响应速度快。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种微阀，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用于装满石蜡油且两端开口的第一PDMS微槽，所述的第一PDMS微槽的底端开口的边缘密封连接于所述的压电基片的工作表面上，所述的第一PDMS微槽的顶端开口上覆盖有导热金属片，所述的导热金属片的上表面上设置有用于装满固体石蜡且两端开口的第二PDMS微槽，所述的第二PDMS微槽的底端开口的边缘与所述的导热金属片的上表面密封连接，所述的第二PDMS微槽内装满固体石蜡后所述的第二PDMS微槽的顶端开口上密封连接有PDMS软薄片，所述的第二PDMS微槽的顶端上连接有PDMS聚合体，所述的PDMS聚合体中软光刻有两条用于输运微流体的微通道，所述的微通道的顶端通道口位于所述的PDMS聚合体的顶端，所述的PDMS聚合体的底端与所述的PDMS软薄片位置相对应处开设有缺口，且所述的缺口的边缘与所述的PDMS软薄片密封连接，两条所述的微通道的底部通道口均与所述的缺口相连通，所述的PDMS软薄片在发生向上形变后覆盖所述的微通道的底部通道口。

该微阀还包括信号发生装置，所述的信号发生装置由用于产生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；在此，信号发生装置用于为叉指换能器提供RF电信号。

所述的PDMS软薄片的厚度为200～300μm；在此，限制PDMS软薄片的厚度是为了确保PDMS软薄片能够发生形变，同时具有一定的强度。

所述的PDMS软薄片的上表面与所述的微通道的底端通道口之间的间距即所述的缺口的深度为100～200μm；在此，将缺口的深度设计为100～200μm是为了确保PDMS软薄片发生向上形变后，其上表面刚好堵住微通道的底端通道口，以实现微阀的关闭。

所述的PDMS软薄片制备时所采用的PDMS单体与固化剂的体积比为(15～20)：1；所述的第一PDMS微槽、所述的第二PDMS微槽和所述的PDMS聚合体制备时所采用的PDMS单体与固化剂的体积比为(5～12)：1；在此，要求第一PDMS微槽、第二PDMS微槽和PDMS聚合体的硬度较高，避免在热量作用下及固体石蜡膨胀时发生形变，而要求PDMS软薄片的硬度较低，确保第二PDMS微槽内盛满的固体石蜡在热膨胀时PDMS软薄片发生形变，因此对制备时所采用的PDMS单体与固化剂的比例进行了限定。

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；在此，通过设置两个叉指换能器，使两个叉指换能器激发的声表面波共同作用于石蜡油，可加快石蜡油的加热速度，最终实现微阀的快速关闭。

所述的导热金属片采用铝片或铜片；在此，由于铝片或铜片具有很好的热传导特性，因此采用铝片或铜片作为导热金属片，可确保石蜡油产生的热量的传递效率。

一种利用上述的微阀控制微流体输运的方法，其特征在于通过微阀的关闭和开启实现微流体输运的控制，其中，

微阀关闭的实现过程为：启动信号发生器和功率放大器；信号发生器输出RF电信号并将RF电信号传输给功率放大器，功率放大器对接收到的RF电信号进行放大处理，并将放大后的RF电信号传输给叉指换能器，叉指换能器接入RF电信号后激发声表面波；叉指换能器激发的声表面波对第一PDMS微槽内装满的石蜡油进行辐射，对石蜡油持续加热，石蜡油加热后产生的热量经导热金属片传递到第二PDMS微槽内装满的固体石蜡上，固体石蜡在热量作用下熔化，熔化形成的液体石蜡体积膨胀使PDMS软薄片发生向上形变，此时向上形变的PDMS软薄片刚好覆盖住一条或两条微通道的底部通道口，使得两条微通道不导通，实现微阀的关闭；

在微阀关闭后再使微阀开启的实现过程为：关闭信号发生器和功率放大器；此时第二PDMS微槽内的液体石蜡降温从液体转化为固体，形成的固体石蜡体积收缩使PDMS软薄片恢复原状，从而使得两条微通道恢复导通，实现微阀的开启。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明的微阀利用叉指换能器激发的声表面波加热第一PDMS微槽内的石蜡油，石蜡油产生的热量经导热金属片传递给第二PDMS微槽内的固体石蜡上，而固体石蜡在热量作用下熔化，体积膨胀使PDMS软薄片发生向上形变，再由向上形变的PDMS软薄片堵住微通道的底端通道口，实现微阀的关闭；需要开启微阀时，只需断开加载到叉指换能器上的电信号即可；本发明无需气泵等体积较大的控制设备，利用声表面波就可实现微阀的开启与关闭，不仅使得微阀的结构简单、体积小，易集成于微流器件中，且响应速度快。

2)本发明的利用微阀控制微流体输运的方法的重复性好。

附图说明

图1为本发明的微阀的结构示意图；

图2a为本发明的微阀的部分结构(微阀打开状态)的剖视示意图；

图2b为本发明的微阀的部分结构(微阀关闭状态)的剖视示意图。

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。

实施例一：

本发明提出的一种微阀，如图所示，其包括信号发生装置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用于激发声表面波的叉指换能器21和用于反射叉指换能器21激发的声表面波的反射栅22，压电基片2的工作表面上且位于叉指换能器21激发的声表面波的声传输路径上设置有用于装满石蜡油91且两端开口的第一PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)微槽3，第一PDMS微槽3的底端开口的边缘密封连接于压电基片2的工作表面上，当石蜡油91受到声表面波的辐射后温度上升产生热量，第一PDMS微槽3的顶端开口上覆盖有导热金属片4，导热金属片4的上表面上设置有用于装满固体石蜡92且两端开口的第二PDMS微槽5，第二PDMS微槽5的底端开口的边缘与导热金属片4的上表面密封连接，第二PDMS微槽5内装满固体石蜡92后第二PDMS微槽5的顶端开口上密封连接有PDMS软薄片6，石蜡油91加热后产生的热量经导热金属片4传递到给固体石蜡92，固体石蜡92受热后熔化体积膨胀使PDMS软薄片6发生向上形变，第二PDMS微槽5的顶端上连接有PDMS聚合体7，PDMS聚合体7中软光刻有两条用于输运微流体的微通道71，微通道71的顶端通道口位于PDMS聚合体7的顶端，PDMS聚合体7的底端与PDMS软薄片6位置相对应处开设有缺口72，且缺口72的边缘与PDMS软薄片6密封连接，两条微通道71的底部通道口均与缺口72相连通，PDMS软薄片6在发生向上形变后覆盖微通道71的底部通道口，实现微阀的关闭，如图2b所示。

在此具体实施例中，信号发生装置1由用于产生RF(RadioFrequency，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8，PCB板8上设置有引线脚81，叉指换能器21包括两个汇流条211，汇流条211通过细导线经压焊或导电银胶等方式与引线脚81相连接，引线脚81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放大后再加载到叉指换能器21上，叉指换能器21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8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-YXLiNbO₃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21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石蜡油91而使石蜡油91的温度升的较高、较快。

在实际设计时，可在压电基片2的工作表面上对称的两侧边缘区域设置两个叉指换能器21，两个叉指换能器21具有相同的尺寸，通过设置两个叉指换能器21，使两个叉指换能器21激发的声表面波共同作用于石蜡油91，可加快石蜡油91的加热速度，最终实现微阀的快速关闭。在实际设计时，也可在压电基片2的工作表面的四周多设置几个叉指换能器21，这样可从多个角度辐射石蜡油91。

在此具体实施例中，导热金属片4采用铝片或铜片，由于铝片或铜片具有很好的热传导特性，因此采用铝片或铜片作为导热金属片4，可确保石蜡油91产生的热量的传递效率。当然，在实际加工时也可以采用其它导热性能良好的金属材料制成导热金属片4。

在此具体实施例中，要求第一PDMS微槽3、第二PDMS微槽5和PDMS聚合体7的硬度较高，避免在热量作用下及固体石蜡92膨胀时发生形变，第一PDMS微槽3、第二PDMS微槽5和PDMS聚合体7均由体积比为(5～12)：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成，实际制备第一PDMS微槽3、第二PDMS微槽5和PDMS聚合体7时可将单体和固化剂的体积比设定为10：1；第一PDMS微槽3和第二PDMS微槽5可设计成环形结构，PDMS聚合体7可设计成长方体结构。

在此具体实施例中，要求PDMS软薄片6的硬度较低，以确保第二PDMS微槽5内盛满的固体石蜡92在热膨胀时PDMS软薄片6发生形变，PDMS软薄片6由体积比为(15～20)：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成，实际制备PDMS软薄片6时可将单体和固化剂的体积比设定为18：1。在此，PDMS软薄片6的厚度可设计为200～300μm，限制PDMS软薄片6的厚度是为了确保PDMS软薄片6能够发生形变，同时具有一定的强度。在实际加工时如可将PDMS软薄片6的厚度设计为270μm。

在此具体实施例中，PDMS软薄片6的上表面与微通道71的底端通道口之间的间距即缺口72的深度可设计为100～200μm，将缺口72的深度设计为100～200μm是为了确保PDMS软薄片6发生向上形变后，其上表面刚好堵住微通道71的底端通道口，以实现微阀的关闭。在实际加工时如可将缺口72的深度设计为150μm。

在本实施例中，第一PDMS微槽3的底端开口的边缘与压电基片2的工作表面的密封连接、第二PDMS微槽5的底端开口的边缘与导热金属片4的上表面的密封连接、第二PDMS微槽5的顶端开口的边缘与PDMS软薄片6的密封连接、缺口72的边缘与PDMS软薄片6的密封连接均可通过涂覆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，并在常温下放置24个小时进行固化或经过100℃恒温箱固化1小时实现密封连接。

实施例二：

一种利用实施例一所述的微阀控制微流体输运的方法，其通过微阀的关闭和开启实现微流体输运的控制，其中，

微阀关闭的实现过程为：启动信号发生器和功率放大器；信号发生器输出RF电信号并将RF电信号传输给功率放大器，功率放大器对接收到的RF电信号进行放大处理，并将放大后的RF电信号传输给叉指换能器，叉指换能器接入RF电信号后激发声表面波；叉指换能器激发的声表面波对第一PDMS微槽内装满的石蜡油进行辐射，对石蜡油持续加热，石蜡油加热后产生的热量经导热金属片传递到第二PDMS微槽内装满的固体石蜡上，固体石蜡在热量作用下熔化，熔化形成的液体石蜡体积膨胀使PDMS软薄片发生向上形变，此时向上形变的PDMS软薄片刚好覆盖住一条或两条微通道的底部通道口，使得两条微通道不导通，实现微阀的关闭。

在微阀关闭后再使微阀开启的实现过程为：关闭信号发生器和功率放大器；此时由于没有声表面波加热石蜡油，因此第二PDMS微槽内的液体石蜡降温从液体转化为固体，形成的固体石蜡体积收缩使PDMS软薄片恢复原状，从而使得两条微通道恢复导通，实现微阀的开启。

Claims (9)

1.一种微阀，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用于装满石蜡油且两端开口的第一PDMS微槽，所述的第一PDMS微槽的底端开口的边缘密封连接于所述的压电基片的工作表面上，所述的第一PDMS微槽的顶端开口上覆盖有导热金属片，所述的导热金属片的上表面上设置有用于装满固体石蜡且两端开口的第二PDMS微槽，所述的第二PDMS微槽的底端开口的边缘与所述的导热金属片的上表面密封连接，所述的第二PDMS微槽内装满固体石蜡后所述的第二PDMS微槽的顶端开口上密封连接有PDMS软薄片，所述的第二PDMS微槽的顶端上连接有PDMS聚合体，所述的PDMS聚合体中软光刻有两条用于输运微流体的微通道，所述的PDMS聚合体的底端与所述的PDMS软薄片位置相对应处开设有缺口，且所述的缺口的边缘与所述的PDMS软薄片密封连接，两条所述的微通道的底部通道口均与所述的缺口相连通，所述的PDMS软薄片在发生向上形变后覆盖所述的微通道的底部通道口。

2.根据权利要求1所述的一种微阀，其特征在于该微阀还包括信号发生装置，所述的信号发生装置由用于产生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。

3.根据权利要求1或2所述的一种微阀，其特征在于所述的PDMS软薄片的厚度为200～300μm。

4.根据权利要求3所述的一种微阀，其特征在于所述的PDMS软薄片的上表面与所述的微通道的底端通道口之间的间距即所述的缺口的深度为100～200μm。

5.根据权利要求4所述的一种微阀，其特征在于所述的PDMS软薄片制备时所采用的PDMS单体与固化剂的体积比为(15～20)：1；所述的第一PDMS微槽、所述的第二PDMS微槽和所述的PDMS聚合体制备时所采用的PDMS单体与固化剂的体积比为(5～12)：1。

6.根据权利要求5所述的一种微阀，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。

7.根据权利要求6所述的一种微阀，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。

8.根据权利要求7所述的一种微阀，其特征在于所述的导热金属片采用铝片或铜片。

9.一种利用权利要求2所述的微阀控制微流体输运的方法，其特征在于通过微阀的关闭和开启实现微流体输运的控制，其中，

微阀关闭的实现过程为：启动信号发生器和功率放大器；信号发生器输出RF电信号并将RF电信号传输给功率放大器，功率放大器对接收到的RF电信号进行放大处理，并将放大后的RF电信号传输给叉指换能器，叉指换能器接入RF电信号后激发声表面波；叉指换能器激发的声表面波对第一PDMS微槽内装满的石蜡油进行辐射，对石蜡油持续加热，石蜡油加热后产生的热量经导热金属片传递到第二PDMS微槽内装满的固体石蜡上，固体石蜡在热量作用下熔化，熔化形成的液体石蜡体积膨胀使PDMS软薄片发生向上形变，此时向上形变的PDMS软薄片刚好覆盖住一条或两条微通道的底部通道口，使得两条微通道不导通，实现微阀的关闭；

在微阀关闭后再使微阀开启的实现过程为：关闭信号发生器和功率放大器；此时第二PDMS微槽内的液体石蜡降温从液体转化为固体，形成的固体石蜡体积收缩使PDMS软薄片恢复原状，从而使得两条微通道恢复导通，实现微阀的开启。