用于微泵的单向阀及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及半导体集成电路和微流控技术领域，特别是涉及一种用于微泵的单向阀及其制备方法。


背景技术：

[0002]
微流控技术广泛的应用在医疗的实时监测和高等院校的各种生物学、药学研究中，基于微流控技术的基因芯片和生物芯片以广泛应用于dna测序、病理基因分析、药物反应分析等。在微流控技术中，微流控芯片是化学及生物反应的空置容器。微泵是驱动流体克服阻力产生流动的动力元件，是实现微流控系统的前提和基础，微泵的性能将直接影响到微流控分析系统的整体性能，也是决定微流控技术发展水平的关键因素。
[0003]
为了达成流体的定向流动，微泵必须使用单向阀进行控制。虽然学术文献中报道过一些基于半导体硅材料等材料制造的单向阀，但其成本高昂且制造工艺难度高，很难应用于实际市场中。另外，市场上存在一些柔性橡胶制的单向阀，由于单向阀元件无法牢固地固定于微流控元件中，从而增加了器件失效的风险，同时，柔性橡胶材质对特定溶液缺乏耐受性，限制了微泵的适用范围。


技术实现要素：

[0004]
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于微泵的单向阀及其制备方法，用于解决现有技术中用于微泵的单向阀的阀元件与微流控元件之间的连接不牢固以及单向阀制造成本高且工艺难度大等的问题。
[0005]
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于微泵的单向阀，所述用于微泵的单向阀至少包括：
[0006]
阀元件，所述阀元件具有形变部及至少一个贯穿所述阀元件的窗口；
[0007]
第一微流控元件，所述第一微流控元件上设置有贯穿所述第一微流控元件的台阶槽，所述台阶槽包括第一凹槽及第二凹槽，所述第二凹槽开设于所述第一凹槽的底部，所述第二凹槽的横截面积小于所述第一凹槽的横截面积，所述第一凹槽的横截面与所述阀元件的横截面适配；
[0008]
第二微流控元件，所述第二微流控元件上设置有贯穿所述第二微流控元件的流道，所述流道的横截面积小于所述阀元件的所述形变部的横截面积；
[0009]
所述阀元件键合于所述第一微流控元件的所述台阶槽中，且所述阀元件的所述形变部及所述窗口形成于所述第一微流控元件的所述第二凹槽的上方，所述第二微流控元件沿所述第一微流控元件的所述第一凹槽的一面与所述第一微流控元件连接，且所述第二微流控元件的所述流道形成于所述阀元件的所述形变部的上方。
[0010]
可选地，所述阀元件具有四个沿所述阀元件周向分布的所述窗口，相邻两所述窗口之间形成悬臂梁，所有所述窗口之间围成所述形变部，且所述形变部与所述悬臂梁连接。
[0011]
可选地，所述第一微流控元件的所述第一凹槽的深度与所述阀元件的厚度相同。
[0012]
可选地，所述阀元件的材料包括柔性高分子材料，所述第一微流控元件的材料包括硬质高分子材料，所述第二微流控元件的材料包括硬质高分子材料。
[0013]
进一步地，所述阀元件的材料包括聚二甲基硅氧烷，所述第一微流控元件的材料包括硬质聚烯烃类树脂材料。
[0014]
进一步地，所述第一微流控元件的材料包括亚克力，所述第二微流控元件的材料包括亚克力。
[0015]
本发明还提供一种用于微泵的单向阀的制备方法，使用该方法可以制备如上所述的用于微泵的单向阀，所述制备方法至少包括如下步骤：
[0016]
提供制备阀元件的材料溶液，并将所述材料溶液浇注入注塑模具内；
[0017]
烘焙浇注入所述材料溶液的所述注塑模具至所述材料溶液固化，形成所述阀元件，其中，所述阀元件具有形变部及至少一个贯穿所述阀元件的窗口；
[0018]
提供第一微流控元件，并使用干法表面活性化技术处理所述第一微流控元件，其中，所述第一微流控元件上设置有贯穿所述第一微流控元件的台阶槽，所述台阶槽包括第一凹槽及第二凹槽，所述第二凹槽开设于所述第一凹槽的底部，所述第二凹槽的横截面积小于所述第一凹槽的横截面积，所述第一凹槽的横截面与所述阀元件的横截面适配；
[0019]
将经过处理的所述第一微流控元件浸泡于自组装单分子膜溶液中，然后取出并干燥；
[0020]
将所述阀元件与干燥后的所述第一微流控元件键合，所述阀元件的所述形变部及所述窗口形成于所述第一微流控元件的所述第二凹槽的上方；
[0021]
提供第二微流控元件，所述第二微流控元件上设置有贯穿所述第二微流控元件的流道，所述流道的横截面积小于所述阀元件的所述形变部的横截面积；
[0022]
将所述第二微流控元件沿所述第一微流控元件的所述第一凹槽的一面与所述第一微流控元件连接，所述第二微流控元件的所述流道形成于所述阀元件的所述形变部的上方，形成所述单向阀。
[0023]
可选地，所述干法表面活性化技术包括等离子体处理、电晕放电或真空紫外线照射。
[0024]
可选地，烘焙浇注入所述材料溶液的所述注塑模具的温度介于65℃～150℃之间，所述阀元件与干燥后的所述第一微流控元件在不高于150℃的加温条件下键合。
[0025]
可选地，所述第二微流控元件与所述第一微流控元件采用粘合的方式连接。
[0026]
如上所述，本发明的用于微泵的单向阀及其制备方法，通过设置带有台阶槽的第一微流控元件，并使阀元件的横截面与第一凹槽的横截面适配，并将阀元件键合于所述台阶槽内，大大提高了单向阀的阀元件与微流控元件之间的连接牢固性，实现了牢固的单向阀结构，由于采用了将阀元件键合于台阶槽内的内嵌式设计结构，从而有效降低了单向阀的封装难度；另外制备方法制造工艺简单，成本较低，易于大规模量产。
附图说明
[0027]
图1显示为本发明的用于微泵的单向阀的阀元件的结构示意图。
[0028]
图2显示为本发明的用于微泵的单向阀的第一微流控元件的结构示意图。
[0029]
图3显示为沿图2中aa方向的纵向剖视图。
[0030]
图4显示为本发明的用于微泵的单向阀的阀元件与第一微流控元件对位方式的示意图。
[0031]
图5显示为本发明的用于微泵的单向阀的阀元件与第一微流控元件键合后的结构示意图。
[0032]
图6显示为本发明的用于微泵的单向阀的第二微流控元件的结构示意图。
[0033]
图7显示为本发明的用于微泵的单向阀的第二微流控元件与键合后的第一微流控元件对位方式的示意图。
[0034]
图8显示为本发明的用于微泵的单向阀的结构示意图。
[0035]
图9显示为本发明的用于微泵的单向阀的制备方法的流程示意图。
[0036]
元件标号说明
[0037]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阀元件
[0038]
10
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形变部
[0039]
11
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窗口
[0040]
12
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悬臂梁
[0041]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一微流控元件
[0042]
20
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台阶槽
[0043]
21
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第一凹槽
[0044]
22
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第二凹槽
[0045]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二微流控元件
[0046]
30
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流道
[0047]
d1
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第一凹槽的深度
[0048]
s1～s7
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步骤
具体实施方式
[0049]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0050]
请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0051]
实施例一
[0052]
如图1至图8所示，本发明提供一种用于微泵的单向阀，所述用于微泵的单向阀至少包括：
[0053]
如图1所示，阀元件1，所述阀元件1具有形变部10及至少一个贯穿所述阀元件1的窗口11；
[0054]
如图2及图3所示，第一微流控元件2，所述第一微流控元件2上设置有贯穿所述第一微流控元件2的台阶槽20，所述台阶槽20包括第一凹槽21及第二凹槽22，所述第二凹槽22
开设于所述第一凹槽21的底部，所述第二凹槽22的横截面积小于所述第一凹槽21的横截面积，所述第一凹槽21的横截面与所述阀元件1的横截面适配；
[0055]
如图6所示，第二微流控元件3，所述第二微流控元件3上设置有贯穿所述第二微流控元件3的流道30，所述流道30的横截面积小于所述阀元件1的所述形变部10的横截面积；
[0056]
如图4-5、图7-8所示，所述阀元件1键合于所述第一微流控元件2的所述台阶槽20中，且所述阀元件1的所述形变部10及所述窗口11形成于所述第一微流控元件2的所述第二凹槽22的上方，所述第二微流控元件3沿所述第一微流控元件2的所述第一凹槽21的一面与所述第一微流控元件2连接，且所述第二微流控元件3的所述流道30形成于所述阀元件1的所述形变部10的上方。
[0057]
本实施例提供的用于微泵的单向阀实现单向导通的机理为：当流体从所述第一微流控元件2的所述第二凹槽22的下方进入所述单向阀时，由于所述阀元件1的所述形变部10的横截面积大于所述第二微流控元件3的所述流道30的横截面积，即所述形变部10完全覆盖住了所述流道30，流体无法通过所述形变部10从所述流道30流出；当流体从所述第二微流控元件3的所述流道30进入所述单向阀时，流体从所述流道30流至所述形变部10，所述形变部10的位置发生改变，使流体从所述阀元件1的所述窗口11流出，由于所述窗口11位于所述第一微流控元件2的所述第二凹槽22的上方，所以流体经过所述窗口11后再从所述第二凹槽22流出单向阀，实现单向阀的单向导通功能。
[0058]
本实施例提供的用于微泵的单向阀结构，通过设置带有台阶槽的第一微流控元件，并使阀元件的横截面与第一凹槽的横截面适配，并将阀元件键合于所述台阶槽内，大大提高了单向阀的阀元件与微流控元件之间的连接牢固性，实现了牢固的单向阀结构。由于采用了将阀元件键合于台阶槽内的内嵌式设计结构，从而有效降低了单向阀的封装难度。
[0059]
如图1所示，作为示例，所述阀元件1具有四个沿所述阀元件1周向分布的所述窗口11，相邻两所述窗口11之间形成悬臂梁12，所有所述窗口11之间围成所述形变部10，且所述形变部10与所述悬臂梁12连接。此种结构的所述阀元件1，所述形变部10的位置改变是通过所述悬臂梁12发生形变实现的。采用此种形变部及窗口的结构可以有效的降低单向阀的漏液可能，提高单向阀的性能。这里需要说明的是所述窗口11可以沿所述阀元件1周向均匀分布，也可以沿所述阀元件1周向非均匀分布，所述窗口11大小可以相同，也可以不相同，所述阀元件的形状可以为圆形，也可以为其他规则形状或者不规则形状。具体地，可以根据实际情况需要设置。
[0060]
如图4所示，作为示例，所述第一微流控元件2的所述第一凹槽的深度d1与所述阀元件1的厚度相同。当所述阀元件键合于所述台阶槽内后，可以保证所述阀元件与所述第一微流控元件水平方向齐平，便于后续与所述第二微流控元件的连接。
[0061]
作为示例，所述阀元件1的材料包括柔性高分子材料，所述第一微流控元件2的材料包括硬质高分子材料，所述第二微流控元件3的材料包括硬质高分子材料。较佳地，所述阀元件1的材料包括聚二甲基硅氧烷，所述第一微流控元件2的材料包括硬质聚烯烃类树脂材料。最优地，所述第一微流控元件2的材料包括亚克力，所述第二微流控元件3的材料包括亚克力。这里需要说明的是，本实施例中所述单向阀结构的材料选择为硬质或柔性是根据实际工程需要进行定义的，具体地，所谓硬质材料，是指在具体工程应用中，施加一定的力后，产生形变极微小，且不影响器件或结构正常使用的材料；所谓柔性/软质材料，是指在具
体工程应用中，施加一定的力后，产生充足的形变量，且满足器件/结构正常使用的材料。
[0062]
实施例二
[0063]
如图9所示，本发明还提供一种用于微泵的单向阀的制备方法，采用该制备方法可以制备实施例一所述的用于微泵的单向阀。所述制备方法至少包括如下步骤：
[0064]
如图9所示，首先进行步骤s1，提供制备阀元件的材料溶液，并将所述材料溶液浇注入注塑模具内。
[0065]
作为示例，所述材料溶液的材料包括柔性高分子材料。较佳地，所述材料溶液的材料包括聚二甲基硅氧烷。这里需要说明的是，由于材料溶液需要在注塑模具内烘焙，所述需要材料溶液不会与注塑模具发生交联。
[0066]
作为示例，所述注塑模具为亚克力注塑模具。
[0067]
如图1及图9所示，接着进行步骤s2，烘焙浇注入所述材料溶液的所述注塑模具至所述材料溶液固化，形成所述阀元件1，其中，所述阀元件1具有形变部10及至少一个贯穿所述阀元件1的窗口11。
[0068]
作为示例，烘焙浇注入所述材料溶液的所述注塑模具的温度介于65℃～150℃之间，较佳地，烘焙浇注入所述材料溶液的所述注塑模具的温度为80℃。
[0069]
如图2、图3及图9所示，进行步骤s3，提供第一微流控元件2，并使用干法表面活性化技术处理所述第一微流控元件2，其中，所述第一微流控元件2上设置有贯穿所述第一微流控元件2的台阶槽20，所述台阶槽20包括第一凹槽21及第二凹槽22，所述第二凹槽22开设于所述第一凹槽21的底部，所述第二凹槽22的横截面积小于所述第一凹槽21的横截面积，所述第一凹槽22的横截面与所述阀元件1的横截面适配。
[0070]
使用干法表面活性化技术处理所述第一微流控元件2一方面可以清洁其表面，另一方面可以在所述第一微流控元件2的表面形成悬挂键，使其后续与阀元件的键合更牢固。
[0071]
这里需要说明的是，步骤s3及s4与步骤s1及s2之间没有先后顺序的限制，即可以在完成步骤s1及s2后再进行步骤s3及s4，也可以在实施步骤s1及s2的同时实施步骤s3及s4，也可以在完成步骤s3及s4后再进行步骤s1及s2。
[0072]
作为示例，所述第一微流控元件2的所述第一凹槽的深度d1与所述阀元件1的厚度相同。
[0073]
作为示例，所述第一微流控元件2的材料包括硬质高分子材料，较佳地，所述第一微流控元件2的材料包括硬质聚烯烃类树脂材料。本实施例中选择所述第一微流控元件2的材料为亚克力。
[0074]
作为示例，所述干法表面活性化技术包括等离子体处理、电晕放电或真空紫外线照射等。
[0075]
如图9所示，进行步骤s4，将经过处理的所述第一微流控元件2浸泡于自组装单分子膜溶液中，然后取出并干燥。
[0076]
作为示例，可以采用自然干燥的方法干燥所述第一微流控元件2，也可以在一定的温度下干燥所述第一微流控元件2，可根据具体情况选择干燥温度。
[0077]
如图4、图5及图9所示，进行步骤s5，将所述阀元件1与干燥后的所述第一微流控元件2键合，所述阀元件1的所述形变部10及所述窗口11形成于所述第一微流控元件2的所述第二凹槽22的上方。
[0078]
作为示例，所述阀元件1与干燥后的所述第一微流控元件2在不高于150℃的加温条件下键合，较佳地，所述阀元件1与干燥后的所述第一微流控元件2在80℃的温度条件下键合。
[0079]
如图6及图9所示，进行步骤s6，提供第二微流控元件3，所述第二微流控元件3上设置有贯穿所述第二微流控元件3的流道30，所述流道30的横截面积小于所述阀元件1的所述形变部10的横截面积。
[0080]
如图7至图9所示，进行步骤s7，将所述第二微流控元件3沿所述第一微流控元件2的所述第一凹槽21的一面与所述第一微流控元件2连接，所述第二微流控元件3的所述流道30形成于所述阀元件1的所述形变部10的上方，形成所述单向阀。
[0081]
作为示例，所述第二微流控元件3与所述第一微流控元件2采用粘合的方式连接，例如可以使用双面胶或ab胶等使其粘合。
[0082]
本实施例提供的用于微泵的单向阀的制备方法制造工艺简单，成本较低，易于大规模量产，同时设计适配的阀元件结构及第一微流控元件结构并采用键合的方式实现阀元件与第一微流控元件的连接，大大提高了两者之间的连接牢固性，从而提高了单向阀的性能。
[0083]
综上所述，本发明提供了一种用于微泵的单向阀及其制备方法，通过设置带有台阶槽的第一微流控元件，并使阀元件的横截面与第一凹槽的横截面适配，并将阀元件键合于所述台阶槽内，大大提高了单向阀的阀元件与微流控元件之间的连接牢固性，实现了牢固的单向阀结构，由于采用了将阀元件键合于台阶槽内的内嵌式设计结构，从而有效降低了单向阀的封装难度；另外制备方法制造工艺简单，成本较低，易于大规模量产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0084]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。