專利名稱：單片氣動凝膠微閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微電子機械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的微閥，具體是一種單片氣動凝膠微閥。
背景技術(shù)：
閥是流動通道內(nèi)起控制性限流作用的重要器件?；谖㈦娮訖C械系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)的微閥按原理一般可分為兩種類型主動閥和被動閥兩類。被動閥的工作特點是僅利用流體本身參數(shù)的變化即可實現(xiàn)閥狀態(tài)的改變。微閥的體積可大幅度下降至與芯片匹配的程度；相應(yīng)加工和集成化難度亦有所降低。但其功能相對較為簡單，不能實現(xiàn)復(fù)雜的操作，應(yīng)用場合有一定的局限。主動閥是利用致動器產(chǎn)生的致動力實現(xiàn)閥的開閉或切換操作。一般包括流體出入口、致動器以及響應(yīng)致動器而移動到時流體出入口打開或關(guān)閉的閥部件。主動閥致動動作切實可靠，致動力較強，閥的密閉性較好，既可用于單向閥，也可用于切換閥的制作，最適于進(jìn)行切換閥的操作。目前文獻(xiàn)報道較多的是采用雙金屬致動片、電磁和熱氣致動的微閥系統(tǒng)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Hidekuni Takao等提出了一個由硅橡膠薄膜和兩個并列熱致動腔構(gòu)成的微機電微閥(Hidekuni Takao，Kazuhiro Miyamura.Sensors and Actuators A 119(2005)468-475)，該微閥利用熱氣動致動，閥膜由硅橡膠旋涂而成，與玻璃基片上片構(gòu)成密閉通道，硅橡膠薄膜下面是硅片，硅片刻蝕出兩個腔室，一個為加熱腔，一個為致動腔。加熱腔上部固定薄膜電阻加熱器，內(nèi)充氣液混合物。該微閥為常開閥，工作時，加熱器加熱氣體，氣室體積膨脹，閥膜向上發(fā)生形變，與閥臺貼合，封閉流動通道。停止加熱，閥膜恢復(fù)原形，通道開啟。微閥致動的響應(yīng)時間由容器的熱容和加熱電阻單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量決定；閥恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)的時間由容器向外界散熱的速度決定；閥膜形變的壓力和響應(yīng)時間可通過改變加熱室內(nèi)的氣液組成進(jìn)行調(diào)整。由于需要加熱和冷卻氣液混合物，所以熱氣動致動微閥響應(yīng)時間偏慢；另外，微閥的變形膜與流體或氣體的流道接觸，因此變形膜的溫度可能影響流路中流體或氣體的溫度，反之亦然。
另外，上述閥均采用硅加工和封裝工藝，對制作提出了較高的要求，制作成本較高，相對復(fù)雜的微閥致動部件結(jié)構(gòu)也不利于制造。因此迫切需要一種小型的、重量輕的、成本低、容易制造的和響應(yīng)時間快的微閥。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點，提供一種單片氣動凝膠微閥。使其具有原理新穎、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、響應(yīng)時間快的特點。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用兩層結(jié)構(gòu)，由硅橡膠基底和玻璃基片構(gòu)成，玻璃基片設(shè)置在硅橡膠基底的上方。所述的硅橡膠基底包括主通道、限流通道、凝膠微閥滑道、微氧氣泵致動腔、微氧氣泵進(jìn)樣通道、微氧氣泵致動氣道、輔助通道、輔助出氣口、凝膠微閥閥芯，在硅橡膠基底上主通道與凝膠微閥滑道相互垂直，限流通道位于主通道中央，并與凝膠微閥滑道相互垂直，凝膠微閥閥芯在凝膠微閥滑道內(nèi)，微氧氣泵致動腔有兩個，分別列在凝膠微閥滑道兩側(cè)，微氧氣泵致動氣道一邊與凝膠微閥滑道相連，另一邊與微氧氣泵致動腔相連，雙氧水進(jìn)樣通道連在微氧氣泵致動腔的最外側(cè)，輔助通道和輔助出氣口分布在凝膠微閥芯滑道最外側(cè)；所述的玻璃基片包括微加熱電極與微傳感電極，樣本溶液進(jìn)樣孔與樣本溶液出樣孔，雙氧水進(jìn)樣孔，輔助出氣孔，微加熱電極分別設(shè)置在兩個微氧氣泵制動腔的正上方，微傳感電極設(shè)置在兩個微氧氣泵制動腔中央，樣本溶液進(jìn)樣孔、樣本溶液出樣孔、雙氧水進(jìn)樣孔、輔助出氣孔與硅橡膠基底上的主通道、雙氧水進(jìn)樣通道以及輔助出氣口對應(yīng)。
凝膠微閥滑道包含有兩個矩形腔和一個長矩形微通道，其中兩個矩形腔位于長矩形微通道的兩側(cè)，其垂直于微通道的中軸線彼此錯開，長矩形微通道垂直于限流通道方向，位于限流通道中線處。
微氧氣泵致動氣道與凝膠微閥滑道兩側(cè)的矩形腔相連，并平行于凝膠微閥滑道方向，輔助通道和輔助出氣口分布在凝膠微閥芯滑道矩形腔的最外側(cè)。
加熱電極、傳感電極采用多折線形狀。
樣本溶液進(jìn)樣孔與主通道的一端相連，樣本溶液出樣孔與主通道的另一端相連，雙氧水進(jìn)樣孔與雙氧水進(jìn)樣通道的一端相連，輔助出氣孔與輔助出氣口相連。
本發(fā)明采用一種簡單的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體做驅(qū)動動力。雙氧水是一種化學(xué)活性物質(zhì)，如果加熱超過其分解速度，它會迅速分解，產(chǎn)生水和氧氣，反應(yīng)式如下
根據(jù)反應(yīng)式計算，僅僅1μl 30％的雙氧水就能產(chǎn)生大約100μl的氧氣。產(chǎn)生氧氣的速度取決于外界溫度和催化劑的使用。只要溫度等外界條件滿足，反應(yīng)可以持續(xù)地進(jìn)行。反應(yīng)的產(chǎn)物，水和氧氣都是生物兼容的。
凝膠微閥閥芯位于凝膠微閥滑道內(nèi)，是由高分子凝膠材料形成的，因此具有彈性，可以貼合在滑道內(nèi)又能沿滑道上下移動。操作時，當(dāng)左側(cè)微加熱電極工作，雙氧水迅速分解，生成氣體產(chǎn)生氣壓，帶動左制動臂向上運動，閥芯沿滑道向上運動，運動至最大行程，閉合主通道；這時關(guān)閉左側(cè)微加熱電極電流，對右側(cè)微加熱電極施加電流，氣體產(chǎn)生氣壓，帶動右制動臂向下運動，運動至最大行程，主通道打開。通過不斷的切換左右側(cè)微加熱電極電流，便可實現(xiàn)微閥閉合打開的功能。
本發(fā)明具有開啟能耗低、連續(xù)致動能力強、快速響應(yīng)輸入信號。因為凝膠貼合在凝膠滑道壁面上，因此它可以響應(yīng)輸入激勵信號而準(zhǔn)確地在平面層內(nèi)移動。該移動部件可用作打開和關(guān)閉流體出入口的閥，不會在流體流過流體口時加熱流體。而且，本發(fā)明是單片型的，其結(jié)構(gòu)簡單，并采用簡單、靈活、易于集成的新型制作工藝制造，材料選用價格低廉的普通玻璃和高分子材料，進(jìn)一步降低了制造成本，因此，本發(fā)明有利于促進(jìn)單片型微流體系統(tǒng)的發(fā)展。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2是單片凝膠微閥閥芯的平面結(jié)構(gòu)示意3是單片凝膠微閥閥芯的工作狀態(tài)圖其中，圖(a)微凝膠閥開啟，(b)微凝膠閥閉合。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由硅橡膠基底1和玻璃基片2構(gòu)成，玻璃基片2設(shè)置在硅橡膠基底1的上方。所述的硅橡膠基底1包括主通道3、限流通道4、凝膠微閥滑道5、微氧氣泵致動腔6、微氧氣泵進(jìn)樣通道7、微氧氣泵致動氣道8、輔助通道9、輔助出氣口10、凝膠微閥閥芯17，在硅橡膠基底1上主通道3與凝膠微閥滑道5相互垂直，限流通道4位于主通道3中央，并與凝膠微閥滑道5相互垂直，凝膠微閥閥芯17在凝膠微閥滑道5內(nèi)，微氧氣泵致動腔6有兩個，分別列在凝膠微閥滑道5兩側(cè)，微氧氣泵致動氣道8一邊與凝膠微閥滑道5相連，另一邊與微氧氣泵致動腔6相連，雙氧水進(jìn)樣通道7連在微氧氣泵致動腔6的最外側(cè)，輔助通道9和輔助出氣口10分布在凝膠微閥芯滑道5最外側(cè)；所述的玻璃基片2包括微加熱電極11與微傳感電極12，樣本溶液進(jìn)樣孔13與樣本溶液出樣孔14，雙氧水進(jìn)樣孔15，輔助出氣孔16，微加熱電極11分別設(shè)置在兩個微氧氣泵制動腔6的正上方，微傳感電極12設(shè)置在兩個微氧氣泵制動腔6中央，樣本溶液進(jìn)樣孔13、樣本溶液出樣孔14、雙氧水進(jìn)樣孔15、輔助出氣孔16與硅橡膠基底1上的主通道3、雙氧水進(jìn)樣通道7以及輔助出氣口10對應(yīng)。
凝膠微閥滑道5包含有兩個矩形腔和一個長矩形微通道，其中兩個矩形腔位于長矩形微通道的兩側(cè)，其垂直于微通道的中軸線彼此錯開，長矩形微通道垂直于限流通道方向，位于限流通道中線處。
微氧氣泵致動氣道8與凝膠微閥滑道5兩側(cè)的矩形腔相連，并平行于凝膠微閥滑道5方向，輔助通道9和輔助出氣口10分布在凝膠微閥芯滑道5矩形腔的最外側(cè)。
加熱電極11、傳感電極12采用多折線形狀。
樣本溶液進(jìn)樣孔13與主通道3的一端相連，樣本溶液出樣孔14與主通道3的另一端相連，雙氧水進(jìn)樣孔15與雙氧水進(jìn)樣通道7的一端相連，輔助出氣孔16與輔助出氣口10相連。
如圖2所示，凝膠微閥閥芯17采用一種特殊高分子光敏凝膠材料，該材料在常態(tài)下作為液體存在，受到光照后固化成為一種彈性的凝膠體。凝膠微閥閥芯17作為閥的移動部件是細(xì)長的，長度為5mm～50mm，寬度為0.2mm～2mm。凝膠微閥閥芯17包含有左、右致動臂18、19，左、右致動臂18、19為矩形，分別位于凝膠微閥滑道5兩個矩形腔內(nèi)，尺寸為長度0.5mm～10mm，寬度0.5mm～10mm，凝膠微閥閥芯17的頂端為一楔角，角度為1°～30°。
如圖3所示，顯示了本發(fā)明的兩種工作狀態(tài)。假設(shè)微閥初始狀態(tài)閉合，將雙氧水通過雙氧水進(jìn)樣孔15和雙氧水進(jìn)樣通道7灌入右側(cè)微氧氣泵致動腔6，對微加熱電極11施加電流，同時通過微傳感電極12感知溫度，調(diào)整施加電流的大小，使微氧氣泵致動腔6的雙氧水迅速分解，生成氣體沿著微氧氣泵致動氣道8進(jìn)入凝膠微閥滑道5矩形腔，產(chǎn)生氣壓，從而帶動右制動臂19向下運動，運動至最大行程，限流通道4打開，樣本溶液流過限流通道4；同理，當(dāng)雙氧水在左側(cè)微氧氣泵致動腔6受熱分解，氣體產(chǎn)生氣壓，帶動左制動臂18向上運動，凝膠微閥閥芯17沿滑道向上運動，運動至最大行程，關(guān)閉限流通道4，樣本溶液在主通道3內(nèi)停止流動。通過不斷的切換左右側(cè)微加熱電極11的電流，便可實現(xiàn)本發(fā)明閉合打開的功能。當(dāng)微閥工作到一段時間，凝膠微閥滑道5矩形腔內(nèi)會充滿氣體，凝膠微閥閥芯17的動作會出現(xiàn)困難。此時，打開輔助出氣孔16，氣體會經(jīng)過輔助通道9和輔助出氣口10散發(fā)到外界環(huán)境中，從而消除氣體對凝膠微閥閥芯17動作的影響。
權(quán)利要求
1.一種單片氣動凝膠微閥，由硅橡膠基底(1)和玻璃基片(2)構(gòu)成，玻璃基片(2)設(shè)置在硅橡膠基底(1)的上方，其特征在于，所述的硅橡膠基底(1)包括主通道(3)、限流通道(4)、凝膠微閥滑道(5)、微氧氣泵致動腔(6)、微氧氣泵進(jìn)樣通道(7)、微氧氣泵致動氣道(8)、輔助通道(9)、輔助出氣口(10)、凝膠微閥閥芯(17)，主通道(3)與凝膠微閥滑道(5)相互垂直，限流通道(4)位于主通道(3)中央，并與凝膠微閥滑道(5)相互垂直，凝膠微閥閥芯(17)在凝膠微閥滑道(5)內(nèi)，微氧氣泵致動腔(6)有兩個，分別列在凝膠微閥滑道(5)兩側(cè)，微氧氣泵致動氣道(8)一邊與凝膠微閥滑道(5)相連，另一邊與微氧氣泵致動腔(6)相連，雙氧水進(jìn)樣通道(7)連在微氧氣泵致動腔(6)的最外側(cè)，輔助通道(9)和輔助出氣口(10)分布在凝膠微閥芯滑道(5)最外側(cè)；所述的玻璃基片(2)包括微加熱電極(11)與微傳感電極(12)，樣本溶液進(jìn)樣孔(13)與樣本溶液出樣孔(14)，雙氧水進(jìn)樣孔(15)，輔助出氣孔(16)，微加熱電極(11)分別設(shè)置在兩個微氧氣泵制動腔(6)的正上方，微傳感電極(12)設(shè)置在兩個微氧氣泵制動腔(6)中央，樣本溶液進(jìn)樣孔(13)、樣本溶液出樣孔(14)、雙氧水進(jìn)樣孔(15)、輔助出氣孔(16)與硅橡膠基底(1)上的主通道(3)、雙氧水進(jìn)樣通道(7)以及輔助出氣口(10)對應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片氣動凝膠微閥，其特征是，凝膠微閥滑道(5)包含有兩個矩形腔和一個長矩形微通道，其中兩個矩形腔位于長矩形微通道的兩側(cè)，其垂直于微通道的中軸線彼此錯開，長矩形微通道垂直于限流通道方向，位于限流通道中線處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片氣動凝膠微閥，其特征是，微氧氣泵致動氣道(8)與凝膠微閥滑道(5)兩側(cè)的矩形腔相連，并平行于凝膠微閥滑道(5)方向，輔助通道(9)和輔助出氣口(10)分布在凝膠微閥芯滑道(5)矩形腔的最外側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片氣動凝膠微閥，其特征是，加熱電極(11)、傳感電極(12)采用多折線形狀。孔(16)與輔助出氣口(10)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片氣動凝膠微閥，其特征是，凝膠微閥閥芯(17)包含有左、右致動臂(18、19)，分別位于凝膠微閥滑道(5)的兩個矩形腔內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者6所述的單片氣動凝膠微閥，其特征是，凝膠微閥閥芯(17)是細(xì)長的，長度為5mm~50mm，寬度為0.2mm~2mm，左、右致動臂(18、19)為矩形，尺寸為長度0.5mm~10mm，寬度0.5mm~10mm，凝膠微閥閥芯(17)的頂端為一楔角，角度為1°~30°。
全文摘要
一種單片氣動凝膠微閥，由硅橡膠基底和玻璃基片構(gòu)成，所述的硅橡膠基底包括主通道、限流通道、凝膠微閥滑道、微氧氣泵致動腔、微氧氣泵進(jìn)樣通道、微氧氣泵致動氣道、輔助通道、輔助出氣口、凝膠微閥閥芯；所述的玻璃基片包括微加熱電極與微傳感電極，樣本溶液進(jìn)樣孔與樣本溶液出樣孔，雙氧水進(jìn)樣孔，輔助出氣孔，樣本溶液進(jìn)樣孔、樣本溶液出樣孔、雙氧水進(jìn)樣孔、輔助出氣孔與硅橡膠基底上的主通道、雙氧水進(jìn)樣通道以及輔助出氣口對應(yīng)。本發(fā)明開啟能耗低、連續(xù)致動能力強、快速響應(yīng)輸入信號，結(jié)構(gòu)簡單，并采用簡單、靈活、易于集成的新型制作工藝制造，制造成本低。
文檔編號B81B5/00GK1686780SQ200510026600
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者陳文元, 牛志強, 賈曉宇, 張衛(wèi)平 申請人:上海交通大學(xué)