CN110985693B - 一种便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，属于微流控芯片领域。本发明包括集成多路并行微阀的运行程序的控制板和两端带有特定的弧度与圆角的多个阀杆；控制板表面加工了多个并行的具有特定弧度与深度的凹槽作为阀杆滑道，所述阀杆滑道结构按对应阀杆的控制流程设计、控制对应阀杆的运行状态。阀杆在滑道中随控制板的移动而上下运动并挤压弹性微通道，从而改变通道的开闭状态，实现可编程的并行流体控制。本发明微阀装置能够使整个微流体控制过程在可编程、高同步、多并行状态下自动完成，且性能可靠、功能易于扩展和集成，装置便携性好、成本低、实用性强，有利于进一步构建实时现场微流体控制系统，有广泛的应用前景。

Description

一种便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置
技术领域
本发明属于微流控芯片领域，具体涉及一种便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置。
背景技术
微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到皮升)的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。因为具有微型化、集成化等特征，微流控系统通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室(Lab on a Chip)。微流控的重要特征之一是流体在微尺度环境下具有独特的性质，如层流和液滴等。借助这些独特的流体现象，微流控可以实现一系列常规方法难以完成的流体操作和控制，因而被认为在生物医学研究中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。微流体控制是微流控芯片实验室的操作核心，芯片实验室中所涉及的进样、混合、反应、分离、检测等过程都需在可控的流体中完成。微型阀是微流控系统的主要部件之一，它可使流体按既定程序流动。按微阀的结构，根据有无驱动力可分为有源阀和无源阀。有源阀是利用致动器产生的致动力实现阀的开闭或切换操作，致动机理有很多，包括压电、静电、电磁、形状记忆合金、热气动和气动等。目前的有源微阀在多通道并行控制时需要较多的机械、电子结构或气压、真空等外源设备，导致微阀系统结构复杂，设计、加工难度大、成本高，不利于芯片实验室的小型化和便携化，且较多的机械结构也降低了微阀控制的可靠性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，该装置尤其适用于需要程序控制的多流路多状态并行控制，并具有较好的可靠性和便携性，可满足不同的微流体控制需求，且适应不同的应用环境。
本发明提供了一种便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，包括集成多路并行微阀的运行程序的控制板，控制板周围半包裹设有微阀支架，微阀支架内设有控制板轨道，控制板与控制板驱动电机连接，控制板驱动电机可驱动控制板在控制板轨道上滑动，与控制板平行设置微流控芯片，靠近微流控芯片一侧的控制板的表面设有阀杆滑道，阀杆滑道为弧形凹槽，微流控芯片内设有流体微通道，流体微通道靠近控制板一侧设有阀杆，阀杆两端为圆滑状，一端与靠近流体微通道一侧的微流控芯片接触，阀杆另一端穿过微阀支架与设有阀杆滑道一侧的控制板接触，流体微通道靠近控制板一侧的微流控芯片具有弹性，控制板运动使阀杆接触控制板一端完全滑入阀杆滑道时具有弹性侧的微流控芯片不发生形变；控制板运动使阀杆接触控制板一端完全离开阀杆滑道时，具有弹性侧的微流控芯片形变最大。
进一步地，上述技术方案中，阀杆完全滑入阀杆滑道时与阀杆滑道完全契合。
进一步地，上述技术方案中，阀杆支架上还设有配合阀杆使用的阀杆通孔，使阀杆在阀杆通孔中上下运动。
进一步地，上述技术方案中，所述驱动电机为一维步进电机。
进一步地，上述技术方案中，控制板上可设置多个阀杆滑道，阀杆滑道的数量与阀杆数量相同。
进一步地，上述技术方案中，阀杆滑道的走向与控制板的运动方向一致。
使用时，阀杆两端分别与控制板上的阀杆滑道的一侧与流体微通道靠近控制板一侧的微流控芯片接触，阀杆在阀杆滑道中随控制板的移动而上下运动并挤压弹性微通道，从而改变通道的开闭状态。正由于控制板的水平移动和阀杆的上下运动是相关的，且移动阻力较小，所以在移动控制板的过程中，所有的阀杆将会同时在各自的滑道中上下运动，并相互独立的更改对应流体微通道的开闭状态，这个状态可包括全开、全闭以及任意的中间状态，由此实现可编程的并行流体控制。
与常规微阀控制装置相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用平板挤压式微阀结构，通过控制板的移动和机械传动的方式，即可实现可编程的并行流体控制，方法简便、性能可靠，且易于并行扩展和进一步集成。
2、本发明将多流路微阀控制程序直接集成至同一控制板上，使多流路控制只需一个电机即可完成，降低了控制电路和机械结构的复杂程度，进一步提高了微阀系统的可靠性、便携性和对复杂电磁环境的适应性，同时降低成本、增强实用性。
附图说明
图1是便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置的单个阀结构示意图；
图2是可编程并行流体控制平板挤压微阀的控制原理示意图；
图3是微流控芯片截面示意图；
图4是集成了三路微阀的运行程序的控制板结构示意图；
图中：1.控制板；11.阀杆滑道；2.控制板驱动电机；3.微阀支架；31.控制板轨道；32.阀杆通孔；4.阀杆；5.微流控芯片；51.流体微通道。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。本发明所述微阀装置的示意图中，结构尺寸均未标注，主要体现本装置的结构构造，实际生产使用过程中，可以根据需要调整结构比例和尺寸。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
图1是便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置的单个阀结构示意图，由图1所示，本发明包括控制板1，控制板1周围半包裹设有微阀支架3，微阀支架3内设有控制板轨道31，控制板1与控制板驱动电机2连接，控制板驱动电机2可驱动控制板1在控制板轨道31上滑动，与控制板1平行设置微流控芯片5，控制板1靠近微流控芯片5一侧表面设有阀杆滑道11，阀杆滑道11为弧形凹槽，微流控芯片5内设有流体微通道51，流体微通道51靠近控制板1一侧设有阀杆4，阀杆4两端为圆滑状，一端与流体微通道51靠近控制板1一侧的微流控芯片5接触，阀杆4另一端穿过微阀支架3与控制板1设有阀杆滑道11一侧接触，流体微通道51靠近控制板1一侧的微流控芯片5具有弹性。控制板1运动使阀杆4接触控制板1一端完全滑入阀杆滑道11时具有弹性侧的微流控芯片5不发生形变；控制板1运动使阀杆4接触控制板1一端完全离开阀杆滑道11时，具有弹性侧的微流控芯片5形变最大。
本发明涉及的阀杆4两端分别接触控制板1设有阀杆滑道11的一侧与流体微通道51靠近控制板1一侧的微流控芯片5接触，阀杆4在阀杆滑道11中随控制板1的移动而上下运动并挤压流体微通道51，从而改变流体微通道51的开闭状态。正由于控制板1的水平移动和阀杆4的上下运动是相关的，且移动阻力较小，所以在移动控制板1的过程中，所有的阀杆4将会同时在各自的阀杆滑道11中上下运动，并相互独立的更改对应流体微通道51的开闭状态，这个状态可包括全开、全闭以及任意的中间状态，由此实现可编程的并行流体控制。
实施例2
本发明所述便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置由控制板1、控制板驱动电机2、微阀支架3、阀杆4、微流控芯片5组成。所述控制板1与控制板驱动电机2连接，所述控制板1下表面按照多个并行阀杆的控制流程加工有特定弧度与深度的凹槽，作为阀杆滑道11，阀杆滑道11的走向与控制板1的走向一致；所述控制板1设置于微阀支架3内，所述微阀支架3包括用于固定控制板1的控制板轨道31和固定阀杆4的阀杆通孔32。控制板1控制板轨道31的结构有效契合，使控制板1可在控制板轨道31中按预定方向(阀杆滑道走向)滑动，由控制板驱动电机2带动并以低阻力滑动；阀杆4的两端具有特定的弧度与圆角，其一端和阀杆滑道11的结构有效契合，使阀杆4可在阀杆滑道11中低阻力滑动；阀杆4的另一端和微流控芯片5的弹性微通道51垂直接触，并随着控制板1的移动、按阀杆滑道11的预定结构上下运动，通过挤压微通道而控制其开闭状态，见图2。
其中，本实施例所用控制板1的厚度为5mm，控制板轨道31的高度是7mm；阀杆4的横截面为2mm见方之圆角方形，阀杆滑道11为2.2mm见方之直角方形，其中使用固体石墨粉作为润滑剂；控制板1、阀杆4和微阀支架3采用铜合金制作。
本实施例所用微流控芯片5的微通道结构52采用弹性材料(聚二甲基硅氧烷，PDMS)制作，流体微通道51宽度为100μm，高度为50μm，图3是微流控芯片截面示意图。在具体使用时，需将流体微通道结构以垂直或小于15°紧密接触于阀杆4下，并与控制板1和微阀支架3紧固安装，保持阀杆4的两端分别与流体微通道51和阀杆滑道11对齐。微流控芯片5通道的形状和长度不限，其宽度小于与阀杆4接触的横截面的宽度，深度小于阀杆4上下运动的最大距离。微阀装置安装完成后，启动驱动电机2，按照预定程序运行，即可完成对多通道微流体的操控。
实施例3
图4是集成了三路微阀的运行程序的控制板结构示意图，其中包括三条阀杆滑道。
本实施例中阀杆滑道11的深度为2mm，长度为8mm，两侧弧坡侧剖形状为长轴6mm、短轴4mm之椭圆的四分之一，并经磨床加工出圆角。
在实际使用中，控制板于初始状态时在A侧与阀杆4接触，此时三个通道均处于关闭状态。实验流程开始后，电机驱动控制板2从A侧缓慢向B侧移动，三个阀杆4按照各自滑道的结构上下运动，相应的微流体通道则按照事先编制的程序受控的打开与关闭。具体的，在从A至B移动的过程中，三个通道分别存在四个不同的开闭状态，即分别为关-关-关，关-开-关，开-关-开，关-关-开。在该实施例中，并未穷举所有三个通道的同步控制模式，仅以实际实验所需进行了编程化设计。利用可编程控制板的并行控制，其控制的同步性上可以达到100％；在可靠性上，本微阀装置较传统控制模块减少了机械与电子结构，可明显降低故障率。

Claims (6)

1.一种便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，其特征在于：所述装置设有控制板，控制板周围半包裹设有微阀支架，微阀支架内设有控制板轨道，控制板与控制板驱动电机连接，控制板驱动电机可驱动控制板在控制板轨道上滑动，与控制板平行设置微流控芯片，靠近微流控芯片一侧的控制板的表面设有阀杆滑道，阀杆滑道为弧形凹槽，微流控芯片内设有流体微通道，流体微通道靠近控制板一侧设有阀杆，阀杆两端为圆滑状，一端与靠近流体微通道一侧的微流控芯片接触，阀杆另一端穿过微阀支架与设有阀杆滑道一侧的控制板接触，流体微通道靠近控制板一侧的微流控芯片具有弹性，控制板运动使阀杆接触控制板的一端完全滑入阀杆滑道时具有弹性侧的微流控芯片不发生形变；控制板运动使阀杆接触控制板的一端完全离开阀杆滑道时，具有弹性侧的微流控芯片形变最大。
2.根据权利要求1所述的便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，其特征在于：阀杆完全滑入阀杆滑道时与阀杆滑道完全契合。
3.根据权利要求1所述的便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，其特征在于：阀杆支架上还设有配合阀杆使用的阀杆通孔，使阀杆在阀杆通孔中上下运动。
4.根据权利要求1所述的便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，其特征在于：控制板驱动电机为一维步进电机。
5.根据权利要求1所述的便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，其特征在于：控制板上设置多个阀杆滑道，阀杆滑道的数量与阀杆数量相同。
6.根据权利要求1所述的便携式可编程的并行流体控制平板挤压微阀装置，其特征在于：阀杆滑道的走向与控制板的运动方向一致。
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