CN109780318B - 液态金属微阀装置以及设有该装置的微流控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控阀体设备技术领域，尤其涉及一种液态金属微阀装置以及设有该装置的微流控系统。该装置的主微流道与辅助微流道之间交叉连通，主微流道内流经有流体，辅助微流道内充满液态金属；在主微流道与辅助微流道的交叉连通处设有阀体微流道，阀体微流道用于为流经阀体微流道内的流体导向，从而在微流道内部实现单向阀或双向阀的功能；在辅助微流道内的液态金属流入并充满阀体微流道内时，阀体微流道内的液态金属能将主微流道内的流体阻断，从而利用具有较大表面张力的低熔点液态金属阻断流体流动，以实现阀体的关闭。该装置及装有该装置的微流控系统能在装置开启时实现良好的导通性，并能在装置关闭时有效提高微阀密闭性，减少流体泄露。
Description
技术领域
本发明涉及微流控阀体设备技术领域，尤其涉及一种液态金属微阀装置以及设有该装置的微流控系统。
背景技术
液态金属在微流控技术领域已经有较为广泛的应用，如液态金属电极、电渗泵、加热器和电磁泵等。但是将液态金属作为阀应用在微流控领域，目前还没有相关文献提及。
当前在微流控技术领域，微阀可分为主动阀和被动阀，被动阀通常只具有单向导通性，即只能控制流体往一个方向流动。主动阀又分为电磁阀、形状记忆合金阀和气动阀等，气动阀由于其简单的制作工艺，便捷的操控性在微流控领域得到广泛的应用，但是由于流道结构的限制，导致气动阀的气密性差，无法使气动阀关紧，导致流体从阀体缝隙出泄露。因此，气动阀的结构仍在在不断改进和优化中。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种液态金属微阀装置以及设有该装置的微流控系统，能在装置开启时实现良好的导通性，并能在装置关闭时有效提高微阀密闭性，减少流体泄露。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种液态金属微阀装置，包括主微流道和辅助微流道，所述主微流道与辅助微流道之间交叉连通，所述主微流道内流经有流体，所述辅助微流道内充满液态金属，所述主微流道与辅助微流道的交叉连通处设有阀体微流道，所述阀体微流道用于为流经所述阀体微流道内的所述流体导向；在所述辅助微流道内的液态金属流入并充满所述阀体微流道内时，所述阀体微流道内的液态金属能将所述主微流道内的流体阻断。
进一步的，所述阀体微流道的轴向沿所述流体的流向设置，所述阀体微流道的轴向两端分别排列有多个支柱，以使两排所述支柱分别构成所述阀体微流道的两个轴向端面；每个所述阀体微流道的轴向端面均能使所述流体单向通过，但不能使所述液态金属通过。
进一步的，两排所述支柱分别具有预设的倾斜方向，每排所述支柱的倾斜方向沿所述流体的流向设置。
进一步的，两排所述支柱平行。
进一步的，两排所述支柱不平行。
进一步的，两排所述支柱的倾斜方向相反。
进一步的，所述主微流道内的流体压力小于所述辅助微流道内的液态金属压力时，所述辅助微流道内的液态金属流入并充满所述阀体微流道内；所述主微流道内的流体压力大于或等于所述辅助微流道内的液态金属压力时，所述主微流道内的流体流经所述阀体微流道。
进一步的，在所述液态金属充满所述阀体微流道内时，通过降温使所述液态金属在所述阀体微流道内凝固。
进一步的，所述液态金属为低熔点金属，所述低熔点金属包括液态汞、液态的镓金属单质、液态的镓基合金、或液态的铋基合金。
本发明还提供了一种微流控系统，包括如上所述的液态金属微阀装置。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的液态金属微阀装置中，主微流道与辅助微流道之间交叉连通，主微流道内流经有流体，辅助微流道内充满液态金属；在主微流道与辅助微流道的交叉连通处设有阀体微流道，阀体微流道用于为流经阀体微流道内的流体导向，从而在微流道内部较好的实现了单向阀或双向阀的功能；驱动辅助微流道内的液态金属流入并充满阀体微流道内，以使阀体微流道内的液态金属将主微流道内的流体阻断，从而利用具有较大表面张力的低熔点液态金属阻断流体流动，以实现阀体的关闭，进而实现了液态金属作为阀在微流控系统中的创新应用。该装置及微流控系统不但具有制作方便、操作简单、可控性好、易于集成等优点，还克服了传统气泵阀易泄露的缺点，能在装置开启时实现良好的导通性，并能在装置关闭时有效提高微阀密闭性，减少流体泄露。
附图说明
图1为本发明实施例一所述的液态金属微阀装置的结构示意图；
图2为本发明实施例二所述的液态金属微阀装置的结构示意图；
图3为本发明实施例三所述的液态金属微阀装置的结构示意图；
图4为本发明实施例四所述的液态金属微阀装置的结构示意图；
图5为本发明实施例五所述的液态金属微阀装置的结构示意图；
其中：1、辅助微流道；2、支柱；3、主微流道；4、阀体微流道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
本实施例提供了一种液态金属微阀装置，该装置包括主微流道3、辅助微流道1和阀体微流道4。该装置不但具有制作方便、操作简单、可控性好、易于集成等优点，还克服了传统气泵阀易泄露的缺点，能在装置开启时实现良好的导通性，并能在装置关闭时有效提高微阀密闭性，减少流体泄露。
具体的，该装置的主微流道3内流经有流体，并利用气泵或其他动力驱动装置在辅助微流道1内填充满液态金属。
优选地，液态金属的压力和流体压力由外部气泵提供。
优选的，该装置使用的液态金属为低熔点金属，该低熔点金属包括液态汞、液态的镓金属单质、液态的镓基合金、或液态的铋基合金。进一步优选采用属于低熔点金属中的镓基合金，该镓基合金优选包括镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
主微流道3与辅助微流道1之间交叉连通，在主微流道3与辅助微流道1的交叉连通处设有阀体微流道4，阀体微流道4即为主微流道3内的一段通道。该阀体微流道4具有为流经阀体微流道4内的流体导向的作用，从而在微流道内部较好的实现了单向阀或双向阀的功能。在本实施例中，参照图1，辅助微流道1连通在主微流道3的上部，主微流道3和辅助微流道1均为直线型，也可以采用其他形状。
为了在装置关闭时有效提高微阀密闭性，减少流体泄露，本实施例的微阀装置在关闭时，驱动辅助微流道1内的液态金属流入并充满阀体微流道4内，以使阀体微流道4内的液态金属将主微流道3内的流体阻断即可。换言之，本装置利用具有较大表面张力的低熔点液态金属阻断流体流动，即可实现该微阀装置的关闭。同理，在液态金属没有完全充满阀体微流道4内时，阀体微流道4内流经有流体，即该微阀装置处于开启状态。
本实施例中，阀体微流道4的轴向沿流体的流向设置，以使阀体微流道4对流体具有预设方向上的导通作用。参照图1，阀体微流道4的轴向两端分别排列有多个支柱2，以使两排支柱2分别构成阀体微流道4的两个轴向端面。根据支柱排列的结构，使得两排支柱2均能使流体单向通过，但均不能使液态金属通过，从而在液态金属进入阀体微流道4内时，将液态金属限制在两排支柱2之间的阀体微流道4内，实现对流体的完全阻断作用。
本实施例中，两排支柱2分别具有预设的倾斜方向，每排支柱2的倾斜方向分别沿流体的流向设置，以使阀体微流道4对流体的导通方向根据支柱2的倾斜方向确定。
具体的，参照图1，本实施例的两排支柱2中，每个支柱2的大小均一，且相邻两支柱2的间隔相等。两排支柱2平行的布置在阀体微流道4的轴向端面上，以流体在主微流道3和阀体微流道4内的流动方向为参照方向，在流体自右向左流动时，两排支柱2同时顺着流体的流向向左倾斜，且两排支柱2的斜度相同，以使阀体微流道4对流经的流体具有自右向左的单向导通作用。
在该液态金属微阀装置中，采用微加工制作工艺，将辅助微流道1和主微流道3同步制成、并集成于微流控芯片上。所述微流控芯片材料可以选择聚合物、硅橡胶、玻璃或石英等。
优先地，所述微加工制作工艺选择常规的软刻蚀技术，通过同一掩膜同时刻蚀制作出的辅助微流道1、支柱2和主微流道3等高、共面且非接触。所述软刻蚀技术制作出的微流控芯片优先选择硅橡胶PDMS材料芯片。
需要说明的是，在同一轴向端面上的各个支柱2间的间距不能太大，否则易造成液态金属压力过大，冲出支柱2之间的间隔，造成液态金属泄露到主微流道3内。两排支柱2的斜度是单相通道的重要结构，斜度越大，单向导通能力越明显。故而两排支柱2的斜度可根据所需导通效率适应性调整。
本实施例的微阀装置中，当主微流道3内的流体压力小于辅助微流道1内的液态金属压力时，辅助微流道1内的液态金属流入并充满阀体微流道4内，在液态金属完全充满阀体微流道4内时，液态金属将主微流道3的流体完全阻断，从而使得微阀装置打到完全关闭的状态。故而当要实现液态金属阀关闭状态时，增大辅助微流道1内的压力，以促使液态金属压力超过流体压力，从而驱动液态金属流入阀体微流道4内即可。
同理，当主微流道3内的流体压力大于或等于辅助微流道1内的液态金属压力时，主微流道3内的流体流经阀体微流道，流体在压力差的作用下流入阀体微流道4内，并推动液态金属自阀体微流道4内回流至辅助微流道1内，从而使得微阀装置开启。当要实现液态金属阀开启状态时，减小辅助微流道1内的压力，并同时增大主微流道3内的压力，从而实现液态金属阀开启的效果。
微阀装置在开启时，流体在阀体微流道的导通作用下，根据阀体微流道的导通方向流动。参照图1可知，本实施例的阀体微流道4向左倾斜，则流体自右向左单向流动。
特别地，液态金属阀内的压力不能过小，否则易造成主微流道3内的流体倒流进辅助微流道1内。
特别地，通过改变辅助微流道1内部温度，可将液态金属从液态变为固态，达到相变金属阀的作用。为实现稳定的阀开启闭合效果，当液态金属充满辅助微流道1后，可适当降温，使得液态金属凝固，阻隔液体从主微流道3中间流过，达到阀体关闭的效果，进一步提高阀体关闭时的密闭性。当需要开启阀体时，适当升温，使得液态金属熔化，同时加大主微流道3内流体的压力，使得流体从主微流道3中顺利通过，达到阀体开启的效果。
实施例2
参照图2所示，本实施例的液态金属微阀装置与实施例1的结构相类似，其主要区别之处在于：本实施例的两排支柱2的倾斜方向与实施例1不同。
具体的，本实施例中的两排支柱2整体向右倾斜。通过改变液态金属的压力和微流体压力之间的压力差关系，即可实现微阀装置的正常启闭，并在微阀装置开启时，利用阀体微流道4对流体实现自左向右的单向导通作用。
本实施例的微阀装置与实施例1相比，两者的导通方向相反，可以根据实际芯片应用挑选合适的导通方向。
实施例3
参照图3所示，本实施例的液态金属微阀装置与实施例1的结构相类似，其主要区别之处在于：两排支柱2的倾斜方向虽然相同，但两排支柱2之间不平行，即两排支柱2的斜度不相等，且两排支柱2中的相邻两支柱2之间的间距不相等。
具体的，两排支柱2整体向左倾斜，则阀体微流道4对流体的导通方向为自右向左单向导通。以阀体微流道4与辅助微流道1之间的连通处为液态金属的出入口，则越靠近液态金属出入口的支柱2间距越大，越远离液态金属出入口的支柱2间距越小。
本实施例的微阀装置与实施例1相比，本实施例对微阀装置的结构做了优化，利用两排支柱2不同的斜度和可变间距，使得微阀装置在开启时，受到流体的压力更大，提高阀门开启的效率，并且减少液态金属残留在主微流道3的可能性。
实施例4
参照图4所示，本实施例的液态金属微阀装置与实施例3的结构相类似，其主要区别之处在于：本实施例的两排支柱2的倾斜方向与实施例3不同。
具体的，本实施例中的两排支柱2整体向右倾斜。通过改变液态金属的压力和微流体压力之间的压力差关系，即可实现微阀装置的正常启闭，并在微阀装置开启时，利用阀体微流道4对流体实现自左向右的单向导通作用。
本实施例的微阀装置与实施例3相比，两者的导通方向相反，可以根据实际芯片应用挑选合适的导通方向。
实施例5
参照图5所示，本实施例的液态金属微阀装置与实施例1的结构相类似，其主要区别之处在于：本实施例的两排支柱2不平行的布置于辅助微流道1和主微流道3的交叉连通处，且两排支柱2的倾斜方向相反，即两排支柱成倒立的“八”字形结构设置。
与实施例1相比，本实施例的微阀装置的结构能够实现双向导通的作用。换言之，在微阀装置开启时，流体可以从主微流道3的任一方向流入阀体微流道4内以便将液态金属挤压回流至辅助微流道1中，并使流体能从阀体微流道4的任一端面流出，实现了微阀装置对流体的双向导通作用，增加了微阀装置的应用范围。
实施例6
本实施例提供了一种微流控系统，该系统包括如上述的实施例1～实施例5中任一种液态金属微阀装置。由于该微流控系统使用上述的微阀装置，使得该系统不但具有制作方便、操作简单、可控性好、易于集成等优点，还克服了传统气泵阀易泄露的缺点，能在装置开启时实现良好的导通性，并能在装置关闭时有效提高微阀密闭性，减少流体泄露。
综上所述，本实施例的液态金属微阀装置中，主微流道3与辅助微流道1之间交叉连通，主微流道3内流经有流体，辅助微流道1内充满液态金属；在主微流道3与辅助微流道1的交叉连通处设有阀体微流道4，阀体微流道4用于为流经阀体微流道4内的流体导向，从而在微流道内部较好的实现了单向阀或双向阀的功能；驱动辅助微流道1内的液态金属流入并充满阀体微流道4内，以使阀体微流道4内的液态金属将主微流道3内的流体阻断，从而利用具有较大表面张力的低熔点液态金属阻断流体流动，以实现阀体的关闭，进而实现了液态金属作为阀在微流控系统中的创新应用。该装置及微流控系统不但具有制作方便、操作简单、可控性好、易于集成等优点，还克服了传统气泵阀易泄露的缺点，能在装置开启时实现良好的导通性，并能在装置关闭时有效提高微阀密闭性，减少流体泄露。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (9)
1.一种液态金属微阀装置，其特征在于，包括主微流道和辅助微流道，所述主微流道与辅助微流道之间交叉连通，所述主微流道内流经有流体，所述辅助微流道内充满液态金属，所述主微流道与辅助微流道的交叉连通处设有阀体微流道，所述阀体微流道用于为流经所述阀体微流道内的所述流体导向；在所述辅助微流道内的液态金属流入并充满所述阀体微流道内时，所述阀体微流道内的液态金属能将所述主微流道内的流体阻断；所述阀体微流道的轴向沿所述流体的流向设置，所述阀体微流道的轴向两端分别排列有多个支柱，以使两排所述支柱分别构成所述阀体微流道的两个轴向端面；每个所述阀体微流道的轴向端面均能使所述流体单向通过，但不能使所述液态金属通过。
2.根据权利要求1所述的液态金属微阀装置，其特征在于，两排所述支柱分别具有预设的倾斜方向，每排所述支柱的倾斜方向沿所述流体的流向设置。
3.根据权利要求2所述的液态金属微阀装置，其特征在于，两排所述支柱平行。
4.根据权利要求2所述的液态金属微阀装置，其特征在于，两排所述支柱不平行。
5.根据权利要求4所述的液态金属微阀装置，其特征在于，两排所述支柱的倾斜方向相反。
6.根据权利要求1-5任一项所述的液态金属微阀装置，其特征在于，所述主微流道内的流体压力小于所述辅助微流道内的液态金属压力时，所述辅助微流道内的液态金属流入并充满所述阀体微流道内；所述主微流道内的流体压力大于或等于所述辅助微流道内的液态金属压力时，所述主微流道内的流体流经所述阀体微流道。
7.根据权利要求6所述的液态金属微阀装置，其特征在于，在所述液态金属充满所述阀体微流道内时，通过降温使所述液态金属在所述阀体微流道内凝固。
8.根据权利要求1-5任一项所述的液态金属微阀装置，其特征在于，所述液态金属为低熔点金属，所述低熔点金属包括液态汞、液态的镓金属单质、液态的镓基合金、或液态的铋基合金。
9.一种微流控系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的液态金属微阀装置。
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