CN115970777A - 仿生密封微结构阵列、微流控器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生密封微结构阵列、微流控器件及其制造方法，仿生密封微结构阵列包括多个微结构，所述微结构具有第一接触部以及第二接触部，所述第一接触部用于与第一流体相接触，所述第二接触部用于与第二流体相接触；其中，多个所述微结构阵列排布在所述第一流体和所述第二流体的交汇区域而使所述第一流体和所述第二流体之间形成分界面。本发明通过将多个微结构阵列排布在交汇区域，使得第一流体和第二流体在流经交汇区域时会填充于多个微结构之间的间隙中而形成稳定的分界面，从而实现密封功能，并且能在该分界面处进行物质和/或能量的交换，进而能为新型、复杂功能的微流控器件如微换热器、微过滤器等提供基础技术的支撑。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别地，有关于一种仿生密封微结构阵列、微流控器件及其制造方法。
背景技术
微流控是一种起源于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)的对微纳尺度流体进行操控的技术，其拥有体积小、速度快、精度高等诸多优点，已被广泛应用于各领域不同的微型器件内，这些器件统称为微流控芯片。受微流体工作原理的限制，目前微流控芯片主要借助物理或化学手段将芯片与基材固连形成全封闭结构，在这个基础上流体相被分配入不同通道而被完全阻隔，不同流体相之间的能量和物质传递都受到限制。
对于微流控芯片和其他微流控系统中的密封问题，现有技术主要聚焦在两个方面，其一方面是通过将微流控器件的主体部分与底板或者其他部分连接，从而可以实现微流控器件的设计部分(如PDMS等材料制成)和底板部分(如玻璃等材料制成)之间的密封，在工作流体充入微流控器件时，不会泄漏到微流控芯片以外区域，但是这类技术只关注了微流控芯片相对于外界的密封和泄漏问题，微流控芯片本身内部各工作流体相之间的相互作用状态没有被关注；另一方面是关注到微流控芯片内部各工作流体相之间可能发生的掺混和扩散问题，因此在设计微流控芯片时，将各个流道通过器件的固定壁面完全隔离开，也即各个流道相互独立，这种封闭式的密封虽然能阻止各相流体之间相互作用，但同时也使得各相流体之间的物质和能量传递无法实现，利用两相流体相互作用原理设计的新型微流控器件的开发将不能实现。
以自然界中存在的生物的生理结构和功能为参照，来进行人类生产生活的科学被称为仿生学。研究发现，自然界中确有像荷叶、槐叶萍表面和水蜘蛛、跳虫体毛上的微结构等能有效分离气、液两相的特殊润湿性结构，现有技术中有鉴于此研究出仿生超疏水表面结构的设计以及其制备工艺，但这些结构不论是从设计还是制造工艺都局限在器件的表面，其功能也只是隔绝水或者其他流体相侵入微结构内部，只具有耐受流体压力的功能，无法应用到流体密封上，也难以整合和应用到微流控器件中。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿生密封微结构阵列、微流控器件及其制造方法，以解决目前微流控器件内部的工作流体之间无法进行密封，或者只能用壁面完全阻隔两相流体而不能让两相流体进行物质和能量交换的技术问题。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供一种仿生密封微结构阵列，包括多个微结构，所述微结构具有第一接触部以及第二接触部，所述第一接触部用于与第一流体相接触，所述第二接触部用于与第二流体相接触；其中，多个所述微结构阵列排布在所述第一流体和所述第二流体的交汇区域而使所述第一流体和所述第二流体之间形成分界面。
本发明的实施方式中，所述交汇区域的两侧对称设置有用于输送第一流体的第一通道以及用于输送第二流体的第二通道。
本发明的实施方式中，多个所述微结构沿所述第一流体和所述第二流体的输送方向排布在所述交汇区域。
本发明的实施方式中，相邻两所述微结构之间的间距为5μm～500μm。
本发明的实施方式中，所述微结构包括中间结构、连接结构以及两端部结构，两所述端部结构通过所述连接结构与所述中间结构相连接并相对于所述中间结构对称设置，两个所述端部结构配合所述连接结构形成有所述第一接触部，两个所述端部结构配合所述中间结构形成有所述第二接触部。
本发明的实施方式中，所述第一接触部包括第一侧面以及两第二侧面，两所述第二侧面通过所述第一侧面相连接；所述第二接触部包括第三侧面、两第四侧面以及两第五侧面，两所述第五侧面通过两所述第四侧面与所述第三侧面相连接；所述第一侧面、所述第三侧面以及所述第五侧面沿所述输送方向延伸并相互平行设置，所述第四侧面沿所述输送方向的垂直方向延伸设置，所述第二侧面的一端与所述第一侧面相连接，所述第二侧面的另一端朝所述第五侧面倾斜延伸并与所述第五侧面相连接。
本发明的实施方式中，所述中间结构在所述输送方向上的宽度为10μm～300μm。
本发明的实施方式中，所述连接结构在所述输送方向上的宽度为5μm～500μm。
本发明的实施方式中，所述端部结构与所述中间结构之间具有夹角，所述夹角的角度为0°-180°。
本发明的实施方式中，所述端部结构在所述输送方向上的宽度为0.5μm-20μm，所述端部结构在所述输送方向的垂直方向上的宽度为0.5μm-50μm。
本发明的实施方式中，所述第一接触部铺设有亲水处理剂形成的亲水层。
本发明的实施方式中，所述第二接触部铺设有疏水处理剂形成的疏水层。
本发明还提供一种微流控器件，其内部具有第一通道、第二通道以及第一通道和第二通道的交汇区域，所述第一通道用于输送第一流体，所述第二通道用于输送第二流体，所述交汇区域设有仿生密封微结构阵列。
本发明还提供一种微流控器件的制造方法，包括以下步骤：制备模板；将成型材料注入所述模板的成型腔内，所述成型材料固化形成主体器件；其中，所述主体器件的底面形成第一沟槽、第二沟槽以及连通所述第一沟槽和所述第二沟槽的中间沟槽，且所述中间沟槽内成型有仿生密封微结构阵列；在所述主体器件的顶面开设与所述第一沟槽连通的第一输入孔和第一输出孔；在所述主体器件的顶面开设与所述第二沟槽连通的第二输入孔和第二输出孔；将所述主体器件的底面与底板连接，使所述第一沟槽形成第一通道，所述第二沟槽形成第二通道，所述中间沟槽形成交汇区域。
本发明的特点及优点是：
本发明的仿生密封微结构阵列，通过将多个微结构阵列排布在交汇区域，使得第一流体和第二流体在流经交汇区域时会填充于多个微结构之间的间隙中而形成稳定的分界面，使得第一流体和第二流体之间不会掺混，从而实现密封功能，并且实现密封功能时无需进行额外的控制与输入，同时第一流体和第二流体又能在该分界面处进行物质和/或能量的交换。
本发明通过将仿生密封微结构阵列设置在微流控器件的内部，可以使得第一通道和第二内的流体在交汇区域发生直接接触的同时能避免相互掺混和泄漏，结构简单且无需操控便能保证微通道之间的密封效果，还可以使两个微通道内流体之间进行物质和能量传递，从而为新型、复杂功能的微流控器件如微换热器、微过滤器等提供基础技术的支撑。
本发明的微流控器件的制造方法，通过将仿生密封微结构阵列与主体器件一体固化成型，进而通过开孔并与底板连接便能制造出微流控器件，从而实现仿生密封微结构阵列在微流控器件内的应用，且操作简单。
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为本发明中仿生密封微结构阵列的使用状态图。
图2为本发明中仿生密封微结构阵列的结构示意图。
图3为本发明中微结构的结构示意图。
图4为本发明中微流控器件的结构示意图。
图5为本发明中主体器件的结构示意图。
图中：
100、仿生密封微结构阵列；11、微结构；12、第一接触部；13、第二接触部；14、第一侧面；15、第二侧面；16、第三侧面；17、第四侧面；18、第五侧面；19、中间结构；110、端部结构；111、连接结构；200、第一通道；21、第一流体；300、第二通道；31、第二流体；400、交汇区域；41、分界面；500、主体器件；51、第一沟槽；52、第二沟槽；53、中间沟槽；54、第一输入孔；55、第一输出孔；56、第二输入孔；57、第二输出孔；600、底板。
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。
实施方式一
如图1所示，本发明提供一种仿生密封微结构阵列100，包括多个微结构11，微结构11具有第一接触部12以及第二接触部13，第一接触部12用于与第一流体21相接触，第二接触部13用于与第二流体31相接触；其中，多个微结构11阵列排布在第一流体21和第一流体21的交汇区域400而使第一流体21和第二流体31之间形成分界面41。
本发明的仿生密封微结构阵列100，通过将多个微结构11阵列排布在交汇区域400，使得第一流体21和第二流体31在流经交汇区域400时会填充于多个微结构11之间的间隙中而形成稳定的分界面41，使得第一流体21和第二流体31之间不会掺混，从而实现密封功能，并且实现密封功能时无需进行额外的控制与输入，同时第一流体21和第二流体31又能在该分界面41处进行物质和/或能量的交换。
本发明中微结构11的设计灵感和参数设计来自于仿生学原理，选取的具有特殊润湿性能的自然界微结构11原型包括槐叶萍叶面的“灯笼状”微结构、水蜘蛛和跳虫体毛的“T”型结构等，从这些结构提取归纳出微结构11，使得微结构11大体可呈“T”型、伞形、梯形、三角形或“灯笼”型，进而通过阵列排布于交汇区域400，使多个微结构11的第一接触部12与第一流体21接触，多个微结构11的第二接触部13与第二流体31接触，从而在第一流体21和第二流体31之间形成分界面41。
具体的，以第一流体21为水，第二流体31为空气示例，通入的水在流经交汇区域400时会在仿生密封微结构阵列100处扩张而与空气之间形成水-气分界面41。分界面41的形貌与仿生密封微结构阵列100中多个微结构11的阵列形状、间距以及微结构11的具体形状有关，分界面41的形貌和大小会影响分界面41收缩变小的表面张力，而通入的水具有一定的工作压力，当这两个力相互平衡时，分界面41则能稳定存在，从而使仿生密封微结构阵列100具备较佳的密封效果。
由此可知，本发明的仿生密封微结构阵列100的密封效果与分界面41的稳定性相关，而分界面41的稳定性与第一流体21和第二流体31在分界面41处的表面张力以及第一流体21和第二流体31的工作压力有关。
其中，第一流体21和第二流体31在分界面41处的表面张力与微结构11的形状、间距以及阵列形状相关，因此，本发明中微结构11的形状、间距以及阵列形状可以不具体限定，根据表面张力的要求进行调整即可。但为了更好地实施，本发明通过相关理论计算和仿真、实验验证，提供各个参数较佳地调整范围如下。
如图2所示，对于阵列形状，交汇区域400的两侧对称设置有用于输送第一流体21的第一通道200以及用于输送第二流体31的第二通道300，多个微结构11可以是沿第一流体21和第二流体31的输送方向X直线形并排排布；也可以是沿输送方向X波浪线形交错排布；还可以是多个微结构11沿垂直于输送方向X排成多列微结构，多列微结构沿输送方向X排布；当然还可以是其他排列形式，只要确保多个微结构11能够在交汇区域400像“护栏”一样对两侧的流体继续拦截，从而实现密封即可。
如图1所示，对于多个微结构11之间的间距L，提供一较佳的范围为5μm～500μm。
如图3所示，对于微结构11的形状，为了使微结构11的形状更具体化，本发明进一步地提取归纳出微结构11包括中间结构19、连接结构111以及两端部结构110，两端部结构110通过连接结构111与中间结构19相连接并相对于中间结构19对称，两个端部结构110配合连接结构111形成有第一接触部12，两个端部结构110配合中间结构19形成有第二接触部13。下面将提供中间结构19、连接结构111、端部结构110的较佳的形状和尺寸，使得仿生密封微结构阵列100处能提供足够的表面张力，从而实现较佳地密封效果。
如图2和图3所示，具体的，中间结构19沿水平方向的截面形状为矩形，连接结构111沿水平方向的截面形状为矩形，端部结构110靠近相邻微结构11的一端呈任意角度的尖角状，端部结构110与中间结构19之间具有夹角，夹角的角度为0°～180°。中间结构19在输送方向上的宽度W1为10μm～300μm。连接结构111在输送方向上的宽度W2为5μm～500μm。端部结构110在输送方向X上的宽度W3为0.5μm-20μm，端部结构110在输送方向X的垂直方向上的宽度W4为0.5μm-50μm。本实施例中，端部结构110与中间结构19之间夹角的角度为90度，端部结构110沿水平方向的截面形状为直角梯形，第一接触部12包括第一侧面14以及两第二侧面15，两第二侧面15通过第一侧面14相连接；第二接触部13包括第三侧面16、两第四侧面17以及两第五侧面18，两第五侧面18通过两第四侧面17与第三侧面16相连接；第一侧面14、第三侧面16以及第五侧面18沿输送方向X延伸并相互平行设置，第四侧面17沿输送方向X的垂直方向延伸设置，第二侧面15的一端与第一侧面14相连接，第二侧面15的另一端朝第五侧面18倾斜延伸并与第五侧面18相连接。
可选的，中间结构的截面形状还可以为梯形、三角形、椭圆形或其他不规则形状。连接结构的截面形状还可以为梯形、圆形、椭圆形或其他不规则形状。端部结构近相邻微结构的一端还可以呈圆角状或直角状。
对于第一流体21和第二流体31的工作压力可以在0-100kPa(表压)的范围内进行调控，使仿生密封微结构阵列100处形成的分界面41所能提供的表面张力与第一流体21和第二流体31的工作压力相平衡。
微结构11采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、玻璃或亚克力等材料制造而成。本发明的实施方式中，为使仿生密封微结构阵列100更好地实现对第一流体21和第二流体31的分隔和密封作用，第一接触部12铺设有亲水处理剂形成的亲水层。进一步地，第二接触部13铺设有疏水处理剂形成的疏水层。
实施方式二
如图4所示，本发明还提供一种微流控器件，其内部具有第一通道200、第二通道300以及第一通道200和第二通道300的交汇区域400，第一通道200用于输送第一流体21，第二通道300用于输送第二流体31，交汇区域400设有仿生密封微结构阵列100。本实施方式中仿生密封微结构阵列100与实施方式一中仿生密封微结构阵列100的具体结构、工作原理以及有益效果均相同，在此不再赘述。此外，微流控器件还设有用于第一流体21输入第一通道200的第一输入孔54、用于第一流体21输出的第一输出孔55、用于第二流体31输入第二通道300的第二输入孔56以及用于第二流体31输出的第二输出孔57。
本发明通过仿生密封微结构阵列100设置在微流控器件的内部，可以使第一通道200和第二通道300内的流体在交汇区域400处发生直接接触而进行物质和/或能量的同时又能避免相互掺混和泄漏，并且结构简单且无需操控，从而为新型、复杂功能的微流控器件如微换热器、微过滤器等提供基础技术的支撑。
结合图1和图4所示，以微换热器为例，工作流体(即热流体)从第一输入孔54注入第一通道200并从第一输出孔55流出；冷却流体从第二输入孔56注入第二通道300并从第二输出孔57流出。工作流体和冷却流体是两相不互溶的流体(如水和空气)，输送过程中，工作流体和冷却流体交汇区域400的仿生密封微结构阵列100的间隙内形成分界面41并在该分界面41处进行能量交换，由于分界面41处产生的表面张力与工作流体和冷却流体之间因介质、流动不同而产生的流体压差相平衡，阻止了工作流体从交汇区域400侵入第二通道300以及冷却流体从交汇区域400侵入第一通道200，从而实现密封。
相较于传统的间壁式微换热器或者翅板式微换热器，本发明中微换热器利用仿生密封微结构阵列100中多个微结构11之间的间隙形成两相流体直接接触进行能量交换的窗口，流体与流体之间的导热与对流换热以及流体与微流控芯片壁面的导热和对流换热相比，热交换效率大幅提升，可以实现在相同工作距离内让工作流体产生更多的温降，从而提升了冷却的效果和冷却相流体的利用率。
实施方式三
如图4和图5所示，本发明还提供一种微流控器件的制造方法，包括以下步骤：制备模板；将成型材料注入模板的成型腔内，成型材料固化形成主体器件500；其中，主体器件500的底面形成第一沟槽51、第二沟槽52以及连通第一沟槽51和第二沟槽52的中间沟槽53，且中间沟槽53内成型有仿生密封微结构阵列100；在主体器件500的顶面开设与第一沟槽51连通的第一输入孔54和第一输出孔55；在主体器件500的顶面开设与第二沟槽52连通的第二输入孔56和第二输出孔57；将主体器件500的底面与底板600连接，使第一沟槽51形成第一通道200，第二沟槽52形成第二通道300，中间沟槽53形成交汇区域400。本实施方式中仿生密封微结构阵列100与实施方式一中仿生密封微结构阵列100的具体结构、工作原理以及有益效果均相同，在此不再赘述。本实施方式制成的微流控器件与实施方式二中微流控器件的具体结构、工作原理以及有益效果均相同，在此不再赘述。
本发明的微流控器件的制造方法，通过将仿生密封微结构阵列100与主体器件500一体固化成型，进而通过开孔并与底板600连接便能制造出微流控器件，从而将仿生密封微结构阵列100制造在微流控器件的内部，且操作简单。
具体的，模板采用硅片通过软光蚀刻制造而成。成型材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、玻璃或亚克力。主体器件500与底板600可以利用等离子体键合的方式相连接。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (14)
1.一种仿生密封微结构阵列，其特征在于，包括多个微结构，所述微结构具有第一接触部以及第二接触部，所述第一接触部用于与第一流体相接触，所述第二接触部用于与第二流体相接触；其中，多个所述微结构阵列排布在所述第一流体和所述第二流体的交汇区域而使所述第一流体和所述第二流体之间形成分界面。
2.根据权利要求1所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述交汇区域的两侧对称设置有用于输送第一流体的第一通道以及用于输送第二流体的第二通道。
3.根据权利要求1所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
多个所述微结构沿所述第一流体和所述第二流体的输送方向排布在所述交汇区域。
4.根据权利要求3所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
相邻两所述微结构之间的间距为5μm～500μm。
5.根据权利要求3所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述微结构包括中间结构、连接结构以及两端部结构，两所述端部结构通过所述连接结构与所述中间结构相连接并相对于所述中间结构对称设置，两个所述端部结构配合所述连接结构形成有所述第一接触部，两个所述端部结构配合所述中间结构形成有所述第二接触部。
6.根据权利要求5所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述第一接触部包括第一侧面以及两第二侧面，两所述第二侧面通过所述第一侧面相连接；所述第二接触部包括第三侧面、两第四侧面以及两第五侧面，两所述第五侧面通过两所述第四侧面与所述第三侧面相连接；
所述第一侧面、所述第三侧面以及所述第五侧面沿所述输送方向延伸并相互平行设置，所述第四侧面沿所述输送方向的垂直方向延伸设置，所述第二侧面的一端与所述第一侧面相连接，所述第二侧面的另一端朝所述第五侧面倾斜延伸并与所述第五侧面相连接。
7.根据权利要求5所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述中间结构在所述输送方向上的宽度为10μm～300μm。
8.根据权利要求5所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述连接结构在所述输送方向上的宽度为5μm～500μm。
9.根据权利要求5所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述端部结构与所述中间结构之间具有夹角，所述夹角的角度为0°-180°。
10.根据权利要求5所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述端部结构在所述输送方向上的宽度为0.5μm-20μm，所述端部结构在所述输送方向的垂直方向上的宽度为0.5μm-50μm。
11.根据权利要求1所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述第一接触部铺设有亲水处理剂形成的亲水层。
12.根据权利要求11所述的仿生密封微结构阵列，其特征在于，
所述第二接触部铺设有疏水处理剂形成的疏水层。
13.一种微流控器件，其特征在于，其内部具有第一通道、第二通道以及第一通道和第二通道的交汇区域，所述第一通道用于输送第一流体，所述第二通道用于输送第二流体，所述交汇区域设有仿生密封微结构阵列。
14.一种微流控器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备模板；
将成型材料注入所述模板的成型腔内，所述成型材料固化形成主体器件；其中，所述主体器件的底面形成第一沟槽、第二沟槽以及连通所述第一沟槽和所述第二沟槽的中间沟槽，且所述中间沟槽内成型有仿生密封微结构阵列；
在所述主体器件的顶面开设与所述第一沟槽连通的第一输入孔和第一输出孔；
在所述主体器件的顶面开设与所述第二沟槽连通的第二输入孔和第二输出孔；
将所述主体器件的底面与底板连接，使所述第一沟槽形成第一通道，所述第二沟槽形成第二通道，所述中间沟槽形成交汇区域。
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