CN104896192A - 一种高响应速度的微流控冰阀 - Google Patents
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Abstract
一种高响应速度的微流控冰阀，包括微流控芯片、防冻液注入器和制冷单元，防冻液注入器设置在微流控芯片下方，且固定在制冷单元上，防冻液注入器与制冷单元两者接触面上涂有导热硅脂，制冷单元和防冻液注入器可以相对于微流控芯片移动。本发明的有益效果：1）响应时间降低。2）集成密度提高。3）极限流速提高。4）阀的性能不受芯片材料的限制。5）成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及微流控领域，特别是涉及微流控中的冰阀，其改进之处是在芯片中嵌入导热增强体，并采用可移动的制冷源。
背景技术
微流控技术（Microfluidics），又称微全分析系统（Micro Total Analysis Systems），它把生物、化学、医学分析过程中的样品制备、反应、混合、分离、检测等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，自动完成分析全过程。作为微流控平台的关键部件，阀一直是研究热点。冰阀直接将流道中的液体冷冻直接结冰，所以冰阀具有很好的生物兼容性，不会对生物试剂产生破坏，且该阀中没有活动部件，所以装配简单。C D Bevall于1995年首次提出了冰阀。当需要执行微阀的关闭操作时，对微流流道内的流体进行冷却，使部分流体在短时间内迅速冻结堵住流道；当需要执行微阀的开启操作时，停止冷却或执行加热操作使流道内的冰融化从而恢复流道内的流动状态。冰阀属于一种常开阀，且在芯片上无任何活动部件，同时不会引入任何杂质，对生化反应无影响，所以具有广泛的应用前景。宾夕法尼亚大学的Zongyuan Chen等人系统地研究了单级相变阀，并指出在预冷的情况下，响应时间可以很短，成功实现PCR。滑铁卢大学的Lin Gui等人在其基础上，将单级制冷半导体改为两级制冷半导体，极大地缩短了响应时间，最短的关闭响应时间为2.72s。亥姆霍兹研究所的C. Neumann等人成功制备出相变常闭阀，并且实现大规模集成。该阀使用前需要对芯片进行整体长时间的预冷，导致响应时间仍然很长，达到20s以上，所以限制了其应用。皇家墨尔本理工大学的Gary Rosengarten等人直接将制冷半导体嵌入到流道下方，但这样必须将电路与导热片与芯片集成起来，使得制备过程复杂，并且成本昂贵。综上目前冰阀仍然离实际应用比较远，主要是由于现行方法下冰阀的响应速度太慢且集成密度太低。
发明内容
为了提高传统微流控冰阀中的响应速度及极限流，本发明提出了一种嵌入导热增强体并带有可移动制冷源的微流控冰阀。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种高响应速度的微流控冰阀，包括微流控芯片、防冻液注入器和制冷单元，防冻液注入器设置在微流控芯片下方，且固定在制冷单元上，防冻液注入器与制冷单元两者接触面上涂有导热硅脂，制冷单元和防冻液注入器可以相对于微流控芯片移动。
所述的微流控芯片包括微流控芯片底板、微流控芯片盖板和导热增强体，微流控芯片底板与微流控芯片盖板贴合，微流控芯片底板上开有流道，流道下方嵌入有导热增强体。
所述的防冻液注入器包括导管、防冻液注入器外壳及防冻液注入器盖板，防冻液注入器盖板中间开有孔洞，且防冻液注入器盖板固定在防冻液注入器外壳上，防冻液注入器外壳侧面有通孔，导管从该通孔中插入。
所述的制冷单元包括制冷半导体和散热器，制冷半导体在散热器上方，并且在其接触面上涂有导热硅脂。并且将防冻液注入器设置在制冷半导体上，其接触面上涂有导热硅脂。
本发明的有益效果：
1）响应时间降低。由于在芯片中嵌入了铝合金，流体与制冷半导体间的导热性能大大提高，所以在相同流速的情况下，流体中的热量能被迅速导出，从而降温速度大大提高。
2）集成密度提高。微流控芯片中的流道间距直接影响整个芯片的集成密度。冰阀的结冰区域与制冷源区域的大小相关。传统冰阀中，为了获得较高的制冷效率，制冷半导体的体积不能太小，这导致流道间距必须增大以避免相互之间的影响。因为流道过近时，冷冻过程中会出现相邻流道控制不独立的问题，所以严重制约了集成密度的提高。而在本发明提出的带导热增强体的冰阀，其结冰区域集中在导热增强体所在区域，而导热增强体可以根据流道的尺寸做得很小，而且流道与流道间没有任何干涉问题，所以集成密度提高。
3）极限流速提高。由于芯片导热性能提高了，所以制冷半导体可以在相同时间内带走更多的热量，达到热平衡时，所能达到的极限流速也就越高。
4）阀的性能不受芯片材料的限制。导热增强体的导热系数远大于常用芯片材料的导热系数（100倍以上），相别而言芯片材料之间导热系数的差别几乎可以忽略，所以冰阀的性能不受芯片材料的限制。这样就给芯片设计带来了极大的便利性，因为在传统冰阀设计中为了获得更快的响应速度通常会采用导热系数更好的材料（如玻璃），PMMA这种导热性能较差但成本低加工方便的材料的使用便受到一定的限制。
5）成本降低。传统的冰阀中，制冷半导体与芯片固定，而芯片多是一次性的，制冷半导体的成本远高于芯片成本，所以很难做到商品化。而本发明提出的冰阀，制冷半导体与芯片是分离的，不影响芯片的制备与使用成本。并且传统冰阀中，每个需要冰阀的地方都需要集成一个制冷半导体，而本发明所述的冰阀采用集中制冷模式，制冷半导体是共用的，所以设备成本降低。
附图说明：
图1是本发明结构示意图；
图2是图1中A处的局部放大图；
图3是防冻液注入器结构图；
其中1微流控芯片底板、2微流控芯片盖板、3防冻液注入器、4制冷半导体、5散热器、6流道、7导热增强体、8防冻液注入器盖板、9导管、10防冻液注入器外壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施对本发明做进一步的描述。
如图1所示：一种高响应速度的微流控冰阀，包括微流控芯片、防冻液注入器3和制冷单元，防冻液注入器3设置在微流控芯片下方，且固定在制冷单元上，防冻液注入器与制冷单元两者接触面上涂有导热硅脂，制冷单元和防冻液注入器可以相对于微流控芯片移动。
所述的微流控芯片包括微流控芯片底板1、微流控芯片盖板2和导热增强体7，微流控芯片底板1与微流控芯片盖板2贴合，微流控芯片底板1上开有流道6，流道6下方嵌入有导热增强体7，导热增强体可以是金属、石墨及其它导热系数较高的材料。
所述的防冻液注入器包括导管9、防冻液注入器外壳10及防冻液注入器盖板8，防冻液注入器盖板8中间开有孔洞，且防冻液注入器盖板8固定在防冻液注入器外壳10上，防冻液注入器外壳10侧面有通孔，导管9从该通孔中插入。
所述的制冷单元包括制冷半导体4和散热器5，散热器可以是风扇或水冷头，制冷半导体4在散热器5上方，并且在其接触面上涂有导热硅脂。并且将防冻液注入器3设置在制冷半导体4上，其接触面上涂有导热硅脂。
开始工作前，先启动制冷单元，一段时间后，制冷半导体的上表面及防冻液注入器达到预定的低温。当需要关闭流道时，先从防冻液注入器内注入防冻液，然后移动制冷单元及防冻液注入器到导热增强体的正下方，接着向上移动直至紧贴微流控芯片的下表面。流道中流体的热量通过导热增强体导出，直至冷却到结冰点，开始结晶堵塞流道，起到阀的作用。防冻液的冰点大于预定的低温，这样防冻液的注入可以防止防冻液注入器上表面结冰，从而避免降低从流道到制冷半导体之间的导热性能。另一方面还可以增加防冻液注入器上表面与微流控芯片的接触面积，起到增强导热性能的作用。
将制冷半导体换成其它可制冷的单元亦在本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高响应速度的微流控冰阀，其特征在于: 包括微流控芯片、防冻液注入器（3）和制冷单元，防冻液注入器（3）设置在微流控芯片下方，且固定在制冷单元上，防冻液注入器（3）与制冷单元两者接触面上涂有导热硅脂，制冷单元和防冻液注入器（3）可以相对于微流控芯片移动。
2.根据权利要求1所述的高响应速度的微流控冰阀，其特征在于: 所述的微流控芯片包括微流控芯片底板（1）、微流控芯片盖板（2）和导热增强体（7），微流控芯片底板（1）与微流控芯片盖板（2）贴合，微流控芯片底板（1）上开有流道（6），流道（6）下方嵌入有导热增强体（7）。
3.根据权利要求1所述的高响应速度的微流控冰阀，其特征在于: 所述的防冻液注入器（3）包括导管（9）、防冻液注入器外壳（10）及防冻液注入器盖板（8），防冻液注入器盖板（8）中间开有孔洞，且防冻液注入器盖板（8）固定在防冻液注入器外壳（10）上，防冻液注入器外壳（10）侧面有通孔，导管（9）从该通孔中插入。
4.根据权利要求1所述的高响应速度的微流控冰阀，其特征在于: 所述的制冷单元包括制冷半导体（4）和散热器（5），制冷半导体（4）在散热器（5）上方，并且在其接触面上涂有导热硅脂。
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