CN215196995U - 一种基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，属于精密设备技术领域。本实用新型所述装置中PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)构成整个阀体，内部网络通道有控制通道和液体通道，通过控制通道的气体的供气压力来控制液体通道的开启与闭合。在TPU膜上使用激光打孔，形成微止回阀从而保持常闭状态和防止回流，两个微止回阀和一个储液室构成微泵；芯片采用热熔键合，这种方式不需要进行任何特殊的化学处理或使用主模。该芯片集成度高，无泄漏量，精确度高，具有更好的耐久性和耐压性。该装置使用简单，携带方便，能够实现不同剂量液体的输送。

Description

一种基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置

技术领域

本实用新型及一种基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，属于精密设备技术领域。

背景技术

微流体器件广泛用于实验芯片来进行生物实验和化学反应等试验，微流体器件适合各种流量控制系统的开发，其控制技术包括电、磁、热、气相变化等，其中气动驱动是最常用的也是最便捷的一钟方法，因为气体便于获取还不容易损坏微阀。用于实验室流体处理的玻璃基板上的芯片结构，该结构的设计通过使用COMSOL Multiphysics进行仿真模拟，为了克服集成和精密控制液体流量问题我们采用微泵的形式通过使用两个微止回阀和圆形室形成微泵来实现液体的储存，该芯片由多个微泵集成在储存满液体药物后只需通过气体来控制液体的输出，由多个微泵集成的微流控芯片能够在一定程度上实现液体的精准控制，气体是清洁能源容易获得，从而实现该芯片的广泛应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，该装置采用两个微止回阀和一个圆形室的串联方式形成微泵，实现了液体的储存和控制一体；通过多个微泵集成实现液体的精准控制，微泵实现液体的控制和储存的功能。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，包括芯片1，芯片1上集成有多条液体通道4，液体通道4的一端设有液体进口2，另一端设有液体出口5，每条液体通道4上设有一个微泵3；

所述微泵3包括微止回阀、气室305、出口止回阀306、液体排出口307、TPU阀膜308、TPU膜上孔Ⅱ309，微止回阀由液体通道吸入口301、进口止回阀302、TPU膜上孔Ⅰ303、障碍柱304构成；TPU阀膜308固定在微泵3的内侧壁上，将微泵3分为上下两层，在微泵3两侧对称设有障碍柱Ⅰ304和障碍柱Ⅱ310，障碍柱Ⅰ304下端固定在微泵3底部，上端与TPU阀膜308接触，出口止回阀306在TPU阀膜308上；

TPU阀膜308上设有TPU膜上孔Ⅰ303和TPU膜上孔Ⅱ309，TPU膜上孔Ⅰ303位于位于进口止回阀302的下方，且位于障碍柱Ⅰ304的右侧，TPU膜上孔Ⅱ309出口止回阀306的下方，且位于障碍柱Ⅱ310的右侧；

气室305置于TPU阀膜308上，气室305与TPU阀膜308通过热熔键合键合连接；气室305的进气口6通过气体通道7与供气设备连通。

优选的，本实用新型所述聚甲基丙烯酸甲酯PMMA构成整个芯片，热塑性聚氨酯TPU构成了微泵的阀膜。

优选的，本实用新型所述芯片1的长30mm，宽20mm，厚2mm，液体进口2和液体出口5直径均为1mm，进口止回阀302和出口止回阀306用厚度为125μm的PMMA薄膜制作；TPU阀膜308用厚度为25μm的TPU薄膜制作。

优选的，本实用新型所述微泵3长1500μm，宽400μm，高200μm，其中进口止回阀302和出口止回阀306的宽度为400μm长为600μm，中间圆形气室和储液室直径为600μm，其中液体通道和气体通道均为100μm，激光打孔直径为100μm。

本实用新型的工作原理：

具体操作如下：给芯片1的液体通道4的液体进口2供液体，液体通过液体通道2流向微泵3，从压力达到0.25±0.05psi时，进口止回阀302内的TPU阀膜308就会向上翘起，进口止回阀302打开，开始向气室305的下部输送液体，同时气室305内的气压压力减小，加快液体的储存速度，这是芯片的储存液体阶段；输送液体阶段，通过增加气室305内的压力，TPU阀膜308向下弯曲，挤气室3-5的下部，当压力达到0.25±0.05psi时，出口止回阀302内的TPU阀膜308向上翘起，液体开始输出，液体从出口止回阀306流向流向液体通道4，最后流向液体出口5，其他阀的工作原理相同。

输送液体时，根据需要的计量不同分别向图2的进气口6输入气体增加气压或者抽取气体减小气压，从而控制图1的微泵3以及相同的微泵实现储存液体或者输出液体；输出完毕后关闭气缸，微止回阀自动关闭；这种集成的微泵芯片通过控制微泵开启的个数实现不同剂量液体的精确输送；这种芯片不仅能够控制液体的输出和输入，还能实现液体的储存，方便携带。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型所述装置优化了微阀的结构使之构成微泵，利用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和TPU(热塑性聚氨酯)分别构成微泵整体和阀膜，圆形气室，减少了进气止回阀与排量室之间的液体死区体积，控制气室的气体的供气压力的大小，来储存或释放液体，气体来源于空气，便于获取和利用；工作时只需要调节气体压力的大小，既可以控制液体的释放，操作简便。

(2)本实用新型所述阀膜是TPU(热塑性聚氨酯)构成的，相对于PDMS(聚二甲基硅氧烷)阀膜，这种阀膜能和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)微泵整体通过热熔键合制成微流体芯片，这种方式不要进行任何特殊的化学处理或使用主模，同时具有良好的生物相容性，热机械性能。

(3)通过在TPU(热塑性聚氨酯)上使用激光打孔，以及在阀的液体通道内设计一个障碍，从而构成微止回阀，可以有效的防止液体回流，再将两个微止回阀和一个圆形室串联在一起形成一个微泵，这种微泵能够实现液体的储存以及液体的精确输送，能够承受的最大压力为30psi。

(4)通过控制微泵气室内的气体压力的大小来控制液体的输出，无控制时微泵自动关闭。芯片实现多个微泵的集成，能够实现液体的储存以及液体的精准的输送。使用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制作阀体，TPU(热塑性聚氨酯)制作阀膜，通过热熔键合制成微流体芯片，这种方式不需要进行任何特殊的化学处理或使用主模，同时具有良好的生物相容性，热机械性能。该芯片集成度高，无泄漏量，精确度高，具有更好的耐久性和耐压性。该装置使用简单，携带方便，能够实现不同剂量液体的输送。

附图说明

图1为本实用新型所述微流体芯片中的部分微泵分布示意图和液体通道示意图。

图2为本实用新型所述微流体芯片中的部分微泵的气体通道示意图。

图3为本实用新型所述微流体芯片中的微泵结构的示意图；

图4为本实用新型所述微流体芯片中的微泵结构的剖视图。

图5为本实用新型所述微泵的工作原理图，(a)为储存液体阶段，(b)为输送液体阶段。

图中：1-芯片；2-液体进口；3-微泵；4-液体通道；5-液体出口；6-进气口；7-气体通道；301-液体通道吸入口；302-进口止回阀；303-TPU膜上孔Ⅰ；304-障碍柱；305-气室；306-出口止回阀；308-TPU阀膜；309-TPU膜上孔Ⅱ；310-障碍柱Ⅱ。

具体实施方式

下面结合具体实施例本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，如图1所示，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)构成整个芯片1，芯片1上集成有多条液体通道4，液体通道4的一端设有液体进口2，每个液体通道4上设有一个微泵3，并对应设有一个液体出口5，具体分布如图1所示。

微泵3气室305的进气口6通过气体通道7与供气设备连通，气体通道分布如图2所示，整个芯片放置在玻璃基片上。

图3、图4为微泵的结构示意图，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)构成整个微泵，TPU(热塑性聚氨酯)构成了微泵的TPU阀膜308；所述微泵3包括微止回阀、气室305、出口止回阀306、液体排出口307、TPU阀膜308、TPU膜上孔Ⅱ309，微止回阀由液体通道吸入口301、进口止回阀302、TPU膜上孔Ⅰ303、障碍柱304构成；TPU阀膜308固定在微泵3的内侧壁上，将微泵3分为上下两层，在微泵3两侧对称设有障碍柱Ⅰ304和障碍柱Ⅱ310，障碍柱Ⅰ304下端固定在微泵3底部，上端与TPU阀膜308接触，出口止回阀306在TPU阀膜308上；

气室305置于TPU阀膜308上，气室305与TPU阀膜308通过热熔键合键合连接；气室305的进气口6通过气体通道7与供气设备连通。

液体通道吸入口301位于下方，其中液体通道吸入口301、进口止回阀302、TPU膜上孔Ⅰ303、障碍柱304构成构成微止回阀；利用气体的进口压力来控制微泵里液体的抽取和输送；图5为微泵的工作原理图。

本实施例所述芯片1的长30mm，宽20mm，厚2mm，液体进口2和液体出口5直径均为1mm，进口止回阀302和出口止回阀306用厚度为125μm的PMMA薄膜制作；TPU阀膜308用厚度为25μm的TPU薄膜制作。

本实施例所述微泵3长1500μm，宽400μm，高200μm，其中进口止回阀302和出口止回阀306的宽度为400μm长为600μm，中间圆形气室和储液室直径为600μm，其中液体通道和气体通道均为100μm，激光打孔直径为100μm。

由于微阀的阀体是由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)构成，阀膜是TPU(热塑性聚氨酯)构成，通过热熔键合制成微流体芯片，这种方式不要进行任何特殊的化学处理或使用主模，同时具有良好的生物相容性，热机械性能。

本实用新型所述装置通常情况下是自动关闭的单个微泵能够承受的最大压力是30psi，当需要输送液体时只需要控制气室内的压力，就可以实现液体的输送，不需要时停止气室压力的控制，微止回阀就自动关闭，如图5所示为微泵的工作原理；储存液体阶段，当需要向微泵3里注入液体时，如图5-(a)所示只需要减少气室305内的压力，TPU阀膜308向上弯曲，同时增加液体输送的速度，当液体的压力达到0.25±0.05psi时，进口止回阀302内的TPU阀膜308就会向上翘起，进口止回阀302打开，开始向气室的下部储存液体；输出液体阶段，此时液体输送停止，通过增加气室内的压力，TPU阀膜308向下弯曲，挤压室的下部，压力达到0.25±0.05psi时，出口止回阀内的TPU阀膜308向上翘起，液体开始输出，输出完毕关闭气缸，微止回阀自动关闭。

通过COMSOL Multiphysics仿真模拟可知：微泵储存液体时，液体进口压力为0.25±0.05psi时，阀膜将会向上弯曲液体通道打开，液体的相关流量为6.5±5.5μL/min，止回阀能够承受的最大压力为30psi可以有效地防止液体回流和关闭微泵。

通过交换进气道和出口，并施加-12psi的负压到入口，未观察到从出口向进口的泄漏流动；然而，通过对进气口施加正压力，止回阀切换到前向模式，从而使流体通过止回阀。这种全热塑性微泵的气动驱动，通过集成两个膜基止回阀与一个单隔膜排气室在一个单一的液体通道，没有任何泄漏的反向模式；这种结构可以减少进气止回阀和排气室之间的液体死区，实现了液体的储存和控制。

Claims (4)

1.一种基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，其特征在于：包括芯片(1)，芯片(1)上集成有多条液体通道(4)，液体通道(4)的一端设有液体进口(2)，另一端设有液体出口(5)，每条液体通道(4)上设有一个微泵(3)；

所述微泵(3)包括微止回阀、气室(305)、出口止回阀(306)、液体排出口(307)、TPU阀膜(308)、TPU膜上孔Ⅱ(309)，微止回阀由液体通道吸入口(301)、进口止回阀(302)、TPU膜上孔Ⅰ(303)、障碍柱Ⅰ(304)构成；TPU阀膜(308)固定在微泵(3)的内侧壁上，将微泵(3)分为上下两层，在微泵(3)两侧对称设有障碍柱Ⅰ(304)和障碍柱Ⅱ(310)，障碍柱Ⅰ(304)下端固定在微泵(3)底部，上端与TPU阀膜(308)接触，出口止回阀(306)在TPU阀膜(308)上；

TPU阀膜(308)上设有TPU膜上孔Ⅰ(303)和TPU膜上孔Ⅱ(309)，TPU膜上孔Ⅰ(303)位于位于进口止回阀(302)的下方，且位于障碍柱Ⅰ(304)的右侧，TPU膜上孔Ⅱ(309)出口止回阀(306)的下方，且位于障碍柱Ⅱ(310)的右侧；

气室(305)置于TPU阀膜(308)上，气室(305)与TPU阀膜(308)通过热熔键合键合连接；气室(305)的进气口(6)通过气体通道(7)与供气设备连通。

2.根据权利要求1所述基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，其特征在于：聚甲基丙烯酸甲酯PMMA构成整个芯片，热塑性聚氨酯TPU构成了微泵的阀膜。

3.根据权利要求1所述基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，其特征在于：芯片(1)的长30mm，宽20mm，厚2mm，液体进口(2)和液体出口(5)直径均为1mm，进口止回阀(302)和出口止回阀(306)用厚度为125μm的PMMA薄膜制作；TPU阀膜(308)用厚度为25μm的TPU薄膜制作。

4.根据权利要求1所述基于微流控芯片微泵集成的液体精密控制装置，其特征在于：微泵(3)长1500μm，宽400μm，高200μm，其中进口止回阀(302)和出口止回阀(306)的宽度为400μm长为600μm，中间圆形气室和储液室直径为600μm，其中液体通道和气体通道均为100μm，激光打孔直径为100μm。

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