[發明專利]一種聲表面波控制開啟和關閉的微閥及其控制方法

有效

• 申請號: 201611120112.6
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN106732836B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 劉尉悅;胡恒銘;金標;湯煜;鐘先鋒;吳騰
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理有限公司 33226
• 代理人: 周玨

本發明公開了一種聲表面波控制開啟和關閉的微閥及其控制方法，該微閥利用一個叉指換能器激發的聲表面波作用于第一鋼珠，且利用另一個叉指換能器激發的聲表面波作用于第二鋼珠，第一鋼珠堵住第一毛細微通道的入口且第二鋼珠堵住第二毛細微通道的出口時阻斷輸運通道，此時微閥關閉，而當第一鋼珠脫離第一毛細微通道的入口且第二鋼珠脫離第二毛細微通道的出口時輸運通道暢通，此時微閥開啟；該微閥利用聲表面波使第一鋼珠和第二鋼珠運動來實現微閥的開啟與關閉，無需較大的外部電流來產生足夠的磁場以驅動第一鋼珠和第二鋼珠，且體積小、結構簡單、易于集成，適用于便攜式微流分析和現場微流分析場合，且可應用于壓電微流芯片上進行微流控制操作。

技術領域

本發明涉及一種微流控芯片中控制微流體輸運的微閥及其控制技術，尤其是涉及一種聲表面波控制開啟和關閉的微閥及其控制方法。

背景技術

微流分析系統因具有試劑消耗量少、分析速度快、體積小、易于集成等諸多優點，在國家安全、DNA測序、蛋白質分析、單細胞分析、藥物篩選、毒品檢測、環境監測和食物安全等眾多領域中有著廣泛的潛在應用。

微閥是工作于連續流工作方式的微流控芯片不可缺少的組成部分，它是微流控芯片的“控制中心”，用于調節微流體在微流控芯片上的流向和歸宿。國內外專家、學者投入了大量的精力和財力，已研制了多種用于微流控芯片的微閥。

已報道的控制微通道內微流體流向的微閥分為兩大類，即主動微閥和被動微閥。其中，主動微閥需要磁、電、熱或氣等外界動力驅動，使微閥內隔膜發生形變，實現微閥開啟或關閉。被動微閥的優點是結構相對簡單，但可靠性有待提高。如較早期研究的電滲微閥，可使毛細電泳系統中電滲流快速地從一個通道轉向另一通道，實現初步微閥的功能。隨后，美國田納西州橡樹嶺國家實驗室的J.Michael Ramsey研究小組對電滲微閥進行了改進，僅用一個電壓源和三個樣品池實現了樣品流和緩沖液的微流路控制。在此基礎上，美國森地亞國家實驗室微流體研究室發明了電壓可尋址的電動微閥，可編程控制微閥的開關動作，極大地提高了微流路可控制性和微流操作的簡便性。電動微閥的優點是開關響應速度較快，但是也存在一些缺陷：1)電動微閥受微通道表面特性的影響極大；2)受緩沖液離子成分的影響嚴重；3)需要高達數百伏特電壓源，增加了微流分析的成本，并給操作人員帶來了安全隱患。因此，電動微閥僅適用于如毛細電泳等特定場合。

為了降低電動微閥的電源電壓值，有學者提出了靜電微閥方法，將微閥所需電源電壓降低到數十伏特，已成功地應用于低壓氣流控制，但是靜電微閥大多使用剛性硅膜，微閥制作工藝較為復雜，且微閥所需電壓仍然較高，若直接應用于壓電微流控制芯片，則極易引起壓電基片的破碎。

電磁微閥可以解決電動微閥上述提及的缺點，其是一種以外加磁場為驅動源的有源微閥，其典型結構是在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中摻入鐵粉，將各向異性刻蝕后的V型腔作為閥塞及閥塞支架，在外加磁場時，閥塞和閥塞支架被抬起，微閥被打開。為了提高電磁微閥的電磁力，往往將電磁線圈等永磁材料嵌入電磁微閥中，使電磁微閥的關閉力在0.25mA情況下達到0.8mN，從而能夠可靠地傾斜閥座上隔膜，關閉電磁微閥。由于電磁微閥需要移動外加電磁場，操作集成性上不如電動微閥方便；同時，由于嵌入永磁材料，因此電磁微閥的可集成性也相應地下降，磁路也較復雜，成本較高，不適宜集成在壓電微流控制芯片上。

電化學微閥的工作原理是電解產生的氣體使微腔內隔膜發生偏離，帶動微閥動作。電化學微閥操作簡單、電化學電極易集成于微流控制芯片，電源電壓較低，適用于微流分析的自動化和集成化的發展方向，但其驅動力較小，微閥漏壓較低，限制了其應用范圍。

相變微閥可避免氣動微閥需要外接氣泵缺點，其通過微閥內的材料受熱引起相變化來控制微通道內微流體的流動，其主要缺點是微閥的開關時間較長，一般需要1～10分鐘，只適用于對微流的開關響應時間要求不高的場合，因此其應用范圍有一定限制。