CN107448648A - 一种全塑微型单向阀及其加工方法 - Google Patents

一种全塑微型单向阀及其加工方法 Download PDF

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蔡金东
吕曈
黄毅
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Abstract

本发明公开了一种全塑微型单向阀，包括基板和阀膜，基板上设有圆锥状通孔，阀膜覆于圆锥状通孔窄口端的基板一侧，阀膜上设有围绕中间一圆形膜片环形布置的多个通孔，圆形膜片的面积大于圆锥状通孔窄口端，完全将圆锥状通孔窄口端覆盖，基板的圆锥状通孔与阀膜上圆形膜片周围的通孔之间构成微型单向阀的流体流路，本发明还公开了一种全塑微型单向阀的加工方法，采用准分子激光微细加工技术对基板进行加工，并将阀口薄膜图形化形成阀口通道，避免使用复杂的化学刻蚀和机械加工方法，刻蚀精度高，工艺简单，操作方便，生产效率高，生产成本低，适合批量化生产。

Description

一种全塑微型单向阀及其加工方法
技术领域
本发明涉及单向阀技术领域，尤其涉及一种利用准分子激光制造的全塑微型单向阀及其加工方法。
背景技术
近年来，微反应器、微流控分析芯片等一直在积极推动着医疗微流体系统的研究。其中，微流控分析芯片是最大限度地将采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体的微型全分析系统(μ-TAS)，是新世纪分析科学、微机电加工、生命科学、化学合成、分析仪器及环境科学等许多领域的重要发展前沿。而微阀微流控分析芯片的关键部分，是微流控分析芯片内流体流向控制的核心。
目前，微型单向阀的流向控制多为“开合”结构，结构复杂，且无法满足高要求的流向控制。制备方法常用化学刻蚀法、机械加工法。化学刻蚀有干法刻蚀和湿法刻蚀两种方法，干法刻蚀速率较慢，湿法刻蚀精度不高。机械加工常用于表面微细加工，对于微结构的加工有一定局限性。上海应用技术大学黄远等人于2016年通过紫外曝光，湿法刻蚀，激光加工方法制备了用于精密输液的微型阀(参见《光学精密工程》2016年第5期1072～1077页)，但工艺复杂，加工速率低，不适宜批量生产。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种全塑微型单向阀及其加工方法，采用准分子激光微细加工技术对基板进行加工，并将阀口薄膜图形化形成阀口通道，避免使用复杂的化学刻蚀和机械加工方法，刻蚀精度高，工艺简单，操作方便，生产效率高，生产成本低，适合批量化生产。
为了实现上述目的，本发明提供的一种全塑微型单向阀，包括基板和阀膜，其特征在于，所述基板上设有圆锥状通孔，所述阀膜覆于圆锥状通孔窄口端的基板一侧，所述阀膜上设有围绕中间一圆形膜片环形布置的多个通孔，圆形膜片的面积大于圆锥状通孔窄口端，完全将圆锥状通孔窄口端覆盖，所述基板的圆锥状通孔与阀膜上圆形膜片周围的通孔之间构成微型单向阀的流体流路。
优选地，所述阀膜上的通孔为四个扇形通孔。
优选地，所述基板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
优选地，所述阀膜的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本发明还提供了一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)选取一块塑料基板，对其进行清洗和烘干处理；
(2)利用准分子激光在基板上加工形成一通孔，所述通孔呈圆锥状；
(3)在通孔窄口端的基板一面涂覆一层热塑性聚合材料，加热固化使之形成一薄膜层；
(4)利用准分子激光对所述薄膜层进行切割，形成多个围绕中部圆形膜片环形布置的通孔，中部圆形膜片与所述基板上的通孔同心且大于基板上通孔窄口端，以形成单向阀阀膜；
(5)向通孔宽口端注入流体冲洗，使中部圆形膜片与基板相脱离，并冲掉切割形成的所述薄膜层通孔中间部分，形成基板与阀膜之间的流体流路，从而构成微型单向阀流向控制结构。
优选地，所述步骤(1)中基板的材质为PMMA。
优选地，所述步骤(1)中基板的厚度为200～500μm。
优选地，所述步骤(2)中通孔的加工过程为：由平台移动基板，控制基板曝光量，使圆锥中心曝光量高，周边曝光量低，利用准分子激光加工通孔使其呈圆锥状；激光加工过程中，使用辅助气体，以降低加工表面的粗糙度。
优选地，所述步骤(2)中辅助气体为氮气。
优选地，所述步骤(2)和步骤(4)中准分子激光为KrF准分子激光。
优选地，所述步骤(3)中薄膜层的材质为PDMS。
优选地，所述步骤(3)中薄膜层采用旋涂法制备。
优选地，所述步骤(3)中薄膜层的厚度为25μm。
优选地，所述步骤(4)中薄膜层上切割通孔为四个扇形通孔。
优选地，所述步骤(4)中准分子激光对所述薄膜层切割时的切割深度大于薄膜层厚度。
本发明提供的一种全塑微型单向阀及其加工方法，具有如下有益效果。
1.采用准分子激光微细加工技术制造微型单向阀，刻蚀精度高，工艺简单，易于操作，生产效率高，生产成本低，适合批量化生产。
2.以阀膜上刻蚀多个围绕中间一圆形膜片环形布置的通孔，替代传统“开合”结构，结构简单，多个通孔构成了多个流体通道，从而提高了单向阀阀体的流向控制能力。
3.选用PMMA作为基板材料，质轻，可使阀体轻量化，有利于提高产品的适用性；价格低廉，无毒环保，耐腐蚀，抗碎裂能力强，可降低产品的制造成本，延长其使用寿命；加工性能好，易于基板通孔的加工。
4.选用PDMS作为阀膜材料，价格低廉，可降低产品的制造成本；柔性好，易于吸附于基板之上，采用涂覆再固化的方式，保护其与基板封接效果好；键合工艺简单，成型质量好，刻蚀性能强，有利于刻蚀加工，提高加工精度；具有化学惰性和很高的生物兼容性，适用范围广；弹性好，可保证阀口的密封性和单向性。
5.采用旋涂法制备阀膜，通过控制匀胶的时间、转速、滴液量以及所用溶液的浓度、粘度来控制成膜的厚度，可控性高，成膜均匀性好，效果佳。
附图说明
图1为本发明提供的一种全塑微型单向阀的结构示意图。
图2为图1的剖面结构示意图。
图中：
1.基板 2.薄膜层(阀膜) 3.圆形膜片 4.翼梁 5.扇形通孔 6.通孔窄口端 7.通孔宽口端 8.圆锥状通孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
如图1和2所示，分别为本发明提供的一种全塑微型单向阀的结构示意图及其剖面结构示意图。包括PMMA基板1和PDMS阀膜2，所述PMMA基板1上设有圆锥状通孔8，所述PDMS阀膜2覆于圆锥状通孔窄口端6的基板一侧，所述PDMS阀膜2上设有围绕中间一圆形膜片3环形布置的四个扇形通孔5，圆形膜片3的面积大于圆锥状通孔窄口端6，完全将圆锥状通孔窄口端6覆盖，所述PMMA基板1的圆锥状通孔8与PDMS阀膜2上圆形膜片3周围的的四个扇形通孔5之间构成微型单向阀的流体流路。
当流体从圆锥状通孔宽口端7流入时，在流体流动的冲力作用下，会将阀膜2上的圆形膜片3顶起，使其与PMMA基板1之间出现缝隙，流体会通过缝隙从四个扇形通孔5流出。当流体压力消失或者当流体反向流动时，在PDMS弹性作用下或在流体流动的冲力作用下，阀膜2上的圆形膜片3会迅速将圆锥状通孔窄口端6紧密密封，使流体通道闭合，流体被截流不能通过，从而实现了微型单向阀正向顺流，逆向截流的作用。
上述全塑微型单向阀的加工方法包括如下具体步骤：
(1)选取一块厚度为200～500μm的PMMA基板1，对其进行清洗和烘干处理，本实施例中优选的基板1厚度为300μm；
(2)利用KrF准分子激光在PMMA基板上加工形成一圆锥状通孔8，具体加工过程为：由平台移动PMMA基板1，控制PMMA基板1曝光量，使圆锥中心曝光量高，周边曝光量低，利用脉冲能量为9mJ/pluse的准分子激光加工通孔使其呈圆锥状，激光加工过程中，使用高速氮气作为辅助气体，以降低加工表面的粗糙度。加工得到的圆锥状通孔宽口端7直径为500um、通孔窄口端6直径为100um；
(3)在通孔窄口端6的PMMA基板1一面旋涂一层PDMS材料，通过控制匀胶的时间、转速、滴液量以及所用溶液的浓度、粘度来控制成膜的厚度，使涂覆厚度约为25μm，并加热使之固化形成PDMS薄膜层2。
(4)利用准分子激光对所述PDMS薄膜层2进行切割，形成四个围绕中部圆形膜片3环形布置的扇形通孔4，翼梁4宽为25um，圆形膜片3的直径为150um，外圆直径为400um，圆形膜片3与所述PMMA基板1上的圆锥状通孔8同心且大于PMMA基板1上圆锥状通孔窄口端6，以形成单向阀阀膜2。圆形膜片3的直径大于圆锥状通孔窄口端6直径，可将圆锥状通孔窄口端6完全覆盖，以确保密封性能，实现逆向节流。切割深度约为30um，略大于薄膜层2厚度，留有一定的加工余量，以确保薄膜层2能够被切割透彻。此步骤中所使用激光口径为50um，脉冲能量为6mJ/pluse。
(5)向圆锥状通孔宽口端7注入流体冲洗，例如水，使中部圆形膜片3与PMMA基板1相脱离，并冲掉切割形成的所述薄膜层2通孔中间部分，形成PMMA基板1与PDMS阀膜2之间的流体流路，从而构成微型单向阀流向控制结构，最终得到尺寸为2mm*2mm*0.325mm的全塑微型单向阀。
采用准分子激光微细加工技术制造全塑微型单向阀，刻蚀精度高，工艺简单，易于操作，生产效率高，生产成本低，适合批量化生产。以阀膜2上刻蚀多个围绕中间一圆形膜片3环形布置的通孔，替代传统“开合”结构，结构简单，多个通孔构成了多个流体通道，从而提高了单向阀阀体的流向控制能力。
选用PMMA作为基板1材料，质轻，可使阀体轻量化，有利于提高产品的适用性；价格低廉，无毒环保，耐腐蚀，抗碎裂能力强，可降低产品的制造成本，延长其使用寿命；加工性能好，易于基板1通孔的加工。
选用PDMS作为阀膜2材料，价格低廉，可降低产品的制造成本；柔性好，易于吸附于基板1之上，采用涂覆再固化的方式，保护其与基板1封接效果好；键合工艺简单，成型质量好，刻蚀性能强，有利于刻蚀加工，提高加工精度；具有化学惰性和很高的生物兼容性，适用范围广；弹性好，可保证阀口的密封性和单向性。
采用旋涂法制备阀膜2，通过控制匀胶的时间、转速、滴液量以及所用溶液的浓度、粘度来控制成膜的厚度，可控性高，成膜均匀性好，效果佳。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种全塑微型单向阀，包括基板和阀膜，其特征在于，所述基板上设有圆锥状通孔，所述阀膜覆于圆锥状通孔窄口端的基板一侧，所述阀膜上设有围绕中间一圆形膜片环形布置的多个通孔，圆形膜片的面积大于圆锥状通孔窄口端，完全将圆锥状通孔窄口端覆盖，所述基板的圆锥状通孔与阀膜上圆形膜片周围的通孔之间构成微型单向阀的流体流路。
2.根据权利要求1所述的一种全塑微型单向阀，其特征在于，所述阀膜上的通孔为四个扇形通孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种全塑微型单向阀，其特征在于，所述基板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
4.根据权利要求3所述的一种全塑微型单向阀，其特征在于，所述阀膜的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
5.一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)选取一块塑料基板，对其进行清洗和烘干处理；
(2)利用准分子激光在基板上加工形成一通孔，所述通孔呈圆锥状；
(3)在通孔窄口端的基板一面涂覆一层热塑性聚合材料，加热固化使之形成一薄膜层；
(4)利用准分子激光对所述薄膜层进行切割，形成多个围绕中部圆形膜片环形布置的通孔，中部圆形膜片与所述基板上的通孔同心且大于基板上通孔窄口端，以形成单向阀阀膜；
(5)向通孔宽口端注入流体冲洗，使中部圆形膜片与基板相脱离，并冲掉切割形成的所述薄膜层通孔中间部分，形成基板与阀膜之间的流体流路，从而构成微型单向阀流向控制结构。
6.根据权利要求5所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(1)中基板的材质为PMMA。
7.根据权利要求6所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(1)中基板的厚度为200～500μm。
8.根据权利要求7所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中通孔的加工过程为：由平台移动基板，控制基板曝光量，使圆锥中心曝光量高，周边曝光量低，利用准分子激光加工通孔使其呈圆锥状；激光加工过程中，使用辅助气体，以降低加工表面的粗糙度。
9.根据权利要求8所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中辅助气体为氮气。
10.根据权利要求9所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(4)中准分子激光为KrF准分子激光。
11.根据权利要求10所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中薄膜层的材质为PDMS。
12.根据权利要求11所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中薄膜层采用旋涂法制备。
13.根据权利要求12所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中薄膜层的厚度为25μm。
14.根据权利要求13所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中薄膜层上切割通孔为四个扇形通孔。
15.根据权利要求14所述的一种全塑微型单向阀的加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中准分子激光对所述薄膜层切割时的切割深度大于薄膜层厚度。
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