一种低阈值恒流量微阀的制作方法

本实用新型涉及微流控芯片领域，具体涉及一种可用于自动精确调控微流体流量的低阈值恒流量微阀。

背景技术：

随着微纳制造技术的发展，微流控阀作为微尺度控制元件在结构与化学生物、基因测序、单细胞分析等领域已经发挥了重要的作用。其中，微流控流量调节阀由于能够对流量进行精确调控，满足精密微流体控制的要求，在精确给药系统、核酸检测、细胞分选等领域中有着广泛的应用需求。

现有的微流控流量调节阀主要分为主动流量调节阀和被动流量调节阀。主动流量调节阀主要通过外加控制元件来调节流量，其优势在于流量调控的响应速度快且可以实现复杂的流体控制。然而，由于该阀需要借助外部元件工作，因此会消耗额外的能源且不易于微型化集成。与主动流量调节阀相比，被动流量调节阀的流量调节原理更为简单，它并不需要外界控制激发，仅依赖自身结构随外界驱动源的变化，即可自行进行流量调节，且不消耗额外的能量，因而在集成微型化系统应用中更加有优势。目前已报道的被动流量调节阀按结构可以分为单膜阀和双膜阀。单膜阀利用一层弹性薄膜受流体压力变形改变自身流道流阻来实现流量调控，其达到恒定流量控制所需的阈值压力较高(>50kpa)，不易与微型、低压微动力驱动装置(如微泵)集成。双膜阀具有两层弹性薄膜，其实现恒定流量调控所需的阈值压力仅为25kpa。然而，由于绝大多数微动力驱动装置的源压力都在20kpa以内，因此双膜阀也很难满足与微动力驱动装置集成的普遍需求。因此，有必要开发一种具有低阈值压力的微流控被动流量调节阀以实现其与微动力驱动装置的有效集成，最终为制成低成本、便携式的药物传输系统、微芯片实验室和即时检测仪器提供技术支撑。

技术实现要素：

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种低阈值恒流量微阀。该阀体积小、易集成、阈值压力低、流量调控范围广，可以满足与绝大多数微流控芯片的集成需求。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种低阈值恒流量微阀，包括阀体、入口蓄液池、薄膜、溢流孔、调流腔、流体出口；

所述阀体内设有入口蓄液池、薄膜、调流腔和流体出口，所述薄膜设有若干溢流孔，所述调流腔的内表面为向下凹设的光滑曲面；所述入口蓄液池与调流腔由薄膜隔开，并通过溢流孔与调流腔相连通，且调流腔的底部与流体出口相连通。

微阀所有结构均为微米级，实施恒流量调控所需的阈值压力不高于6kpa，且基于微阀结构优化可输出的流量范围为1nl/min～10ml/min。

优选的，所述薄膜为高弹性可变形膜，在流体压力作用下可逐渐贴合调流腔内表面以达到限流目的。

优选的，溢流孔的位置分布于薄膜的外侧，在薄膜贴合调流腔的内表面时，溢流孔的位置不与流体出口的位置有交叉。

优选的，所述薄膜的材质为聚二甲基硅氧烷、硅胶、聚氨酯橡胶聚合物、形状记忆合金等弹性材料中的一种。

优选的，所述调流腔内表面可以为球面、椭球面、弧面等光滑曲面的一种。

优选的，所述流体出口的直径远小于调流腔的直径。

上述微阀使用的过程包括如下步骤：

流体由入口蓄液池流进阀体，依次经过溢流孔和调流腔，从流体出口流出；入口蓄液池腔体内的流体受阀体外部流体压力源作用，导致腔体内的流体对薄膜的上表面施压，迫使薄膜产生向下的弹性变形并挤压调流腔内的流体，从而改变调流腔的流阻，实现流体出口流量的实时调节；当入口蓄液池中的流体压力超过一定阈值时，薄膜无限贴合调流腔内表面，此时调流腔的流阻变化会实时补偿流体压力的变化，最终使微阀实现恒定流量调控。

所述流量、流体压力与流阻存在下列数学关系式：

其中，q为流体出口的流量，p为入口的流体压力，r为调流腔的流阻，δp为流体压力的增量，δr为流阻增量。由上述数学关系式可知，流量q与流体压力p和流阻r的比值直接相关。由于微阀内薄膜的存在，使得流体压力增大同时导致调流腔流阻也增大。当入口压力p超过一定的阈值时，流阻增量δr可以完全补偿流体压力的增量δp，即流体压力p+δp与流阻r+δr的比值始终保持不变，最终使得微阀输出恒定的流量。

有益效果：本实用新型提供的低阈值恒流量微阀及流量调控方法，相比现有技术，具有以下有益效果：

本实用新型提出的低阈值恒流量微阀设有入口蓄液池、薄膜、调流腔和流体出口，薄膜上设有溢流孔，调流腔的内表面为光滑曲面。薄膜在流体压力作用下可以产生弹性变形，挤压调流腔中的流体，并改变调流腔的流阻。当变形的薄膜无限贴近调流腔内表面时，调流腔的流阻变化可以实施补偿入口蓄液池的流体压力变化，从而实现微流体流量的自动、精确调控。与传统微阀相比，传统微阀的调流腔截面为矩形，薄膜受压变形时与流道壁面存在死区，导致微阀实施恒流量调控的阈值压力较高(≥25kpa)。本实用新型提出的微阀的调流腔内表面为弧面，薄膜变形时可以无限贴合调流腔内表面，从而消除了死区的影响，使得微阀的阈值压力大大降低(≤6kpa)。由于该微阀具有极低的阈值压力，因此可以与绝大多数微流控芯片集成，大大拓展了微阀的应用领域。在需要提供恒定流量供给的需求方面，如药物注射、集成微芯片实验室、便携式即时检测仪器等领域具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是低阈值恒流量微阀的剖面结构示意图；

图2是低阈值恒流量微阀的俯视图；

图3是低阈值恒流量微阀实施流量调控的工作原理图；

图4是低阈值恒流量微阀实施流量调控的软件仿真示意图；

图5是低阈值恒流量微阀的流量测试实验数据图。

其中，1为阀体，2为入口蓄液池，3为薄膜，4为溢流孔，5为调流腔，51为调流腔内表面，6为流体出口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种低阈值恒流量微阀，如图1-图3所示，包括阀体1、入口蓄液池2、薄膜3、溢流孔4、调流腔5、流体出口6；

所述阀体1内设有入口蓄液池2、薄膜3、调流腔5和流体出口6，所述薄膜3设有两个对称布置的溢流孔4，所述调流腔5的内表面51为光滑椭球面；所述入口蓄液池2与调流腔5由薄膜3隔开，并通过溢流孔4与调流腔5相连通，且调流腔5的底部与流体出口6相连通；所述薄膜3为高弹性可变形膜，材质为聚二甲基硅氧烷，在流体压力作用下可逐渐贴合调流腔内表面以达到限流目的。

本实施例中入口蓄液池2的直径为1500μm且深度为1000μm，薄膜3的厚度为50μm，两个溢流孔4的直径均为200μm且中心距为1000μm，调流腔5的内表面51的直径为1500μm且高度为150μm，流体出口6的直径为600μm，阀体1的外径和高度均为5mm。为从理论上研究微阀的流量调控特性，采用有限元仿真软件对微阀进行流固耦合建模，计算微阀实施流量调控的过程，仿真结果如图4所示。如图所示，流体由入口蓄液池2流经溢流孔4和调流腔5，从流体出口6流出，入口蓄液池2腔体内的流体受流体压力源作用，导致腔体内的流体对薄膜3的上表面施压，迫使薄膜3产生向下的弹性变形并挤压调流腔5内的流体。此时，调流腔5的容积变小使其流阻增大，表现为高流阻区域主要集中于两侧溢流孔3边缘、薄膜3与调流腔5中间区域以及流体出口6。

为进一步验证微阀的恒流调控能力，制作了上述尺寸参数的微阀样件，并进行流量测试实验。在实验中，设置微阀的入口液体压力依次从1kpa逐步增大至15kpa，测试微阀在相应液体压力下的流量，记录的压力-流量曲线如图5所示。由流量曲线可知，随着入口液体压力的增大，微阀的出口流量一开始也逐渐增大。当入口液体压力超过阈值压力6kpa时，微阀流量基本趋于稳定。对液体压力在6kpa至12kpa之间的平均流量进行计算，发现流量始终保持在4.03±0.17ml/min，且流量的波动偏差仅为4.22％，此时微阀表现出很好的恒流效果。当液体压力超过12kpa时，微阀流量开始缓慢增大，逐渐偏离稳流阶段的平均流量值。为进一步验证微阀的流量调控特性，将微阀中的薄膜去除，制作了一种直通流道器件，测试该器件的流量数据，并和微阀流量数据进行对比。从图中直通器件的流量数据可以看出，直通器件的流量随着入口液体压力的增大几乎始终呈线性增大。由此可见，本实施例中的微阀具有显著的恒流量自调控特性，且流体压力在6kpa至12kpa之间时，微阀可以持续输出几乎恒定不变的流量。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。