CN111120728B - 一种单向阀及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单向阀及其制备方法，所述单向阀包括依次堆叠的第一基片层、中间层、第二基片层，其中：所述第一基片层，设置有第一开口；所述中间层，设置有单向阀体，所述单向阀体包括活塞柱结构以及被所述活塞柱结构间隔的流道，所述活塞柱结构通过活塞弹性膜片与所述中间层相连接；所述第二基片层，设置有第二开口，所述第二开口可与所述流道连通；所述活塞弹性膜片具有预应力变形。本发明的单向阀具有如下优点：(1)可以主动防止流体回流，具有响应快，流控精度高等特点；(2)结构紧凑简单、易加工、体积尺寸小，制造成本低，可大批量生产；(3)通过控制活塞柱下表面与阀体下表面高度差，来预设阀门开启阈值，可满足更多应用场景。

Description

一种单向阀及其制备方法

技术领域

本发明属于微流控设备领域，具体涉及一种基于MEMS微细加工技术的微型单向阀组件及其制备方法。

背景技术

近年来，微泵、微流控分析芯片等一直在积极推动着医疗微流体系统的研究。其中，微流控分析芯片是最大限度地将采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体的微型全分析系统(μ-TAS)，是新世纪分析科学、微机电加工、生命科学、化学合成、分析仪器及环境科学等许多领域的重要发展前沿。而微阀是微流控分析芯片的关键组件，是微流控分析芯片内流体流向控制的核心。

目前，微型单向阀的流向控制多为“被动开合”结构，通过利用流体推动阀门，使阀门打开或闭合来控制流体流向。此类微型单向阀无法预设阀门开启阈值，且不能主动关闭阀门实现高精度流向控制。

此外，现有技术的微型单向阀多采用机械加工来制备，具有体积大、成本高、组装困难、难以大批量加工的缺点。

发明内容

针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种具有主动防止流体回流功能，可预设阀门开启阈值，且易于大批量制造的MEMS微型单向阀。其具体方案如下：

一种单向阀，所述单向阀包括依次堆叠的第一基片层、中间层、第二基片层，其中：

所述第一基片层，设置有第一开口；

所述中间层，设置有单向阀体，所述单向阀体包括活塞柱结构以及被所述活塞柱结构间隔的流道，所述活塞柱结构通过活塞弹性膜片与所述中间层相连接；

所述第二基片层，设置有第二开口，所述第二开口可与所述流道连通；所述活塞弹性膜片具有预应力变形。

优选地，所述活塞柱与所述第二基片层接触的下表面包括凸起部，所述凸起部凸出所述中间层的下表面。

优选地，所述第二基片层与所述活塞柱接触的上表面包括凸台结构，所述凸台结构凸出所述第二基片层的上表面。

优选地，所述活塞柱结构的下表面外径大于所述第二开口的尺寸。

优选地，所述活塞柱结构的下表面的外径大于所述活塞柱结构与流道接触部分的内径。

本发明还提出一种单向阀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择中间层；

刻蚀所述中间层的第一表面，形成所述单向阀的第一表面结构；所述单向阀的第一表面结构包括活塞柱结构以及被所述活塞柱结构间隔的流道，所述活塞柱结构通过活塞弹性膜片与所述中间层相连接；

刻蚀所述中间层与所述第一表面相对的第二表面，从所述第二表面刻蚀流道结构；

释放所述活塞弹性膜结构；

选择第一基片层以及第二基片层，分别在所述第一基片层以及所述第二基片层相应的位置打孔，形成所述单向阀的进出口；

组装所述第一基片层、所述中间层、所述第二基片层，组装过程中在所述活塞弹性膜结构中形成预应力以控制所述单向阀的开启。

优选地，所述组装过程中在所述活塞弹性膜结构中形成预应力以控制所述单向阀的开启包括形成所述单向阀活塞柱结构的下表面与所述中间层的下表面的高度差或者在所述第二基片层的与所述中间层贴合的表面形成凸台结构。

优选地，所述刻蚀包括湿法刻蚀或者干法刻蚀。

优选地，所述组装包括键合或者粘接工艺。

优选地，所述活塞柱结构的下表面外径大于所述第二基片层中打孔的尺寸。

本发明提出了一种可以提供阀门开启阈值的微流控单向阀组件，相比于现有技术，本发明所提出的单向阀具有如下优点：

(1)可以主动防止流体回流，具有响应快，流控精度高等特点。

(2)结构紧凑简单、易加工、体积尺寸小，制造成本低，可大批量生产。

(3)通过控制活塞柱下表面与阀体下表面高度差，来预设阀门开启阈值，可满足更多应用场景。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的单向阀结构的爆炸图；

图2为本发明其中一实施例的单向阀结构的俯视图；

图3为本发明图2的A-A剖面图；

图4位本发明其中一实施例的单向阀中间层下表面结构示意图；

图5为本发明其中一实施例单向阀结构高度差与开启阈值关系示意图；

图6为本发明其中一实施例第二基片层形成凸台结构示意图；

图7(a)为本发明其中一实施例的单向阀制备工艺步骤a示意图；

图7(b)为本发明其中一实施例的单向阀制备工艺步骤b示意图；

图7(c)为本发明其中一实施例的单向阀制备工艺步骤c示意图；

图7(d)为本发明其中一实施例的单向阀制备工艺步骤d示意图；

图7(e)为本发明其中一实施例的单向阀制备工艺步骤e示意图；

图7(f)为本发明其中一实施例的单向阀制备工艺步骤f示意图；

图8为本发明其中一实施例形成单向阀开启阈值的另一种方式的示意图；

图9为本发明其中一实施例批量加工阵列示意图。

图中，1为第一基片层、2为中间层、3为第二基片层、4为流体出口、5为流体进口、6为阀体结构、601为活塞柱、602为流体流道、603为弹性膜片结构、602a为第一流道、602b为第二流道、601a为活塞柱下表面凸缘结构、601b为活塞柱下表面凸起部、301为第二基片层的上表面凸台结构。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明其中一实施例提出一种单向阀结构，该单向阀主要包括依次堆叠的三层结构，参见图1，从上而下，依次为第一基片层1、中间层2、第二基片层3，其中第一基片层1、中间层2、第二基片层3例如通过键合或者胶粘连接密封成一体。

参见图1-2，在第一基片层1中设置有单向阀流体出口4，在第二基片层3中设置有单向阀流体进口5，在中间层2中设置有阀体结构6，其中阀体结构6包括活塞柱601，围绕活塞柱601间隔设置的流体流道602，活塞柱601通过弹性膜片结构603与中间层2相连接。

参见图3，中间层2的上表面与第一基片层1相连接密封，中间层2的下表面与第二基片层3相连接密封；其中活塞柱601的下表面的外径大于第二基片3中流体进口5内径尺寸，即活塞柱601的下表面包括凸缘部601a,如此，使得在未开启单向阀时，活塞柱601利用下表面凸缘部601a能够闭合流体进口5。

为了形成单向阀的开启阈值，本实施例主要是利用活塞柱601下表面与所在中间层的下表面的高度差来形成，具体地，参见图4，活塞柱601的下表面凸出中间层2的下表面，形成凸起部601b，由此，当第二基片3与中间层2紧贴密封时，第二基片3压紧活塞柱601并推动弹性膜片结构603变形，从而提供预应力控制单向阀开启阈值。具体地，以弹性膜片结构603厚30μm、宽300μm*230μm为例，在膜片尺寸不变时，高度差0.55μm时、开启阈值40kPa，高度差1.04μm时、开启阈值75kPa，高度差2μm时、开启阈值145kPa，且高度差在6μm内基本为线性正相关，如图5所示。

此外，在其他的实施方式中，为了形成弹性膜片结构603的变形，以提供控制单向阀开启阈值的预应力，还可以将第二基片层3与活塞柱601接触的内表面加工成凸台结构301，如图6所示。通过控制加工凸台结构301的高度来控制单向阀的开启阈值，当第二基片层3与中间层2紧贴连接时，由于第二基片层3的凸台301压紧活塞柱601的下表面，第二基片层3推动弹性膜片结构603变形提供预应力从而控制单向阀开启阈值；在相同条件下，凸台结构的高度与单向阀开启阈值的关系同样满足图5所示的线性关系。

当流体流至单向阀入口阀口时，单向阀活塞下台面凸缘部601a受到流体压力,流体压力小于单向阀开始阈值时，单向阀闭合，流路不通；流体压力大于单向阀开启阈值，流体推动活塞柱601，单向阀打开，流道导通；当单向阀正向流体停止流入时，活塞下台面凸缘部601a在弹性膜片结构603预应力作用下主动压紧第二基片层3，流路关闭；当流体由单向阀出口流入时，活塞柱601受流体压力，活塞下台面凸缘部601a压紧第二基片3，流路关闭。

在本发明中，第一基片层1、第二基片层3的材质例如包括玻璃或者其它可以与中间层2粘接的材料构成，其它材料比如是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧树脂等高分子材料等；中间层2的材质例如为硅材料。

实施例2

在本实施例中，提供一种针对实施例1的单向阀的制备方法，具体包括以下步骤：

选择中间层2的适用材质，例如为硅片，对硅片第一表面进行表面清洗处理，如图7(a)所示。

刻蚀中间层2的第一表面，形成第一凹槽201；如图7(b)所示。

分别从中间层2的第一凹槽201区域继续向着中间层2与第一表面相对的第二表面方向刻蚀，形成第二凹槽区域202，如图7(c)所示；

从中间层2的第二表面向着第一表面刻蚀，形成环形结构602，释放弹性膜结构603；环形结构602围绕活塞柱601形成流道结构，包括第一流道结构602a以及环形结构与第二凹槽区域202贯通、形成第二流道结构602b，如图7(d)所示；

从中间层2的第二表面进行加工，制备出活塞柱601的下表面与中间层的下表面的高度差，即活塞柱结构601的下表面相对于中间层2的下表面更为凸出,具有凸起部601b，如图7(e)所示；

选择第一基片层1以及第二基片层3，在相应的位置打孔，形成单向阀的进口5、出口4；其中第一基片层1以及第二基片层3的材质例如为玻璃或者其它可以与中间层2键合或者粘接的材料。

通过键合工艺将第一基片1、第二基片3与中间层硅片2对准键合，即形成在第一基片1中的出口4、形成在第二基片3中的进口5、与形成在中间层2中的活塞柱601相对应地完成单向阀组装，如图7(f)所示。

在本发明的其它实施例中，也可以不在活塞柱601的下表面与中间层2的下表面制造高度差，而在第二基片3的上表面与活塞柱601贴紧密封的位置制备凸台结构301，如图6所示，由此，当第二基片3与中间层贴紧密封时，利用凸台结构301使得弹性膜结构603形成预应力。该实施例的制备方法其它步骤与实施例2相同，安装完成的单向阀结构如图8所示。

本发明所提出的单向阀可以在单个硅片上实现批量生产，如图9所示，单个硅片上可实现批量生产，利用划片切割释放单个单向阀组件，例如单个单向阀尺寸不大于长2mm×宽2mm×厚1.5mm。

本发明提出了一种可以提供阀门开启阈值的微流控单向阀组件，相比于现有技术，本发明所提出的单向阀具有如下优点：

(1)可以主动防止流体回流，具有响应快，流控精度高等特点。

(2)结构紧凑简单、易加工、体积尺寸小，制造成本低，可大批量生产。

(3)通过控制活塞柱下台面与阀体2下台面高度差，来预设阀门开启阈值，可满足更多应用场景。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单向阀，其特征在于，所述单向阀包括依次堆叠的第一基片层、中间层、第二基片层，其中：

所述第一基片层，设置有第一开口；

所述中间层，设置有单向阀体，所述单向阀体包括活塞柱结构以及被所述活塞柱结构间隔的流道，所述活塞柱结构通过活塞弹性膜片与所述中间层相连接，所述单向阀体经刻蚀所述中间层形成；

所述第二基片层，设置有第二开口，所述第二开口可与所述流道连通；

所述活塞弹性膜片具有预应力变形；

所述单向阀活塞柱结构的下表面与所述中间层的下表面的具有高度差。

2.根据权利要求1所述的单向阀，其特征在于，所述活塞柱与所述第二基片层接触的下表面包括凸起部，所述凸起部凸出所述中间层的下表面。

3.根据权利要求1所述的单向阀，其特征在于，所述第二基片层与所述活塞柱接触的上表面包括凸台结构，所述凸台结构凸出所述第二基片层的上表面。

4.根据权利要求1所述的单向阀，其特征在于，所述活塞柱结构的下表面外径大于所述第二开口的尺寸。

5.根据权利要求1或4所述的单向阀，其特征在于，所述活塞柱结构的下表面的外径大于所述活塞柱结构与流道接触部分的内径。

6.一种单向阀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择中间层；

刻蚀所述中间层的第一表面，形成所述单向阀的第一表面结构；

所述单向阀的第一表面结构包括活塞柱结构以及被所述活塞柱结构间隔的流道，所述活塞柱结构通过活塞弹性膜片与所述中间层相连接；

刻蚀所述中间层与所述第一表面相对的第二表面，从所述第二表面刻蚀流道结构；

释放所述活塞弹性膜结构；

选择第一基片层以及第二基片层，分别在所述第一基片层以及所述第二基片层相应的位置打孔，形成所述单向阀的进出口；

组装所述第一基片层、所述中间层、所述第二基片层，组装过程中在所述活塞弹性膜结构中形成预应力以控制所述单向阀的开启；

还包括划片步骤，所述划片步骤切割释放单个单向阀组件。

7.根据权利要求6所述的单向阀的制备方法，其特征在于，所述组装过程中在所述活塞弹性膜结构中形成预应力以控制所述单向阀的开启包括形成所述单向阀活塞柱结构的下表面与所述中间层的下表面的高度差或者在所述第二基片层的与所述中间层贴合的表面形成凸台结构。

8.根据权利要求6所述的单向阀的制备方法，其特征在于，所述刻蚀包括湿法刻蚀或者干法刻蚀。

9.根据权利要求6所述的单向阀的制备方法，其特征在于，所述组装包括键合或者粘接工艺。

10.根据权利要求6所述的单向阀的制备方法，其特征在于，所述活塞柱结构的下表面外径大于所述第二基片层中打孔的尺寸。

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