CN107869613B - 一种电解膜阀及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解膜阀及其制造方法，电解膜阀包括：基板、导电膜、电解阴极、电解阳极、绝缘层、储液器。其中基板与储液器连接在一起，储液器中设置有导电介质。电膜设置在基板中，电解阴极、电解阳极设置在基板的表面。绝缘层设置在电解阴极和电解阳极上。电解膜的制造方法的步骤包括：在基板的开口上沉积导电膜；在基板上印刷电解阳极；在基板上印刷电解阴极；将电解阳极、导电膜、电解阴极封闭在储液器内部。本发明避免了产生大量气泡，是电解更加的稳定并能保证电解微通道通过效率。
Description
技术领域
本发明涉及流量控制的技术领域，具体涉及一种电解膜阀及其制造方法。
背景技术
在医疗诊断装置或药物递送装置中，通常需要控制输入的液体以预定的时间间隔通过单独孔或微通道。为了实现这一点，已经开发了多种阀和泵技术，其多是利用柔性腹板、气动装置、复杂毛细管系统、热或光致动聚合物、刚性珠或熔融可膨胀材料来驱动流体通过通道。在需要时，也可以阻止流体通过。然而，这些系统中的大多数需要使用庞大且昂贵的外围制动设备。但是由于这些设备存在不够坚固以及不可靠的原因，其无法用于便携式手持诊断装置或植入式药物递送装置中。
同时在一些微流体装置中还设计了一种微芯片，其具有被导电盖材料阻止释放的含液体的储液器。在施加电流通过盖时，盖被电解并最终破裂，释放到储液器的流体内。然而，这样的装置需要昂贵且繁琐的洁净室精密加工技术，才能达到低成本、高通量的技术要求。而这种制造技术包括箔技术、卷对卷印刷、热成型、热压花和注塑成型等制造装置的能力。此外，在现有的电解阀装置中，阳极和盖共享相同的连接结构。在电解的过程中，盖的电解与整个阳极结构的电解相同，会有大量气体气泡形成，其不但会干扰电解并且还会将气泡送入到微通道中。传入到微通道的气泡也会对微通道产生在潜在地干扰。
如何才能够避免现有的技术中，由于电解产生大量的气泡，干扰正常的电解以及微通道的通过效率是本发明有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电解膜阀及其制造方法，用以解决现有的由于产生大量气泡，而干扰正常的电解以及微通道通过效率的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为提供一种电解膜阀，所述的电解电解膜阀包括：基板、导电膜、电解阴极、电解阳极、绝缘层、储液器、微通道。其中基板与储液器连接在一起，储液器中设置有导电介质。电膜设置在基板中，电解阴极、电解阳极设置在基板的表面。绝缘层设置在电解阴极和电解阳极上。
所述的基板为柔性的，在基板上设置有微通道口。当所述基板被弯曲到高达180度时，电解阴极和电解阳极连同导电膜膜保持稳定地附着在基板上。并且当所述基板被弯曲到高达180度时，所述阴极和阳极连同所述膜保持稳定地附着到所述基板。基板选：塑料、热塑性塑料、弹性体、橡胶、液态硅橡胶、热弹性材料、柔性硅、热塑性弹性体中的一种作为其制作的材料。
所述的导电膜为能被电解腐蚀的金属制成，其厚度的范围为400mm到500μm，并且导电膜对于导电介质是不可渗透的。导电膜的制备金属材料选择为金、铝、铜、钛、铂、铬、银、镍、钽、锌、钨、钼和钯中的一种作为导电膜的材料。导电膜沉积具有多种选择方式，具体地选择粘合剂、胶、溅射、刷涂的金属箔转印，以及拾取和放置的方式的一种进行沉积。
优选地，制备导电膜的材料为金属铝材料。
所述的电解阴极包括阴极引线部分、弧形部分。电解阴极是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨。电解阴极的材料为银、金、铝、钛、铜、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物以及其组合中的一种。与纯金属油墨相比，碳基油墨具有与柔性基板更好的结合。此外，通过利用碳基油墨并调节添加到油墨中的导电材料的最佳含量，可实现足够的导电性和阳极抗氧化性之间的平衡，以及导电膜的腐蚀同时还最小化气泡的形成来达到无干扰的水平。
所述的电解阳极包括阳极引线部分、阳极孔。电解阳极是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨。电解阳极的材料为银、金、铝、钛、铜、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物以及其组合中的一种。与纯金属油墨相比，碳基油墨具有与柔性基板更好的结合。此外，通过利用碳基油墨并调节添加到油墨中的导电材料的最佳含量，可实现足够的导电性和阳极抗氧化性之间的平衡，以及导电膜的腐蚀同时还最小化气泡的形成来达到无干扰的水平。
所述的绝缘层设置在电解阴极和电解阳极上，对电解电极起到绝缘的作用。
储液器用于储存导电介质，且储液器中的电解质具有足够的离子强度以在向电极传递期望的电压电位时腐蚀冲破导电膜。通常可使用钠、铯、硫酸盐、磷酸盐、胺、酰胺和阳离子的电解质，或其组合作为电解质。在医疗或诊断应用的情况下，导电介质优选是生物相容性的，包含试剂、分析物、药物、生物相容性流体、体液、细胞、蛋白质、抗体、抗原或核酸的成分。
优选地，用磷酸盐缓冲盐水作为电解介质。基于对导电膜的腐蚀，通过调节氯化钠的浓度以增加或降低介质的离子强度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为提供一种电解膜阀的制造方法。所述的电解膜的制造方法包括：在基板的开口上沉积导电膜；在基板上印刷电解阳极；在基板上印刷电解阴极；将电解阳极、导电膜、电解阴极封闭在储液器内部。
所述的在基板的开口上沉积导电膜，是通过粘合剂、胶、溅射、刷涂的金属箔转印，以及拾取和放置的方式的一种进行沉积。
所述的在基板上印刷电解阳极是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨。电解阴极的材料为银、金、铝、钛、铜、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物或其组合。与纯金属油墨相比，碳基油墨具有与柔性基板更好的结合。
所述的在基板上印刷电解阳极是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨。电解阴极的材料为银、金、铝、钛、铜、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物或其组合。与纯金属油墨相比，碳基油墨具有与柔性基板更好的结合。
所述的将电解阳极、导电膜、电解阴极封闭在储液器内部，是通过将储液器与基板的连接，使得连接在基板上的电解阳极、导电膜、电解阴极被封闭。
本发明方法具有如下优点：避免了产生大量气泡，是电解更加的稳定并能保证电解微通道通过效率。
附图说明
图1为本发明的分解透视图的示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明俯视图的示意图。
图4为本发明俯视图的剖视图的示意图。
图5为电压对不同导电介质中的金阀膜破裂的影响的线形图。
图6为电压对不同导电介质中的铝阀膜破裂的影响的线形图。
图7为氯化铯浓度对金和铝阀膜破裂的影响的线形图。
图8为氯化铯存在施加的电压下对金和铝阀膜破裂的影响的线形图。
图9银和碳墨混合物电极时氯化铯浓度对铝膜破裂的影响的线形图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的电解膜的制造方法包括一下步骤：
S1：在基板的开口上沉积导电膜；沉积导电膜是通过粘合剂、胶、溅射、刷涂的金属箔转印，以及拾取和放置的方式的一种进行沉积。
S2：在基板上印刷电解阳极；是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨。电解阴极的材料为银、金、铝、钛、铜、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物或其组合。
S3：在基板上印刷电解阴极；是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨。电解阴极的材料为银、金、铝、钛、铜、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物或其组合。
S4：将电解阳极、导电膜、电解阴极封闭在储液器内部。是通过将储液器与基板的连接，使得连接在基板上的电解阳极、导电膜、电解阴极被封闭。
绝缘层500层叠在电解阴极300和电解阳极400上，使得电极夹在绝缘层500和基板100之间,。使得电解阳极400与导电介质至少部分地绝缘，同时通过膜切口502和阴极切口504将导电膜200和阴极弧形部分304暴露于介质中。还可涂覆绝缘层500，使得它基本上将电解阳极400与导电介质绝缘。当通过在电极上施加电压电位来制动阀时，阳极400被保护免受腐蚀，从而最小化或在某些情况下消除由阳极氧化产生的氢气和氧气气泡的形成。这样的气泡不仅可以干扰和延迟导电膜200的受控腐蚀，而且还可以干扰通过下游微通道700的储液器流体的流动，从而阻碍利用电解阀的装置功能。绝缘层500还用于通过将电解阴极300的弧形部分304和最接近电解阳极400与导电膜200直接接触的位置的导电膜200之间的电场聚焦来促进导电膜200的更有效的腐蚀。
实施例1
如图5所示，电压对不同导电介质中的400nm的Au膜破裂的影响。
厚度为400nm且直径为1.4mm的金膜用作结合具有银和碳墨(50％w/w)的混合物的电极的阀膜。通过向PBS缓冲液中加入0.4M的NaCl制备NaCl导电介质。通过向PBS缓冲液中加入0.4M的CsCl制备CsCl导电介质。在由50％碳墨构成的电极上施加3、4和5伏特的不同电压。在各个导电介质的存在下，50％的银墨腐蚀金膜，并测量各个导电介质的膜破裂的平均时间。
结果如下表1所示，当增加钠或铯离子的浓度时，改善对导电膜的腐蚀。在3伏特时，两种离子的效果是相似的，然而，随着施加更大的电压，对于铯来说膜的加速腐蚀更显著。在电压为5伏特时，在氯化铯的存在下，导电膜从初始施加的电压只一分钟就降解，从而使其成为用于改善这种器件中的阀性能的合适候选。
| 电压(V) | CsCl(min) | NaCl(min) | PBS |
| 3 | 3.23 | 3.56 | 5.73 |
| 4 | 1.84 | 2.35 | 4.27 |
| 5 | 1.05 | 1.96 | 3.57 |
表1
实施例2
如图6所示，施加的电压对不同导电介质中的7.2μm的Al膜破裂的影响。
将厚度为7.2μm且直径为1.4mm的铝膜用作结合由银和碳墨(50％w/w)的混合物构成的电极的阀膜。通过向PBS缓冲液中加入0.4M的NaCl制备NaCl导电介质。通过向PBS缓冲液中加入0.4M的CsCl制备CsCl导电介质。在各个导电介质的存在下，通过电极施加3、4和5伏特的不同的电压以腐蚀铝膜，并测量各个导电介质的膜破裂的平均时间。结果如下表2所示。
| 电压(V) | CsC(min) | NaCl(min) | PBS |
| 3 | 7.4 | 7.6 | 12 |
| 4 | 3.01 | 4.31 | 6 |
| 5 | 1.01 | 2.53 | 4 |
表2
从结果可以看出，增加钠或铯离子的浓度显示改善的膜腐蚀。然而，与金膜相比，在任何导电介质中，铝膜由于在3伏特下以几乎两倍的速率腐蚀并且在4伏特下仅稍微降低的效果远胜过金，但在较高的电压下具有降低的效果。当在5伏特下操作时，在不同的导电介质的存在下，在金和铝膜之间存在可忽略的腐蚀性能差异。然而，当考虑到测试的铝膜的厚度比测试的金膜厚18倍时，对于在5伏特下的两个膜，1分钟的腐蚀时间是相同的，表明铝膜的优异的电解行为。
实施例3
如图7所示，4V下，CsCl浓度对7.2μm的Al和400nm的Au膜破裂的影响。
使用各自具有1.4mm的直径的厚度为7.2μm的铝膜和厚度为400nm的金膜作为结合电极的导电膜，该电极包括用于铝的丝网印刷的碳墨和用于金的银和碳墨(50％w/w)的丝网印刷的混合物。通过向PBS缓冲液中加入0.2M至0.6M的CsCl制备具有不同离子强度的导电CsCl介质。在各个不同的CsCl浓度的导电介质存在下，在电极上施加4伏特的固定电压以腐蚀膜，并测量膜破裂的平均时间。结果如下表3所示。
| Au | Al | |
| CsCl浓度(M) | 破裂时间(min) | 破裂时间(min) |
| 0.2 | 3.51 | 1.6 |
| 0.4 | 1.84 | 1.19 |
| 0.6 | 1.68 | 1.18 |
表3
从结果可以看出，在0.2M的最小添加氯化铯浓度下，金的膜破裂时间是铝的两倍以上，然而，在增加氯化铯浓度时，破裂时间的差异更可以忽略不计。因此，氯化铯对具有它们各自的电极油墨组合物的任何一种膜的腐蚀性能的有益效果可通过仅向PBS缓冲液添加少量的离子来实现。然而，如将基于实施例1和2的结果预期的，在氯化铯的各个浓度下铝继续胜过金。
实施例4
如图8所示，在CsCl的存在下，施加的电压对7.2μm的Al和400nm的Au膜破裂的影响。
使用各自具有1.4mm的直径的厚度为7.2μm的铝膜和厚度为400nm的金膜作为结合电极的导电膜，该电极包括用于铝的丝网印刷的碳墨和用于金的银和碳墨(50％w/w)的丝网印刷的混合物。通过向PBS缓冲液加入0.4M的CsCl制备导电CsCl介质。在导电介质的存在下，通过电极施加3、4和5伏特的不同的电压以腐蚀铝膜，并测量在各个电压下的膜破裂的平均时间。结果如下表4所示。
| Au | Al | |
| 电压(V) | 破裂时间(min) | 破裂时间(min) |
| 3 | 7.63 | 3.23 |
| 4 | 3.26 | 1.84 |
| 5 | 2.51 | 0.94 |
表4
从结果可以看出，考虑到碳墨的导电性不如银墨和碳墨的混合物那样，铝膜再次胜过金膜，显示在3至5伏特的范围内的平均腐蚀大两倍以上。
实施例5
如图9所示，CsCl浓度对具有银和碳墨混合物电极的Al膜破裂的影响。
将厚度为7.2μm且直径为1.4mm的铝膜用作结合包含银和碳墨(50％w/w)的丝网印刷的混合物的电极的阀膜。使用PBS作为基线零测量，其中向PBS缓冲液中加入从0.05M增加到0.6M的量的CsCl。在具有不同离子强度的各个介质存在下，在电极上施加4伏特的固定电压以腐蚀膜，并测量膜破裂的平均时间。结果如下表5所示。
| CsCl浓度(M) | 破裂时间(min) |
| 0 | 1.71 |
| 0.05 | 1.27 |
| 0.1 | 0.95 |
| 0.2 | 0.84 |
| 0.4 | 0.71 |
| 0.6 | 0.61 |
表5
从结果可以看出，在CsCl的离子强度下并且使用50％的银墨和50％的碳墨电极的铝膜的性能比具有相同电极的金以及仅具有碳电极的铝快得多，显示快60％以上的铝膜腐蚀，而对于金，在完全相同的条件下，腐蚀快75％。数据表明，在这些条件下，膜腐蚀在利用分子生物学的某些应用中不应是速率限制因素，例如数字微流体，其中可在数分钟内实现聚合酶链反应(PCR)循环。本文描述的本发明可用于在这些循环期间递送多个分析物。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种电解膜阀，其特征在于，所述的电解膜阀包括：基板、导电膜、电解阴极、电解阳极、绝缘层、储液器；其中基板与储液器连接在一起，储液器中设置有导电介质；导电膜设置在基板中，电解阴极、电解阳极设置在基板的表面；绝缘层设置在电解阴极和电解阳极上，所述的导电膜为能被电解腐蚀的金属制成，其厚度的范围为400mm到500μm，并且导电膜对于导电介质是不可渗透的；所述导电膜的制备金属材料选择为金、铝、铜、钛、铂、铬、银、镍、钽、锌、钨、钼和钯中的一种，所述的绝缘层设置在电解阴极和电解阳极上；
所述的储液器与基板连接在一起，在储液器中设置有导电介质；
所述的导电介质为氯化钠和氯化铯；
所述的导电介质在医疗或诊断应用的情况下，是生物相容性的，包含试剂、分析物、药物、生物相容性流体、体液、细胞、蛋白质、抗体、抗原或核酸的成分；
所述的基板为柔性的，在基板上设置有微通道口；所述的基板选择塑料或者弹性体；所述塑料选择热塑性塑料；所述弹性体选择橡胶、柔性硅、热弹性体材料或者热塑性弹性体；所述橡胶选择液态硅橡胶；
所述的电解阴极包括阴极引线部分、弧形部分；电解阴极是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨；电解阴极的材料为银、金、铝、钛、铜、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物及其组合中的一种；
所述的电解阳极包括阳极引线部分、阳极孔；电解阳极是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨；
所述绝缘层上设置有膜切口和阴极切口，所述膜切口位于阴极切口内侧，通过所述膜切口和阴极切口将导电膜和阴极弧形部分暴露于介质中。
2.用于制造权利要求1所述的电解膜阀的方法，其特征在于，所述的电解膜的制造方法的步骤包括：在基板的开口上沉积导电膜；在基板上印刷电解阳极；在基板上印刷电解阴极；将电解阳极、导电膜、电解阴极封闭在储液器内部。
3.根据权利要求2所述的电解膜阀的制造方法，其特征在于，所述的在基板的开口上沉积导电膜，是通过粘合剂、溅射、刷涂的金属箔转印，以及拾取和放置的方式的一种进行沉积；所述粘合剂选择胶。
4.根据权利要求2所述的电解膜阀的制造方法，其特征在于，所述的在基板上印刷电解阳极，是通过喷墨印刷或丝网印刷的方式设置在基板上，并添加碳基油墨。
5.根据权利要求2所述的电解膜阀的制造方法，其特征在于，所述的将电解阳极、导电膜、电解阴极封闭在储液器内部，是通过将储液器与基板的连接，使得连接在基板上的电解阳极、导电膜、电解阴极被封闭。
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