CN115025827B - 一种微阀驱动装置及微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控制技术领域，特别是指一种微阀驱动装置，包括：顶杆，以及一摆动机构，顶杆与摆动机构之间配置一弹片，顶杆的顶部与弹片下表面的第一接触点抵触，摆动机构与弹片上表面的第二接触点抵触，弹片的末端以可旋转的方式固定；当摆动机构摆动时，挤压弹片，使弹片沿第一方向运动，并使弹片挤压顶杆沿第一方向运动；复位机构，复位机构带动顶杆沿第二方向运动，当顶杆向第二方向运动时，挤压弹片，使弹片沿第二方向运动。本发明通过弹片传动，由弹片自身的变形，使顶杆作用在微阀微流道上的阀膜的力得到缓冲，实现微阀驱动自适应的调整顶杆与微膜的挤压力，避免顶杆压力过大导致微膜破损或失效。
Description
技术领域
本发明涉及微流控制技术领域，特别是指一种微阀驱动装置及微流控芯片。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为多学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片具有微型化、集成化、高校、快速、试剂消耗少等优点，被广泛应用于生物医学、疾病诊断、环境监测和保护等领域。
微阀是微流控芯片的关键执行部件，是让芯片通道内流体流动，起到控制限流作用的器件。其作用是实现流体通道的开启、闭合以及流体流向的切换。
根据驱动原理不同，微阀可分为两大类：主动微阀和被动微阀。主动微阀利用驱动器产生的驱动力实现阀的开闭和切换操作。驱动机理包括压电、静电、电磁、形状记忆合金、热气动和气动等。其优点是动作切实可靠，驱动力强，密闭性好。既可用于单向阀，也可用于切换阀。其局限性是整体的系统结构复杂，附加体积较大，制作难度较大。被动微阀不需外力驱动，利用流体本身的方向和压力变化实现开关或切换，体积小，但不能主动进行阀的开关和切换。
微阀的驱动方式众多，包括压电微阀、电磁微阀、热驱动微阀、相变微阀、形状记忆合金微阀、气动微阀、机械式微阀等。由于驱动源的不同，各种微阀的特点也各不相同。
其中，压电微阀使用压电材料驱动阀芯的动作，继承了压电技术的高灵敏度、响应时间短、操作带宽广等特点，可适应多种使用条件。
电磁微阀利用磁力工作，不需要外部电源，仅用磁铁就能实现微阀的开关动作，能耗小；热驱动微阀利用气体的体积受温度影响的原理，通过对微阀气室中气体进行加热或冷却，实现微阀的开合，这种微阀工作性能受温度影响大，需要热源，响应时间长，不适合用于使用条件苛刻且要求快响应的场合。
相变微阀利用石蜡或水凝胶等材料作为工作介质，当改变其温度或其他操作条件时，工作介质的形态发生变化，可实现流体的通断，其成本较低，常常用于生物医学中的检测功能。
气动微阀采用外界对微阀内部的充/放气或气压的控制，实现弹性阀膜的动作，能够实现零泄露和较高的工作压力，且响应速度快，操作简单，在微流控系统中应用中十分常见。但其性能与封装效果有关，通过简化封装步骤和芯片制作过程，气动微阀将会更受欢迎。
机械式微阀通过使用外部机械作用力直接改变阀膜材料的变形，改变微流道中通过液体或气体的流动状态。由于其方便携带、无需外部气源、耗能少，机械式微阀更易与其他部件进行集成，是微阀研究的重要方向之一。
但是，现有技术中机械式微阀在驱动过程中，往往通过滑块或者顶杆直接作用在微阀微流道上的阀膜，由于直接作用在微阀微流道上的阀膜的力难以控制，力度太小难以实现微阀的有效开启和关闭，力度太大极易导致阀膜破损/失效。
由此，微阀除了阀体本身的设计之外，其驱动器的设计也至关重要。驱动器和阀体结合起来，共同实现微流道的控制。因此，动作可靠、体积小巧是对阀体和驱动器的共同要求。
发明内容
为了解决现有技术中机械微阀导致微膜破损或失效的技术问题，本发明的一个实施例提供了一种微阀驱动装置，所述微阀驱动装置包括：
顶杆，以及一摆动机构，
所述顶杆与所述摆动机构之间配置一弹片，
所述顶杆的顶部与所述弹片下表面的第一接触点抵触，所述摆动机构与所述弹片上表面的第二接触点抵触，所述弹片的末端以可旋转的方式固定；
当所述摆动机构摆动时，挤压所述弹片，使所述弹片沿第一方向运动，并使所述弹片挤压所述顶杆沿第一方向运动；
复位机构，所述复位机构带动所述顶杆沿第二方向运动，当所述顶杆向第二方向运动时，挤压所述弹片，使所述弹片沿第二方向运动。
在一些优选的实施例中，所述复位机构为弹簧，当所述顶杆沿第一方向运动时，所述弹簧逐渐处于压缩状态。
在一些优选的实施例中，所述顶杆布置于一内部贯通的底座内，并在所述底座内沿第一方向或第二方向运动。
在一些优选的实施例中，所述摆动机构通过动力机构驱动，实现所述摆动机构摆动。
在一些优选的实施例中，所述摆动机构包括一凸轮，以及配置于所述凸轮边缘处的摆杆；
所述摆杆与弹片上表面的第二接触点抵触；当所述凸轮绕凸轮基圆的圆心转动时，带动所述摆杆做往复运动。
在一些优选的实施例中，所述动力机构包括电机和减速机，所述减速机输出轴与所述凸轮基圆的圆心固定；
所述电机驱动所述减速机输出轴转动，并带动所述凸轮转动。
在一些优选的实施例中，所述微阀驱动装置包括：
光电传感器，用于判断摆动机构的第一极限位置或第二极限位置。
在一些优选的实施例中，所述摆动机构包括一凸轮；
所述光电传感器，采集所述凸轮的凸起部分的位置信息，用于判断摆动机构的第一极限位置或第二极限位置。
本发明的另一个实施例提供了一种微阀驱动装置，所述微阀驱动装置包括：
顶杆，以及一摆动机构，
所述顶杆与所述摆动机构之间配置一弹片，
所述顶杆的顶部与所述弹片下表面的第一接触点抵触，所述摆动机构与所述弹片上表面的第二接触点抵触，所述弹片的末端以可旋转的方式固定；
所述弹片响应所述摆动机构，使所述弹片沿第一方向运动；所述顶杆响应所述弹片，使所述顶杆沿第一方向运动；
复位机构，所述顶杆响应所述复位机构，沿第二方向运动，所述弹片响应所述顶杆，使所述弹片沿第二方向运动。
本发明的再一个实施例提供了一种微流控芯片，所述微流控芯片包括微阀，以及微阀驱动装置。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明提供的微阀驱动装置，在顶杆与摆动机构之间布置一弹片，通过弹片传动，由弹片自身的变形，使顶杆作用在微阀微流道上的阀膜的力得到缓冲，实现微阀驱动自适应的调整顶杆与微膜的挤压力，避免顶杆压力过大导致微膜破损或失效。
本发明提供的微阀驱动装置，通过光电传感器采集摆动机构的位置信息，由摆动机构的第一极限位置和第二极限位置，判定顶杆顶出状态，从而实现微阀控制状态的检测，提高了微阀控制的可靠性。微阀驱动装置结构紧凑，可精确控制微阀的开断状态。
本发明提供的微阀驱动装置，通过步进电机的控制，可以实现用顶杆驱动微膜，从而实现微流控流道的主动导通和截止，具有体积小，驱动简单，工作可靠等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明微阀驱动装置一个实施例的第一轴侧视图；
图2是本发明微阀驱动装置一个实施例的第二轴侧视图；
图3是本发明微阀驱动装置一个实施例中顶杆缩进剖面视图；
图4是本发明微阀驱动装置一个实施例中顶杆顶出剖面视图。
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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示本发明微阀驱动装置一个实施例的第一轴侧视图，图2所示本发明微阀驱动装置一个实施例的第二轴侧视图。根据本发明的实施例，一种微阀驱动装置包括底板1，在底板1上固定底座2。底座2内部为一个贯通的空间，并贯通至底板1。
根据本发明的实施例，微阀驱动装置包括顶杆4，顶杆4布置于底座2内部贯通的空间，并在底座2内沿第一方向(图1中的x方向)或第二方向运动(图1中的y方向)。本实施例中，第一方向为竖直向下的运动的方向，第二方向为竖直向上的运动方向，但并不限于此，在一些实施例中只要能够实现将顶杆顶4出底座2的运动方向即为第一运动方向，将顶杆4缩进底座2的运动方向即为第二运动方向。
根据本发明的实施例，微阀驱动装置还包括固定在底板1上的摆动机构7(图1中虚线框出的机构)，顶杆4与摆动机构7之间配置一弹片6。顶杆4的顶部与弹片6下表面的第一接触点抵触，摆动机构7与弹片6上表面的第二接触点抵触，弹片6的末端以可旋转的方式固定。本实施例中，底座1上固定支架3，支架3上端开设轴孔31，弹片6的末端设置旋转轴61，旋转轴61嵌入到轴孔31内，实现弹片6末端绕旋转轴61转动。
根据本发明的实施例，摆动机构7摆动，当摆动机构7沿第一运动方向摆动时，挤压弹片6，使弹片6沿第一方向运动，并使弹片6挤压顶杆4沿第一方向运动，使顶杆5做顶出行程，顶出底座2和底板1。
根据本发明的实施例，摆动机构7通过动力机构驱动，实现摆动机构7摆动。本实施例中动力机构包括一进步电机8和减速机9，进步电机8驱动减速机9转动，减速机9的输出轴带动摆动机构7做往复运动。
进一步地，根据本发明的实施例摆动机构7包括一凸轮71，以及配置于凸轮71边缘处的摆杆72。摆杆72与弹片6上表面的第一接触点抵触。减速机9的输出轴与凸轮基圆的圆心固定，电机8驱动减速9机输出轴转动，并带动凸轮71转动。当凸轮71绕凸轮基圆的圆心做圆周运动时，带动摆杆72做往复运动。
根据本发明的实施例，微阀驱动装置还包括复位机构5。进一步地，复位机构5为弹簧，当顶杆4沿第一方向运动时，复位机构5(弹簧)逐渐处于压缩状态。
当顶杆4缩回行程时，复位机构5压缩状态被释放，复位机构5带动顶杆4沿第二方向运动。当顶杆4向第二方向运动时，挤压弹片6，使弹片6沿第二方向运动。
根据本发明的实施例，微阀驱动装置包括：光电传感器10，用于判断摆动机构7的第一极限位置或第二极限位置。
进一步地，光电传感器10，采集凸轮7的凸起部分的位置信息，用于判断摆动机构7的第一极限位置或第二极限位置。
更进一步地，本发明的实施例中光电传感器10布置于摆动机构7的正下方，准确采集凸轮7的凸起部分的位置信息。
如图3所示本发明微阀驱动装置一个实施例中顶杆缩进剖面视图，根据本发明的实施例，当摆动机构7处于第一极限位置时，弹片6处于近似水平状态，摆动机构7的摆杆72仅与弹片6上表面第二接触点(图3中的A点)抵触，弹片6不受摆动机构7的摆杆72对弹片6上表面第二接触点的挤压。同时，顶杆4的第一顶部41仅与弹片6下表面的第一接触点(图3中的B点)接触，弹片6也不受顶杆4第一顶部41的挤压。
摆动机构7处于第一极限位置时，顶杆4处于缩进底座2内贯通的空间21内，顶杆4的第二顶部43缩进底板1内的空腔24内，微阀的微膜100处于开启状态，微流通道200畅通。应当理解，底座2内贯通的空间21与板1内的空腔24处于连通的状态。
根据本发明，在进一步优选的实施例中，顶杆4的轴段，位于底板1内的空腔24与底座2内贯通的空间21的贯通的位置，设置一个卡簧23，卡簧嵌入到顶杆4的轴内，并且卡簧23与底板1内的空腔24与底座2内贯通的空间21的贯通的位置的阶梯处抵接，避免顶杆4轴向过度回缩。
摆动机构7处于第一极限位置时，复位机构5(弹簧)处于放松状态，复位机构5的一端与顶杆4的卡接部42仅仅抵触，而不相互挤压。复位机构5的第二端与底座2贯通的空间21内固定的套筒22仅仅抵触，而不相互挤压。
光电传感器10的发射器发射红外光，采集摆动机构7的凸轮71的凸起部分73的位置信息，当判断摆动机构7处于第一极限位置时，向进步电机8发送指令，控制进步电机8停止运行。
当需要对微流控芯片的微流通道200关闭时，进步电机8开始工作(正向转动)，驱动减速机9工作，减速机9的输出轴91转动，带动摆动机构7的凸轮71绕凸轮基圆的圆心转动(图3中a所示的箭头方向)。凸轮71上的摆杆72沿第一方向运动，挤压弹片6的第二接触点，弹片6的末端嵌入到轴孔31内的旋转轴61转动，弹片6沿第一方向运动。弹片6的第一接触点挤压顶杆4的第一顶部41，顶杆4沿第一方向运动，顶杆4的第二顶部43挤压阀膜100，复位机构5逐渐处于压缩状态。
如图4所示本发明微阀驱动装置一个实施例中顶杆顶出剖面视图，根据本发明的实施例，当摆动机构7处于第二极限位置时，弹片6处于倾斜状态，并自身发生弹性弯曲变形，摆动机构7的摆杆72与弹片6上表面第二接触点(图3中的A点)处于挤压状态。同时，顶杆4的第一顶部41与弹片6下表面的第二接触点(图3中的B点)处于挤压状态。
摆动机构7处于第二极限位置时，顶杆4顶出底座2内贯通的空间21，顶杆4的第二顶部43顶出底板1内的空腔24，挤压微阀阀膜100，微阀的微膜100处于闭合状态，微流通道200关闭。
摆动机构7处于第二极限位置时，复位机构5(弹簧)处于压缩状态，复位机构5的一端与顶杆4的卡接部42相互挤压。复位机构5的第二端与底座2贯通的空间21内固定的套筒22相互挤压。
光电传感器10的发射器发射红外光，采集摆动机构7的凸轮71的凸起部分73的位置信息，当判断摆动机构7处于第二极限位置时，向进步电机8发送指令，控制进步电机8停止运行。
当需要对微流控芯片的微流通道200开启时，进步电机8开始工作(反向转动)，驱动减速机9工作，减速机9的输出轴91转动，带动摆动机构7的凸轮71绕凸轮基圆的圆心转动(图4中a所示的箭头方向)。凸轮71上的摆杆72沿第二方向运动，摆杆72对弹片第二触点的挤压逐渐释放。复位机构5开始复位，挤压顶杆4的卡接部42，带动顶杆沿第二方向运动。顶杆4的第一顶部41挤压弹片6的第一接触点，弹片6的末端嵌入到轴孔31内的旋转轴61转动，弹片6沿第二方向运动。
当电传感器10当判断摆动机构7处于第一极限位置时，向进步电机8发送指令，控制进步电机8停止运行，微阀驱动装置恢复到如图3所示的状态。顶杆4处于缩进底座2内贯通的空间21内，顶杆4的第二顶部43缩进底板1内的空腔24内，微阀的微膜100处于开启状态，微流通道200畅通。摆动机构7处于第一极限位置的状态上文已经详细阐述，这里不再赘述。
根据本发的实施了，明提供一种微流控芯片，包括微阀，以及本发明所提供的微阀驱动装置。通过微阀驱动装置驱动微阀的阀膜的开启和闭合。
本发明提供的一种微阀驱动装置，顶杆顶出关闭微阀时，步进电机通过减速机构驱动凸轮，凸轮上的摆杆挤压弹片，弹片挤压顶杆，从而使顶杆顶出，顶杆的第二顶部挤压微阀阀膜，使微阀闭合。
本发明提供的一种微阀驱动装置，凸轮的凸起部分转至光电传感器上方时，光电传感器发出的红外光被反射至接收器件，从而探测到凸轮已转至第二极限位置，从而使步进电机停止转动。
本发明提供的一种微阀驱动装置，顶杆缩回打开微阀时，步进电机反向转动。复位机构将顶杆顶起，顶杆将弹片顶起，弹片随着摆杆的升高逐渐升高，最后达到摆杆的第一极限位置，电机停止转动。
本发明提供的一种微阀驱动装置，顶杆顶出时，若微膜已充分压缩，则弹片通过自身变形，自适应的调整“摆杆与弹片接触点A”、“弹片与顶杆的接触点B”、“弹片末端旋转轴与支架轴孔”3点之间的干涉量，从而避免在微阀上施加过大的力导致微阀失效。
本发明提供的微阀驱动装置，在顶杆与摆动机构之间布置一弹片，通过弹片传动，由弹片自身的变形，使顶杆作用在微阀微流道上的阀膜的力得到缓冲，实现微阀驱动自适应的调整顶杆与微膜的挤压力，避免顶杆压力过大导致微膜破损或失效。
本发明提供的微阀驱动装置，通过光电传感器采集摆动机构的位置信息，由摆动机构的第一极限位置和第二极限位置，判定顶杆顶出状态，从而实现微阀控制状态的检测，提高了微阀控制的可靠性。微阀驱动装置结构紧凑，可精确控制微阀的开断状态。
本发明提供的微阀驱动装置，通过步进电机的控制，可以实现用顶杆驱动微膜，从而实现微流控流道的主动导通和截止，具有体积小，驱动简单，工作可靠等优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (9)
1.一种微阀驱动装置，其特征在于，所述微阀驱动装置包括：
顶杆，以及一摆动机构，
所述顶杆与所述摆动机构之间配置一弹片，
所述顶杆的顶部与所述弹片下表面的第一接触点抵触，所述摆动机构与所述弹片上表面的第二接触点抵触，所述弹片的末端以可旋转的方式固定；
所述摆动机构包括一凸轮，以及配置于所述凸轮边缘处的摆杆；
所述摆杆与弹片上表面的第二接触点抵触；当所述凸轮绕凸轮基圆的圆心转动时，带动所述摆杆做往复运动；
当所述摆动机构摆动时，挤压所述弹片，使所述弹片沿第一方向运动，并使所述弹片挤压所述顶杆沿第一方向运动；
复位机构，所述复位机构带动所述顶杆沿第二方向运动，当所述顶杆向第二方向运动时，挤压所述弹片，使所述弹片沿第二方向运动。
2.根据权利要求1所述的微阀驱动装置，其特征在于，所述复位机构为弹簧，当所述顶杆沿第一方向运动时，所述弹簧逐渐处于压缩状态。
3.根据权利要求2所述的微阀驱动装置，其特征在于，所述顶杆布置于一内部贯通的底座内，并在所述底座内沿第一方向或第二方向运动。
4.根据权利要求1所述的微阀驱动装置，其特征在于，所述摆动机构通过动力机构驱动，实现所述摆动机构摆动。
5.根据权利要求4所述的微阀驱动装置，其特征在于，所述动力机构包括电机和减速机，所述减速机输出轴与所述凸轮基圆的圆心固定；
所述电机驱动所述减速机输出轴转动，并带动所述凸轮转动。
6.根据权利要求1所述的微阀驱动装置，其特征在于，所述微阀驱动装置包括：
光电传感器，用于判断摆动机构的第一极限位置或第二极限位置。
7.根据权利要求6所述的微阀驱动装置，其特征在于，所述光电传感器，采集所述凸轮的凸起部分的位置信息，用于判断摆动机构的第一极限位置或第二极限位置。
8.一种微阀驱动装置，其特征在于，所述微阀驱动装置包括：
顶杆，以及一摆动机构，
所述顶杆与所述摆动机构之间配置一弹片，
所述顶杆的顶部与所述弹片下表面的第一接触点抵触，所述摆动机构与所述弹片上表面的第二接触点抵触，所述弹片的末端以可旋转的方式固定；
所述摆动机构包括一凸轮，以及配置于所述凸轮边缘处的摆杆；
所述摆杆与弹片上表面的第二接触点抵触；当所述凸轮绕凸轮基圆的圆心转动时，带动所述摆杆做往复运动；
所述弹片响应所述摆动机构，使所述弹片沿第一方向运动；所述顶杆响应所述弹片，使所述顶杆沿第一方向运动；
复位机构，所述顶杆响应所述复位机构，沿第二方向运动；所述弹片响应所述顶杆，使所述弹片沿第二方向运动。
9.一种微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括微阀，以及权利要求1至8中任一权利要求所述的微阀驱动装置。
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