CN107606252B - 用于微流控芯片的无源单向阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微流控芯片的无源单向阀，安装于微流控流道中，包括膜片；膜片的一端固定安装在微流控流道的侧壁上，另外一端悬置；微流控流道在膜片安装位置处两侧的截面不同，其中一侧的截面较小，为A侧，另一侧的截面较大，为B侧；膜片悬置端的外边缘尺寸大于A侧微流控流道的内径尺寸，同时膜片悬置端的外边缘与微流控流道的侧壁之间存在的缝隙仅容许气体穿行。由此可知：本发明无需外界仪器操作，就能起到控制液体单向流动、气体双向通行的目的。

Description

用于微流控芯片的无源单向阀

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体的说，涉及一种控制液体流动方向并保证气体畅通的无源单向阀门结构。

背景技术

在微流控芯片中，通过阀门控制来达到液体的精确流动。目前常用的阀门多为简单阀门，通过气压或者机械力的推动来达到阀门的关闭，以阻断液体的流动；也有通过一个旋转装置来达到阻断液体的流动。

微流控阀门大致分为：转动阀门、石蜡阀门、石蜡热熔阀、磁铁移动阀门、气动阀门、机械阀门。转动阀门是通过转动转子，当转子上的微柱与底座上的微孔相接触时阀门关闭。石蜡阀门一般用于液体由离心力驱动的芯片内，通过离心力的冲力顶开石蜡阀门。石蜡热熔阀是用激光等热源定向加热阀门部位，使其溶解，打开阀门。磁铁移动阀门是通过磁铁在磁力环境下的运动 来开关阀门。气动阀门是通过气体充气，使某一含有弹性组分的部位鼓起填充，起到阀门的效果。机械阀门是通过设备和芯片配合，通过设备的伸出缩回某一部位，挤压芯片，起到阀门效果。

由此可知，上述微流控阀门通过气压或机械力仅完成了流路的阻断功能，当气压或机械力消失的时候，流道又会恢复通路，而且需要仪器一直持续的施加气压或者机械力，使微流控芯片的结构复杂，对仪器要求复杂，不便于加工装配及使用。

另外，现有的微流控芯片阀门装置功能单一，需要外界仪器施加控制，稳定性不高，对仪器持续工作的要求高，在功能上达不到既能让气体畅通，又能保证液体单向流动的需求。

综上所述，如何提供一种控制液体流动方向并保证气体畅通的无源单向阀门，以减少微流控芯片上安装的部件，减少仪器的持续工作，从而便于装配，便于操作，是目前亟待解决的问题。

发明内容

为了保证微流控液体阀门效果，需要设计一种特殊结构，在保证气体正常通过的前提下，让液体单向流动，一旦发生回流，阀门将会关闭。通过该结构，无需外界仪器操作，就能起到控制液体单向流动的目的，同时保证大规模生产的需要，阀门装置要对生产工艺的要求不高。而且在位置空间有限的微流控芯片上，该结构能够在不失原有功能的情况下，整合部分功能模块起到节省空间的目的。该结构能够使芯片的反应腔与外界隔绝，保证微流控芯片内部反应正常进行。对于简便微流控芯片结构，简便仪器起到很大的作用。

一种用于微流控芯片的无源单向阀，安装于微流控流道中，包括膜片；膜片的一端固定安装在微流控流道的侧壁上，另外一端横向悬置在微流控流道中；微流控流道在膜片安装位置处两侧的截面不同，其中一侧的截面较小，为A侧，另一侧的截面较大，为B侧；膜片悬置端的外边缘尺寸大于A侧微流控流道的内径尺寸，同时膜片悬置端的外边缘与微流控流道的侧壁之间存在的缝隙仅容许气体穿行；

当液体从微流控流道的A侧向微流控流道的B侧行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，向微流控流道的B侧推开，微流控流道的A侧、B侧连通，液体能够从微流控流道的A侧向微流控流道的B流动；

当液体从微流控流道的B侧向微流控流道的A侧行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，贴紧A侧微流控流道的外侧端面，以封住微流控流道的A侧流道，此时，微流控流道的A侧、B侧被膜片截断，液体在膜片的安装位置处处于截流状态。

作为本发明的进一步改进，所述微流控流道包括流道a、流通孔、流道b，其中：流通孔处于轴向的两个端面分别为第一流通端、第二流通端；流道a与第一流通端连通，流道b与第二流通端连通；流道b在与第二流通端连通的部位具有膜片，膜片的一端紧靠着第二流通端固定，另一端悬置；膜片的悬置端恰巧能够覆盖住流道b与第二流通端连通的截面，且流道b与第二流通端连通的截面尺寸大于第二流通端的内径，同时膜片悬置端的边缘与流道b、第二流通端之间均存在容许气体穿行的缝隙；

当液体从流道a向流道b行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，与流通孔的第二流通端之间存在间隙，液体能够通过该间隙流入流道b中；

当液体从流道b向流道a行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，贴紧流通孔的第二流通端，以封住流通孔的第二流通端，此时流体处于截流状态。

作为本发明的进一步改进，所述微流控流道为三层结构，包括从上到下依次层叠的上层芯片、中层芯片和下层芯片；流道a设置于上层芯片面向中层芯片的板面，流通孔贯穿地设置于中层芯片，流道b则设置于下层芯片面向中层芯片的板面；且在紧靠着流道b所在位置处，下层芯片面向中层芯片的板面设置有膜片嵌槽，膜片的固定端嵌装于膜片嵌槽中，并通过中层芯片压紧固定。

作为本发明的进一步改进，所述流道a、流通孔、流道b以及膜片均为若干个；各流道a呈排状布置，各流道b以及各流通孔也呈排状布置，且流道a、流通孔、流道b以及膜片一一对应，各膜片固定端整体集成片状膜片连接端，悬置端则呈矩形齿牙状均匀地分布在膜片连接端上，相邻的两个膜片悬置端之间存在间隙。

作为本发明的进一步改进，上层芯片、中层芯片和下层芯片均采用高分子聚合物材料制成。

作为本发明的进一步改进，所述流通孔的截面为圆形。

作为本发明的进一步改进，膜片的截面为矩形。

作为本发明的进一步改进，膜片采用弹性膜材料制成。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

1、本发明创造性地设计了一种微流控液体无源单向控制装置，节省微流控芯片空间。微流控芯片的位置空间十分有限，本发明能有效的节省微流控流道空间，可以使设计流道时更加有效，避免流道回流和解决气体通过的问题。同时由于该结构无需外界机械操作，仅由自身结构控制液体流动方向，加工简单，使仪器操作也大大简化。

2、本发明通过在微流控流道中安装膜片，使得该膜片一端固定在微流控流道的侧壁，另一端横向悬置在微流控流道中，并在膜片安装位置处设计特殊微流控流道截面，以及选择合适的膜片悬置端尺寸，使得膜片悬置端在液体流动的情况下，只会单向截流微流控流道，而气体流动的情况下，由于膜片在微流控流道中是悬置的，因此，可以在膜片安装位置处两侧的微流控流道中自由穿行。

附图说明

图1是本发明所述无源单向阀的结构示意图；

图2是上层芯片的结构示意图；

图3是中层芯片的结构示意图；

图4是下层芯片的结构示意图；

图5是膜片的结构示意图；

图中：1-上层芯片；11-第一流道a；12-第二流道a；2-中层芯片；21-第一流通孔；22-第二流通孔； 3-下层芯片；31-流道b；32-膜片嵌槽；4-膜片；41-膜片连接端；42-膜片悬置端；43-膜片悬置端间隙。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图1-5所示，本发明所述的用于微流控芯片的无源单向阀，安装于微流控流道中，包括膜片4；膜片的一端固定安装在微流控流道的侧壁上，另外一端悬置；微流控流道在膜片安装位置处两侧的截面不同，其中一侧的截面较小，为A侧，另一侧的截面较大，为B侧；膜片悬置端的外边缘尺寸大于A侧微流控流道的内径尺寸，同时膜片悬置端的外边缘与微流控流道的侧壁之间存在的缝隙仅容许气体穿行；

当液体从微流控流道的A侧向微流控流道的B侧行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，向微流控流道的B侧推开，微流控流道的A侧、B侧连通，液体能够从微流控流道的A侧向微流控流道的B流动；

当液体从微流控流道的B侧向微流控流道的A侧行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，贴紧A侧微流控流道的外侧端面，以封住微流控流道的A侧流道，此时，微流控流道的A侧、B侧被膜片截断，液体在膜片的安装位置处处于截流状态。

上述的微流控流道，包括流道a、流通孔、流道b，其中：

流通孔处于轴向的两个端面分别为第一流通端、第二流通端；流道a与第一流通端连通，流道b与第二流通端连通；流道b在与第二流通端连通的部位具有膜片，膜片的一端紧靠着第二流通端固定，另一端悬置；膜片的悬置端恰巧能够覆盖住流道b与第二流通端连通的截面，且流道b与第二流通端连通的截面尺寸大于第二流通端的内径，同时膜片悬置端的边缘与流道b、第二流通端之间均存在容许气体穿行的缝隙；

当液体从流道a流向流道b时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，与流通孔的第二流通端之间存在间隙，液体能够通过该间隙流入流道b中；

当液体从流道b流向流道a时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，贴紧流通孔的第二流通端，以封住流通孔的第二流通端，此时流体处于截流状态。

本实施例中，所述微流控流道为三层结构，包括从上到下依次层叠的上层芯片1、中层芯片2和下层芯片3；上层芯片、中层芯片和下层芯片均采用高分子聚合物材料制成。

如图2所示，流道a设置于上层芯片面向中层芯片的板面，具有若干个，分成两排布置，对应为第一流道a11、第二流道a12。

如图3所示，流通孔贯穿地设置于中层芯片，截面为圆形，具有若干个，也分成两排布置，对应为第一流通孔21、第二流通孔22。

如图4所示，流道b31则设置于下层芯片面向中层芯片的板面；且在紧靠着流道b所在位置处，下层芯片面向中层芯片的板面设置有膜片嵌槽32，膜片的固定端嵌装于膜片嵌槽中，并通过中层芯片压紧固定。当然，膜片嵌槽也可以开设在中层芯片面向下层芯片的板面，此时膜片的固定端是通过下层芯片来压紧固定。

如图5所示，膜片采用弹性膜材料制成，膜片的悬置端截面为矩形；各膜片固定端可以整体集成片状膜片连接端41，悬置端42则呈矩形齿牙状均匀地分布在膜片连接端上，相邻的两个膜片悬置端42之间存在间隙43。

流道a、流通孔、流道b以及膜片一一对应。

本发明所述阀门的工作原理是：

当液体从上层芯片的流道a通过中层芯片的流通孔，进入下层芯片的流道b时，膜片的悬置端会被液体压力打开，使液体正常通过；当气体从上层芯片的流道a或下层芯片的流道b通过时，会由膜片悬置端的周边缝隙通过，双向均可正常通过；当液体从下层芯片的流道b向上层芯片的流道a行进时，会把膜片的悬置端向上顶起，堵住流通孔，封闭流道，阻止液体通行。

Claims (5)

1.一种用于微流控芯片的无源单向阀，安装于微流控流道中，其特征在于，包括膜片；

膜片的一端固定安装在微流控流道的侧壁上，另外一端横向悬置在微流控流道中；微流控流道在膜片安装位置处两侧的截面不同，其中一侧的截面较小，为A侧，另一侧的截面较大，为B侧；膜片悬置端的外边缘尺寸大于A侧微流控流道的内径尺寸，同时膜片悬置端的外边缘与微流控流道的侧壁之间存在的缝隙仅容许气体穿行；

当液体从微流控流道的A侧向微流控流道的B侧行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，向微流控流道的B侧推开，微流控流道的A侧、B侧连通，液体能够从微流控流道的A侧向微流控流道的B流动；

当液体从微流控流道的B侧向微流控流道的A侧行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，贴紧A侧微流控流道的外侧端面，以封住微流控流道的A侧流道，此时，微流控流道的A侧、B侧被膜片截断，液体在膜片的安装位置处处于截流状态；

所述微流控流道包括流道a以及流通孔、流道b，其中：流通孔处于轴向的两个端面分别为第一流通端、第二流通端；流道a与第一流通端连通，流道b与第二流通端连通；膜片安装在流道b与第二流通端连通的部位，膜片的一端紧靠着第二流通端固定，另一端悬置；膜片的悬置端恰巧能够覆盖住流道b与第二流通端连通的截面，且流道b与第二流通端连通的截面尺寸大于第二流通端的内径，同时膜片悬置端的边缘与流道b、第二流通端之间均存在仅容许气体穿行的缝隙；

当液体从流道a向流道b行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，与流通孔的第二流通端之间存在间隙，液体能够通过该间隙流入流道b中；

当液体从流道b向流道a行进时，膜片悬置端在液体流动压力的推动下，贴紧流通孔的第二流通端，以封住流通孔的第二流通端，此时液体处于截流状态；

所述微流控流道为三层结构，包括从上到下依次层叠的上层芯片、中层芯片和下层芯片；流道a设置于上层芯片面向中层芯片的板面，流通孔贯穿地设置于中层芯片，流道b则设置于下层芯片面向中层芯片的板面；且在紧靠着流道b所在位置处，下层芯片面向中层芯片的板面设置有膜片嵌槽，膜片的固定端嵌装于膜片嵌槽中，并通过中层芯片压紧固定；

所述流通孔的截面为圆形。

2.根据权利要求1所述用于微流控芯片的无源单向阀，其特征在于，所述流道a、流通孔、流道b以及膜片均为若干个；各流道a呈排状布置，各流道b以及各流通孔也呈排状布置，且流道a、流通孔、流道b以及膜片一一对应，各膜片固定端整体集成片状膜片连接端，悬置端则呈矩形齿牙状均匀地分布在膜片连接端上，相邻的两个膜片悬置端之间存在间隙。

3.根据权利要求1所述用于微流控芯片的无源单向阀，其特征在于，上层芯片、中层芯片和下层芯片均采用高分子聚合物材料制成。

4.根据权利要求1所述用于微流控芯片的无源单向阀，其特征在于，膜片的截面为矩形。

5.根据权利要求1所述用于微流控芯片的无源单向阀，其特征在于，膜片采用弹性膜材料制成。