CN108443578A - 一种离心力微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
一种离心力微流控芯片包括液体反应层、加热电阻层、主控电路模块、供电模块。相变阀集成在液体反应层中，在加热电阻层中的加热电阻正上方。液体反应层与加热电阻层之间通过聚二甲基硅氧烷密封，加热电阻层与主控电路模块固定在一起。通过加热电阻层与液体反应层的封装，实现相变阀高度集成的目的。通过主控电路模块中的无线通信芯片，控制加热电阻电流的通断状况来操控相变阀的开关，实现操控的目的；通过将电路和微流控芯片封装在一起，成倍减少了相变阀的开启时间，实现了快速高效的目的。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种离心力微流控芯片,其改进之处在于将加热电阻层和液体反应层封装在一起，使用无线供电或导电滑环，电加热控制相变阀，实现离心力微流控芯片上相变阀的高度集成和操控，从而实现对离心力微流控芯片上液体的操控。
背景技术
在微流控芯片系统中，微阀作为能控制微通道闭合和开启状态的部件，能够操控液体的流通状况，影响着芯片的集成度，发挥着及其重要的作用。在各种微生物化学分析与检测系统中，需要精确地控制试样和试剂在系统中的运输、混合以及反应等过程，需要借助大量微阀门，所以微阀的可靠性，集成度，加工成本间接影响着微流控芯片的实现。C.D.Bevan于1995年首次提出了相变阀，在需要关闭阀门时，可以对微流体主动制冷，使得部分微流体在极短的时间内迅速冻结从而堵塞微流道，在需要开启阀门时，则加热已经冻结的微流体使其融化，使得阀门打开。石蜡阀属于相变阀的一种，在相变阀的发展过程中，由于石蜡具有熔点低、易塑形形变等特性，较早出现的是利用石蜡的相变特性设计制造的相变阀，如P.Selvaganaoathy等于2003年设计制造的热电驱动的内嵌石蜡阀，以及Robin.H.Liu等于2004年设计制造的一次性热驱动石蜡阀，韩国三星将石蜡阀集成到离心式微流控中实现商业化应用，另外还有沈阳航空航天大学研究的使用薄膜的可重复性石蜡阀等，虽然这些石蜡阀在一定程度上，弥补了传统机械型微阀门能耗大、不易与微系统结合的特点，但是仍存在制造工艺复杂，操控复杂，集成度低等缺点；而且由于难以解决供电问题，石蜡相变阀在离心力微流控芯片中始终借助外部激光或热源进行加热，难以精确控制，无法在芯片内大量集成，另外开关时间慢长，影响了石蜡相变阀的应用以及其他材质的相变阀的应用。另外还有其他材质如动物油、可融性凝胶等的相变阀，都存在类似的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种离心力微流控芯片。本发明是通过以下技术方案实现的：一种离心力微流控芯片，具体包括液体反应层，相变阀，加热电阻层，主控电路模块，供电模块。从上到下，液体反应层在最上方，相变阀集成在液体反应层内，液体反应层与加热电阻层粘合在一起，加热电阻层与主控电路模块固定在一起，主控电路模块与供电模块相对应或相连接。液体反应层，加热电阻层，主控电路模块固定在离心力平台的转轴上，随转轴转动，供电模块固定在平台上，与电源相连，可为旋转的主控电路模块、加热电阻层供电。
所述的液体反应层、加热电阻层、主控电路模块都跟随离心力微流控平台中的电机转动。
所述的液体反应层上有微结构和相变阀，微结构包括微通道，反应腔，气孔，微阀结构等。
所述的相变阀，主要是指用石蜡或动物油或可融性凝胶等材料制作的相变阀。
所述的相变阀，集成在液体反应层内，在加热电阻层中的加热电阻的正上方。
所述的加热电阻层含有加热电阻、温敏电阻、电源接口等。
所述的加热电阻层与液体反应层密封在一起，并与主控电路模块通过插针等方式固定在一起。
所述的主控电路模块含有无线通信芯片、单片机等。
所述的主控电路模块可为加热电阻层供电。
所述的供电模块与主控电路模块相对应，与电源相连。
所述的供电模块可为跟随离心力平台电机转动的主控电路模块供电。
在离心力微流控平台上，若采用无线供电方式，电源接通后，供电模块，开始发射高频电磁波，主控电路模块中接收电磁波后进行稳压，供电给其他电学器件，无线通信芯片开始工作，等候接收指令，相变阀初始化状态为关闭状态。终端发出开启指令后，主控电路中的无线通信芯片接收到开启指令，将指令传递给单片机，将相变阀对应的加热电阻中的电流打开，使得加热电阻进行工作，温度迅速升高至65度，温敏电阻测得此时温度，并通过PID算法，反馈给单片机，控制电流开关，使得温度控制在65度，上下最大波动1度，此时，相变阀中的材料石蜡在20秒钟后完全融化，在离心力的作用下，样品仓中的液体进入流道，冲开融化的石蜡，进入之后的反应腔，石蜡在流道两侧冷却凝结，不进入反应腔，整个开启过程20秒内完成，液体无损耗，到此，完成一个离心力微流控芯片上无线开启相变阀的流程。
在离心力微流控平台上，若采用导电滑环方式，电源接通后，供电层通过连接的导线，供电给主控电路模块中，单片机开始工作，并等候接收指令，相变阀初始化状态为关闭状态。终端发出开启指令后，主控电路模块中的单片机接收到开启指令，将相变阀对应的加热电阻中的电流打开，使得加热电阻进行工作，温度迅速升高至65度，温敏电阻测得此时温度，并通过PID算法，使得温度控制在65度，上下最大波动1度，此时，相变阀中的材料石蜡在20秒后完全融化，在离心力的作用下，样品仓5中的液体进入流道，冲开融化的石蜡，进入之后的反应腔，石蜡在流道两侧冷却凝结，不进入反应腔，整个开启过程20秒内完成，液体无损耗，到此，完成一个离心力微流控芯片上开启相变阀的流程。
本发明的有益效果：
1、通过无线供电或者导电滑环的方式，将电供到旋转的芯片上，实现片上供电的目的；
2、通过含有加热电阻层的加热电阻与液体反应层的封装，实现相变阀高度集成的目的；
3、通过将含有加热电阻的电路层和微流控芯片封装在一起，使得相变阀的阀门开启时间在现有的基础上成倍缩短，实现了快速高效的控制液体流通状况的目的；
4、通过终端将指令传递到主控电路模块的无线通信芯片上，控制加热电阻中电流的通断来控制相变阀的开关，实现操控的目的。
附图说明：
图1是相变阀原理结构示意图
图2是微流控芯片横截面示意图
图3是一种离心力微流控芯片整体结构示意图
图4是液体顺序加载结构示意图
图5是液体选择交换结构示意图
图中：1反应腔；2流道；3加热电阻；4相变阀；5样品仓；6液体反应层；7加热电阻层；8主控电路模块；9供电模块；10电机；11转轴；12-1样品仓Ⅰ；12-2样品仓Ⅱ；12-3样品仓Ⅲ；12-4样品仓Ⅳ；13-1相变阀Ⅰ；13-2相变阀Ⅱ；13-3相变阀Ⅲ；13-4相变阀Ⅳ；14-1流道Ⅰ；14-2流道Ⅱ；14-3流道Ⅲ；14-4流道Ⅳ；15气孔；16反应腔；17反应腔；18相变阀；19毛细阀；20反应腔；21反应腔。
具体实施方式：
为了更清楚的说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明作进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种离心力微流控芯片，芯片上集成了加热融化的相变阀，相变阀采用石蜡等材料制作。可集成在离心力微流控芯片上，实现对液体的流通状况操控。如图1，图3所示，在离心力微流控平台上，采用无线供电方式，电源接通后，供电模块9开始发射高频电磁波，主控电路模块8中接收电磁波后进行稳压，供电给其他电学器件，无线通信芯片开始工作，等候接收指令，相变阀4初始化状态为关闭状态。终端发出开启指令后，主控电路8中的无线通信芯片接收到开启指令，并传递给单片机，将相变阀4对应的加热电阻7中的电流打开，使得加热电阻7进行工作，温度迅速升高至65度，温敏电阻测得此时温度，并通过PID算法，反馈给单片机，控制电流开关，使得温度控制在65度，上下最大波动1度，此时，液体反应层6中相变阀4中的材料石蜡在20秒钟后完全融化，在离心力的作用下，样品仓5中的液体进入流道，冲开融化的石蜡，进入之后的反应腔1，石蜡在流道2两侧冷却凝结，不进入反应腔1，整个开启过程20秒内完成，到此，完成一个离心力微流控芯片上的相变阀的无线开启流程。
如图1，图3所示， 在离心力微流控平台上，采用导电滑环方式，电源接通后，供电层通过连接的导线，供电给主控电路模块8中，单片机开始工作，并等候接收指令，相变阀4初始化状态为关闭状态。终端发出开启指令后，主控电路模块8中的单片机接收到开启指令，将相变阀4对应的加热电阻3中的电流打开，使得加热电阻进行工作，温度迅速升高至65度，温敏电阻测得此时温度，并通过PID算法，使得温度控制在65度，上下最大波动1度，此时，相变阀中的材料石蜡在20秒钟后完全融化，在离心力的作用下，样品仓5中的液体进入流道，冲开融化的石蜡，进入之后的反应腔1，石蜡在流道2两侧冷却凝结，不进入反应腔1，整个开启过程20秒内完成，液体无损耗，到此，完成一个离心力微流控芯片上开启相变阀的流程。
本发明公开了一种离心力微流控芯片，芯片上集成了加热融化的相变阀，相变阀采用石蜡等材料制作。可集成在离心力微流控芯片上，实现对液体的流通状况操控。如图4所示，样品仓Ⅰ12-1，样品仓Ⅱ12-2，样品仓Ⅲ12-3，样品仓Ⅳ12-4分别放置10ul不同液体，使用相变阀，实现微流控芯片上的液体顺序加载。采用无线供电方式，电源接通后，供电模块9、主控电路模块8、加热电阻层7正常工作，供电模块9将电供应到主控单路层8、加热电阻层7上。终端发出指令，开启相变阀Ⅰ13-1，对应的加热电阻开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀Ⅰ13-1，此时，相变阀Ⅰ13-1中的石蜡已全部融化，样品仓Ⅰ12-1中的液体进入流道Ⅰ14-1中，并在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔16，相变阀Ⅰ13-1中的石蜡冷却凝结在流道Ⅰ14-1两侧，未进入反应腔16，反应腔16内液体为10ul，中间过程无损耗；终端发出指令，开启相变阀Ⅱ13-2，对应的加热电阻开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀Ⅱ，此时，相变阀Ⅱ13-2中的石蜡已全部融化，样品仓Ⅱ12-2中的液体进入流道Ⅱ14-2中，并在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔16，相变阀Ⅱ13-2中的石蜡冷却凝结在流道Ⅱ14-2中两侧，未进入反应腔16，反应腔16内液体为20ul，中间过程无损耗；终端发出指令，开启相变阀Ⅲ13-3，对应的加热电阻开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀Ⅲ13-3，此时，相变阀Ⅲ13-3中的石蜡已全部融化，样品仓Ⅲ12-3中的液体进入流道Ⅲ14-3中，并在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔16，相变阀Ⅲ13-3中的石蜡冷却凝结在流道Ⅲ14-3两侧，未进入反应腔16，反应腔内液体为30ul，中间过程无损耗；终端发出指令，开启相变阀Ⅳ13-4，对应的加热电阻开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀Ⅳ13-4，此时，相变阀Ⅳ13-4中的石蜡已全部融化，样品仓Ⅳ12-4中的液体进入流道Ⅳ14-4中，并在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔16，相变阀Ⅳ13-4中的石蜡冷却凝结在流道Ⅲ14-4两侧，未进入反应腔16，反应腔内液体为40ul，中间过程无损耗。至此，完成了多种不同种类液体的顺序加载过程，才外还可以完成其他更多种类的液体顺序加载过程。
本发明公开了一种离心力微流控芯片，芯片上集成了加热融化的相变阀，相变阀采用石蜡等材料制作。可集成在离心力微流控芯片上，实现对液体的流通状况操控。如图4所示，样品仓Ⅰ12-1，样品仓Ⅱ12-2，样品仓Ⅲ12-3，样品仓Ⅳ12-4分别放置10ul不同液体，使用相变阀，实现微流控芯片上的液体顺序加载。采用导电滑环方式，电源接通后，供电模块9、主控电路模块8、加热电阻层7正常工作，供电模块9将电供应到主控单路层8、加热电阻层7上。终端发出指令，开启相变阀Ⅰ13-1，对应的加热电阻开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀Ⅰ13-1，此时，相变阀Ⅰ13-1中的石蜡已全部融化，样品仓Ⅰ12-1中的液体进入流道Ⅰ14-1中，并在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔16，相变阀Ⅰ13-1中的石蜡冷却凝结在流道Ⅰ14-1两侧，未进入反应腔16，反应腔16内液体为10ul，中间过程无损耗；终端发出指令，开启相变阀Ⅱ13-2，对应的加热电阻开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀Ⅱ，此时，相变阀Ⅱ13-2中的石蜡已全部融化，样品仓Ⅱ12-2中的液体进入流道Ⅱ14-2中，并在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔16，相变阀Ⅱ13-2中的石蜡冷却凝结在流道Ⅱ14-2中两侧，未进入反应腔16，反应腔16内液体为20ul，中间过程无损耗；终端发出指令，开启相变阀Ⅲ13-3，对应的加热电阻开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀Ⅲ13-3，此时，相变阀Ⅲ13-3中的石蜡已全部融化，样品仓Ⅲ12-3中的液体进入流道Ⅲ14-3中，并在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔16，相变阀Ⅲ13-3中的石蜡冷却凝结在流道Ⅲ14-3两侧，未进入反应腔16，反应腔内液体为30ul，中间过程无损耗；终端发出指令，开启相变阀Ⅳ13-4，对应的加热电阻开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀Ⅳ13-4，此时，相变阀Ⅳ13-4中的石蜡已全部融化，样品仓Ⅳ12-4中的液体进入流道Ⅳ14-4中，并在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔16，相变阀Ⅳ13-4中的石蜡冷却凝结在流道Ⅲ14-4两侧，未进入反应腔16，反应腔内液体为40ul，中间过程无损耗。至此，完成了多种不同种类液体的顺序加载过程，才外还可以完成其他更多种类的液体顺序加载过程。
本发明公开了一种离心力微流控芯片，芯片上集成了加热融化的相变阀，相变阀采用石蜡等热熔材料制作。可集成在离心力微流控芯片上，实现对液体的流通状况操控。如图5所示，实现微流控芯片上的液体选择交换。采用无线供电方式，样品仓17先后放置10ul不同液体，电机10转动，相变阀18和毛细阀19初始状态为关闭状态。当需要液体进入反应腔21时，增大电机10旋转速度，当速度大于液体突破毛细阀速度，由于此时相变阀18处于关闭状态，液体全部通过毛细阀19进入反应腔21，反应腔内液体为10ul，过冲中液体无损耗；当需要液体进入反应腔20时，调整电机10转动速度，使得低于毛细阀19突破速度，使得液体无法突破毛细阀19，通过终端发送指令，开启相变阀18，对应的加热电阻18开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀18，相变阀18中的石蜡全部融化，样品仓17中的的液，在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔20，相变阀18中的石蜡冷却凝结在流道两侧，未进入反应腔20，反应腔20内液体为10ul，过程中液体无损耗。至此，实现了离心力微流控芯片上的液体选择交换流程。
本发明公开了一种离心力微流控芯片，芯片上集成了加热融化的相变阀，相变阀采用石蜡等材料制作。可集成在离心力微流控芯片上，实现对液体的流通状况操控。如图5所示，使用该相变阀，实现微流控芯片上的液体选择交换。采用导电滑环方式，样品仓17先后放置10ul不同液体，电机10转动，相变阀18和毛细阀19初始状态为关闭状态。当需要液体进入反应腔21时，增大电机10旋转速度，当速度大于液体突破毛细阀速度，由于此时相变阀18处于关闭状态，液体全部通过毛细阀19进入反应腔21，反应腔内液体为10ul，过冲中液体无损耗；当需要液体进入反应腔20时，调整电机10转动速度，使得低于毛细阀19突破速度，使得液体无法突破毛细阀19，通过终端发送指令，开启相变阀18，对应的加热电阻18开始工作，20秒后，终端发出指令关闭相变阀18，相变阀18中的石蜡全部融化，样品仓17中的的液，在离心力的作用下，冲开石蜡，进入反应腔20，相变阀18中的石蜡冷却凝结在流道两侧，未进入反应腔20，反应腔20内液体为10ul，过程中液体无损耗。至此，实现了离心力微流控芯片上的液体选择交换流程。
显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同新手的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引出的显而易见的变化或变动扔处于本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种离心力微流控芯片，包括电机、转轴，其特征在于，还包括液体反应层、流道、反应仓、可加热融化的相变阀、加热电阻层、供电模块、主控电路模块，所述加热电阻层设置于所述液体反应层下方，两者贴合在一起，所述液体反应层中设置有流道、反应仓，流道中设置有所述相变阀，在所述加热电阻层与所述相变阀相对应的位置设置有加热电阻，所述电机通过所述转轴带动所述液体反应层、所述加热电阻层转动，所述供电模块可对所述主控电路模块供电。
2.根据权利要求1所述的离心力微流控芯片，其特征在于，相变阀内部填充热熔材料。
3.根据权利要求2所述的离心力微流控芯片，其特征在于，相变阀为球状或长方体状结构。
4.根据权利要求2所述的离心力微流控芯片，其特征在于，所述热熔材料是石蜡、动物油或可融性凝胶。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的离心力微流控芯片，其特征在于，所述加热电阻层中还设置有温敏电阻，可将温度反馈给主控电路模块。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的离心力微流控芯片，其特征在于，所述主控电路模块含有单片机，可接收和发射有线传输指令。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的离心力微流控芯片，其特征在于，所述主控电路模块内含有单片机、无线通信芯片，可按收和发射无线传输指令。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的离心力微流控芯片，其特征在于，电脑终端可通过有线或无线的方式发送指令到所述主控电路模块，控制所述相变阀的开关。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的离心力微流控芯片，其特征在于，所述供电模块通过导电滑环，为所述主控电路模块供电。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的离心力微流控芯片，其特征在于，所述供电模块通过感应供电的方式，为所述主控电路模块进行无线供电。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的离心力微流控芯片，其特征在于，所述反应仓上设置有气孔。
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