CN107573704B - 一种基于导电复合材料和感应热驱动的相变微阀 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于导电复合材料和感应热驱动的相变微阀，具体为一种利用高频电磁感应在导电复合相变材料内产生电涡流，电涡流生成焦耳热，加热相变材料，相变材料熔化产生体积膨胀，由体积膨胀驱动薄膜，关闭流道的相变微阀。微阀是微流体系统的重要组成部分，在生物医学领域有广泛的应用前景，如药物输送、燃料供给等，属于微流控系统领域。
Description
技术领域
本发明是一种基于导电复合材料和感应热驱动的相变微阀，具体为一种利用高频电磁感应在导电复合相变材料内产生电涡流，电涡流生成焦耳热，加热相变材料，相变材料熔化产生体积膨胀，由体积膨胀驱动薄膜，关闭流道的相变微阀。微阀是微流体系统的重要组成部分，在生物医学领域有广泛的应用前景，如药物输送、燃料供给等，属于微流控系统领域。
背景技术
相变驱动是一种微阀驱动方式，目前，大多采用电阻式微加热器加热。2003年，美国密歇根大学的Selvaganapathy等人研制出一种由铬-铝合金制成的电阻式相变微阀。2009年，美国哥伦比亚大学的Qiao Lin等人研制了一种适用于芯片实验室的相变微阀，该微阀采用金溅射而成的集成式微电阻加热器对相变材料进行加热。2012年瑞典乌普萨拉大学的Sam Ogden等人采用铜作为加热电阻，研制了一种适用于高压环境的相变微阀。然而，传统电阻式相变微阀是由电阻丝向导热性较差的相变材料传热，具有产热不均匀，热传递效率低，响应时间较慢等缺点，且目前电阻式微加热器主要通过沉积溅射等方式以薄膜的形式集成在基底材料上，这种方法工艺复杂，设备昂贵，制作时间较长。
发明内容
本发明的目的在于提高相变微阀的传热速度、减小响应时间、降低制作工艺难度，从而提出一种基于导电复合材料和感应热驱动的相变微阀。该微阀采用微细加工工艺制成，利用高频电磁感应在导电复合相变材料内产生电涡流，由电涡流产生焦耳热。进而，对复合材料的相变材料加热，使其发生相变和热膨胀，实现对流道中流体的开/关控制。本发明采用的导电复合相变材料由导电材料、相变材料和导磁材料组分三种成分组成，其中导电材料占比2-6％，导磁材料3-10％，其余为相变材料。复合材料的电导率为100-300Ω·m，磁导率为0.0005-0.002H/m。
本发明采用如下技术方案：
基于导电复合材料和感应热驱动的相变微阀，阀体从上至下包括微流道芯片1、弹性薄膜5、加热腔芯片6、玻璃基底8和励磁线圈10；所述微流道芯片1包括进液口2、微流道3与出液口4；
所述进液口2与出液口4，为圆形孔，其直径为0.5mm-1.5mm，均与微流道3相连通，其贯穿微流道芯片1；所述微流道3的截面为弧形，圆心角为30°-180°，最高处深度为10-300μm；容易与凸起的弹性薄膜紧密贴合。
所述弹性薄膜5的厚度为20-100μm。
所述加热腔芯片6上加工有加热腔，加热腔为圆形孔，直径为0.5-1mm，其贯穿加热腔芯片6，加热腔中添装有制备好的导电复合材料7；
所述励磁线圈10，加工在玻璃基底8上，励磁装置包括励磁线圈10、绝缘层Ⅰ9、励磁线圈引线11、引线电极I12、引线电极II13、绝缘层Ⅱ14及励磁线圈中心连接点17，励磁线圈引线11加工在玻璃基底8下表面上，绝缘层Ⅰ9附着于玻璃基底8的下表面与励磁线圈引线11上，绝缘层Ⅰ9的厚度大于励磁线圈引线电极的厚度，励磁线圈10附着于绝缘层Ⅰ9上，其中心位置通过励磁线圈中心连接点17与励磁线圈引线11相连，绝缘层Ⅱ14附着于绝缘层Ⅰ9与励磁线圈10上，并在引线电极I12处加工出贯通孔I15，励磁线圈引线电极II13处加工出贯通孔II16。
所述励磁线圈10，形状为多边形或圆形平面螺旋线圈，单层线圈匝数为6匝到30匝。所述引线电极I12和引线电极II13，分别连接交流电源两个输出端，给励磁线10通入高频交流电流。
所述进液口2和出液口4分别连接外部液体管道。液体充满进液口2、微流道3及出液口4。
本发明相变微阀工作原理和使用过程，如附图4和附图5所示，具体如下：
使用时，相变微阀的进液口2引入被控制液体进入微流道3，流向出液口4。
如附图4所示，当微阀的励磁线圈10没有供电时，微流道3处于打开状态，并与微阀的进液口2、出液口4相连通，微阀处于打开状态，被控制的液体可以从进液口2流向出液口4。
如附图5所示，当给励磁线圈10通入频率为500-5kHz的高频交变电流，励磁线圈10周围会产生高频交变磁场。由于复合相变材料中添加了导电材料和高磁导率材料，使原来电绝缘的相变材料变为导电材料。此外，高磁导率材料使其磁场得到较大地增强。处于交变磁场中的导电复合相变材料内产生电涡流，电涡流在相变材料中产生焦耳热，使导电复合材料7中的相变材料熔化，产生体积膨胀，驱动位于微流道3和导电复合材料7之间的弹性薄膜5变形，使得导电复合材料7上方的弹性薄膜5与微流道芯片1紧密接触，关闭微流道3，使进液口2和出液口4没有连通，被控制液体不会从出液口4流出，微阀处于关闭状态。
本发明可以获得如下有益效果和特点：1)本发明采用感应加热的方式，励磁线圈制作在相变材料之外，无需在加热腔内引线，结构及工艺简单、制作简便；2)本发明的热源为导电复合材料本身，产热均匀，具有加热效率高、响应时间短等优势；3)本发明无机械运动部件，使用寿命长、可靠性高，便于集成到微流控芯片上。
附图说明
图1：本发明微阀分解视图；
图2：本发明微阀正视图；
图3：本发明微阀侧视图；
图4：本发明微阀工作原理示意图一；
图5：本发明微阀工作原理示意图二；
图6：本发明微流道芯片注塑工艺过程图一；
图7：本发明微流道芯片注塑工艺过程图二；
图8：本发明微流道芯片注塑工艺过程图三；
图9：本发明微流道芯片注塑工艺过程图四；
图10：本发明微流道芯片注塑工艺过程图五；
图11：本发明微流道芯片注塑工艺过程图六；
图12：本发明微阀玻璃基底实施工艺过程图一；
图13：本发明微阀玻璃基底实施工艺过程图二；
图14：本发明微阀玻璃基底实施工艺过程图三；
图15：本发明微阀玻璃基底实施工艺过程图四；
图16：本发明微阀玻璃基底实施工艺过程图五；
图中：1.微流道芯片，2.进液口，3.微流道，4.出液口，5.弹性薄膜，6.加热腔芯片，7.导电复合材料，8.玻璃基底，9.绝缘层Ⅰ，10.励磁线圈，11.励磁线圈引线，12.引线电极Ⅰ，13.引线电极Ⅱ，14.绝缘层Ⅱ，15.贯通孔Ⅰ，16.贯通孔Ⅱ，17.励磁线圈中心连接点，18.玻璃基板，19.SU-8胶，20.掩膜板，21.SU-8胶阳模，22.PDMS，23.贯通孔Ⅰ，24.贯通孔Ⅱ。
具体实施方式
如附图1-3所示，本发明实施例提供了一种基于导电复合材料和感应热驱动的相变微阀，主要包括微流道芯片1、弹性薄膜5、加热腔芯片6、玻璃基底8和励磁线圈10；所述微流道芯片1的结构包括进液口2、微流道3与出液口4。本实例中样本相变材料选择石蜡，样本导电材料为膨胀石墨，样本高磁导率材料为镍粉，样本液体为去离子水。
本发明微阀加工工艺制作主要包括以下几个部分:
本发明微阀所用导电复合材料7制备流程如下所示：
(a)将石蜡做为相变组分放入玻璃器皿中，在烘胶台进行加热直至熔化；
(b)将称重好的膨胀石墨作为导电组分放入融化的石蜡中，并用玻璃棒搅拌均匀；
(c)缓缓加入镍细颗粒作为高磁导率组分，边加边搅拌，直至玻璃器皿底部开始出现沉淀，将玻璃器皿从烘胶台取下，等待复合材料凝固。
本发明微阀微流道芯片1，采用SU-8制作阳模，PDMS注塑工艺加工制作，具体工艺流程如附图6-11所示：
(a)附图6，选用玻璃基板18作为基底，用去离子水清洗，在温度为110℃的烘胶台上烘干；
(b)附图7，在玻璃基板18上旋涂一层SU-8胶19，采用不同类型、粘度的SU-8胶，胶层厚度可控制在50μm-250μm之间，并在一定温度下前烘固化。
(c)附图8，将玻璃基板18倒置，使SU-8胶19朝下，将掩膜板20放置在玻璃基板18上方0.5-2mm处，进行曝光；
(d)附图9，SU-8胶19曝光后，经显影、清洗，玻璃基板18上留下凸起的SU-8胶阳模21，并坚膜；
(e)附图10，在带有SU-8胶阳模21的玻璃基板18上浇注PDMS22，并固化；
(f)附图11，固化后的PDMS22从玻璃基板18上剥离，然后采用微机械加工打孔方法，在微流道芯片1上加工出进液口2与出液口4。
本发明微阀励磁线圈18加工工艺过程，如附图12-16，具体流程如下：
(a)附图12，选用玻璃基板作为玻璃基底8，用去离子水清洗；
(b)附图13，采用溅射工艺在玻璃基底8下表面，沉积电镀种子层Cr/Cu，然后，旋涂一层BP212(正性光刻胶)，在烘胶台(温度110℃)上烘干固化后，采用掩膜板对正性光刻胶进行曝光，曝光时间2分30秒，取出玻璃基板Ⅲ34在显影液中进行显影，坚膜，用FeCl3溶液去除铜膜，乙醇溶液去除正胶，在电镀CuSO4溶液中，电镀生成励磁线圈引线11；
(c)附图14，用盐酸甘油去除Cr膜，旋涂一层聚酰亚胺(PI)做绝缘层Ⅰ9，固化后，溅射一层Al，厚度为200-500nm，旋涂一层BP212(正性光刻胶)，采用掩膜板，对正性光刻胶曝光，显影，坚膜，用RIE干法刻蚀PI，露出贯通孔Ⅰ23和贯通孔Ⅱ24；
(d)附图15，采用乙醇溶液去除正性光刻胶，磷酸去除Al膜，在绝缘层Ⅰ9上，溅射电镀种子层Cr/Cu；旋涂一层正性光刻胶，烘干固化后，进行曝光，显影，电镀生成励磁线圈10、引线电极Ⅰ12与引线电极Ⅱ13；
(e)附图16，采用乙醇溶液去除光刻胶，FeCl3溶液去除铜膜，盐酸甘油去除Cr膜，旋涂一层聚酰亚胺(PI)做绝缘层Ⅱ14，固化后，溅射一层Al，厚度为200-500nm，旋涂一层BP212(正性光刻胶)，采用光刻工艺，显影，坚膜，用RIE干法刻蚀PI，加工出贯通孔Ⅰ15与贯通孔Ⅱ16，露出引线电极Ⅰ12与引线电极Ⅱ13，采用乙醇溶液去除正性光刻胶，磷酸去除Al膜，去离子水清洗，烘干。
本发明的加热腔采用微细加工打孔的方法制作。具体流程为：
(1)选用玻璃基板作为原材料，用去离子水清洗；
(2)采用超声波打孔机在玻璃基板上打出通孔作为加热腔，选用不同钻头，孔直径可控制在0.5-1mm。
本发明弹性薄膜5采用旋涂工艺制成。
(1)选用玻璃基板作为玻璃基底，用去离子水清洗；
(2)在玻璃基板上浇注PDMS，并在匀胶台上进行旋涂，选取不同转速和时间，PDMS薄膜厚度可控制在20-200μm。
本发明上述微流道芯片1、弹性薄膜5、加热腔芯片6及玻璃基底8之间采用键合或黏合的方法进行封装，制成感应加热驱动的相变微阀。
以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。
Claims (3)
1.基于导电复合材料和感应热驱动的相变微阀，其特征在于：阀体从上至下包括微流道芯片、弹性薄膜、加热腔芯片、玻璃基底和励磁线圈；所述微流道芯片包括进液口、微流道与出液口；
所述进液口与出液口，均与微流道相连通，进液口与出液口贯穿微流道芯片；
所述弹性薄膜的厚度为20-100μm；
所述加热腔芯片上加工有加热腔，加热腔为圆形孔，直径为0.5-1mm，圆形孔贯穿加热腔芯片，加热腔中添装有制备好的导电复合相变材料；导电复合相变材料由导电材料、相变材料和导磁材料组分三种成分组成；
所述励磁线圈加工在玻璃基底上，励磁装置包括励磁线圈、绝缘层Ⅰ、励磁线圈引线、引线电极I、引线电极II、绝缘层Ⅱ及励磁线圈中心连接点，励磁线圈引线加工在玻璃基底下表面上，绝缘层Ⅰ附着于玻璃基底的下表面与励磁线圈引线上，绝缘层Ⅰ的厚度大于励磁线圈引线电极的厚度，励磁线圈附着于绝缘层Ⅰ上，其中心位置通过励磁线圈中心连接点与励磁线圈引线相连，绝缘层Ⅱ附着于绝缘层Ⅰ与励磁线圈上，并在引线电极I处加工出贯通孔I，励磁线圈引线电极II处加工出贯通孔II；
所述引线电极I和引线电极II，分别连接交流电源两个输出端，给励磁线通入交流电流；
所述进液口和出液口分别连接外部液体管道；液体充满进液口、微流道及出液口。
2.根据权利要求1所述相变微阀，其特征在于：导电复合相变材料中按照质量比，导电材料占比2-6％，导磁材料3-10％，其余为相变材料；复合材料的电导率为100-300Ω·m，磁导率为0.0005-0.002H/m。
3.应用如权利要求1或2所述相变微阀的方法，其特征在于：
使用时，相变微阀的进液口引入被控制液体进入微流道，流向出液口；
当微阀的励磁线圈没有供电时，微流道处于打开状态，并与微阀的进液口、出液口相连通，微阀处于打开状态，被控制的液体可以从进液口流向出液口；
当给励磁线圈通入交变电流，励磁线圈周围会产生高频交变磁场；处于交变磁场中的导电复合相变材料内产生电涡流，电涡流在相变材料中产生焦耳热，使导电复合材料中的相变材料熔化，产生体积膨胀，驱动位于微流道和导电复合材料之间的弹性薄膜变形，使得导电复合材料上方的弹性薄膜与微流道芯片紧密接触，关闭微流道，使进液口和出液口没有连通，被控制液体不会从出液口流出，微阀处于关闭状态。
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