CN104315241A - 微流体微阀及驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微膜泵芯片上的基本功能单元微阀结构及驱动装置。微流体微阀由流道结构层、膜片层、驱动结构层、传动液体、温度敏感材料、热交换面构成；驱动装置至少包括：芯片卡具、温度控制装置、热控面。微阀结构将温变材料及传动液体封闭在芯片中，利用温变材料固液状态变化产生驱动力，通过对芯片热接触区控温实现芯片流体驱动。在基于微膜泵技术的塑料微流体芯片上，芯片上各种微控制器件都可由微阀演化而来，根据需要进行不同组合集成，可实现芯片上微量流体控制。本发明方案具有驱动装置和流道分离，芯片易于加工，成本低，芯片与驱动装置连接简单可靠，驱动装置可重复使用的特点。

Description

微流体微阀及驱动装置
技术领域
本专利涉及一种微流体微阀及驱动装置，尤其涉及一种塑料微膜泵芯片上的基本功能单元微阀及驱动装置。
背景技术
现有实验室分析方法往往受前处理及检测过程复杂，场地要求严格等因素的限制，易受环境及人为因素干扰。微流体芯片系统用以驱动微少体积流体，具有良好的封闭性，使用方便、样品使用量小，受人为因素干扰小，在生命科学研究、疾病诊断、食品安全、环境分析等领域具有良好的应用前景。
塑料微流体芯片具有一次性使用，低成本等优势，受到了广泛关注。发明专利(CN101282789)提供了多种基于微膜泵塑料芯片的功能结构，易于批量生产，功能灵活可控。为了降低芯片成本，芯片中仅包含流体流动所需流道结构，不包含复杂的驱动及传动系统。发明专利(CN 102906573)提供了基于微末泵塑料芯片的检测装置，采用气动驱动及传动部件，实现了核酸分析全过程的芯片集成。系统为了使用气体能量驱动膜片，针对每个微膜泵设置了气动接口，同时为了保证芯片可以方便拆卸，气动接口只能做临时密封，特别当高压气体推动微膜泵时容易泄露。由于微流体芯片上需要驱动大量的基本微膜泵单元，任何单元漏气，都可能导致芯片失效，造成了可靠性隐患。
发明内容
本发明提供了一种微流体微阀及驱动装置，微阀结构利用温变材料固液状态变化产生驱动力，并将温变材料及传动液体封闭在芯片中，通过对芯片热接触区控温实现芯片流体驱动，具有使用方便、可靠，易于加工，低成本的特点。
本发明技术方案中微流体微阀由流道结构层104、膜片层103、驱动结构层102、传动液体105、温度敏感材料106、热交换面107构成：其中流道结构层104由塑料材料制成，并在与弹性膜片层103接触的一面有沟槽、过孔等结构用于构建流道203；流道结构层104与膜片层103封闭形成流道203，并构成弹性膜片202；其中，膜片层103部分区域不与流道结构层104和驱动结构层105粘连，在压力作用下可以与流道结构层104分离，形成一定空间存储流体或构成流体通道，也可以在压力作用下贴紧流道结构层104，排空流体或阻断流体通路，这部分膜层的可动区域定义为弹性膜片202；其中驱动结构层105由塑料材质制成，并在其与膜片层103接触的一面有沟槽结构用于构建传动液体通道201，其中充满传动液体105，驱动结构层105设有储存温度敏感材料的空间204；其中热交换面107用于驱动装置进行热交换，控制温度敏感材料106温度；其中传动液体105将温度敏感材料106由于受控温度改变而引起的体积膨胀或收缩力引起的压强变化传至弹性膜片202，使其发生形变。所述温度敏感材料106为石蜡等固液相变体积发生明显变化的材料。温度敏感材料106和传动液体105在芯片生产过程中封闭在芯片内。驱动结构层102可以是一层或两层，在流道结构层104的下部或将流道结构层包夹。
本发明技术方案中微流体膜片泵驱动装置至少包括：芯片卡具101、温度控制装置109、热控面108。所述温度控制装置109，具有测温和控温功能，可以使热控面108温度在温度敏感材料106固液相变化温度范围内快速变化，可以包含预热装置，使热控面保持基础温度在温度敏感材料106固液变换温度附近。芯片卡具101具有定位和压紧功能，使芯片上的热交换面107与驱动装置的热控面108对准并紧密接触。
本发明技术方案中微流体微阀集成与塑料微流体芯片中。在基于微膜泵技术的微流体芯片上，芯片上各种微控制器件都是由微阀演变而来的，根据需要进行不同组合集成，本发明装置即可实现芯片上微量流体控制。
本发明保持了原有在先技术控制灵活，便于平行驱动，芯片安装方便的优点，同时由于将温变材料集成在芯片中，提高了传动效率；由于取消了气动接口解决了由于气体泄露引起的微阀功能失效，提高了系统的可靠性。
附图说明
通过附图和实施例，对本专利的技术方案作进一步的详细描述。本发明的特征将被充分公开或者清楚反映，其中：
图1为本发明方案简图
图2芯片局部放大图
图3本发明具体实施方案简图-体积置换泵
具体实施方式
采用本发明方案实施例可以驱动微膜泵实现流体双向运动。如图3芯片303上3个串联本发明所提供的微流体微阀302A、302B、302C构成一个双向体积置换泵。其中中间的微流体微阀302B较大，构成置换腔，微流体微阀302A、302C为止回阀。芯片303被托盘305和卡件301固定，使芯片303上3个微流体微阀302A、302B、302C的热交换面与托盘306上的温控装置304A、304B、304C的热控面良好接触。每个微阀对应一套温控装置，通过半导体制冷器和温度传感器实现对芯片303上每个微阀的闭环控制。微流体微阀302A、302B、302C采用石蜡作为工作介质。石蜡的固液转换温度约在40-45℃左右，可实现10％左右的体积变化。
采用上述装置，流体驱动过程分为吸入和排除两个步骤。吸入过程：对微阀302C升温，使工作物质膨胀，微阀302C关闭；微阀302A降温打开；然后微阀302B降温将微量液体吸入置换腔。排出过程：对微阀302A升温，使工作物质膨胀，微阀302A关闭；微阀302C降温打开；然后微阀302B升温，将吸入的液体经过302C排出。通过交替执行吸入和排出过程可以实现微量流体的驱动。由于结构对称，改变驱动步骤可以轻易实现流体的双向驱动。
以上所述实施例只提供在本发明所提出方法指导下的具体实施方案，并不限定本方法实施方式和应用领域，任何不脱离本方法精神的对本发明的修改和变形，应涵盖于本发明所覆盖范围之内。

Claims (8)

1.微流体微阀，由流道结构层104、膜片层103、驱动结构层102、传动液体105、温度敏感材料106、热交换面107构成： 
其中流道结构层104由塑料材料制成，并在与弹性膜片层103接触的一面有沟槽、过孔等结构用于构建流道203；流道结构层104与膜片层103形成封闭流道203，并构成弹性膜片202； 
其中，膜片层103部分区域不与流道结构层104和驱动结构层105粘连，在压力作用下可以与流道结构层104分离，形成一定空间存储流体或构成流体通道，也可以在压力作用下贴紧流道结构层104，排空流体或阻断流体通路，这部分膜层的可动区域定义为弹性膜片202； 
其中驱动结构层105由塑料材质制成，并在其与膜片层103接触的一面有沟槽结构用于构建传动液体通道201，其中充满传动液体105，还设有储存温度敏感材料106的空间204； 
其中热交换面107用于驱动装置进行热交换，控制温度敏感材料106温度； 
其中传动液体105将温度敏感材料106由于受控温度改变而引起的体积膨胀或收缩力引起的压强变化传至弹性膜片202，使其发生形变。 
2.权利要求1所述微流体微阀，其特征在于：集成与塑料微流体芯片中，通过不同组合方案实现流体控制功能。 
3.权利要求1所述微流体微阀，其特征在于：温度敏感材料106为石蜡等固液相变体积发生明显变化的材料。 
4.权利要求1所述微流体微阀，其特征在于：温度敏感材料106和传动液体105在芯片生产过程中封闭在芯片内。 
5.权利要求1所述微流体微阀，其特征在于：驱动结构层102可以是一层或两层，在流道结构层104的下部或将流道结构层包夹。 
6.微流体膜片泵驱动装置，至少包括：芯片卡具101、温度控制装置109、热控面108。 
7.权利要求6所述驱动装置，其特征在于所述温度控制装置109，具有测温和控温功能，可以使热控面108温度在温度敏感材料106固液相变化温度范围内快速变化，可以包含预热装置，使热控面保持基础温度在温度敏感材料106固液变换温度附近。 
8.权利要求6所述驱动装置，其特征在于：芯片卡具101具有定位和压紧功能，使芯片上的热交换面107与驱动装置的热控面108对准并紧密接触。 
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