CN115183052A - 一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀及微流控芯片 - Google Patents

一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀及微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀及微流控芯片，属于微流控芯片领域。所述微型阀包括具有一定长度的齿轮轴、滑块组件和支架，所述滑块组件由从动滑块与挤压滑块构成，从动滑块上表面带有齿板；所述齿轮轴与从动滑块通过齿轮啮合方式连接；所述从动滑块的下表面和挤压滑块的上表面具有相对配合的曲面结构。齿轮轴受力转动时，齿啮合结构带动从动滑块水平运功，同时带动从动滑块和挤压滑块之间的曲面结构相互滑动，使挤压滑块进行上下垂直运动，从而更改对应弹性微通道的开闭状态。利用从动滑块结构设计的灵活性和单个齿轮轴控制的并行性，实现灵活组合与集成的流体控制微阀装置，且可靠性高、可扩展性和适应性强。

Description

一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀及微流控 芯片
技术领域
本发明属于微流控芯片领域，具体涉及一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀及微流控芯片。
背景技术
微流控(Microfluidics)是使用微结构(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到皮升)的科学和技术，是一门涉及材料化学、流体物理、微电子和生物医学工程等的新兴交叉学科。微流控的重要特征之一是流体在微尺度环境下具有独特的性质，如层流和表面效应等。借助这些独特的流体现象，微流控系统可以在可控流体中完成常规实验室中所涉及的进样、混合、反应、分离、检测等操作，具有微型化、集成化等特点，也被称为芯片实验室(Lab on a Chip)，被认为在化学和生物医学研究中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。微型阀是微流控系统的主要部件之一，按驱动方式可分为有源阀和无源阀。目前的有源微阀在多通道并行控制时需要较多的机械、电子结构或气压、真空等外源设备，往往只能匹配特定的微流控结构和实验流程，导致微阀系统设计、控制难度大，使用成本高、适应性低，不利于芯片实验室的深入研究和广泛应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀及微流控芯片，可以通过组合不同功能、不同数量的单体微阀结构，实现多通道微流控芯片中任意通道的开或关，进而满足不同的实验需求。所述流体控制挤压式微型阀具有适应性好、可靠性高、便携易用等特点，可满足芯片实验室研究和应用时的多种微流体控制需求和应用环境。
本发明提供了一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，包括驱动件、支架和滑块组件，所述驱动件与所述滑块组件连接，所述滑块组件设置于所述支架内，所述滑块组件与所述支架活动连接，所述驱动件能驱动所述滑块组件运动；
所述滑块组件包括从动滑块和挤压滑块，所述从动滑块与所述驱动件连接，所述从动滑块设置有曲面，所述曲面与所述挤压滑块接触；所述挤压滑块能向靠近或远离所述从动滑块的方向进行上下垂直运动；
所述驱动件带动所述从动滑块水平运动时，所述曲面挤压所述挤压滑块沿着垂直于所述从动滑块的运动方向进行上下运动。
进一步地，上述技术方案中，所述驱动件为齿轮轴，所述支架上设置有通孔，所述齿轮轴置于所述通孔内并可以自由转动，所述从动滑块的远离所述曲面的一侧设置有齿板，所述齿板与所述齿轮轴啮合，所述齿轮轴转动带动所述从动滑块水平运动。
进一步地，上述技术方案中，所述曲面具有不同的结构设计，可以挤压所述挤压滑块(32)产生不同形式的上下垂直运动；所述挤压滑块为柱状，所述挤压滑块与所述曲面接触的表面为弧形滑动表面。
进一步地，上述技术方案中，所述从动滑块与所述挤压滑块之间的摩擦系数小于等于0.002。
进一步地，上述技术方案中，所述支架上设置有固定孔。可以通过固定杆穿过固定孔来固定单体微型阀结构的相对位置，且单个固定杆可以将多个单体微型阀结构并联固定。
进一步地，上述技术方案中，所述驱动件带动所述从动滑块运动挤压所述挤压滑块时，所述挤压滑块凸出于所述支架。
进一步地，上述技术方案中，齿轮轴通过步进电机驱动。
进一步地，上述技术方案中，所述齿轮轴上可以并行连接和同步控制多个单体微型阀，所述单体微型阀包括支架和滑块组件，所述多个单体微型阀通过固定孔采用固定杆进行并联固定。
本发明还提供了一种微流控芯片，包括所述的一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀和带有通道结构的微流控芯片，所述微流控芯片中包括一个或多个微通道，其中微通道层的材质为弹性材质；微通道的位置与挤压滑块的位置相对应；
所述微型阀中的挤压滑块与所述微流控芯片中的微通道层接触，所述挤压滑块能挤压所述微通道层使其发生形变，致所述微通道完全关闭。
具体的，所述微型阀中，齿轮轴受力转动时，齿啮合结构带动从动滑块水平运功，同时带动从动滑块和挤压滑块之间的曲面相互滑动，且滑动阻力较小，将动力通过曲面传递并变向，使挤压滑块上下垂直运动，从而更改对应弹性微通道的开闭状态，这个状态可包括全开、全闭以及任意的中间状态。由于从动滑块的下表面具有不同的曲面结构设计，并控制挤压滑块实现不同形式的上下垂直运动，可以根据不同实验流程中的微型阀控制程序灵活选择从动滑块结构；同时，单个齿轮轴上可以并行连接和同步控制多个单体微型阀，从而可用于多通道微流控芯片的流体控制，单体微型阀的数量与微通道结构的数量匹配，由此实现灵活组合与集成的流体控制微型阀。
与常规微阀相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过多步机械传动的方式，实现单体微阀结构的灵活组合和集成，通过设置驱动件、从动滑块和挤压滑块，使从动滑块运动带动挤压滑块运动，挤压滑块能够用于挤压微流控芯片中的通道，实现通道的关闭。另外，驱动件可以同时连接多个滑块组件，使一个驱动件可以同时控制多个挤压滑块运动，可以根据需要实现不同通道的开启和关闭，解决了现有技术中一个微型阀只能对应特定实验流程的问题，提高了流体控制微阀装置的可靠性、灵活性和可扩展性，降低了流体控制结构的复杂性。
2、本发明采用双滑块设计，使得微阀的开、闭状态均为自稳定状态，具有状态自持性，在失去外部动力时可自主维持原有开、闭状态，提高了流体控制的稳定性。
3、本发明中的微型阀无需借助电子结构、气压或真空等外源设备，使用成本低，利于芯片实验室的广泛研究。
附图说明
图1为可以灵活组合与集成的的流体控制挤压式微型阀的单个阀结构示意图。
图2为滑块组件的结构示意图。
图3为实现微流控芯片中微通道“关”→“开”控制流程的从动滑块结构示意图，其中，(a)为微通道关闭，(b)为微通道开启。
图4为实现微流控芯片中微通道“开”→“关”控制流程的从动滑块结构示意图，其中，(a)为微通道开启，(b)为微通道关闭。
图5为实现微流控芯片中微通道“关”→“开”→“关”控制流程的从动滑块结构示意图，其中，(a)为微通道关闭，(b)为微通道开启，(c)为微通道开启。
图6为三个单体微阀结构并行连接的流体控制挤压式微阀装置结构示意图。
图中：1.齿轮轴；2.支架；21.固定孔；22.通孔；3.滑块组件；31.从动滑块；32.挤压滑块；4.微流控芯片；41.微通道。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。本发明所述微阀装置的示意图中，结构尺寸均未标注，主要体现本装置的结构构造，实际生产使用过程中，可以根据需要调整结构比例和尺寸。
下面结合附图和实例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，包括驱动件、支架2和滑块组件3，所述驱动件与所述滑块组件3连接，所述滑块组件3设置于所述支架2内，所述滑块组件3与所述支架2活动连接，所述驱动件能驱动所述滑块组件3运动；
所述滑块组件3包括从动滑块31和挤压滑块32，所述从动滑块31与所述驱动件连接，所述从动滑块31设置有曲面，所述曲面与所述挤压滑块32接触；所述挤压滑块32能向靠近或远离所述从动滑块31的方向进行上下垂直运动；
所述驱动件带动所述从动滑块31水平运动时，所述曲面挤压所述挤压滑块32沿着垂直于所述从动滑块31的运动方向进行上下运动。
所述驱动件为齿轮轴1，所述支架2上设置有通孔22，所述齿轮轴1置于所述通孔22内并可以自由转动，所述从动滑块31的远离所述曲面的一侧设置有齿板，所述齿板与所述齿轮轴1啮合，所述齿轮轴1转动带动所述从动滑块31水平运动。
所述曲面具有不同的结构设计，可以挤压所述挤压滑块(32)产生不同形式的上下垂直运动；所述挤压滑块32为柱状，所述挤压滑块32与所述曲面接触的表面为弧形滑动表面。
所述从动滑块31与所述挤压滑块32之间的摩擦系数小于等于0.002。
所述支架上设置有固定孔21。
所述驱动件带动所述从动滑块31运动挤压所述挤压滑块32时，所述挤压滑块32凸出于所述支架2。
所述齿轮轴1上可以并行连接和同步控制多个单体微型阀，所述单体微型阀包括支架2和滑块组件3，所述多个单体微型阀通过固定孔21采用固定杆进行并联固定。
一种微流控芯片，包括所述的一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀和带有通道结构的微流控芯片4，所述微流控芯片4包括一个或多个微通道41，其中微通道41层的材质为弹性材质；
所述微型阀中的挤压滑块32与所述微流控芯片4中的微通道41层接触，所述挤压滑块32能挤压所述微通道41层使其发生形变，致所述微通道41完全关闭。
所述微通道41层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
所述微通道41的宽度为55μm～65μm，高度为40μm～60μm。
实施例2
图1是可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀的单个阀结构示意图，由图可见，本发明所述微阀装置由齿轮轴1、支架2、滑动组件3组成。具体的，所述齿轮轴1具有一定长度，可以并行连接和同步控制多个单体微型阀；所述支架2包括固定孔21和用于穿过齿轮轴1的通孔22；所述滑块组件3包括从动滑块31和挤压滑块32，位于所述支架2的下部，并可在限定的方向上运动。齿轮轴1与从动滑块31通过齿轮啮合方式连接，从动滑块31的下表面和挤压滑块32的上表面具有相对配合的曲面结构(见图2)；齿轮轴1受力转动时，齿啮合结构带动从动滑块31水平运功，同时带动从动滑块31和挤压滑块32之间的曲面结构相互滑动，使挤压滑块32进行上下垂直运动，从而更改微流控芯片4上对应微通道41的开闭状态；由于从动滑块31的下表面具有不同的曲面结构设计，可以控制挤压滑块32实现不同形式的上下垂直运动，如图3～图5所示，因此，可以根据不同实验流程中的微阀控制程序灵活选择从动滑块31结构。
其中，本实施例所用的齿轮轴1的尺寸为直径2.5mm，长3cm的渐开线齿轮；支架2的尺寸为5mm×5mm×13mm；从动滑块31和挤压滑块32为横截面经特定优化的柱形，滑动部分之间使用石墨或聚四氟乙烯等干式润滑方式进行润滑，润滑后摩擦系数不大于0.002。齿轮轴1、支架2、滑动组件3采用铜合金制作，各零件之间活动配合，零件表面进行抛光。
在本实施例中，微流控芯片4的微通道结构采用弹性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工，微通道41的宽度为60μm，高度为50μm。在具体使用时，需将微通道以垂直或小于15°紧密接触于挤压滑块32下，保持挤压滑块32、从动滑块31及齿轮轴1紧固安装，并在所有单体微型阀安装完毕后，使用一刚性固定杆穿过支架2上的固定孔21，保持每个微阀结构与微流控芯片4的相对固定。微通道41的形状和长度不限，其宽度小于与挤压滑块32接触的横截面的宽度，深度小于挤压滑块32上下运动的最大距离。微阀装置安装完成后，启动驱动电机，按照预定程序运行，即可完成对微流控芯片4上多个微通道41内的流体进行操控。
实施例3
图6是三个单体微型阀并行连接的流体控制挤压式微阀装置结构示意图，单体微阀结构由支架2和滑动组件3组成。
具体的，优选的方案中，单体微阀结构的位置和数量与微通道41结构的位置与数量匹配，单体微阀结构中从动滑块31的结构可以根据不同微通道的流体控制程序进行灵活组合和集成。
在实际使用中，单个齿轮轴1上并行连接三个单体微型阀，从而可用于三通道微流控芯片4的流体控制。当外源动力驱动单一齿轮轴1运动时，可以同步控制三个并联的单体微型阀按照预设方式完成微流体的操控。在该实施例中，并未穷举所有单体微阀结构的组合和集成模式，仅以实验所需进行了组合和集成设计。利用从动滑块结构设计的灵活性和单个齿轮轴控制的并行性，实现灵活组合与集成的流体控制微阀装置，且可靠性高、可扩展性和适应性强。
以上所列举的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，其特征在于：包括驱动件、支架(2)和滑块组件(3)，所述驱动件与所述滑块组件(3)连接，所述滑块组件(3)设置于所述支架(2)内，所述滑块组件(3)与所述支架(2)活动连接，所述驱动件能驱动所述滑块组件(3)运动；
所述滑块组件(3)包括从动滑块(31)和挤压滑块(32)，所述从动滑块(31)与所述驱动件连接，所述从动滑块(31)设置有曲面，所述曲面与所述挤压滑块(32)接触；所述挤压滑块(32)能向靠近或远离所述从动滑块(31)的方向进行上下垂直运动；
所述驱动件带动所述从动滑块(31)水平运动时，所述曲面挤压所述挤压滑块(32)沿着垂直于所述从动滑块(31)的运动方向进行上下运动。
2.根据权利要求1所述的可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，其特征在于：所述驱动件为齿轮轴(1)，所述支架(2)上设置有通孔(22)，所述齿轮轴(1)置于所述通孔(22)内并可以自由转动，所述从动滑块(31)的远离所述曲面的一侧设置有齿板，所述齿板与所述齿轮轴(1)啮合，所述齿轮轴(1)转动带动所述从动滑块(31)水平运动。
3.根据权利要求1所述的可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，其特征在于：所述曲面具有不同的结构设计，可以挤压所述挤压滑块(32)产生不同形式的上下垂直运动；所述挤压滑块(32)为柱状，所述挤压滑块(32)与所述曲面接触的表面为弧形滑动表面。
4.根据权利要求1所述的可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，其特征在于：所述从动滑块(31)与所述挤压滑块(32)之间的摩擦系数小于等于0.002。
5.根据权利要求1所述的可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，其特征在于：所述支架上设置有固定孔(21)。
6.根据权利要求1所述的可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，其特征在于：所述驱动件带动所述从动滑块(31)运动挤压所述挤压滑块(32)时，所述挤压滑块(32)凸出于所述支架(2)。
7.根据权利要求1所述的可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀，其特征在于：所述齿轮轴(1)上可以并行连接和同步控制多个单体微型阀，所述单体微型阀包括支架(2)和滑块组件(3)，所述多个单体微型阀通过固定孔(21)采用固定杆进行并联固定。
8.一种微流控芯片，其特征在于：包括权利要求1～7任意一项所述的一种可以灵活组合与集成的流体控制挤压式微型阀和带有通道结构的微流控芯片(4)，所述微流控芯片(4)中包括一个或多个微通道(41)，其中微通道(41)层的材质为弹性材质；
所述微型阀中的挤压滑块(32)与所述微通道(41)层接触，所述挤压滑块(32)能挤压所述芯微通道(41)层使其发生形变，致所述微通道(41)完全关闭。
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