CN108626102A - 微流控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控装置，包括位移致动器(2)和微流控芯片(1)，所述位移致动器(2)与所述微流控芯片(1)相互独立；所述微流控芯片(1)具有微管道，所述微管道具有输入端(11)及输出端(12)，所述微管道的所述输入端(11)与所述输出端(12)之间具有挤压部(13)；所述位移致动器(2)具有挤压所述挤压部(13)微管道的制动部件。本发明提供的微流控装置，位移致动器与微流控芯片相互独立，方便了位移致动器与微流控芯片的分别加工，降低了整体制作工艺加工难度；有效避免了流体与位移致动器直接接触的情况，使得流体仅通过微管道流动，以便于控制流体流通面积，提高了控制精度。

Description

微流控装置

技术领域

本发明涉及微流控设备技术领域，特别涉及一种微流控装置。

背景技术

微流控装置指的是使用微管道或微结构处理或操纵微小流体的装置。以微流控装置中的微型蠕动泵为例，其为驱动微管道内流体流动的泵体。其中，驱动流体流动的结构有很多。

目前的微型蠕动泵中，有采用集成在芯片上的压电泵驱动，如文献Journal ofPhysics D:Applied Physics，2016，49，175402介绍了一种研究时相位移动(Time-phase-shift)蠕动微泵***。也有集成芯片上的静电驱动的蠕动微泵，如文献Lab on a Chip，2004,4,495-501介绍了一种芯片上静电驱动的微微型蠕动泵。还有集成芯片上的热气动驱动的微微型蠕动泵，如文献Sensors and Actuators A:Physical，2011，165，86-93介绍了一种芯片上加热气体膨胀驱动的微微型蠕动泵。还有中国专利CN205078430U公开的一种集成压电蠕动微泵，包括基体和压电执行器，压电执行器的压电层产生局部弯曲变形，使的分离电极模块与基体之间产生一个容腔，通过容腔的形成顺序实现对流体进行输运。

但是，上述微流控装置的结构较为复杂，如集成压电蠕动微泵中压电执行器与基体为一体化结构的蠕动微泵，结构和制作工艺复杂，增加了加工难度；并且，压电执行器与基体形成的单元面积过大，进而使得容腔体积较大，无法精确控制微量液体的运输，影响控制精度。

因此，如何降低加工难度，提高控制精度，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微流控装置，以降低加工难度，提高控制精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微流控装置，包括位移致动器和微流控芯片，所述位移致动器与所述微流控芯片相互独立；

所述微流控芯片具有微管道，所述微管道具有输入端及输出端，所述微管道的所述输入端与所述输出端之间具有挤压部；

所述位移致动器具有挤压所述挤压部的制动部件。

优选地，上述微流控装置中，所述微流控芯片能够拆卸地设置于所述微流控装置的芯片安装位上。

优选地，上述微流控装置中，所述位移致动器为压电制动器、电磁制动器或电机制动器。

优选地，上述微流控装置中，所述制动部件包括悬臂制动件及与所述挤压部对应设置制动部，所述制动部位于所述悬臂制动件悬空的一端。

优选地，上述微流控装置中，所述微管道为高分子柔性管道。

优选地，上述微流控装置中，所述挤压部为腔体结构。

优选地，上述微流控装置中，所述腔体结构的投影面积覆盖所述制动部件的挤压端的投影面积；

所述投影面积的投影方向为所述制动部件与所述腔体结构的排列方向。

优选地，上述微流控装置中，所述位移致动器的数量为多个；所述挤压部为多个且与所述位移致动器一一对应。

优选地，上述微流控装置中，多个所述位移致动器分别位于两个水平面上；

相邻两个所述位移致动器位于不同的水平面上。

优选地，上述微流控装置中，多个所述位移致动器位于同一水平面上。

优选地，上述微流控装置中，所述微流控装置具有微蠕动泵功能。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的微流控装置，通过将位移致动器和微流控芯片相互独立设置，通过位移致动器的制动操作使其制动部件传递到微管道上，实现流体在微管道中的流动。本发明提供的微流控装置，位移致动器与微流控芯片相互独立，方便了位移致动器与微流控芯片的分别加工，降低了整体制作工艺加工难度；有效避免了流体与位移致动器直接接触的情况，使得流体仅通过微管道流动，以便于控制流体流通面积，提高了控制精度。

附图说明

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

图1为本发明实施例提供的微流控装置的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的微流控装置的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的微流控芯片的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的微流控装置的整体示意图；

图5为本发明实施例提供的微流控装置的局部示意图；

图6为本发明实施例提供的微流控装置的电压流程图；

图7为本发明实施例提供的微流控装置的工作流程图；

图8为本发明实施例提供的微流控装置的第一种结构下流率和频率的坐标关系图；

图9为本发明实施例提供的微流控装置的第二种结构下流率和频率的坐标关系图；

图10为本发明实施例提供的微流控装置的第一种结构下流率和电压的坐标关系图。

具体实施方式

本发明公开了一种微流控装置，以降低加工难度，提高控制精度。

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，所描述的实施例仅仅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。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例提供的微流控装置的第一种结构示意图；图2为本发明实施例提供的微流控装置的第二种结构示意图。

本发明实施例提供了一种微流控装置，包括位移致动器2和微流控芯片1，其中，位移致动器2与微流控芯片1相互独立；微流控芯片1具有微管道，微管道具有输入端11及输出端12，微管道的输入端11与输出端12之间具有挤压部13；位移致动器2具有向挤压部13挤压的制动部件。

本发明实施例提供的微流控装置，通过将位移致动器2和微流控芯片1相互独立设置，通过位移致动器2的制动操作使其制动部件传递到微管道上，实现流体在微管道中的流动。本发明实施例提供的微流控装置，位移致动器2与微流控芯片1相互独立，方便了位移致动器2与微流控芯片1的分别加工，降低了整体制作工艺加工难度；有效避免了流体与位移致动器2直接接触的情况，使得流体仅通过微管道流动，以便于控制流体流通面积，提高了控制精度。

可以理解的是，位移致动器2采用冲击制动的方式，通过制动部件对挤压部13的挤压完成微流控装置的运行。微流控芯片具有将生物及化学等反应过程微缩在一个微型平面化芯片的能力，从而使生物化学分析的反应更快、效率更高、可控性更强。

进一步地，微流控芯片1能够拆卸地设置于微流控装置的芯片安装位上。通过上述设置，使得位移致动器2能够重复使用，以便于降低成本；并且，能够相对于微流控装置更换微流控芯片1，方便了微流控芯片1的更换，也有效避免了应用不同类型流体时的交叉污染。微流控芯片1能够减少样品和试剂的需求，而且反应迅速；并且，减少了人工干预，使用廉价可抛弃的基底，使得反应的精度提高且成本降低。

在本发明实施例提供的微流控装置中，位移致动器2为压电制动器、电磁制动器或电机制动器。当然，也可以是其他类型的位移致动器，在此不再一一累述且均在保护范围之内。

制动部件包括悬臂制动件21及与挤压部13对应设置制动部22，制动部22位于悬臂制动件21悬空的一端。通过上述设置，能够扩大位移致动器2的主体与微流控芯片1之间的间距，间距由悬臂制动件21的悬臂长度决定，通过上述设置，方便了位移致动器2的主体与微流控芯片1的布置，提高了二者布置的灵活度。

如图1及图2所示，在本实施例中，制动部22位于悬臂制动件21朝向微流控芯片1的一面。优选地，制动部22垂直于悬臂制动件21设置。

优选地，位移致动器2为压电制动器，其中，压电制动器具有压电悬臂梁，该压电悬臂梁为悬臂制动件21。由于压电制动器的压电悬臂梁可以提供高频率且高精度的位移致动，进一步提高了微流控装置的控制精度。

在本实例中，压电悬臂梁为长52mm，宽7mm，厚度0.82mm的方形压电梁，并不仅限于本实施例的尺寸，也可以选择其他类型。每个位移致动器都由两部分组成，包括11压电梁和针21。

其中，制动部22优选为制动针。可以为Keystone Elecronic Corp的Micro Pin针1356-3或1356-1。

微流控芯片1具有微管道和位于微管道一侧的柔性可变形结构，微管道另一侧结构主要用于密封流体，不需要具有变形能力。微流控芯片1可以为两层或者三层结构。层数取决于其具体的加工方法。

本实施例中，微管道通过软光刻技术制作而成。微管道与柔性可变形结构一次加工完成，与另一侧密封层组成两层结构。

优选地，微管道为高分子柔性管道。其中，微管道应用的高分子柔性材料可以为PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，也可以为PI(Polyimide，聚酰亚胺)，还可以为PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)。当然，也可以应用其他高分子柔性材料制作微管道，仅需满足其传递流体的需求即可。

在本实施例的微管道制作过程中：首先，用SU8光刻胶(负胶)进行甩胶，在5秒上升到600转，600转旋转20秒。然后，前烘65摄氏度3分钟，95摄氏度6分钟；进行紫外曝光10秒；曝光完后中烘65摄氏度1分钟，95摄氏度6分钟；冷却至室温，进行显影，约4分钟即可。再然后，用去离子水清洗，并用***吹干，即可得到管道图案，管道的高度44μm到51μm之间。之后，用PDMS对光刻图形化的管道进行转印，转印浇注之前，先要对PDMS进行抽真空。在模版上旋涂PDMS，200转旋转60秒，PDMS的厚度约为200μm-300μm，然后在65摄氏度加热平板上静置30分钟，将转印的PDMS从加热平板上拿下来，冷却到室温。用工具(手术刀等)把转印的PDMS取下来，放在干净的容器中。

通过上述方式，制作完成了PDMS管道。可以理解的是，上述制作步骤中的具体数值可以在合理范围内进行调整，仅需确保PDMS管道制作成功即可，并不仅限于上述实际数值。

通过上述设置的微流控芯片1，单个周期输运的分辨率可以从皮升到纳升范围，微管道的腔内残余液体(死区)体积小于0.3微升。

如图3所示，本实施例中，微流控芯片微流控芯片1为两层，分别为盖体和载体。盖体为柔性材料制成，可以弹性变形，其上设置微管道；载体为一平面块，可以是刚性材料，也可以是柔性材料与盖体密封。

在本实施例中，载体与盖体通过键合密封。其中，盖体上具有两个流体通道，两个流体通道分别连通微管道的输入端11及输出端12。

优选地，挤压部13为腔体结构。通过上述设置，以便于其与位移致动器2的制动部件对应设置。通过按压盖体，使其弹性变形，并将挤压力传递至挤压部13。

本实施例中，腔体结构为圆形腔体，以便于加工。也可以加工为方形、椭圆形或三角形等，在此不再一一累述且均在保护范围之内。

本实施例中，载体为玻片；盖体为高分子柔性块。盖体可以为PDMS块，也可以为PET块，或其他高分子柔性材料制作的块状结构，在此不再一一累述且均在保护范围之内。

优选地，载体与微管道及盖体通过等离子体等离子键合。

在实际操作过程中，将通过上述微管道制作过程制作的PDMS管道和载体通过等离子体等离子键合方式粘在一起，再将盖体盖设于载体上，通过等离子体等离子键合方式将盖体于载体粘在一起，键合牢固后，进行打孔、插管以及采取密封措施，完成两个流体通道的加工，两个流体通道与微流控芯片1上微管道的输入端11及输出端12相互配合，以便于流体进出微管道。

腔体结构的投影面积覆盖制动部件的挤压端的投影面积；投影面积的投影方向为制动部件与腔体结构的排列方向。通过上述设置，使得腔体结构的投影面积大于制动部件的挤压端的投影面积，在制动部件的挤压端(制动部22的针端)与腔体结构接触，避免了制动部件的挤压端相对于腔体结构错位的情况，提高了传动精度。

优选地，位移致动器2的数量为多个；微管道上的挤压部13为多个且与位移致动器2一一对应。

如图4所示，微流控装置的控制器3包括单片机微处理器、电路部分和用于选择通断的开关选择电路，通过控制器3的控制，实现了对位移致动器2的控制，进而完成了位移致动器2对微流控芯片1中微管道的通断操作，使得微流控装置的运行。

如图5所示，在本实施例中，挤压部13的数量为三个，分别为第一挤压部13a、第二挤压部13b及第三挤压部13c。位移致动器2的数量为三个，因此，悬臂制动件21及制动部22的数量也都为三个，分别为与第一挤压部13a对应的第一悬臂制动件21a及第一制动部22a，与第二挤压部13b对应的第二悬臂制动件21b及第二制动部22b，与第三挤压部13c对应的第三悬臂制动件21c及第三制动部22c。

优选地，微流控装置为微型蠕动泵。下面以微型蠕动泵为例进行说明。

请参考图5、图6及图7，图6为本发明实施例提供的微型蠕动泵的电压流程图；图7为本发明实施例提供的微型蠕动泵的工作流程图。该实施例中，位移致动器2为压电制动器。图7中虚线代表载体的位置，实线代表制动部的位移，箭头代表微管道内流体的流向。

在本实施例中，挤压部13的数量为三个，位移致动器2的数量为三个。

整个工作流程分为6个步骤。

步骤1：第一悬臂制动件21a、第二悬臂制动件21b和第三悬臂制动件21c施加电压。其中，第一悬臂制动件21a、第二悬臂制动件21b和第三悬臂制动件21c均为压电悬臂梁。如图7所示，在此状态下，第一悬臂制动件21a、第二悬臂制动件21b和第三悬臂制动件21c向微流控芯片1的方向弯曲，第一制动部22a、第二制动部22b和第三制动部22c分别挤压微流控芯片1上微管道的第一挤压部13a、第二挤压部13b及第三挤压部13c。此时整个芯片处于液体不流动状态。

步骤2：第一悬臂制动件21a的电压为0，第一悬臂制动件21a恢复原状(伸直不弯曲)，第一悬臂制动件21a不再带动第一制动部22a挤压第一挤压部13a，液体流动方向为箭头所指方向。在此状态下，第二悬臂制动件21b和第三悬臂制动件21c仍然施加电压不变。

步骤3：第一悬臂制动件21a和第二悬臂制动件21b的电压为0，第一悬臂制动件21a和第二悬臂制动件21b恢复原状(伸直不弯曲)，第一悬臂制动件21a不再带动第一制动部22a挤压第一挤压部13a，第二悬臂制动件21b不再带动第二制动部22b挤压第二挤压部13b，流体流动方向为箭头所指方向。在此状态下，第三悬臂制动件21c仍然施加电压不变。

步骤4：第一悬臂制动件21a和第三悬臂制动件21c施加电压，第一悬臂制动件21a和第三悬臂制动件21c弯曲，第一悬臂制动件21a带动第一制动部22a挤压第一挤压部13a，第三悬臂制动件21c带动第三制动部22c挤压第三挤压部13c，在此状态下，第二悬臂制动件21b的电压为0，第二悬臂制动件21b恢复原状(伸直不弯曲)，液体流动方向为箭头所指方向。

步骤5：第一悬臂制动件21a施加电压，第一制动部22a挤压第一挤压部13a，在此状态下，第二悬臂制动件21b和第三悬臂制动件21c的电压为0，第二悬臂制动件21b和第三悬臂制动件21c恢复原状(伸直不弯曲)，流体流动方向为箭头所指方向。

步骤6：第一悬臂制动件21a和第二悬臂制动件21b施加电压，第一悬臂制动件21a和第二悬臂制动件21b弯曲，第一悬臂制动件21a带动第一制动部22a挤压第一挤压部13a，第二悬臂制动件21b带动第二制动部22b挤压第二挤压部13b，在此状态下，第三悬臂制动件21c电压为0，液体流动方向为箭头所指方向。

重复步骤1到步骤6的操作，流体将不断从输入端11向输出端12运输。由于微流控芯片1的两个流体通道都可以作为流体运输的输入端11和输出端12，只需把上述步骤顺序倒序，即更改为步骤1——步骤6——步骤5——步骤4——步骤3——步骤2，则能够使流体从输出端12向输入端11运输。微管道中的流体速率能够通过施加电压、位移致动器2的工作频率、微管道的宽度和微管道的高度决定。

以1和0分别表示位移致动器2处于工作状态(即向下压)和不处于工作状态(即不向下压)，结合图7可以看出，正向流体运输时的动作如下：

初始态：1，1，1；第一个0，1，1；第二个：0，0，1；第三个：1，0，1；第四个：1，0，0；第五个1，1，0；初始态：1，1，1。

反向流体运输时的动作如下：

初始态：1，1，1；第一个1，1，0；第二个：1，0，0；第三个：1，0，1；第四个：0，0，1；第五个0，1，1；初始态：1，1，1。

可以理解的是，多个位移致动器2中始终有一个处于工作状态，即位移致动器2的制动部件压紧微管道的挤压部13，使得流体在微管道该处为流动受限，受限大小决定微管道内的避免流体回流能力。

如图4所示，组装好微型蠕动泵，通过操作单片机，使得微型蠕动泵可以运输液体，用USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)CCD(Charge Coupled Devices，电荷耦合器件)观测微管道的液面变化，并记录数据。

如图8所示，在第一种实施例中，图8具体为悬臂制动件(即压电悬臂梁)两端电压为157V，微管道上相邻两个挤压部13之间的间距(相邻两个圆形空腔的圆心距离)是3mm时，在电压分别为1Hz、10Hz、30Hz、80Hz和100Hz时，正向流体运输及反向流体运输规程中电压与流率的关系曲线。正向流体运输中的流速流率的范围为从0.489nL/s到67.32nL/s，反向流体运输重的流速流率范围为从0.506nL/s到70.686nL/s，双向输运的误差在9％左右。微型蠕动泵具有正向及反向对称输运的能力。正向流速流率及反向流速流率在0到100Hz内随着频率的增加，流速流率呈线性增加。

如图9所示，在第二种实施例中，图9具体为悬臂制动件(即压电悬臂梁)两端电压为157V，微管道上相邻两个挤压部13之间的间距(相邻两个圆形空腔的圆心距离)是9mm时，在电压分别为1Hz、10Hz、20Hz、30Hz和40Hz时，正向流体运输中电压与流率的关系曲线。流速流率范围从0.08264nL/s到5.20593nL/s，在0-40Hz内随着频率的增加，流速流率呈线性增加。

与第一种实施例相比，第一种实施例中相邻两个挤压部13之间的间距为3mm，流速流率范围比较大；第二种实施例中相邻两个挤压部13之间的间距为9mm，流速流率分辨率比较高。因此，能够通过调控微流控芯片1的结构参数，达到调控微型蠕动泵的流率分辨率与流率大小。

如图10所示，在第三种实施例中，图10具体为悬臂制动件(即压电悬臂梁)的工作频率分别为80Hz和100Hz，微管道上相邻两个挤压部13之间的间距(相邻两个圆形空腔的圆心距离)是3mm时；悬臂制动件(即压电悬臂梁)的两端电压为60V、90V、120V、150V和180V时的单向流速流率的关系曲线。通过该图可知，在一定频率下，随着电压的增加，流速流率呈线性增加。

本发明实施例提供的微流控装置，通过选取不同的参数，能够使得运输流体的频率高达1000Hz及以上，近似连续泵。

可以将多个位移致动器2分别位于两个水平面上；相邻两个位移致动器2位于不同的水平面上。其中，多个位移致动器2可以通过同一个位移致动器固定装置4上，当然，也可以设置多个固定装置。

如图1所述，在本实施例中，位移致动器2的数量为三个，且中间的位移致动器2单独设置于一个水平面上，另外两个位移致动器2位于同一水平面上，这就使得三个位移致动器2分别位于两个水平面上，相邻两个位移致动器2位于不同的水平面上。通过上述交叉设置，有效减少了位移致动器固定装置4的整体长度需求，以便于适应安装结构。

也可以将多个位移致动器2位于同一水平面上。其中，多个位移致动器2可以通过同一个位移致动器固定装置4上，当然，也可以设置多个固定装置。

如图2所示，在本实施例中，位移致动器2的数量为三个，三个位移致动器2均位于同一水平面上。通过上述平行排列设置，有效减少了位移致动器固定装置4的整体高度需求，以便于适应安装结构。

优选地，微流控装置具有微蠕动泵功能。即，微流控装置可以为微型蠕动泵或其他具有微蠕动泵功能的装置。微流控装置也可以为其他结构。其中，位移致动器2与微流控芯片1的数量均可以为多个或一个。如，可以采用位移制动器阵列和与之相匹配的存在于同一微流控芯片1上的微流控管道阵列，来实现在微流控芯片1上集成多个蠕动泵。通过这些泵来驱动微流控芯片1上流体，实现微流控芯片1中流体的混合、分离、检测等功能，提供微流控芯片1工作所需的动力。微流控芯片微流控芯片微流控芯片当然，也可以在包括位移致动器2与微流控芯片1的基础上，增加不与位移致动器2直接接触的其他微流控芯片，使其与上述微流控芯片1集成在一起，通过微流控芯片1间接对其他微流控芯片中流体流动提供动力等。在此不再一一累述且均在保护范围之内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种微流控装置，其特征在于，包括位移致动器(2)和微流控芯片(1)，所述位移致动器(2)与所述微流控芯片(1)相互独立；

所述微流控芯片(1)具有微管道，所述微管道具有输入端(11)及输出端(12)，所述微管道的所述输入端(11)与所述输出端(12)之间具有挤压部(13)；

所述位移致动器(2)具有挤压所述挤压部(13)的制动部件。

2.如权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述微流控芯片(1)能够拆卸地设置于所述微流控装置的芯片安装位上。

3.如权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述位移致动器(2)为压电制动器、电磁制动器或电机制动器。

4.如权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述制动部件包括悬臂制动件(21)及与所述挤压部(13)对应设置制动部(22)，所述制动部(22)位于所述悬臂制动件(21)悬空的一端。

5.如权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述微管道为高分子柔性管道。

6.如权利要求1-5任一项所述的微流控装置，其特征在于，

所述挤压部(13)为腔体结构。

7.如权利要求6所述的微流控装置，其特征在于，所述腔体结构的投影面积覆盖所述制动部件的挤压端的投影面积；

所述投影面积的投影方向为所述制动部件与所述腔体结构的排列方向。

8.如权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述位移致动器(2)的数量为多个；所述挤压部(13)为多个且与所述位移致动器(2)一一对应。

9.如权利要求8所述的微流控装置，其特征在于，多个所述位移致动器(2)分别位于两个水平面上；相邻两个所述位移致动器(2)位于不同的水平面上；

或，多个所述位移致动器(2)位于同一水平面上。

10.如权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述微流控装置具有微蠕动泵功能。