一种微流控阀及其微流体调控方法技术

本发明专利技术涉及一种微流控阀，包括液体入口、入口流道、收缩流道、曲面流道、出口流道、液体出口、气体入口和控制流道。微流体经液体入口流入，依次经过入口流道、收缩流道、曲面流道和出口流道后经所述液体出口排出，在所述入口流道靠近所述收缩流道处设置有调流薄膜，微流体通过挤压调流薄膜使阀的流阻补偿流压，实现流体流量的自动、精确控制；所述控制流道与曲面流道之间设置有截流薄膜，压缩气体经气体入口进入控制流道，通过挤压截流薄膜完全封闭曲面流道，实现流体的运动与截止控制。该微流控阀体积小、易集成、阈值压力低、流量调控精确，可以满足绝大多数微驱动装置的集成需求。

【技术实现步骤摘要】
一种微流控阀及其微流体调控方法
本专利技术涉及一种流体精确调控阀及其流体运动的调控方法，尤其涉及一种微流控阀及其微流体调控方法。
技术介绍
随着微纳制造技术的发展，微流控阀作为微尺度控制元件在结构与化学生物、基因测序、单细胞分析等领域已经发挥了重要的作用。由于微流控阀能够对微流体的流量进行精确调控，满足精密微流体控制的要求，因此在精确给药系统、核酸检测、细胞分选等领域中有着广泛的应用需求。现有的微流控阀主要分为主动流量调节阀和被动流量调节阀。主动流量调节阀主要通过外加控制元件来调节液体流量，如采用气动控制、电流控制、磁铁控制、热电偶控制等施加外部物理场方式来人为的改变阀体中的液体流量，其优势在于流量调控的响应速度快且可以实现复杂的流体运行控制。然而，由于主动流量调节阀需要借助外部控制元件工作，而这些元件会消耗额外的能源，因此不适用于微流体的低成本、精确控制。与主动流量调节阀相比，被动流量调节阀的流量调节原理较为简单，它并不需要外界控制元件的激发，仅依赖自身结构随外界驱动压力源的变化即可自行进行流量调节，且不消耗额外能量，因而在集成低成本、微型化的微流控系统中更有优势。典型被动流量调节阀在结构上一般设有压力控制流道和液体流道，且在控制流道和液体流道之间设置有弹性薄膜。其流量控制原理为利用薄膜受液体压力作用产生弹性变形以截流微流体，通过改变微阀的流阻来实现微流体流量与液体压力的非线性变化，从而实现微流体流量的自动、精确控制。然而，被动流量调节阀并不能用于流体的实时运动与截止控制，因此不能用于流体经常需要通断控制的应用场合。综上所述，现有的微流控阀无法兼具微流体的低成本、精确流量与通断运行控制功能，有必要研制新型结构的微阀以满足上述微流体运行控制需求。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术中存在的不足，提供了一种微流控阀及其微流体调控方法。该微流控阀兼具被动流量调节阀与主动流量调节阀的微流体精确流量与通断控制功能，且体积小、易集成、阈值压力低、流量调控范围广，可以满足绝大多数微驱动装置的集成需求。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：一种微流控阀，包括依次连通的流体入口、入口主流道、收缩流道、出口主流道和流体出口，流体经流体入口流入，依次经过入口主流道、收缩流道和出口流道后经所述流体出口排出，在所述入口主流道靠近所述收缩流道处设置有调流薄膜，所述调流薄膜垂直于流体流动方向，所述调流薄膜截面积小于所述入口主流道的横截面，大于所述收缩流道的横截面，所述调流薄膜正对所述收缩流道的入口；还包括控制流道，所述控制流道连接压缩气体供给装置，所述收缩流道至少一处的侧壁上设有截流薄膜，所述收缩流道通过所述截流薄膜连接所述控制流道，所述截流薄膜为弹性薄膜，当所述控制流道内填充有压缩气体时，所述截流薄膜向所述收缩流道内弯曲变形。进一步的，所述控制流道与所述收缩流道通过所述截流薄膜间隔设置。进一步的，与所述截流薄膜相对的收缩流道侧壁为弧形曲面，所述截流薄膜向所述控制流道腔体内弯曲变形后与所述弧形曲面的侧壁贴合，侧壁为弧形曲面的这一段收缩流道为曲面流道。进一步的，所述入口流道和出口流道的宽度为收缩流道的2倍以上，且入口流道、出口流道和收缩流道的宽高比均大于1。进一步的，所述调流薄膜与所述收缩流道入口之间的距离为20μm～200μm，且调流薄膜的两个长边与其厚度的比值均不低于3。进一步的，所述控制流道的入口与气体入口相通，控制流道的出口为封闭的死区。进一步的，所述收缩流道包含曲面流道，且曲面流道的长度大于等于控制流道的宽度。进一步的，所述曲面流道的顶部为光滑弧面。进一步的，所述调流薄膜与截流薄膜均为高弹性材料，且薄膜受力变形时，薄膜垂直或水平方向的形变位移量不低于其厚度的5倍。进一步的，还包括基片和阀体，所述基片和阀体相互配合形成所述控制流道。进一步的，所述阀体与基片通过氧等离子改性、高温熔融、化学溶剂辅助等工艺实现无缝键合，保障控制流道的气压密封性。本专利技术还提供了一种基于微流控阀的微流体调控方法：微流体自动、精确流量控制：微流体由液体入口流入入口流道，绕过调流薄膜后依次进入收缩流道、曲面流道和出口流道，并从液体出口流至阀体外部；在微流体流动过程中，流体冲击调流薄膜使其朝向收缩流道产生侧向的弹性变形，随着流体压力的增大，薄膜的形变位移量增大并增大微阀的流阻；当流体压力超过微阀的设计阈值压力时，微阀的流阻完全补偿流体压力的变化，使得微阀自动调节出口流体流量至恒定值，实现微流体流量的自动、精确控制。所述微流体流量、流体压力与微阀流阻存在下列数学关系式：其中，Q为微阀的输出流量，P为微阀的入口液体压力，R为微阀的流阻，ΔP为液体压力的增量，ΔR为微阀的流阻增量。由上述数学关系式可知，流量Q与液体压力P和流阻R的比值直接相关。由于微阀内调流薄膜的存在，使得液体压力的增大同时导致微阀流阻也增大。当液体压力P超过一定的阈值时，微阀的流阻增量ΔR可以完全补偿液体压力的增量ΔP，即液体压力P+ΔP与流阻R+ΔR的比值始终保持不变，最终使得微阀输出恒定的流量。进一步的，所述微流控阀的阈值压力是指阀产生恒定流量输出时的入口流体压力，且阀的阈值压力≤20kPa，流量调节范围为1nl/min～10ml/min。微流体运动与截止控制：压缩气体由气体入口进入控制流道，挤压截流薄膜使其产生朝向曲面流道产生弹性变形，变形的薄膜紧贴在曲面流道的弧面上，使曲面流道完全封闭，实现曲面流道中微流体的截止控制。当控制流道中的压缩气体经气体入口排掉时，截流薄膜在自身材料回弹力的作用下恢复原先的平面状态，使曲面流道中的微流体重新开始流动。本专利技术所产生的有益效果包括：本专利技术提出的微流控阀在入口流道和收缩流道之间设置了一个垂直于液体流动方向的调流薄膜，利用薄膜受液体冲击产生弹性变形以截流进入收缩流道中的微流体，即通过改变微阀的流阻来补偿液体压力的变化，从而实现微流体流量的自动、精确控制。此外，本专利技术提出的微流控阀还具有流体运行与截止控制功能。通过在阀内设置控制流道，利用压缩气体挤压控制流道与曲面流道之间的截流薄膜，使薄膜紧贴在曲面流道的光滑弧面上，使曲面流道封闭，实现微流体的截止控制。当微阀需要连续输出微流体时，通过排尽控制流道中的压缩气体，即可使截流薄膜在自身回弹力作用下恢复原状，实现微流体的导通。相比目前已报道的微流控阀，本专利技术提出的微阀兼具主动流量调节阀与被动流量调节阀的微流体精确流量与通断控制功能，且阈值压力小、流量调节范围宽、易微型化集成，在需要提供恒定流量供给的需求方面，如精确药物注射、细胞精确分选、集成微芯片实验室、便捷式即时检测仪器等领域具有广泛的应用价值。附图说明图1是微流控阀的3D结构示意图；图2是微流控阀的俯视结构示意图；图3是图2中视图A的结构放大示意图；图4是图2中截面D-D的剖面结构示意图；图5是图4中视图B的结构放大示意图；图6是图2中截面E-E的剖面结构示意图；图7是图6中视图C的结构放大示意图；图8是微流控阀实现流量精确控制的结构变化示意图及原理解释图；图9是微流控阀实现微流体截止控制的结构变化示意图；图10为微流控阀内的空间流场与调流薄膜受液体冲击作用力的流固耦合仿真图(入口液体压力15kPa)；图11为微流控阀内的微流体速度梯度仿真图(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流控阀，其特征在于：包括依次连通的流体入口、入口主流道、收缩流道、出口主流道和流体出口，流体经流体入口流入，依次经过入口主流道、收缩流道和出口流道后经所述流体出口排出，在所述入口主流道靠近所述收缩流道处设置有调流薄膜，所述调流薄膜垂直于流体流动方向，所述调流薄膜截面积小于所述入口主流道的横截面，大于所述收缩流道的横截面，所述调流薄膜正对所述收缩流道的入口；还包括控制流道，所述控制流道连接压缩气体供给装置，所述收缩流道至少一处的侧壁上设有截流薄膜，所述收缩流道通过所述截流薄膜连接所述控制流道，所述截流薄膜为弹性薄膜，当所述控制流道内填充有压缩气体时，所述截流薄膜向所述收缩流道内弯曲变形。

【技术特征摘要】
1.一种微流控阀，其特征在于：包括依次连通的流体入口、入口主流道、收缩流道、出口主流道和流体出口，流体经流体入口流入，依次经过入口主流道、收缩流道和出口流道后经所述流体出口排出，在所述入口主流道靠近所述收缩流道处设置有调流薄膜，所述调流薄膜垂直于流体流动方向，所述调流薄膜截面积小于所述入口主流道的横截面，大于所述收缩流道的横截面，所述调流薄膜正对所述收缩流道的入口；还包括控制流道，所述控制流道连接压缩气体供给装置，所述收缩流道至少一处的侧壁上设有截流薄膜，所述收缩流道通过所述截流薄膜连接所述控制流道，所述截流薄膜为弹性薄膜，当所述控制流道内填充有压缩气体时，所述截流薄膜向所述收缩流道内弯曲变形。2.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：所述控制流道与所述收缩流道通过所述截流薄膜间隔设置。3.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：与所述截流薄膜相对的收缩流道侧壁为弧形曲面，所述截流薄膜向所述控制流道腔体内弯曲变形后与所述弧形曲面的侧壁贴合。4.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：所述入口流道和出口流道的宽度为收缩流道的2倍以上，且入口流道、出口流道和收缩流道的宽高比均大于1。5.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：所述调流薄膜与所述收缩流道入口之间的距离为20μm~200μm，且调流薄膜的两个长边与其厚度的比值均不低于3。6.根据权利要求1所述的微流控阀，其特征在于：所述控制流道的一端与压缩气体供给装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫杰，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32