微流體微閥及驅(qū)動裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微膜泵芯片上的基本功能單元微閥結(jié)構(gòu)及驅(qū)動裝置。微流體微閥由流道結(jié)構(gòu)層、膜片層、驅(qū)動結(jié)構(gòu)層、傳動液體、溫度敏感材料、熱交換面構(gòu)成；驅(qū)動裝置至少包括：芯片卡具、溫度控制裝置、熱控面。微閥結(jié)構(gòu)將溫變材料及傳動液體封閉在芯片中，利用溫變材料固液狀態(tài)變化產(chǎn)生驅(qū)動力，通過對芯片熱接觸區(qū)控溫實現(xiàn)芯片流體驅(qū)動。在基于微膜泵技術(shù)的塑料微流體芯片上，芯片上各種微控制器件都可由微閥演化而來，根據(jù)需要進(jìn)行不同組合集成，可實現(xiàn)芯片上微量流體控制。本發(fā)明方案具有驅(qū)動裝置和流道分離，芯片易于加工，成本低，芯片與驅(qū)動裝置連接簡單可靠，驅(qū)動裝置可重復(fù)使用的特點。
【專利說明】 微流體微閥及驅(qū)動裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及一種微流體微閥及驅(qū)動裝置，尤其涉及一種塑料微膜泵芯片上的基本功能單元微閥及驅(qū)動裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有實驗室分析方法往往受前處理及檢測過程復(fù)雜，場地要求嚴(yán)格等因素的限制，易受環(huán)境及人為因素干擾。微流體芯片系統(tǒng)用以驅(qū)動微少體積流體，具有良好的封閉性，使用方便、樣品使用量小，受人為因素干擾小，在生命科學(xué)研究、疾病診斷、食品安全、環(huán)境分析等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
[0003]塑料微流體芯片具有一次性使用，低成本等優(yōu)勢，受到了廣泛關(guān)注。發(fā)明專利(CN101282789)提供了多種基于微膜泵塑料芯片的功能結(jié)構(gòu)，易于批量生產(chǎn)，功能靈活可控。為了降低芯片成本，芯片中僅包含流體流動所需流道結(jié)構(gòu)，不包含復(fù)雜的驅(qū)動及傳動系統(tǒng)。發(fā)明專利(CN 102906573)提供了基于微末泵塑料芯片的檢測裝置，采用氣動驅(qū)動及傳動部件，實現(xiàn)了核酸分析全過程的芯片集成。系統(tǒng)為了使用氣體能量驅(qū)動膜片，針對每個微膜泵設(shè)置了氣動接口，同時為了保證芯片可以方便拆卸，氣動接口只能做臨時密封，特別當(dāng)高壓氣體推動微膜泵時容易泄露。由于微流體芯片上需要驅(qū)動大量的基本微膜泵單元，任何單元漏氣，都可能導(dǎo)致芯片失效，造成了可靠性隱患。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種微流體微閥及驅(qū)動裝置，微閥結(jié)構(gòu)利用溫變材料固液狀態(tài)變化產(chǎn)生驅(qū)動力，并將溫變材料及傳動液體封閉在芯片中，通過對芯片熱接觸區(qū)控溫實現(xiàn)芯片流體驅(qū)動，具有使用方便、可靠，易于加工，低成本的特點。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案中微流體微閥由流道結(jié)構(gòu)層104、膜片層103、驅(qū)動結(jié)構(gòu)層102、傳動液體105、溫度敏感材料106、熱交換面107構(gòu)成:其中流道結(jié)構(gòu)層104由塑料材料制成，并在與彈性膜片層103接觸的一面有溝槽、過孔等結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建流道203 ;流道結(jié)構(gòu)層104與膜片層103封閉形成流道203，并構(gòu)成彈性膜片202 ;其中，膜片層103部分區(qū)域不與流道結(jié)構(gòu)層104和驅(qū)動結(jié)構(gòu)層105粘連，在壓力作用下可以與流道結(jié)構(gòu)層104分離，形成一定空間存儲流體或構(gòu)成流體通道，也可以在壓力作用下貼緊流道結(jié)構(gòu)層104，排空流體或阻斷流體通路，這部分膜層的可動區(qū)域定義為彈性膜片202 ;其中驅(qū)動結(jié)構(gòu)層105由塑料材質(zhì)制成，并在其與膜片層103接觸的一面有溝槽結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建傳動液體通道201，其中充滿傳動液體105，驅(qū)動結(jié)構(gòu)層105設(shè)有儲存溫度敏感材料的空間204 ;其中熱交換面107用于驅(qū)動裝置進(jìn)行熱交換，控制溫度敏感材料106溫度；其中傳動液體105將溫度敏感材料106由于受控溫度改變而引起的體積膨脹或收縮力引起的壓強(qiáng)變化傳至彈性膜片202，使其發(fā)生形變。所述溫度敏感材料106為石蠟等固液相變體積發(fā)生明顯變化的材料。溫度敏感材料106和傳動液體105在芯片生產(chǎn)過程中封閉在芯片內(nèi)。驅(qū)動結(jié)構(gòu)層102可以是一層或兩層，在流道結(jié)構(gòu)層104的下部或?qū)⒘鞯澜Y(jié)構(gòu)層包夾。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案中微流體膜片泵驅(qū)動裝置至少包括:芯片卡具101、溫度控制裝置109、熱控面108。所述溫度控制裝置109，具有測溫和控溫功能，可以使熱控面108溫度在溫度敏感材料106固液相變化溫度范圍內(nèi)快速變化，可以包含預(yù)熱裝置，使熱控面保持基礎(chǔ)溫度在溫度敏感材料106固液變換溫度附近。芯片卡具101具有定位和壓緊功能，使芯片上的熱交換面107與驅(qū)動裝置的熱控面108對準(zhǔn)并緊密接觸。
[0007]本發(fā)明技術(shù)方案中微流體微閥集成與塑料微流體芯片中。在基于微膜泵技術(shù)的微流體芯片上，芯片上各種微控制器件都是由微閥演變而來的，根據(jù)需要進(jìn)行不同組合集成，本發(fā)明裝置即可實現(xiàn)芯片上微量流體控制。
[0008]本發(fā)明保持了原有在先技術(shù)控制靈活，便于平行驅(qū)動，芯片安裝方便的優(yōu)點，同時由于將溫變材料集成在芯片中，提高了傳動效率；由于取消了氣動接口解決了由于氣體泄露引起的微閥功能失效，提高了系統(tǒng)的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]通過附圖和實施例，對本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明的特征將被充分公開或者清楚反映，其中:
[0010]圖1為本發(fā)明方案簡圖
[0011]圖2芯片局部放大圖
[0012]圖3本發(fā)明具體實施方案簡圖-體積置換泵

【具體實施方式】
[0013]采用本發(fā)明方案實施例可以驅(qū)動微膜泵實現(xiàn)流體雙向運動。如圖3芯片303上3個串聯(lián)本發(fā)明所提供的微流體微閥302A、302B、302C構(gòu)成一個雙向體積置換泵。其中中間的微流體微閥302B較大，構(gòu)成置換腔，微流體微閥302A、302C為止回閥。芯片303被托盤305和卡件301固定，使芯片303上3個微流體微閥302A、302B、302C的熱交換面與托盤306上的溫控裝置304A、304B、304C的熱控面良好接觸。每個微閥對應(yīng)一套溫控裝置，通過半導(dǎo)體制冷器和溫度傳感器實現(xiàn)對芯片303上每個微閥的閉環(huán)控制。微流體微閥302A、302B、302C采用石蠟作為工作介質(zhì)。石蠟的固液轉(zhuǎn)換溫度約在40-45°C左右，可實現(xiàn)10%左右的體積變化。
[0014]采用上述裝置，流體驅(qū)動過程分為吸入和排除兩個步驟。吸入過程:對微閥302C升溫，使工作物質(zhì)膨脹，微閥302C關(guān)閉；微閥302A降溫打開；然后微閥302B降溫將微量液體吸入置換腔。排出過程:對微閥302A升溫，使工作物質(zhì)膨脹，微閥302A關(guān)閉；微閥302C降溫打開；然后微閥302B升溫，將吸入的液體經(jīng)過302C排出。通過交替執(zhí)行吸入和排出過程可以實現(xiàn)微量流體的驅(qū)動。由于結(jié)構(gòu)對稱，改變驅(qū)動步驟可以輕易實現(xiàn)流體的雙向驅(qū)動。
[0015]以上所述實施例只提供在本發(fā)明所提出方法指導(dǎo)下的具體實施方案，并不限定本方法實施方式和應(yīng)用領(lǐng)域，任何不脫離本方法精神的對本發(fā)明的修改和變形，應(yīng)涵蓋于本發(fā)明所覆蓋范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.微流體微閥，由流道結(jié)構(gòu)層104、膜片層103、驅(qū)動結(jié)構(gòu)層102、傳動液體105、溫度敏感材料106、熱交換面107構(gòu)成: 其中流道結(jié)構(gòu)層104由塑料材料制成，并在與彈性膜片層103接觸的一面有溝槽、過孔等結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建流道203 ;流道結(jié)構(gòu)層104與膜片層103形成封閉流道203，并構(gòu)成彈性膜片 202 ； 其中，膜片層103部分區(qū)域不與流道結(jié)構(gòu)層104和驅(qū)動結(jié)構(gòu)層105粘連，在壓力作用下可以與流道結(jié)構(gòu)層104分離，形成一定空間存儲流體或構(gòu)成流體通道，也可以在壓力作用下貼緊流道結(jié)構(gòu)層104，排空流體或阻斷流體通路，這部分膜層的可動區(qū)域定義為彈性膜片202 ； 其中驅(qū)動結(jié)構(gòu)層105由塑料材質(zhì)制成，并在其與膜片層103接觸的一面有溝槽結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建傳動液體通道201，其中充滿傳動液體105，還設(shè)有儲存溫度敏感材料106的空間204 ； 其中熱交換面107用于驅(qū)動裝置進(jìn)行熱交換，控制溫度敏感材料106溫度； 其中傳動液體105將溫度敏感材料106由于受控溫度改變而引起的體積膨脹或收縮力引起的壓強(qiáng)變化傳至彈性膜片202，使其發(fā)生形變。
2.權(quán)利要求1所述微流體微閥，其特征在于:集成與塑料微流體芯片中，通過不同組合方案實現(xiàn)流體控制功能。
3.權(quán)利要求1所述微流體微閥，其特征在于:溫度敏感材料106為石蠟等固液相變體積發(fā)生明顯變化的材料。
4.權(quán)利要求1所述微流體微閥，其特征在于:溫度敏感材料106和傳動液體105在芯片生產(chǎn)過程中封閉在芯片內(nèi)。
5.權(quán)利要求1所述微流體微閥，其特征在于:驅(qū)動結(jié)構(gòu)層102可以是一層或兩層，在流道結(jié)構(gòu)層104的下部或?qū)⒘鞯澜Y(jié)構(gòu)層包夾。
6.微流體膜片泵驅(qū)動裝置，至少包括:芯片卡具101、溫度控制裝置109、熱控面108。
7.權(quán)利要求6所述驅(qū)動裝置，其特征在于所述溫度控制裝置109，具有測溫和控溫功能，可以使熱控面108溫度在溫度敏感材料106固液相變化溫度范圍內(nèi)快速變化，可以包含預(yù)熱裝置，使熱控面保持基礎(chǔ)溫度在溫度敏感材料106固液變換溫度附近。
8.權(quán)利要求6所述驅(qū)動裝置，其特征在于:芯片卡具101具有定位和壓緊功能，使芯片上的熱交換面107與驅(qū)動裝置的熱控面108對準(zhǔn)并緊密接觸。
【文檔編號】F04B43/02GK104315241SQ201410415616
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】劉峰, 鄒明強(qiáng), 劉恩凱 申請人:中國檢驗檢疫科學(xué)研究院