CN113251207B - 一种基于pdms材料的气动梭阀及控制方法 - Google Patents

一种基于pdms材料的气动梭阀及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于PDMS材料的气动梭阀及控制方法，属于微流控技术领域，本发明为解决了现有气动逻辑元件在微流控技术上不适用的问题。本发明包括阀体、PDMS薄膜和基底，PDMS薄膜夹持在阀体和基底之间；阀体内设置气体流道，基底内设置控制腔，气体流道与控制腔之间通过PDMS薄膜的通孔连通；通过控制PDMS薄膜的变形实现气动梭阀阀口的开闭。单向气动梭阀的控制方法为：当某一个气体流道进气口有气压输入或两个气体流道进气口同时有气体输入时，气体流道出气口输出气体，气动梭阀实现气动回路中逻辑或门的功能。

Description

一种基于PDMS材料的气动梭阀及控制方法
技术领域
本发明涉及一种可用于微流控芯片的微型气动逻辑元件，属于微流控技术领域。
背景技术
基于PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基氧烷)的气动微流控芯片已广泛的应用在生物、化学分析、软体机器人等行业，目前主要是以节流元件的形式存在，目前直接使用PDMS材料加工的气动微阀，可以与其他气压微流控阀组成气动回路，从而减小气压传动系统及控制系统的体积，降低系统成本，并使得批量生产更加容易实现。
随着微加工技术、材料学、光学仪器等科学技术的发展，微型阀作为微量流体控制元件在化学、生物、基因测序、单细胞分析以及机器人等领域发挥了重要作用。其中，气动逻辑元件作为气动回路中重要的组成元件，微型气动梭阀拓展微流控芯片的应用范围。
在众多的微阀中，当前最重要的一种微阀是基于多层软光刻工艺制备的PDMS弹性微阀。Mosadegh及其合作者发明了一种基于PDMS材料的单向阀，这种基于PDMS材料的单向阀，是将在分别刻有微流体通道和微流体控制腔的两块玻璃之间夹一层的PDMS薄膜来实现的。这种微阀仅实现了单向阀的功能，只允许微流体单向流动，而目前少有能够作为气动逻辑元件使用的基于PDMS材料的弹性微阀出现，设计一种气动梭阀的结构可以使微流控技术得到更加广泛的应用。
发明内容
本发明目的是为了解决了现有气动逻辑元件在微流控技术上不适用的问题，提供了一种基于PDMS材料的气动梭阀及控制方法。
本发明所述一种基于PDMS材料的气动梭阀，包括阀体1、PDMS薄膜2和基底3，PDMS薄膜2夹持在阀体1和基底3之间；阀体1内设置气体流道，基底3内设置控制腔，气体流道与控制腔之间通过PDMS薄膜2的通孔2-1连通；通过控制PDMS薄膜的变形实现气动梭阀阀口的开闭。
优选地，阀体1的下表面开设有气体流道1-2、两个气体流道进气口1-1和气体流道出气口1-3；沿x向开设的气体流道1-2两端各设置一个x轴走向的气体流道进气口1-1，气体流道1-2与两个气体流道进气口1-1之间通过凸块1-4隔开，气体流道1-2中部与y轴走向的气体流道出气口1-3连通。
优选地，凸块1-4的下表面与阀体1的下表面平齐。
优选地，基底3的上表面开设有两个控制腔3-1，两个x轴走向的控制腔3-1对称设置，每个控制腔3-1与上方的一个气体流道进气口1-1及气体流道1-2的一部分的位置上下对应。
优选地，两个控制腔3-1相邻边为内侧边，所述控制腔3-1的内侧边不跨越气体流道出气口1-3所占x轴位置的边界。
优选地，PDMS薄膜2上对称开设两个贯穿的通孔2-1，每个通孔2-1同时与上方的气体流道1-2和下方的一个控制腔3-1连通，通孔2-1在x轴上位置界于与其连通的控制腔3-1内侧边和同侧的凸块1-4之间。
优选地，PDMS薄膜2的通孔2-1为圆形孔。
优选地，控制腔3-1为向上开口的凹槽，气体流道1-2、两个气体流道进气口1-1和气体流道出气口1-3均为向下开口的凹槽，所述凹槽的底角为直拐角或弧形拐角。
优选地，控制腔3-1的y向宽度、气体流道1-2的y向宽度和气体流道进气口1-1的y向宽度相等；PDMS薄膜2的通孔2-1直径与控制腔3-1的y向宽度相等。
提供另一个技术方案：单向气动梭阀的控制方法，该方法基于所述一种基于PDMS材料的气动梭阀实现，该方法为：
当某一个气体流道进气口1-1有气压输入或两个气体流道进气口1-1同时有气体输入时，气体流道出气口1-3输出气体，气动梭阀实现气动回路中逻辑或门的功能，具体为：
当一个气体流道进气口1-1有气体输入时，输入的气体压力作用在PDMS薄膜2上，PDMS薄膜2在压力作用下向下变形，与同侧的凸块1-4之间产生空隙，使该气体流道进气口1-1与气体流道1-2连通，进入气体流道1-2的大部分气体从气体流道出气口1-3流出；同时进入气体流道1-2的小部分气体通过PDMS薄膜2上对侧的通孔2-1进入对侧的控制腔3-1中，气体形成的对PDMS薄膜2向上压力使得PDMS薄膜2与对侧的凸块1-4贴合，进而将对侧的气体流道进气口1-1关闭；
当两个气体流道进气口1-1同时有气体输入时，同侧输入的气体压力使PDMS薄膜2向下变形，与同侧的凸块1-4之间产生空隙，使得两个气体流道进气口1-1都与气体流道1-2连通，两个气体流道进气口1-1输入的气体都进入气体流道1-2，并通过气体流道出气口1-3流出；
当两个气体流道进气口1-1都没气体输入时，气体流道出气口1-3不输出气体。
本发明的有益效果：与传统的气动梭阀相比，本发明提出的梭阀体积小、结构简单，加工制造容易，填补了基于多层软光刻工艺制备的PDMS弹性微阀在实现气动逻辑元件功能上的空缺。实现了微型的气动逻辑元件，能够实现对气压信号的逻辑判断，达到气动逻辑或门的效果，可实现气压传动回路的集成；本发明提出的微阀实现了气动逻辑或门的功能，即一个或两个入口有压力输入时，出口输出气压，增加了弹性微阀的种类。
附图说明
图1是本发明所述一种基于PDMS材料的气动梭阀的三维结构示意图，俯视轴测图；
图2是所述一种基于PDMS材料的气动梭阀的平面结构剖视图；
图3是本发明所述一种基于PDMS材料的气动梭阀的三维结构示意图，仰视轴测图；
图4是阀体的三维结构示意图；
图5是一侧输入气体的工作原理立体图；
图6是一侧输入气体的工作原理平面图。
图中A、B分别代表两个气体流道进气口，O代表气体流道出气口。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种基于PDMS材料的气动梭阀，包括阀体1、PDMS薄膜2和基底3，PDMS薄膜2夹持在阀体1和基底3之间；阀体1内设置气体流道，基底3内设置控制腔，气体流道与控制腔之间通过PDMS薄膜2的通孔2-1连通；通过控制PDMS薄膜的变形实现气动梭阀阀口的开闭。
阀体1的下表面开设有气体流道1-2、两个气体流道进气口1-1和气体流道出气口1-3；沿x向开设的气体流道1-2两端各设置一个x轴走向的气体流道进气口1-1，气体流道1-2与两个气体流道进气口1-1之间通过凸块1-4隔开，气体流道1-2中部与y轴走向的气体流道出气口1-3连通。
凸块1-4的下表面与阀体1的下表面平齐。
基底3的上表面开设有两个控制腔3-1，两个x轴走向的控制腔3-1对称设置，每个控制腔3-1与上方的一个气体流道进气口1-1及气体流道1-2的一部分的位置上下对应。
两个控制腔3-1相邻边为内侧边，所述控制腔3-1的内侧边不跨越气体流道出气口1-3所占x轴位置的边界。
PDMS薄膜2上对称开设两个贯穿的通孔2-1，每个通孔2-1同时与上方的气体流道1-2和下方的一个控制腔3-1连通，通孔2-1在x轴上位置界于与其连通的控制腔3-1内侧边和同侧的凸块1-4之间。
PDMS薄膜2的通孔2-1为圆形孔。
控制腔3-1为向上开口的凹槽，气体流道1-2、两个气体流道进气口1-1和气体流道出气口1-3均为向下开口的凹槽，所述凹槽的底角为直拐角或弧形拐角。
控制腔3-1的y向宽度、气体流道1-2的y向宽度和气体流道进气口1-1的y向宽度相等；PDMS薄膜2的通孔2-1直径与控制腔3-1的y向宽度相等。
工作原理如下：
发明中所述的气动梭阀通过PDMS薄膜变形来实现阀口开闭。所述的PDMS薄膜2是具有高弹性的可变形薄膜，阀体1上的气体流道1-2由两侧的凸块1-4将气体流道进气口1-1和气体流道出气口1-3隔开。当A口有气压输入时，压力作用在PDMS薄膜2上，使得A口侧通过2-1之前的薄膜变形，PDMS薄膜2与A口侧的凸块1-4形成上下间隙，气体从A口进入气体流道1-2中，大部分气体会从出口O输出；同时还有小部分气体通过PDMS薄膜2上的B口侧的通孔2-1进入B口侧的控制腔3-1中，腔内气体对PDMS薄膜2形成向上压力，该向上压力作用到薄膜上后使得PDMS薄膜2与B口侧凸块1-4紧密贴合，则B口与气体流道1-2不连通，B口处于关闭状态，以免B口流出气体导致微阀错误输出。
当A、B两个入口同时有气压输入时，压力作用在PDMS薄膜2上，使得两侧A、B都与气体流道2连通，两侧入口输入的气体都从出口O输出。
只有当A、B两个入口都没气压输入时，出口O才不会输出气压。
具体实施方式二：本实施方式所述单向气动梭阀的控制方法，该方法基于实施方式一所述一种基于PDMS材料的气动梭阀实现，该方法为：
当某一个气体流道进气口1-1有气压输入或两个气体流道进气口1-1同时有气体输入时，气体流道出气口1-3输出气体，气动梭阀实现气动回路中逻辑或门的功能，具体为：
当一个气体流道进气口1-1有气体输入时，输入的气体压力作用在PDMS薄膜2上，PDMS薄膜2在压力作用下向下变形，与同侧的凸块1-4之间产生空隙，使该气体流道进气口1-1与气体流道1-2连通，进入气体流道1-2的大部分气体从气体流道出气口1-3流出；同时进入气体流道1-2的小部分气体通过PDMS薄膜2上对侧的通孔2-1进入对侧的控制腔3-1中，气体形成的对PDMS薄膜2向上压力使得PDMS薄膜2与对侧的凸块1-4贴合，进而将对侧的气体流道进气口1-1关闭；
当两个气体流道进气口1-1同时有气体输入时，同侧输入的气体压力使PDMS薄膜2向下变形，与同侧的凸块1-4之间产生空隙，使得两个气体流道进气口1-1都与气体流道1-2连通，两个气体流道进气口1-1输入的气体都进入气体流道1-2，并通过气体流道出气口1-3流出；
当两个气体流道进气口1-1都没气体输入时，气体流道出气口1-3不输出气体。

Claims (6)

1.一种基于PDMS材料的气动梭阀，其特征在于，包括阀体（1）、PDMS薄膜（2）和基底（3），PDMS薄膜（2）夹持在阀体（1）和基底（3）之间；阀体（1）内设置气体流道，基底（3）内设置控制腔，气体流道与控制腔之间通过PDMS薄膜（2）的通孔（2-1）连通；通过控制PDMS薄膜的变形实现气动梭阀阀口的开闭；
阀体（1）的下表面开设有气体流道（1-2）、两个气体流道进气口（1-1）和气体流道出气口（1-3）；沿x轴走向开设的气体流道（1-2）两端各设置一个x轴走向的气体流道进气口（1-1），气体流道（1-2）与两个气体流道进气口（1-1）之间通过凸块（1-4）隔开，气体流道（1-2）中部与y轴走向的气体流道出气口（1-3）连通；
基底（3）的上表面开设有两个控制腔（3-1），两个x轴走向的控制腔（3-1）对称设置，每个控制腔（3-1）与上方的一个气体流道进气口（1-1）及气体流道（1-2）的一部分的位置上下对应；两个控制腔（3-1）相邻边为内侧边，所述控制腔（3-1）的内侧边不跨越气体流道出气口（1-3）所占x轴位置的边界；
PDMS薄膜（2）上对称开设两个贯穿的通孔（2-1），每个通孔（2-1）同时与上方的气体流道（1-2）和下方的一个控制腔（3-1）连通，通孔（2-1）在x轴上位置界于与其连通的控制腔（3-1）内侧边和同侧的凸块（1-4）之间。
2.根据权利要求1所述一种基于PDMS材料的气动梭阀，其特征在于，凸块（1-4）的下表面与阀体（1）的下表面平齐。
3.根据权利要求1所述一种基于PDMS材料的气动梭阀，其特征在于，PDMS薄膜（2）的通孔（2-1）为圆形孔。
4.根据权利要求3所述一种基于PDMS材料的气动梭阀，其特征在于，控制腔（3-1）为向上开口的凹槽，气体流道（1-2）、两个气体流道进气口（1-1）和气体流道出气口（1-3）均为向下开口的凹槽，所述凹槽的底角为直拐角或弧形拐角。
5.根据权利要求4所述一种基于PDMS材料的气动梭阀，其特征在于，控制腔（3-1）的y轴走向宽度、气体流道（1-2）的y轴走向宽度和气体流道进气口（1-1）的y轴走向宽度相等；PDMS薄膜（2）的通孔（2-1）直径与控制腔（3-1）的y轴走向宽度相等。
6.单向气动梭阀的控制方法，该方法基于权利要求5所述一种基于PDMS材料的气动梭阀实现，其特征在于，该方法为：
当某一个气体流道进气口（1-1）有气压输入或两个气体流道进气口（1-1）同时有气体输入时，气体流道出气口（1-3）输出气体，气动梭阀实现气动回路中逻辑或门的功能，具体为：
当一个气体流道进气口（1-1）有气体输入时，输入的气体压力作用在PDMS薄膜（2）上，PDMS薄膜（2）在压力作用下向下变形，与同侧的凸块（1-4）之间产生空隙，使该气体流道进气口（1-1）与气体流道（1-2）连通，进入气体流道（1-2）的大部分气体从气体流道出气口（1-3）流出；同时进入气体流道（1-2）的小部分气体通过PDMS薄膜（2）上对侧的通孔（2-1）进入对侧的控制腔（3-1）中，气体形成的对PDMS薄膜（2）向上压力使得PDMS薄膜（2）与对侧的凸块（1-4）贴合，进而将对侧的气体流道进气口（1-1）关闭；
当两个气体流道进气口（1-1）同时有气体输入时，同侧输入的气体压力使PDMS薄膜（2）向下变形，与同侧的凸块（1-4）之间产生空隙，使得两个气体流道进气口（1-1）都与气体流道（1-2）连通，两个气体流道进气口（1-1）输入的气体都进入气体流道（1-2），并通过气体流道出气口（1-3）流出；
当两个气体流道进气口（1-1）都没气体输入时，气体流道出气口（1-3）不输出气体。
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