一種微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]微流體芯片具備高密度、大規(guī)模、高通量、多功能等特點，已經在化學和生物學等領域發(fā)揮著重要的作用。與宏觀尺度的實驗裝置相比，這一技術顯著降低了樣品的消耗量，提高了反應效率。同時也降低了實驗產生廢物對環(huán)境的污染;微流體芯片操作的并行優(yōu)勢可以實現(xiàn)實驗的高通量、自動化控制;并且可以通過微閥微栗等微細結構進行精確控制。這使得微流體芯片在分析領域中具有不可替代的優(yōu)勢。此外，微流控制作工藝逐漸延伸到其他領域，例如微流控光學等。
[0003]微流控芯片是通過微流道中流體的流動實現(xiàn)各種功能的，所以對微流控芯片中流體的控制尤其是流量的控制和調節(jié)是微流控芯片得以應用的關鍵。目前對微流控芯片中流量的控制和調節(jié)主要是通過各種微栗和微閥的組合，這種流量調節(jié)方式在不同的應用下需要設計不同的微栗和微閥結構，增加了微流控芯片設計和制作的難度，而且不具有通用性。另外微栗中使用很多的蠕動栗產生的流量具有很大的波動，不利于需要穩(wěn)定流量的實驗。另外一種流量調節(jié)的方式是通過外部注射栗對微流控芯片入口處的流量進行調節(jié)，這種調節(jié)方式的缺點在于只能對微流控芯片入口處的流量進行調節(jié)，要實現(xiàn)各部分需要的流量，就需要設計不同的微結構，增加了微流控芯片使用中的復雜性。另外大部分注射栗體積龐大，不便于便攜化、小型化應用。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)和方法，以簡單的結構實現(xiàn)微流控芯片的流量調節(jié)。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0006]—種微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)，包括初始流量供應裝置和流量調節(jié)裝置，所述初始流量供應裝置的輸出端連接所述流量調節(jié)裝置，所述流量調節(jié)裝置包括微流控芯片、薄膜濾波器、微芯片擠壓裝置以及控制單元，所述初始流量供應裝置向所述微流控芯片供應恒定流量，所述微芯片擠壓裝置在所述控制單元的控制下對所述微流控芯片進行擠壓，使所述微流控芯片中的微流道交替地關閉和打開，從而產生流通占空比可調的流量PWM波，所述薄膜濾波器具有微流道和位于微流道上的帶彈性薄膜的腔體，所述腔體利用所述彈性薄膜的彈性根據(jù)液體流量改變容積，當液體的輸入流量增大時，所述腔體容納多余的液體，當液體的輸入流量減小時，所述腔體將容納的液體排出以補充輸出流量，進而起到穩(wěn)定輸出流量的作用。
[0007]進一步地:
[0008]所述薄膜濾波器具有三層結構，其中上層具有微流道和位于微流道上的圓形腔體，所述彈性薄膜作為中間層與所述上層鍵合，作為底層的基底與所述彈性薄膜鍵合，所述基底上開有與所述圓形腔體對準的圓柱形孔。
[0009]所述圓形腔體與所述圓柱形孔直徑相等，同心對準。
[0010]所述微流控芯片和薄膜濾波器為PDMS微芯片，所述彈性薄膜為PDMS薄膜。
[0011 ]所述微流控芯片為直流道微芯片。
[0012]所述微芯片擠壓裝置包括電機和曲柄連桿結構，所述曲柄連桿結構的一端耦合到電機軸上，所述曲柄連桿結構的另一端作用到所述微流控芯片上，所述曲柄連桿結構將電機軸的轉動轉化為連桿的往復平動，以對所述微流控芯片實施有控制的擠壓和放松。
[0013]所述電機為步進電機，所述控制單元為單片機。
[0014]所述曲柄連桿結構包括耦合在電機軸上的水平桿和與所述水平桿相連的豎直桿，所述水平桿上開一個偏心小孔，所述豎直桿通過所述偏心小孔連接在所述水平桿上。
[0015]所述初始流量供應裝置包括氣源、氣壓控制器以及儲液池，所述通過氣源所述氣壓控制器連接到所述儲液池，所述儲液池通過導管連接到所述微流控芯片，所述氣壓控制器由控制模塊控制其輸出氣壓作用于所述儲液池的液面上，以向所述微流控芯片輸出恒定流量。
[0016]—種微流控芯片流量調節(jié)方法，使用所述的微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)進行微流控芯片的流量調節(jié)，其中，通過控制所述微流控芯片的擠壓時間和放松時間來產生不同流通占空比的流量PWM波，通過調節(jié)流量PWM波的流通占空比來調節(jié)系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定流量的大小。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
[0018]本發(fā)明提出了一種微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)，通過擠壓微流控芯片可產生一定流通占空比的流量PWM波，流量PWM波流經薄膜濾波器，經薄膜濾波器濾波后產生恒定的輸出流量，而通過調節(jié)流量PWM波的流通占空比就可以調節(jié)系統(tǒng)輸出的恒定流量的大小。這種調節(jié)方式的實現(xiàn)不需要任何復雜的微結構，可以方便地與已有的微流控芯片集成，降低了微流控芯片設計的復雜度。
【附圖說明】
[0019]圖1示出了本發(fā)明實施例的微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)的結構(為方便，圖中同時示出微流控芯片和薄膜濾波器的側視截面和俯視截面)。
[0020]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的微流控芯片流量調節(jié)方法，輸出流量隨時間的變化。
[0021]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的微流控芯片流量調節(jié)方法，流量均值隨流量方波流通占空比的變化。
[0022]圖4示出了作為本發(fā)明實施例中的薄膜濾波器的微流控芯片的制作過程。
【具體實施方式】
[0023]以下對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。
[0024]參閱圖1，在一種實施例中，一種微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)，包括初始流量供應裝置和流量調節(jié)裝置，所述初始流量供應裝置的輸出端連接所述流量調節(jié)裝置，所述流量調節(jié)裝置包括微流控芯片204、薄膜濾波器205、微芯片擠壓裝置207以及控制單元，所述初始流量供應裝置向所述微流控芯片204供應恒定流量，所述微芯片擠壓裝置207在所述控制單元的控制下對所述微流控芯片204進行擠壓，使所述微流控芯片204中的微流道交替地關閉和打開，從而產生流通占空比可調的流量PWM波，所述薄膜濾波器205具有微流道和位于微流道上的帶彈性薄膜的腔體，所述腔體利用所述彈性薄膜的彈性根據(jù)液體流量改變容積，當液體的輸入流量增大時，所述腔體容納多余的液體，當液體的輸入流量減小時，所述腔體將容納的液體排出以補充輸出流量，進而起到穩(wěn)定輸出流量的作用。
[0025]在優(yōu)選的實施例中，所述薄膜濾波器205具有三層結構，其中上層具有微流道和位于微流道上的圓形腔體，所述彈性薄膜作為中間層與所述上層鍵合，作為底層的基底與所述彈性薄膜鍵合，所述基底上開有與所述圓形腔體對準的圓柱形孔。更優(yōu)選的，所述圓形腔體與所述圓柱形孔直徑相等，同心對準。
[0026]在優(yōu)選的實施例中，所述微流控芯片204和薄膜濾波器205為PDMS微芯片，所述彈性薄膜為PDMS薄膜。
[0027]在優(yōu)選的實施例中，所述微流控芯片204為直流道微芯片。
[0028]在優(yōu)選的實施例中，所述微芯片擠壓裝置207包括電機和曲柄連桿結構，所述曲柄連桿結構的一端耦合到電機軸上，所述曲柄連桿結構的另一端作用到所述微流控芯片204上，所述曲柄連桿結構將電機軸的轉動轉化為連桿的往復平動，以對所述微流控芯片204實施有控制的擠壓和放松。
[0029]所述電機可以為步進電機。所述控制單元可以為單片機。
[0030]在更優(yōu)選的實施例中，所述曲柄連桿結構包括耦合在電機軸上的水平桿和與所述水平桿相連的豎直桿，所述水平桿上開一個偏心小孔，所述豎直桿通過所述偏心小孔連接在所述水平桿上。
[0031]所述初始流量供應裝置包括氣源、氣壓控制器202以及儲液池203，所述通過氣源所述氣壓控制器202連接到所述儲液池203，所述儲液池203通過導管201連接到所述微流控芯片204，所述氣壓控制器202由控制模塊控制其輸出氣壓作用于所述儲液池203的液面上，以向所述微流控芯片204輸出恒定流量。
[0032]在另一種實施例中，一種微流控芯片流量調節(jié)方法，使用任一實施例的微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)進行微流控芯片的流量調節(jié)，其中，通過控制所述微流控芯片204的擠壓時間和放松時間來產生不同流通占空比的流量PWM波，通過調節(jié)流量PWM波的流通占空比來調節(jié)系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定流量的大小。
[0033]一種微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)及調節(jié)方法。所述方法的工作原理可以類比電路中的這一原理:PWM波經過低通濾波后可獲得直流電壓，而電壓的大小與PWM波的流通占空比成正比，調節(jié)PWM波的流通占空比就可以實現(xiàn)直流電壓幅值的調節(jié)。而在本申請中主要涉及流量PWM波產生部分和濾波部分。所述流量PWM波產生方法如下:氣壓控制器202由氮氣瓶提供氣源，并由計算機控制其輸出壓力的大??；氣壓控制器202輸出的氣壓作用于儲液池203的液面上，產生恒定流量，所述恒定流量流經直流道PDMS微芯片;單片機控制步進電機往復旋轉，與步進電機軸相連的曲柄連桿機構做往復運動，進而擠壓/放松所述直流道PDMS微芯片，實現(xiàn)微流道的阻斷和暢通;通過單片機和步進電機調節(jié)阻斷和放松的時間間隔，可產生不同流通占空比的流量PWM波。流量PWM波流經微流體薄膜濾波器205 (由PDMS彈性薄膜結構和微流道組成的低通濾波器)，濾波后產生恒定流量。通過調節(jié)流量PWM波的流通占空比可以調節(jié)恒定流量的大小。
[0034]在一種具體實施例中，一種微流控芯片流量調節(jié)系統(tǒng)，包括:初始流量供應裝置，包括氮氣瓶201、氣壓控制器202、計算機209、儲液池203;流量調節(jié)裝置，包括PDMS微流控芯片204、PDMS薄膜濾波器20