本實用新型涉及微流控技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種集成于微流控芯片的電磁微閥。

背景技術(shù)：

微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程的一種技術(shù)。微流控芯片技術(shù)以微機電加工技術(shù)為基礎(chǔ)，通過在芯片上構(gòu)建復(fù)雜的微尺度通道，將傳統(tǒng)上大體積反應(yīng)的發(fā)生檢測等集中于微小的芯片上，以可控微流體貫穿整個系統(tǒng)并完成各種生物和化學(xué)過程，能夠在短時間內(nèi)分析大量的反應(yīng)，實現(xiàn)了分析效率的極大提高。

在微流控芯片技術(shù)中，對流體的控制是實現(xiàn)芯片分析的關(guān)鍵，研究人員通過開發(fā)多種形式的微閥，以流量調(diào)節(jié)、流道開關(guān)等形式精確控制流體在芯片內(nèi)的流動。微閥是微流控芯片裝置的重要組成部分，主要用來實現(xiàn)流體流量大小的調(diào)節(jié)、流體通道的啟閉以及流體流向的切換。在各種微流控制系統(tǒng)中，微閥都有著廣泛的應(yīng)用，例如，微型化學(xué)分析系統(tǒng)、生物分析系統(tǒng)、微泵等都需要使用微閥。

目前常用的微流控芯片系統(tǒng)的微閥包括氣動微閥、壓電微閥、電磁微閥等。其中，氣動微閥一般為常開閥且需要氣瓶等較大的外部配套設(shè)備，難以實現(xiàn)整個微流控芯片系統(tǒng)的小型化；壓電微閥一般制作成本較高且需要較高的驅(qū)動電壓，為操作這帶來安全隱患。電磁微閥因難度低、操作簡單得到了廣泛的研究。常規(guī)的電磁微閥一般都結(jié)構(gòu)復(fù)雜且微閥控制通道會與被控流體直接接觸，或者微閥進出口與微流控芯片主體之間有宏微接口，因而用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時容易引入污染。

目前，現(xiàn)有技術(shù)中對電磁微閥進行了以下研究：

專利1：電磁微閥裝置(公布號CN 105715865A；公布日2016.06.29)中公開了一種電磁微閥裝置：通過室溫液態(tài)金屬填充的液態(tài)金屬螺旋線圈微流道之間的吸引力和排斥力來實現(xiàn)樣本試劑流道的關(guān)閉和開啟，電磁微閥利用電磁線圈產(chǎn)生電磁力擠壓微流道、阻斷做流動。然而，該種方式的微閥嚴(yán)重依賴于液態(tài)的金屬，其應(yīng)用具有一定的難度。

專利2：一種高通量、全自動微流控芯片細(xì)胞分選裝置(公布號CN 205556699N；公開日2016.09.07)公開了一種高通量、全自動微流控芯片細(xì)胞分選裝置：基于電磁微泵和電磁微閥的組合結(jié)構(gòu)的細(xì)胞分選裝置，其能夠在目標(biāo)細(xì)胞通過檢測通道時，通過自動控制電磁微泵和電磁微閥的相互配合動作，控制流路的方向和通斷，從而將目標(biāo)細(xì)胞分選到收集的路徑。但是，該種方式的微閥不適用于單一通道的芯片。

專利3：一種集成于微流控芯片的電磁微閥(公布號CN 103335154A；公開日2013.10.02)公開了一種集成于微流控制芯片的電磁微閥：應(yīng)用電磁鐵磁化永磁鐵，兩者之間產(chǎn)生吸引從而使得通道關(guān)閉，而將電磁鐵通入相反方向的電流，則電磁鐵和永磁鐵產(chǎn)生排斥，進而使得通道打開。該種方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)閥門的功能，但是由于閥門開關(guān)均需要維持不同方向電流的控制，當(dāng)需要多個閥門協(xié)同工作時，控制方式的繁瑣會限制其應(yīng)用性。

因此，需要提供一種設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快速、易于集成且控制簡單的電磁微閥結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型為了克服上述缺陷，提供一種設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快速、易于集成且控制簡單的電磁微閥結(jié)構(gòu)，通過電磁鐵中電流的通與斷可簡單便捷地實現(xiàn)流路的控制，具有較強的實用性。

一種集成于微流控芯片的電磁微閥，包括：

帶有流體通道的基片；

設(shè)置于基片上的彈性薄膜；

電磁鐵；

閥座；及

設(shè)置于閥座內(nèi)的永磁鐵閥芯；

閥座和流體通道對應(yīng)設(shè)置于彈性薄膜兩側(cè)；電磁鐵對應(yīng)閥芯設(shè)置于基片遠(yuǎn)離閥座一側(cè)或閥座遠(yuǎn)離基片一側(cè)。

優(yōu)選地，閥芯靠近彈性薄膜一側(cè)具有與流體通道內(nèi)表面形狀相契合的凸起部。

優(yōu)選地，

基片和/或閥座材料為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC。

優(yōu)選地，

彈性薄膜材料為聚二甲基硅氧烷PDMS。

進一步優(yōu)選地，

彈性薄膜厚度為1～800μm。

優(yōu)選地，

閥芯為預(yù)先磁化的釹鐵硼永磁鐵。

優(yōu)選地，

凸起部為設(shè)置于閥芯靠近彈性薄膜一側(cè)表面的常溫固體涂覆物。

進一步優(yōu)選地，

常溫固體涂覆物為油漆。

優(yōu)選地，

閥座內(nèi)腔的內(nèi)徑比閥芯的最大直徑寬0.5～3.0mm，用于限制閥芯在靠近或遠(yuǎn)離流體通道方向移位。

優(yōu)選地，

流體通道橫截面形狀為扁平半圓弧狀，弧形最大直徑為1mm～4mm，最大深度為500～1000μm。

本實用新型的有益效果如下：

本實用新型的集成于微流控芯片的電磁微閥，微通道中的被控制流體不與微閥控制機構(gòu)直接接觸，不會造成通道物理性損傷以及引起內(nèi)部樣品的交叉污染；電磁驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動電壓低，能夠保證操作者使用安全；通過電磁鐵中電流的通與斷可簡單便捷地實現(xiàn)流路的控制，特別地，適用于多個閥門協(xié)同工作時的情況，具有較強的實用性；通過電磁體的磁力與重力相互配合實現(xiàn)閥門的通與斷，較少了能量損耗；本實用新型所提出的電磁微閥能夠快速響應(yīng)，具有設(shè)計簡單、操作控制性好、適用范圍廣的特點，可全自動、程序化實現(xiàn)特定通道流體輸運的通斷，能夠快速實現(xiàn)控制流體流動的目的，且結(jié)構(gòu)緊湊、灌注制作方便、成本低，可與微流控芯片主體高度集成，特別適用于一體化的便攜式微流控芯片系統(tǒng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細(xì)的說明。

圖1示出實施例1中電磁微閥剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出實施例1中電磁微閥流體通道關(guān)閉狀態(tài)示意圖。

圖3示出實施例1中電磁微閥流體通道打開狀態(tài)示意圖。

圖4示出修改實施例1中電磁微閥剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5示出實施例2中電磁微閥剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6示出實施例2中電磁微閥流體通道關(guān)閉狀態(tài)示意圖。

圖7示出實施例2中電磁微閥流體通道打開狀態(tài)示意圖。

圖8示出修改實施例2中電磁微閥剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、電磁鐵；2、含有微通道的PMMA基片；3、流體通道；4、彈性薄膜PDMS；5、PMMA閥座；6和7組成閥芯，其中6為涂覆物，7為永磁鐵。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本實用新型做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本實用新型的保護范圍。

為了克服現(xiàn)有電磁微閥技術(shù)在實際應(yīng)用中存在的種種限制，本實用新型的目的是為了提供一種新型具有較強實用性的電磁微閥。該微閥結(jié)構(gòu)集成于芯片上，通過電磁鐵中電流的通與斷就可簡單便捷地實現(xiàn)流路的控制，具有較強的實用性。

本實用新型的工作原理如下：

本實用新型中，可利用電磁鐵的引力+閥芯重力控制流體通道的通斷，或利用電磁鐵的斥力+閥芯重力控制流體通道的通斷。以電磁鐵的引力+閥芯重力控制流體通道的通斷為例說明其工作原理：電磁鐵與閥芯設(shè)置于基片的兩側(cè)，當(dāng)外置的電磁鐵沒有通電時，芯片上的閥門處于“開”的狀態(tài)，通道內(nèi)的流體可在外力的作用下通過微閥；而當(dāng)電磁鐵通電時，電磁鐵產(chǎn)生磁場并與永磁體的閥芯產(chǎn)生磁力作用，迫使閥芯緊密擠壓彈性薄膜PDMS，從而阻斷流道，實現(xiàn)閥門“關(guān)”的狀態(tài)。將電流斷開后，電磁鐵和閥芯之間的磁力作用消失，閥芯在自身重力的作用下自然下落，使得閥門重新恢復(fù)“開”的狀態(tài)，實現(xiàn)通道的重新流通。

實施例1

利用電磁鐵的引力+閥芯重力控制流體通道的通斷

如圖1所示，本實用新型提供的集成于芯片上的電磁微閥包括一個外置的電磁鐵1，一個含有微通道的PMMA基片2，一片鍵合于基片上的PDMS彈性薄膜4，含有微通道的基片2和彈性薄膜4組成密閉的流體通道3，流體通道3位于電磁鐵1的正下方，一個由永磁體7和與流體通道3相嵌合的涂覆物6組成的閥芯位于流體通道的正下方，含有內(nèi)腔的閥座5鍵合于彈性薄膜4上，其內(nèi)包含著閥芯。

本實施例中，所述流體通道的最大直徑為2.8mm，最大深度為800μm。所述彈性薄膜PDMS的厚度為400μm。所述閥芯由預(yù)先磁化的釹鐵硼永磁鐵和油漆涂覆物組成，油漆涂覆物與流體通道3相嵌合，其最大高度為800μm，最大直徑為2.8mm。所述閥座內(nèi)空腔為正方體形，其一端鍵合于彈性薄膜PDMS上，閥座內(nèi)腔的長寬高均為4.0mm。

本實施例提供的電磁微閥依賴于電磁引力和閥芯的重力實現(xiàn)流體控制功能。當(dāng)電磁鐵1沒有電流時，芯片上的閥門處于“開”的狀態(tài)，通道內(nèi)的流體可在外力的作用下通過微閥，其狀態(tài)如圖1所示。當(dāng)電磁鐵1通電時，電磁鐵1產(chǎn)生與永磁鐵7相吸的磁場，兩者因電磁引力作用緊密吸在一起，期間閥芯壓迫PDMS彈性薄膜4產(chǎn)生形變，阻塞流體通道3從而實現(xiàn)閥門“關(guān)”的狀態(tài)，其狀態(tài)如圖2所示。當(dāng)電流斷開后，電磁鐵1的磁場迅速消失，其與永磁體7之間的電磁引力作用消失，閥芯在自身重力的作用下自然回落，彈性薄膜4自然恢復(fù)從而打開流體通道3，實現(xiàn)閥門“開”的狀態(tài)，其狀態(tài)如圖3所示。

應(yīng)注意的是，當(dāng)電流斷開后，電磁鐵1的磁場迅速消失，其與永磁體7之間的電磁引力作用消失，閥芯在自身重力的作用下自然回落，同時彈性薄膜4的形變恢復(fù)力能夠加速回落速度，彈性薄膜4自然恢復(fù)從而打開流體通道3，實現(xiàn)閥門“開”的狀態(tài)。

修改實施例1

利用電磁鐵的引力+彈性薄膜的形變恢復(fù)力控制流體通道的通斷

如圖4所示，當(dāng)實施例1中的集成于芯片上的電磁微閥上下反向放置時，即由上至下依次為永磁鐵7，彈性薄膜4、流體通道3、基片2和電磁鐵1。此時，可利用電磁鐵1的引力控制流體通道3的“關(guān)”，利用彈性薄膜4的形變恢復(fù)力控制流體通道3的“開”，實現(xiàn)流體通道的通斷。

實施例2

如圖2所示，本實用新型提供的集成于芯片上的電磁微閥包括一個外置的電磁鐵1，一個含有微通道的PMMA基片2，一片鍵合于基片上的PDMS彈性薄膜4，含有微通道的基片2和彈性薄膜4組成密閉的流體通道3，一個由永磁體7和與流體通道3相嵌合的涂覆物6組成的閥芯位于流體通道的正下方，電磁鐵1位于永磁鐵7的正下方，含有內(nèi)腔的閥座5鍵合于彈性薄膜4上，其內(nèi)包含著閥芯。

與實施例1的不同之處在于，實施例1中電磁鐵與閥芯設(shè)置于基片的兩側(cè)，本實施例中，電磁鐵與基片設(shè)置于閥芯的兩側(cè)。

本實施例提供的電磁微閥依賴于電磁斥力和閥芯的重力實現(xiàn)流體控制功能。當(dāng)電磁鐵1沒有電流時，芯片上的閥門處于“開”的狀態(tài)，通道內(nèi)的流體可在外力的作用下通過微閥，其狀態(tài)如圖4所示。當(dāng)電磁鐵1通電時，電磁鐵1產(chǎn)生與永磁鐵7相排斥的磁場，兩者因電磁斥力作用遠(yuǎn)離，期間閥芯壓迫PDMS彈性薄膜4產(chǎn)生形變，阻塞流體通道3從而實現(xiàn)閥門“關(guān)”的狀態(tài)，其狀態(tài)如圖5所示。當(dāng)電流斷開后，電磁鐵1的磁場迅速消失，其與永磁體7之間的電磁斥力作用消失，閥芯在自身重力的作用下自然回落，彈性薄膜4自然恢復(fù)從而打開流體通道3，實現(xiàn)閥門“開”的狀態(tài)，其狀態(tài)如圖6所示。

修改實施例2

利用電磁鐵的斥力+彈性薄膜的形變恢復(fù)力控制流體通道的通斷

如圖8所示，當(dāng)實施例2中的集成于芯片上的電磁微閥上下反向放置時，即由上至下依次為電磁鐵1、永磁鐵7，彈性薄膜4、流體通道3和基片2。此時，可利用電磁鐵1的斥力控制流體通道3的“關(guān)”，利用彈性薄膜4的形變恢復(fù)力控制流體通道3的“開”，實現(xiàn)流體通道的通斷。

可以理解的是，在上述實施例中，可以通過改變電磁鐵的電流從而控制電磁力的大小，達到改變閥門開閉速度的目的。

本發(fā)明中，由于柔性薄膜4設(shè)置于所述流體通道3和閥座5中間，微通道中的被控制流體不與微閥控制機構(gòu)直接接觸，不會造成通道物理性損傷以及引起內(nèi)部樣品的交叉污染。為便于制作，所述電磁微閥裝置采用微流控芯片(MEMS)做加工方式制作，例如：流體通道3可采用刻蝕工藝制作。

為便于制作所述彈性薄摸4，可采居旋涂工藝制作所述彈性薄膜4，所述柔性薄膜4可為聚二甲基硅氧烷PDMS制成的彈性薄膜，為了保證所述彈性薄膜4的結(jié)構(gòu)強度，所述柔彈性薄膜4的厚度范圍為1～800μm。

為保證所述電磁撤離裝量的穩(wěn)定性，本實施方式中之間均通過等離子鍵合方式進行封裝。為使流體通道3內(nèi)的試劑流動，所述流體通道3的橫截面優(yōu)先選擇扁平半圓弧狀，優(yōu)遠(yuǎn)地，所述流體通道3橫截面形狀為扁平半圓弧狀，球弧形最大直徑為1mm～4mm，最大深度為500～1000μm。

顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本實用新型的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之列。