CN112240411A - 一种双对称平行薄膜微恒流阀及流量调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双对称平行薄膜微恒流阀及流量调控方法，包括两个上下分开布置的控制流道、两个左右布置的控制流道、流体主流道、窄流道以及四块两两平行的弹性薄膜。四个控制流道的入口均与流体主流道相连通，控制流道的出口均由弹性薄膜封闭且与窄流道隔开。本发明提出的双对称平行薄膜微恒流阀的流量调控原理为利用四块弹性薄膜在控制流道内微流体压力的作用下产生弹性变形，挤压窄流道内的微流体，并改变阀的流阻以实时补偿流体压强的变化，最终实现微流体流量的恒定调控。该阀实现恒定流量调控所需的驱动压强小（<20kPa），输出流量范围广，在药物注射、集成微芯片实验室、便捷式即时检测仪器等领域具有广泛的应用价值。

Description

一种双对称平行薄膜微恒流阀及流量调控方法
技术领域
本发明涉及微流体控制与便捷式即时检测仪器领域，具体涉及一种可用于自动精确调控微流体流量的双对称平行薄膜微恒流阀及流量调控方法。
背景技术
随着微纳制造技术的发展，微流控阀作为微尺度控制元件在结构与化学生物、基因测序、单细胞分析等领域已经发挥了重要的作用。其中，微流控流量调节阀由于能够对流量进行精确调控，满足精密微流体控制的要求，在精确给药系统、核酸检测、细胞分选等领域中有着广泛的应用需求。
现有的微流控流量调节阀主要分为主动流量调节阀和被动流量调节阀。主动流量调节阀主要通过外加控制元件来调节流量，其优势在于流量调控的响应速度快且可以实现复杂的流体控制。然而，由于该阀需要借助外部元件工作，因此会消耗额外的能源且不易于微型化集成。与主动流量调节阀相比，被动流量调节阀的流量调节原理更为简单，它并不需要外界控制激发，仅依赖自身结构随外界驱动源的变化，即可自行进行流量调节，且不消耗额外的能量，因而在集成微型化系统应用中更加有优势。目前已报道的被动流量调节阀按结构可以分为单膜阀和双膜阀。单膜阀利用一层弹性薄膜受流体压力变形改变自身流道流阻来实现流量调控，其达到恒定流量控制所需的阈值压力较高（>50kPa），不易与微型、低压微动力驱动装置（如微泵）集成。双膜阀具有两层弹性薄膜，其实现恒定流量调控所需的阈值压力仅为25kPa。然而，由于绝大多数微动力驱动装置的源压力都在20kPa以内，因此双膜阀也很难满足与微动力驱动装置集成的普遍需求。因此，有必要开发一种具有低阈值压力的微流控流量调节阀以实现其与微动力驱动装置的有效集成，最终为制成低成本、便携式的药物传输系统、微芯片实验室和即时检测仪器提供技术支撑。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双对称平行薄膜微恒流阀及流量调控方法。该阀体积小、易集成、阈值压力低、流量调控范围广，可以满足与绝大多数微动力驱动装置的集成需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：双对称平行薄膜微恒流阀，包括样品入口、样品出口、上控制流道、下控制流道、左控制流道、右控制流道、流体主流道、窄流道、上弹性薄膜、下弹性薄膜、左弹性薄膜以及右弹性薄膜；所述上控制流道、下控制流道、左控制流道、右控制流道和流体主流道的入口均与样品入口相连通；所述上控制流道和下控制流道的末端均封闭；所述窄流道设置在流体主流道的中间；所述流体主流道的出口与样品出口相连通；所述上控制流道和窄流道之间由上弹性薄膜隔开；所述下控制流道和窄流道之间由下弹性薄膜隔开；所述左控制流道、右控制流道流体主流道和窄流道均分布在同一平面上，且左控制流道的末端和窄流道之间由左弹性薄膜隔开，右控制流道的末端和窄流道之间由右弹性薄膜隔开。
优选的，所述窄流道的截面尺寸小于流体主流道的截面尺寸。
优选的，所述上控制流道、下控制流道、左控制流道和右控制流道的末端宽度均小于等于窄流道的长度，且上控制流道和下控制流道的末端上下对齐且宽度相等，左控制流道和右控制流道的末端左右对齐且宽度相等。
优选的，所述上弹性薄膜和下弹性薄膜上下水平对称；所述左弹性薄膜和右弹性薄膜左右垂直对称。
优选的，所述上弹性薄膜、下弹性薄膜、左弹性薄膜以及右弹性薄膜的厚度均为微米级，材质为聚二甲基硅氧烷、硅胶、聚氨酯橡胶等聚合物弹性材料中的一种。
优选的，所述双对称平行薄膜微恒流阀的微流体流量调控范围为1 nl/min至100ml/min。
双对称平行薄膜微恒流阀的流量调控方法：微流体由样品入口流入，分别进入上控制流道、下控制流道、左控制流道、右控制流道、流体主流道和窄流道，并由样品出口流出；进入上控制流道、下控制流道、左控制流道、右控制流道的微流体同时对上弹性薄膜、下弹性薄膜、左弹性薄膜和右弹性薄膜施压；所述上弹性薄膜、下弹性薄膜、左弹性薄膜和右弹性薄膜在流体压力作用下发生弹性变形并挤压窄流道内的微流体，改变流体流阻并实时调控流体流量。当流体压力超过一定阈值时，流阻的变化会补偿压力的变化，最终使阀输出恒定的流体流量。
有益效果：本发明提供的双对称平行薄膜微恒流阀及流量调控方法，相比现有技术，具有以下有益效果：本发明提出的双对称平行薄膜微恒流阀设有四个控制流道同时控制四层两两平行的弹性薄膜，利用弹性薄膜在流体压力作用下同时发生弹性变形并挤压窄流道内的微流体，改变窄流道的截面积，即通过改变阀的流阻来补偿流体压力的变化，从而实现微流体流量的自动、精确调控。相比目前报道的单膜阀和双膜阀，本发明提出的双对称平行薄膜微恒流阀利用四层弹性薄膜同时变形来调节微流体流量，具有更大的压力作用范围，因而可以获得更低的阈值压力，可以满足绝大多数微动力驱动装置低源压强的集成需求。此外，该微阀借鉴了单膜阀和双膜阀的结构特点，设计了空间三维流道结构，因而在设计和制作工艺方面具有更大的灵活性，且制得的微阀的流量调控范围更广（1 nl/min至100ml/min），具有更好的应用前景。
附图说明
图1是双对称平行薄膜微恒流阀的轴测结构示意图；
图2是双对称平行薄膜微恒流阀的俯视结构示意图；
图3是图2中B处的微流道结构放大示意图；
图4是图2中A-A处的剖面结构示意图（弹性薄膜不受压，保持平行）；
图5是图2中A-A处的剖面结构示意图（弹性薄膜受流体压力，发生弹性变形）。
其中，1为样品入口，2为样品出口，3为上控制流道，4为下控制流道，5为左控制流道，6为右控制流道，7为流体主流道,8为窄流道，9为上弹性薄膜，10为下弹性薄膜，11为左弹性薄膜，12为右弹性薄膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
双对称平行薄膜微恒流阀，利用四层两两平行的弹性薄膜受微流体作用产生弹性变形来调节微流体的流阻，并补偿流体压强的变化，以达到精确调节微流体流量的目的。如图1-图4所示，包括样品入口1、样品出口2、上控制流道3、下控制流道4、左控制流道5、右控制流道6、流体主流道7、窄流道8、上弹性薄膜9、下弹性薄膜10、左弹性薄膜11以及右弹性薄膜12；上控制流道3、下控制流道4、左控制流道5、右控制流道6和流体主流道7的入口均与样品入口1相连通；上控制流道3和下控制流道4的末端均封闭；窄流道8设置在流体主流道7的中间；流体主流道7的出口与样品出口2相连通；上控制流道3和窄流道8之间由上弹性薄膜9隔开；下控制流道4和窄流道8之间由下弹性薄膜10隔开；左控制流道5、右控制流道6、流体主流道7和窄流道8均分布在同一平面上，且左控制流道5的末端和窄流道8之间由左弹性薄膜11隔开，右控制流道6的末端和窄流道8之间由右弹性薄膜12隔开。
窄流道8的截面尺寸小于流体主流道7的截面尺寸。
上控制流道3、下控制流道4、左控制流道5和右控制流道6的末端宽度均小于等于窄流道8的长度，且上控制流道3和下控制流道4的末端上下对齐且宽度相等，左控制流道5和右控制流道6的末端左右对齐且宽度相等。
上弹性薄膜9和下弹性薄膜10上下水平对称；左弹性薄膜11和右弹性薄膜12左右垂直对称。
上弹性薄膜9、下弹性薄膜10、左弹性薄膜11以及右弹性薄膜12的厚度均为10微米，材质为聚二甲基硅氧烷，由旋涂液态的聚二甲基硅氧烷的工艺获得，且聚二甲基硅氧烷配比为预聚体与交联体的质量比为20:1。
本实施例中双对称平行薄膜微恒流阀的微流道通过软光刻工艺制作，薄膜变形区域处流道的设计尺寸为100x100x50μm3，设计的阈值压力为15kPa，预设恒定流量为600μl/min。
如图2和图5所示，双对称平行薄膜微恒流阀进行流量调控时，微流体由样品入口1流入，分别进入上控制流道3、下控制流道4、左控制流道5、右控制流道6、流体主流道7和窄流道8；进入上控制流道3、下控制流道4、左控制流道5、右控制流道6的微流体同时对上弹性薄膜9、下弹性薄膜10、左弹性薄膜11和右弹性薄膜12施压，使弹性薄膜流体压力作用下发生弹性变形并挤压窄流道8内的微流体，改变流体流阻，使微阀输出的流量与流体压力开始呈非线性变化。当流体压力超过15kPa时，微阀流阻的变化即可实时补偿流体压力的变化，最终使得微阀始终输出恒定、精确的微流体流量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双对称平行薄膜微恒流阀，其特征在于：包括样品入口（1）、样品出口（2）、上控制流道（3）、下控制流道（4）、左控制流道（5）、右控制流道（6）、流体主流道（7）、窄流道（8）、上弹性薄膜（9）、下弹性薄膜（10）、左弹性薄膜（11）以及右弹性薄膜（12）；所述上控制流道（3）、下控制流道（4）、左控制流道（5）、右控制流道（6）和流体主流道（7）的入口均与样品入口（1）相连通；所述上控制流道（3）和下控制流道（4）的末端均封闭；所述窄流道（8）设置在流体主流道（7）的中间；所述流体主流道（7）的出口与样品出口（2）相连通；所述上控制流道（3）和窄流道（8）之间由上弹性薄膜（9）隔开；所述下控制流道（4）和窄流道（8）之间由下弹性薄膜（10）隔开；所述左控制流道（5）、右控制流道（6）、流体主流道（7）和窄流道（8）均分布在同一平面上，且左控制流道（5）的末端和窄流道（8）之间由左弹性薄膜（11）隔开，右控制流道（6）的末端和窄流道（8）之间由右弹性薄膜（12）隔开。
2.根据权利要求1所述的双对称平行薄膜微恒流阀，其特征在于：所述窄流道（8）的截面尺寸小于流体主流道（7）的截面尺寸。
3.根据权利要求1所述的双对称平行薄膜微恒流阀，其特征在于：所述上控制流道（3）、下控制流道（4）、左控制流道（5）和右控制流道（6）的末端宽度均小于等于窄流道（8）的长度，且上控制流道（3）和下控制流道（4）的末端上下对齐且宽度相等，左控制流道（5）和右控制流道（6）的末端左右对齐且宽度相等。
4.根据权利要求1所述的双对称平行薄膜微恒流阀，其特征在于：所述上弹性薄膜（9）和下弹性薄膜（10）上下水平对称；所述左弹性薄膜（11）和右弹性薄膜（12）左右垂直对称。
5.根据权利要求1所述的双对称平行薄膜微恒流阀，其特征在于：所述上弹性薄膜（9）、下弹性薄膜（10）、左弹性薄膜（11）以及右弹性薄膜（12）的厚度均为微米级，材质为聚二甲基硅氧烷、硅胶、聚氨酯橡胶等聚合物弹性材料中的一种。
6.根据权利要求1所述的双对称平行薄膜微恒流阀，其特征在于：调控的微流体流量范围为1 nl/min至100 ml/min。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的双对称平行薄膜微恒流阀的流量调控方法，其特征在于：微流体由样品入口（1）流入，分别进入上控制流道（3）、下控制流道（4）、左控制流道（5）、右控制流道（6）、流体主流道（7）和窄流道（8），并由样品出口（2）流出；进入上控制流道（3）、下控制流道（4）、左控制流道（5）、右控制流道（6）的微流体同时对上弹性薄膜（9）、下弹性薄膜（10）、左弹性薄膜（11）和右弹性薄膜（12）施压；上弹性薄膜（9）、下弹性薄膜（10）、左弹性薄膜（11）和右弹性薄膜（12）在流体压力作用下发生弹性变形并挤压窄流道（8）内的微流体，改变流体流阻并实时调控流体流量。当流体压力超过一定阈值时，流阻的变化会补偿压力的变化，最终使阀输出恒定的流体流量。
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CN114251531A (zh) * 2021-12-21 2022-03-29 华中科技大学 一种流体连接管及其应用

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