CN105465480A - 一种相变阀装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种相变阀装置及其制备方法。相变阀装置包括流道层、相变层和可变形的柔性薄膜；所述流道层上开设有微流道，所述相变层上靠近所述流道层的一侧开设有相变微腔道；所述柔性薄膜位于所述流道层和相变层之间，用于隔开所述相变微腔道和微流道；所述相变微腔道内填充有金属相变材料，所述金属相变材料膨胀时挤压所述柔性薄膜阻断所述微流道内液体的流通。本发明实施例提供的相变阀装置结构紧凑、制备工艺简单、且成本较低。

Description

一种相变阀装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种相变阀装置及其制备方法。

背景技术

微阀是微流控技术领域中用于微流体流动开关或流量调节的控制装置，是组成微流控元器件的核心单元。相变阀是一种利用相变介质固液相变或相变体积变化来开关或调节微流动的微阀，现已广泛应用于微流控技术领域。根据相变材料是否与样本试剂微流体接触，可将相变阀分为接触式相变阀和非接触式相变阀两类。

在非接触式相变阀中，相变材料与样本试剂溶液之间通常设置一层可变形柔性薄膜，用以避免相变材料对样本试剂溶液的污染。当需要关闭阀门时，对阀区固体相变材料进行加热升温，使其融化同时体积膨胀挤压薄膜堵住微流道切断样本试剂微流动；而在需要开启阀门时，对阀区熔融相变材料进行冷却降温，使其固化同时体积减小。由于密度较小(0.8～0.9g/cm³)，石蜡等相变材料在固化体积减小过程中无法靠自身重力恢复移动至原位置，样本试剂微流道仅能在样本试剂微流动作用下挤压薄膜使固化石蜡缓慢恢复至原位置后，恢复完全畅通，因此阀门开启时间会比较长。

在石蜡相变阀中，对石蜡相变过程温度的精确控制是至关重要的。为实现结构紧凑、集成性好且能耗低的加热，石蜡相变阀多采用导电介质作为微加热器材料，形成易于控制且集成于阀内的电阻式微加热器。金属具有较好的导电、导热性能，在微加热器方面有广泛的应用。目前以固态金属铂Pt或金Au应用最为普遍，固态金属铂或金通过沉积、溅射等方法以固态薄膜的形式集成在芯片基底材料上形成微加热器。由于固态金属铂或金的电阻随温度的变化而变化，固态金属铂或金薄膜微加热器还可作为热电阻微温度传感器用于相变温度的测量。但是这种固态金属薄膜制作工艺非常复杂，制作设备也非常昂贵，操作时间也比较长。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种相变阀装置及其制备方法，解决现有技术中相变阀装置结构不够紧凑，制备工艺复杂的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种相变阀装置，包括流道层、相变层和可变形的柔性薄膜；所述流道层上开设有微流道，所述相变层上靠近所述流道层的一侧开设有相变微腔道；所述柔性薄膜位于所述流道层和相变层之间，用于隔开所述相变微腔道和微流道；所述相变微腔道内填充有金属相变材料，所述金属相变材料膨胀时挤压所述柔性薄膜阻断所述微流道内液体的流通。

其中，所述金属相变材料为镓或镓铟合金。

其中，所述微流道和相变微腔道均采用刻蚀工艺制成。

其中，所述柔性薄膜采用旋涂工艺制成。

其中，所述微流道的横截面为半圆弧状。

其中，所述相变微腔道与所述微流道相垂直。

其中，所述流道层和相变层的材料均为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，简称PMMA)、石英或硅。

其中，所述柔性薄膜的材料为PDMS，且所述柔性薄膜的厚度为5～100μm。

其中，还包括半导体制冷片，所述半导体制冷片紧贴于所述相变层远离所述流道层的一侧。

本发明还提供了一种上述的相变阀装置的制备方法，包括以下步骤：

S1，将熔融的金属相变材料填充在所述相变层的相变微腔道内；

S2，将步骤S1中的金属相变材料冷却固化，并去除多余的金属相变材料；

S3，将所述流道层、所述柔性薄膜和填充有金属相变材料的相变层依次叠放并对三层材料进行键合。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明实施例提供的相变阀装置采用金属相变材料，金属相变材料一方面由于其相变体积变化实现开启或关闭微阀的功能，另一方面由于其导电导热性能同时可以作为微加热器，对其本身进行加热。与现有技术中的石蜡最为相变材料，且需要另外设置导电介质作为微加热器相比，本发明实施例提供的相变阀装置结构紧凑、制备工艺简单且成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例相变阀装置开启状态左剖视图；

图2是本发明实施例相变阀装置开启状态主剖视图；

图3是本发明实施例相变阀装置关闭状态左剖视图；

图4是本发明实施例相变阀装置关闭状态主剖视图。

图中：1：流道层；11：微流道；2：相变层；21：相变微腔道；3：柔性薄膜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明实施例提供的一种相变阀装置，包括流道层1、相变层2和可变形的柔性薄膜3；流道层1上开设有微流道11，相变层2上靠近流道层1的一侧开设有相变微腔道21，用于隔开相变微腔道21和微流道11；柔性薄膜3位于流道层1和相变层2之间；相变微腔道21内填充有金属相变材料，金属相变材料膨胀时挤压柔性薄膜3阻断微流道11内液体的流通。金属相变材料具有熔点低、相变时体积变化大以及通电时温度升高的特点。使用时，加热或冷却相变阀装置内的金属相变材料使其发生相变，加热操作可以采用通电的方式，冷却可直接采用空气冷却的方式。当金属相变材料发生相变后体积增大时，金属相变材料会挤压可变形的柔性薄膜3向着微流道11的一侧移动，直至完全堵住微流道11，使微流道11内的液体不能流通，实现相变阀装置的关闭；当金属相变材料发生相变后体积减小时，金属相变材料在重力的作用下与柔性薄膜3一起向下移动，实现相变阀装置的开启。实现相变阀装置开启或关闭时对应的是加热还是冷却操作取决于所采用的金属相变材料的特点，当所采用的金属相变材料冷却由液态变为固态时体积增大，则关闭相变阀装置对应的是冷却操作，开启对应加热操作；当所采用的金属相变材料冷却由液态变为固态时体积减小，则关闭相变阀装置对应的是加热操作，关闭对应冷却操作。

本发明实施例提供的相变阀装置采用金属相变材料，金属相变材料一方面由于其相变体积变化实现开启或关闭微阀的功能，另一方面由于其导电导热性能同时可以作为微加热器，对其本身进行加热。与现有技术中的石蜡作为相变材料，且需要另外设置导电介质作为微加热器相比，本发明实施例提供的相变阀装置结构紧凑、制造方便、成本较低。

进一步地，金属相变材料优选为镓或镓铟合金。金属镓的熔点较低，仅为29.8℃，在固液相变过程中具有明显的“热缩冷胀”性能，体积变化率约为3％～5％，导热性能较好且体积热容极小，镓铟合金中铟含量为25％时其熔点只有16℃，因此，采用金属镓作为金属相变材料可以实现相变阀装置的快速开启和关闭，尤其适用于室温条件下，由于其熔点低，室温下极易冷却，可以提高相变阀装置的反应速度，而且稳定性高，由于相变时体积变化率大使得结构更加紧凑。需要说明的是金属相变材料并不限于金属镓，镓铟合金，也可以是镓铟锡合金或其他低熔点低、相变时体积变化明显的金属相变材料。

优选地，微流道11、相变微腔道21和柔性薄膜3均采用微机电系统加工而成。具体地，微流道11和相变微腔道21均可以采用刻蚀工艺制成。柔性薄膜3可以采用旋涂工艺制成。

进一步地，微流道11的横截面为半圆弧状。金属在相变过程中无论是固体还是液体，在表面张力的作用下均接近于弧形，因此，将微流道11的横截面设为半圆弧状有利于金属相变材料膨胀时快速完全堵住微流道11，加快相变阀装置的反应速度。

进一步地，相变微腔道21与微流道11相垂直。相变微腔道21与微流道11垂直可以使相变微腔道21的面积最小，节约金属相变材料，降低成本。

进一步地，流道层1和相变层2的材料均为PDMS、PMMA、石英或硅。具体地，相变层2采用的材料优选为PMMA、石英或硅。PMMA、石英或硅的热导率较大，有利于对外界对相变层2内金属相变材料的冷却。

优选地，柔性薄膜3的材料为PDMS，且柔性薄膜3的厚度为5～100μm。柔性薄膜3的厚度可以根据实际需要选择设置厚度。

优选地，相变阀装置还包括半导体制冷片，所述半导体制冷片紧贴于所述相变层2远离所述流道层1的一侧。采用半导体制冷片对金属相变材料冷却能够使冷却操作更加容易控制，相变阀装置的开启或关闭控制更加精准。需要说明的是相变阀装置的冷却并不限于空气冷却、半导体制冷片冷却，也可以恒温冷却水冷却等其他的冷却方式。

本发明实施例还提供了一种相变阀装置的制备方法，包括以下步骤：

S1，将熔融的金属相变材料填充在相变层2的相变微腔道21内；

S2，将步骤S1中的金属相变材料冷却固化，并去除多余的金属相变材料；

S3，将流道层1、柔性薄膜3和填充有金属相变材料的相变层2依次叠放并对三层材料进行键合。

综上，本发明实施例提供的相变阀装置采用金属相变材料，金属相变材料一方面由于其相变体积变化实现开启或关闭微阀的功能，另一方面由于其导电导热性能同时可以作为微加热器，对其本身进行加热。与现有技术中的石蜡最为相变材料，且需要另外设置导电介质作为微加热器相比，本发明实施例提供的相变阀装置结构紧凑、制备工艺简单且成本较低。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种相变阀装置，其特征在于：包括流道层、相变层和可变形的柔性薄膜；

所述流道层上开设有微流道，所述相变层上靠近所述流道层的一侧开设有相变微腔道；

所述柔性薄膜位于所述流道层和相变层之间，用于隔开所述相变微腔道和微流道；

所述相变微腔道内填充有金属相变材料，所述金属相变材料膨胀时挤压所述柔性薄膜阻断所述微流道内液体的流通。

2.根据权利要求1所述的相变阀装置，其特征在于：所述金属相变材料为镓或镓铟合金。

3.根据权利要求1所述的相变阀装置，其特征在于：所述微流道和相变微腔道均采用刻蚀工艺制成。

4.根据权利要求1所述的相变阀装置，其特征在于：所述柔性薄膜采用旋涂工艺制成。

5.根据权利要求1所述的相变阀装置，其特征在于：所述微流道的横截面为半圆弧状。

6.根据权利要求1所述的相变阀装置，其特征在于：所述相变微腔道与所述微流道相垂直。

7.根据权利要求1所述的相变阀装置，其特征在于：所述流道层和相变层的材料均为PDMS、PMMA、石英或硅。

8.根据权利要求1所述的相变阀装置，其特征在于：所述柔性薄膜的材料为PDMS，且所述柔性薄膜的厚度为5～100μm。

9.根据权利要求1所述的相变阀装置，其特征在于：还包括半导体制冷片，所述半导体制冷片紧贴于所述相变层远离所述流道层的一侧。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的相变阀装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将熔融的金属相变材料填充在所述相变层的相变微腔道内；

S2，将步骤S1中的金属相变材料冷却固化，并去除多余的金属相变材料；

S3，将所述流道层、所述柔性薄膜和填充有金属相变材料的相变层依次叠放并对其进行键合。