CN115126931A - 一种微流控芯片及其制作方法和电磁控制阀门的装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及微流控芯片及微流阀的技术领域，尤其涉及一种微流控芯片及其制作方法和电磁控制阀门的装置，微流控芯片包括依次键合的第一层、第二层及第三层，所述第一层上设有微流道，第三层设有第五通孔，所述磁性球安装在第五通孔内，电磁控制阀门的装置包括离心转盘、微流阀及驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接离心转盘并驱动其旋转；若干微流控芯片沿圆周均匀设置在转盘上，所述微流阀包括若干电磁铁及与其电连通的信号传输部件；若干电磁铁沿圆周均匀固定在转盘上，且位于所述微流控芯片靠近弧形座的一侧，并与磁性球相对设置；所述电磁铁通过信号传输部件通电，并与所述磁性球形成电磁阀门，用于控制微流道的通断。

Description

一种微流控芯片及其制作方法和电磁控制阀门的装置

技术领域

本申请涉及微流控芯片及微流阀的技术领域，尤其涉及一种微流控芯片及其制作方法和电磁控制阀门的装置。

背景技术

离心微流控芯片***集成了试剂、预处理、混合、各种液体的顺序加载、阀门控制和免疫测定中的计量以及芯片实验室上的其他实验，可应用于生物和化学分析中流体的反应、培养及混合等，可将传统的生物和化学分析方法集成到一个无外置泵的单盘上，以实现反应、培养、混合等目的。

其中设计和制造有效的阀来调节微流控***中流体的位置和时间序列是十分重要的，目前的离心微流控阀含有机械飞球式、机械滑块式难以实现转速不变的情况下开闭阀门，而螺栓预紧以及激光烧蚀等的方式需要复杂的对准***等问题。

发明内容

针对上述问题，本申请提供一种微流控芯片及其制作方法和电磁控制阀门的装置，解决现有离心式阀门需调整转速才能开关阀门的问题，且该阀门可重复开关，可实现对多个芯片中流体的开启和阻断。采用如下的技术方案：

一种微流控芯片，包括依次键合的第一层、第二层及第三层；

所述第一层上设有微流道，所述第二层设有第一通孔、第二通孔及第三通孔；

所述第一通孔和第二通孔分别位于微流道两端，所述第三通道位于微流道中部位置；

所述第三层依次对应第二层所述的通孔设有第四通孔、第五通孔和第六通孔；

所述磁性球安装在第五通孔内，所述第五通孔远离第二层的一侧用密封件封住固定；

第一层在第三通孔相对的位置设有弧形座，用于配合限位磁性球。

可选的，所述微流道的高度为10-100um；宽度为50-1000nm；

所述第一层的厚度为1-2mm；所述第二层厚度＞10um。

可选的，第一层与第二层采用聚二甲基硅氧烷制成；

所述第三层为玻璃板。

一种电磁控制阀门的装置，包括离心转盘、微流阀及驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接离心转盘并驱动其旋转；

若干上述中任一项所述微流控芯片沿圆周均匀设置在转盘上；

所述微流阀包括若干电磁铁及与其电连通的信号传输部件；

若干电磁铁沿圆周均匀固定在转盘上，且位于所述微流控芯片靠近弧形座的一侧，并与磁性球相对设置；

所述电磁铁通过信号传输部件通电，并与所述磁性球形成电磁阀门，用于控制微流道的通断。

可选的，信号传输部件包括导电滑环及电刷，所述导电滑环套装在驱动电机的输出轴上，并随其旋转，所述导电滑环与电刷通过线接触导通；

若干所述电磁铁分别通过导线连接导电滑环，所述电刷接通电源，并通过导电滑环导通电磁铁。

可选的，还包括工作台，所述驱动电机固定在工作台底面；

所述离心转盘包括用于固定电磁铁的第一圆盘和固定微流控芯片的第二圆盘；

所述驱动电机的输出轴贯穿工作台，并沿工作台竖直方向依次安装导电滑环、第一圆盘和第二圆盘；

所述电刷固定在工作台上并位于导电滑环的一侧。

可选的，滑环沿轴线设有若干导电环，所述电刷设有若干与导电环线接触的导电线；

所述导电环随着导电滑环并沿轴向转动时，其始终与导电线线接触导通。

可选的，每两个所述导电环为一组，每组导电环分别线接触有正导电线和负导电线；

每个所述导电环均设有导电针头，每组导电环分别通过其导电针头连接同一个电磁铁；

所述电磁铁通电产生磁力作用使磁性球朝向弧形座方向移动，并吸附在弧形座上，用于切断微流道的流通。

可选的，同一所述微流道内可设置1-4个电磁阀门。

一种上述中任一项所述的微流控芯片的制造方法，包括步骤如下；

步骤1，在1号硅片上利用AZ系列光刻胶及光刻技术制备出第一层弧形座的模具结构，再用SU8系列光刻胶制备出微流道的结构，得到第一层的模具；

步骤2，在第一层的模具上浇筑一定比例的聚二甲基硅氧烷；

步骤3，冷却固化，将聚二甲基硅氧烷从模具上揭下，即第一层制备完成；

步骤4，在2号硅片上旋涂一层薄层聚二甲基硅氧烷，加工出第二层；

步骤5，采用等离子体方法，将第一层的下表面与第二层的上表面键合；

步骤6，将第一层和第二层同时揭离硅片；

步骤7，将第二层的下表面与第三层的上表面采用等离子体处理后键合，采用激光加工出第三通孔、第四通孔和第五通孔；

步骤8，通过第三通孔和第四通孔处，用打孔针在第二层上加工出第一通孔和第二通孔，再从第三层下表面侧将磁性金属球放入第五通孔，并用密封件封住第五通孔。

综上所述，本申请包括以下有益效果：

1.本发明公开一种用于微流控芯片的电磁控制阀门的装置，应用于离心微流控芯片***，通过采用磁性球和电磁铁形成电磁阀门，控制磁性球的运动实现微流道中流体的开启和阻断，通过将电信号转换为磁力以实现阀门的开闭。

2.可通过圆周式阵列在转盘上设置多个带电磁阀门的芯片，相对应的电磁铁和磁性球可随转盘做离心运动，可实现其在不改变离心速度的情况下对多个芯片的微流道中流体的开启和阻断。

3.采用导电滑环与电刷座线接触配合，导电滑环随驱动电机转动，可实现电磁铁与芯片做同步离心运动，保证电磁铁在离心运动中也可通电产生磁性，导电滑环的导电环与电刷座的导电线相互配合，每个导电环均连接其适配的电磁铁，每两个导电环(分别线接触有一路正导电线和一路负导电线)都是单独连接一个电磁铁的，不同的电磁铁之间是独立的，即每个电磁铁的电流导通都是独立的线路，相互独立，互不干扰，可单独调整每个电磁铁的导通电流，使其产生不一样的磁力。

附图说明

图1(a)是本实施例的电磁阀门开启的结构原理图；

图1(b)是本实施例的电磁阀门关闭的结构原理图；

图2是本实施例的微流控芯片的结构示意图；

图3-10是本实施例的微流控芯片制造流程图。

图11是本实施例的离心式微流控装置图；

图12是本实施例的离心式微流控装置信号传输结构图。

附图标记说明：100、微流阀；101、电磁铁；200、微流控芯片；201、右侧通道；202、弧形座；203、电磁阀门；204、左侧通道；300、第一层；301、微流道；310、第一层下表面；400、第二层；401、第一通孔；402、第二通孔；410、第二层上表面；420、第二层下表面；500、第三层；501、第三通孔；502、第五通孔；503、第四通孔；504、密封件；505、磁性球；600、模具；601、1号硅片；602、弧形座模具；603、微流道模具；700、2号硅片；800、离心转盘支架；801、平板；802、纵框；803、横框；900、驱动电机；1000、电刷；1001、外接导线；1002、电刷座；1003、导电线；1004、滑环；1005、导电针头；1100、第一圆盘；1201、导线；1300、第二圆盘。

具体实施方式

以下结合附图1-12对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种微流控芯片及其制作方法和电磁控制阀门的装置。

如图2所示，微流控芯片200包括依次键合的第一层300、第二层400及第三层500，微流道301位于第一层300上，第二层400设有第一通孔401和第二通孔402，第一通孔401和第二通孔402分别位于微流道301两端，第三层500依次对应第二层400的两个通孔设有第三通孔501和第四通孔503，在第三层500的中间位置设有第五通孔502，磁性球505安装在第五通孔502内，第五通孔502远离第二层400的一侧用密封件504封住固定，避免磁性球505掉落，密封件504可采用胶带或者密封膜。

优选的，第一层300与第二层400采用聚二甲基硅氧烷制成，使第一层300与第二层400具有一定的弹性，第一通孔401与第三通孔501相对设置，形成流体入口，第二通孔402与第四通孔503相对设置，形成流体出口，第一层300在第五通孔502相对的位置设有弧形座202，用于配合限位磁性球505。

如图1所示，电磁控制阀门的装置包括离心转盘、电磁铁模块、微流控芯片模块及驱动电机900，电磁铁模块和微流控芯片模块安装固定在离心转盘上，驱动电机900用于驱动离心转盘做圆周转动，电磁铁模块和微流控芯片模块可随离心转盘做圆周转动，离心转盘包括第一圆盘1100和第二圆盘1300，分别用于固定电磁铁101和微流控芯片200。

微流控芯片模块包括若干微流控芯片200，若干微流控芯片200通过圆周式阵列安装在第一圆盘1100上，微流控芯片200包括用于流体流动的微流道301和设置在微流道301一侧的磁性球505，磁性球505为金属结构，需要说明的是，磁性球505的形状除了球型也可是其他磁性金属的任意几何形状，都属于本领域的技术人员可以根据不同的使用场景进行任意修改的参数，属于在本实施例的技术构思下的简单替换。

微流阀100包括若干电磁铁101及与其电连接的信号传输部件，信号传输部件外接电源为电磁铁101供电，使其导通电流产生磁性，若干电磁铁101圆周式阵列安装在第二圆盘1300上，电磁铁101位于微流控芯片200靠近弧形座202的一侧，即弧形座202远离第三通孔402的一侧，并与磁性球相对设置，一个电磁铁101对应着一个微流控芯片200设置，且电磁铁101与微流控芯片200中的磁性球505平行且共线，即电磁铁101与磁性球505分别位于微流道301的两侧，形成电磁阀门203，其电磁阀门203位置靠近微流道301中间位置，用于控制微流道301的通断。

电磁控制阀门结构的开启和关闭控制，当电磁铁101未通电时，阀门处于开启状态，微流道301中的流体可正常流通，左侧通道204中的流体可流至右侧通道201；当电磁铁101通电后，电磁铁101通过磁力作用使磁性球505朝向弧形座202方向移动，同时使第二层400在位于磁性球505的位置发生弹性变形，磁性球505将第二层吸附在弧形座202上，从而关闭电磁阀门203，切断微流道301的中左侧通道204和右侧通道201的连通。当电磁体101反向通电后，电磁体产生排斥力，推动磁性球505复位开启阀门，微流道301中的流体恢复正常流通，通过控制输入电磁铁101的电信号，即可开启和关闭阀门，实现了电信号到机械信号的转换，即可实现阀门的重复性开关。在一较佳的实施例中，同一微流道301中可设置两个、三个乃至多个弧形座与磁性球。

在该装置结构中，信号传输部件包括导电滑环1004及电刷1000，导电滑环1004包括若干导电环和导电针头1005，电刷1000包括电刷座1002和固定在电刷座1002两侧的外接导线1001和并排导电线1003，其中电刷座1002与导电线1003被固定在平板801上，导电环随驱动电机900一同旋转，导电线1003与导电环通过线接触方式导通，可实现外接导线1001接通直流电源，在通过导电线1003可与随电机旋转的导电环之间电信号导通。

若干导电环沿轴线设置，每个导电环上均设有导电针头1005，导电针头1005通过导线1201与电磁铁101连接，导线1201可将电信号从导电针头1005传递至电磁铁101，外接导线1001可接通电源将信号从外接导线1001传递至并排导电线1003，而导电滑环1004中的导电环和导电针头1005间电信号可导通。导电滑环1004随驱动电机900一同旋转，并排导电线1003与导电环1004通过线接触方式导通，即外接导线1001接入直流电源后，信号可经由外接导线1001传递至电磁铁。优选的并排导线1003采用硬质导线，便于与导电环1101进行线接触。

通过导通的电流使电磁铁101产生磁力，每个导电环都是单独连接一个电磁铁101的，相互电磁铁101之间是独立的，导电环与电磁铁101是配对的，每两个所述导电环为一组，每组导电环分别线接触有正导电线1003和负导电线1003，每个所述导电环均设有导电针头1005，每组导电环分别通过其导电针头1005连接同一个电磁铁，即每两个导电环分别线接触有一路正导电线和一路负导电线，都是单独连接一个电磁铁101的，不同的电磁铁102之间是独立的，优选的导电线1003采用硬质导线1201，便于与导电环进行线接触。

电信号经由外接导线1001导通至电磁铁101，通过磁力与磁性球505间的相互作用开关阀门，实现电信号至机械信号的转换，本实施例优选的，外接导线1001共6路或者多路，可以分别控制三个或多个电磁铁101实现对三个或多个芯片中流体的阻断和通过。

电磁控制阀门的装置还包括用于安装离心转盘的工作台，工作台包括离心转盘支架800，其离心转盘支架800具有平板801，纵框802和横框803，可固定和支撑其他结构，驱动电机900被固定在离心转盘支架800上，驱动电机900的输出轴贯穿平板801，并沿工作台竖直方向依次安装导电滑环1004、第一圆盘1100和第二圆盘1300，导电滑环1004、第一圆盘1100和第二圆盘1300可随着驱动电机900进行同步旋转。

当电磁铁101未通电时，阀门处于开启状态，微流道301中的流体可正常流通，左侧通道204中的流体可流至右侧通道201；当电磁体通电后，电磁体产生吸引力，吸附磁性球505关闭阀门，微流道301中的流体被阻断，左侧通道204中的流体无法经由微流道301中间流通至右侧通道201，当电磁体反向通电后，电磁体产生排斥力，推动磁性球505复位开启阀门，微流道301中的流体恢复正常流通，通过控制输入电磁铁101的电信号，即可开启和关闭阀门，实现了电信号到机械信号的转换，即可实现阀门的重复性开关。

如图3-10，微流控芯片200的制造方法，包括步骤如下；

步骤1，在1号硅片601上利用AZ系列光刻胶及光刻技术制备出第一层300上的弧形座模具602的结构，再用SU8系列光刻胶制备出微流道模具603的结构，得到第一层300的模具600；

步骤2，在第一层300的模具600上浇筑一定比例的聚二甲基硅氧烷；

步骤3，冷却固化，将聚二甲基硅氧烷从模具600上揭下，即第一层300制备完成；

步骤4，在2号硅片上旋涂一层薄层聚二甲基硅氧烷，加工出第二层400；

步骤5，采用等离子体方法，将第一层300的下表面与第二层400的上表面键合；

步骤6，将第一层300和第二层400同时揭离硅片；

步骤7，将第二层400的下表面与第三层500的上表面采用等离子体处理后键合，其中第三层500为玻璃板，采用激光加工出第三通孔501、第四通孔503和第五通孔502；

步骤8，通过第三通孔501和第四通孔503处，用打孔针在第二层400上加工出第一通孔401和第二通孔402，再从第三层500下表面侧将磁性球505放入第五通孔502，并用密封件504封住第五通孔502。

其中，微流道301的高度为10-100um；宽度为50-1000nm，第一层300的厚度为1-2mm；第二层400厚度＞10um，第三层500采用玻璃板，

优选的，微流道301的高度为30um；宽度为90nm，第一层300的厚度为2mm；第二层400厚度12um。需要说明的是，微流道301的高度、宽度和第一层300、第二层400的厚度都属于本领域的技术人员可以根据不同的使用场景进行任意修改的参数，属于在本实施例的技术构思下的简单替换。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于：包括依次键合的第一层、第二层及第三层；

所述第一层上设有微流道，所述第二层设有第一通孔及第二通孔；

所述第一通孔和第二通孔分别位于微流道两端；

所述第三层依次对应第二层所述的通孔设有第三通孔、第四通孔，其中间位置设有第五通孔；

所述磁性球安装在第五通孔内，所述第五通孔远离第二层的一侧用密封件封住固定；

第一层在第三通孔相对的位置设有弧形座，用于配合限位磁性球。

2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于：所述微流道的高度为10-100um；宽度为50-1000nm；

所述第一层的厚度为1-2mm；所述第二层厚度＞10um。

3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于：所述第一层与第二层采用聚二甲基硅氧烷制成；

所述第三层为玻璃板。

4.一种电磁控制阀门的装置，其特征在于：包括离心转盘、微流阀及驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接离心转盘并驱动其旋转；

若干权利要求1-3中任一项所述微流控芯片沿圆周均匀设置在转盘上；

所述微流阀包括若干电磁铁及与其电连通的信号传输部件；

若干电磁铁沿圆周均匀固定在转盘上，且位于所述微流控芯片靠近弧形座的一侧，并与磁性球相对设置；

所述电磁铁通过信号传输部件通电，并与所述磁性球形成电磁阀门，用于控制微流道的通断。

5.根据权利要求4所述的电磁控制阀门的装置，其特征在于：所述信号传输部件包括导电滑环及电刷，所述导电滑环套装在驱动电机的输出轴上，并随其旋转，所述导电滑环与电刷通过线接触导通；

若干所述电磁铁分别通过导线连接导电滑环，所述电刷接通电源，并通过导电滑环导通电磁铁。

6.根据权利要求5所述的电磁控制阀门的装置，其特征在于：所述装置还包括工作台，所述驱动电机固定在工作台底面；

所述离心转盘包括用于固定电磁铁的第一圆盘和固定微流控芯片的第二圆盘；

所述驱动电机的输出轴贯穿工作台，并沿工作台竖直方向依次安装导电滑环、第一圆盘和第二圆盘；

所述电刷固定在工作台上并位于导电滑环的一侧。

7.根据权利要求6所述的电磁控制阀门的装置，其特征在于：所述导电滑环沿轴线设有若干导电环，所述电刷设有若干与导电环线接触的导电线；

所述导电环随着导电滑环并沿轴向转动时，其始终与导电线线接触导通。

8.根据权利要求7所述的电磁控制阀门的装置，其特征在于：每两个所述导电环为一组，每组导电环分别线接触有正导电线和负导电线；

每个所述导电环均设有导电针头，每组导电环分别通过其导电针头连接同一个电磁铁；

所述电磁铁通电产生磁力作用使磁性球朝向弧形座方向移动，并吸附在弧形座上，用于切断微流道的流通。

9.根据权利要求5所述的电磁控制阀门的装置，其特征在于：同一所述微流道内可设置1-4个电磁阀门。

10.一种权利要求1-4中任一项所述的微流控芯片的制造方法，其特征在于：包括步骤如下；

步骤1，在1号硅片上利用AZ系列光刻胶及光刻技术制备出第一层弧形座的模具结构，再用SU8系列光刻胶制备出微流道的结构，得到第一层的模具；

步骤2，在第一层的模具上浇筑一定比例的聚二甲基硅氧烷；

步骤3，冷却固化，将聚二甲基硅氧烷从模具上揭下，即第一层制备完成；

步骤4，在2号硅片上旋涂一层薄层聚二甲基硅氧烷，加工出第二层；

步骤5，采用等离子体方法，将第一层的下表面与第二层的上表面键合；

步骤6，将第一层和第二层同时揭离硅片；

步骤7，将第二层的下表面与第三层的上表面采用等离子体处理后键合，采用激光加工出第三通孔、第四通孔和第五通孔；

步骤8，通过第三通孔和第四通孔处，用打孔针在第二层上加工出第一通孔和第二通孔，再从第三层下表面侧将磁性金属球放入第五通孔，并用密封件封住第五通孔。

Images