无源微阀装置及基于液态金属制作微阀摆动件的方法

1.本发明涉及流体运输微阀技术领域，尤其涉及一种无源微阀装置及一种基于液态金属制作微阀摆动件的方法。


背景技术：

2.微流控芯片或芯片实验室，指的是在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物实验室，将常规化学或生物实验室的各种功能集成到一块很小的芯片上，芯片内由微通道形成网络，控制流体贯穿整个系统，从而实现化学和生物领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测，细胞培养、分选、裂解等操作。
3.从物理上说，微流控芯片是一种操控微小体积的流体在微小通道或构件中流动的系统，其中通道和构件的尺度通常为几十到几百微米，承载流体的量为10-9
～10-18
l，芯片中流体的流动方式和微通道网络在很大程度上决定了微流控芯片的功能，灵活的微通道网络设计是微流控芯片各个基本操作单元的关键所在。对于这些基本操作单元而言，它们依靠微通道网络连接，其中，各种微阀微泵是使通道网络连接通畅运行的关键所在。
4.微阀的种类多种多样，理论上讲，凡是能控制微通道闭合和开启状态的部件均能作为微流控芯片中的微阀使用。一直以来，各国微流控学专家、学者在微阀领域投入了较大精力和财力，并发明了多种结构和工作原理的微阀及其开启和关闭方法。根据是否需要激励源，可以将这些微阀分为两大类：有源微阀和无源微阀。
5.无源微阀不需要外部动力和控制，通过特殊的微通道几何结构或微通道表面特性，利用流体本身流向和压力变化就可以实现阀状态的改变，实现微流输运，无需外部动力源。
6.有源微阀也称主动阀，其原理是利用外界动力来实现阀门的开启和关闭，主要有气动微阀、电动微阀，电化学微阀，静电微阀，压电微阀，热膨胀微阀、形状记忆合金微阀、混合微阀等。气动微阀是以外部气体作为动力的有源微阀，通过在流体通道内施加压力来改变阀门的开启和闭合；相变微阀是利用沸点较低的物质，通过改变温度使其处于不同状态，从而控制阀门开关；热膨胀微阀是由两种膨胀系数不同的热晶片制备而成，通过外部施加功率使得晶片发生膨胀，从而控制阀开闭。
7.上述提到的微阀中，常规的无源微阀开关比较低，气动微阀制作工艺简单，但是集成化程度较低；相变微阀开关比较高，但是由于相变物质处于微流道内，一般难以多次使用；热膨胀微阀结构简单，但是面临流道内热转换效率低等问题，阀有明显的滞后现象。
8.以上所述的微阀都有各自的优缺点，对应着不同的应用场合，相对而言，无源微阀尺寸较小，易于集成在微流道内，制作工艺相对也简单，操作方便，开关比较高的无源微阀在微流控芯片领域会有更广泛的应用。基于此，开发一种开关比较高的新型无源微阀，具有显著的现实意义。


技术实现要素：

9.本发明实施例提供一种无源微阀装置及一种基于液态金属制作微阀摆动件的方法，用以解决现有技术中无源微阀开关比较低的缺陷。
10.本发明实施例提供一种无源微阀装置，包括：第一工作层、第二工作层和微阀摆动件，其中，所述第一工作层与所述第二工作层相对设置，且所述第一工作层与所述第二工作层之间形成流体通道；所述微阀摆动件的一端与所述第一工作层连接，所述微阀摆动件的另一端能够在流体的作用下与所述第二工作层接触或断开，以实现所述流体通道的关断或连通。
11.根据本发明一个实施例的无源微阀装置，所述第二工作层包括工作桩，所述工作桩设置在所述第二工作层的上部，且能够与所述微阀摆动件接触或断开。
12.根据本发明一个实施例的无源微阀装置，所述第一工作层包括摆动轴，所述摆动轴垂直贯穿在所述第一工作层的内部，且所述摆动轴与所述微阀摆动件转动连接。
13.根据本发明一个实施例的无源微阀装置，所述第一工作层还包括保护桩，所述保护桩设置在所述第一工作层的下部，其中沿流体的流动方向，所述微阀摆动件位于所述保护桩和所述工作桩之间，所述保护桩用于对所述微阀摆动件的摆动进行限位。
14.根据本发明一个实施例的无源微阀装置，所述第一工作层包括第一膜体，所述第一膜体设置在所述第一工作层内，且所述第一膜体与所述微阀摆动件连接。
15.根据本发明一个实施例的无源微阀装置，所述微阀摆动件为条状结构。
16.本发明实施例还提供一种基于液态金属制作微阀摆动件的方法，包括：在成型层流体通道内形成与所述微阀摆动件形状相同的第一凹槽；向所述第一工作层和所述第二工作层形成的所述流体通道内注入液态金属和保护液；向所述成型层流体通道内施加压力，促使设置在所述第一凹槽下方的膜体变形挤压所述液态金属并在所述流体通道内形成与所述第一凹槽形状相同的第二凹槽，成型所述微阀摆动件。
17.根据本发明一个实施例的方法，在所述在成型层流体通道内形成与所述微阀摆动件形状相同的第一凹槽的步骤之前，还包括：将所述成型层对应设置在所述第一工作层的上方，且使所述成型层流体通道与所述流体通道相对应。
18.根据本发明一个实施例的方法，还包括：软光刻成型所述成型层流体通道和所述流体通道。
19.根据本发明一个实施例的方法，还包括：对所述液态金属进行低温处理以使所述液态金属凝固定型。
20.本发明实施例提供的无源微阀装置，利用流体的流动实现无源微阀的关闭或开启，结构简单，且制作过程简易，易于集成，制造成本低且开关比高，是一种新型的无源微阀装置。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图逐一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明一个实施例提供的一种无源微阀装置的结构示意图；
23.图2是图1示出的无源微阀装置打开状态的结构示意图；
24.图3是本发明又一实施例提供的一种无源微阀装置的结构示意图；
25.图4是图3示出的无源微阀装置关闭状态的结构示意图；
26.图5是本发明实施例提供的基于液态金属制作微阀摆动件的方法的流程图；
27.图6是微阀摆动件制作时成型层与工作层分布侧视图；
28.图7是微阀摆动件制作过程平面图；
29.图8是微阀摆动件制作过程立体图。
30.附图标记：
31.1：第一工作层；2：微阀摆动件；3：工作桩；4：第二工作层；5：保护桩；6：摆动轴；7：流体；9：膜体；10：成型层；11：成型层流体通道。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.下面结合图1至图8描述本发明实施例的无源微阀装置及基于液态金属制作微阀摆动件的方法。
34.如图1至图4所示，在本发明的一个实施例中，无源微阀装置包括：第一工作层1、微阀摆动件2和第二工作层4。第一工作层1与第二工作层4相对设置，且第一工作层1与第二工作层4之间形成了流体通道。微阀摆动件2设置在流体通道中，其一端与第一工作层1连接，另一端在流体7的推动下可与第二工作层4接触，将流体通道关断；其另一端也可在流体7的反向推动下远离工作层4，使流体通道连通，从而起到无源微阀关闭和开启的作用。
35.具体来说，如图1所示，流体7从左侧流入流体通道中，流体7推动微阀摆动件2向右移动，使微阀摆动件2与第二工作层4接触，阻断流体通道
·
。如图2所示，流体7从右侧流入流体通道中，流体7推动微阀摆动件2向左移动，使微阀摆动件2远离第二工作层4，连通流体通道，从而起到无源微阀关闭或开启的作用。
36.进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，微阀摆动件2的形状为条状结构。
37.本发明实施例提供的无源微阀装置，利用流体的流动实现无源微阀的关闭或开启，结构简单，且制作过程简易，易于集成，制造成本低且开关比高，是一种新型的无源微阀装置。
38.在本发明的一个实施例中，第二工作层4包括工作桩3，工作桩3设置在第二工作层4的上部，形成凸台结构，以与微阀摆动件2接触，实现流体通道的关断。
39.如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，第一工作层1包括摆动轴6和保护桩5。摆动轴6贯穿第一工作层1，且与第一工作层1垂直设置，微阀摆动件2与摆动轴6连接，且微阀摆动件2能够在流体7的推动下，围绕摆动轴6转动，以实现微阀摆动件2与工作桩3接触或远离。
40.保护桩5设置在第一工作层1的下部，且与微阀摆动件2临近设置，以对微阀摆动件
2的转动起到限位作用，防止微阀摆动件2在流体7的推动下过度摆动。
41.在本发明的一个实施例中，可选地，摆动轴6可以为圆柱体结构，摆动轴6也可以为第一膜体的结构，具体来说，第一膜体为薄膜的结构，当外界加压时使第一膜体鼓起充当摆动轴。
42.在本发明的一个实施例中，可选地，工作桩3和保护桩5可以为正方形结构或者长方形结构。
43.如图3和图4所示，在本发明的一个实施例中，第一工作层1与微阀摆动件2直接连接。
44.具体来说，在实际工作时，流体7从流体通道的左侧流入，微阀摆动件2受到向右的推动力，由于形成第一工作层1的基底材料具有弹性，微阀摆动件2和基底材料一起向右弯曲，微阀摆动件2与工作桩3接触，封闭流体通道，使无源微阀装置处于关闭状态。同理，当流体7从流体通道的右侧流入时，微阀摆动件2受到向左的推动力，远离工作桩3，使流体通道流通，无源微阀装置处于开启状态。
45.如图5至图8所示，本发明实施例还提供了一种基于液态金属制作微阀摆动件的方法，具体包括以下步骤：
46.如图6所示，成型层10位于第一工作层1的上方，膜体9设置在成型层10与第一工作层1之间。膜体9用于在第一工作层1内形成微阀摆动件2的形状。成型层10用于在第一工作层1制作微阀摆动件2，第二工作层4用于配合微阀摆动件2实现流体通道的开启与关闭。
47.具体来说，如图7和图8所示，在步骤s01、s02、s03中，首先在成型层流体通道11中形成一个与微阀摆动件2的形状相同的第一凹槽，向第一工作层1和第二工作层4形成的流体通道内注入液态金属和保护液，向成型层流体通道11内施加压力，促使设置在第一凹槽下方的膜体9变形挤压液态金属并在第一工作层1和第二工作层4形成的流体通道内形成与第一凹槽形状相同的第二凹槽，该第二凹槽即为微阀摆动件2。
48.进一步地，在本发明的一个实施例中，微阀摆动件2的形状为长条状，相应地，在成型层流体通道11中形成的第一凹槽的形状也为长条状。
49.向该流体通道内通入液态金属液滴与保护液，待液态金属液滴和保护液流至相应位置时，在成型层流体通道11内施加一定的压力，使膜体9变形。膜体9变形挤压流体通道内的液态金属液滴形成第二凹槽，该第二凹槽即为所要成型的微阀摆动件2，对该液态金属形成的第二凹槽进行低温处理使其凝固定型，成型该微阀摆动件2。
50.进一步地，在本发明的一个实施例中，基底材料为聚二甲基硅氧烷，采用软光刻技术制作流体通道和成型层流体通道11。
51.进一步地，在本发明的一个实施例中，液态金属为低熔点金属，其在微阀摆动件2工作温度保持固态即可，可选地，液态金属可以为液态汞、金属镓、镓基合金或铋基合金等。
52.更进一步地，低熔点金属的镓基合金为镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
53.低熔点金属的铋基合金为铋铟合金、铋铟锡合金或铋铟锡锌合金。
54.保护液可以防止液态金属表面氧化，可以为naoh溶液、hcl溶液等溶液。
55.以下参考图8详细说明本发明实施例提供的基于液态金属制作微阀摆动件的具体方法。
56.在本发明的一个实施例中，微阀摆动件2为长条形状，以下以制作长条形状的微阀
摆动件2为例详细说明本发明实施例提供的制作方法。
57.使用聚二甲基硅氧烷作为基底材料，采用软光刻技术制作流体通道和成型层流体通道11。
58.将成型层10与第一工作层1对应设置，且使成型层流体通道11对准固定在第一工作层1与第二工作层4形成的流体通道的正上方。在成型层流体通道11内形成一个长条形状，该形状与微阀摆动件2的形状相同。流体通道内通入液态金属液滴与保护液，待液态金属液滴和保护液流至相应位置时，在成型层流体通道11内施加一定的压力，使膜体9变形。膜体9变形挤压流体通道内的液态金属液滴形成第二凹槽，该第二凹槽即为所要成型的微阀摆动件2，对该液态金属形成的第二凹槽进行低温处理使其凝固定型，成型该微阀摆动件2。
59.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。