CN108471675A - 一种基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，包括：（1）设计带有流道凹槽的流体电路模块基底的三维模型；（2）利用三维打印机打印软件，打印出具有流道凹槽的流体电路模块基底；（3）将打印好的流体电路模块基底具有流道凹槽的一面涂抹一层聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物，烘干；（4）将浆料倒入流道凹槽内，烘干，得到基于三维打印的无泵驱动流体电路模块。流体电路模块可组装成电路，电路主要工作部分为流体，单独模块可独立设计和制造，模块之间有统一接口进行连接。本发明的制作方法，加工过程简便快捷，生产效率高，易于工业化大规模生产。本发明方法制得的流体电路模块可实现无限次循环重复利用，大大降低了成本。

Description

一种基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法

技术领域

本发明涉及特种电路制造技术领域，尤其是涉及一种基于3D打印技术制造无驱速度可编程的流体电路模块的制作方法。

背景技术

流体电路是一种特种电路，通过导电液体作为导电介质传播电信号和电能。相比于金属电路，流体电路一般用于特殊的工作环境或工作用途。

流体电路中的导电介质为流体，因而对复杂形状有着很高的适应性，可以应用于难以布线的复杂结构中。同时很多材料对液体具有吸附性，因此流体电路也可以应用于柔性材料的电路设计。甚至在某些条件下，流体电路还会对环境湿度做出反应，达到金属电路所不能做到的环境随变性。

流体电路的搭建分为两种，整体式和模块式。整体式流体电路统一设计，整体制造，在制造完成后更改设计困难，而且若一部分电路出现问题，需更换整个流体电路。模块式流体电路是指将电路的基本单元进行拆分，按模块分别设计、分别制造，保留通用的接口。模块化流体电路的优点为制造方便，定制性强，可以按照不同的需求改变电路设计，在其中部分电路失效的时候便于更换。

现有的流体电路的制造方法主要是通过浇铸等方法制作出一个带有流道通道的基底，然后通过泵驱动将流体充满流道。这样制造的流体电路模块不支持自定形状，成本高昂，需要外在驱动，而且流道中的流体不易固存在流道内。

发明内容

本发明提供了一种基于导电流体的模块化电路，为了使流体成为可控的流体电路，本发明提供了一种无驱动泵流道的方法，利用纤维素的毛细原理，将导电流体固定在特定流道内。在流道内添加的驱动层里混有电解质粉末，这样的成型的电路加入水就可以直接工作。该电路可以拆分为模块，本发明将流体电路拆分为基本的电路元件模块，单独模块可以独立设计，独立制造，模块之间有统一的接口进行连接。此种电路模块既保持了构成整体电路的通用性，也拥有支持特殊功能和自行定制的独特性。该电路的电路模块使用本发明中所述的方法制作。基底的打印方式使用3D打印，与浇铸相比，定制性高，小批量生产成本低；流道内附有PDMS保护层，保证流体电路模块可以重复使用；流道内的驱动层材料使用纤维素+电解质粉末的组合，这样流体充满流道无需驱动泵，同时系统只要加入水就可以工作。

本发明提供了一种基于三维打印技术的无泵驱动的可重复利用的流体电路模块的制作方法，可方便快速的制造流体电路模块。

一种基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，包括以下步骤：

步骤（1）：设计带有流道凹槽的流体电路模块基底三维模型；

步骤（2）：将三维模型生成STL格式，导入三维打印机打印软件，设置好打印参数。利用聚乳酸（PLA）或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物（ABS）等材料打印出具有流道凹槽的流体电路模块基底；

步骤（3）：将打印好的基底有流道凹槽的一面涂抹一层聚二甲基硅氧烷料（PDMS），然后将涂抹后的基底放入50~70摄氏度烘干箱烘干40~120分钟。

步骤（4）：在流体电路模块基底的流道凹槽内表面铺设一层具有毛细作用力的驱动层，并加入电解质粉末，在烘干后得到基于三维打印的无泵驱动流体电路模块，此流体电路模块在流道内加入水就可以直接使用。

驱动层材料可根据实际使用需要选择，需要保证驱动层对待导电液体有毛细作用力，比如对于极性较强的样品，可选择亲水性的驱动层材料；对于极性较弱的样品，可以选择亲油性较强的驱动层材料。

步骤（4）铺设驱动层的方法有两种：

第一种是铺浆法：将纤维素粉和水以一定的比例进行混合搅拌成浆料，然后将纤维素粉浆料倒入流道凹槽内，然后放入50~70摄氏度烘干箱40~120分钟。所述纤维素粉也可替换为纸浆或者淀粉、几丁质、半纤维素中一种或多种，或者替换为纤维素与淀粉、几丁质、半纤维素中一种或多种的混合物；所述纸浆可选择常见的木浆、草浆、麻浆、苇浆、蔗浆、竹浆、破布浆等。

第二种是直接铺垫法：在流道凹槽内铺垫柔性纸张，得到基于三维打印的无泵驱动流体电路模块。

步骤（1）中，按照设计需求，构建微流控芯片基底模型可采用现有成熟技术，可通过计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design) 软件得到三维模型图，可使用商业CAD软件，诸如CorelDraw，Solidworks 等设计。

在打印过程中，可以使用多种打印方式实现，例如FDM、DLP等。为提高打印精度，可适当提高FDM打印的填充率，作为优选，打印过程中填充率为50~80%；进一步优选的填充率为60%，由于芯片基底大小为厘米级别的，打印时间也相对较短。流道凹槽的深度可根据需求设置成0.2mm-1mm。

步骤（3）中，PDMS为聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物。所述的固化剂为与现有技术中与聚二甲基硅氧烷配套的固化剂，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比一般为（8-15）:1。通过在流道凹槽一面均匀涂一层PDMS可以有效得在流道表面形成一层防护膜，阻止了试剂渗透进PLA芯片基底。同时本发明利用按特定比例配置好的PDMS对流道凹槽表面进行改性，令流道具有较好的疏水性和表面质量，从而来达到可重复利用的目的。

步骤（4）中，纤维素粉和去离子水以质量比1:（3-8）的配比进行混合，倒入流道时应利用液体表面张力的原理使流道里的浆料达到饱和状态。在这种状态下才能得到烘干后平整的流道效果。当纤维素粉替换为其他粉体时，可根据需要调整粉体与水的质量比，以满足实际需要。在驱动层中加入的电解质粉末可以根据具体电路需求进行调整。

完成以上四个步骤之后就完成了整个流体电路模块的制作，本方法制得的流体电路模块在使用过之后，可以用水清洗掉流道内的纤维素粉（或者其他粉体），重复步骤（4）就可以实现流体电路模块的重复利用。

利用本发明的制备方法可以制作各种结构的流体电路模块。

本发明利用3D打印技术制作基底，采用铺粉的方式，来制得流体电路模块。作为优选，所使用的粉为纤维素粉，为白色无臭无味粉末，不溶于水、丙酮、乙醇或甲苯，性质稳定，非常适合作为检测实验载体。纤维素粉的直径大小为74-125µm，微米级别大小的颗粒聚集体具有毛细作用，通过毛细作用可以让检测试剂在流道里自动流到反应池，无需其他外力驱动，大大简化了检测所需的条件，让本发明可以应用在各种特种电路实验环境。本方法具有可重复利用、无泵驱动、流动速度可调、流道分辨率高、成本低等优点。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明基于3D 打印的流体电路模块的制作方法，加工过程简便快捷，生产效率高，易于工业化大规模生产。通过本发明方法制得的流体电路模块基底理论上可以实现无限次循环重复利用，大大降低了成本。由于本方法采用的是纤维素粉作为流道介质，通过毛细作用来实现试剂的流动，无需精密的气泵驱动装置，方便检测。其次，白色的纤维素粉作为介质，在多通路的电路系统中，方便于加入各种介质以区别不同的回路。

本发明的流体电路模块可以进行叠加和组装操作，可以仅打印几种基本电路模块进行组装，就可以得到一个复杂的电路系统。各模块之间的组装简单，自由度高，可以实现多种有定制需求的电路搭建。对于实验条件的要求较低，加入水整个电路就可以开始工作。

附图说明

图1为使用本发明方法搭建的交通灯电路示意图。

图2为本发明中流体电路模块制作流程图。

图3为本发明中流体电路模块基底的示意图。

图4为本发明中流体电路模块基底流道凹槽中放置模具并填充了纤维素粉浆料的示意图。

图5为本发明中最终制得的流体电路模块示意图。

图6为本发明方法3D打印的流体电路模块基底实物图。

图7为本发明方法最终制得的流体电路模块实物图，已经加入纤维素和导电液。

图8为本发明方法制作的多块流体电路模块所搭建的电路。

图9为本发明方法制作的交通灯电路系统。

图10为本发明方法制作的次序灯电路系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1：以交通灯电路搭建为例，对本发明所提及的制作工艺进一步说明。

图1示出了本例所期望的电路图，主要的工作电路为流体电路，通过Arduino UNO的控制，实现发光二极管的依序亮起。

图2示出了本例中基本流体电路模块的制作流程图。

图3示出了所设计的流体电路模块基底的三维模型，将该三维模型文件生成STL格式文件，将得到的STL格式文件导入到三维打印软件中，设置打印参数填充率为60%。本例中3D打印技术选用FDM打印方法。连接到计算机，并启动FDM三维打印机，通过计算机控制动FDM三维打印机工作，开始流体电路模块基底的打印过程。本实施例中选用的打印材料为聚乳酸（PLA）。打印完成后从打印机上取下PLA流体电路模块基底。

以聚二甲基硅氧烷和固化剂10:1的质量比例配制PDMS，静置20min后待PDMS中的气泡完全消失之后，将之均匀得涂在流体电路模块基底1带有流道的一面，形成一层薄薄的保护层。将涂好PDMS的流体电路模块基底放入60摄氏度的干燥箱进行干燥固化处理，1小时后取出带有PDMS保护层的流体电路模块基底。

以纤维素粉和去离子水1:5的质量比例配置纤维素粉浆料，搅拌均匀后。在通孔处加装模具，将纤维素粉浆料均匀得倒入带有PDMS保护层的流体电路模块基底的流道凹槽内，图4示出了流体电路模块基底倒入纤维素粉浆料的状态图，利用液体表面张力的作用，令流道凹槽内的纤维素粉浆料达到充盈状态。将带有纤维素粉浆料的流体电路模块基底，平稳的放入60摄氏度干燥箱进行烘干处理，1小时后取出并取出模具。图5为烘干后最后制得微流控芯片的示意图，图中干燥后纤维素粉流道由于纤维素粉的作用，具有较好的毛细作用力。

图6所示为实际加工的流体电路模块单元，此单元为基本导通电路单元，可以与其他模块连接；经过本发明方法的流道填充之后，在流道中加入了染色的氯化钙溶液，如图7所示。

图8 中所示将四块基本流体电路模块通过电路模块上设置的定位销依次固定在一起，由每个流体电路模块的贯穿孔连接流道，构成有一个交点和四条支路的电路。在其中三个模块流道中分别注入红色、黄色、蓝色的氯化钙溶液，在第四条流道流出的溶液颜色与三种颜色在试管中直接混合颜色一致，验证了四条支路之间的相互连通性。

图9 中所示的电路为在图6所示的流体电路的基础上添加了红色、黄色、绿色的发光二极管，并分别连接到了Arduino UNO的4号、7号、10号引脚上；另外一个没有连接小灯的支路作为公地端连接到Arduino UNO的接地引脚，完成交通灯电路的搭建。

接下来在Arduino UNO中烧录如下程序：

int led_green = 4;

int led_yellow = 7;

int led_red = 10;

void setup() {

pinMode(led_green,OUTPUT);

pinMode(led_yellow,OUTPUT);

pinMode(led_red,OUTPUT);

}

void loop() {

digitalWrite(led_green,HIGH);

delay(1000);

digitalWrite(led_green,LOW);

digitalWrite(led_yellow,HIGH);

delay(1000);

digitalWrite(led_yellow,LOW);

digitalWrite(led_red,HIGH);

delay(1000);

digitalWrite(led_red,LOW);

}

以上程序可以以1s为间隔分别给4号、7号、10号引脚设置为高电平，从而使绿色、黄色、红色发光二极管以1s为间隔顺序亮起。

在实际应用中，三个发光二极管发光顺序符合程序预期，而且由于流体电路有一定的阻抗，对发光二极管可以起到分压限流保护元件的作用。

实施例2：次序灯电路实现

在上述基础上，本例调整基本流体电路模块，验证次序灯的实现，其他的电路连接如上例。

图10 中所示的电路为自定的特殊流体电路模块，在使用CAD软件建模完成之后，导入FDM打印机进行打印，得到的流体电路模块基底使用与上例相同的方法进行PDMS覆膜处理以及纤维素的填充。

在三个转弯处添加三个发光二极管，负极插入流道中，正极连接到5V电源，流道一端插入接地引脚。在有接地引脚的流道端口加入氯化钙溶液，在溶液沿流道充满整个电路的过程中，会陆续联通三个发光二极管，可以观察到随着液体的流动，三个发光二极管按次序亮起。

Claims (10)

1.一种基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）设计带有流道凹槽的流体电路模块基底的三维模型；

（2）将三维模型导入三维打印机中，利用三维打印机打印软件，打印出具有流道凹槽的流体电路模块基底；

（3）将打印好的流体电路模块基底具有流道凹槽的一面涂抹一层聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物，烘干；

（4）在流体电路模块基底的流道凹槽内表面铺设一层对待测样品具有毛细作用力的驱动层，所述驱动层添加有电解质粉末，得到基于三维打印的无泵驱动流体电路模块。

2.根据权利要求1所述的基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，其特征在于，所述驱动层的铺设方法为：将具有毛细作用力的粉体浆料倒入流道凹槽内，烘干；所述粉体浆料为纤维素粉，或纸浆、淀粉、几丁质、半纤维素中的一种或多种组合，或纤维素与淀粉、几丁质、半纤维素中一种或多种的混合物。

3.根据权利要求1所述的基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，其特征在于，所述驱动层的铺设方法：在流道凹槽内铺垫具有毛细作用力的柔性纸张，得到基于三维打印的无泵驱动流体电路模块。

4.根据权利要求1、2或3任一项所述的基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，其特征在于，所述步骤（2）中，三维打印过程中的填充率为50~80%，三维打印采用的材料为聚乳酸或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物。

5.根据权利要求1、2或3任一项所述的基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为（8-15）:1。

6.根据权利要求2所述的基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，其特征在于，所述粉体浆料中粉体和水的质量比为1:（3-8），所述粉体浆料倒入流道时充盈整个流道。

7.根据权利要求2所述的基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，其特征在于，粉体浆料倒入流道凹槽内的烘干温度为50~70摄氏度，烘干时间为40~120分钟；所述粉体浆料中粉体的直径大小为74-125µm。

8.根据权利要求1、2或3任一项所述的基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法，其特征在于，所述步骤（3）中，烘干温度为50~70摄氏度，烘干时间为40~120分钟。

9.一种流体电路模块，其特征在于，其由权利要求1所述的基于三维打印的无泵驱动流体电路模块制作方法制作得到。

10.一种基于导电流体的模块化电路，其特征在于，由权利要求9所述的流体电路模块组装而成，其工作电路为流体。