CN1924417A - 集成于流道内的微型阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种由微鳞片结构组成的微型阀，属于微流体控制输运领域。该微型阀包括微流道及连接于流道侧壁上的微型鳞片阵列结构，微鳞片彼此平行排布，并与流道侧壁成一定的倾角，顺着鳞片排布方向的流动为正向流动，反之为逆向流动。由于正向流动时鳞片对流体产生的阻力小，而逆向时鳞片对流体产生较大的阻力，因此正向与逆向产生流量差，结构实现了单向阀的功能。本发明利用MEMS微加工工艺或化学合成技术制备，可广泛应用于微流体芯片系统内的流体控制。

Description

集成于流道内的微型阀

技术领域

本发明属于微流体控制输运领域，具体涉及一种可直接集成于流道内的微型无源阀。

背景技术

微型阀是微流体芯片内的关键部件，主要用于控制流体的流动方向及对流体流量进行定量控制，在微流控分析芯片内扮演了重要的角色。科技工作者们多年来一直致力于微型阀的研究与开发，目前可见的微型阀主要分为有源阀和无源阀：有源阀指利用致动器产生的致动力实现阀的关闭或切换操作，其主要的特点为致动力较强，阀的密封性较好，既可以用于单向阀也可以用于切换阀，但随之而来的局限性也非常明显，即此类微阀整体上的结构较为复杂，附加体积较大，加工和集成化的实现难度大，可靠性低，成本也相对较高；无源阀是指无需外来驱动力，仅利用流体本身参数的变化(如流动方向、流动压力等)即可实现阀的状态改变，此类微阀的体积大大减小，可靠性高，降低了工艺的复杂性和制作成本，易于和微流体系统集成。因此无源阀以其结构简单体积小，工艺难度和加工成本低，阀体材料选择范围广，可靠性高等比较优势，成为用于微流控分析芯片微阀研究的主要方向。

发明内容

本发明提供一种直接集成于流道内部的微型无源阀，该微型阀具有结构简单，构思新颖，制备工艺简单等特点。

本发明的技术内容：一种集成于流道内的微型阀结构，它包括流道及连接在流道侧壁上的若干微鳞片结构，微鳞片彼此平行排布，并与流道侧壁成一定的倾角。顺着鳞片排布方向的流动为正向流动，鳞片对流体产生的阻力较小，为微型阀的开启方向(正方向)。逆着鳞片排布方向的流动为反向流动，鳞片对流体产生的阻力很大，为微型阀的关闭方向(反方向)。

微鳞片的顶端设计成具有一定流阻功能的非对称尖状，固定鳞片可以是类似鲨鱼鳍的仿生结构。

微鳞片结构平行排布于流道的侧壁上，其中，流道侧壁上的每组微鳞片呈穿插或对称排布。

流道为成一定锥角的扩散管结构或柱状结构，微流道可以为长方体、圆柱体、圆锥体、棱柱体、锥形台等。

微型阀的微鳞片结构为可动或固定不动的片状结构。

本发明的技术效果：本发明利用化学合成或MEMS微加工工艺在微流体芯片的流道侧壁上加工出一些类似鳞片状的微结构，鳞片可以分为可动与不可动两类，流体顺着鳞片的方向流动时，鳞片对流体产生的阻力很小；而逆着鳞片方向，鳞片对流体产生的阻力很大，因此通过改变通道正反方向的流阻就实现了单向阀的作用，控制了液流的流动方向。这种微鳞片的加工工艺简单，可以和大多数的微流体系统集成，节约了成本且易于大批量生产。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1微通道内集成的微型可动鳞片阀俯视排布方式一；

图2圆锥体或圆锥台型微通道内集成微型可动鳞片阀俯视排布方式二；

图3微通道内部微型固定鳞片阀俯视排布方式三；

图4有一定夹角的扩散流道内部固定鳞片的俯视排布方式；

图5微型可动鳞片阀的硅基加工工艺流程；

图6微型可动鳞片阀的硅基加工工艺流程二；

图7微型固定鳞片工艺流程；

图8微模塑法制备微型可动鳞片阀工艺流程；

图9微模塑法制备固定鳞片的工艺流程。

具体实施方式

本发明提供了一系列由微鳞片结构1组成的微型阀，微型阀包括微流道5及连接在流道侧壁上的微型鳞片结构1，微鳞片1彼此平行排布，并与流道侧壁成一定的倾角，顺着鳞片的方向鳞片对流体产生的阻力小，而逆着鳞片的方向鳞片对流体产生较大的阻力，从而产生了正反向流量差，实现了阀的功能。

实施例一：阀体包括微流道5及连接在其侧壁上的平行排布的微型可动鳞片结构1，微流道可以是柱状结构，也可以是成一定锥角的扩散管结构，如图二所示，微鳞片1要顺着扩散的方向排布，这里微型可动鳞片1起到了阀片的作用，鳞片1的张合迎合流体内部的惯性流动，当流体顺着鳞片1的方向流动时，阻力很小，流动顺畅；与此相反的是当流体逆着鳞片1的方向流动时，鳞片1张开，流道的距离变窄，同时增加了逆向的扰动，使反向的流量减小，正向的流量大于逆向的流量，可以起到单向阀的作用。

实施例二：阀体包括微流道5及连接在其垂直侧壁上的微型固定鳞片结构1，固定鳞片可以是类似鲨鱼鳍的结构，也可以是固定的片状结构，微鳞片结构彼此平行排布，其中，流道侧壁上的每组微鳞片彼此穿插或对称排布。如图三所示；微流道5可以是柱状的；微流道5两侧壁也可以成一定的角度，形成扩散管流道5(扩散方向的流量大，鳞片要顺着扩散的方向排布如图四所示，固定鳞片的主要作用是顺着流动方向尽量减少扰动，逆着流动方向增加扰动，从而改变了微流道的流阻特性，增大了效率。阀入口3进入的流量大于从出口4流出的流量，因此产生了正向的净流量，可以起到单向阀的作用。

本发明中基于MEMS工艺加工的微型阀可根据其鳞片是否可动，分别采用以下方法制备：

一、微型可动鳞片阀的硅基制备方法：

(1)、如图5(a)所示，硅片7表面采用热氧化或CVD的方法淀积一层氧化层8，作为后续刻蚀的掩膜；

(2)、如图5(b)所示，用掩膜板1对经步骤(1)氧化硅8进行第一次光刻，干法或湿法腐蚀的方法刻蚀出微鳞片阀结构的平面图；

(3)、如图5(c)所示，在硅片7上各向异性干法刻蚀微鳞片1和微流道结构5；

(4)、如图5(d)所示，采用CVD的方法在刻蚀出的微结构上淀积一层氧化硅或氮化硅9，在后续的刻蚀反应中保护侧壁不被腐蚀；

(5)、如图5(e)所示，干法各向异性刻蚀底面的氧化硅或氮化硅9；

(6)、如图5(f)所示，SF₆各向同性刻蚀，将细梁下面的硅掏空使其悬空；

(7)、如图5(g)所示，将整个结构表面剩余的氧化层都腐蚀掉；

(8)、如图5(h)所示，玻璃10表面光刻用干法或湿法刻蚀的方法刻蚀出浅槽，使键合后整个微鳞片结构悬空；

(9)、如图5(i)所示，玻璃和硅片对准键合形成阀体结构；

(10)、如图5(j)所示，硅片背面用干法或湿法刻蚀；

(11)、如图5(k)所示，最后一次光刻，干法或湿法刻蚀出与外部流体管路连接的通孔11。

或采用另一种硅基制备方法制作微型可动悬浮鳞片阀：

(1)如图6(a)所示，选用SOI硅片13(即在硅片一定深度的位置有一层氧化层12)；

(2)、如图6(b)所示，光刻、刻蚀出微阀结构的平面图形；

(3)、如图6(c)所示，腐蚀掉埋氧层，鳞片结构悬浮。

(4)、如图6(d)所示，在玻璃片10或其他盖片材料的表面腐蚀出浅槽；

(5)、如图6(e)所示，玻璃和硅片对准键合形成阀体结构；

二、微型不可动鳞片结构的硅基制备方法：

(1)、如图7(a)所示，硅片表面采用热氧化或CVD的方法淀积氧化层8，作为后续刻蚀的掩膜；

(2)、如图7(b)所示，用掩膜版1对经步骤(1)的氧化硅光刻，刻蚀出微阀结构的平面图形；

(3)、如图7(c)所示，各向异性刻蚀出反应流道及微型固定鳞片结构；

(4)、如图7(d)所示，将硅片表面的氧化层腐蚀除去；

(5)、如图7(e)所示，玻璃片与硅片对准键合形成阀体结构；

三、微模塑方法制备可动微鳞片结构：

(1)如图8(a)所示，制备模具14；模具制备方法包括采用厚胶光刻技术制备SU-8胶模具，采用LIGA技术制备金属模具，采用硅微机械加工技术制备硅模具；

(2)如图8(b)采用聚合物为泵体结构材料，利用步骤(1)所述模具，采用微模型技术制备三维结构的微鳞片聚合物或塑料结构15，微模型技术加工微鳞片结构的方法包括模塑成型法、真空热压法及LIGA技术；

(3)如图8(c)所示，剥模形成聚合物等材料的微阀结构15；

(4)如图8(d)所示，采用聚合物、玻璃或硅片作为上封装片，分别在基片上腐蚀出微槽，可以采用湿法或干法刻蚀，聚合物基片采用微模塑法，热压法等在其表面相应的位置制备浅槽；

(5)如图8(e)、图8(f)所示，将封装片10与结构层对准键合形成阀体结构，可以采用聚合物键合或直接粘接的方法。

四、采用模塑方法制备固定微鳞片结构：

(1)、如图9(a)所示，制备模具14，模具的材料可以是硅，光刻胶，聚合物、金属等；

(2)、如图9(b)所示，采用聚合物为泵体结构材料，利用步骤(1)所述模具，采用微模型技术制备三维结构的微鳞片聚合物或塑料结构15，微模型技术加工微鳞片结构的方法包括模塑成型法、真空热压法及LIGA技术；

(3)如图9(c)所示，剥模形成微鳞片结构。

(4)如图9(d)所示，与盖片键合形成阀体结构。

Claims (8)

1、一种集成于流道内的微型阀，它包括流道及连接在流道侧壁上的若干微鳞片结构，微鳞片彼此平行排布，并与流道侧壁成一定的倾角，顺着鳞片排布方向的流动为正向流动，为微型阀的开启方向；逆着鳞片排布方向的流动为反向流动，为微型阀的关闭方向。

2、如权利要求1所述的集成于流道内的微型阀，其特征在于：流道侧壁上的每组微鳞片穿插或对称排布。

3、如权利要求1或2所述的集成于流道内的微型阀，其特征在于：集成在流道侧壁上的微鳞片是类似鲨鱼鳍的仿生结构。

4、如权利要求1所述的集成于流道内的微型阀，其特征在于：集成在流道侧壁上的微鳞片为固定不动的片状结构。

5、如权利要求1所述的集成于流道内的微型阀，其特征在于：被连接在流道侧壁上的微鳞片为可动的片状结构。

6、如权利要求4或5所述的集成于流道内的微型阀，其特征在于：微鳞片的顶端设计成具有流阻功能的非对称尖状。

7、如权利要求1所述的集成于流道内的微型阀，其特征在于：流道为成一定锥角的扩散管结构或柱状结构。

8、如权利要求7所述的集成于流道内的微型阀，其特征在于：与微鳞片连接的流道为长方体、圆柱体、圆锥体、棱柱体、锥形台等。

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