[发明专利]微流控相变汽泡微泵阀及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及微流控芯片内流体驱动和控制，具体地，涉及一种微流控相变汽泡微泵阀及其方法。

背景技术

微流控分析芯片在生命科学，生化检测和微型能源系统等领域都有重要应用，微流控芯片内流体输运和流量控制是微流控的关键技术。在微流控芯片内受空间尺寸限制和微尺度效应影响，常规的流体驱动和控制方法直接应用于微流控芯片变得不可行。微泵和微阀是考虑微通道内流动特点，采用微机械加工技术在微流控芯片内制作的微流体驱动和控制装置。按原理可分为压力驱动、电水力驱动、电渗驱动、热驱动、表面张力驱动、离心力驱动等；如按有无可动部件分，又可分为有阀和无阀的驱动和控制；其中每一种驱动和控制方式又有各种不同的操作形式。

以热为动力源实现微流控芯片内流体输运和控制是微流控技术一个重要组成部分。热驱动泵的工作原理是，加热液体使其产生表面张力梯度的变化来驱动微流体；热气微泵主要通过气体加热膨胀来驱动弹性薄膜形变产生致动力实现流体驱动。使用热驱动的微阀主要有热空气驱动微阀、双金属驱动微阀和形状记忆合金驱动微阀三种。此外有一种固液相变驱动微阀，其致动部件是水凝胶、溶胶－凝胶、石蜡等沸点比较低的物质，通过改变温度使其处于不同相态，从而实现阀的开关功能。

基于汽液相变两相间较大的密度差，以液体沸腾产生汽泡为致动器驱动和控制微通道内流体为原理的微泵和微阀装置鲜有报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微流控相变汽泡微泵阀及其方法。

根据本发明的一个方面，提供的一种微流控相变汽泡微泵阀，包括微通道结构、储液微穴、加热装置、底层芯片、绝缘层以及顶层芯片；

所述微通道结构和所述储液微穴设置在顶层芯片上；所述储液微穴连接在所述微通道结构的两侧；所述储液微穴用于充装相变液体；所述加热装置设置在所述底层芯片上，所述加热装置用于对储液微穴内充装的相变液体进行加热；所述绝缘层设置在所述底层芯片和顶层芯片之间。

优选地，所述微通道结构包括流体入口、流体出口和主流微通道；所述流体入口和所述流体出口分别设置在主流微通道的两端。

优选地，所述储液微穴沿所述主流微通道的两侧交错排列。

优选地，所述储液微穴包括末端凹穴和向下倾斜的渐缩通道段；所述末端凹穴设置在渐缩通道段的末端。

优选地，所述加热装置包括微加热器、导线以及电源；所述微加热器、所述导线以及所述电源顺次相连，所述微加热器为采用溅射加工工艺制成的铂金属薄膜，所述导线为溅射加工工艺制成的铜薄膜，所述电源为连续加热的直流电源或者直流电源配合脉冲函数发生器组成脉冲加热电源。

优选地，还包括相变液体，所述相变液体充注在储液微穴中。

优选地，所述相变液体为丙酮。

根据本发明的另一个方面，提供的一种微流控相变汽泡微泵阀的相变液体的充注方法，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片放置使流体入口在上部，流体出口在下部；

步骤2：将相变液体通过微通道结构充注到储液微穴内；

步骤3：再将待检验样品或者气体充注到微通道结构的主流微通道内以使得相变液体排出，则储液微穴内残留的相变液体为充注的用于核态沸腾的液体。

根据本发明的另一个方面，提供的一种微流控相变汽泡微泵阀用作微阀的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片的放置角度使流体入口在上部，流体出口在下部；其中，主流微通道内充注有流体；

步骤2：增大加热装置的加热功率，使储液微穴内的相变液体核态沸腾产生汽泡，汽泡进入主流微通道形成汽塞以阻塞流体流动。

根据本发明的另一个方面，提供的一种微流控相变汽泡微泵阀用作微泵的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：调整顶层芯片的放置角度使流体入口在下部，流体出口在上部；其中，主流微通道内充注有流体；

步骤2：增大加热装置的加热功率，使储液微穴内核态沸腾产生的汽泡在主流微通道内形成汽塞，汽塞受浮力作用带动汽塞上部的流体沿主流微通道向上流动。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：