本发明涉及一种微流控系统及常闭微阀、控制方法，属于微米级的阀门控制领域。
背景技术
微流体系统中的微阀微流控系统是指利用微加工技术将生物或化学领域所涉及的各种操作分析功能，如样品的预处理、混合、反应、分离和检测等集成在一个微芯片上的分析系统。微流控芯片具有微型化、集成化、高效、快速、极微的试剂消耗量和成本低等优点，可广泛应用于生物医学、疾病诊断治疗、环境检测与保护、军事和太空探索等众多领域，是当前科技发展的前沿和热点。微阀作为微流控系统的关键执行部件，是对芯片通道内流体流动起控制限流作用的器件，其作用是实现流体通道的开、关以及流体流向的切换。它在微流控系统中的作用，相当于二极管在集成电路中的作用一样，是微流控系统最重要的部件之一。微阀的发展是微流控系统发展水平的一个重要标志，微阀的研究已成为目前微流控系统研究中最为活跃的一个分支。
微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的功能，因此又被称为芯片实验室。其中的微阀流体控制技术就是一种微控关键技术。现有的微阀主要分为不需要外部动力或控制的无源阀和利用外界致动力来实现阀的开启和闭合的有源阀。
目前各实验室采用的有源阀主要有气动微阀、转矩控制微阀、相变阀、热膨胀阀等。其中气动微阀是以外部气体作为制动力的一类有源阀。此类阀多为双层通道结构，分为流体通道和气体通道，利用气体通道的气压改变，实现流体通道微阀的闭合与开启。转矩控制微阀是利用微通道上方的螺丝控制其末端的薄膜来实现闭合程度。向下拧螺丝时，薄膜受压变形使通道堵塞，松动螺丝后，薄膜恢复原形，通道开启。相变阀的致动部件是石蜡等融点比较低的物质，通过改变温度使其处于不同相态，从而实现阀的开关功能。本发明属于相变阀的一种。热膨胀阀是由两种膨胀系数不同的热晶片制备而成，利用扩散电阻施加不同的功率，使晶片膨胀，当温度升高时，阀门打开。
近年来，微阀发展迅速，但常规的微阀器件通常采用个玻璃、硅片等材料为基底，利用硅微细加工工艺（如光刻、蚀刻）加工而成，对加工设备和原材料要求高，加工成本较高；目前微阀结构也较为复杂，多为非平面的多层立体结构，需采用多层硅键合工艺加工而成，工艺繁琐复杂，加工周期较长；而且这种非平面的微阀结构不易集成与微流控系统中，增加了微流控系统的集成化难度。因此目前微阀的商业化程度依然不高。
中国发明专利公开号cn1512095c公开了一种用于启、闭微/纳米流体通道的冰阀，其包括：一放置在流动有流体的微流道下端的半导体制冷器和一位于该半导体制冷器的制冷端或制热端的散热器，半导体制冷器与散热器之间设有低热阻高强度绝缘漆构成的导热绝缘层；一位于微流道上端面的用以加热微流道中流体的微型加热器；所述的微型加热器为通入蒸汽的蒸汽包、为带电源的微型电加热器，或为带激光加热源的微型激光加热器；半导体制冷器由多个半导体制冷模块并联组成；无任何运动部件，便于控制，是一种理想的易于集成化的微阀结构。然而该专利由于采用冰作为阀芯，因此，无法用于有试剂存储的，正常状态下是没有阀芯的；进一步地，冰容易与试剂发生反应，且冰作为阀芯尺寸过大（无法做到微米级），无法实现精确化控制，此外，如果该专利用于微流控芯片上，那么芯片中还需要植入电路，这将进一步增加芯片的制造难度，降低其可靠性。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种微流控系统及常闭微阀、控制方法，该微流控系统利用激光作为致动力来开启微流控系统中微阀，本发明的微阀结构简单，可以解决微阀与微流控系统集成问题，且阀芯与微流管道的管壁材质相同，从而大大降低了加工难度，进而降低了生产成本。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种常闭微阀，其结构特点是，所述常闭微阀包括开设在基体内的微流管道，其特征在于，所述微流管道内设有阀芯，该阀芯将微流管道分隔成第一管道和第二管道，且当阀芯熔化或气化时第一管道和第二管道连通；所述阀芯与微流管道的管壁材质相同，所述基体的外壁面与阀芯之间具有透明材质。
由此，当阀芯熔化或气化时第一管道和第二管道连通。
由此，本发明的阀芯在常温状态下阀芯不熔化或气化，微阀常闭，需要打开时，通过加热装置（优选为激光加热）使阀芯熔化或气化，从而保证微流管道畅通。
对于本领域技术人员而言，需要熔化阀芯时，常规思路是将阀芯材料的熔点设计成低于基体或微流管道的管壁的材料熔点，这样可以保证阀芯熔化时不会影响基体。
本发明在进一步研究后发现，所述常闭微阀的阀芯和微流管道的管壁为同种材质制成反而更好，最主要的好处是加工成本更低，试验证明，通过激光定点熔化或气化阀芯，可以保证在阀芯熔化或气化的同时，微流管道的管壁不会被熔化。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
优选地，所述基体由芯片盖板和芯片底座组合而成，所述芯片盖板和芯片底座之间形成所述微流管道；所述芯片盖板和/或芯片底座由透光材料制成；优选所述阀芯、芯片盖板和芯片底座为一体化结构。由此，芯片盖板和芯片底座兼作阀体，这种一体化结构解决了微阀和芯片集成的问题，同时降低了工艺难度和加工成本，且具有更好的密封性。
优选地，所述阀芯的熔点为40℃-170℃；优选所述阀芯的气化温度是80℃-300℃。优选所述常闭微阀的阀芯为高分子聚合物制成。所述高分子聚合物指由键重复连接而成的高分子量（通常可达10～106）化合物。
为了保证所述第一管道的管壁上和/或第二管道的管壁上设有溢流池。
为了避免阀芯在熔化时堵塞微流管道或减小微流管道的通流量，所述溢流池的深度为相对第一管道或第二管道内壁面下凹0.5mm-1mm；和/或所述溢流池沿着微流管道长度方向的尺寸为0.5mm-1mm。这样，阀芯在熔化时会自动流入溢流池内。溢流池的设计可以保证阀芯熔化后的液体流入溢流池内，避免了影响微流管道的流量，从而保证微流管道畅通。溢流池的尺寸设计既保证了熔化后的阀芯不影响微流管道的流量，同时又避免导致底座或盖板的厚度过厚。
一般而言，为了方便实现精确化定量控制，所述阀芯的直径为0.3mm-1mm，优选为0.5mm；和/或所述微流管道的内径为0.3mm-1mm，优选为0.5mm。
为了便于阀芯被快速熔化，提高吸光效率，所述阀芯的至少一个外表面设有深色涂层或所述阀芯为黑色材料制成；优选所述深色涂层为黑色涂层。这样可以缩短熔化或气化阀芯的时间。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种生物芯片微流控系统，其特征在于，包括所述的常闭微阀和设置在基体外侧的激光光源，该激光光源用于融化或气化所述阀芯而使所述第一管道和第二管道连通。
由此，本发明将微阀的阀体部分和致动力源分离开来，简化了微阀整体的制作工艺，使微流控系统上更容易集成微阀，大幅度降低了微流控系统的生成成本。
本发明所述的激光是一种人造光，能实现定向发光，且光源稳定，波长单一，能量极大。
优选地，所述激光光源为蓝紫激光光源；优选所述激光的波长范围为400nm-980nm。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种生物芯片微流控系统的控制方法，其包括如下步骤：
s1、激光光源设置在常闭微阀外侧；
s2、激光光源发射激光，激光穿透基体的外壁面与阀芯之间的透明材质并照射在所述阀芯上，将阀芯融化或气化，常闭微阀打开，激光照射时间为2s-30s，激光的波长范围为400nm-980nm。
本发明的微阀开创了一种新的微阀开启思路，将激光作为致动力来开启嵌入微流控系统中的阀体结构，微阀的主要优点：微阀控制过程响应快、稳定性高，能有效实现产业化生产和实际应用。
本发明所述的微阀是微流控系统的关键执行部件，在激光的作用下实现微阀的流体通道从常闭到常开的切换。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、微阀的致动力来源稳定，不占用微流控芯片资源；阀体结构简单，微阀与微流控芯片易于集成，加工设备和原材料要求不高，生产成本大幅度降低，适于批量化生产和商业化使用。
2、微阀开启速度快，最快2s左右就能击穿阀芯，实现微阀的开启。激光能量高，扩大了微阀的材质范围，不局限于低融点相变材料。激光束能量集中，控制激光焦点和击穿时间，可实现只击微阀阀芯，不对微流控系统的其他部分结构和材质造成损坏，具有广泛的应用前景。
3、将微阀的阀体部分和致动力源分离开来，简化了微阀整体的制作工艺，使微流控系统上更容易集成微阀，大幅度降低了微流控系统的生成成本，适用于需要大规模产业化的微流控系统的生成和使用。
4、本发明的常闭微阀的阀芯和微流管道的管壁为同种材质制成，加工成本更低。
与cn1512095c相比，本发明不需要制冷部件，且可以将阀芯做到0.3mm-1mm的水平，便于实现精确化控制。此外，本发明的微阀是常闭微阀，只需要在特定的时候打开，而不需要再次关闭。最后，本发明的阀芯不会与试剂发生反应，避免了污染试剂。
附图说明
图1是本发明一种实施例的微阀的纵剖面结构示意图；
图2是本发明一种实施例的微流控系统的微阀开启状态图；
图3是本发明另一种实施例的纵剖面结构示意图。
在图中
1-盖板；2-微流通道；3-底座；4-阀芯；5-激光光源；6-基体；21-第一管道；22-第二管道；23-溢流池。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
一种微流控系统，如图2所示，包括设置在芯片外侧的激光光源5和如图1所示的常闭微阀，该激光光源5用于融化或气化所述常闭微阀的阀芯4而使所述常闭微阀打开。如图1所示，所述微流管道2内设有阀芯4，该阀芯4将微流管道2分隔成第一管道21和第二管道22，且当阀芯4打开时第一管道21和第二管道22连通；所述阀芯4与微流管道2的管壁材质相同，所述基体6的外壁面与阀芯4之间具有透明材质，设置透明材质的目的是便于激光通过，以便定点熔化或气化所述阀芯。在本实施例中，常闭微阀打开的方式最好是采用激光定点加热常闭微阀的阀芯，这样常闭微阀的阀芯熔化，从而使得第一管道21与第二管道22形成通路。
为了方便制造，一种实施例是所述常闭微阀包括阀芯4和由芯片盖板1和芯片底座3形成的阀体，所述芯片盖板1和芯片底座3之间形成微流管道2，所述阀芯4封堵在所述微流管道2中。所述芯片盖板1和/或芯片底座3由透光材料制成，所述阀芯4的熔点高于常温且阀芯4的熔点均低于盖板1和底座3的熔点。所述阀芯4的熔点为40℃-170℃，最好是100℃-120℃。所述阀芯4的沸点是80℃-300℃。所述阀芯为高分子聚合物制成。所述阀芯的直径为0.5mm。所述微流管道2的内径为0.5mm。所述第一管道4和第二管道9的内径为0.5mm。
对激光吸收率不强的材料，难以产生热效应而融化或气化，可以在其表层涂抹深色涂料，最好是黑色涂层，或所述阀芯为黑色材料制成，利用深色对激光的强吸收性，提高其表面对激光光子的吸收效率，使其受热变形，开启微流管路。
所述激光光源5为蓝紫激光光源。所述激光的波长范围为400nm-980nm。
制造时，直接在基体上开设第一管道和第二管道，第一管道和第二管道共轴线设置且通过所述阀芯隔开。第一管道和第二管道的开孔端通过柱塞封堵即可。
如图3所示，作为本发明的另一种实施例，所述阀芯的上游侧设有位于第一管道21上的溢流池23或所述阀芯的下游侧设有位于第二管道22上的溢流池23，最好第一管道21上和第二管道22上均设有溢流池23。这样，阀芯熔化时，可以自动流向溢流池内，从而避免影响第一管道21和第二管道22的管径，影响流量。所述溢流池的深度为相对第一管道21或第二管道22内壁面下凹0.5mm-1mm。所述溢流池沿着第一管道21或第二管道22长度方向的尺寸为0.5mm-1mm。
本发明利用激光的穿透性和聚焦定位，将特定波长、功率、功率强度的激光穿透表面透光材料，聚焦于预定微阀位置，再利用激光能量的热效应，使阀芯2吸收激光光子并转化为热能。阀芯2受热经过变形、融化（如图2所示的阀芯状态）、气化等过程，使原本堵塞的管道畅通，实现微流控管路由闭合状态到开启状态。
微阀不仅是可以将阀芯2堵塞于微流控管道，来实现管路闭合，还可以直接利用芯片材质来制作微阀，此时，所述阀芯4、芯片盖板1和芯片底座3为一体化结构。可直接在芯片设计时将微阀结构置于芯片结构上，与芯片一起加工成型。这样的微阀结构不存在微阀与芯片的集成问题，能大幅度降低加工成本和工艺难度，且具有更好密闭性。
本发明的微阀结构简单，只需在微流通路上注入用于堵塞管路的阀芯2即可。
微阀启动过程如下：先利用激光的穿透性，使激光穿透上层的透明盖板，将激光焦距对准微阀阀芯位置。由于激光的高能量，阀芯在吸收激光光子能量后，阀芯2会迅速受热变形融化或气化，沿着管壁平摊开（如图2所示），原本堵塞的管路就被打通，实现了微阀的开启，激光照射时间最快2s左右即可，激光的波长范围为400nm-980nm。根据本发明的设计溢流池的实施例，当阀芯相变成液体，在重力及表面张力的作用下，变成液体的阀芯流向溢流池位置，从而实现微流管道2的畅通。
作为致动力的激光光源位于芯片外部，不需与芯片集成安装，性能稳定，可多次重复使用，有利于微流控芯片的商业化应用。
本发明的微阀相比于普通微阀，拥有结构简单、加工简便，不需集成，成本低廉，容易大批量生产等优点。
对于不易吸光的阀芯，可以在其表面涂抹深色颜料，以提高其吸光效率，从而实现微阀的控制功能。
本实施例的常闭微阀具有如下优点：
1、微阀的致动力来源稳定，不占用微流控芯片资源，阀芯结构简单，微阀与芯片易于集成，加工设备和原材料要求不高，生产成本大幅度降低，适于批量化生产和商业化使用。
2、微阀开启速度快，2s左右就能击穿阀芯，实现微阀的开启。激光能量高，扩大了微阀的材质范围，不局限于低融点相变材料。激光束能量集中，控制激光焦点和击穿时间，可实现只击微阀阀芯，不对微流控系统的其他部分结构和材质造成损坏，具有广泛的应用前景。
3、常闭微阀和致动力源分离开来，简化了微阀整体的制作工艺，使微流控系统上更容易集成微阀，大幅度降低了微流控系统的生成成本，适用于需要大规模产业化的微流控系统的生成和使用。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。