CN106540760A - 一种零泄漏磁性液体微流控芯片阀体及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种零泄漏磁性液体微流控芯片阀体及其设计方法。一种零泄漏磁性液体微流控芯片阀体，包括芯片、芯片盖板、芯片进出口、磁流体液滴和磁体，所述芯片上设置有微流体通道、微阀通道和储液槽，所述芯片盖板贴合在所述芯片上，所述芯片盖板对应所述储液槽的位置设置有安装孔，所述芯片进出口安装在所述芯片盖板的安装孔上，所述磁流体液滴设置在所述芯片的微阀通道内，所述磁体设置在所述芯片的微阀通道外并靠近微阀通道。本发明结构紧凑，响应时间较短，具有零泄漏、可适用范围更广、可靠性更高、更加节能等优点，同时磁流体又具有良好的密封和散热功能，极大地提高了微流控芯片阀体的响应速度、精确性、稳定性和可靠性。

Description

一种零泄漏磁性液体微流控芯片阀体及其设计方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，尤其涉及一种零泄漏磁性液体微流控芯片阀体及其设计方法。
背景技术
微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米的芯片上的能力，因此又被称为芯片实验室。在现阶段，主流形式的微流控芯片多由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物等实验室的各种功能。微流控芯片的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小可控平台上的灵活组合和规模集成。
微流控芯片阀体，也被称为微阀，一般被分为有源阀和无源阀。现有技术的主要发展在无源阀，利用微流体自身的流向变化和压力变化实现阀体的开关控制，但由于其依靠微流体自身的变化实现控制，故容易出现泄露和阀体失效。现有技术在有源阀上的应用较少，目前主要研究趋势集中在气动阀、热膨胀阀、压电效应阀以及形状记忆合金阀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种零泄漏磁性液体微流控芯片阀体及其设计方法，通过控制磁场的大小和方向对感温绝缘磁流体液滴的位置进行控制，从而实现微流控芯片阀体的打开和关闭，同时磁流体又具有良好的密封和散热功能，极大地提高了微流控芯片阀体的响应速度、精确性、稳定性和可靠性，解决现有的微流控芯片阀体响应速度慢、适用范围小、存在一定的泄露的问题。
为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种零泄漏磁性液体微流控芯片阀体，包括芯片、芯片盖板、芯片进出口、磁流体液滴和磁体，所述芯片上设置有微流体通道、微阀通道和储液槽，所述储液槽设置在所述微流体通道端部，所述微阀通道设置在所述微流体通道中，所述微阀通道包括打开段和关闭段，所述打开段为侧壁开设凹槽的小段微流体通道，所述关闭段为与打开段连通的小段微流体通道，所述芯片盖板贴合在所述芯片上，所述芯片盖板对应所述储液槽的位置设置有安装孔，所述芯片进出口安装在所述芯片盖板的安装孔上，所述磁流体液滴设置在所述芯片的微阀通道内，所述磁体设置在所述芯片的微阀通道外并靠近微阀通道。
芯片作为微流控芯片阀体的核心，用于控制微流体的通断，同时也是微流控芯片实验室的核心反应部件。芯片盖板用于封闭芯片的内部空间。芯片进出口用于引导液体流入流出芯片，与储液槽连通，根据实验需求及样品数量选择N（N≥2）个芯片进出口。磁流体液滴作为微流控芯片阀体的开关。磁体作为有源阀的外部触发部件，用于控制磁流体液滴的位置实现对微流控芯片阀体的开关控制。微流体通道处于关闭状态时，磁体将微阀通道中的磁流体液滴吸引在关闭段中。开始实验时，实验流体从一个芯片进出口进入芯片并储存在对应的储液槽中。当实验流体要通过微流体通道时，磁体先将磁流体吸引到打开段的凹槽内使微流体通道处于打开状态，实验流体通过微流体通道到达另一个储液槽中，磁体再将磁流体吸引到关闭段使微流体通道处于关闭状态。实验结束后，实验流体直接从所处的储液槽对应的芯片进出口取出即可。
所述芯片的材料为玻璃或有机聚合物，所述有机聚合物为聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝胶。
所述芯片盖板的材料为玻璃或有机聚合物，所述有机聚合物为聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝胶。
所述磁流体液滴为感温绝缘磁流体液滴，感温绝缘磁流体具有良好的散热性。
所述芯片上或所述芯片盖板上设置有滑轨，所述滑轨靠近所述微阀通道，所述磁体设置在所述滑轨内。通过控制磁体在滑轨内滑动，从而吸引磁流体液滴在微阀通道的打开段和关闭段之间移动，实现微阀通道打开和关闭的切换。
所述磁体为两个电磁铁，分别靠近所述微阀通道的打开段和关闭段。通过两个电磁铁一个通电一个断电的方式，吸引磁流体液滴在微阀通道的打开段和关闭段之间移动，实现微阀通道打开和关闭的切换。
上述零泄漏磁性液体微流控芯片阀体的设计方法，包括以下步骤：
S1根据实验流体对象选择磁流体液滴，如果实验流体是油基则选择水基磁流体或其他与实验流体不相容的磁流体，如果实验流体是水基则选择油基磁流体；
S2根据实验需求及样品数量选择N个芯片进出口，N≥2；
S3制作芯片，制作与芯片进出口数目相同且位置对应的储液槽，根据实验需求制作微流体通道，在微流体通道中选择小段侧壁开设凹槽制作微阀通道；
S4制作芯片盖板，在芯片盖板上开设与芯片进出口数量相同的安装孔，将芯片盖板贴合在芯片上，将芯片进出口安装在芯片盖板的安装孔；
S5将磁流体液滴滴入芯片进出口，通过强磁体吸引至微阀通道，设置好磁体并检查开关特性。
所述磁流体液滴采用感温绝缘磁流体，所述感温绝缘磁流体为水基、油基、酯基或氟醚油磁流体。选用时综合考虑实验流体粘度、压力和经济性来选择不同磁化强度的磁流体，磁化强度越高，磁流体固体特性越明显。
所述芯片的储液槽、微流体通道和微阀通道的形成方法为光刻法、化学腐蚀法、热压法或注塑法。
所述微流体通道的有效直径为D，单位为微米级，所述微阀通道的打开段的有效直径不小于1.5D。
本发明的优点与效果是：
1.本发明结构紧凑，通过外部磁场对感温绝缘磁流体的作用实现感温绝缘磁流体液滴的移动，其各个功能部件各自独立，方便后期的检修和维护；
2.本发明对工作环境无特殊要求，由于磁性流体自身的优异性能使阀体极易满足密封和零泄漏的要求，可适应粉尘环境等各种恶劣工作环境；
3.本发明阀体开关材料消耗极少，且品种多样可满足不同实验对象的实验要求，灵活性好，适用范围极广。
与现有技术相比，本发明结构紧凑，响应时间较短，具有零泄漏、可适用范围更广、可靠性更高、更加节能等优点，同时磁流体又具有良好的密封和散热功能，极大地提高了微流控芯片阀体的响应速度、精确性、稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为芯片的结构示意图；
图3为芯片盖板的结构示意图；
图4为芯片进出口的结构示意图；
图5为微阀通道、磁流体、磁体三者的位置示意图；
图6(a)为实施例一微阀通道打开状态示意图；
图6(b)为实施例一微阀通道关闭状态示意图；
图7(a)为实施例二微阀通道打开状态示意图；
图7(b)为实施例二微阀通道关闭状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的结构如图1所示，包括芯片1、芯片盖板2和芯片进出口3。芯片1的结构如图2所示，设置有微流体通道11、微阀通道12和储液槽13，储液槽13设置在微流体通道11端部，微阀通道12设置在微流体通道11中。微阀通道12包括打开段121和关闭段122，打开段121为侧壁开设凹槽的小段微流体通道，关闭段122为与打开段121连通的小段微流体通道。芯片盖板2的结构如图3所示，芯片盖板2贴合在芯片1上，芯片盖板2对应储液槽13的位置设置有安装孔21。芯片进出口3的结构如图4所示，芯片进出口3安装在芯片盖板2的安装孔21上，并与储液槽13连通。如图5所示，磁流体液滴4设置在芯片1的微阀通道12内，磁体5设置在芯片1的微阀通道12外并靠近微阀通道12。
本发明的设计方法，可以根据不同的实际需求进行快速设计，包括以下步骤：
S1根据实验流体对象选择磁流体液滴4，如果实验流体是油基则选择水基磁流体或其他与实验流体不相容的磁流体，如果实验流体是水基则选择油基磁流体；一般常用感温绝缘磁流体，因为感温绝缘磁流体混合液具有良好的散热性，常用的感温绝缘磁流体有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流体，选用时综合考虑实验流体粘度和经济性来选择不同磁化强度的磁流体；
S2根据实验需求及样品数量选择N个芯片进出口3，图1中N=2；
S3制作芯片1，制作与芯片进出口3数目相同且位置对应的储液槽13，根据实验需求制作微流体通道11，在微流体通道11中选择小段侧壁开设凹槽制作微阀通道12；微流体通道11的有效直径为D，单位为微米级，微阀通道12的打开段121的有效直径不小于1.5D；芯片1的储液槽13、微流体通道11和微阀通道12的形成方法主要有光刻法、化学腐蚀法、热压法、注塑法等；芯片1的材料可选择玻璃或有机聚合物，有机聚合物可选择聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝胶；
S4制作芯片盖板2，在芯片盖板2上开设与芯片进出口3数量相同的安装孔21，安装孔21内可设置防泄漏垫圈，将芯片盖板2贴合在芯片1上，将芯片进出口3安装在芯片盖板2的安装孔21；芯片盖板2的材料可选择玻璃或有机聚合物，有机聚合物可选择聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝胶；
S5将磁流体液滴4（一般单位为微升）滴入芯片进出口3，通过强磁体吸引至微阀通道12，设置好磁体5并检查开关特性。
实施例一，芯片1上设置滑轨14以安装磁体5。如图6(a)所示，磁体5将磁流体4吸引在打开段121的凹槽内，微阀通道12处于打开状态。如果将磁体5沿滑轨14滑动，将磁流体4吸引到关闭段122内，微阀通道12则会处于关闭状态，如图6(b)所示。
实施例二，磁体5包括第一电磁铁51和第二电磁铁52。如图7(a)所示，第一电磁铁51通电，第二电磁铁52断电，故第一电磁铁51将磁流体4吸引在打开段121的凹槽内，微阀通道12处于打开状态。如果将第一电磁铁51断电，第二电磁铁52通电，则第二电磁铁52将磁流体4吸引到关闭段122内，微阀通道12处于关闭状态，如图7(b)所示。

Claims (10)

1.一种零泄漏磁性液体微流控芯片阀体，其特征在于，包括芯片、芯片盖板、芯片进出口、磁流体液滴和磁体，所述芯片上设置有微流体通道、微阀通道和储液槽，所述储液槽设置在所述微流体通道端部，所述微阀通道设置在所述微流体通道中，所述微阀通道包括打开段和关闭段，所述打开段为侧壁开设凹槽的小段微流体通道，所述关闭段为与打开段连通的小段微流体通道，所述芯片盖板贴合在所述芯片上，所述芯片盖板对应所述储液槽的位置设置有安装孔，所述芯片进出口安装在所述芯片盖板的安装孔上，所述磁流体液滴设置在所述芯片的微阀通道内，所述磁体设置在所述芯片的微阀通道外并靠近微阀通道。
2.根据权利要求1所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体，其特征在于，所述芯片的材料为玻璃或有机聚合物，所述有机聚合物为聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝胶。
3.根据权利要求1所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体，其特征在于，所述芯片盖板的材料为玻璃或有机聚合物，所述有机聚合物为聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝胶。
4.根据权利要求1所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体，其特征在于，所述磁流体液滴为感温绝缘磁流体液滴。
5.根据权利要求1所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体，其特征在于，所述芯片上或所述芯片盖板上设置有滑轨，所述滑轨靠近所述微阀通道，所述磁体设置在所述滑轨内。
6.根据权利要求1所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体，其特征在于，所述磁体为两个电磁铁，分别靠近所述微阀通道的打开段和关闭段。
7.一种权利要求1所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1根据实验流体对象选择磁流体液滴，如果实验流体是油基则选择水基磁流体或其他与实验流体不相容的磁流体，如果实验流体是水基则选择油基磁流体；
S2根据实验需求及样品数量选择N个芯片进出口，N≥2；
S3制作芯片，制作与芯片进出口数目相同且位置对应的储液槽，根据实验需求制作微流体通道，在微流体通道中选择小段侧壁开设凹槽制作微阀通道；
S4制作芯片盖板，在芯片盖板上开设与芯片进出口数量相同的安装孔，将芯片盖板贴合在芯片上，将芯片进出口安装在芯片盖板的安装孔；
S5将磁流体液滴滴入芯片进出口，通过强磁体吸引至微阀通道，设置好磁体并检查开关特性。
8.根据权利要求7所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体的设计方法，其特征在于，所述磁流体液滴采用感温绝缘磁流体，所述感温绝缘磁流体为水基、油基、酯基或氟醚油磁流体。
9.根据权利要求7所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体的设计方法，其特征在于，所述芯片的储液槽、微流体通道和微阀通道的形成方法为光刻法、化学腐蚀法、热压法或注塑法。
10.根据权利要求7所述的零泄漏磁性液体微流控芯片阀体的设计方法，其特征在于，所述微流体通道的有效直径为D，单位为微米级，所述微阀通道的打开段的有效直径不小于1.5D。
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