CN109296823A - 一种微流控芯片流道切换微阀结构及其切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微流控芯片流道切换微阀结构及其切换控制方法，属于微流控芯片技术领域。本发明的切换微阀结构，包括微流控芯片和设于微流控芯片内的切换微阀，切换微阀包括第一阀腔、第二阀腔、中间切换阀腔和切换球阀，切换球阀设于中间切换阀腔内，并能够进入第一阀腔内阻断第一流道或进入第二阀腔内阻断第二流道，第一阀腔连通有能够将切换球阀从第一阀腔内吹出的第一进气通道，第二阀腔连通有能够将切换球阀从第二阀腔内吹出的第二进气通道。本发明提供了一种新型的机械式微阀结构，利用气道吹动设于阀腔内的切换球阀来实现微流控芯片内流道的快速切换，结构简单，加工制作方便，制作成本低，并且微阀切换动作稳定可靠，操作简单方便。

Description

一种微流控芯片流道切换微阀结构及其切换控制方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，更具体地说，涉及一种微流控芯片流道切换微阀结构及其切换控制方法。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的一种新型的工具。微流控芯片通过微机电加工技术(MEMS)在硅、石英、玻璃或高分子聚合物等基质材料上加工出微管道、微阀、微泵、微反应器、电极等功能单元，从而实现在微米尺度下对样品的各种操作。其中微阀主要负责监管芯片内各个流路的工作，调控芯片内流体的压力和运动状态，类似于城市交通系统中的“红绿灯”，是微流控芯片里的一个重要单元。常见的微流控芯片的微阀主要有以下三种：
(1)外部气动微阀。外部气动微阀利用外部控制气压，将芯片内特定位置的薄膜鼓起或收缩，使得对应的微管道被堵死或打开，从而实现流路通断。这种微阀具有易于集成，密封性好和阀开关速度快等优点；但同时这种微阀需要一个具有弹性的薄膜层，因而存在加工流程复杂、控制复杂等不足。相关技术可参见“中国专利号ZL201510524331.X，授权公告日为2017年1月18日，发明创造名称为：一种液体无间断切换结构及具有该结构的微流控芯片”等专利申请案。
(2)石蜡微阀。石蜡微阀是一种用石蜡为材料的阀。它是一种由热驱动的微开关阀，含有该微阀的反应微装置能够将样品溶液密封在反应腔内。当压力小于一定值时，微阀处于关闭状态时，没有泄漏发生。当压力达到高于一定值时，在流道壁上发生泄漏。其具有可预存芯片，适合工业生产等优点。但由于需要控制石蜡的状态来改变微阀的状态，因而存在重复使用性差、外部控制系统复杂等不足。相关技术可参见“中国专利申请号201810624744.9，申请公布日为2018年11月23日，发明创造名称为：一种石蜡微阀成型及其封装方法”等专利申请案。
(3)压电微阀。压电微阀通过硅熔融，将两层硅结构键合在一起，是一种由压电驱动的自封锁常闭型微阀。在没有施加电压时，该微阀具有良好的密封性能，当电压大于一定值时,气体流可以通过微阀。其具有反应时间短、灵敏度高、死区体积小等优点。但也存在容易泄露、加工复杂等不足。相关技术可参见“中国专利号ZL201380066291.8，授权公告日为2018年8月14日，发明创造名称为：微阀装置和微阀装置的制造方法”等专利申请案。
上述用于微流控芯片的微阀设计各具优点，但均存在结构设计复杂、制作难度大、制作成本高等缺陷。为此，有必要设计一种结构简单、控制方便的微流控芯片微阀结构。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有微流控芯片微阀存在结构设计复杂、制作难度大、制作成本高等不足，提供一种微流控芯片流道切换微阀结构及其切换控制方法，采用本发明的技术方案，提供一种新型的机械式微阀结构，利用气道吹动设于阀腔内的切换球阀来实现微流控芯片内流道的快速切换，结构简单，加工制作方便，制作成本低，并且微阀切换动作稳定可靠，操作简单方便。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构，包括微流控芯片和设于微流控芯片内的切换微阀，所述的微流控芯片具有第一流道和第二流道，所述的第一流道和第二流道通过切换微阀连通微流控芯片上的进液口，所述的第一流道的末端设有第一出液口，所述的第二流道的末端设有第二出液口，所述的切换微阀包括第一阀腔、第二阀腔、中间切换阀腔和切换球阀，所述的第一流道通过第一阀腔连通进液口，所述的第二流道通过第二阀腔连通进液口，所述的第一阀腔和第二阀腔之间设有中间切换阀腔，所述的切换球阀设于中间切换阀腔内，并能够进入第一阀腔内阻断第一流道或进入第二阀腔内阻断第二流道，所述的第一阀腔连通有能够将切换球阀从第一阀腔内吹出的第一进气通道，所述的第一进气通道的末端设有第一进气口，所述的第二阀腔连通有能够将切换球阀从第二阀腔内吹出的第二进气通道，所述的第二进气通道的末端设有第二进气口。
更进一步地，所述的第一阀腔和第二阀腔的形状和尺寸与切换球阀的形状和尺寸相适配。
更进一步地，所述的第一进气通道在第一阀腔内的进气方向正对切换球阀滑出第一阀腔的方向，所述的第二进气通道在第二阀腔内的进气方向正对切换球阀滑出第二阀腔的方向。
更进一步地，所述的切换球阀采用软质材料制作。
更进一步地，所述的第一进气通道和第二进气通道均具有一定长度，用以容纳微流控芯片内的流体。
本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构的切换控制方法，
液体由进液口流入微流控芯片，在液体压力作用下，切换球阀进入第一阀腔或第二阀腔内将对应的流道关闭，使液体流入另一侧的流道内；
在需要切换微流控芯片的流道时，向被关闭的阀腔进气通道内通入气体，将切换球阀推出该侧的阀腔并进入另一侧的阀腔内，使该侧的流道打开且另一侧的流道关闭。
更进一步地，所述的第一进气通道和第二进气通道内具有容纳有微流控芯片内流体的长腔体，在切换微流控芯片的流道时，第一进气通道或第二进气通道通入气体而将长腔体内的液体排出，利用液体反冲的推力实现切换球阀在第一阀腔和第二阀腔内切换转移，同时在切换微阀切换结束后，对应的进气通道的长腔体内由进液口补充新的液体以供下次微阀切换使用。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构及其切换控制方法，提供了一种新型的机械式微阀结构，与现有的微阀结构相比，利用气道吹动设于阀腔内的切换球阀来实现微流控芯片内流道的快速切换，结构简单，加工制作方便，制作成本低，并且微阀切换动作稳定可靠，操作简单方便；
(2)本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构，其第一阀腔和第二阀腔的形状和尺寸与切换球阀的形状和尺寸相适配，微流控芯片内流道的关闭更加紧密，密封性好而不易出现泄漏；
(3)本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构，其第一进气通道在第一阀腔内的进气方向正对切换球阀滑出第一阀腔的方向，第二进气通道在第二阀腔内的进气方向正对切换球阀滑出第二阀腔的方向，使得切换微阀的切换动作更加稳定准确，切换动作更加灵敏；
(4)本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构，其切换球阀采用软质材料制作，密封性更好；
(5)本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构及其切换控制方法，第一进气通道和第二进气通道内具有容纳有微流控芯片内流体的长腔体，在切换微流控芯片的流道时，第一进气通道或第二进气通道通入气体而将长腔体内的液体排出，利用液体反冲的推力实现切换球阀在第一阀腔和第二阀腔内切换转移，同时在切换微阀切换结束后，对应的进气通道的长腔体内由进液口补充新的液体以供下次微阀切换使用，采用上述的长腔体来容纳一定量的反冲液体，利用液体实现微阀切换，避免了在微阀切换过程中进入气泡，满足了无气泡环境的使用需要。
附图说明
图1为本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构的结构示意图；
图2为本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构中切换微阀的局部放大示意图；其中：图2(a)示出的是切换球阀位于中间切换阀腔内的状态示意图；图2(b)示出的是切换球阀位于第一阀腔内的状态示意图；图2(c)示出的是切换球阀位于第二阀腔内的状态示意图。
示意图中的标号说明：
1、微流控芯片；1-1、进液口；1-2、第一流道；1-3、第一出液口；1-4、第二流道；1-5、第二出液口；
2、切换微阀；2-1、第一进气通道；2-2、第一进气口；2-3、第二进气通道；2-4、第二进气口；2-5、第一阀腔；2-6、第二阀腔；2-7、切换球阀。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例
结合图1和图2所示，本实施例的一种微流控芯片流道切换微阀结构，包括微流控芯片1和设于微流控芯片1内的切换微阀2，微流控芯片1具有第一流道1-2和第二流道1-4，第一流道1-2和第二流道1-4的具体形状根据微流控芯片1所需要达到工作要求来设计，第一流道1-2和第二流道1-4通过切换微阀2连通微流控芯片1上的进液口1-1，第一流道1-2的末端设有第一出液口1-3，第二流道1-4的末端设有第二出液口1-5，液体由进液口1-1进入，利用切换微阀2选择流入第一流道1-2和第二流道1-4中的一个流道内，并从对应流道的出液口流出。与现有的微阀结构不停地是，本实施例的切换微阀2采用机械式结构，其包括第一阀腔2-5、第二阀腔2-6、中间切换阀腔和切换球阀2-7，第一阀腔2-5设于第一流道1-2与进液口1-1连通处，第二阀腔2-6设于第二流道1-4与进液口1-1连通处，第一流道1-2通过第一阀腔2-5连通进液口1-1，第二流道1-4通过第二阀腔2-6连通进液口1-1，且第一阀腔2-5和第二阀腔2-6之间设有中间切换阀腔，切换球阀2-7设于中间切换阀腔内，并能够进入第一阀腔2-5内阻断第一流道1-2或进入第二阀腔2-6内阻断第二流道1-4。切换球阀2-7在第一阀腔2-5和第二阀腔2-6内采用气体动力驱动进行切换，具体地，第一阀腔2-5连通有能够将切换球阀2-7从第一阀腔2-5内吹出的第一进气通道2-1，第一进气通道2-1的末端设有第一进气口2-2，第二阀腔2-6连通有能够将切换球阀2-7从第二阀腔2-6内吹出的第二进气通道2-3，第二进气通道2-3的末端设有第二进气口2-4。第一进气通道2-1和第二进气口2-4可连接气源，通过进气通道向第一阀腔2-5或第二阀腔2-6内通入气体，实现切换球阀2-7的切换，实现一侧的流道打开、一侧的流道关闭。本实施例的一种微流控芯片流道切换微阀结构，提供了一种新型的机械式微阀结构，与现有的微阀结构相比，利用气道吹动设于阀腔内的切换球阀来实现微流控芯片内流道的快速切换，结构简单，加工制作方便，制作成本低。
如图2所示，在本实施例中，第一阀腔2-5和第二阀腔2-6的形状和尺寸与切换球阀2-7的形状和尺寸相适配，这样，微流控芯片内流道的关闭更加紧密，密封性好而不易出现泄漏。另外，作为优选实施方式，第一进气通道2-1在第一阀腔2-5内的进气方向正对切换球阀2-7滑出第一阀腔2-5的方向，第二进气通道2-3在第二阀腔2-6内的进气方向正对切换球阀2-7滑出第二阀腔2-6的方向，使得切换微阀的切换动作更加稳定准确，切换动作更加灵敏。切换球阀2-7优选采用软质材料制作，例如橡胶等，对第一流道1-2和第二流道1-4的密封效果更好。
此外，如图1所示，在本实施例中，第一进气通道2-1和第二进气通道2-3均具有一定长度，用以容纳微流控芯片内的流体，这样，第一进气通道2-1和第二进气通道2-3内可留有一定量的流体，在切换微流控芯片的流道时，利用液体反冲的推力实现切换球阀2-7在第一阀腔2-5和第二阀腔2-6内切换转移，避免了在微阀切换过程中进入气泡，满足了无气泡环境的使用需要。
参见图1和图2所示，本实施例还公开了一种微流控芯片流道切换微阀结构的切换控制方法，具体操作时，液体由进液口1-1流入微流控芯片1，在液体压力作用下，切换球阀2-7进入第一阀腔2-5或第二阀腔2-6内将对应的流道关闭，使液体流入另一侧的流道内；在需要切换微流控芯片的流道时，向被关闭的阀腔进气通道内通入气体，将切换球阀2-7推出该侧的阀腔并进入另一侧的阀腔内，使该侧的流道打开且另一侧的流道关闭。例如，在工作时，液体由进液口1-1进入推动切换球阀2-7从图2(a)所示状态进入图2(b)所示状态，即切换球阀2-7进入第一阀腔2-5而将第一流道1-2关闭，液体经过第二阀腔2-6流入第二流道1-4，并从第二流道1-4末端的第二出液口1-5排出；在进行切换时，从第一进气通道2-1充入气体，利用气体作用推动切换球阀2-7，此时切换球阀2-7顺势进入第二阀腔2-6而将第二流道1-4关闭(从图2(b)所示状态进入图2(c)所示状态)，此时液体经过第一阀腔2-5流入第一流道1-2，并从第一流道1-2末端的第一出液口1-3排出。
对于无气泡环境的使用过程，在第一进气通道2-1和第二进气通道2-3内具有容纳有微流控芯片内流体的长腔体(如图1所示)，在切换微流控芯片的流道时，第一进气通道2-1或第二进气通道2-3通入气体而将长腔体内的液体排出，利用液体反冲的推力实现切换球阀2-7在第一阀腔2-5和第二阀腔2-6内切换转移，同时在切换微阀2切换结束后，对应的进气通道的长腔体内由进液口1-1补充新的液体以供下次微阀切换使用，采用上述的长腔体来容纳一定量的反冲液体，利用液体实现微阀切换，避免了在微阀切换过程中进入气泡，满足了无气泡环境的使用需要。
本发明的一种微流控芯片流道切换微阀结构及其切换控制方法，提供了一种新型的机械式微阀结构，与现有的微阀结构相比，利用气道吹动设于阀腔内的切换球阀来实现微流控芯片内流道的快速切换，结构简单，加工制作方便，制作成本低，并且微阀切换动作稳定可靠，操作简单方便。并且，可以利用液体反冲来实现微阀切换，避免了在微阀切换过程中进入气泡，满足了无气泡环境的使用需要。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微流控芯片流道切换微阀结构，包括微流控芯片(1)和设于微流控芯片(1)内的切换微阀(2)，所述的微流控芯片(1)具有第一流道(1-2)和第二流道(1-4)，所述的第一流道(1-2)和第二流道(1-4)通过切换微阀(2)连通微流控芯片(1)上的进液口(1-1)，所述的第一流道(1-2)的末端设有第一出液口(1-3)，所述的第二流道(1-4)的末端设有第二出液口(1-5)，其特征在于：所述的切换微阀(2)包括第一阀腔(2-5)、第二阀腔(2-6)、中间切换阀腔和切换球阀(2-7)，所述的第一流道(1-2)通过第一阀腔(2-5)连通进液口(1-1)，所述的第二流道(1-4)通过第二阀腔(2-6)连通进液口(1-1)，所述的第一阀腔(2-5)和第二阀腔(2-6)之间设有中间切换阀腔，所述的切换球阀(2-7)设于中间切换阀腔内，并能够进入第一阀腔(2-5)内阻断第一流道(1-2)或进入第二阀腔(2-6)内阻断第二流道(1-4)，所述的第一阀腔(2-5)连通有能够将切换球阀(2-7)从第一阀腔(2-5)内吹出的第一进气通道(2-1)，所述的第一进气通道(2-1)的末端设有第一进气口(2-2)，所述的第二阀腔(2-6)连通有能够将切换球阀(2-7)从第二阀腔(2-6)内吹出的第二进气通道(2-3)，所述的第二进气通道(2-3)的末端设有第二进气口(2-4)。
2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片流道切换微阀结构，其特征在于：所述的第一阀腔(2-5)和第二阀腔(2-6)的形状和尺寸与切换球阀(2-7)的形状和尺寸相适配。
3.根据权利要求2所述的一种微流控芯片流道切换微阀结构，其特征在于：所述的第一进气通道(2-1)在第一阀腔(2-5)内的进气方向正对切换球阀(2-7)滑出第一阀腔(2-5)的方向，所述的第二进气通道(2-3)在第二阀腔(2-6)内的进气方向正对切换球阀(2-7)滑出第二阀腔(2-6)的方向。
4.根据权利要求3所述的一种微流控芯片流道切换微阀结构，其特征在于：所述的切换球阀(2-7)采用软质材料制作。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种微流控芯片流道切换微阀结构，其特征在于：所述的第一进气通道(2-1)和第二进气通道(2-3)均具有一定长度，用以容纳微流控芯片内的流体。
6.一种权利要求1至5任意一项所述的微流控芯片流道切换微阀结构的切换控制方法，其特征在于：
液体由进液口(1-1)流入微流控芯片，在液体压力作用下，切换球阀(2-7)进入第一阀腔(2-5)或第二阀腔(2-6)内将对应的流道关闭，使液体流入另一侧的流道内；
在需要切换微流控芯片的流道时，向被关闭的阀腔进气通道内通入气体，将切换球阀(2-7)推出该侧的阀腔并进入另一侧的阀腔内，使该侧的流道打开且另一侧的流道关闭。
7.根据权利要求6所述的一种微流控芯片流道切换微阀结构的切换控制方法，其特征在于：所述的第一进气通道(2-1)和第二进气通道(2-3)内具有容纳有微流控芯片内流体的长腔体，在切换微流控芯片的流道时，第一进气通道(2-1)或第二进气通道(2-3)通入气体而将长腔体内的液体排出，利用液体反冲的推力实现切换球阀(2-7)在第一阀腔(2-5)和第二阀腔(2-6)内切换转移，同时在切换微阀(2)切换结束后，对应的进气通道的长腔体内由进液口(1-1)补充新的液体以供下次微阀切换使用。
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