CN113066692B - 温控开关及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控制技术领域，公开了一种温控开关及其制造方法，其中温控开关包括微流道层和封装层，微流道层和封装层均采用柔性材料制成；微流道层设有微流道，封装层用于将低熔点金属封装于微流道内；微流道的两端各设有一个加样口，微流道包括喉部段、两个膨胀段和两个收缩段，加样口依次通过膨胀段和收缩段连接于喉部段。该温控开关基于低熔点金属的热胀冷缩性质实现了对柔性器件的电连通或电断开的控制，同时采用微流控技术制作而成，结构简单，制作方便，便于和柔性器件的集成，提高了柔性器件的集成度和用电的智能化。

Description

温控开关及其制造方法

技术领域

本发明涉及微流控制技术领域，尤其涉及一种温控开关及其制造方法。

背景技术

近年来，柔性器件已经在穿戴式医疗、柔性机器人和疾病诊断等领域得到广泛的应用。柔性器件最显著的特征是，器件在弯曲的状态下仍然能实现基本功能。常见的柔性器件有拉/压应力传感器、弯曲度传感器、温度传感器、葡萄糖浓度监测仪、人体产汗速率检测器等。

通常柔性器件需要电源进行供电来完成通讯、显示、报警等功能。为了保证柔性器件能够随时工作，柔性器件需要和电源一直保持连接。但当柔性器件不需要工作时，电源一直保持供电状态，不仅浪费能源，降低电源的有效供电量，还使得柔性器件一直保持工作状态，缩短器件的寿命以及增加漏电的风险。因此需要在柔性器件中集成一个电开关，来实现柔性器件与电源间的通断。一般柔性器件在使用时所处的环境温度与在非使用状态下所处的环境温度不同，因而使用温控开关控制柔性器件的通断是一个很好的选择，但是现有的温控开关采用的是双金属热敏开关，其利用双金属片各组元层的热膨胀系数不同，当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，进而改变电路通断。但是由于柔性器件本身需要发生弯曲，因而会导致双金属热敏开关的失效，所以亟待开发一种新型的温控开关。

发明内容

本发明实施例提供一种温控开关及其制造方法，用以解决现有的温控开关不适用于柔性器件的问题。

本发明实施例提供一种温控开关，包括微流道层和封装层，所述微流道层和所述封装层均采用柔性材料制成；所述微流道层设有微流道，所述封装层用于将低熔点金属封装于所述微流道内；所述微流道的两端各设有一个加样口，所述微流道包括喉部段、两个膨胀段和两个收缩段，所述加样口依次通过所述膨胀段和所述收缩段连接于所述喉部段。

其中，所述收缩段为阶跃式收缩段或者渐变式收缩段。

其中，所述渐变式收缩段为均匀渐缩段或者弧形渐缩段。

其中，所述喉部段为两个所述渐变式收缩段直接连接时形成的尖点部。

其中，所述微流道位于所述喉部段的两侧的部分分别连接一根导线，所述导线用于连接外部电路。

其中，所述膨胀段为平滑过渡段。

其中，所述微流道层和所述封装层的热膨胀系数均小于所述低熔点金属的热膨胀系数。

其中，所述低熔点金属为镓、铟、镓基合金、铟基合金或铋基合金。

其中，所述微流道层和所述封装层均采用聚二甲基硅氧烷制成。

本发明实施例还提供一种制造如上述所述的温控开关的制造方法，包括：

采用微纳加工技术在微流道层刻出微流道，用打孔器在所述微流道的两端制作加样口；

采用键合技术在所述微流道层的表面粘合封装层，在高于低熔点金属的熔点的温度下，将低熔点金属灌注进所述微流道。

本发明实施例提供的温控开关及其制造方法，其中温控开关包括微流道层和封装层，微流道层和封装层均采用柔性材料，可以适应柔性器件的各种弯曲形变。微流道层设有微流道，封装层将低熔点金属封装于微流道内，微流道的两个加样口之间设有喉部段，加样口依次通过膨胀段和收缩段连接于喉部段。当该温控开关投入使用时，其温度升高至低熔点金属的熔点，低熔点金属由固体融化成液体，体积发生膨胀，喉部段两侧的微流道连通，从而实现电连通，同时由于低熔点金属为液态，因而可以在柔性器件发生弯曲时仍能实现导通功能；当该温控开关停止使用时，其温度低于低熔点金属的熔点时，低熔点金属由液体凝固成固体，体积发生收缩，喉部段出现裂口，从而实现电断开。该温控开关基于低熔点金属的热胀冷缩性质实现了对柔性器件的电连通或电断开的控制，同时采用微流控技术制作而成，结构简单，制作方便，便于和柔性器件的集成，提高了柔性器件的集成度和用电的智能化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种温控开关的结构示意图；

图2是图1中的温控开关的接线示意图；

图3是本发明实施例中的另一种温控开关的结构示意图；

图4是本发明实施例中的又一种温控开关的结构示意图；

附图标记说明：

1、微流道层； 2、封装层； 3、第一加样口；

4、第二加样口； 5、膨胀段； 6、收缩段；

7、喉部段； 8、导线； 9、外部电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

如图1至图2所示，本发明实施例提供的一种温控开关，包括微流道层1和封装层2，微流道层1和封装层2均采用柔性材料制成。微流道层1设有微流道，封装层2用于将低熔点金属封装于微流道内。微流道的两端各设有一个加样口，分别为第一加样口3和第二加样口4。微流道包括喉部段7、两个膨胀段5和两个收缩段6，第一加样口3和第二加样口4依次通过膨胀段5和收缩段6连接于喉部段7。位于喉部段7两侧的膨胀段5和收缩段6的形状可以对称，也可以不对称。本实施例主要以左右两侧对称为例进行说明。

具体地，微流道层1和封装层2采用柔性基底，可以满足柔性电子器件的要求，其具有柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质。更具体地，可以采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，简称PVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate，简称PET)、聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate，简称PEN)等。其中PDMS是被广泛认可的柔性材料，它的优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等。尤其在紫外光下粘附区和非粘附区分明的特性使其表面可以很容易地粘附电子材料。PET虽然转化温度低，约70～80℃之间，但是PET价格低廉，光穿透性佳，是透明导电膜性价比很高的材料。PI具有耐高温、耐低温、耐化性与良好电气特性的优点，是柔性电子基底中十分具有潜力的材料。

微流道层1设有微流道，封装层2用于将低熔点金属封装于微流道内。低熔点金属可通过灌注的方式直接被注射进微流道内并稳定成型。更具体地，低熔点金属可以为熔点在300℃以下的金属单质或者多元金属合金，多元金属合金的熔点会根据配比的不同从而导致熔点不同，可以根据不同的使用需求选择不同的低熔点金属。

如图1和图2所示，微流道的两端分别设有第一加样口3和第二加样口4，通过微流道将第一加样口3和第二加样口4连通起来，可以从任一个加样口中灌注低熔点金属。微流道从左至右依次为第一加样口3、左侧的膨胀段5、左侧的收缩段6、喉部段7、右侧的收缩段6、右侧的膨胀段5、第二加样口4。整个微流道在喉部段7形成了一个收口，因而当低熔点金属发生相变收缩时，会首先在喉部段7处断裂。当该温控开关停止使用时，其温度低于低熔点金属的熔点时，低熔点金属由液体凝固成固体，体积发生收缩，喉部段出现裂口，从而实现电断开；当该温控开关投入使用时，其温度升高至低熔点金属的熔点，低熔点金属由固体融化成液体，体积发生膨胀，喉部段两侧的微流道连通，从而实现电连通。

本实施例提供的一种温控开关，包括微流道层和封装层，微流道层和封装层均采用柔性材料，可以适应柔性器件的各种弯曲形变。微流道层设有微流道，封装层将低熔点金属封装于微流道内，微流道的两个加样口之间设有喉部段，加样口依次通过膨胀段和收缩段连接于喉部段。当该温控开关投入使用时，其温度升高至低熔点金属的熔点，低熔点金属由固体融化成液体，体积发生膨胀，喉部段两侧的微流道连通，从而实现电连通，同时由于低熔点金属为液态，因而可以在柔性器件发生弯曲时仍能实现导通功能；当该温控开关停止使用时，其温度低于低熔点金属的熔点时，低熔点金属由液体凝固成固体，体积发生收缩，喉部段出现裂口，从而实现电断开。该温控开关基于低熔点金属的热胀冷缩性质实现了对柔性器件的电连通或电断开的控制，同时采用微流控技术制作而成，结构简单，制作方便，便于和柔性器件的集成，提高了柔性器件的集成度和用电的智能化。

进一步地，如图2至图3所示，收缩段6为阶跃式收缩段或者渐变式收缩段。如图3所示，收缩段6为阶跃式收缩段。具体地，收缩段6为矩形，收缩段6的一端连接于膨胀段5的末端(即远离加样口的一端)，微流道在该处的宽度最大，自该处起收缩段6的宽度一直维持着最大值向喉部段7延伸，直至与喉部段7接触时收缩段6的宽度急剧收缩至与喉部段7的宽度相同，喉部段7的右端的形状为一斜率为90°的直线，形成阶跃式收缩段，进一步地提高收缩段6和喉部段7的尺寸突变程度，可加快低熔点金属因体积收缩而发生断裂的速率，提高温控开关对温度的响应速度。

如图2所示，收缩段6为渐变式收缩段，更具体地，为弧形渐缩段，弧形渐缩段可以为椭圆弧或者圆弧或者双曲线弧等各种弧形。收缩段6连接膨胀段5的一端的宽度要远大于喉部段7的宽度，且收缩段6的宽度收缩率(即单位长度上的宽度变化大小)越靠近喉部段7时越大，因而在两者之间存在尺寸突变。当液体低熔点金属凝固成固态，体积发生收缩时，该结构可增强低熔点合金在收缩段的断裂程度，保证电器件完全实现电断开。此外，渐变式收缩段还可以为均匀渐缩段，即收缩段6的外缘为直线，直线的斜率在45°～90°之间(不包含90°)。

更进一步地，如图4所示，喉部段7为两个渐变式收缩段直接连接时形成的尖点部，此时喉部段7的长度为0。尖点是曲线上瞬间改变方向的一个点。当液态低熔点金属凝固成固态，体积发生收缩时，低熔点金属直接在两个收缩段6的连接处发生断裂。该结构实现了尺寸突变程度的最大化，可使温控开关的性能最优化。

更进一步地，如图2至图4所示，膨胀段5为平滑过渡段，避免发生尺寸的突变，防止低熔点金属在膨胀段5与加样口之间的区域发生断裂。

进一步地，如图2所示，微流道位于喉部段7的两侧的部分分别连接一根导线8，导线8用于连接外部电路9，导线8远离微流道的一端可以伸出封装层2。通过设置导线8，便于实现温控开关与外部电路9之间的连接，实现柔性电子器件的通断。

进一步地，如图2至图4所示，膨胀段5的宽度与收缩段6连接处的宽度是喉部段7的宽度的3倍或者3倍以上。为了增加低熔点金属在喉部段7因体积收缩发生断裂的程度，收缩段6与喉部段7之间存在尺寸突变，例如收缩段6的最大宽度是喉部段7的宽度的10倍。

进一步地，微流道层1和封装层2的热膨胀系数均小于低熔点金属的热膨胀系数。当使用环境温度升高时，虽然微流道层1和封装层2的体积也会随温度的升高而变大，但由于其热膨胀系数小于低熔点金属，低熔点金属仍会填充满喉部段7的间隙，从而实现电连通；同样地，热膨胀系数大的材料，在冷却过程中收缩率也高，因而当使用环境温度降低时，低熔点金属也会在喉部段7实现断裂。

更进一步地，低熔点金属为镓、铟、镓基合金、铟基合金或铋基合金。具体地，可以采用熔点为29.8℃的镓单质镓、Ga₆₈In₂₀Sn₁₂的熔点小于-10℃,Ga₆₈In₂₀的熔点为16℃。

在一个具体的实施例中，低熔点金属为镓，微流道层1和封装层2的材料为PDMS。镓的热膨胀系数为0.00012/k以及熔点为29.8℃。PDMS的热膨胀系数为3.1×10^-6/k。当环境温度低于29.8℃时，在微流道内镓呈固态，并在喉部段7断开。当环境温度升高至29.8℃以上时，固态镓会融化成液体的，同时体积变大。虽然PDMS的体积也会随着温度的升高而变大，但由于它的热膨胀系数小于镓的，液体镓会填充满喉部段7的间隙，从而实现了电连通。

温控开关的工作原理是：室温下(25℃)，液体镓凝固成固态，且体积发生收缩而变小，并在喉部段7发生断裂，使得外部电路9断开。当温度升高至29.8℃以上时，例如佩戴在人体上时，固态镓融化成液体，且其体积发生膨胀，并填充满在喉部段7的裂口，从而实现了外部电路9的电连通，启动柔性电子器件。若环境温度发生循环变化，该温控开关可以快速地自动完成断裂与连通的循环。

本发明实施例还提供一种制造如上述所述的温控开关的制造方法，包括：

采用微纳加工技术，例如采用软光刻制作工艺，在微流道层1刻出微流道，用打孔器在微流道的两端制作加样口。

采用键合技术，例如等离子体键合技术，在微流道层1的表面粘合封装层2，完成微流道层和封装层的永久性粘合。然后在高于低熔点金属的熔点的温度下，将低熔点金属灌注进微流道，可以采用注射器将低熔点金属注入微流道内。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的温控开关及其制造方法，其中温控开关包括微流道层和封装层，微流道层和封装层均采用柔性材料，可以适应柔性器件的各种弯曲形变。微流道层设有微流道，封装层将低熔点金属封装于微流道内，微流道的两个加样口之间设有喉部段，加样口依次通过膨胀段和收缩段连接于喉部段。当该温控开关投入使用时，其温度升高至低熔点金属的熔点，低熔点金属由固体融化成液体，体积发生膨胀，喉部段两侧的微流道连通，从而实现电连通，同时由于低熔点金属为液态，因而可以在柔性器件发生弯曲时仍能实现导通功能；当该温控开关停止使用时，其温度低于低熔点金属的熔点时，低熔点金属由液体凝固成固体，体积发生收缩，喉部段出现裂口，从而实现电断开。该温控开关基于低熔点金属的热胀冷缩性质实现了对柔性器件的电连通或电断开的控制，同时采用微流控技术制作而成，结构简单，制作方便，便于和柔性器件的集成，提高了柔性器件的集成度和用电的智能化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种温控开关，其特征在于，包括微流道层和封装层，所述微流道层和所述封装层均采用柔性材料制成；所述微流道层设有微流道，所述封装层用于将低熔点金属封装于所述微流道内；所述微流道的两端各设有一个加样口，所述微流道包括喉部段、两个膨胀段和两个收缩段，所述加样口依次通过所述膨胀段和所述收缩段连接于所述喉部段；当该温控开关停止使用时，其温度低于低熔点金属的熔点时，喉部段出现裂口，从而实现电断开；当该温控开关投入使用时，其温度升高至低熔点金属的熔点，喉部段两侧的微流道连通，从而实现电连通。

2.根据权利要求1所述的温控开关，其特征在于，所述收缩段为阶跃式收缩段或者渐变式收缩段。

3.根据权利要求2所述的温控开关，其特征在于，所述渐变式收缩段为均匀渐缩段或者弧形渐缩段。

4.根据权利要求2所述的温控开关，其特征在于，所述喉部段为两个所述渐变式收缩段直接连接时形成的尖点部。

5.根据权利要求1所述的温控开关，其特征在于，所述微流道位于所述喉部段的两侧的部分分别连接一根导线，所述导线用于连接外部电路。

6.根据权利要求1所述的温控开关，其特征在于，所述膨胀段为平滑过渡段。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的温控开关，其特征在于，所述微流道层和所述封装层的热膨胀系数均小于所述低熔点金属的热膨胀系数。

8.根据权利要求7所述的温控开关，其特征在于，所述低熔点金属为镓、铟、镓基合金、铟基合金或铋基合金。

9.根据权利要求7所述的温控开关，其特征在于，所述微流道层和所述封装层均采用聚二甲基硅氧烷制成。

10.一种制造如权利要求1至9中任一项所述的温控开关的制造方法，其特征在于，包括：

采用微纳加工技术在微流道层刻出微流道，用打孔器在所述微流道的两端制作加样口；

采用键合技术在所述微流道层的表面粘合封装层，在高于低熔点金属的熔点的温度下，将低熔点金属灌注进所述微流道。

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