一种通过离心力驱动的液滴控制微阀的制作方法

本发明涉及一种微流控阀门，特别是涉及一种通过离心力驱动对微小液滴流动产生开关作用的阀门。

背景技术：

微流控芯片通过在硅、石英、玻璃等基质材料上加工出微小通道、微阀等功能单元，来实现精确操控微小尺度流体在芯片内流动的功能。微阀起到调控芯片内流体的压力、流量和流向的作用。微流控系统分为有泵和无泵两种方式，无泵系统的一种方式是通过离心力驱动液滴的行为而实现。液滴在微观上的行为受表面张力等因素影响，其在极细的通道内移动或从微腔内移出会受液体表面张力的影响而被阻止，当转动产生离心力变化时，液滴会开始移动。液滴的移动也会受到通道粗细及转速大小的制约。转速大小的制约体现在需要尝试不同的转速来获得能使液滴开始移动的阈值转速；也体现在需要设定最低转速限制，以免液滴在特定的位置继续移动。单纯通过改变离心力而实现的液体控制对流路的设计要求很高，对流路制造工艺的要求也较高，由此在微流控系统中微阀的存在是非常必要的。常见微流控芯片中的微阀主要有以下三种：

(1)外部气动微阀。通过控制外部气压，将芯片内特定位置的薄膜鼓起或收缩，使得对应的微小通道关闭或开启，从而控制流路通断。但存在加工流程复杂的不足。

(2)石蜡微阀。通过热驱动控制石蜡的相变来控制微阀的通断，在石蜡受热小于一定值时，固态石蜡使得微阀关闭，样品溶液被封闭在反应腔内；在石蜡受热大于一定值时，石蜡相变为液态，微阀开启，微小液滴在芯片通道上流出。但该类阀门存在重复使用性差，外部控制系统复杂的不足。

(3)压电微阀。通过压电材料的压电效应来实现阀动作。未施加电压时，微阀具有良好的密封性能，当电压大于一定值时，流体可通过微阀。具有反应时间短、灵敏度高、功耗小、寿命长、环保节能的优点，但也存在容易泄漏、加工复杂的不足。

上述用于微流控芯片的微阀设计各具优点，但均存在结构设计复杂、制作难度较大、制作成本较高等缺陷。为此，有必要设计一种结构简单、控制方便的微流控芯片微阀结构。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种通过离心力驱动的液滴控制微阀，从而解决无阀微流控芯片系统中液滴的流动控制需要设计较为特殊的流路结构、实施时受毛细管粗细、加工精度等限制的问题，且结构简单方便控制。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种通过离心力驱动的液滴控制微阀，包括微流控芯片和设于微流控芯片内的微阀，所述微流控芯片具有上行通道和下行通道，所述的上行通道和下行通道中间为本发明设计的微阀，通过切换微阀开启和闭合控制微流控芯片上的微小液滴的流动行为。所述的控制微阀包括配重体、启闭栓、连接件和阀腔，所述的微流控芯片中设有启闭栓且通过连接件固连于微流控芯片上，所述的启闭栓在连接件未发生形变时能够阻断上行通道内微小液滴进入下行通道，而所述的配重体与所述的启闭栓固连，在一定离心力作用下可以带动所述的启闭栓向所述的阀腔移动，此时连接件形变，启闭栓顶部高度下降，阀门状态切换至开启，微小液滴流入下行通道；离心力减小或消失后，启闭栓复位，微阀状态切换至关闭，整个微阀的一次状态切换完毕。

更进一步地，所述的启闭栓的尺寸与配重体的尺寸相适配。

更进一步地，所述的连接件采用软质材料制作。

更进一步地，所述的阀腔应为空置的腔室。

更进一步地，所述的上行通道和下行通道均具有一定的长度能够容纳微流控芯片内的流体。

3.本发明的有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种通过离心力驱动的液滴控制微阀，使流体的流量和流向受通道粗细、通道壁光滑度等因素限制减少；

(2)本发明的一种通过离心力驱动的液滴控制微阀，能够实现微流控芯片内流道的快速切换。切换动作稳定可靠，操作简单方便。

(3)本发明的一种通过离心力驱动的液滴控制微阀，结构简单，制作成本低廉，稳定性优良。

附图说明

图1为本发明的一种通过离心力驱动的液滴控制微阀的关闭状态示意图；

图2为本发明的一种通过离心力驱动的液滴控制微阀的开启状态示意图。

示图中的标号说明：

1.1-1、微流控芯片、1-2、上行通道；1-3、微小液滴；1-4、启闭栓；1-5、下行通道；1-6、连接件；1-7、配重体；1-8、阀腔；2.2-1、微流控芯片；2-2、上行通道；2-3、微小液滴；2-4、启闭栓；2-5、下行通道；2-6、连接件；2-7、配重体；2-8、阀腔。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清晰，现将本发明结合附图和实施例作进一步详细说明。所描述的实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作出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

结合图1和图2所示，本实施例的一种通过离心力驱动的液滴控制微阀结构，仅阐述切面方向的结构，垂直方向上下平面皆为封闭式。切面结构包括如图1所示的微流控芯片1-1和设于微流控芯片内的启闭栓1-4，启闭栓的外侧通过连接件1-6固连于微流控芯片1-1上，连接件1-6可发生向下的形变。微流控芯片1-1具有上行通道1-2和下行通道1-5，上行通道1-2和下行通道1-5的具体形状根据微流控芯片1-1所需要达到的工作要求来设计。微小液滴1-3由上行通道1-2流入，受到启闭栓1-4的阻碍，无法进入下行通道1-5。通过切换微阀状态，微小液滴1-3可进入下行通道1-5，并从对应通道流出。在进行微阀状态切换时，如图2所示，微流控芯片2-1受到一定离心力作用时，配重体2-7向下移动，启闭栓2-4在配重体2-7的带动下向下发生形变，启闭栓下降至空的阀腔2-8，启闭栓2-4顶部与下行通道2-5的相对高度差减少至可容纳微小液滴2-3经由通过，此时微阀切换为开启状态，微小液滴2-3由上行通道2-2流入下行通道2-5，满足了阀门开启需要。当离心力减小或消失，连接件2-6收缩复位，启闭栓2-4回到原位，此时微阀切换回关闭状态。本发明能够实现微流控芯片内流道的快速切换，结构简单，加工制作方便，制作成本低。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
微阀结构包括配重体、连接件、阀腔和启闭栓，微阀结构通过连接件的边缘固定于微流控芯片，连接件与启闭栓、配重体相连。在一定的离心力作用下，配重体的移动引起连接件发生形变，从而带动启闭栓向控制的阀腔运动，微阀开启；在减弱离心力到一定程度，连接件的形变恢复，启闭栓回到原位，微阀关闭。本发明方法可以用于微流控实验当中，解决了无阀微流控系统中流体的控制受毛细管粗细，加工精度，转盘速度以及设计难度等因素限制的问题。

技术研发人员：张海汐;崔雪璐;何浩培;童嘉旻;庄紫云
受保护的技术使用者：宁波赫柏生物科技有限公司
技术研发日：2019.04.26
技术公布日：2019.07.09