一种微流体换向阀芯片及其制造方法与流程

本发明涉及微流体换向阀技术，具体是一种微流体换向阀芯片及其制造方法。

背景技术：

微流控技术在现代科研领域中有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景。这是一种将机械、生物、化学、医学等多学科知识进行有机结合、在微尺度领域实现对流体的研究和操控的前沿技术。相比传统的检测，微流控技术将一个复杂的大型实验室集成到一块微小的芯片上，具有微型化、集成化、用量少、速度快等优点，在生物领域、医学领域等发挥了极其重要的作用。

在对微流体进行操控的过程中，有时需要对流体进行正反倒换的交替循环流动来达到某种功能，因此如何实现流体换向是一项重要的研究内容。目前使用较多的是传统机械式换向阀，根据阀的结构形式可分为：球阀式换向阀、滑阀式换向阀、转阀式换向阀和锥阀式换向阀；根据阀的操纵方式可分为：手动式换向阀、液动式换向阀、电磁式换向阀、气动式换向阀等；根据阀的工作位置数和控制的通道数可分为：二位二通换向阀、二位三通换向阀、二位四通换向阀、三位四通换向阀、三位五通换向阀等。这些机械式换向阀通过不同的原理及结构实现两种以上的流动形式，满足工况需求。

但在微尺度下，通道尺寸非常小，一般仅有几百微米，机械式阀门体积相对较大，不利于芯片的有效集成。另外，具有移动部件的阀更容易受到颗粒物的污染从而影响后续实验。因此，寻找一种适合于微流体换向的方法尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种微流体换向阀芯片及其制造方法。

本发明解决所述芯片技术问题的技术方案是，提供一种微流体换向阀芯片，其特征在于该芯片包括微通道层、基片、基底和叉指形电极；所述微通道层位于整个芯片的上层，基片位于整个芯片的中间，基底位于整个芯片的下层，三者相互连接；

所述基底开有两个温控沟槽，一个用于存放高于室温的液体，另一个用于存放低于室温的液体；所述叉指形电极溅射或沉积于基片上，叉指形电极由若干电极对构成，电极对均布于基片上；每个电极对均由两个大小相同的电极构成，两个电极在工作时分别通入相位差为180度的交流电势，两个电极之间在流体流动方向上相互平行且存在交叠区域；电极对内两个电极中的一个位于第一温控沟槽正上方，另一个位于第二温控沟槽正上方；电极对内两个电极之间的距离小于相邻两电极对之间的距离。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种微流体换向阀芯片的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在基片的表面溅射或沉积出尺寸相同且呈周期性分布的叉指形电极，相邻两个电极在工作时分别通入相位差为180度的交流电势；

2)将微通道层通过软光刻工艺制出微流体通道，再将微通道层和基片进行键合；

3)利用微加工的方法在基底上加工出两个温控沟槽，一个用于存放高于室温的液体，另一个用于存放低于室温的液体；再将基底与微通道层和基片进行键合，得到所述微流体换向阀芯片。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)通过基底的两个温控沟槽分别通入高于室温和低于室温的液体，来改变两侧电极的温度，从而使流体内部产生较大温度梯度，利用交流电热效应来驱动流体运动；且通过更换温控沟槽内液体的温度，电热力方向随冷、热液体的交替而改变方向，即可实现流体的换向。

(2)该芯片制作与操作简单，仅通过交替通入高于室温与低于室温的液体即可实现换向，比传统机械式换向阀结构简单，利于微流控芯片的集成。且无移动部件，对污染物不敏感。

附图说明

图1是本发明微流体换向阀芯片及其制造方法一种实施例的芯片的三维透视图；

图2是本发明微流体换向阀芯片及其制造方法一种实施例的主视剖面图；

图3是本发明微流体换向阀芯片及其制造方法一种实施例的基片俯视示意图及叉指形电极分布示意图；

图4是本发明微流体换向阀芯片及其制造方法一种实施例的基底俯视示意图；(图中：1、微通道层；2、基片；3、基底；31、第一温控沟槽；32、第二温控沟槽；4、叉指形电极)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种微流体换向阀芯片(简称芯片，参见图1-4)，其特征在于该芯片包括微通道层1、基片2、基底3和叉指形电极4；所述微通道层1位于整个芯片的上层，基片2位于整个芯片的中间，基底3位于整个芯片的下层，三者通过键合工艺组成芯片外形；所述微通道层1和基底3采用PDMS或PMMA等聚合物材料制成，优选PDMS材料；所述基片2采用玻璃片、硅片或PMMA等聚合物片层，优选硅片；

所述基底3开有两个温控沟槽，具体是第一温控沟槽31和第二温控沟槽32，一个用于存放高于室温的液体，另一个用于存放低于室温的液体，通过温度梯度，可使微通道层1内的流体内部电热力方向发生变化，从而实现流体换向；液体优选导热性能优异的液体，如导热硅油、水。

所述叉指形电极4溅射或沉积于基片2的上表面，叉指形电极4由若干电极对构成，电极对呈周期性地均布于基片2上；每个电极对均由两个大小相同的电极构成，两个电极在工作时分别通入相位差为180度的交流电势，两个电极之间在流体流动方向上相互平行且存在交叠区域；电极对内两个电极中的一个对应第一温控沟槽31，位于其正上方；两个电极中的另一个对应第二温控沟槽32，位于其正上方；电极对内两个电极之间的距离小于相邻两电极对之间的距离；

相邻两电极对之间的距离为几微米到几千微米。

叉指形电极4中每个电极的长度小于与其对应的基底3的温控沟槽的宽度。

所述叉指形电极4中每个电极的宽度在3μm-300μm之间；

本发明同时提供了一种微流体换向阀芯片的制造方法(简称方法)，其特征在于包括以下步骤：

1)在基片2的表面溅射或沉积出尺寸相同且呈周期性分布的叉指形电极4，相邻两个电极在工作时分别通入相位差为180度的交流电势；

2)将微通道层1通过软光刻工艺制出微流体通道，再利用等离子键合机或热压键合机将微通道层1和基片2进行键合；

3)利用微加工的方法在基底3上加工出两个温控沟槽，一个用于存放高于室温的液体(可用电阻丝或其他加热设备加热)，另一个用于存放低于室温的液体(可用制冷片或其他制冷设备进行制冷)；再利用等离子键合机或热压键合机将基底3与微通道层1和基片2进行键合，得到所述微流体换向阀芯片。

本发明微流体换向阀芯片的工作原理和工作流程是：

工作原理：该芯片基于交流电热原理，即在非均匀的电场中，流体内部会产生一定的温度梯度，致使流体的电导率和介电常数等物理性质发生变化，产生电导率梯度和介电梯度，从而产生电热力驱动流体流动。当采用宽度尺寸相等的电极时，通入大小相等、方向相反的交流电后，电极附近会产生漩涡流动。为了产生方向性流动，对相邻电极进行加热和降温，从而加大流体内部的温度梯度，以实现流动，当电极交替进行加热和降温时，即可实现流体换向，达到换向阀的作用。

工作流程：工作开始时，用微泵连接注射器将适量流体(电解质溶液，溶液的电导率为0.1-3S/m)通入微通道层1的微通道中。将叉指形电极4中通入交流电(峰值在1-20V，频率大约在100kHz-2MHz)，相邻两个电极分别通入相位差为180度的交流电势，同时在两个温控沟槽中分别通入低于室温的液体和高于室温的液体，即在流体内部产生了较大温度梯度，这种温度梯度致使流体的介电常数和电导率均产生一定梯度，从而产生电热力驱动流体产生方向性运动。例如当第一温控沟槽31通入高于室温的液体，第二温控沟槽32通入低于室温的液体，一个电极对中位于第一温控沟槽31正上方的电极的温度高于位于第二温控沟槽32正上方的电极的温度，结合图3和图4，微通道层1内的流体在图3和图4中从右向左流动。反之同理。

两个温控沟槽交替通入温差较大的液体时，流场内的温度梯度方向发生交替变换，即实现了流体的换向。

本发明未述及之处适用于现有技术。