CN105570531B - 一种微流控芯片流量调节系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种微流控芯片流量调节系统和方法，该系统包括初始流量供应装置和流量调节装置，初始流量供应装置的输出端连接流量调节装置，流量调节装置包括微流控芯片、薄膜滤波器、微芯片挤压装置以及控制单元，初始流量供应装置向微流控芯片供应恒定流量，微芯片挤压装置在控制单元的控制下对微流控芯片进行挤压，使微流道交替地关闭和打开，产生占空比可调的流量PWM波，薄膜滤波器具有微流道和位于微流道上的带弹性薄膜的腔体，腔体利用弹性薄膜的弹性可改变容积，当液体的输入流量增大时，腔体容纳多余的液体，当液体的输入流量减小时，腔体将容纳的液体排出以补充输出流量，从而稳定输出流量。本发明以简单的结构实现了微流控芯片的流量调节。

Description

一种微流控芯片流量调节系统和方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片流量调节系统和方法。

背景技术

微流体芯片具备高密度、大规模、高通量、多功能等特点，已经在化学和生物学等领域发挥着重要的作用。与宏观尺度的实验装置相比，这一技术显著降低了样品的消耗量，提高了反应效率。同时也降低了实验产生废物对环境的污染；微流体芯片操作的并行优势可以实现实验的高通量、自动化控制；并且可以通过微阀微泵等微细结构进行精确控制。这使得微流体芯片在分析领域中具有不可替代的优势。此外，微流控制作工艺逐渐延伸到其他领域，例如微流控光学等。

微流控芯片是通过微流道中流体的流动实现各种功能的，所以对微流控芯片中流体的控制尤其是流量的控制和调节是微流控芯片得以应用的关键。目前对微流控芯片中流量的控制和调节主要是通过各种微泵和微阀的组合，这种流量调节方式在不同的应用下需要设计不同的微泵和微阀结构，增加了微流控芯片设计和制作的难度，而且不具有通用性。另外微泵中使用很多的蠕动泵产生的流量具有很大的波动，不利于需要稳定流量的实验。另外一种流量调节的方式是通过外部注射泵对微流控芯片入口处的流量进行调节，这种调节方式的缺点在于只能对微流控芯片入口处的流量进行调节，要实现各部分需要的流量，就需要设计不同的微结构，增加了微流控芯片使用中的复杂性。另外大部分注射泵体积庞大，不便于便携化、小型化应用。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种微流控芯片流量调节系统和方法，以简单的结构实现微流控芯片的流量调节。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微流控芯片流量调节系统，包括初始流量供应装置和流量调节装置，所述初始流量供应装置的输出端连接所述流量调节装置，所述流量调节装置包括微流控芯片、薄膜滤波器、微芯片挤压装置以及控制单元，所述初始流量供应装置向所述微流控芯片供应恒定流量，所述微芯片挤压装置在所述控制单元的控制下对所述微流控芯片进行挤压，使所述微流控芯片中的微流道交替地关闭和打开，从而产生流通占空比可调的流量PWM波，所述薄膜滤波器具有微流道和位于微流道上的带弹性薄膜的腔体，所述腔体利用所述弹性薄膜的弹性根据液体流量改变容积，当液体的输入流量增大时，所述腔体容纳多余的液体，当液体的输入流量减小时，所述腔体将容纳的液体排出以补充输出流量，进而起到稳定输出流量的作用。

进一步地：

所述薄膜滤波器具有三层结构，其中上层具有微流道和位于微流道上的圆形腔体，所述弹性薄膜作为中间层与所述上层键合，作为底层的基底与所述弹性薄膜键合，所述基底上开有与所述圆形腔体对准的圆柱形孔。

所述圆形腔体与所述圆柱形孔直径相等，同心对准。

所述微流控芯片和薄膜滤波器为PDMS微芯片，所述弹性薄膜为PDMS薄膜。

所述微流控芯片为直流道微芯片。

所述微芯片挤压装置包括电机和曲柄连杆结构，所述曲柄连杆结构的一端耦合到电机轴上，所述曲柄连杆结构的另一端作用到所述微流控芯片上，所述曲柄连杆结构将电机轴的转动转化为连杆的往复平动，以对所述微流控芯片实施有控制的挤压和放松。

所述电机为步进电机，所述控制单元为单片机。

所述曲柄连杆结构包括耦合在电机轴上的水平杆和与所述水平杆相连的竖直杆，所述水平杆上开一个偏心小孔，所述竖直杆通过所述偏心小孔连接在所述水平杆上。

所述初始流量供应装置包括气源、气压控制器以及储液池，所述通过气源所述气压控制器连接到所述储液池，所述储液池通过导管连接到所述微流控芯片，所述气压控制器由控制模块控制其输出气压作用于所述储液池的液面上，以向所述微流控芯片输出恒定流量。

一种微流控芯片流量调节方法，使用所述的微流控芯片流量调节系统进行微流控芯片的流量调节，其中，通过控制所述微流控芯片的挤压时间和放松时间来产生不同流通占空比的流量PWM波，通过调节流量PWM波的流通占空比来调节系统输出的稳定流量的大小。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种微流控芯片流量调节系统，通过挤压微流控芯片可产生一定流通占空比的流量PWM波，流量PWM波流经薄膜滤波器，经薄膜滤波器滤波后产生恒定的输出流量，而通过调节流量PWM波的流通占空比就可以调节系统输出的恒定流量的大小。这种调节方式的实现不需要任何复杂的微结构，可以方便地与已有的微流控芯片集成，降低了微流控芯片设计的复杂度。

附图说明

图1示出了本发明实施例的微流控芯片流量调节系统的结构(为方便，图中同时示出微流控芯片和薄膜滤波器的侧视截面和俯视截面)。

图2示出了根据本发明实施例的微流控芯片流量调节方法，输出流量随时间的变化。

图3示出了根据本发明实施例的微流控芯片流量调节方法，流量均值随流量方波流通占空比的变化。

图4示出了作为本发明实施例中的薄膜滤波器的微流控芯片的制作过程。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，一种微流控芯片流量调节系统，包括初始流量供应装置和流量调节装置，所述初始流量供应装置的输出端连接所述流量调节装置，所述流量调节装置包括微流控芯片204、薄膜滤波器205、微芯片挤压装置207以及控制单元，所述初始流量供应装置向所述微流控芯片204供应恒定流量，所述微芯片挤压装置207在所述控制单元的控制下对所述微流控芯片204进行挤压，使所述微流控芯片204中的微流道交替地关闭和打开，从而产生流通占空比可调的流量PWM波，所述薄膜滤波器205具有微流道和位于微流道上的带弹性薄膜的腔体，所述腔体利用所述弹性薄膜的弹性根据液体流量改变容积，当液体的输入流量增大时，所述腔体容纳多余的液体，当液体的输入流量减小时，所述腔体将容纳的液体排出以补充输出流量，进而起到稳定输出流量的作用。

在优选的实施例中，所述薄膜滤波器205具有三层结构，其中上层具有微流道和位于微流道上的圆形腔体，所述弹性薄膜作为中间层与所述上层键合，作为底层的基底与所述弹性薄膜键合，所述基底上开有与所述圆形腔体对准的圆柱形孔。更优选的，所述圆形腔体与所述圆柱形孔直径相等，同心对准。

在优选的实施例中，所述微流控芯片204和薄膜滤波器205为PDMS微芯片，所述弹性薄膜为PDMS薄膜。

在优选的实施例中，所述微流控芯片204为直流道微芯片。

在优选的实施例中，所述微芯片挤压装置207包括电机和曲柄连杆结构，所述曲柄连杆结构的一端耦合到电机轴上，所述曲柄连杆结构的另一端作用到所述微流控芯片204上，所述曲柄连杆结构将电机轴的转动转化为连杆的往复平动，以对所述微流控芯片204实施有控制的挤压和放松。

所述电机可以为步进电机。所述控制单元可以为单片机。

在更优选的实施例中，所述曲柄连杆结构包括耦合在电机轴上的水平杆和与所述水平杆相连的竖直杆，所述水平杆上开一个偏心小孔，所述竖直杆通过所述偏心小孔连接在所述水平杆上。

所述初始流量供应装置包括气源、气压控制器202以及储液池203，所述通过气源所述气压控制器202连接到所述储液池203，所述储液池203通过导管201连接到所述微流控芯片204，所述气压控制器202由控制模块控制其输出气压作用于所述储液池203的液面上，以向所述微流控芯片204输出恒定流量。

在另一种实施例中，一种微流控芯片流量调节方法，使用任一实施例的微流控芯片流量调节系统进行微流控芯片的流量调节，其中，通过控制所述微流控芯片204的挤压时间和放松时间来产生不同流通占空比的流量PWM波，通过调节流量PWM波的流通占空比来调节系统输出的稳定流量的大小。

一种微流控芯片流量调节系统及调节方法。所述方法的工作原理可以类比电路中的这一原理：PWM波经过低通滤波后可获得直流电压，而电压的大小与PWM波的流通占空比成正比，调节PWM波的流通占空比就可以实现直流电压幅值的调节。而在本申请中主要涉及流量PWM波产生部分和滤波部分。所述流量PWM波产生方法如下：气压控制器202由氮气瓶提供气源，并由计算机控制其输出压力的大小；气压控制器202输出的气压作用于储液池203的液面上，产生恒定流量，所述恒定流量流经直流道PDMS微芯片；单片机控制步进电机往复旋转，与步进电机轴相连的曲柄连杆机构做往复运动，进而挤压/放松所述直流道PDMS微芯片，实现微流道的阻断和畅通；通过单片机和步进电机调节阻断和放松的时间间隔，可产生不同流通占空比的流量PWM波。流量PWM波流经微流体薄膜滤波器205(由PDMS弹性薄膜结构和微流道组成的低通滤波器)，滤波后产生恒定流量。通过调节流量PWM波的流通占空比可以调节恒定流量的大小。

在一种具体实施例中，一种微流控芯片流量调节系统，包括：初始流量供应装置，包括氮气瓶201、气压控制器202、计算机209、储液池203；流量调节装置，包括PDMS微流控芯片204、PDMS薄膜滤波器205、微芯片挤压装置207、单片机控制板206。

气压控制器202由氮气瓶201提供气源，并由计算机控制其输出压力的大小；气压控制器202输出的气压作用于储液池203的液面上，产生恒定流量，所述恒定流量流经上述直流道PDMS微芯片。挤压所述PDMS微流控芯片204时，直流道被截止，流量降为0，当放松时，流量达到最大值，通过对该芯片交替地挤压和放松可以产生流量PWM波。

PDMS薄膜滤波器205具有三层结构，上层的两端各有一段等长微流道，两段微流道之间有一个与微流道等深的圆形腔体；作为中间层的PDMS薄膜与上层键合；作为底层的PDMS基底上开有与所述圆形腔体相同直径的圆柱形孔，PDMS基底与中间层的PDMS薄膜键合，其中圆柱形孔与圆形腔体对准。带有PDMS薄膜的圆形腔体可通过PDMS薄膜的弹性变形吸收流量波动，具有液体阻性和容性，从而形成具有消除脉动的滤波作用的阻容型低通滤波器。当容腔入口处流量增加时，容腔吸收多余的液体；当容腔出口处流量下降时，容腔将其中的液体排出对输出流量进行补充，进而起到稳定流量的作用。

在微芯片挤压装置207，在片上挤压平台上固定一个步进电机，电机轴上套有一个带偏心孔的水平长杆，偏心孔与连杆组成曲柄连杆结构，将电机转动转化为连杆的上下平动，实现对微流控芯片204的挤压。

微芯片挤压装置207实现对微流控芯片的直流道进行挤压，进而产生流量方波。片上挤压平台的主要部分是一个步进电机，在步进电机的转轴上套接一个水平杆，在水平杆的末端开一个偏心小孔并连接一个竖直杆。利用水平杆和竖直杆可以将步进电机的转动转化为竖直杆的上下运动，进而实现对微流控芯片的挤压。当电机顺时针转动时，竖直杆向下运动挤压微流控芯片的直流道，直流道被截止，片上挤压微流控芯片输出端流量为0；当电机逆时针转动时，竖直杆向上运动，放松对微流控芯片上直流道的挤压，PDMS材料恢复其原来的形状，片上挤压微流控芯片输出端流量达到最大值。

利用单片机对片上挤压平台207上的步进电机进行控制，对片上挤压微流控芯片进行重复地挤压和放松，保持挤压和放松的总时间即周期不变，改变挤压所占时间的比例，进而可以产生流通占空比不同的流量方波。通过按键改变挤压所占时间的比例即流量方波的流通占空比，通过数码管显示流量方波的流通占空比。

单片机控制步进电机交替地正转、停止、反转，通过按键可以改变电机转停时间进而控制产生流量PWM波的流通占空比，该控制板还可以显示电机的转动情况和与之对应的流量PWM波的流通占空比。

实验数据记录与处理

可每隔10分钟改变一次流量PWM波的流通占空比，用流量计208记录流量随时间的变化。用MATLAB处理上述记录的数据得到图2，并提取每个流通占空比下流量的均值，采用直线拟合的方式得到流量均值随流通占空比变化的曲线图3。

片上挤压用芯片输出的流量是0和最大值之间变化的流量方波，将此流量方波通过容腔滤波器205，可以滤除流量方波的基本及各次谐波分量，提起流量方波的平均值，得到稳定的流量。每10分钟改变一次流量方波的流通占空比，利用流量计208记录滤波容腔的输出流量，将结果导入MATLAB中画图显示可以得到图2流量随时间变化的结果。通过提取各个流通占空比下流量稳定下来之后的均值，可以得到流量随流通占空比变化的拟合曲线图3。

微流控芯片的制作方法

如图4所示，PDMS薄膜滤波器的制作包括以下过程：101.抛光硅片，102.旋涂光刻胶(负胶)、前烘，103.光刻、后烘，104.显影、坚模，105.倾倒PDMS(10:1)复制光刻图形、烘烤，106.打孔、等离子处理PDMS微结构一侧，107.抛光硅片，108.旋涂PDMS(RTV固化剂和预聚物的比例为1:10)、烘烤、等离子处理PDMS薄膜表面，109.键合106、108的等离子处理面、烘烤，110.使微流道充满水、防止薄膜与流道壁面贴合，将PDMS薄膜从硅片上分离并等离子处理，111.制作PDMS基底，倾倒PDMS(5：1)，烘烤，等离子处理，112.将110的薄膜一侧与111的PDMS基底键合，形成最终的微流控芯片。制作的微流控芯片有三层结构，上层刻有流道和容腔结构，下层是平整的基底层，中间层是可以通过变形吸收流量波动的薄膜层。

对于片上挤压用的只含有的微流控芯片，则可以省略薄膜层。

微流控芯片流量调节系统各部分综合后实现如下功能：气压控制器由氮气瓶提供气源，并由计算机控制其输出压力的大小；气压控制器输出的气压作用于储液池的液面上，产生恒定流量，该恒定流量流经直流道PDMS微芯片；单片机控制步进电机往复旋转，与步进电机轴相连的曲柄连杆机构做往复运动，进而挤压/放松所述直流道PDMS微芯片，实现微流道的阻断和畅通；通过单片机和步进电机调节阻断和放松的时间间隔，可产生不同流通占空比的流量PWM波。流量PWM波流经微流体薄膜滤波器，滤波后产生恒定流量。通过调节流量PWM波的流通占空比可以调节恒定流量的大小。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微流控芯片流量调节系统，其特征在于,包括初始流量供应装置和流量调节装置，所述初始流量供应装置的输出端连接所述流量调节装置，所述流量调节装置包括微流控芯片、薄膜滤波器、微芯片挤压装置以及控制单元，所述初始流量供应装置向所述微流控芯片供应恒定流量，所述微芯片挤压装置在所述控制单元的控制下对所述微流控芯片进行挤压，使所述微流控芯片中的微流道交替地关闭和打开，从而产生流通占空比可调的流量PWM波，所述薄膜滤波器具有微流道和位于微流道上的带弹性薄膜的腔体，所述腔体利用所述弹性薄膜的弹性根据液体流量改变容积，当液体的输入流量增大时，所述腔体容纳多余的液体，当液体的输入流量减小时，所述腔体将容纳的液体排出以补充输出流量，进而起到稳定输出流量的作用。

2.如权利要求1所述的微流控芯片流量调节系统，其特征在于,所述薄膜滤波器具有三层结构，其中上层具有微流道和位于微流道上的圆形腔体，所述弹性薄膜作为中间层与所述上层键合，作为底层的基底与所述弹性薄膜键合，所述基底上开有与所述圆形腔体对准的圆柱形孔。

3.如权利要求2所述的微流控芯片流量调节系统，其特征在于,所述圆形腔体与所述圆柱形孔直径相等，同心对准。

4.如权利要求1至3任一项所述的微流控芯片流量调节系统，其特征在于,所述微流控芯片和薄膜滤波器为PDMS微芯片，所述弹性薄膜为PDMS薄膜。

5.如权利要求1至3任一项所述的微流控芯片流量调节系统，其特征在于,所述微流控芯片为直流道微芯片。

6.如权利要求1至3任一项所述的微流控芯片流量调节系统，其特征在于,所述微芯片挤压装置包括电机和曲柄连杆结构，所述曲柄连杆结构的一端耦合到电机轴上，所述曲柄连杆结构的另一端作用到所述微流控芯片上，所述曲柄连杆结构将电机轴的转动转化为连杆的往复平动，以对所述微流控芯片实施有控制的挤压和放松。

7.如权利要求6所述的微流控芯片流量调节系统，其特征在于,所述电机为步进电机，所述控制单元为单片机。

8.如权利要求6所述的微流控芯片流量调节系统，其特征在于,所述曲柄连杆结构包括耦合在电机轴上的水平杆和与所述水平杆相连的竖直杆，所述水平杆上开一个偏心小孔，所述竖直杆通过所述偏心小孔连接在所述水平杆上。

9.如权利要求1至3任一项所述的微流控芯片流量调节系统，其特征在于,所述初始流量供应装置包括气源、气压控制器以及储液池，所述气源通过所述气压控制器连接到所述储液池，所述储液池通过导管连接到所述微流控芯片，所述气压控制器由控制模块控制其输出气压作用于所述储液池的液面上，以向所述微流控芯片输出恒定流量。

10.一种微流控芯片流量调节方法，其特征在于，使用如权利要求1至9任一项所述的微流控芯片流量调节系统进行微流控芯片的流量调节，其中，通过控制所述微流控芯片的挤压时间和放松时间来产生不同流通占空比的流量PWM波，通过调节流量PWM波的流通占空比来调节系统输出的稳定流量的大小。