CN107676542A - 一种基于电阻加热的非接触式常闭型相变微阀 - Google Patents

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Abstract

一种基于电阻加热的非接触式常闭型相变微阀，属于微流控技术领域。从上到下包括有主流道芯片、弹性薄膜Ⅰ、控制流道芯片、弹性薄膜Ⅱ、加热腔芯片和玻璃基底；主流道芯片的结构包括进液口、主流道进液侧、挡块、主流道出液侧与出液口；所述进液口与出液口，为圆形孔，其贯穿主流道芯片，分别与主流道进液侧和主流道出液侧相连通；所述挡块，位于主流道进液侧和主流道出液侧之间，与微阀上芯片为一体，底边与微阀上芯片底面平齐。该微阀利用电阻式微加热器加热，利用相变材料相变时产生的热膨胀实现对主流道和控制腔的压力差的控制，进一步实现对微阀的控制。

Description

一种基于电阻加热的非接触式常闭型相变微阀
技术领域
本发明是一种基于电阻加热的非接触式常闭型相变微阀。具体为采用微加工技术制作的常闭型相变微阀，该微阀利用电阻式微加热器加热，利用相变材料相变时产生的热膨胀实现对主流道和控制腔的压力差的控制，进一步实现对微阀的控制。本发明涉及一种便于集成到微流控芯片系统中的电阻热驱动的常闭型微阀，属于微流控技术领域。
背景技术
相变微阀是一种利用材料相变时体积变化来开关或调节流量的微阀，是热膨胀微阀的一个重要分支，其制作成本相对较低，具有较好的应用前景。
对于相变微阀，相变材料相变过程中需要对温度进行精确控制。因而多数相变微阀的微加热器材料均采用具有良好导电、导热性能的金属。目前，以金属铂和金应用最多，将金属铂或金通过沉积、溅射等方式以薄膜的形式集成在芯片上制成微加热器。因此，采用电阻式微加热器具有结构紧凑、易于控制等优点。
常闭微阀是一种常态下关闭，无需外部能量输入，仅在工作时才需要能量打开流道的微阀。根据相变材料是否与样本试剂微流体接触，可将相变阀分为接触式相变阀和非接触式相变阀两类。目前，采用相变材料相变驱动的常闭微阀均为接触式相变阀，而接触式相变阀具有相变材料容易对样本试剂溶液产生污染，只能一次性使用等缺点。
在此背景下，本发明提出一种非接触式常闭型相变微阀。
发明内容
本发明的目的在于减少相变材料对被控样品溶液的污染和提高微阀的使用次数。本发明采用电阻式微加热器对相变材料进行加热，使其发生相变和热膨胀，实现对控制流道中流体的开/关控制。然后，由控制流道中的流体对主流道的流体进行开/关控制。本发明采用的电阻式微加热器为沉积在玻璃基底上的金属薄膜。
本发明采用如下技术方案：
电阻热驱动的非接触式常闭型微阀，其阀体从上到下包括有主流道芯片1、弹性薄膜Ⅰ8、控制流道芯片9、弹性薄膜Ⅱ13、加热腔芯片14和玻璃基底17；主流道芯片1的结构包括进液口2、主流道进液侧3、挡块4、主流道出液侧5与出液口6。所述进液口2与出液口6，为圆形孔，其贯穿主流道芯片1，分别与主流道进液侧3和主流道出液侧5相连通；所述挡块4，位于主流道进液侧3和主流道出液侧5之间，与微阀上芯片1为一体，底边与微阀上芯片1底面平齐；
所述控制流道芯片9的结构包括控制流道进液口11、控制流道10与控制腔12。控制流道10截面为弧形，圆心角为30°-180°，容易与凸起的弹性薄膜紧密贴合。控制腔12为圆形贯穿孔，其圆心与挡板中点对齐，直径为0.5-1mm。控制腔12与控制流道10相连通，控制流道进液口11为圆形贯穿孔，直径为0.1-1mm，控制流道进液口11与控制流道10相连通；
所述弹性薄膜Ⅰ8上有弹性薄膜I贯通孔7，为贯穿孔，直径为0.1-1mm，弹性薄膜I贯通孔7与控制流道进液口11相连通，弹性薄膜I贯通孔7与进液口2相连通；所述弹性薄膜Ⅰ8和弹性薄膜Ⅱ13的厚度为20-100μm。
所述加热腔芯片14上有加热腔Ⅰ15和加热腔Ⅱ16，加热腔Ⅰ15为圆形贯穿孔，直径为0.5-1mm，位于控制流道10的下方；加热腔Ⅱ16为圆形贯穿孔，直径为0.5-1mm，位于控制腔12下方；加热腔Ⅰ15和加热腔Ⅱ16内填充有相变材料；
所述微加热器Ⅰ18位于玻璃基底17上对应加热腔Ⅰ15的位置，具体为金属薄膜，微加热器Ⅰ18与铜导线相连，铜导线将电路引出加热腔Ⅰ15与外部电源连接。电源均为连续的直流电源；
所述微加热器Ⅱ19位于玻璃基底17上对应加热腔Ⅱ16的位置，具体为金属薄膜，微加热器Ⅱ19与另一铜导线相连，铜导线将电路引出加热腔Ⅱ16与另一外部电源连接。电源均为连续的直流电源；
所述进液口2和出液口6分别连接外部液体管道。液体充满进液口2、主流道进液侧3、弹性薄膜I贯通孔7、控制流道进液口11、控制流道10及控制腔12。
本发明的工作原理为：
如附图3，当微加热器Ⅰ18和微加热器Ⅱ19都没有供电时，微阀的控制腔12与微阀的进液口2相连通，液体会流入控制流道10以及控制腔12。因此，主流道进液侧3中的液体压强与控制腔12的液体压强大小相同，处于主流道芯片1和控制流道芯片9之间的弹性薄膜I8不会变形，主流道中的挡块4与弹性薄膜I8保持接触状态，阻止液体由进液口2流向出液口6，使微阀处于关闭状态。
如附图4，当给电阻式微加热器Ⅱ19通入电流，微加热器Ⅱ19中产生焦耳热，使加热腔Ⅱ16中的相变材料熔化，产生体积膨胀，驱动位于控制流道芯片9和加热腔Ⅱ116之间的弹性薄膜Ⅱ变形。
如附图5，再给微加热器Ⅰ18通入电流，微加热器Ⅰ18中产生焦耳热，使加热腔Ⅰ15中的相变材料熔化，产生体积膨胀，驱动位于控制流道芯片9和加热腔Ⅰ15之间的弹性薄膜Ⅱ变形，关闭控制流道10，使控制腔12和控制流道进液口11没有连通。
如附图6，关闭给微加热器Ⅱ19供电的电源，使加热腔Ⅱ16中的相变材料凝固，体积变小，使得位于控制流道芯片9和加热腔Ⅱ116之间的弹性薄膜Ⅱ恢复原状，且主流道进液侧3中的压强大于控制腔12中的压强，导致控制腔12中的液体向下运动，弹性薄膜Ⅰ在压差的驱动下向控制腔12方向发生变形，位于主流道中的挡块4与弹性薄膜Ⅰ分开，主流道中的液体由进液口2流向出液口6，微阀处于打开状态。
本发明可以获得如下有益效果和特点：(1)本发明采用电阻式微加热器加热，加热器集成在微阀内部，结构紧凑，且易于控制相变材料温度。(2)本发明样本液体与相变材料不直接接触，能保护被控生物样品不被污染；(3)本发明可多次重复使用，增大了其应用范围。
附图说明
图1：本发明微阀的分解视图；
图2：本发明微阀的剖面视图；
图3：本发明微阀的工作过程示意图一；
图4：本发明微阀的工作过程示意图二；
图5：本发明微阀的工作过程示意图三；
图6：本发明微阀的工作过程示意图四；
图7：本发明微阀上芯片腐蚀工艺过程图一；
图8：本发明微阀上芯片腐蚀工艺过程图二；
图9：本发明微阀上芯片腐蚀工艺过程图三；
图10：本发明微阀下芯片注塑工艺过程图一；
图11：本发明微阀下芯片注塑工艺过程图二；
图12：本发明微阀下芯片注塑工艺过程图三；
图13：本发明微阀下芯片注塑工艺过程图四；
图14：本发明微阀下芯片注塑工艺过程图五；
图15：本发明微阀下芯片注塑工艺过程图六；
图中：1.主流道芯片，2.进液口，3.主流道进液侧，4.挡块，5.主流道出液侧，6.出液口，7.弹性薄膜I贯通孔，8.弹性薄膜I，9.控制流道芯片，10.控制流道，11.控制流道进液口，12.控制腔，13.弹性薄膜Ⅱ，14.加热腔芯片，15.加热腔Ⅰ，16.加热腔Ⅱ，17.玻璃基底，18.微加热器Ⅰ，19.微加热器Ⅱ，20.相变材料，21.电极I，22.电极Ⅱ，23.玻璃基板Ⅰ，24.掩膜板Ⅰ，25.玻璃基板Ⅱ，26.SU-8胶，27.掩膜板Ⅱ，28.SU-8胶阳模，29.PDMS，，30.去离子水。
具体实施方案
如附图1-2所示，本发明实施例提供了一种电阻加热式常闭型相变微阀，包括主流道芯片1、弹性薄膜Ⅰ8、控制流道芯片9、弹性薄膜Ⅱ13、加热腔芯片14、玻璃基底17、微加热器Ⅰ18及微加热器Ⅱ19。本实例中样本相变材料选择石蜡，样本液体为去离子水。
本发明主流道芯片1，采用腐蚀工艺制作，具体工艺流程如下所示：
(a)如附图7，在厚度为0.5mm的玻璃基板Ⅰ23的表面旋涂一层正性光刻胶，在烘胶台(110℃)进行烘干后，采用掩膜板Ⅰ24对正性光刻胶进行曝光，在6‰的NaOH显影液中进行显影，用去离子水清洗，吹风机吹干；
(b)如附图8，对玻璃基板Ⅰ23进行各向异性腐蚀工艺加工，加工出主流道进液侧3和主流道出液侧5，深度为50μm-200μm，用去离子水清洗，吹风机吹干；
(c)如附图9，采用微细加工打孔的方法，在玻璃上表面加工出进液口2和出液口6，用去离子水清洗，吹风机吹干；
本发明控制流道芯片9，采用SU-8制作阳模，PDMS注塑工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：
(a)如附图10，选用玻璃基板Ⅱ25作为基底，用去离子水清洗，在温度为110℃的烘胶台上烘干；
(b)如附图11，在玻璃基板Ⅱ25上旋涂一层SU-8胶26，采用不同类型、粘度的SU-8胶27，胶层厚度可控制在50μm-250μm之间，并固化。
(c)如附图12，将玻璃基板Ⅱ25倒置，使SU-8胶26朝下，将掩膜板Ⅱ27放置在玻璃基板Ⅱ25上方0.5-2mm处，进行曝光；
(d)如附图13，SU-8胶26曝光后，经显影、清洗，玻璃基板Ⅱ25上留下凸起的SU-8胶阳模28；
(e)如附图14，在带有SU-8胶阳模28的玻璃基板Ⅱ25上浇注PDMS29，并固化；
(f)如附图15，固化后的PDMS29从玻璃基板Ⅱ25上剥离，然后采用微机械加工打孔方法，在控制流道芯片9上加工出控制流道进液口11与控制腔12。
本发明加热腔Ⅰ15和加热腔Ⅱ16采用微细加工打孔的方法制作。
本发明微加热器Ⅰ18、微加热器Ⅱ19和铜导线采用MEMS中常用的溅射技术在玻璃基底17上表面沉积而成。
本发明弹性薄膜Ⅰ8和弹性薄膜Ⅱ13采用旋涂工艺制成。
本发明上述主流道芯片1、弹性薄膜Ⅰ8、控制流道芯片9、弹性薄膜Ⅱ13、加热腔芯片14及玻璃基底17之间采用键合或黏合的方法进行封装，制成电阻加热的非接触式常闭型相变微阀。
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)

1.一种基于电阻加热的非接触式常闭型相变微阀，其特征在于：从上到下包括有主流道芯片、弹性薄膜Ⅰ、控制流道芯片、弹性薄膜Ⅱ、加热腔芯片和玻璃基底；主流道芯片的结构包括进液口、主流道进液侧、挡块、主流道出液侧与出液口；所述进液口与出液口，为圆形孔，其贯穿主流道芯片，分别与主流道进液侧和主流道出液侧相连通；所述挡块，位于主流道进液侧和主流道出液侧之间，与微阀上芯片为一体，底边与微阀上芯片底面平齐；
所述控制流道芯片的结构包括控制流道进液口、控制流道与控制腔；控制腔为圆形贯穿孔，其圆心与挡板中点对齐，直径为0.5-1mm；控制腔与控制流道相连通，控制流道进液口为圆形贯穿孔，直径为0.1-1mm，控制流道进液口与控制流道相连通；
所述弹性薄膜Ⅰ上有弹性薄膜I贯通孔，为贯穿孔，直径为0.1-1mm，弹性薄膜I贯通孔与控制流道进液口相连通，弹性薄膜I贯通孔与进液口相连通；所述弹性薄膜Ⅰ和弹性薄膜Ⅱ的厚度为20-100μm；
所述加热腔芯片上有加热腔Ⅰ和加热腔Ⅱ，加热腔Ⅰ为圆形贯穿孔，直径为0.5-1mm，位于控制流道的下方；加热腔Ⅱ为圆形贯穿孔，直径为0.5-1mm，位于控制腔下方；加热腔Ⅰ和加热腔Ⅱ内填充有相变材料；
所述微加热器Ⅰ位于玻璃基底上对应加热腔Ⅰ的位置，微加热器Ⅰ与铜导线相连，铜导线将电路引出加热腔Ⅰ与外部电源连接；电源均为连续的直流电源；
所述微加热器Ⅱ位于玻璃基底上对应加热腔Ⅱ的位置，微加热器Ⅱ与另一铜导线相连，铜导线将电路引出加热腔Ⅱ与另一外部电源连接；电源均为连续的直流电源；
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、主流道进液侧、弹性薄膜I贯通孔、控制流道进液口、控制流道及控制腔。
2.根据权利要求1所述的相变微阀，其特征在于：控制流道截面为弧形，圆心角为30°-180°。
3.应用如权利要求1或2的方法，其特征在于：当微加热器Ⅰ和微加热器Ⅱ都没有供电时，微阀的控制腔与微阀的进液口相连通，液体会流入控制流道以及控制腔；因此，主流道进液侧中的液体压强与控制腔的液体压强大小相同，处于主流道芯片和控制流道芯片之间的弹性薄膜I不会变形，主流道中的挡块与弹性薄膜I保持接触状态，阻止液体由进液口流向出液口，使微阀处于关闭状态；
当给电阻式微加热器Ⅱ通入电流，微加热器Ⅱ中产生焦耳热，使加热腔Ⅱ中的相变材料熔化，产生体积膨胀，驱动位于控制流道芯片和加热腔Ⅱ之间的弹性薄膜Ⅱ变形；
再给微加热器Ⅰ通入电流，微加热器Ⅰ中产生焦耳热，使加热腔Ⅰ中的相变材料熔化，产生体积膨胀，驱动位于控制流道芯片和加热腔Ⅰ之间的弹性薄膜Ⅱ变形，关闭控制流道，使控制腔和控制流道进液口没有连通；
关闭给微加热器Ⅱ供电的电源，使加热腔Ⅱ中的相变材料凝固，体积变小，使得位于控制流道芯片和加热腔Ⅱ之间的弹性薄膜Ⅱ恢复原状，且主流道进液侧中的压强大于控制腔中的压强，导致控制腔中的液体向下运动，弹性薄膜Ⅰ在压差的驱动下向控制腔方向发生变形，位于主流道中的挡块与弹性薄膜Ⅰ分开，主流道中的液体由进液口流向出液口，微阀处于打开状态。
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