CN113280187A - 一种基于pdms材料的常闭式气动压力开关 - Google Patents
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Abstract
一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，属于微流控技术领域，具体涉及一种气动压力开关阀。解决了现有基于PDMS的微阀都需要通过外接控制气压，限制了基于PDMS微阀的使用范围及集成度的问题。本发明的PDMS薄膜设置在阀体和基底之间；阀体、PDMS薄膜和基底的形状相同；阀体侧面的中心开设有第一凹槽，所述阀体的中心固定有出气筒，所述阀体的中心还开有圆形通孔，所述圆形通孔与出气筒的固定端对应；出气筒的自由端高出阀体的底面；阀体的底面还开有第一气体流道，基底的顶面中心开有第二凹槽，基底的顶面还开有沿第二凹槽边缘向相对两侧延伸至基底边缘的第二气体流道。本发明适用于微流控技术领域。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种气动压力开关阀。
背景技术
近年来，随着微加工技术、材料学、光学仪器等科学技术的发展，实现了流体传动及控制的微型化和集成化，微流控芯片已经在军事、机器人、光学仪器等方面得到应用，微流控芯片的目标是将一套完整的回路集成到几平方厘米的芯片上。
当前最重要的一种微阀是Quark课题组发明的基于多层软光刻工艺制备的柔性微阀，提出了利用如PDMS(聚二甲基硅氧烷)等柔性材料来制作微阀，能够实现微阀的结构更加简单便于集成，在该结构中，液体流道处于PDMS薄膜下层流道中，气体控制腔处于PDMS薄膜上层中，这种阀在没有外加气压时处于开启状态，称为常开阀。这种微阀需要外接气源来控制其开闭。
在柔性微阀的基础上，Mathies等人发明了另外一种微阀，这种微阀在PDMS薄膜上层的玻璃刻有特殊的流道，在没有外加气压控制时处于关闭状态，称为常闭阀。这种三明治结构的微阀封接相对简单，但微阀上下两层玻璃片中的流道需采用传统的光刻和湿法蚀刻工艺制作。国内，姜雷等人为改进其制作工艺，发明了另一种基于PDMS的常闭式微阀结构，该结构将微流体流道和气控流道加工在PDMS薄膜上，通过一套模具即可制备微流控芯片，简化了制作工艺。以上几种基于PDMS的微阀都需要通过外接控制气压来控制。限制了基于PDMS微阀的使用范围，阻碍了气动回路的进一步集成。
发明内容
本发明是为了解决现有基于PDMS的微阀都需要通过外接控制装置控制气压，限制了基于PDMS微阀的使用范围及集成度的问题，提出了一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关。
本发明所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，包括阀体、PDMS薄膜和基底；
PDMS薄膜设置在阀体和基底之间；阀体、PDMS薄膜和基底的形状相同；
阀体底面的中心开设有第一凹槽，所述第一凹槽的中心固定有出气筒，所述第一凹槽的中心还开有圆形通孔，所述圆形通孔与出气筒的固定端对应；
出气筒的自由端高出阀体的底面；
阀体的底面还开有第一气体流道，所述第一气体流道由第一凹槽一侧边缘延伸至阀体边缘；
基底的顶面中心开有第二凹槽，
所述第二凹槽与所述第一凹槽相对，基底的顶面还开有沿第二凹槽边缘向相对两侧延伸至基底边缘的第二气体流道。
进一步地，阀体为矩形板或圆形板。
进一步地，第一气体流道的深度与第一凹槽的深度相同。
进一步地，第二气体流道的深度与第二凹槽的深度相同。
进一步地，阀体和基底的厚度相同。
进一步地，PDMS薄膜的厚度为20μm～500μm。
进一步地，第一凹槽和第二凹槽的深度均为0.1mm～1mm。
进一步地，出气筒与阀体为一体结构。
进一步地，出气筒的内径为2mm，外径为3.6mm。
进一步地，第一凹槽和第二凹槽的内径为6mm。
本发明所述微阀结构与传统的气动压力开关相比，体积小、结构简单，可实现气压传动回路的集成；与现有的基于PDMS的弹性微阀相比，不需要外部的压力控制，通过内部的入口压力即可控制出口压力，大大的拓展了微阀的应用领域；本发明提出的微阀，通过改变预紧机构的尺寸，即可改变微阀的开启压力，可以根据需要制作不同开启压力的微阀，有效的增大了使用范围，同时提高了集成度。
附图说明
图1为本发明阀体的三维模型图；
图2为本发明基底的三维模型图；
图3为本发明常闭式压力开关的三维模型图；
图4为本发明常闭式压力开关的剖面示意图；
图5为本发明常闭式压力开关的工作原理图；
图6为本发明常闭式压力开关的尺寸标注图，图中，标注单位为mm。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，包括阀体1、PDMS薄膜2和基底3；
PDMS薄膜2设置在阀体1和基底3之间；阀体1、PDMS薄膜2和基底3的形状相同；
阀体1底面的中心开设有第一凹槽103，所述第一凹槽103的中心固定有出气筒102，所述第一凹槽103的中心还开有圆形通孔，所述圆形通孔与出气筒102的固定端对应；
出气筒102的自由端高出阀体1的底面；
阀体1的底面还开有第一气体流道101，所述第一气体流道101由第一凹槽103一侧边缘延伸至阀体1边缘；
基底3的顶面中心开有第二凹槽301，
所述第二凹槽301与所述第一凹槽103相对，基底3的顶面还开有沿第二凹槽301边缘向相对两侧延伸至基底3边缘的第二气体流道302。
本实施方式所述的第二气体流道302在基底3为矩形时，通常延伸至矩形的相对的两个长边和相对的两个短边。
进一步地，阀体1为矩形板或圆形板。
进一步地，第一气体流道101的深度与第一凹槽103的深度相同，第二气体流道302的深度与第二凹槽301的深度相同。
进一步地，第一凹槽103和第二凹槽301的均为圆形。
进一步地，阀体1和基底3的厚度相同。
进一步地，PDMS薄膜2的厚度为20μm～500μm。
进一步地，第一凹槽103和第二凹槽301的深度均为0.1mm～1mm。
进一步地，出气筒102与阀体1为一体结构。
进一步地，出气筒102的内径为2mm，外径为3.6mm。
进一步地，第一凹槽103和第二凹槽301的内径为6mm。
本发明所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，如图1至图4所示，包括阀体1、PDMS薄膜2和基底3；
所述阀体1上设有预紧机构(出气筒)和气体流道；所述PDMS薄膜4粘结固定在阀体1和基底5之间；所述的PDMS薄膜4为聚二甲基氧烷，是具有高弹性的可变形膜，在入口气压作用下可发生变形形成流道以达到控制压力开关开闭的目的。
如图1所示，发明中所述的常闭式气动压力开关阀体上预紧机构和气体流道的结构。
如图3所示，发明中所述的常闭式气动压力开关阀体、PDMS薄膜和基底的位置和结构布局。
基于PDMS材料的常闭式气动压力开关的工作原理如下：
发明中所述的常闭式气动压力开关通过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性薄膜，阀体1上的出气筒(预紧机构)，使PDMS薄膜2产生一定的预变形量，当从入口输入的气体压力小于设定压力时，作用在PDMS薄膜2上方的压力无法使薄膜产生变形，由于弹性PDMS薄膜2紧贴阀体，气体无法通过，压力开关关闭。
当入口输入的气体压力大于设定值时，作用在PDMS薄膜2上的气体压力，能够克服PDMS薄膜2的初始弹力，使得PDMS薄膜2向下发生变形，与阀体1产生一定的距离，入口气体流道和出口气体流道连通，向外输出气压，压力开关打开。当入口压力减小到小于设定压力值，由于PDMS薄膜的弹性，压力开关恢复到原来的常闭状态。
第二气体流道302的宽度为2mm。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，包括阀体(1)、PDMS薄膜(2)和基底(3)；
PDMS薄膜(2)设置在阀体(1)和基底(3)之间；阀体(1)、PDMS薄膜(2)和基底(3)的形状相同；
阀体(1)底面的中心开设有第一凹槽(103)，所述第一凹槽(103)的中心固定有出气筒(102)，所述第一凹槽(103)的中心还开有圆形通孔，所述圆形通孔与出气筒(102)的固定端对应；
出气筒(102)的自由端高出阀体(1)的底面；
阀体(1)的底面还开有第一气体流道(101)，所述第一气体流道(101)由第一凹槽(103)一侧边缘延伸至阀体(1)边缘；
基底(3)的顶面中心开有第二凹槽(301)，
所述第二凹槽(301)与所述第一凹槽(103)相对，基底(3)的顶面还开有沿第二凹槽(301)边缘向相对两侧延伸至基底(3)边缘的第二气体流道(302)。
2.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，阀体(1)为矩形板或圆形板。
3.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，第一气体流道(101)的深度与第一凹槽(103)的深度相同。
4.根据权利要求3所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，第二气体流道(302)的深度与第二凹槽(301)的深度相同。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，阀体(1)和基底(3)的厚度相同。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，PDMS薄膜(2)的厚度为20μm～500μm。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，第一凹槽(103)和第二凹槽(301)的深度均为0.1mm～1mm。
8.根据权利要求7所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，出气筒(102)与阀体(1)为一体结构。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，出气筒(102)的内径为2mm，外径为3.6mm。
10.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的常闭式气动压力开关，其特征在于，第一凹槽(103)和第二凹槽(301)的内径为6mm。
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