CN106015728B - 一种声表面波控制的形状记忆合金微阀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声表面波控制的形状记忆合金微阀及其控制方法，该微阀包括具有安装空腔的PCB板、信号发生装置、嵌于安装空腔的两侧腔壁之间的压电基片、连接于安装空腔的第二端腔壁上具有微通道的PDMS凝固体、微弯曲的形状记忆合金线及刚性弯条，压电基片的工作表面上设有对称的两个叉指换能器，形状记忆合金线横跨于两个叉指换能器之间的声表面波传播路径上且一段由石蜡油微液覆盖，形状记忆合金线的一端与安装空腔的第一端腔壁连接，刚性弯条的一端与形状记忆合金线的另一端连接且另一端与安装空腔的任一侧腔壁连接，刚性弯条的凸出挤压部正对PDMS凝固体的另一侧侧壁；优点是结构简单、体积小，易于集成，可应用于压电微流芯片上进行微流控制操作。

Description

一种声表面波控制的形状记忆合金微阀及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片中控制微流体输运的微阀及其控制技术，尤其是涉及一种声表面波控制的形状记忆合金微阀及其控制方法。

背景技术

微流控芯片是将常规的生化分析操作单元集成于一个若干平方厘米的基片上，用于完成生化分析或生化检测的技术。由于微流控芯片极大地缩小了分析操作单元的尺寸，降低了微流分析中所用的试剂，缩短了分析时间，方便了分析操作的智能化和自动化，因而，微流控芯片获得了快速发展，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。

微阀是以连续流方式工作的微流控芯片进行微流分析不可或缺的组成单元，它控制微流体在微通道内流向。因而，各国微流控学专家、学者投入了较大的精力和财力来研究微阀，并发明了多种结构和工作原理的微阀及其开启和关闭方法。根据是否需要激励源，可将所发明的这些微阀分为两大类，即：无源微阀和有源微阀。

无源微阀是通过特殊的微通道几何结构或微通道表面特性实现微流输运，无需外加动力源。无源微阀的优点是微阀尺寸小，易集成于微流系统中，微阀结构和实现工艺都比较简单，操作也比较方便。无源微阀的突出的缺点是难以控制微流体在微通道中输运，微阀开关速度较慢，微阀漏压较低，有待改进。

有源微阀根据提供动力源的方式来分，主要有气动微阀、电动微阀、电化学微阀、静电微阀、电磁微阀、相变微阀、混合微阀和热膨胀微阀等。

气动微阀是以外部气体作为致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；撤销压力时，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。气动微阀的优点是工艺简单，只需简单的软光刻工艺即可实现微阀的制作。气动微阀的缺点是需要外加气泵和控制气泵的外围控制电路，给微阀的集成化带来了困难。

静电微阀只要在微流基片上光刻两个电极，因此，静电微阀易于集成，但电极容易电解微通道中的工作流体，应用受到了限制。

热膨胀微阀是采用热膨胀原理，加热使微腔内气体或石蜡等材料产生体积变化而实现微阀的开启和关闭，热膨胀微阀因具有结构简单、无需外加气泵等优点而受到重视。有报道采用微机械和光刻工艺制作一种常闭型热膨胀微阀，其开关时间短，但工艺有待改善。也有专家提出了加热腔与执行腔分离的热膨胀微阀，其可减少加热器与微通道间直接热转换，提高了热效率，但微阀滞后现象较为严重，有待改进。

上述其他几类微阀，如电动微阀、电化学微阀、电磁微阀、相变微阀和混合微阀等也都有其各自优点和缺点，并都有相应的应用场合。如电磁微阀难以实现自动化；相变微阀由于发生相变物质直接位于微通道中，因此难以重复使用，有待改进。总体来说，相比于无源微阀，有源微阀具有开关速度快、泄漏小等优点，因而对其研究得更为广泛和深入。

形状记忆合金微阀是一种有源微阀，其采用记忆合金在温度变化时形状发生变化的原理来实现微阀的开启和关闭，其具有有源微阀的优点，同时还具有大的压力-体积比和作用力的优点。但报道的形状记忆合金微阀需要外部加热源，应用有一定的局限性，且不能直接应用于压电微流器件上，不能充分发挥压电微流器件强大的微流操控能力。

如期刊《传感器与执行构》2011年第168卷第1期155-161页(Sensors andActuators A,Vol.168(1),2011:155-161)公开了《用于高尺寸比微通道的嵌入式形状记忆合金微阀探索与评估》(《Exploration and evaluation of embedded shape memoryalloy(SMA)microvalves for high aspect ratio microchannels》)。该嵌入式形状记忆合金微阀是由形状记忆合金线、铝导线和覆有SU-8胶的合金端构成，铝导线绕于形状记忆合金线上，铝导线的两端加电压，形状记忆合金线的一端固定，形状记忆合金线的另一端折成90度并涂覆SU-8胶，铝导线绕于形状记忆合金线上后置放于聚二甲基硅氧烷微通道上。该嵌入式形状记忆合金微阀在正常情况下，聚二甲基硅氧烷微通道导通，微阀开启，微流体可以在聚二甲基硅氧烷微通道内输运；当铝导线上加一定幅度的直流电压时，铝导线通以电流，铝导线产生的焦耳热使得绕在铝导线内的形状记忆合金线温度上升，到达转换温度时，形状记忆合金线的长度发生变化，带动覆有SU-8胶的一端挤压聚二甲基硅氧烷微通道，使得聚二甲基硅氧烷微通道闭塞而引起微阀关闭，此时聚二甲基硅氧烷微通道不能输运微流体。该嵌入式形状记忆合金微阀可有效地实现聚二甲基硅氧烷微通道内微流体输运的控制，其采用铝导线通过较大电流产生焦耳热加热形状记忆合金线，使形状记忆合金线温度发生改变，当形状记忆合金线温度到达一定温度时，形状记忆合金线尺寸发生改变，从而迫使与之连接的微通道发生形变，实现微阀动作。由于产生足够的焦耳热，就要求铝导线产生的电流较大，因此难以与外部的电路相兼容，且也难以应用于压电微流器件上，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声表面波控制的形状记忆合金微阀及其控制方法，该形状记忆合金微阀的结构简单、体积小，易于集成，可应用于压电微流芯片上进行微流控制操作。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于包括PCB板、用于产生RF电信号的信号发生装置、压电基片、具有微通道的PDMS凝固体、室温下微弯曲的形状记忆合金线及具有凸出挤压部的刚性弯条，所述的PCB板的一块区域镂空形成一个安装空腔，所述的压电基片嵌装于所述的安装空腔的两侧腔壁之间，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对称的两个用于激发声表面波的叉指换能器，两个所述的叉指换能器分别与所述的信号发生装置电连接，两个所述的叉指换能器之间为声表面波传播路径，所述的PDMS凝固体的一侧侧壁与所述的安装空腔的第二端腔壁连接，所述的形状记忆合金线横跨于所述的声表面波传播路径上、且与所述的压电基片的工作表面之间留有用于确保所述的形状记忆合金线能够自由伸缩的间隙，所述的形状记忆合金线位于所述的声表面波传播路径上的一段由放置于所述的声表面波传播路径上的石蜡油微液覆盖，所述的形状记忆合金线的一端与所述的安装空腔的第一端腔壁连接，所述的形状记忆合金线的另一端与所述的刚性弯条的一端连接，所述的刚性弯条的另一端与所述的安装空腔的任一侧腔壁连接，所述的刚性弯条的凸出挤压部正对所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁；

当所述的叉指换能器上加载所述的信号发生装置产生的RF电信号时，所述的叉指换能器激发的声表面波加热所述的石蜡油微液，在所述的形状记忆合金线的温度上升至转换温度时所述的形状记忆合金线拉伸并推动所述的刚性弯条，所述的刚性弯条在推动力下其凸出挤压部挤压所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁，使所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁形变以阻断所述的PDMS凝固体中的微通道实现形状记忆合金微阀的关闭；

当所述的叉指换能器上不再加载所述的信号发生装置产生的RF电信号时，所述的石蜡油微液的温度逐渐下降，所述的形状记忆合金线逐渐恢复原状，所述的刚性弯条的凸出挤压部不再挤压所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁，所述的PDMS凝固体中的微通道恢复通畅实现形状记忆合金微阀的开启。

所述的安装空腔的两侧腔壁之间上、下各嵌装有一片玻璃片，两片所述的玻璃片对齐且两片所述的玻璃片之间的空间作为用于确保所述的刚性弯条沿水平方向运动的运动空间，所述的刚性弯条的凸出挤压部的大部分位于所述的运动空间中而小部分外露于所述的运动空间外，所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁位于所述的运动空间中；所述的刚性弯条在推动力下其凸出挤压部在所述的运动空间中水平方向移动，所述的刚性弯条的凸出挤压部接触所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁后挤压所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁。在此，通过在安装空腔的两侧腔壁之间上、下各嵌装一片玻璃片，两片玻璃片对齐，并使刚性弯条的凸出挤压部的大部分和PDMS凝固体的另一侧侧壁位于两片玻璃片之间，这样就能够确保刚性弯条在推动力下是沿水平方向运动的，从而确保了刚性弯条的凸出挤压部能够对准PDMS凝固体的另一侧侧壁挤压PDMS凝固体的另一侧侧壁。

两个所述的叉指换能器之间的区域上围设有用于防止所述的石蜡油微液运动至所述的声表面波传播路径外的PDMS阻流墙，所述的PDMS阻流墙的底面与两个所述的叉指换能器之间的区域紧贴，所述的PDMS阻流墙的对称两侧自顶部延伸至底部设置有缺口，两个所述的缺口使所述的PDMS阻流墙分为呈U型槽结构的两个PDMS阻流条，两个所述的缺口与所述的PDMS阻流墙的内部空间连通形成一个供所述的形状记忆合金线横跨于所述的声表面波传播路径上的通道，所述的通道与所述的声表面波传播路径垂直。在此，在两个叉指换能器之间的区域上围设PDMS阻流墙是为了防止石蜡油微液运动至声表面波传播路径外，而PDMS阻流墙的对称两侧自顶部延伸至底部设置缺口是为了确保形状记忆合金线伸缩不受PDMS阻流墙的影响。

所述的压电基片的工作表面上还设置有对称的两个反射栅，每个所述的反射栅用于减少加载于对应的所述的叉指换能器上的RF电信号的功率。

所述的刚性弯条由依次一体连接的第一连接部、拱形部和第二连接部组成，所述的第一连接部的自由端与所述的形状记忆合金线的另一端连接，所述的拱形部作为所述的刚性弯条的凸出挤压部，所述的第二连接部的自由端与所述的安装空腔的任一侧腔壁连接。这种结构的刚性弯条的结构简单、加工方便。

所述的间隙的隙宽为0.2～0.3毫米。在此，间隙的隙宽的具体值是在本申请的形状记忆合金微阀的结构基础上通过大量实验得出的。

所述的信号发生装置由用于产生RF电信号的信号发生器及功率放大器组成，所述的信号发生器的输出端与所述的功率放大器的输入端连接，所述的PCB板上设置有第一引线脚和第二引线脚，所述的第一引线脚分别通过导线与所述的功率放大器的输出端和其中一个所述的叉指换能器的汇流条连接，所述的第二引线脚分别通过导线与所述的功率放大器的输出端和另一个所述的叉指换能器的汇流条连接。

所述的功率放大器的输出端连接有切换开关，所述的切换开关选择与所述的第一引线脚连接或与所述的第二引线脚连接。在此，设置切换开关是为了使该形状记忆合金微阀的关闭可仅通过在一个叉指换能器上加载RF电信号来实现。

所述的叉指换能器上加载的RF电信号的功率为31～33dBm。

一种上述的声表面波控制的形状记忆合金微阀的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

①将石蜡油微液放置于声表面波传播路径上；

②在未启动信号发生器和功率放大器的情况下，形状记忆合金微阀处于开启状态，数字微流体能在外部进样器的作用下通过PDMS凝固体中的微通道实现输运；

形状记忆合金微阀从开启状态到关闭状态的控制过程为：启动信号发生器和功率放大器；信号发生器输出RF电信号，并传输RF电信号给功率放大器；功率放大器输出的放大的RF电信号加载于叉指换能器；叉指换能器激发的声表面波作用于石蜡油微液上加热石蜡油微液，此时形状记忆合金线的温度上升，当温度上升至转换温度时形状记忆合金线拉伸并推动刚性弯条，刚性弯条在推动力下其凸出挤压部挤压PDMS凝固体的另一侧侧壁，使PDMS凝固体的另一侧侧壁形变以阻断PDMS凝固体中的微通道实现形状记忆合金微阀的关闭，此时数字微流体不能通过PDMS凝固体中的微通道实现输运；

形状记忆合金微阀从关闭状态到开启状态的控制过程为：关闭信号发生器和功率放大器；叉指换能器不再激发声表面波；石蜡油微液的温度逐渐下降，形状记忆合金线逐渐恢复原状，刚性弯条的凸出挤压部不再挤压PDMS凝固体的另一侧侧壁，PDMS凝固体中的微通道恢复通畅实现形状记忆合金微阀的开启，此时数字微流体能在外部进样器的作用下通过PDMS凝固体中的微通道实现输运。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)该形状记忆合金微阀利用叉指换能器激发的声表面波加热石蜡油微液，使形状记忆合金线的温度上升，这样当形状记忆合金线的温度上升至转换温度时拉伸会推动刚性弯条的凸出挤压部向PDMS凝固体方向运动，刚性弯条的凸出挤压部挤压PDMS凝固体的另一侧侧壁，最终阻断PDMS凝固体中的微通道，方便地实现了该形状记忆合金微阀的关闭；而重新开启该形状记忆合金微阀，只需不再加热石蜡油微液即可；该形状记忆合金微阀通过RF电信号控制叉指换能器激发声表面波实现形状记忆合金线的温度改变，从而实现微阀开启与关闭，该形状记忆合金微阀的体积小、结构简单，且易于集成，可应用于压电微流芯片上进行微流控制操作。

2)该形状记忆合金微阀的控制方法的过程简单，即只需通过开启信号发生装置，就可实现微阀的关闭；而关闭信号发生装置，就可实现微阀的开启。

附图说明

图1为本发明的声表面波控制的形状记忆合金微阀的结构示意图。

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：

本实施例提出的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，如图1所示，其包括PCB板1、用于产生RF电信号的信号发生装置2、压电基片3、具有微通道41的PDMS凝固体4、室温下微弯曲的形状记忆合金线5及具有凸出挤压部62的刚性弯条6，PCB板1的一块区域(一般选择中间区域)镂空形成一个安装空腔11，压电基片3嵌装于安装空腔11的两侧腔壁之间，压电基片3的上表面为工作表面，压电基片3的工作表面上设置有对称的两个用于激发声表面波的叉指换能器31，两个叉指换能器31分别与信号发生装置2电连接，两个叉指换能器31之间为声表面波传播路径32，PDMS凝固体4的一侧侧壁与安装空腔11的第二端腔壁连接，形状记忆合金线5横跨于声表面波传播路径32上、且与压电基片3的工作表面之间留有用于确保形状记忆合金线5能够自由伸缩的间隙(图中未示出)，形状记忆合金线5位于声表面波传播路径32上的一段(一般情况下可使形状记忆合金线5的中间一段位于声表面波传播路径32上)由放置于声表面波传播路径32上的石蜡油微液9覆盖，形状记忆合金线5的一端与安装空腔11的第一端腔壁连接，形状记忆合金线5的另一端与刚性弯条6的一端连接，刚性弯条6的另一端与安装空腔11的任一侧腔壁连接，刚性弯条6的凸出挤压部62正对PDMS凝固体4的另一侧侧壁；当两个叉指换能器31上加载信号发生装置2产生的RF电信号时，两个叉指换能器31激发的声表面波加热石蜡油微液9，在形状记忆合金线5的温度上升至转换温度时形状记忆合金线5拉伸并推动刚性弯条6，刚性弯条6在推动力下其凸出挤压部62挤压PDMS凝固体4的另一侧侧壁，使PDMS凝固体4的另一侧侧壁形变以阻断PDMS凝固体4中的微通道41实现形状记忆合金微阀的关闭；当两个叉指换能器31上不再加载信号发生装置2产生的RF电信号时，石蜡油微液9的温度逐渐下降，形状记忆合金线5逐渐恢复原状，刚性弯条6的凸出挤压部62不再挤压PDMS凝固体4的另一侧侧壁，PDMS凝固体4中的微通道41恢复通畅实现形状记忆合金微阀的开启。

在本实施例中，安装空腔11的两侧腔壁之间上、下各嵌装有一片玻璃片7，两片玻璃片7对齐且两片玻璃片7之间的空间作为用于确保刚性弯条6沿水平方向运动的运动空间(图中未示出)，刚性弯条6的凸出挤压部62的大部分位于运动空间中而小部分外露于运动空间外，PDMS凝固体4的另一侧侧壁位于运动空间中；刚性弯条6在推动力下其凸出挤压部62在运动空间中水平方向移动，刚性弯条6的凸出挤压部62接触PDMS凝固体4的另一侧侧壁后挤压PDMS凝固体4的另一侧侧壁。在此，通过在安装空腔11的两侧腔壁之间上、下各嵌装一片玻璃片7，两片玻璃片7对齐，并使刚性弯条6的凸出挤压部62的大部分和PDMS凝固体4的另一侧侧壁位于两片玻璃片7之间，这样就能够确保刚性弯条6在推动力下是沿水平方向运动的，从而确保了刚性弯条6的凸出挤压部62能够对准PDMS凝固体4的另一侧侧壁挤压PDMS凝固体4的另一侧侧壁。

在本实施例中，两个叉指换能器31之间的区域上围设有用于防止石蜡油微液9运动至声表面波传播路径32外的PDMS阻流墙33，PDMS阻流墙33的底面与两个叉指换能器31之间的区域紧贴，PDMS阻流墙33的对称两侧自顶部延伸至底部设置有缺口331，两个缺口331使PDMS阻流墙33分为呈U型槽结构的两个PDMS阻流条，两个缺口331与PDMS阻流墙33的内部空间连通形成一个供形状记忆合金线5横跨于声表面波传播路径32上的通道(图中未示出)，通道与声表面波传播路径32垂直。在此，在两个叉指换能器31之间的区域上围设PDMS阻流墙33是为了防止石蜡油微液9运动至声表面波传播路径32外，而PDMS阻流墙33的对称两侧自顶部延伸至底部设置缺口331是为了确保形状记忆合金线5伸缩不受PDMS阻流墙33的影响。

在本实施例中，压电基片3的工作表面上还设置有对称的两个反射栅34，每个反射栅34用于减少加载于对应的叉指换能器31上的RF电信号的功率。

在本实施例中，刚性弯条6由依次一体连接的第一连接部61、拱形部62和第二连接部63组成，第一连接部61的自由端与形状记忆合金线5的另一端连接，拱形部62作为刚性弯条6的凸出挤压部62，第二连接部63的自由端与安装空腔11的任一侧腔壁连接。这种结构的刚性弯条6的结构简单、加工方便。

在本实施例中，形状记忆合金线5与压电基片3的工作表面之间的间隙的隙宽为0.2～0.3毫米。在此，间隙的隙宽的具体值是在本申请的形状记忆合金微阀的结构基础上通过大量实验得出的。

在本实施例中，信号发生装置2由用于产生RF电信号的信号发生器21及功率放大器22组成，信号发生器21的输出端与功率放大器22的输入端连接，PCB板1上设置有第一引线脚12和第二引线脚13，第一引线脚12分别通过导线与功率放大器22的输出端和其中一个叉指换能器31的汇流条连接，第二引线脚13分别通过导线与功率放大器22的输出端和另一个叉指换能器31的汇流条连接。

在本实施例中，叉指换能器31上加载的RF电信号的功率为31～33dBm。

在本实施例中，还可在功率放大器22的输出端连接有一个切换开关(图中未示出)，切换开关选择与第一引线脚12连接或与第二引线脚13连接，即选择其中一个叉指换能器31激发声表面波。在此，设置切换开关是为了使该形状记忆合金微阀的关闭可仅通过在一个叉指换能器31上加载RF电信号来实现。

在此，PCB板1采用现有技术，PCB板1也可由其它现有的可以固定导线的基板替代；信号发生器21和功率放大器22均采用现有技术；压电基片3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128°-YX LiNbO₃压电基片；形状记忆合金线5采用现有技术，要求室温下微弯曲，以在温度上升至转换温度时拉伸，转换温度为60摄氏度；刚性弯条6可采用铝材加工制成；叉指换能器31和反射栅34均采用现有技术；形状记忆合金线5与安装空腔11的腔壁的连接、形状记忆合金线5与刚性弯条6的连接、刚性弯条6与安装空腔11的腔壁的连接、压电基片3与安装空腔11的腔壁的连接、玻璃片7与安装空腔11的腔壁的连接均通过现有的环氧树脂胶实现。

在此，PDMS凝固体4和PDMS阻流墙33均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作而成；在压电基片3的工作表面上位于两个叉指换能器31之间的区域上设置PDMS阻流墙33时，可在PDMS阻流墙33的底面涂覆一层PDMS，然后将涂有PDMS的PDMS阻流墙33的底面贴于压电基片3的工作表面上，并在100℃的烘箱内固化2小时，至此完成了PDMS阻流墙33与压电基片3的连接；在PDMS凝固体4内设置微通道41，微通道41的内径可设计为100～200微米，微通道41与PDMS凝固体4的另一侧侧壁之间的厚度可设计为2～3毫米；PDMS凝固体4的两端分别通过胶带与安装空腔11的第二端固定连接，以使PDMS凝固体4稳定的固定于安装空腔11内；PDMS凝固体4中的微通道41的入口上可通过连接软管与进样器连通，PDMS凝固体4中的微通道41的出口上可通过连接软管与废液池连通。

在此，在安装空腔11的两侧腔壁之间嵌装压电基片3时，尽量使压电基片3接近安装空腔11的腔底，这样能够充分地确保形状记忆合金线5与压电基片3的工作表面不接触、之间留有间隙。

实施例二：

本实施例提出了实施例一的声表面波控制的形状记忆合金微阀的控制方法，其包括以下步骤：

①将石蜡油微液放置于声表面波传播路径上。

②在未启动信号发生器和功率放大器的情况下，形状记忆合金微阀处于开启状态，数字微流体能在外部进样器的作用下通过PDMS凝固体中的微通道实现输运。

形状记忆合金微阀从开启状态到关闭状态的控制过程为：启动信号发生器和功率放大器；信号发生器输出RF电信号，并传输RF电信号给功率放大器；功率放大器输出的放大的RF电信号加载于两个叉指换能器，RF电信号的功率为31～33dBm；两个叉指换能器激发的声表面波共同作用于石蜡油微液上加热石蜡油微液，此时形状记忆合金线的温度上升，当温度上升至转换温度时形状记忆合金线拉伸并推动刚性弯条，刚性弯条在推动力下其凸出挤压部挤压PDMS凝固体的另一侧侧壁，使PDMS凝固体的另一侧侧壁形变以阻断PDMS凝固体中的微通道实现形状记忆合金微阀的关闭，此时数字微流体不能通过PDMS凝固体中的微通道实现输运。

形状记忆合金微阀从关闭状态到开启状态的控制过程为：关闭信号发生器和功率放大器；两个叉指换能器不再激发声表面波；石蜡油微液的温度逐渐下降，形状记忆合金线逐渐恢复原状，刚性弯条的凸出挤压部不再挤压PDMS凝固体的另一侧侧壁，PDMS凝固体中的微通道恢复通畅实现形状记忆合金微阀的开启，此时数字微流体能在外部进样器的作用下通过PDMS凝固体中的微通道实现输运。

Claims (10)

1.一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于包括PCB板、用于产生RF电信号的信号发生装置、压电基片、具有微通道的PDMS凝固体、室温下微弯曲的形状记忆合金线及具有凸出挤压部的刚性弯条，所述的PCB板的一块区域镂空形成一个安装空腔，所述的压电基片嵌装于所述的安装空腔的两侧腔壁之间，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对称的两个用于激发声表面波的叉指换能器，两个所述的叉指换能器分别与所述的信号发生装置电连接，两个所述的叉指换能器之间为声表面波传播路径，所述的PDMS凝固体的一侧侧壁与所述的安装空腔的第二端腔壁连接，所述的形状记忆合金线横跨于所述的声表面波传播路径上、且与所述的压电基片的工作表面之间留有用于确保所述的形状记忆合金线能够自由伸缩的间隙，所述的形状记忆合金线位于所述的声表面波传播路径上的一段由放置于所述的声表面波传播路径上的石蜡油微液覆盖，所述的形状记忆合金线的一端与所述的安装空腔的第一端腔壁连接，所述的形状记忆合金线的另一端与所述的刚性弯条的一端连接，所述的刚性弯条的另一端与所述的安装空腔的任一侧腔壁连接，所述的刚性弯条的凸出挤压部正对所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁；

当所述的叉指换能器上加载所述的信号发生装置产生的RF电信号时，所述的叉指换能器激发的声表面波加热所述的石蜡油微液，在所述的形状记忆合金线的温度上升至转换温度时所述的形状记忆合金线拉伸并推动所述的刚性弯条，所述的刚性弯条在推动力下其凸出挤压部挤压所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁，使所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁形变以阻断所述的PDMS凝固体中的微通道实现形状记忆合金微阀的关闭；

当所述的叉指换能器上不再加载所述的信号发生装置产生的RF电信号时，所述的石蜡油微液的温度逐渐下降，所述的形状记忆合金线逐渐恢复原状，所述的刚性弯条的凸出挤压部不再挤压所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁，所述的PDMS凝固体中的微通道恢复通畅实现形状记忆合金微阀的开启。

2.根据权利要求1所述的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于所述的安装空腔的两侧腔壁之间上、下各嵌装有一片玻璃片，两片所述的玻璃片对齐且两片所述的玻璃片之间的空间作为用于确保所述的刚性弯条沿水平方向运动的运动空间，所述的刚性弯条的凸出挤压部的大部分位于所述的运动空间中而小部分外露于所述的运动空间外，所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁位于所述的运动空间中；所述的刚性弯条在推动力下其凸出挤压部在所述的运动空间中水平方向移动，所述的刚性弯条的凸出挤压部接触所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁后挤压所述的PDMS凝固体的另一侧侧壁。

3.根据权利要求1或2所述的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于两个所述的叉指换能器之间的区域上围设有用于防止所述的石蜡油微液运动至所述的声表面波传播路径外的PDMS阻流墙，所述的PDMS阻流墙的底面与两个所述的叉指换能器之间的区域紧贴，所述的PDMS阻流墙的对称两侧自顶部延伸至底部设置有缺口，两个所述的缺口使所述的PDMS阻流墙分为呈U型槽结构的两个PDMS阻流条，两个所述的缺口与所述的PDMS阻流墙的内部空间连通形成一个供所述的形状记忆合金线横跨于所述的声表面波传播路径上的通道，所述的通道与所述的声表面波传播路径垂直。

4.根据权利要求1所述的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于所述的压电基片的工作表面上还设置有对称的两个反射栅，每个所述的反射栅用于减少加载于对应的所述的叉指换能器上的RF电信号的功率。

5.根据权利要求1所述的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于所述的刚性弯条由依次一体连接的第一连接部、拱形部和第二连接部组成，所述的第一连接部的自由端与所述的形状记忆合金线的另一端连接，所述的拱形部作为所述的刚性弯条的凸出挤压部，所述的第二连接部的自由端与所述的安装空腔的任一侧腔壁连接。

6.根据权利要求1所述的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于所述的间隙的隙宽为0.2～0.3毫米。

7.根据权利要求1所述的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于所述的信号发生装置由用于产生RF电信号的信号发生器及功率放大器组成，所述的信号发生器的输出端与所述的功率放大器的输入端连接，所述的PCB板上设置有第一引线脚和第二引线脚，所述的第一引线脚分别与所述的功率放大器的输出端和其中一个所述的叉指换能器的汇流条连接，所述的第二引线脚分别与所述的功率放大器的输出端和另一个所述的叉指换能器的汇流条连接。

8.根据权利要求7所述的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于所述的功率放大器的输出端连接有切换开关，所述的切换开关选择与所述的第一引线脚连接或与所述的第二引线脚连接。

9.根据权利要求1所述的一种声表面波控制的形状记忆合金微阀，其特征在于所述的叉指换能器上加载的RF电信号的功率为31～33dBm。

10.一种权利要求7所述的声表面波控制的形状记忆合金微阀的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

①将石蜡油微液放置于声表面波传播路径上；

②在未启动信号发生器和功率放大器的情况下，形状记忆合金微阀处于开启状态，数字微流体能在外部进样器的作用下通过PDMS凝固体中的微通道实现输运；

形状记忆合金微阀从开启状态到关闭状态的控制过程为：启动信号发生器和功率放大器；信号发生器输出RF电信号，并传输RF电信号给功率放大器；功率放大器输出的放大的RF电信号加载于叉指换能器；叉指换能器激发的声表面波作用于石蜡油微液上加热石蜡油微液，此时形状记忆合金线的温度上升，当温度上升至转换温度时形状记忆合金线拉伸并推动刚性弯条，刚性弯条在推动力下其凸出挤压部挤压PDMS凝固体的另一侧侧壁，使PDMS凝固体的另一侧侧壁形变以阻断PDMS凝固体中的微通道实现形状记忆合金微阀的关闭，此时数字微流体不能通过PDMS凝固体中的微通道实现输运；

形状记忆合金微阀从关闭状态到开启状态的控制过程为：关闭信号发生器和功率放大器；叉指换能器不再激发声表面波；石蜡油微液的温度逐渐下降，形状记忆合金线逐渐恢复原状，刚性弯条的凸出挤压部不再挤压PDMS凝固体的另一侧侧壁，PDMS凝固体中的微通道恢复通畅实现形状记忆合金微阀的开启，此时数字微流体能在外部进样器的作用下通过PDMS凝固体中的微通道实现输运。