CN108217576B - 膜片截止阀及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种膜片截止阀及其制造方法，属于膜片截止阀技术领域，为解决现有结构体积过大等问题而设计。本发明膜片截止阀包括进液口、进液流道、出液口、可动膜片、基底和气体捕捉与释放结构；进液口和出液口位于同一个进液空腔内；可动膜片、基底、以及气体捕捉与释放结构围拢成封闭的气体空腔，气体空腔内包含与气体捕捉与释放结构相匹配的气体成分。本发明膜片截止阀及其制造方法实现了膜片截止阀的小型化，便于集成设计片上流体控制系统，可以实现全系统集成，适用于MEMS微流体领域；该膜片截止阀的结构可以兼容驱动热泵的结构，从而可以有效地集成到一个系统内部。

Description

膜片截止阀及其制造方法
技术领域
本发明涉及膜片截止阀技术领域，尤其涉及一种膜片截止阀及其制造方法。
背景技术
在微流控领域(尤其是MEMS微阀领域)中，截止阀已逐渐开始配合着微泵结构投入应用，以实现流体分流和流体控制。
现有的截止阀都体积巨大，无法满足微流体微米级的尺寸需求和精细控制，使用不方便，制造成本高，加工效率低。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种小型化、可以实现全系统集成的膜片截止阀。
本发明的另一个目的在于提出一种工艺步骤简明、制造成本低的膜片截止阀的制造方法。
为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种膜片截止阀，包括进液口、进液流道、出液口、可动膜片、基底和气体捕捉与释放结构；所述进液口和所述出液口位于同一个进液空腔内；所述可动膜片、所述基底、以及所述气体捕捉与释放结构围拢成封闭的气体空腔，所述气体空腔内包含与所述气体捕捉与释放结构相匹配的气体成分。
特别是，所述进液口位于所述进液空腔的侧壁或顶部；和/或，所述出液口位于所述进液空腔的顶部，所述出液口(3)的延伸方向与所述可动膜片所在平面相垂直。
特别是，所述基底由硅或玻璃制成。
特别是，所述气体空腔内所填充气体为混合气体或单质气体。
特别是，所述气体捕捉与释放结构包含吸气剂成分以及加热电阻结构；所述吸气剂成分的主要成分为钛或锆。
特别是，所述可动膜片由柔性材料制成。
进一步，所述柔性材料为PP、PI和/或SU8。
另一方面，本发明采用以下技术方案：
一种膜片截止阀的制造方法，所述制造方法采用半导体芯片工艺实现；所述制造方法包括下述步骤：
步骤1、在基底上进行聚合物喷涂；
步骤2、采用丝网印刷方式或光刻方式得到吸气剂的图形；
步骤3、将多层预制的聚合物膜由下至上依次粘贴在步骤2所得结构上，在每层预制的聚合物膜粘贴后进行图形化操作和固化操作，直至聚合物固化成型；
步骤4、吸气剂金属混合物溅射；
步骤5、将步骤4所得结构图形化。
特别是，在步骤4中，吸气剂金属混合物溅射后根据流体性质做亲水处理或疏水处理。
特别是，在步骤1中，在所述基底上喷涂聚合物的厚度为0.001um至5um。
本发明膜片截止阀包括进液口、进液流道、出液口、可动膜片、基底和气体捕捉与释放结构，实现了膜片截止阀的小型化，便于集成设计片上流体控制系统，可以实现全系统集成，适用于MEMS微流体领域；该膜片截止阀的结构可以兼容驱动热泵的结构，从而可以有效地集成到一个系统内部。
本发明膜片截止阀的制造方法使用聚合物喷涂、丝网印刷、聚合物键合及固化成型工艺实现了密闭腔体结构，解决了现有工艺无法形成密闭腔体结构这一问题，工艺步骤简明，制造成本低，该制造方法对设备以及操作工人的技术水平要求低，利于推广。
附图说明
图1是本发明优选实施例一提供的膜片截止阀的结构示意图。
图中：
1、进液口；2、进液流道；3、出液口；4、可动膜片；5、基底；6、气体捕捉与释放结构；7、气体空腔。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
优选实施例一：
本优选实施例公开一种膜片截止阀。如图1所示，该膜片截止阀包括进液口1、进液流道2、出液口3、可动膜片4、基底5和气体捕捉与释放结构6；进液口1和出液口3位于同一个进液空腔内；可动膜片4、基底5、以及气体捕捉与释放结构6围拢成封闭的气体空腔7，气体空腔7内包含与气体捕捉与释放结构6相匹配的气体成分。
该膜片截止阀利用气体捕捉与释放结构6释放气体，同时利用气体捕捉与释放结构6的加热结构加热气体、使气体膨胀，进而驱动可动膜片4移动；在不进行加热释放时气体捕捉与释放结构6能捕捉气体空腔7内的气体，令气体空腔7内形成负压，进而驱动可动膜片4与出液口3分离，达到截止复流的状态。
进液口1可以位于但不限于位于进液空腔的侧壁或顶部；出液口3位于进液空腔的顶部，且出液口3的延伸方向与可动膜片4所在平面相垂直。基底5由硅或玻璃等硬质材料制成，用于提供硬质支撑、承受气体捕捉与释放结构6加热时的温度，该温度值一般在50-150摄氏度范围内。气体空腔7内所填充气体可以为混合气体也可以为单质气体，例如氧气、氮气等。
气体捕捉与释放结构6包含吸气剂成分以及用以再生吸气剂的加热电阻结构；吸气剂成分的主要成分为钛或锆。根据反应时间的需求来配置合适的加热功率，以满足释放时间响应需求。通常的，驱动电压为5-40V；驱动电流为10-50mA。
在上述结构的基础上，可动膜片4由柔性材料制成，该柔性材料优选为PP、PI和/或SU8。进液流道2和出液口3一般采用与可动膜片4相同的材料制成，也可以采用具有良好结合力的类似材料，如有机聚合物、金属等。
该膜片截止阀的制造方法是采用半导体芯片工艺实现的，具体的，该述制造方法包括下述步骤：
步骤1、在基底5上进行聚合物喷涂，在基底5上喷涂聚合物的厚度为0.001um至5um。该聚合物喷涂步骤主要是用来增强上层聚合物结构与基底5之间的粘附力，此次喷涂为预喷涂，所用材料可以为增粘剂或聚合物本身、聚合物加链材料。其中，聚合物加链是一种硅基或碳基长链有机化合物，其一端提供长碳链连接聚合物、另外一端提供氧基连接无机基底表面。
步骤2、采用丝网印刷方式或光刻方式得到吸气剂的图形，完成图形化任务。
步骤3、将多层预制的聚合物膜由下至上依次粘贴在步骤2所得结构上，在每层预制的聚合物膜粘贴后进行图形化操作和固化操作，直至聚合物固化成型。此步骤为聚合物键合步骤，是本发明膜片截止阀的制造方法中形成多层堆叠结构的关键，其使用预制的方式先将聚合物制成薄膜样、并承载于载体上，通过压合实现薄膜与基底5上已图形化的聚合物结构的可靠粘结，实现密闭驱动结构。
步骤4、吸气剂金属混合物溅射，吸气剂通常采用钛金属或者锆金属；吸气剂金属混合物溅射后根据流体性质做亲水处理或疏水处理。
步骤5、将步骤4所得结构图形化，具体的，蒸发成膜工艺与剥离工艺相搭配形成图形。
现有制造方法中密闭腔体设计多有牺牲层材料填充，之后再进行特殊的材料释放和逸出，无法实现本发明要求的密闭腔体结构，需要使用聚合物喷涂、丝网印刷、聚合物键合及固化成型工艺才能很好地实现密闭腔体结构(气体空腔7)。
优选实施例二：
本优选实施例公开一种膜片截止阀的制造方法，所得膜片截止阀的结构与优选实施例一相同。该膜片截止阀的制造方法包括下述步骤：
步骤S1、准备一个硅片作为基底，在其表面预先已定义热阻结构；
步骤S2、使用光刻胶定义出吸气剂的图形；
步骤S3、利用蒸发方式沉积一层吸气剂材料，并使用有机溶液进行浸泡剥离，留下定义部分的图形；
步骤S4、使用喷涂的方式涂覆粘附层；
步骤S5、将预制的聚合物膜压合粘附在粘附层聚合物膜上；
步骤S6、图形化定义出密闭腔体侧壁结构并固化；
步骤S7、多次使用不同厚度的预制聚合物膜进行压合粘附、图形化、固化操作等定义其上各层；
步骤S8、进行ALD原子层沉积，改变聚合物结构表面态，依据流体性质做亲水或疏水处理。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (3)

1.一种膜片截止阀的制造方法，所述膜片截止阀包括进液口(1)、进液流道(2)、出液口(3)、可动膜片(4)、基底(5)和气体捕捉与释放结构(6)；所述进液口(1)和所述出液口(3)位于同一个进液空腔内；所述可动膜片(4)、所述基底(5)、以及所述气体捕捉与释放结构(6)围拢成封闭的气体空腔(7)，所述气体空腔(7)内包含与所述气体捕捉与释放结构(6)相匹配的气体成分；所述出液口(3)位于所述进液空腔的顶部，所述出液口(3)的延伸方向与所述可动膜片(4)所在平面相垂直，所述出液口(3)的垂直投影位于所述可动膜片(4)范围内；
其特征在于，所述制造方法采用半导体芯片工艺实现；所述制造方法包括下述步骤：
步骤1、在基底(5)上进行聚合物喷涂；
步骤2、采用丝网印刷方式或光刻方式得到吸气剂的图形；
步骤3、将多层预制的聚合物膜由下至上依次粘贴在步骤2所得结构上，在每层预制的聚合物膜粘贴后进行图形化操作和固化操作，直至聚合物固化成型；
步骤4、吸气剂金属混合物溅射；
步骤5、将步骤4所得结构图形化。
2.根据权利要求1所述的膜片截止阀的制造方法，其特征在于，在步骤4中，吸气剂金属混合物溅射后根据流体性质做亲水处理或疏水处理。
3.根据权利要求1或2所述的膜片截止阀的制造方法，其特征在于，在步骤1中，在所述基底(5)上喷涂聚合物的厚度为0.001um至5um。
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