CN112492471B - 一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置，包括压电基底，压电基底上表面附着有换能器组，压电基底上表面键合有微流道，换能器组和微流道配合，液滴在微流道内流动，换能器组生成声场，作为虚拟阀门控制微流道内的离散相，实现微流道的启闭；通过控制换能器组控制声场，进而控制微流道内液滴的前进路线；换能器组为聚焦式表面声波叉指换能器，换能器组由一号换能器和二号换能器组成，一号换能器和二号换能器分别开启或关闭，构造出不同的声场；微流道包括主流道，主流道出口端和三条分支流道连接；本发明使用聚焦型表面声波对液滴进行操纵，对离散相具有选择性的特点，与芯片兼容性好，具有反应时间短、可重复使用、阀启闭可控等优点。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片与表面声波技术领域，具体涉及一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置。
背景技术
随着微流控芯片技术的不断发展，微流控芯片在满足提供微纳且洁净的实验环境的同时，也在丰富不同材料、不同性质样品的微纳操纵方式。液滴微流控旨在通过不相容的多相流体构造离散微液滴，作为微流控中的重要组成部分，液滴微流控已经成为了生物、化学、医疗、材料制备应用中的重要实验平台，尤其在细胞培养、化学合成、药物筛选等方面发展尤为迅速。随着微流控应用需求的提升，对于粒子、液滴等的微纳操纵方法也逐渐丰富且成熟，微流道内阀的形式也多种多样。
微阀作为微流控芯片的关键执行部件，对流道内流体及漂浮物起到控制限流作用，实现流道的启闭机流向的切换，它在微流控系统中的作用，像二极管在集成电路中的作用一样，是最重要的部件之一。目前的微阀主要有电磁微阀、机械式微阀、气动微阀、压电微阀、热驱动微阀、形状记忆合金微阀、相变微阀、液体注入式微阀等。
微阀与驱动泵共同组成了微流控系统的控制部分，但是与驱动泵不同，微阀更需要与微流控芯片有很好匹配与集成。由此，不同形式、不同应用的微流控芯片，需要不同种类的微阀来发挥作用。不同的微阀拥有各自的特点，电磁微阀利用磁铁实现启闭流道，机械式微阀则是利用挤压、扭转等动作实现启闭，二者是应用较广的微阀。压电微阀利用压电材料驱动阀的启闭，气动微阀利用气压驱动阀芯启闭，都具有较为优良的灵敏度特性和响应时间；而热驱动微阀与形状记忆合金微阀则因为需要改变温度来缓慢启闭流道，所以控制性能较差。相变微阀与液体注入式微阀适用于特定的生物医学实验中，其中液体注入式微阀原理简单易行。
比较传统的微阀解决方法大多依赖于比较成熟的伺服电机、电磁铁等设备，而大多为柔性结构的微流控芯片流道采用的多为挤压、扭转等机械式阀控方式；而相变阀通常使用比如加热或降温来溶解或固化流道内阻碍物来实现流道启闭，或使用高聚物的固化来阻隔流道。但是这些相变阀通常无法摆脱响应速度慢等劣势。
表面声波作为微流控系统中十分重要的微纳操纵实现方法之一，不需要特定流道结构就能实现流道内流体或粒子的操纵，且过程快速、可控、无伤害。表面声波微流控技术利用流道内不同物质间的声学特性的不同，通过在流道内构造高频的声学势能梯度场或势能阱来对样品进行驱动、排列、富集等操作，由此也被视为声镊的一种形式。
上述的现有技术，大多采用阻隔流道的方法来实现微流道内阀的功能，完全阻隔整个流道而不具有选择性；传统且常用的机械式、电磁、气动微阀虽然依靠不同的动力源，但是基本都是依靠机械式运动、挤压、扭转等实现流道启闭，其他种类微阀则有反应时间长、普适性差等弊端。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置，对连续相分散相具有选择性的特点，与芯片兼容性好，具有反应时间短、可重复使用、阀启闭可控等优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置，包括压电基底1，压电基底1上表面附着有换能器组2，压电基底1上表面键合有微流道3，换能器组2和微流道3配合；液滴5在微流道3内流动，换能器组2生成声场4，作为虚拟阀门控制微流道3内的离散相，实现微流道3的启闭；通过控制换能器组2控制声场4，并进而控制微流道3内的液滴5的前进路线。
所述的换能器组2为聚焦式表面声波叉指换能器，换能器组2由一号换能器2-1和二号换能器2-2组成，一号换能器2-1和二号换能器2-2分别开启或关闭，能够分别开启或关闭一号声场4-1和二号声场4-2；一号换能器2-1和二号换能器2-2同时开启时，构造出由一号声场4-1和二号声场4-2耦合形成的三号声场4-3。
所述的微流道3包括主流道3-1，主流道3-1入口端和液滴生成流道3-2连接，主流道3-1出口端和三条分支流道连接，且一号换能器2-1和二号换能器2-2位于主流道3-1出口端的上下两侧；三条分支流道为一号分支流道3-3、二号分支流道3-4、三号分支流道3-5，其中一号分支流道3-3位于主流道3-1出口端前斜上方，二号分支流道3-4位于主流道3-1出口端正前方，三号分支流道3-5位于主流道3-1出口端前斜下方，一号换能器2-1、二号换能器2-2分别指向三号分支流道3-5、一号分支流道3-3。
一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置的使用方法，包括：液滴5在主流道3-1内前进，前往三条分支流道，换能器组2控制液滴5进入相应的分支流道；当一号换能器2-1和二号换能器2-2都不通电时，没有声场，液滴5会直线前进，进入二号分支流道3-4；当一号换能器2-1通电而二号换能器2-2不通电时，只有一号换能器2-1前方产生一号声场4-1，液滴5会被一号声场4-1阻挡，并继而沿一号声场4-1前往三号分支流道3-5；当一号换能器2-1不通电而二号换能器2-2通电时，只有二号换能器2-2前方产生二号声场4-2，液滴5会沿二号声场4-2前往一号分支流道3-3；当一号换能器2-1和二号换能器2-2都通电时，一号声场4-1和二号声场4-2会耦合形成三号声场4-3，液滴5会被捕获在三号声场4-3前，无法前进；当再次关闭一号换能器2-1和二号换能器2-2时，液滴5会被释放。
本发明的有益效果为：
由于本发明采用的换能器组2是聚焦式表面声波叉指换能器，相比一般的声表面波微流控器件，它不仅能操控粒子、微球等固态分散相，还能对液滴5等液态分散相进行操纵，并且具有反应时间短、可重复使用、阀启闭可控等优点。
由于本发明采用的换能器组2所构造的声学阀是声学虚拟微流控阀门，不具有任何实体，所以具有与芯片兼容性好，对被操纵目标侵害低的特点。
由于本发明采用的换能器组2的一号换能器2-1和二号换能器2-2可以独立控制，并且响应时间十分短，使得一号声场4-1、二号声场4-2、三号声场4-3的转换时间较短，基本可以实现对每个液滴5进行单独的精准控制。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例换能器组2和微流道3的示意图。
图3为本发明实施例只开启一号换能器2-1的示意图。
图4为本发明实施例只开启二号换能器2-2的示意图。
图5为本发明实施例同时开启一号换能器2-1、二号换能器2-2的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1，一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置，包括压电基底1，压电基底1上表面附着有换能器组2，压电基底1上表面键合有微流道3，换能器组2和微流道3配合，液滴5在微流道3内流动，换能器组2生成声场4，作为虚拟阀门控制微流道3内的离散相，实现微流道3的启闭；通过控制换能器组2控制声场4，并进而控制微流道3内液滴5的前进路线。
参照图2、图3、图4和图5，所述的换能器组2为聚焦式表面声波叉指换能器，换能器组2由一号换能器2-1和二号换能器2-2组成，一号换能器2-1和二号换能器2-2分别开启或关闭，能够分别开启或关闭一号声场4-1和二号声场4-2；一号换能器2-1和二号换能器2-2同时开启时，构造出由一号声场4-1和二号声场4-2耦合形成的三号声场4-3。
所述的微流道3包括主流道3-1，主流道3-1入口端和液滴生成流道3-2连接，主流道3-1出口端和三条分支流道连接，且一号换能器2-1和二号换能器2-2位于主流道3-1出口端的上下两侧；三条分支流道为一号分支流道3-3、二号分支流道3-4、三号分支流道3-5，其中一号分支流道3-3位于主流道3-1出口端前斜上方，二号分支流道3-4位于主流道3-1出口端正前方，三号分支流道3-5位于主流道3-1出口端前斜下方，一号换能器2-1、二号换能器2-2分别指向三号分支流道3-5、一号分支流道3-3。
参照图1，一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置的使用方法，包括：液滴5在主流道3-1内前进，前往三条分支流道，换能器组2控制液滴5进入相应的分支流道；参照图2，当一号换能器2-1和二号换能器2-2都不通电时，没有声场，液滴5会直线前进，进入二号分支流道3-4；参照图3，当一号换能器2-1通电而二号换能器2-2不通电时，只有一号换能器2-1前方产生一号声场4-1，液滴5会被一号声场4-1阻挡，并继而沿一号声场4-1前往三号分支流道3-5；参照图4，当一号换能器2-1不通电而二号换能器2-2通电时，只有二号换能器2-2前方产生二号声场4-2，液滴5会沿二号声场4-2前往一号分支流道3-3；参照图5，当一号换能器2-1和二号换能器2-2都通电时，一号声场4-1和二号声场4-2会耦合形成三号声场4-3，液滴5会被捕获在三号声场4-3前，无法前进；当再次关闭一号换能器2-1和二号换能器2-2时，液滴5会被释放。
Claims (1)
1.一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置，其特征在于：包括压电基底(1)，压电基底(1)上表面附着有换能器组(2)，压电基底(1)上表面键合有微流道(3)，换能器组(2)和微流道(3)配合，液滴(5)在微流道(3)内流动，换能器组(2)生成声场(4)，作为虚拟阀门控制微流道(3)内的离散相，实现微流道(3)的启闭；通过控制换能器组(2)控制声场(4)，并进而控制微流道(3)内液滴(5)的前进路线；
所述的换能器组(2)为聚焦式表面声波叉指换能器，换能器组(2)由一号换能器(2-1)和二号换能器(2-2)组成，一号换能器(2-1)和二号换能器(2-2)分别开启或关闭，能够分别开启或关闭一号声场(4-1)和二号声场(4-2)；一号换能器(2-1)和二号换能器(2-2)同时开启时，构造出由一号声场(4-1)和二号声场(4-2)耦合形成的三号声场(4-3)；
所述的微流道(3)包括主流道(3-1)，主流道(3-1)入口端和液滴生成流道(3-2)连接，主流道(3-1)出口端和三条分支流道连接，且一号换能器(2-1)和二号换能器(2-2)位于主流道(3-1)出口端的上下两侧；三条分支流道为一号分支流道(3-3)、二号分支流道(3-4)、三号分支流道(3-5)，其中一号分支流道(3-3)位于主流道(3-1)出口端前斜上方，二号分支流道(3-4)位于主流道(3-1)出口端正前方，三号分支流道(3-5)位于主流道(3-1)出口端前斜下方，一号换能器(2-1)、二号换能器(2-2)分别指向三号分支流道(3-5)、一号分支流道(3-3)；
一种基于微流控和表面声波技术的声学阀装置的使用方法，包括：液滴(5)在主流道(3-1)内前进，前往三条分支流道，换能器组(2)控制液滴(5)进入相应的分支流道；当一号换能器(2-1)和二号换能器(2-2)都不通电时，没有声场，液滴(5)会直线前进，进入二号分支流道(3-4)；当一号换能器(2-1)通电而二号换能器(2-2)不通电时，只有一号换能器(2-1)前方产生一号声场(4-1)，液滴(5)会被一号声场(4-1)阻挡，并继而沿一号声场(4-1)前往三号分支流道(3-5)；当一号换能器(2-1)不通电而二号换能器(2-2)通电时，只有二号换能器(2-2)前方产生二号声场(4-2)，液滴(5)会沿二号声场(4-2)前往一号分支流道(3-3)；当一号换能器(2-1)和二号换能器(2-2)都通电时，一号声场(4-1)和二号声场(4-2)会耦合形成三号声场(4-3)，液滴(5)会被捕获在三号声场(4-3)前，无法前进；当再次关闭一号换能器(2-1)和二号换能器(2-2)时，液滴(5)会被释放。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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