CN108953758A - 一种微流控阀及其微流体调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控阀，包括液体入口、入口流道、收缩流道、曲面流道、出口流道、液体出口、气体入口和控制流道。微流体经液体入口流入，依次经过入口流道、收缩流道、曲面流道和出口流道后经所述液体出口排出，在所述入口流道靠近所述收缩流道处设置有调流薄膜，微流体通过挤压调流薄膜使阀的流阻补偿流压，实现流体流量的自动、精确控制；所述控制流道与曲面流道之间设置有截流薄膜，压缩气体经气体入口进入控制流道，通过挤压截流薄膜完全封闭曲面流道，实现流体的运动与截止控制。该微流控阀体积小、易集成、阈值压力低、流量调控精确，可以满足绝大多数微驱动装置的集成需求。

Description

一种微流控阀及其微流体调控方法

技术领域

本发明涉及一种流体精确调控阀及其流体运动的调控方法，尤其涉及一种微流控阀及其微流体调控方法。

背景技术

随着微纳制造技术的发展，微流控阀作为微尺度控制元件在结构与化学生物、基因测序、单细胞分析等领域已经发挥了重要的作用。由于微流控阀能够对微流体的流量进行精确调控，满足精密微流体控制的要求，因此在精确给药系统、核酸检测、细胞分选等领域中有着广泛的应用需求。

现有的微流控阀主要分为主动流量调节阀和被动流量调节阀。主动流量调节阀主要通过外加控制元件来调节液体流量，如采用气动控制、电流控制、磁铁控制、热电偶控制等施加外部物理场方式来人为的改变阀体中的液体流量，其优势在于流量调控的响应速度快且可以实现复杂的流体运行控制。然而，由于主动流量调节阀需要借助外部控制元件工作，而这些元件会消耗额外的能源，因此不适用于微流体的低成本、精确控制。

与主动流量调节阀相比，被动流量调节阀的流量调节原理较为简单，它并不需要外界控制元件的激发，仅依赖自身结构随外界驱动压力源的变化即可自行进行流量调节，且不消耗额外能量，因而在集成低成本、微型化的微流控系统中更有优势。典型被动流量调节阀在结构上一般设有压力控制流道和液体流道，且在控制流道和液体流道之间设置有弹性薄膜。其流量控制原理为利用薄膜受液体压力作用产生弹性变形以截流微流体，通过改变微阀的流阻来实现微流体流量与液体压力的非线性变化，从而实现微流体流量的自动、精确控制。然而，被动流量调节阀并不能用于流体的实时运动与截止控制，因此不能用于流体经常需要通断控制的应用场合。

综上所述，现有的微流控阀无法兼具微流体的低成本、精确流量与通断运行控制功能，有必要研制新型结构的微阀以满足上述微流体运行控制需求。

发明内容

本发明为克服现有技术中存在的不足，提供了一种微流控阀及其微流体调控方法。该微流控阀兼具被动流量调节阀与主动流量调节阀的微流体精确流量与通断控制功能，且体积小、易集成、阈值压力低、流量调控范围广，可以满足绝大多数微驱动装置的集成需求。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种微流控阀，包括依次连通的流体入口、入口主流道、收缩流道、出口主流道和流体出口，流体经流体入口流入，依次经过入口主流道、收缩流道和出口流道后经所述流体出口排出，在所述入口主流道靠近所述收缩流道处设置有调流薄膜，所述调流薄膜垂直于流体流动方向，所述调流薄膜截面积小于所述入口主流道的横截面，大于所述收缩流道的横截面，所述调流薄膜正对所述收缩流道的入口；

还包括控制流道，所述控制流道连接压缩气体供给装置，所述收缩流道至少一处的侧壁上设有截流薄膜，所述收缩流道通过所述截流薄膜连接所述控制流道，所述截流薄膜为弹性薄膜，当所述控制流道内填充有压缩气体时，所述截流薄膜向所述收缩流道内弯曲变形。

进一步的，所述控制流道与所述收缩流道通过所述截流薄膜间隔设置。

进一步的，与所述截流薄膜相对的收缩流道侧壁为弧形曲面，所述截流薄膜向所述控制流道腔体内弯曲变形后与所述弧形曲面的侧壁贴合，侧壁为弧形曲面的这一段收缩流道为曲面流道。

进一步的，所述入口流道和出口流道的宽度为收缩流道的2倍以上，且入口流道、出口流道和收缩流道的宽高比均大于1。

进一步的，所述调流薄膜与所述收缩流道入口之间的距离为20μm～200μm，且调流薄膜的两个长边与其厚度的比值均不低于3。

进一步的，所述控制流道的入口与气体入口相通，控制流道的出口为封闭的死区。

进一步的，所述收缩流道包含曲面流道，且曲面流道的长度大于等于控制流道的宽度。

进一步的，所述曲面流道的顶部为光滑弧面。

进一步的，所述调流薄膜与截流薄膜均为高弹性材料，且薄膜受力变形时，薄膜垂直或水平方向的形变位移量不低于其厚度的5倍。

进一步的，还包括基片和阀体，所述基片和阀体相互配合形成所述控制流道。

进一步的，所述阀体与基片通过氧等离子改性、高温熔融、化学溶剂辅助等工艺实现无缝键合，保障控制流道的气压密封性。

本发明还提供了一种基于微流控阀的微流体调控方法：

微流体自动、精确流量控制：微流体由液体入口流入入口流道，绕过调流薄膜后依次进入收缩流道、曲面流道和出口流道，并从液体出口流至阀体外部；在微流体流动过程中，流体冲击调流薄膜使其朝向收缩流道产生侧向的弹性变形，随着流体压力的增大，薄膜的形变位移量增大并增大微阀的流阻；当流体压力超过微阀的设计阈值压力时，微阀的流阻完全补偿流体压力的变化，使得微阀自动调节出口流体流量至恒定值，实现微流体流量的自动、精确控制。

所述微流体流量、流体压力与微阀流阻存在下列数学关系式：

其中，Q为微阀的输出流量，P为微阀的入口液体压力，R为微阀的流阻，ΔP为液体压力的增量，ΔR为微阀的流阻增量。由上述数学关系式可知，流量Q与液体压力P和流阻R的比值直接相关。由于微阀内调流薄膜的存在，使得液体压力的增大同时导致微阀流阻也增大。当液体压力P超过一定的阈值时，微阀的流阻增量ΔR可以完全补偿液体压力的增量ΔP，即液体压力P+ΔP与流阻R+ΔR的比值始终保持不变，最终使得微阀输出恒定的流量。

进一步的，所述微流控阀的阈值压力是指阀产生恒定流量输出时的入口流体压力，且阀的阈值压力≤20kPa，流量调节范围为1nl/min～10ml/min。

微流体运动与截止控制：压缩气体由气体入口进入控制流道，挤压截流薄膜使其产生朝向曲面流道产生弹性变形，变形的薄膜紧贴在曲面流道的弧面上，使曲面流道完全封闭，实现曲面流道中微流体的截止控制。当控制流道中的压缩气体经气体入口排掉时，截流薄膜在自身材料回弹力的作用下恢复原先的平面状态，使曲面流道中的微流体重新开始流动。

本发明所产生的有益效果包括：本发明提出的微流控阀在入口流道和收缩流道之间设置了一个垂直于液体流动方向的调流薄膜，利用薄膜受液体冲击产生弹性变形以截流进入收缩流道中的微流体，即通过改变微阀的流阻来补偿液体压力的变化，从而实现微流体流量的自动、精确控制。此外，本发明提出的微流控阀还具有流体运行与截止控制功能。通过在阀内设置控制流道，利用压缩气体挤压控制流道与曲面流道之间的截流薄膜，使薄膜紧贴在曲面流道的光滑弧面上，使曲面流道封闭，实现微流体的截止控制。当微阀需要连续输出微流体时，通过排尽控制流道中的压缩气体，即可使截流薄膜在自身回弹力作用下恢复原状，实现微流体的导通。相比目前已报道的微流控阀，本发明提出的微阀兼具主动流量调节阀与被动流量调节阀的微流体精确流量与通断控制功能，且阈值压力小、流量调节范围宽、易微型化集成，在需要提供恒定流量供给的需求方面，如精确药物注射、细胞精确分选、集成微芯片实验室、便捷式即时检测仪器等领域具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是微流控阀的3D结构示意图；

图2是微流控阀的俯视结构示意图；

图3是图2中视图A的结构放大示意图；

图4是图2中截面D-D的剖面结构示意图；

图5是图4中视图B的结构放大示意图；

图6是图2中截面E-E的剖面结构示意图；

图7是图6中视图C的结构放大示意图；

图8是微流控阀实现流量精确控制的结构变化示意图及原理解释图；

图9是微流控阀实现微流体截止控制的结构变化示意图；

图10为微流控阀内的空间流场与调流薄膜受液体冲击作用力的流固耦合仿真图(入口液体压力15kPa)；

图11为微流控阀内的微流体速度梯度仿真图(入口液体压力15kPa)；

图12为微流控阀的入口液体压力与出口液体流量关系图；

图13为无调流薄膜的微流道中的微流体运动仿真图(入口液体压力15kPa)。

其中，1为阀体，2为基片，3为液体入口，4为液体出口，5为入口流道，6为调流薄膜，7为收缩流道，8为出口流道，9为气体入口、10为控制流道、11为截流薄膜、12为曲面流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中的一种微流控阀，利用入口主流道5中的调流薄膜6受液体冲击产生侧向变形以调节进入收缩流道7中的微流体，通过自动调节微阀流阻并补偿入口液体压强的变化，达到微流体流量精确控制的目的。同时，还利用控制流道10中的截流薄膜11受压缩气体的压力作用，使薄膜产生弹性变形，紧贴并封闭曲面流道12，实现微流体的截止控制。

如图1-图7所示，微流控阀包括液体入口3、入口流道5、收缩流道7、曲面流道12、出口流道8、液体出口4、气体入口5和控制流道10。微流体经液体入口3流入，依次经过入口流道5、收缩流道7和出口流道8后经所述液体出口4排出。在入口流道5靠近收缩流道7处设置有调流薄膜6，并垂直于液体流动方向，调流薄膜6的截面积小于所述入口流道5的截面积，且大于所述收缩流道7的截面积。

微流控阀还包括控制流道10，控制流道10一端与压缩气体供给装置连接，用于向控制流道10内填充压缩气体，增加控制流道10的气压，另一端可设为封闭端。控制流道10通过截流薄膜11与收缩流道7相连，当增加控制流道10内气压时，截流薄膜11向收缩流道7腔体内弯曲变形，实现截流收缩流道7内液体的作用。为了更方便的实现截流，截流薄膜11作为收缩流道7与控制流道10共同的侧壁，收缩流道7和控制流道10通过截流薄膜11间隔，当控制流道10内气压增加时，截流薄膜11向控制流道10与截流薄膜11相对的一侧壁弯曲，直至与另一侧壁对接，实现完全封闭收缩流道7。

为了进一步增加截流的力度，将与截流薄膜11相对的控制流道10侧壁设置为弧形曲面状，由于截流薄膜11变形时也为曲面形状，当截流薄膜11变形至与另一侧壁对接时，可与另一侧壁的弧形面完全贴合，实现最佳的截流效果。为了便于描述，将设有弧形曲面的这一段流道称为曲面流道12，应当知道曲面流道12为收缩流道7的一部分。

微流控阀还包括阀体1和基片2，且阀体1和基片2相互键合形成控制流道10。控制流道10与曲面流道12之间设置有截流薄膜11，压缩气体经所述气体入口9进入所述控制流道10，并储存在控制流道10内。

微流控阀进行微流体流量精确控制时，如图8所示，入口流道5中的液体冲击调流薄膜6使其朝向收缩流道7产生侧向的弹性变形，随着液体压力的增大(从原先的P增大至P+ΔP)，调流薄膜6的变形位移量增大并逐步挤压调流薄膜6与收缩流道7之间的空间，进而使微阀的流阻(从原先的R增大至R+ΔR)也不断增大。当液体压力超过微阀的设计阈值压力时，增大的微阀流阻可完全补偿液体压力的增量，此后液体压力与微阀流阻的比值将始终保持恒定，即微阀的流量保持不变。因此，微流体流量将随着入口液体压力的增大呈现非线性的增大，并最终趋于恒定，从而使得微阀实现微流体的自动、精确控制。

微流控阀进行微流体截断控制时，如图9所示，压缩气体进入控制流道10中，挤压截流薄膜11使其完全紧贴在曲面流道12上，起到封闭曲面流道12的作用，从而实现微流体的截断控制。当微阀需要输出恒定流量的微流体时，排尽控制流道10中的压缩气体，使截流薄膜11在自身回弹力的作用下恢复原状，即可导通曲面流道12，实现微流体的连续输出。

本实施例中，将入口流道5和出口流道8的宽度均设为300μm，收缩流道7的宽度设为100μm，所有流道的高度均设为100μm。因此，入口流道5和出口流道8的截面积远大于收缩流道7的截面积，以确保入口流道5和出口流道8的流阻对整个微流控阀的流阻不产生任何影响。曲面流道12的长度设为400μm，控制流道10的宽度设为300μm，截流薄膜11的厚度设为20μm，曲面流道12和控制流道10的高度均设为100μm。由于曲面流道12与控制流道10交界处的截流薄膜11面积远大于流道高度，即较大的长度、高度与厚度比值使得截流薄膜11具有较高的扰度，当薄膜受气压作用时，可产生较大的弹性变形以完全密封曲面流道12。调流薄膜6的厚度为20μm，长度为160μm，高度为100μm。长度与厚度的比例为8，高度与厚度的比例为5，因此较高的薄膜扰度使得薄膜在受液体冲击时可以产生较大的弹性变形。调流薄膜6与收缩流道7入口之间的水平距离为25μm，当调流薄膜6受液体作用变形时，可以迅速向收缩流道7的方向变形，挤压进入收缩流道7的微流体。

本发明中以附图中基片2所在部位为下，阀体1相对基片2的方位为上，故上述中的高度即为上下方向的宽度。本发明中的阀体1与基片2紧密贴合并键合在一起，阀体1、调流薄膜6及截流薄膜11的材质均为聚二甲基硅氧烷，配比为预聚体与交联体的质量比为20:1，采用软光刻技术一次倒模制得，且阀体1与基片2采用氧等离子改性工艺处理配合面后实现紧密键合。

为研究本实施例中微流控阀的流量调控能力，基于所设计的微流控阀结构尺寸，采用多物理场仿真软件对阀进行建模分析，利用软件的三维流固耦合模块建立阀的模型，设置相应的边界条件，计算阀内液体随调流薄膜6变形所产生的流场与压力场变化，仿真分析结果如图10-11所示。微阀进行流量自调节时，微流体由液体入口3流入阀体1内部，进入入口流道5，绕过调流薄膜6，分别进入收缩流道7、曲面流道12和出口流道8，并从液体出口4流至阀体1外部。在微流体流动过程中，微流体冲击调流薄膜6使其朝向收缩流道7产生侧向的弹性变形。随着液体压力的增大，调流薄膜6的变形位移量不断增大使进入收缩流道7的微流体实现截流。由于收缩流道7的流阻不断升高，使得液体的流速增大。对阀的入口液体压力从0增大至20kPa的过程进行分析，绘制入口液体压力与出口液体流量曲线图，如图12所示。首先，阀的流量随着液体压力的增大几乎呈线性增大。接着，流量逐步减小并与液体压力呈非线性关系。最后，当液体压力达到并超过15kPa时，流量几乎不再随压力的升高而变化，且流量稳定在0.34±0.01ml/min，流量的波动率约2.9％。由此可见，在液体压力超过阈值15kPa时，本实施例中的微流控阀具有明显的恒流效果。为证明阀的恒流功能，设计了不带调流薄膜结构的微流道，同样对其进行压力流量特性分析，如图12-13所示。仿真结果发现，由于没有调流薄膜的阻挡，微流体可直接由入口流道进入收缩流道内。随着入口液体压力的增大，流道出口的流量也不断增大，且与压力几乎呈线性正比关系。与有调流薄膜的阀相比，在入口液体压力为15kPa时，无调流薄膜的微流道输出的流量达到1.78ml/min，远高于阀的流量。可见，当微流道内无调流薄膜结构时，由于微流道的流阻保持不变，使得流量与液体压力始终保持线性正相关。

综上所述，本实施例提出的微流控阀具有明显的恒流调控能力，且输出恒定流量时所需的液体阈值压力低、流量调控精确，可用于多种需要精确控制微流体流量的微流控应用场合，在精确药物注射、细胞精确分选、集成微芯片实验室、便捷式即时检测仪器等领域具有广泛的应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微流控阀，其特征在于：包括依次连通的流体入口、入口主流道、收缩流道、出口主流道和流体出口，流体经流体入口流入，依次经过入口主流道、收缩流道和出口流道后经所述流体出口排出，在所述入口主流道靠近所述收缩流道处设置有调流薄膜，所述调流薄膜垂直于流体流动方向，所述调流薄膜截面积小于所述入口主流道的横截面，大于所述收缩流道的横截面，所述调流薄膜正对所述收缩流道的入口；

还包括控制流道，所述控制流道连接压缩气体供给装置，所述收缩流道至少一处的侧壁上设有截流薄膜，所述收缩流道通过所述截流薄膜连接所述控制流道，所述截流薄膜为弹性薄膜，当所述控制流道内填充有压缩气体时，所述截流薄膜向所述收缩流道内弯曲变形。

2.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：所述控制流道与所述收缩流道通过所述截流薄膜间隔设置。

3.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：与所述截流薄膜相对的收缩流道侧壁为弧形曲面，所述截流薄膜向所述控制流道腔体内弯曲变形后与所述弧形曲面的侧壁贴合。

4.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：所述入口流道和出口流道的宽度为收缩流道的2倍以上，且入口流道、出口流道和收缩流道的宽高比均大于1。

5.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：所述调流薄膜与所述收缩流道入口之间的距离为20μm~200μm，且调流薄膜的两个长边与其厚度的比值均不低于3。

6.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：所述控制流道的一端与压缩气体供给装置连接，另一端封闭。

7.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：还包括基片和阀体，所述基片和阀体相互配合形成所述控制流道。

8.根据权利要求7所述的微流控阀，其特征在于：所述阀体与基片通过氧等离子改性、高温熔融、化学溶剂辅助等工艺实现无缝键合，保障控制流道的气压密封性。

9.一种基于权利要求1所述的微流控阀的微流体调控方法，其特征在于：

微流体自动、精确流量控制：微流体由液体入口流入入口流道，绕过调流薄膜后依次进入收缩流道和出口流道，并从液体出口流至阀体外部；在微流体流动过程中，流体冲击调流薄膜使其朝向收缩流道产生侧向的弹性变形，随着流体压力的增大，薄膜的形变位移量增大并增大微阀的流阻；当流体压力超过微阀的设计阈值压力时，微阀的流阻完全补偿流体压力的变化，使得微阀自动调节出口流体流量至恒定值，实现微流体流量的自动、精确控制；

微流体运动与截止控制：压缩气体由气体入口进入控制流道，挤压截止薄膜使其产生朝向收缩流道内产生弹性变形，变形的薄膜对接所述收缩流道相对一侧的侧壁，使收缩流道完全封闭，实现微流体的截止控制；当控制流道中的压缩气体经气体入口排掉时，截止薄膜在自身材料回弹力的作用下恢复原先的平面状态，使收缩流道中的微流体重新开始流动。

10.根据权利要求9所述的微流控阀的微流体调控方法，其特征在于：所述微流控阀的阈值压力是指阀产生恒定流量输出时的入口流体压力，且阀的阈值压力≤20kPa，流量调节范围为1nl/min ~ 10 ml/min。