一种薄膜变形微流控器件的制作方法

本发明涉及一种微流控器件，更具体地，涉及一种薄膜变形微流控器件。

背景技术：

微阀在微流控应用中有着至关重要，许多具有不同结构和功能的微流控阀被开发应用于芯片上器件，根据微阀的工作原理，微阀可分为主动型和被动型两种。主动阀通常使用外部执行机构，能够精确控制液体，因此在微流体器件的大规模集成中，主动阀具有高度的兼容性，但外部的执行器件同时也增加了阀门控制系统的复杂性，不适合复杂系统的真正微型化。而被动阀在微流控系统中能够有效控制流量，其不需要复杂的执行器，因此被动阀能够用于低成本和便携式微流控应用。被动阀包括毛细管被动阀和薄膜变形阀，由于毛细力依赖于液体分子的粘聚力和液体与微通道之间的粘附力，因此通过调节微流体结构的表面疏水性，可以调节液体流速，但由于毛细力而引起的流量相对较低，只能在有限的时间内应用，此外，毛细管力通常不稳定，这也限制了其在生化分析中的应用；而薄膜变形阀主要通过改变微通道的流动阻力来调节流量。薄膜阀通常由两个通道组成，其中包括流路通道和控制通道，这两个通道由一个弹性薄膜隔开。当液体同时进入流路通道和控制通道时，控制通道施加压力使膜变形，从而改变流路通道的流阻来调节流量，但其依然存在微阀的重复使用性较差，流量波动较大的问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现不稳定流体输入、稳定流速输出、流量自调节的薄膜变形微流控器件。

技术方案：本发明所述一种薄膜变形微流控器件，包括上夹具、下夹具，上夹具、下夹具之间安装有薄膜变形单元，薄膜变形单元由流体控制层、薄膜变形层、流体流阻层和流体出口层堆叠而成，流体控制层上设有第一流体通道和中心流体挤压腔室，薄膜变形层上设有第二流体通道，流体流阻层设有第三流体通道和中心流阻调节腔室，流体出口层上设有流体出口通道，第一流体通道经第二流体通道贯通至第三流体通道，上夹具上设置有流体进样接口和流体进样通道，下夹具底部中心设有流体出口。

其中，薄膜变形层厚度为10～50μm，流体控制层厚度为200±50μm，所述流体流阻层厚度为125±25μm；上夹具与薄膜变形单元顶层之间设置有高度为200-500μm的流体挤压腔室；第一流体通道、第二流体通道和第三流体通道呈环形阵列排布，第三流体通道通向中心流阻调节腔室，中心流阻调节腔室为直径为0.5～1.7mm、高度为25～200μm的圆柱体空腔，流体出口通道直径为0.1-1mm，注入液体后，在薄膜变形层的挤压下，与出口之间的体积减小，从而增加整体器件流阻，流体出口通道小于中心流阻调节腔室，其与中心流阻调节腔室和薄膜变形层互相配合，形成流阻的变化负反馈体系；流体进样接口与注射器之间进行过盈配合，实现快速安装以及流体快速进样；上夹具上设置有环形阻隔块，环形阻隔块与下夹具上设置的环形密封块将流体控制层进行固定、密封；流体控制层和流体流阻层为硅胶或任意一种能与pdms或pegda键合的材料，薄膜变形层为pdms或pegda，流体出口层材料为硅胶或任意一种能与硅胶键合的薄膜材料，流体控制层、薄膜变形层、流体流阻层和流体出口层通过等离子清洗方法键合成为一个整体，通过等离子清洗机，将流体控制层、薄膜变形层、流体流阻层和流体出口层表面暴露在氧等离子体中，并使其表面ch3和ch2官能团耗尽，同时使其表面硅醇si-oh基团富集，当两个键合表面相互接触时，相对表面上的硅醇基团发生缩合反应，在这些表面之间形成永久键合；流体控制层、薄膜变形层、流体流阻层和流体出口层通过激光加工出所需结构；上夹具、下夹具为工程塑料、光敏树脂、橡胶材料、金属材料、陶瓷材料通过3d打印制得，材料能够承受薄膜夹紧所需夹紧力。

工作原理：通过注射器将流体输入器件，流体经流体进样接口和流体进样通道进入上夹具与薄膜变形层之间的流体挤压腔室，此时，薄膜变形单元上表面存在压力，命名为pt；当流体经薄膜变形单元的第二流体通道进入中心流阻调节腔室时，由伯努利方程可知，此时薄膜变形单元的薄膜变形层下方压力pd小于pt，由于薄膜变形层上下压力差，导致薄膜变形层向下凹陷；由于薄膜变形层下方的中心流阻调节腔室空腔体积减小，其流阻同时相应增大，从而导致该处流速减小，薄膜变形层下方压力pd增大，形成流体压力与器件流阻之间的负反馈体系，并且该体系将导致流速控制在极小的波动范围，因此实现流量稳定的输出。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、能够通过薄膜变形，动态改变器件整体流阻，进行流量自调节，实现不稳定流体输入，稳定流速输出；2、利用激光加工、键合工艺和3d打印方法，使得到的器件结构精准，能够应对不同的精准样品输出需求；3、成本低、操作简单、易集成微型化。

附图说明

图1是本发明立体图；

图2是本发明半剖结构示意图；

图3是上夹具结构示意图；

图4是薄膜变形单元结构示意图；

图5是下夹具结构示意图；

图6是流体实体分布图；

图7是流场仿真结果；

图8是流场仿真流量输出与压力输入之间关系图。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，薄膜变形微流控器件包括上夹具9、下夹具10，所述上夹具9、下夹具10之间安装有薄膜变形单元5，如图4所示，薄膜变形单元5由厚度为200μm的流体控制层11、厚度为30μm的薄膜变形层12、厚度为150μm的流体流阻层13和厚度为150μm的流体出口层14堆叠而成，流体控制层11上设有8个环形阵列排布的第一流体通道15和中心流体挤压腔室，薄膜变形层12上设有8个环形阵列排布的第二流体通道16，流体流阻层13设有8个环形阵列排布的第三流体通道17，并通入中心流阻调节腔室7，流体出口层14上设有流体出口通道18，中心流阻调节腔室7为一直径为1.5mm的圆柱体空腔，高度为120μm，流体出口通道18直径为0.5mm，第一流体通道15经第二流体通道16贯通至第三流体通道17，如图3所示，上夹具9上设置有流体进样接口1和流体进样通道2，流体进样接口1内径为1.2mm，与20ml注射器外径相近，流体进样接口1与注射器过盈配合，下夹具10底部中心设有流体出口8，上夹具9与薄膜变形单元5顶层之间设置有高度为300μm的流体挤压腔室3，如图3、图5所示，上夹具9上设置有环形阻隔块4，环形阻隔块4与下夹具10上设置的环形密封块6将流体控制层11进行固定、密封，如图6所示，流体通过注射器注射入流体进样接口1，流体经流体进样接口1和流体进样通道2进入上夹具9与薄膜变形层12之间的流体挤压腔室3，部分液体经过环形阵列的8个第二流体通道16和第三流体通道17并进入薄膜变形层12下方的中心流阻调节腔室7，部分流体与薄膜变形层12相接触，此时，薄膜变形单元12上表面存在压力，命名为pt；当流体经薄膜变形单元12的第二流体通道16进入中心流阻调节腔室时，由伯努利方程可知，此时薄膜变形单元5的薄膜变形层12下方压力pd小于pt，由于薄膜变形层12上下压力差，导致薄膜变形层12向下凹陷；由于薄膜变形层12下方的中心流阻调节腔室7空腔体积减小，其流阻同时相应增大，从而导致该处流速减小，薄膜变形层12下方压力pd增大，形成流体压力与器件流阻之间的负反馈体系，并且该体系将导致流速控制在极小的波动范围，因此实现流量稳定的输出，流场仿真结果如图7所示，流体挤压腔室3和流阻调节腔室7的压力差将导致薄膜变形层12发生向下的凹陷；流量自调节过程。如图8所示，通过comsol仿真得到该尺寸下流量输出q与压力输入p之间关系，从图中可知，当输入压力在300-500pa之间时，其流量稳定在2.22±0.04×10^-6m²/s；流量调节微阀的尺寸设计参数通过以下公式定性描述：

其中，r为微阀整体流阻，dcontrol为中心流阻调节腔室7的圆柱体直径；h为中心流阻调节腔室7高度；t为薄膜变形层12厚度；dout为流体出口通道18直径；本实施例的输入压力范围在300-500pa。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是：中心流阻调节腔室7的圆柱体直径为300μm、高度为50μm，薄膜变形层12厚度为20μm，流体出口通道18直径为100μm，其输入压力范围为100kpa±20kpa，其流量输出为6.6629×10^-8m²/s。