CN206592627U - 一种集成于微流控芯片的电磁微阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种集成于微流控芯片的电磁微阀，包括：带有流体通道的基片；设置于所述基片上的弹性薄膜；电磁铁；阀座；及设置于所述阀座内的永磁铁阀芯；所述阀座和所述流体通道对应设置于所述弹性薄膜两侧；所述电磁铁对应所述阀芯设置于所述基片远离所述阀座一侧或所述阀座远离所述基片一侧。本实用新型的集成于微流控芯片的电磁微阀，能够快速响应，具有设计简单、操作控制性好、适用范围广的特点，可全自动、程序化实现特定通道流体输运的通断，能够快速实现控制流体流动的目的，且结构紧凑、灌注制作方便、成本低，可与微流控芯片主体高度集成，特别适用于一体化的便携式微流控芯片系统。

Description

一种集成于微流控芯片的电磁微阀

技术领域

本实用新型涉及微流控技术领域。更具体地，涉及一种集成于微流控芯片的电磁微阀。

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微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的一种技术。微流控芯片技术以微机电加工技术为基础，通过在芯片上构建复杂的微尺度通道，将传统上大体积反应的发生检测等集中于微小的芯片上，以可控微流体贯穿整个系统并完成各种生物和化学过程，能够在短时间内分析大量的反应，实现了分析效率的极大提高。

在微流控芯片技术中，对流体的控制是实现芯片分析的关键，研究人员通过开发多种形式的微阀，以流量调节、流道开关等形式精确控制流体在芯片内的流动。微阀是微流控芯片装置的重要组成部分，主要用来实现流体流量大小的调节、流体通道的启闭以及流体流向的切换。在各种微流控制系统中，微阀都有着广泛的应用，例如，微型化学分析系统、生物分析系统、微泵等都需要使用微阀。

目前常用的微流控芯片系统的微阀包括气动微阀、压电微阀、电磁微阀等。其中，气动微阀一般为常开阀且需要气瓶等较大的外部配套设备，难以实现整个微流控芯片系统的小型化；压电微阀一般制作成本较高且需要较高的驱动电压，为操作这带来安全隐患。电磁微阀因难度低、操作简单得到了广泛的研究。常规的电磁微阀一般都结构复杂且微阀控制通道会与被控流体直接接触，或者微阀进出口与微流控芯片主体之间有宏微接口，因而用于生物医学领域时容易引入污染。

目前，现有技术中对电磁微阀进行了以下研究：

专利1：电磁微阀装置(公布号CN 105715865A；公布日2016.06.29)中公开了一种电磁微阀装置：通过室温液态金属填充的液态金属螺旋线圈微流道之间的吸引力和排斥力来实现样本试剂流道的关闭和开启，电磁微阀利用电磁线圈产生电磁力挤压微流道、阻断做流动。然而，该种方式的微阀严重依赖于液态的金属，其应用具有一定的难度。

专利2：一种高通量、全自动微流控芯片细胞分选装置(公布号CN 205556699N；公开日2016.09.07)公开了一种高通量、全自动微流控芯片细胞分选装置：基于电磁微泵和电磁微阀的组合结构的细胞分选装置，其能够在目标细胞通过检测通道时，通过自动控制电磁微泵和电磁微阀的相互配合动作，控制流路的方向和通断，从而将目标细胞分选到收集的路径。但是，该种方式的微阀不适用于单一通道的芯片。

专利3：一种集成于微流控芯片的电磁微阀(公布号CN 103335154A；公开日2013.10.02)公开了一种集成于微流控制芯片的电磁微阀：应用电磁铁磁化永磁铁，两者之间产生吸引从而使得通道关闭，而将电磁铁通入相反方向的电流，则电磁铁和永磁铁产生排斥，进而使得通道打开。该种方式虽然能够实现阀门的功能，但是由于阀门开关均需要维持不同方向电流的控制，当需要多个阀门协同工作时，控制方式的繁琐会限制其应用性。

因此，需要提供一种设计简单、结构紧凑、响应快速、易于集成且控制简单的电磁微阀结构。

发明内容

本实用新型为了克服上述缺陷，提供一种设计简单、结构紧凑、响应快速、易于集成且控制简单的电磁微阀结构，通过电磁铁中电流的通与断可简单便捷地实现流路的控制，具有较强的实用性。

一种集成于微流控芯片的电磁微阀，包括：

带有流体通道的基片；

设置于基片上的弹性薄膜；

电磁铁；

阀座；及

设置于阀座内的永磁铁阀芯；

阀座和流体通道对应设置于弹性薄膜两侧；电磁铁对应阀芯设置于基片远离阀座一侧或阀座远离基片一侧。

优选地，阀芯靠近弹性薄膜一侧具有与流体通道内表面形状相契合的凸起部。

优选地，

基片和/或阀座材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC。

优选地，

弹性薄膜材料为聚二甲基硅氧烷PDMS。

进一步优选地，

弹性薄膜厚度为1～800μm。

优选地，

阀芯为预先磁化的钕铁硼永磁铁。

优选地，

凸起部为设置于阀芯靠近弹性薄膜一侧表面的常温固体涂覆物。

进一步优选地，

常温固体涂覆物为油漆。

优选地，

阀座内腔的内径比阀芯的最大直径宽0.5～3.0mm，用于限制阀芯在靠近或远离流体通道方向移位。

优选地，

流体通道横截面形状为扁平半圆弧状，弧形最大直径为1mm～4mm，最大深度为500～1000μm。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的集成于微流控芯片的电磁微阀，微通道中的被控制流体不与微阀控制机构直接接触，不会造成通道物理性损伤以及引起内部样品的交叉污染；电磁驱动机构的驱动电压低，能够保证操作者使用安全；通过电磁铁中电流的通与断可简单便捷地实现流路的控制，特别地，适用于多个阀门协同工作时的情况，具有较强的实用性；通过电磁体的磁力与重力相互配合实现阀门的通与断，较少了能量损耗；本实用新型所提出的电磁微阀能够快速响应，具有设计简单、操作控制性好、适用范围广的特点，可全自动、程序化实现特定通道流体输运的通断，能够快速实现控制流体流动的目的，且结构紧凑、灌注制作方便、成本低，可与微流控芯片主体高度集成，特别适用于一体化的便携式微流控芯片系统。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出实施例1中电磁微阀剖面结构示意图。

图2示出实施例1中电磁微阀流体通道关闭状态示意图。

图3示出实施例1中电磁微阀流体通道打开状态示意图。

图4示出修改实施例1中电磁微阀剖面结构示意图。

图5示出实施例2中电磁微阀剖面结构示意图。

图6示出实施例2中电磁微阀流体通道关闭状态示意图。

图7示出实施例2中电磁微阀流体通道打开状态示意图。

图8示出修改实施例2中电磁微阀剖面结构示意图。

图中：1、电磁铁；2、含有微通道的PMMA基片；3、流体通道；4、弹性薄膜PDMS；5、PMMA阀座；6和7组成阀芯，其中6为涂覆物，7为永磁铁。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

为了克服现有电磁微阀技术在实际应用中存在的种种限制，本实用新型的目的是为了提供一种新型具有较强实用性的电磁微阀。该微阀结构集成于芯片上，通过电磁铁中电流的通与断就可简单便捷地实现流路的控制，具有较强的实用性。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型中，可利用电磁铁的引力+阀芯重力控制流体通道的通断，或利用电磁铁的斥力+阀芯重力控制流体通道的通断。以电磁铁的引力+阀芯重力控制流体通道的通断为例说明其工作原理：电磁铁与阀芯设置于基片的两侧，当外置的电磁铁没有通电时，芯片上的阀门处于“开”的状态，通道内的流体可在外力的作用下通过微阀；而当电磁铁通电时，电磁铁产生磁场并与永磁体的阀芯产生磁力作用，迫使阀芯紧密挤压弹性薄膜PDMS，从而阻断流道，实现阀门“关”的状态。将电流断开后，电磁铁和阀芯之间的磁力作用消失，阀芯在自身重力的作用下自然下落，使得阀门重新恢复“开”的状态，实现通道的重新流通。

实施例1

利用电磁铁的引力+阀芯重力控制流体通道的通断

如图1所示，本实用新型提供的集成于芯片上的电磁微阀包括一个外置的电磁铁1，一个含有微通道的PMMA基片2，一片键合于基片上的PDMS弹性薄膜4，含有微通道的基片2和弹性薄膜4组成密闭的流体通道3，流体通道3位于电磁铁1的正下方，一个由永磁体7和与流体通道3相嵌合的涂覆物6组成的阀芯位于流体通道的正下方，含有内腔的阀座5键合于弹性薄膜4上，其内包含着阀芯。

本实施例中，所述流体通道的最大直径为2.8mm，最大深度为800μm。所述弹性薄膜PDMS的厚度为400μm。所述阀芯由预先磁化的钕铁硼永磁铁和油漆涂覆物组成，油漆涂覆物与流体通道3相嵌合，其最大高度为800μm，最大直径为2.8mm。所述阀座内空腔为正方体形，其一端键合于弹性薄膜PDMS上，阀座内腔的长宽高均为4.0mm。

本实施例提供的电磁微阀依赖于电磁引力和阀芯的重力实现流体控制功能。当电磁铁1没有电流时，芯片上的阀门处于“开”的状态，通道内的流体可在外力的作用下通过微阀，其状态如图1所示。当电磁铁1通电时，电磁铁1产生与永磁铁7相吸的磁场，两者因电磁引力作用紧密吸在一起，期间阀芯压迫PDMS弹性薄膜4产生形变，阻塞流体通道3从而实现阀门“关”的状态，其状态如图2所示。当电流断开后，电磁铁1的磁场迅速消失，其与永磁体7之间的电磁引力作用消失，阀芯在自身重力的作用下自然回落，弹性薄膜4自然恢复从而打开流体通道3，实现阀门“开”的状态，其状态如图3所示。

应注意的是，当电流断开后，电磁铁1的磁场迅速消失，其与永磁体7之间的电磁引力作用消失，阀芯在自身重力的作用下自然回落，同时弹性薄膜4的形变恢复力能够加速回落速度，弹性薄膜4自然恢复从而打开流体通道3，实现阀门“开”的状态。

修改实施例1

利用电磁铁的引力+弹性薄膜的形变恢复力控制流体通道的通断

如图4所示，当实施例1中的集成于芯片上的电磁微阀上下反向放置时，即由上至下依次为永磁铁7，弹性薄膜4、流体通道3、基片2和电磁铁1。此时，可利用电磁铁1的引力控制流体通道3的“关”，利用弹性薄膜4的形变恢复力控制流体通道3的“开”，实现流体通道的通断。

实施例2

如图2所示，本实用新型提供的集成于芯片上的电磁微阀包括一个外置的电磁铁1，一个含有微通道的PMMA基片2，一片键合于基片上的PDMS弹性薄膜4，含有微通道的基片2和弹性薄膜4组成密闭的流体通道3，一个由永磁体7和与流体通道3相嵌合的涂覆物6组成的阀芯位于流体通道的正下方，电磁铁1位于永磁铁7的正下方，含有内腔的阀座5键合于弹性薄膜4上，其内包含着阀芯。

与实施例1的不同之处在于，实施例1中电磁铁与阀芯设置于基片的两侧，本实施例中，电磁铁与基片设置于阀芯的两侧。

本实施例提供的电磁微阀依赖于电磁斥力和阀芯的重力实现流体控制功能。当电磁铁1没有电流时，芯片上的阀门处于“开”的状态，通道内的流体可在外力的作用下通过微阀，其状态如图4所示。当电磁铁1通电时，电磁铁1产生与永磁铁7相排斥的磁场，两者因电磁斥力作用远离，期间阀芯压迫PDMS弹性薄膜4产生形变，阻塞流体通道3从而实现阀门“关”的状态，其状态如图5所示。当电流断开后，电磁铁1的磁场迅速消失，其与永磁体7之间的电磁斥力作用消失，阀芯在自身重力的作用下自然回落，弹性薄膜4自然恢复从而打开流体通道3，实现阀门“开”的状态，其状态如图6所示。

修改实施例2

利用电磁铁的斥力+弹性薄膜的形变恢复力控制流体通道的通断

如图8所示，当实施例2中的集成于芯片上的电磁微阀上下反向放置时，即由上至下依次为电磁铁1、永磁铁7，弹性薄膜4、流体通道3和基片2。此时，可利用电磁铁1的斥力控制流体通道3的“关”，利用弹性薄膜4的形变恢复力控制流体通道3的“开”，实现流体通道的通断。

可以理解的是，在上述实施例中，可以通过改变电磁铁的电流从而控制电磁力的大小，达到改变阀门开闭速度的目的。

本发明中，由于柔性薄膜4设置于所述流体通道3和阀座5中间，微通道中的被控制流体不与微阀控制机构直接接触，不会造成通道物理性损伤以及引起内部样品的交叉污染。为便于制作，所述电磁微阀装置采用微流控芯片(MEMS)做加工方式制作，例如：流体通道3可采用刻蚀工艺制作。

为便于制作所述弹性薄摸4，可采居旋涂工艺制作所述弹性薄膜4，所述柔性薄膜4可为聚二甲基硅氧烷PDMS制成的弹性薄膜，为了保证所述弹性薄膜4的结构强度，所述柔弹性薄膜4的厚度范围为1～800μm。

为保证所述电磁撤离装量的稳定性，本实施方式中之间均通过等离子键合方式进行封装。为使流体通道3内的试剂流动，所述流体通道3的横截面优先选择扁平半圆弧状，优远地，所述流体通道3横截面形状为扁平半圆弧状，球弧形最大直径为1mm～4mm，最大深度为500～1000μm。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述电磁微阀包括：

带有流体通道的基片；

设置于所述基片上的弹性薄膜；

电磁铁；

阀座；及

设置于所述阀座内的永磁铁阀芯；

所述阀座和所述流体通道对应设置于所述弹性薄膜两侧；所述电磁铁对应所述阀芯设置于所述基片远离所述阀座一侧或所述阀座远离所述基片一侧。

2.根据权利要求1所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述阀芯靠近所述弹性薄膜一侧具有与所述流体通道内表面形状相契合的凸起部。

3.根据权利要求1所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述基片和/或阀座材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。

4.根据权利要求1所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述弹性薄膜材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

5.根据权利要求4所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述弹性薄膜厚度为1～800μm。

6.根据权利要求1所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述阀芯为预先磁化的钕铁硼永磁铁。

7.根据权利要求2所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述凸起部为设置于所述阀芯靠近所述弹性薄膜一侧表面的常温固体涂覆物。

8.根据权利要求7所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述常温固体涂覆物为油漆。

9.根据权利要求1所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述阀座内腔的内径比所述阀芯的最大直径宽0.5～3.0mm，用于限制所述阀芯在靠近或远离所述流体通道方向移位。

10.根据权利要求1所述的集成于微流控芯片的电磁微阀，其特征在于，所述流体通道横截面形状为扁平半圆弧状，所述弧形最大直径为1mm～4mm，最大深度为500～1000μm。