本實(shí)用新型涉及微流控芯片領(lǐng)域，尤其涉及一種零泄漏磁性液體微流控芯片閥體。

背景技術(shù)：

微流控芯片是一種以在微米尺度空間對流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能微縮到一個幾平方厘米的芯片上的能力，因此又被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室。在現(xiàn)階段，主流形式的微流控芯片多由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物等實(shí)驗(yàn)室的各種功能。微流控芯片的基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在微小可控平臺上的靈活組合和規(guī)模集成。

微流控芯片閥體，也被稱為微閥，一般被分為有源閥和無源閥?，F(xiàn)有技術(shù)的主要發(fā)展在無源閥，利用微流體自身的流向變化和壓力變化實(shí)現(xiàn)閥體的開關(guān)控制，但由于其依靠微流體自身的變化實(shí)現(xiàn)控制，故容易出現(xiàn)泄露和閥體失效。現(xiàn)有技術(shù)在有源閥上的應(yīng)用較少，目前主要研究趨勢集中在氣動閥、熱膨脹閥、壓電效應(yīng)閥以及形狀記憶合金閥。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種零泄漏磁性液體微流控芯片閥體，通過控制磁場的大小和方向?qū)Ω袦亟^緣磁流體液滴的位置進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)微流控芯片閥體的打開和關(guān)閉，同時磁流體又具有良好的密封和散熱功能，極大地提高了微流控芯片閥體的響應(yīng)速度、精確性、穩(wěn)定性和可靠性，解決現(xiàn)有的微流控芯片閥體響應(yīng)速度慢、適用范圍小、存在一定的泄露的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，采用如下的技術(shù)方案。一種零泄漏磁性液體微流控芯片閥體，包括芯片、芯片蓋板、芯片進(jìn)出口、磁流體液滴和磁體，所述芯片上設(shè)置有微流體通道、微閥通道和儲液槽，所述儲液槽設(shè)置在所述微流體通道端部，所述微閥通道設(shè)置在所述微流體通道中，所述微閥通道包括打開段和關(guān)閉段，所述打開段為側(cè)壁開設(shè)凹槽的小段微流體通道，所述關(guān)閉段為與打開段連通的小段微流體通道，所述芯片蓋板貼合在所述芯片上，所述芯片蓋板對應(yīng)所述儲液槽的位置設(shè)置有安裝孔，所述芯片進(jìn)出口安裝在所述芯片蓋板的安裝孔上，所述磁流體液滴設(shè)置在所述芯片的微閥通道內(nèi)，所述磁體設(shè)置在所述芯片的微閥通道外并靠近微閥通道。

芯片作為微流控芯片閥體的核心，用于控制微流體的通斷，同時也是微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的核心反應(yīng)部件。芯片蓋板用于封閉芯片的內(nèi)部空間。芯片進(jìn)出口用于引導(dǎo)液體流入流出芯片，與儲液槽連通，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求及樣品數(shù)量選擇N（N≥2）個芯片進(jìn)出口。磁流體液滴作為微流控芯片閥體的開關(guān)。磁體作為有源閥的外部觸發(fā)部件，用于控制磁流體液滴的位置實(shí)現(xiàn)對微流控芯片閥體的開關(guān)控制。微流體通道處于關(guān)閉狀態(tài)時，磁體將微閥通道中的磁流體液滴吸引在關(guān)閉段中。開始實(shí)驗(yàn)時，實(shí)驗(yàn)流體從一個芯片進(jìn)出口進(jìn)入芯片并儲存在對應(yīng)的儲液槽中。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流體要通過微流體通道時，磁體先將磁流體吸引到打開段的凹槽內(nèi)使微流體通道處于打開狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)流體通過微流體通道到達(dá)另一個儲液槽中，磁體再將磁流體吸引到關(guān)閉段使微流體通道處于關(guān)閉狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)流體直接從所處的儲液槽對應(yīng)的芯片進(jìn)出口取出即可。

所述芯片上或所述芯片蓋板上設(shè)置有滑軌，所述滑軌靠近所述微閥通道，所述磁體設(shè)置在所述滑軌內(nèi)。通過控制磁體在滑軌內(nèi)滑動，從而吸引磁流體液滴在微閥通道的打開段和關(guān)閉段之間移動，實(shí)現(xiàn)微閥通道打開和關(guān)閉的切換。

所述磁體為兩個電磁鐵，分別靠近所述微閥通道的打開段和關(guān)閉段。通過兩個電磁鐵一個通電一個斷電的方式，吸引磁流體液滴在微閥通道的打開段和關(guān)閉段之間移動，實(shí)現(xiàn)微閥通道打開和關(guān)閉的切換。

所述芯片的材料為玻璃或有機(jī)聚合物，所述有機(jī)聚合物為聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝膠。

所述芯片蓋板的材料為玻璃或有機(jī)聚合物，所述有機(jī)聚合物為聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝膠。

所述磁流體液滴為感溫絕緣磁流體液滴，感溫絕緣磁流體具有良好的散熱性。

上述零泄漏磁性液體微流控芯片閥體的設(shè)計方法，包括以下步驟：

S1根據(jù)實(shí)驗(yàn)流體對象選擇磁流體液滴，如果實(shí)驗(yàn)流體是油基則選擇水基磁流體或其他與實(shí)驗(yàn)流體不相容的磁流體，如果實(shí)驗(yàn)流體是水基則選擇油基磁流體；

S2根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求及樣品數(shù)量選擇N個芯片進(jìn)出口，N≥2；

S3制作芯片，制作與芯片進(jìn)出口數(shù)目相同且位置對應(yīng)的儲液槽，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求制作微流體通道，在微流體通道中選擇小段側(cè)壁開設(shè)凹槽制作微閥通道；

S4制作芯片蓋板，在芯片蓋板上開設(shè)與芯片進(jìn)出口數(shù)量相同的安裝孔，將芯片蓋板貼合在芯片上，將芯片進(jìn)出口安裝在芯片蓋板的安裝孔；

S5將磁流體液滴滴入芯片進(jìn)出口，通過強(qiáng)磁體吸引至微閥通道，設(shè)置好磁體并檢查開關(guān)特性。

所述磁流體液滴采用感溫絕緣磁流體，所述感溫絕緣磁流體為水基、油基、酯基或氟醚油磁流體。選用時綜合考慮實(shí)驗(yàn)流體粘度、壓力和經(jīng)濟(jì)性來選擇不同磁化強(qiáng)度的磁流體，磁化強(qiáng)度越高，磁流體固體特性越明顯。

所述芯片的儲液槽、微流體通道和微閥通道的形成方法為光刻法、化學(xué)腐蝕法、熱壓法或注塑法。

所述微流體通道的有效直徑為D，單位為微米級，所述微閥通道的打開段的有效直徑不小于1.5D。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與效果是：

1.本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，通過外部磁場對感溫絕緣磁流體的作用實(shí)現(xiàn)感溫絕緣磁流體液滴的移動，其各個功能部件各自獨(dú)立，方便后期的檢修和維護(hù)；

2.本實(shí)用新型對工作環(huán)境無特殊要求，由于磁性流體自身的優(yōu)異性能使閥體極易滿足密封和零泄漏的要求，可適應(yīng)粉塵環(huán)境等各種惡劣工作環(huán)境；

3.本實(shí)用新型閥體開關(guān)材料消耗極少，且品種多樣可滿足不同實(shí)驗(yàn)對象的實(shí)驗(yàn)要求，靈活性好，適用范圍極廣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)時間較短，具有零泄漏、可適用范圍更廣、可靠性更高、更加節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，同時磁流體又具有良好的密封和散熱功能，極大地提高了微流控芯片閥體的響應(yīng)速度、精確性、穩(wěn)定性和可靠性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為芯片蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為芯片進(jìn)出口的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為微閥通道、磁流體、磁體三者的位置示意圖；

圖6(a)為實(shí)施例一微閥通道打開狀態(tài)示意圖；

圖6(b)為實(shí)施例一微閥通道關(guān)閉狀態(tài)示意圖；

圖7(a)為實(shí)施例二微閥通道打開狀態(tài)示意圖；

圖7(b)為實(shí)施例二微閥通道關(guān)閉狀態(tài)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。

本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括芯片1、芯片蓋板2和芯片進(jìn)出口3。芯片1的結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)置有微流體通道11、微閥通道12和儲液槽13，儲液槽13設(shè)置在微流體通道11端部，微閥通道12設(shè)置在微流體通道11中。微閥通道12包括打開段121和關(guān)閉段122，打開段121為側(cè)壁開設(shè)凹槽的小段微流體通道，關(guān)閉段122為與打開段121連通的小段微流體通道。芯片蓋板2的結(jié)構(gòu)如圖3所示，芯片蓋板2貼合在芯片1上，芯片蓋板2對應(yīng)儲液槽13的位置設(shè)置有安裝孔21。芯片進(jìn)出口3的結(jié)構(gòu)如圖4所示，芯片進(jìn)出口3安裝在芯片蓋板2的安裝孔21上，并與儲液槽13連通。如圖5所示，磁流體液滴4設(shè)置在芯片1的微閥通道12內(nèi)，磁體5設(shè)置在芯片1的微閥通道12外并靠近微閥通道12。

本實(shí)用新型的設(shè)計方法，可以根據(jù)不同的實(shí)際需求進(jìn)行快速設(shè)計，包括以下步驟：

S1根據(jù)實(shí)驗(yàn)流體對象選擇磁流體液滴4，如果實(shí)驗(yàn)流體是油基則選擇水基磁流體或其他與實(shí)驗(yàn)流體不相容的磁流體，如果實(shí)驗(yàn)流體是水基則選擇油基磁流體；一般常用感溫絕緣磁流體，因?yàn)楦袦亟^緣磁流體混合液具有良好的散熱性，常用的感溫絕緣磁流體有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流體，選用時綜合考慮實(shí)驗(yàn)流體粘度和經(jīng)濟(jì)性來選擇不同磁化強(qiáng)度的磁流體；

S2根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求及樣品數(shù)量選擇N個芯片進(jìn)出口3，圖1中N=2；

S3制作芯片1，制作與芯片進(jìn)出口3數(shù)目相同且位置對應(yīng)的儲液槽13，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求制作微流體通道11，在微流體通道11中選擇小段側(cè)壁開設(shè)凹槽制作微閥通道12；微流體通道11的有效直徑為D，單位為微米級，微閥通道12的打開段121的有效直徑不小于1.5D；芯片1的儲液槽13、微流體通道11和微閥通道12的形成方法主要有光刻法、化學(xué)腐蝕法、熱壓法、注塑法等；芯片1的材料可選擇玻璃或有機(jī)聚合物，有機(jī)聚合物可選擇聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝膠；

S4制作芯片蓋板2，在芯片蓋板2上開設(shè)與芯片進(jìn)出口3數(shù)量相同的安裝孔21，安裝孔21內(nèi)可設(shè)置防泄漏墊圈，將芯片蓋板2貼合在芯片1上，將芯片進(jìn)出口3安裝在芯片蓋板2的安裝孔21；芯片蓋板2的材料可選擇玻璃或有機(jī)聚合物，有機(jī)聚合物可選擇聚甲基丙烯酸乙酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸脂（PC）或水凝膠；

S5將磁流體液滴4（一般單位為微升）滴入芯片進(jìn)出口3，通過強(qiáng)磁體吸引至微閥通道12，設(shè)置好磁體5并檢查開關(guān)特性。

實(shí)施例一，芯片1上設(shè)置滑軌14以安裝磁體5。如圖6(a)所示，磁體5將磁流體4吸引在打開段121的凹槽內(nèi)，微閥通道12處于打開狀態(tài)。如果將磁體5沿滑軌14滑動，將磁流體4吸引到關(guān)閉段122內(nèi)，微閥通道12則會處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖6(b)所示。

實(shí)施例二，磁體5包括第一電磁鐵51和第二電磁鐵52。如圖7(a)所示，第一電磁鐵51通電，第二電磁鐵52斷電，故第一電磁鐵51將磁流體4吸引在打開段121的凹槽內(nèi)，微閥通道12處于打開狀態(tài)。如果將第一電磁鐵51斷電，第二電磁鐵52通電，則第二電磁鐵52將磁流體4吸引到關(guān)閉段122內(nèi)，微閥通道12處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖7(b)所示。