專利名稱：一種微流體閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微流體控制的分析、合成和提純等基因、生化、制藥和化學(xué)過(guò)程的微型化技術(shù)，特別是微流體控制以及利用微流體形式的檢測(cè)、生化、制藥及分析的方法中使用的一種微流體閥。
背景技術(shù)：
微流體閥在微流體應(yīng)用中具有重要的作用，是目前包括生物芯片在內(nèi)的微流體系統(tǒng)中的重要部件。目前研究人員已經(jīng)提出了很多種形式的微流體閥。下面按照原理的分類(lèi)方法，進(jìn)行介紹。
一種是采用微機(jī)械工藝制作的微機(jī)械閥，其基本原理類(lèi)似于現(xiàn)有的大型閥。這種微機(jī)械閥一般具有一個(gè)可動(dòng)的閥片，例如可動(dòng)的薄膜。通過(guò)不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)制(電磁、靜電、壓力等等)，來(lái)控制閥的打開(kāi)和閉合。這種微機(jī)械閥屬于主動(dòng)閥，控制的精度和靈活性都比較高，但是，這種微機(jī)械閥由于具有可動(dòng)部件(閥片)，按照目前的工藝技術(shù)，其可靠性難以保證，而且制作工藝復(fù)雜、成本高。在當(dāng)前生物芯片市場(chǎng)追求低成本的趨勢(shì)下，芯片的材料一般是聚合物，在這樣材料的芯片上集成微機(jī)械閥不僅工藝技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，而且成本會(huì)很高。另外，微機(jī)械閥的泄漏問(wèn)題始終沒(méi)有得到很好的解決。
另一種典型的微流體閥是基于電滲流原理。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是當(dāng)某種特定的電解質(zhì)溶液(PH值)在某種特定材料(管道表面有不動(dòng)的負(fù)電荷)的微管道中時(shí)，在溶液的兩端加高電壓，可以使液體在管道中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制不同管道兩端的相對(duì)電勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)閥的功能。這種微流體控制技術(shù)需要高壓(幾千到上萬(wàn)伏)，使得其用于生物和人樣品的檢測(cè)時(shí)，存在安全性問(wèn)題以及難于使儀器小型化等問(wèn)題。而且這種微流體控制系統(tǒng)對(duì)樣品的要求比較高(PH值等)，對(duì)微流體結(jié)構(gòu)的表面特性也有特定的要求(管道表面要有不動(dòng)的負(fù)電荷)，這限制了其控制樣品的種類(lèi)和應(yīng)用的范圍；另一方面這種電滲流控制的閥并不能限制不同液體之間的擴(kuò)散和混合，因?yàn)樵陔姖B流控制中液體必須是連續(xù)的。在現(xiàn)在的許多生物檢測(cè)中，這種不同試劑間的接觸是不允許的。
另一類(lèi)目前微流體系統(tǒng)中經(jīng)常用到的一種被動(dòng)的微流體閥是基于表面張力原理的疏水閥。這種微閥有兩種原理。一種是利用在疏水材料上的管道幾何尺寸的變化產(chǎn)生的毛細(xì)阻力來(lái)阻止液體流動(dòng)。這種微閥的基本原理是采用疏水材料(PMMA)作為微閥的基底材料，在疏水材料中毛細(xì)力是一種阻力，可以阻止液體向前流動(dòng)，而且毛細(xì)力的大小與管道的直徑成反比。管道尺寸越小，毛細(xì)阻力越大。在疏水材料中，當(dāng)水性溶液從大橫截面積的管道流入小橫截面積的管道時(shí)，毛細(xì)力形成的壓差為負(fù)，可以起到阻止流體流動(dòng)的作用。這個(gè)壓差只與管道的大小變化和液體相對(duì)于管道表面的疏水特性有關(guān)。當(dāng)管道的幾何結(jié)構(gòu)和材料以及流體性質(zhì)一定時(shí)，這個(gè)毛細(xì)阻力提供的壓差就是一定的，這個(gè)壓差也就是該微流體閥打開(kāi)的臨界值。當(dāng)利用某種驅(qū)動(dòng)機(jī)制產(chǎn)生的液體中的壓力超過(guò)這個(gè)臨界值，該流體微閥就可以打開(kāi)，液體得以通過(guò)。另一類(lèi)疏水微閥是利用在親水基底上制作疏水的圖案來(lái)實(shí)現(xiàn)閥的功能。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是利用微機(jī)械或者化學(xué)工藝技術(shù)，使得親水管道中的某段成為疏水的。按照上述的原理，疏水表面相對(duì)于水性溶液是起阻力作用的，所以這一段疏水區(qū)就起到了一個(gè)閥的作用。
還有一種基于表面張力原理的親水閥。這種微閥的基本原理是采用親水材料作為微閥的基底材料，在親水材料中，當(dāng)水性溶液從小橫截面積的管道流入大橫截面積的管道時(shí)，毛細(xì)力形成的壓差為負(fù)，可以起到阻止流體流動(dòng)的作用。而且毛細(xì)力的大小與管道的直徑成反比。典型的有Gemera公司的LAB on CD中的親水微閥。
這類(lèi)利用表面張力原理的被動(dòng)微閥的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)可動(dòng)部件、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且在目前的微流體系統(tǒng)中有了應(yīng)用。但是這種閥也有一些缺點(diǎn)。其中最重要的兩點(diǎn)是1、背壓較低。所謂背壓就是微閥可以抵抗的最大壓力。背壓低就造成溶液很容易由于其它的干擾而通過(guò)微閥的阻擋，例如在運(yùn)輸過(guò)程中的顛簸等。在目前的包括生物芯片在內(nèi)的許多微流體系統(tǒng)中，溶液是在系統(tǒng)使用前事先存放在試劑池內(nèi)的。如果利用這類(lèi)基于表面張力原理的微閥來(lái)阻止這些試劑池內(nèi)的液體流出，由于其背壓低，就很容易在運(yùn)輸或者其它處理過(guò)程中，由于顛簸等原因使微閥失效，造成液體泄漏，而這些運(yùn)輸?shù)雀蓴_因素是不可避免的；2、對(duì)溶液要求較高，限制了微閥的使用范圍。比如，疏水微閥發(fā)揮作用的根本是管道表面對(duì)溶液是疏水的，也就是說(shuō)溶液不會(huì)浸潤(rùn)管道。由于在一定材料的條件下，相對(duì)它表面疏水的溶液是有限的，所以疏水微閥適用的范圍也是有限的。另一方面，在生物和化學(xué)應(yīng)用中，許多溶液包含表面活性劑成分，表面活性劑會(huì)使原來(lái)不潤(rùn)濕管道表面的溶液變得對(duì)管道表面潤(rùn)濕，這樣會(huì)使疏水微閥失效。
本實(shí)用新型的內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種微流體閥，它能解決現(xiàn)有技術(shù)中的背壓較低造成液體泄漏和對(duì)溶液要求較高限制了微閥使用范圍的問(wèn)題，本實(shí)用新型微流體閥的背壓可以有效地阻止溶液通過(guò)，不會(huì)被一些普通因素輕易破壞，比如運(yùn)輸中的顛簸而造成液體泄漏；并能適用于各種溶液，不會(huì)受到表面活性劑等成分的影響。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，我們采用了如下的技術(shù)方案，本實(shí)用新型一種微流體閥，其特征是它位于試劑池和管道之間，在所述試劑池的出口與所述管道的一端相連處具有閥膜，形成所述的微流體閥，以控制所述試劑池出口與管道之間的通斷。
本實(shí)用新型中利用微機(jī)械技術(shù)在試劑池的出口制作出很薄的閥膜，這層閥膜可以有效阻擋試劑池中的試劑流出到管道。由于是機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以可以不受溶液性質(zhì)的影響，例如表面活性劑的影響；這種閥膜承受的壓力比較高，所以可以比較有效地防止液體在運(yùn)輸過(guò)程中或者其它操作過(guò)程中由于顛簸等因素而使微閥的功能失效。
當(dāng)需要試劑池中的液體突破閥膜的影響而流出的管道時(shí)，可以通過(guò)某種方式(例如離心力、擠壓等)在液體中產(chǎn)生一定的壓力，使得閥膜被破壞，從而使試劑從試劑池流出進(jìn)入管道并經(jīng)管道流到另一試劑池中。
綜上所述，由于在管道與試劑池之間采用閥膜做為微閥，使其具有如下的優(yōu)點(diǎn)1、微閥對(duì)溶液的性質(zhì)不敏感即要求不高，幾乎適用于任意溶液或者試劑，表面活性劑溶液同樣也可以成功地被阻擋；2、微閥的背壓較大，可以有效的防止在運(yùn)輸或者其它操作過(guò)程中，由于顛簸等因素而使試劑流出；3、結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，成本低，可以利用目前的芯片制作技術(shù)制造。
本實(shí)用新型適于基因、生化制藥、化學(xué)過(guò)程中的芯片上使用。
附圖及附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，示出了閥膜將試劑池與管道隔斷狀態(tài)，圖2為
圖1中的閥膜破裂狀態(tài)，圖3、4為本實(shí)用新型的使用狀態(tài)圖。
圖中代號(hào)說(shuō)明1試劑池2試劑3閥膜4管道 5轉(zhuǎn)臺(tái)6另一試劑池7芯片 F離心力 O轉(zhuǎn)軸ω轉(zhuǎn)動(dòng)角速度實(shí)施例如
圖1，本實(shí)用新型微流體閥位于試劑池1和管道4之間，在試劑池1的出口與管道4的一端相連處具有閥膜3，形成微流體閥，以控制試劑池1的出口與管道4之間的通斷。由于閥膜3不易損壞，在運(yùn)送或顛簸下不致破裂。如圖2，當(dāng)需要將該閥膜3開(kāi)啟時(shí)，只需以作用力F將該閥膜3破開(kāi)，則試劑池1中的試劑2即可從閥膜3經(jīng)管道4流出。如圖3、4為本實(shí)用新型微閥系統(tǒng)的一種使用設(shè)計(jì)，如圖3，上述的微流體閥是位于芯片7上的，且管道4另一端與另一試劑池6相連。芯片7裝在轉(zhuǎn)臺(tái)5上，轉(zhuǎn)臺(tái)5由電動(dòng)機(jī)(未示出)帶動(dòng)可繞轉(zhuǎn)軸O以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)。芯片7以及在芯片7上試劑池1和管道4以及閥膜3都是通過(guò)LIGA工藝技術(shù)在PMMA上制作的。破壞閥膜3需要的壓力是利用離心力F產(chǎn)生的。通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸O旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)5發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)就可以產(chǎn)生離心力F，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速ω可以調(diào)節(jié)離心力F的大小。
在不需要試劑池1中的試劑2流出時(shí)，閥膜3用來(lái)有效阻止試劑池1中的試劑2流出，如圖3所示。當(dāng)需要試劑池1中的試劑2流出時(shí)，可以將芯片7放置在轉(zhuǎn)臺(tái)5上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速ω使得試劑2所受的離心力F增大，以破壞閥膜3，使試劑2從試劑池1中流出。離心力F的作用進(jìn)一步可以驅(qū)動(dòng)試劑2繼續(xù)向另一試劑池6流動(dòng)如圖4所示。
權(quán)利要求1.一種微流體閥，其特征是它位于試劑池和管道之間，在所述試劑池的出口與所述管道的一端相連處具有閥膜，形成所述的微流體閥，以控制所述試劑池出口與管道之間的通斷。
專利摘要一種微流體閥，其特征是它位于試劑池和管道之間，在所述試劑池的出口與所述管道的一端相連處具有閥膜，形成所述的微流體閥，以控制所述試劑池出口與管道之間的通斷。本實(shí)用新型能解決現(xiàn)有技術(shù)芯片中的微流體閥背壓較低易造成液體泄漏和對(duì)溶液要求較高的問(wèn)題，本實(shí)用新型具有較高的背壓在運(yùn)輸中不易受顛簸破壞而導(dǎo)致液體泄漏，可做為各種液體閥，本實(shí)用新型適于基因、生化、制藥、化學(xué)過(guò)程中的芯片上使用。
文檔編號(hào)F16K17/16GK2570564SQ02251889
公開(kāi)日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2002年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者連崑, 唐飛 申請(qǐng)人:上海博昇微晶科技有限公司