CN111692400A - 一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片的流量流速的微阀 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片流量调节的微阀，其包括包括驱动模块和传感调节模块以及流量调节方法。其驱动模块包括保温腔、电磁加热器、空腔层等，用来为微阀提供动力源。传感调节模块主要包括温度薄膜传感器、压电薄膜以及PDMS薄膜等，用来检测温度是否达到标准以及流量是否达到预期。两个模块通过彼此间的配合来实现调节微流控芯片通道的流量大小以及开关。使用温度作为动力源，通过温度薄膜传感器的反馈精准控制动力的大小，最后通过压电薄膜反馈是否达到要求。本发明所设计的微流控芯片流量调节的微阀具有体积小、控制精度高，灵敏度高，可实时反馈等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片的流量流速的微阀。
背景技术
微流控芯片(Microfluidicchip)是指通过微加工技术(MEMS)、注塑技术及其它加工方法将一个生物、化学实验室的基本功能微缩到一块只有几平方厘米大的芯片上面，一般由微通道形成网络，用可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。微流控芯片是通过控制不同流体在单一微通道或微通道网络中流动以集成样品制备、反应、分离、检测等一系列过程的一种技术平台，其分析检测过程的微型化、集成化、快速化以及低成本、少试剂、高通量等特点使其在在分析化学、环境学及生物学等多个领域得到广泛应用。
传统的微流控芯片采用可动部件控制的微流控阀门，结构复杂，加工工艺繁琐，仪器设备要求较高并且在工作时不能精准的控制流量大小，容易出现微流道里的液体泄露。在具体的应用方面，有些实验室虽然经过各种简单或复杂的程序可以提供可靠的流体样品测试，但是都无法实时显示控制效果。基于压电薄膜反馈控制微流控芯片使用实体阀门，体积更小并采用PDMS薄膜成本更低，传感器调节模块有温度薄膜传感器使控制更为精准，在工作时几乎无液体泄漏，实验结果的反馈与响应也更加迅速。
发明内容
本发明设计出具有体积小、控制精度高，灵敏度高，可实时反馈等优点的一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片的流量流速的微阀。用来调节微流控芯片的流量大小、控制流量通断。
为实现上述目的，本发明采用如下方案，一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片流量流速的微阀，包括驱动模块和传感调节模块。驱动模块由保温腔1、加热器2、空腔层3组成；传感调节模块有温度薄膜传感器4、压电薄膜5以及PDMS薄膜6组成。
初始状态时，阀门完全打开，通过电磁加热器使空腔层内部温度逐渐升高，其内部空气受热膨胀增加空腔层内部压强，对空腔层下方的压电薄膜以及PDMS薄膜产生压力使之变形，减小微流控芯片通道横截面积进而减小微流控芯片通道的流量。在停止加热以后，温度逐渐降低，空腔层内部的压强逐渐减少，PDMS薄膜逐渐恢复。
温度薄膜传感器和压电薄膜能更好的及时反馈某一时刻的流量大小，并且能够通过调节温度精确的调节微流道截面积的大小，能够有效的控制微流道的流量大小以及闭合。
一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片的流量流速的微阀，其特征在于，一种调节微流道流量大小及闭合的方法，其过程如下：
通过电磁加热器对空腔层进行加热，当温度足够高时空腔层内部压强：
其中：RG是气体常数；ΔT是空腔层内温度变化量；ΔV是空腔层内体积变化量；V0是空腔层内初始体积；vmol是常温常压下的气体摩尔体积；p0是空腔层内初始压强；P是空腔层内压强。
PDMS薄膜产生的形变为：
其中:t是膜片厚度；l是沟道宽度；VM是泊松比；EM是弹性模量；P是空腔层内部压强；ω是膜片挠度。
通过压电薄膜反馈的电压为：
其中：ω是膜片挠度；t1是压电体的厚度；LP是压电体的长度；d31是压电模量；c为常数(c＝0.37)。
流量的大小为：
Q＝vS
其中：Q是流量大小；v是流速；S是通道截面面积。
本发明的设计具有体积小、控制精度高，灵敏度高，可实时反馈等优点，适用于玻璃芯片的圆形截面沟道。
附图说明
图1为本发明实施例中微阀结构示意图
具体实施方式
本发明包括驱动模块和传感调节模块。驱动模块由保温腔1、加热器2、空腔层3组成；传感调节模块有温度薄膜传感器4、压电薄膜5以及PDMS薄膜6组成。
打开电磁加热器，对空腔层进行加热，为了保证精确达到所需温度，在空腔层下方是一个无线无源温度薄膜传感器，对温度进行实时监测，防止出现故障，不能精确控制动力源。
在温度薄膜传感器下方是一层压电薄膜，通过压电薄膜反馈回来的电压来找到微流控芯片通道的截面面积之间的线性关系，依此来计算出微流控芯片通道的流量。
通过温度薄膜传感器和压电薄膜的实时反馈，能够有效的，灵敏的并且可实时反馈的调节微流控通道的流量大小。
首先，通过加热器对空层层进行加热，使其内部压强增大，压强大小为：
其中：RG是气体常数；ΔT是空腔层内温度变化量；ΔV是空腔层内体积变化量；V0是空腔层内初始体积；vmol是常温常压下的气体摩尔体积；p0是空腔层内初始压强；P是空腔层内压强。
其次，空腔层内部压强变化，会使PDMS薄膜的挠度发生变化，挠度的大小为：
其中:t是膜片厚度；l是沟道宽度；VM是泊松比；EM是弹性模量；P是空腔层内部压强；ω是膜片挠度。
改变微流控芯片通道截面积，其中，减小的截面面积大小为：
流量的大小为：
Q＝vS
其中：Q是流量大小；v是流速；
S＝St-Sa
其中，St为微流控芯片通道初始截面面积。
根据压电薄膜反馈的电压，当实际流量与所需流量不符时，通过调节温度来改变通道的截面面积。
Claims (3)
1.一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片流量流速的微阀，其特征在于：将PDMS、压电薄膜、玻璃集成一体，使用温度作为动力源，密封腔内的空气作为介质，调节PDMS薄膜的变形量，以改变微流控芯片通道的横截面积，具有体积小、控制精度高，灵敏度高，可实时反馈等优点。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片流量流速的微阀，其特征在于，包括驱动模块和传感调节模块。驱动模块由保温腔1、加热器2、空腔层3组成；传感调节模块包括温度薄膜传感器4、压电薄膜5以及PDMS薄膜6组成。初始状态时，阀门完全打开，通过电磁加热器使空腔层内部温度逐渐升高，其内部空气受热膨胀增加空腔层内部压强，对空腔层下方的压电薄膜以及PDMS薄膜产生压力使之变形，减小微流控芯片通道横截面积进而减小微流控芯片通道的流量。在停止加热以后，温度逐渐降低，空腔层内部的压强逐渐减少，PDMS薄膜逐渐恢复。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜反馈控制微流控芯片流量流速的微阀，其特征在于，流量调节及其压电薄膜反馈方式如下：
通过电磁加热器对空腔层进行加热，当温度足够高时空腔层内部压强：
其中：RG是气体常数；ΔT是空腔层内温度变化量；ΔV是空腔层内体积变化量；V0是空腔层内初始体积；vmol是常温常压下的气体摩尔体积；p0是空腔层内初始压强；P是空腔层内压强。PDMS薄膜产生的形变为：
其中：t是膜片厚度；l是沟道宽度；VM是泊松比；EM是弹性模量；P是空腔层内部压强；ω是膜片挠度。通过压电薄膜反馈的电压为：
其中：ω是膜片挠度；t1是压电体的厚度；LP是压电体的长度；d31是压电模量；c为常数(c＝0.37)。流量的大小为：
Q＝vS
其中：Q是流量大小；v是流速；S是通道横截面积。根据压电薄膜反馈的电压，当实际流量与所需流量不符时，通过调节温度来改变通道的截面面积。
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