一种用于微流控芯片的电磁微阀的制作方法

本实用新型涉及微流控技术领域。更具体地，涉及一种用于微流控芯片的电磁微阀。

背景技术：

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的一种技术。微流控芯片技术以微机电加工技术为基础，通过在芯片上构建复杂的微尺度通道，将传统上大体积反应的发生检测等集中于微小的芯片上，以可控微流体贯穿整个系统并完成各种生物和化学过程，能够在短时间内分析大量的反应，实现了分析效率的极大提高。

在微流控芯片技术中，对流体的控制是实现芯片分析的关键，研究人员通过开发多种形式的微阀，以流量调节、流道开关等形式精确控制流体在芯片内的流动。微阀是微流控芯片装置的重要组成部分，主要用来实现流体流量大小的调节、流体通道的启闭以及流体流向的切换。在各种微流控制系统中，微阀都有着广泛的应用，例如，微型化学分析系统、生物分析系统、微泵等都需要使用微阀。

目前常用的微流控芯片系统的微阀包括气动微阀、压电微阀、电磁微阀等。其中，气动微阀一般为常开阀且需要气瓶等较大的外部配套设备，难以实现整个微流控芯片系统的小型化；压电微阀一般制作成本较高且需要较高的驱动电压，为操作这带来安全隐患。电磁微阀因难度低、操作简单得到了广泛的研究。常规的电磁微阀一般都结构复杂且微阀控制通道会与被控流体直接接触，或者微阀进出口与微流控芯片主体之间有宏微接口，因而用于生物医学领域时容易引入污染。

目前，现有技术中对电磁微阀进行了以下研究：

专利1：电磁微阀装置(公布号CN 105715865A；公布日2016.06.29)中公开了一种电磁微阀装置：通过室温液态金属填充的液态金属螺旋线圈微流道之间的吸引力和排斥力来实现样本试剂流道的关闭和开启，电磁微阀利用电磁线圈产生电磁力挤压微流道、阻断做流动。然而，该种方式的微阀严重依赖于液态的金属，其应用具有一定的难度。

专利2：一种高通量、全自动微流控芯片细胞分选装置(公布号CN 205556699N；公开日2016.09.07)公开了一种高通量、全自动微流控芯片细胞分选装置：基于电磁微泵和电磁微阀的组合结构的细胞分选装置，其能够在目标细胞通过检测通道时，通过自动控制电磁微泵和电磁微阀的相互配合动作，控制流路的方向和通断，从而将目标细胞分选到收集的路径。但是，该种方式的微阀不适用于单一通道的芯片。

专利3：一种用于微流控芯片的电磁微阀(公布号CN 103335154A；公开日2013.10.02)公开了一种用于微流控制芯片的电磁微阀：应用电磁铁磁化永磁铁，两者之间产生吸引从而使得通道关闭，而将电磁铁通入相反方向的电流，则电磁铁和永磁铁产生排斥，进而使得通道打开。该种方式虽然能够实现阀门的功能，但是由于阀门开关均需要维持不同方向电流的控制，当需要多个阀门协同工作时，控制方式的繁琐会限制其应用性。

因此，需要提供一种设计简单、结构紧凑、响应快速、易于集成且控制简单的电磁微阀结构。

技术实现要素：

本实用新型为了克服上述缺陷，提供一种设计简单、结构紧凑、响应快速、易于集成且控制简单的电磁微阀结构，通过电磁铁中电流的通与断可简单便捷地实现流路的控制，具有较强的实用性。

一种用于微流控芯片的电磁微阀，包括：

带有流体通道的基片；

设置于基片上的弹性薄膜；

电磁铁；

阀座；及

设置于阀座内的可磁化阀芯；

阀座和流体通道对应设置于弹性薄膜两侧；电磁铁对应阀芯设置于基片远离阀座一侧。

优选地，

可磁化阀芯材质为纯铁、纯铁和铜的合金或者嵌合物。

优选地，

流体通道为球弧形。

进一步优选地，

流体通道的球弧形最大直径为1mm～4mm，最大深度为500～1000μm。

优选地，

可磁化阀芯为球体或椭球体，球体或椭球体外表面形状与流体通道内表面形状相契合。

优选地，

基片和/或阀座材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。

优选地，

弹性薄膜材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

优选地，

弹性薄膜厚度为1～800μm。

优选地，

弹性薄膜发生最大形变时的形变恢复力大于芯的重力，弹性薄膜发生最大形变是指弹性薄膜接触到微通道底部时的形变。

优选地，

阀座内腔的内径比阀芯的最大直径宽0.5～3.0mm，用于限制阀芯在靠近或远离流体通道方向移位。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的用于微流控芯片的电磁微阀，微通道中的被控制流体不与微阀控制机构直接接触，不会造成通道物理性损伤以及引起内部样品的交叉污染；电磁驱动机构的驱动电压低，能够保证操作者使用安全；通过电磁铁中电流的通与断可简单便捷地实现流路的控制，特别地，适用于多个阀门协同工作时的情况，具有较强的实用性；通过电磁体的磁力与重力相互配合实现阀门的通与断，较少了能量损耗；本实用新型所提出的电磁微阀能够快速响应，具有设计简单、操作控制性好、适用范围广的特点，可全自动、程序化实现特定通道流体输运的通断，能够快速实现控制流体流动的目的，且结构紧凑、灌注制作方便、成本低，可与微流控芯片主体高度集成，特别适用于一体化的便携式微流控芯片系统。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出实施例1中电磁微阀剖面结构示意图。

图2示出实施例1中电磁微阀流体通道关闭状态示意图。

图3示出实施例1中电磁微阀流体通道打开状态示意图。

图4示出实施例2中电磁微阀剖面结构示意图。

图5示出实施例2中电磁微阀流体通道关闭状态示意图。

图6示出实施例2中电磁微阀流体通道打开状态示意图。

图中：1、电磁铁；2、含有微通道的PMMA基片；3、流体通道；4、弹性薄膜PDMS；5、PMMA阀座；6、阀芯。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

为了克服现有电磁微阀技术在实际应用中存在的种种限制，本实用新型的目的是为了提供一种新型具有较强实用性的电磁微阀。该微阀结构用于芯片上，通过电磁铁中电流的通与断就可简单便捷地实现流路的控制，具有较强的实用性。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型中，可利用电磁铁的引力、阀芯的重力及弹性薄膜的形变恢复力控制流体通道的通断：电磁铁与阀芯设置于基片的两侧，当外置的电磁铁没有通电时，阀芯受自身重力及弹性薄膜的形变恢复力作用，由于弹性薄膜的形变恢复力大于阀芯的自身重力，芯片上的阀门处于“开”的状态，通道内的流体可在外力的作用下通过微阀；而当电磁铁通电时，电磁铁产生磁场并磁化阀芯，两者之间因电磁引力作用，迫使阀芯紧密挤压弹性薄膜PDMS，从而阻断流道，实现阀门“关”的状态。将电流断开后，电磁铁和阀芯磁性迅速消失，微阀在弹性薄膜PDMS形变恢复力作用下恢复“开”的状态，实现流道的重新流通。

实施例1

如图1所示，本实用新型提供的用于芯片上的电磁微阀包括一个外置的电磁铁1，一个含有微通道的PMMA基片2，一片键合于基片上的PDMS弹性薄膜4，含有微通道的基片2和弹性薄膜4组成密闭的流体通道3，流体通道3位于电磁铁1的正上方，一个纯铁材质的球体阀芯6位于流体通道的正上方，含有内腔的阀座5键合于弹性薄膜4上，其内包含着阀芯。

本实施例中，所述流体通道的最大直径为2.8mm，最大深度为800μm。所述弹性薄膜PDMS的厚度为400μm。所述阀芯为纯铁材质的球体，其外涂覆一层致密油漆，球体直径为3mm。所述阀座内空腔为正方体形，其一端键合于弹性薄膜PDMS上，阀座内腔的长宽高均为4.0mm。

本实施例提供的电磁微阀依赖于电磁引力和弹性薄膜的形变恢复力实现流体控制功能。当外置的电磁铁1没有通电时，阀芯6受自身重力及弹性薄膜4的形变恢复力作用，由于弹性薄膜4的形变恢复力大于阀芯6的自身重力，芯片上的阀门处于“开”的状态，流体通道3内的流体可在外力的作用下通过微阀；而当电磁铁1通电时，电磁铁1产生磁场并磁化阀芯6，两者之间因电磁引力作用，迫使阀芯6紧密挤压弹性薄膜4，从而阻断流道，实现阀门“关”的状态，如图2所示。将电流断开后，电磁铁1和阀芯6磁性迅速消失，微阀在弹性薄膜4形变恢复力作用下恢复“开”的状态，如图3所示，实现流体通道3的重新流通。

应注意的是，当电流断开后，电磁铁1的磁场迅速消失，其与阀芯6之间的电磁引力作用消失，阀芯6在自身重力的作用下自然回落，同时弹性薄膜4的形变恢复力能够使阀芯6上升。弹性薄膜4的形变恢复力与阀芯6重力的差值影响阀芯6上升的速度，即电磁微阀的打开速度；电磁铁1电磁力的大小影响阀芯6下降的速度，即电磁微阀的关闭速度。

实施例2

当实施例1中的用于芯片上的电磁微阀上下反向放置时，即由上至下依次为电磁铁1、基片2、流体通道3、弹性薄膜4和阀芯6。此时，可利用电磁铁1的引力控制流体通道3的“关”，利用弹性薄膜4的形变恢复力和阀芯6的自身重力控制流体通道3的“开”，实现流体通道的通断。

如图4所示，本实用新型提供的用于芯片上的电磁微阀包括一个外置的电磁铁1，一个含有微通道的PMMA基片2，一片键合于基片上的PDMS弹性薄膜4，含有微通道的基片2和弹性薄膜4组成密闭的流体通道3，流体通道3位于电磁铁1的正上方，一个纯铁材质的球体阀芯6位于流体通道的正上方，含有内腔的阀座5键合于弹性薄膜4上，其内包含着阀芯。

本实施例中，所述流体通道的最大直径为2.8mm，最大深度为800μm。所述弹性薄膜PDMS的厚度为400μm。所述阀芯为纯铁材质的球体，其外涂覆一层致密油漆，球体直径为3mm。所述阀座内空腔为正方体形，其一端键合于弹性薄膜PDMS上，阀座内腔的长宽高均为4.0mm。

与实施例1的不同之处在于：实施例1中电磁铁1位于阀芯6的下方，电磁铁1磁化阀芯6产生的电磁力和阀芯6自身的重力控制微阀的关闭，弹性薄膜4的形变恢复力控制微阀的打开；本实施例中电磁铁1位于阀芯6的上方，电磁铁1磁化阀芯6产生的电磁力控制微阀的关闭，阀芯6自身的重力和弹性薄膜4的形变恢复力控制微阀的打开。

本实施例提供的电磁微阀依赖于电磁引力和弹性薄膜的形变恢复力实现流体控制功能。当外置的电磁铁1没有通电时，阀芯6受自身重力作用，芯片上的阀门处于“开”的状态，流体通道3内的流体可在外力的作用下通过微阀；而当电磁铁1通电时，电磁铁1产生磁场并磁化阀芯6，两者之间因电磁引力作用，迫使阀芯6紧密挤压弹性薄膜4，从而阻断流道，实现阀门“关”的状态，如图5所示。将电流断开后，电磁铁1和阀芯6磁性迅速消失，微阀在阀芯6自身的重力及弹性薄膜4形变恢复力作用下恢复“开”的状态，如图6所示，实现流体通道3的重新流通。

应注意的是，当电流断开后，电磁铁1的磁场迅速消失，其与阀芯6之间的电磁引力作用消失，阀芯6在自身重力的作用下自然回落，同时弹性薄膜4的形变恢复力能够使阀芯6加速回落。弹性薄膜4的形变恢复力与阀芯6重力综合作用影响阀芯6下降的速度，即电磁微阀的打开速度；电磁铁1电磁力的大小影响阀芯6上升的速度，即电磁微阀的关闭速度。

可以理解的是，在上述实施例中，可以通过改变电磁铁的电流从而控制电磁力的大小，达到改变阀门开闭速度的目的。

本发明中，由于柔性薄膜4设置于所述流体通道3和阀座5中间，微通道中的被控制流体不与微阀控制机构直接接触，不会造成通道物理性损伤以及引起内部样品的交叉污染。为便于制作，所述电磁微阀装置采用微流控芯片(MEMS)做加工方式制作，例如：流体通道3可采用刻蚀工艺制作。

为便于制作所述弹性薄摸4，可采居旋涂工艺制作所述弹性薄膜4，所述柔性薄膜4可为聚二甲基硅氧烷PDMS制成的弹性薄膜，为了保证所述弹性薄膜4的结构强度，所述柔弹性薄膜4的厚度范围为1～800μm。

为保证所述电磁撤离装量的稳定性，本实施方式中之间均通过等离子键合方式进行封装。为使流体通道3内的试剂流动，所述流体通道3的横截面优先选择球弧形，优远地，所述流体通道3球弧形最大直径为1mm～4mm，最大深度为500～1000μm。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。