一种常闭微阀及微流控系统的制作方法

本实用新型涉及一种常闭微阀及微流控系统，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。本实用新型属于相变阀的一种。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。

中国实用新型专利公开号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：

本实用新型旨在提供一种常闭微阀及微流控系统，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，本实用新型的微阀结构简单，可以解决微阀与微流控系统集成问题，降低生产加工难度，使微阀实现商业化生产。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种常闭微阀，其结构特点是，包括阀芯和由芯片盖板和芯片底座形成的阀体，所述芯片盖板和芯片底座之间形成微流管道，所述阀芯封堵在所述微流管道中；所述芯片盖板和/或芯片底座由透光材料制成，所述阀芯的熔点高于常温且阀芯的熔点均低于芯片盖板和芯片底座的熔点。

由此，本实用新型的芯片盖板和芯片底座兼作阀体，常规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。

根据本实用新型的实施例，还可以对本实用新型作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述阀芯的熔点为40℃-170℃；所述阀芯的气化温度是80℃-300℃。

优选地，所述阀芯为工程塑料（PP材料）制成。

为了方便实现精确化定量控制，所述阀芯的直径为0.3mm-1mm；所述微流管道的内径为0.3mm-1mm。优选阀芯的直径为0.5mm；优选微流管道的内径为0.5mm。由此，可以实现微量定量控制。

为了提高吸光效率，所述阀芯外表面设有深色涂层。优选所述阀芯外表面设有黑色涂层。这样可以缩短熔化或气化阀芯的时间。

为了解决微阀和芯片集成的问题，所述阀芯、芯片盖板和芯片底座为一体化结构。这样可以降低了工艺难度和加工成本，且具有更好的密封性。

基于同一个实用新型构思，本实用新型还提供了一种微流控系统，其包括所述的常闭微阀和设置在芯片外侧的激光光源，该激光光源用于融化或气化所述阀芯而使所述常闭微阀打开。

由此，本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型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，本实用新型的有益效果是：

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，10s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、微阀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。

与CN1512095C相比，本实用新型不需要制冷部件，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，本实用新型的微阀是常闭微阀，只需要在特定的时候打开，而不需要再次关闭。最后，本实用新型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是本实用新型一种实施例的微阀的纵剖面结构示意图；

图2是本实用新型一种实施例的微流控系统的微阀开启状态图。

在图中

1-芯片盖板；2-微流通道；3-芯片底座；4-阀芯；5-激光光源。

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实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型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。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的熔点均低于芯片盖板1和芯片底座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4为工程塑料（如PP材料）制成。所述阀芯4的直径为0.5mm。所述微流管道2的内径为0.5mm。所述阀芯4外表面设有深色涂层，最好是黑色涂层。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。

本实用新型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。

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，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。

本实用新型的微阀结构简单，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芯片盖板，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，激光照射时间为2s-30s，激光的波长范围为400nm-980nm。

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。

本实用新型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。

对于不易吸光的阀体材质，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。

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实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型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。