一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥及其控制方法，該微閥包括具有安裝空腔的PCB板、信號發(fā)生裝置、嵌于安裝空腔的兩側(cè)腔壁之間的壓電基片、連接于安裝空腔的第二端腔壁上具有微通道的PDMS凝固體、微彎曲的形狀記憶合金線及剛性彎條，壓電基片的工作表面上設(shè)有對稱的兩個叉指換能器，形狀記憶合金線橫跨于兩個叉指換能器之間的聲表面波傳播路徑上且一段由石蠟油微液覆蓋，形狀記憶合金線的一端與安裝空腔的第一端腔壁連接，剛性彎條的一端與形狀記憶合金線的另一端連接且另一端與安裝空腔的任一側(cè)腔壁連接，剛性彎條的凸出擠壓部正對PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁；優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小，易于集成，可應(yīng)用于壓電微流芯片上進行微流控制操作。
【專利說明】
一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種微流控芯片中控制微流體輸運的微閥及其控制技術(shù)，尤其是涉及一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片是將常規(guī)的生化分析操作單元集成于一個若干平方厘米的基片上，用于完成生化分析或生化檢測的技術(shù)。由于微流控芯片極大地縮小了分析操作單元的尺寸，降低了微流分析中所用的試劑，縮短了分析時間，方便了分析操作的智能化和自動化，因而，微流控芯片獲得了快速發(fā)展，并已廣泛應(yīng)用于DNA測序、蛋白質(zhì)分析、單細(xì)胞分析、毒品檢測和食物安全等領(lǐng)域。
[0003]微閥是以連續(xù)流方式工作的微流控芯片進行微流分析不可或缺的組成單元，它控制微流體在微通道內(nèi)流向。因而，各國微流控學(xué)專家、學(xué)者投入了較大的精力和財力來研究微閥，并發(fā)明了多種結(jié)構(gòu)和工作原理的微閥及其開啟和關(guān)閉方法。根據(jù)是否需要激勵源，可將所發(fā)明的這些微閥分為兩大類，即:無源微閥和有源微閥。
[0004]無源微閥是通過特殊的微通道幾何結(jié)構(gòu)或微通道表面特性實現(xiàn)微流輸運，無需外加動力源。無源微閥的優(yōu)點是微閥尺寸小，易集成于微流系統(tǒng)中，微閥結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)工藝都比較簡單，操作也比較方便。無源微閥的突出的缺點是難以控制微流體在微通道中輸運，微閥開關(guān)速度較慢，微閥漏壓較低，有待改進。
[0005]有源微閥根據(jù)提供動力源的方式來分，主要有氣動微閥、電動微閥、電化學(xué)微閥、靜電微閥、電磁微閥、相變微閥、混合微閥和熱膨脹微閥等。
[0006]氣動微閥是以外部氣體作為致動力的一類有源微閥，其一般通過在控制通道內(nèi)施加一定氣壓來控制微閥的開啟和閉合，施加氣壓時，中間層閥膜發(fā)生形變，向下擠壓微流體通道，直到微流體通道堵塞;撤銷壓力時，中間層閥膜在自身彈性力的作用下恢復(fù)原狀，微流體通道重新暢通。氣動微閥的優(yōu)點是工藝簡單，只需簡單的軟光刻工藝即可實現(xiàn)微閥的制作。氣動微閥的缺點是需要外加氣栗和控制氣栗的外圍控制電路，給微閥的集成化帶來了困難。
[0007]靜電微閥只要在微流基片上光刻兩個電極，因此，靜電微閥易于集成，但電極容易電解微通道中的工作流體，應(yīng)用受到了限制。
[0008]熱膨脹微閥是采用熱膨脹原理，加熱使微腔內(nèi)氣體或石蠟等材料產(chǎn)生體積變化而實現(xiàn)微閥的開啟和關(guān)閉，熱膨脹微閥因具有結(jié)構(gòu)簡單、無需外加氣栗等優(yōu)點而受到重視。有報道采用微機械和光刻工藝制作一種常閉型熱膨脹微閥，其開關(guān)時間短，但工藝有待改善。也有專家提出了加熱腔與執(zhí)行腔分離的熱膨脹微閥，其可減少加熱器與微通道間直接熱轉(zhuǎn)換，提高了熱效率，但微閥滯后現(xiàn)象較為嚴(yán)重，有待改進。
[0009]上述其他幾類微閥，如電動微閥、電化學(xué)微閥、電磁微閥、相變微閥和混合微閥等也都有其各自優(yōu)點和缺點，并都有相應(yīng)的應(yīng)用場合。如電磁微閥難以實現(xiàn)自動化;相變微閥由于發(fā)生相變物質(zhì)直接位于微通道中，因此難以重復(fù)使用，有待改進?？傮w來說，相比于無源微閥，有源微閥具有開關(guān)速度快、泄漏小等優(yōu)點，因而對其研究得更為廣泛和深入。
[0010]形狀記憶合金微閥是一種有源微閥，其采用記憶合金在溫度變化時形狀發(fā)生變化的原理來實現(xiàn)微閥的開啟和關(guān)閉，其具有有源微閥的優(yōu)點，同時還具有大的壓力-體積比和作用力的優(yōu)點。但報道的形狀記憶合金微閥需要外部加熱源，應(yīng)用有一定的局限性，且不能直接應(yīng)用于壓電微流器件上，不能充分發(fā)揮壓電微流器件強大的微流操控能力。
[0011]如期刊《傳感器與執(zhí)行構(gòu)》2011年第168卷第I期155-161頁(Sensors andActuators A, Vol.168( I), 2011: 155-161)公開了《用于高尺寸比微通道的嵌入式形狀記憶合金微閥探索與評估》(《Explorat1n and evaluat1n of embedded shape memoryalloy (SMA) microvalves for high aspect rat1 microchannels〉〉)。該嵌入式形狀記憶合金微閥是由形狀記憶合金線、鋁導(dǎo)線和覆有SU-8膠的合金端構(gòu)成，鋁導(dǎo)線繞于形狀記憶合金線上，鋁導(dǎo)線的兩端加電壓，形狀記憶合金線的一端固定，形狀記憶合金線的另一端折成90度并涂覆SU-8膠，鋁導(dǎo)線繞于形狀記憶合金線上后置放于聚二甲基硅氧烷微通道上。該嵌入式形狀記憶合金微閥在正常情況下，聚二甲基硅氧烷微通道導(dǎo)通，微閥開啟，微流體可以在聚二甲基硅氧烷微通道內(nèi)輸運；當(dāng)鋁導(dǎo)線上加一定幅度的直流電壓時，鋁導(dǎo)線通以電流，鋁導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱使得繞在鋁導(dǎo)線內(nèi)的形狀記憶合金線溫度上升，到達轉(zhuǎn)換溫度時，形狀記憶合金線的長度發(fā)生變化，帶動覆有SU-8膠的一端擠壓聚二甲基硅氧烷微通道，使得聚二甲基硅氧烷微通道閉塞而引起微閥關(guān)閉，此時聚二甲基硅氧烷微通道不能輸運微流體。該嵌入式形狀記憶合金微閥可有效地實現(xiàn)聚二甲基硅氧烷微通道內(nèi)微流體輸運的控制，其采用鋁導(dǎo)線通過較大電流產(chǎn)生焦耳熱加熱形狀記憶合金線，使形狀記憶合金線溫度發(fā)生改變，當(dāng)形狀記憶合金線溫度到達一定溫度時，形狀記憶合金線尺寸發(fā)生改變，從而迫使與之連接的微通道發(fā)生形變，實現(xiàn)微閥動作。由于產(chǎn)生足夠的焦耳熱，就要求鋁導(dǎo)線產(chǎn)生的電流較大，因此難以與外部的電路相兼容，且也難以應(yīng)用于壓電微流器件上，有待改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥及其控制方法，該形狀記憶合金微閥的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，易于集成，可應(yīng)用于壓電微流芯片上進行微流控制操作。
[0013]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于包括PCB板、用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生裝置、壓電基片、具有微通道的PDMS凝固體、室溫下微彎曲的形狀記憶合金線及具有凸出擠壓部的剛性彎條，所述的PCB板的一塊區(qū)域鏤空形成一個安裝空腔，所述的壓電基片嵌裝于所述的安裝空腔的兩側(cè)腔壁之間，所述的壓電基片的上表面為工作表面，所述的壓電基片的工作表面上設(shè)置有對稱的兩個用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器，兩個所述的叉指換能器分別與所述的信號發(fā)生裝置電連接，兩個所述的叉指換能器之間為聲表面波傳播路徑，所述的PDMS凝固體的一側(cè)側(cè)壁與所述的安裝空腔的第二端腔壁連接，所述的形狀記憶合金線橫跨于所述的聲表面波傳播路徑上、且與所述的壓電基片的工作表面之間留有用于確保所述的形狀記憶合金線能夠自由伸縮的間隙，所述的形狀記憶合金線位于所述的聲表面波傳播路徑上的一段由放置于所述的聲表面波傳播路徑上的石蠟油微液覆蓋，所述的形狀記憶合金線的一端與所述的安裝空腔的第一端腔壁連接，所述的形狀記憶合金線的另一端與所述的剛性彎條的一端連接，所述的剛性彎條的另一端與所述的安裝空腔的任一側(cè)腔壁連接，所述的剛性彎條的凸出擠壓部正對所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁；
當(dāng)所述的叉指換能器上加載所述的信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的RF電信號時，所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波加熱所述的石蠟油微液，在所述的形狀記憶合金線的溫度上升至轉(zhuǎn)換溫度時所述的形狀記憶合金線拉伸并推動所述的剛性彎條，所述的剛性彎條在推動力下其凸出擠壓部擠壓所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，使所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁形變以阻斷所述的PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的關(guān)閉；
當(dāng)所述的叉指換能器上不再加載所述的信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的RF電信號時，所述的石蠟油微液的溫度逐漸下降，所述的形狀記憶合金線逐漸恢復(fù)原狀，所述的剛性彎條的凸出擠壓部不再擠壓所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，所述的PDMS凝固體中的微通道恢復(fù)通暢實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的開啟。
[0014]所述的安裝空腔的兩側(cè)腔壁之間上、下各嵌裝有一片玻璃片，兩片所述的玻璃片對齊且兩片所述的玻璃片之間的空間作為用于確保所述的剛性彎條沿水平方向運動的運動空間，所述的剛性彎條的凸出擠壓部的大部分位于所述的運動空間中而小部分外露于所述的運動空間外，所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁位于所述的運動空間中；所述的剛性彎條在推動力下其凸出擠壓部在所述的運動空間中水平方向移動，所述的剛性彎條的凸出擠壓部接觸所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁后擠壓所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁。在此，通過在安裝空腔的兩側(cè)腔壁之間上、下各嵌裝一片玻璃片，兩片玻璃片對齊，并使剛性彎條的凸出擠壓部的大部分和PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁位于兩片玻璃片之間，這樣就能夠確保剛性彎條在推動力下是沿水平方向運動的，從而確保了剛性彎條的凸出擠壓部能夠?qū)?zhǔn)PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁擠壓PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁。
[0015]兩個所述的叉指換能器之間的區(qū)域上圍設(shè)有用于防止所述的石蠟油微液運動至所述的聲表面波傳播路徑外的PDMS阻流墻，所述的PDMS阻流墻的底面與兩個所述的叉指換能器之間的區(qū)域緊貼，所述的PDMS阻流墻的對稱兩側(cè)自頂部延伸至底部設(shè)置有缺口，兩個所述的缺口使所述的PDMS阻流墻分為呈U型槽結(jié)構(gòu)的兩個PDMS阻流條，兩個所述的缺口與所述的PDMS阻流墻的內(nèi)部空間連通形成一個供所述的形狀記憶合金線橫跨于所述的聲表面波傳播路徑上的通道，所述的通道與所述的聲表面波傳播路徑垂直。在此，在兩個叉指換能器之間的區(qū)域上圍設(shè)PDMS阻流墻是為了防止石蠟油微液運動至聲表面波傳播路徑外，而PDMS阻流墻的對稱兩側(cè)自頂部延伸至底部設(shè)置缺口是為了確保形狀記憶合金線伸縮不受PDMS阻流墻的影響。
[0016]所述的壓電基片的工作表面上還設(shè)置有對稱的兩個反射柵，每個所述的反射柵用于減少加載于對應(yīng)的所述的叉指換能器上的RF電信號的功率。
[0017]所述的剛性彎條由依次一體連接的第一連接部、拱形部和第二連接部組成，所述的第一連接部的第一端與所述的形狀記憶合金線的另一端連接，所述的拱形部作為所述的剛性彎條的凸出擠壓部，所述的第二連接部的第二端與所述的安裝空腔的任一側(cè)腔壁連接。這種結(jié)構(gòu)的剛性彎條的結(jié)構(gòu)簡單、加工方便。
[0018]所述的間隙的隙寬為0.2?0.3毫米。在此，間隙的隙寬的具體值是在本申請的形狀記憶合金微閥的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過大量實驗得出的。
[0019]所述的信號發(fā)生裝置由用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生器及功率放大器組成，所述的信號發(fā)生器的輸出端與所述的功率放大器的輸入端連接，所述的PCB板上設(shè)置有第一引線腳和第二引線腳，所述的第一引線腳分別通過導(dǎo)線與所述的功率放大器的輸出端和其中一個所述的叉指換能器的匯流條連接，所述的第二引線腳分別通過導(dǎo)線與所述的功率放大器的輸出端和另一個所述的叉指換能器的匯流條連接。
[0020]所述的功率放大器的輸出端連接有切換開關(guān)，所述的切換開關(guān)選擇與所述的第一引線腳連接或與所述的第二引線腳連接。在此，設(shè)置切換開關(guān)是為了使該形狀記憶合金微閥的關(guān)閉可僅通過在一個叉指換能器上加載RF電信號來實現(xiàn)。
[0021]所述的叉指換能器上加載的RF電信號的功率為31?33dBm。
[0022]—種上述的聲表面波控制的形狀記憶合金微閥的控制方法，其特征在于包括以下步驟:
①將石蠟油微液放置于聲表面波傳播路徑上；
②在未啟動信號發(fā)生器和功率放大器的情況下，形狀記憶合金微閥處于開啟狀態(tài)，數(shù)字微流體能在外部進樣器的作用下通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運；
形狀記憶合金微閥從開啟狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)的控制過程為:啟動信號發(fā)生器和功率放大器;信號發(fā)生器輸出RF電信號，并傳輸RF電信號給功率放大器;功率放大器輸出的放大的RF電信號加載于叉指換能器;叉指換能器激發(fā)的聲表面波作用于石蠟油微液上加熱石蠟油微液，此時形狀記憶合金線的溫度上升，當(dāng)溫度上升至轉(zhuǎn)換溫度時形狀記憶合金線拉伸并推動剛性彎條，剛性彎條在推動力下其凸出擠壓部擠壓PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，使TOMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁形變以阻斷PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的關(guān)閉，此時數(shù)字微流體不能通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運；
形狀記憶合金微閥從關(guān)閉狀態(tài)到開啟狀態(tài)的控制過程為:關(guān)閉信號發(fā)生器和功率放大器;叉指換能器不再激發(fā)聲表面波;石蠟油微液的溫度逐漸下降，形狀記憶合金線逐漸恢復(fù)原狀，剛性彎條的凸出擠壓部不再擠壓PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，PDMS凝固體中的微通道恢復(fù)通暢實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的開啟，此時數(shù)字微流體能在外部進樣器的作用下通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
I)該形狀記憶合金微閥利用叉指換能器激發(fā)的聲表面波加熱石蠟油微液，使形狀記憶合金線的溫度上升，這樣當(dāng)形狀記憶合金線的溫度上升至轉(zhuǎn)換溫度時拉伸會推動剛性彎條的凸出擠壓部向PDMS凝固體方向運動，剛性彎條的凸出擠壓部擠壓PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，最終阻斷PDMS凝固體中的微通道，方便地實現(xiàn)了該形狀記憶合金微閥的關(guān)閉；而重新開啟該形狀記憶合金微閥，只需不再加熱石蠟油微液即可；該形狀記憶合金微閥通過RF電信號控制叉指換能器激發(fā)聲表面波實現(xiàn)形狀記憶合金線的溫度改變，從而實現(xiàn)微閥開啟與關(guān)閉，該形狀記憶合金微閥的體積小、結(jié)構(gòu)簡單，且易于集成，可應(yīng)用于壓電微流芯片上進行微流控制操作。
[0024]2)該形狀記憶合金微閥的控制方法的過程簡單，即只需通過開啟信號發(fā)生裝置，就可實現(xiàn)微閥的關(guān)閉；而關(guān)閉信號發(fā)生裝置，就可實現(xiàn)微閥的開啟。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的聲表面波控制的形狀記憶合金微閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
[0027]實施例一:
本實施例提出的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，如圖1所示，其包括PCB板1、用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生裝置2、壓電基片3、具有微通道41的PDMS凝固體4、室溫下微彎曲的形狀記憶合金線5及具有凸出擠壓部62的剛性彎條6，PCB板I的一塊區(qū)域(一般選擇中間區(qū)域)鏤空形成一個安裝空腔11，壓電基片3嵌裝于安裝空腔11的兩側(cè)腔壁之間，壓電基片3的上表面為工作表面，壓電基片3的工作表面上設(shè)置有對稱的兩個用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器31，兩個叉指換能器31分別與信號發(fā)生裝置2電連接，兩個叉指換能器31之間為聲表面波傳播路徑32，PDMS凝固體4的一側(cè)側(cè)壁與安裝空腔11的第二端腔壁連接，形狀記憶合金線5橫跨于聲表面波傳播路徑32上、且與壓電基片3的工作表面之間留有用于確保形狀記憶合金線5能夠自由伸縮的間隙(圖中未示出)，形狀記憶合金線5位于聲表面波傳播路徑32上的一段(一般情況下可使形狀記憶合金線5的中間一段位于聲表面波傳播路徑32上)由放置于聲表面波傳播路徑32上的石蠟油微液9覆蓋，形狀記憶合金線5的一端與安裝空腔11的第一端腔壁連接，形狀記憶合金線5的另一端與剛性彎條6的一端連接，剛性彎條6的另一端與安裝空腔11的任一側(cè)腔壁連接，剛性彎條6的凸出擠壓部62正對PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁；當(dāng)兩個叉指換能器31上加載信號發(fā)生裝置2產(chǎn)生的RF電信號時，兩個叉指換能器31激發(fā)的聲表面波加熱石蠟油微液9，在形狀記憶合金線5的溫度上升至轉(zhuǎn)換溫度時形狀記憶合金線5拉伸并推動剛性彎條6，剛性彎條6在推動力下其凸出擠壓部62擠壓PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁，使PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁形變以阻斷PDMS凝固體4中的微通道41實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的關(guān)閉；當(dāng)兩個叉指換能器31上不再加載信號發(fā)生裝置2產(chǎn)生的RF電信號時，石蠟油微液9的溫度逐漸下降，形狀記憶合金線5逐漸恢復(fù)原狀，剛性彎條6的凸出擠壓部62不再擠壓PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁，PDMS凝固體4中的微通道41恢復(fù)通暢實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的開啟。
[0028]在本實施例中，安裝空腔11的兩側(cè)腔壁之間上、下各嵌裝有一片玻璃片7，兩片玻璃片7對齊且兩片玻璃片7之間的空間作為用于確保剛性彎條6沿水平方向運動的運動空間(圖中未示出)，剛性彎條6的凸出擠壓部62的大部分位于運動空間中而小部分外露于運動空間外，I3DMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁位于運動空間中；剛性彎條6在推動力下其凸出擠壓部62在運動空間中水平方向移動，剛性彎條6的凸出擠壓部62接觸PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁后擠壓TOMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁。在此，通過在安裝空腔11的兩側(cè)腔壁之間上、下各嵌裝一片玻璃片7，兩片玻璃片7對齊，并使剛性彎條6的凸出擠壓部62的大部分和PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁位于兩片玻璃片7之間，這樣就能夠確保剛性彎條6在推動力下是沿水平方向運動的，從而確保了剛性彎條6的凸出擠壓部62能夠?qū)?zhǔn)PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁擠壓PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁。
[0029]在本實施例中，兩個叉指換能器31之間的區(qū)域上圍設(shè)有用于防止石蠟油微液9運動至聲表面波傳播路徑32外的PDMS阻流墻33，PDMS阻流墻33的底面與兩個叉指換能器31之間的區(qū)域緊貼，PDMS阻流墻33的對稱兩側(cè)自頂部延伸至底部設(shè)置有缺口 331，兩個缺口 331使PDMS阻流墻33分為呈U型槽結(jié)構(gòu)的兩個PDMS阻流條，兩個缺口 331與PDMS阻流墻33的內(nèi)部空間連通形成一個供形狀記憶合金線5橫跨于聲表面波傳播路徑32上的通道(圖中未示出)，通道與聲表面波傳播路徑32垂直。在此，在兩個叉指換能器31之間的區(qū)域上圍設(shè)PDMS阻流墻33是為了防止石蠟油微液9運動至聲表面波傳播路徑32外，而TOMS阻流墻33的對稱兩側(cè)自頂部延伸至底部設(shè)置缺口 331是為了確保形狀記憶合金線5伸縮不受PDMS阻流墻33的影響。
[0030]在本實施例中，壓電基片3的工作表面上還設(shè)置有對稱的兩個反射柵34，每個反射柵34用于減少加載于對應(yīng)的叉指換能器31上的RF電信號的功率。
[0031]在本實施例中，剛性彎條6由依次一體連接的第一連接部61、拱形部62和第二連接部63組成，第一連接部61的第一端與形狀記憶合金線5的另一端連接，拱形部62作為剛性彎條6的凸出擠壓部62，第二連接部63的第二端與安裝空腔11的任一側(cè)腔壁連接。這種結(jié)構(gòu)的剛性彎條6的結(jié)構(gòu)簡單、加工方便。
[0032]在本實施例中，形狀記憶合金線5與壓電基片3的工作表面之間的間隙的隙寬為0.2?0.3毫米。在此，間隙的隙寬的具體值是在本申請的形狀記憶合金微閥的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過大量實驗得出的。
[0033]在本實施例中，信號發(fā)生裝置2由用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生器21及功率放大器22組成，信號發(fā)生器21的輸出端與功率放大器22的輸入端連接，PCB板I上設(shè)置有第一引線腳12和第二引線腳13，第一引線腳12分別通過導(dǎo)線與功率放大器22的輸出端和其中一個叉指換能器31的匯流條連接，第二引線腳13分別通過導(dǎo)線與功率放大器22的輸出端和另一個叉指換能器31的匯流條連接。
[0034]在本實施例中，叉指換能器31上加載的RF電信號的功率為31?33dBm。
[0035]在本實施例中，還可在功率放大器22的輸出端連接有一個切換開關(guān)(圖中未示出)，切換開關(guān)選擇與第一引線腳12連接或與第二引線腳13連接，即選擇其中一個叉指換能器31激發(fā)聲表面波。在此，設(shè)置切換開關(guān)是為了使該形狀記憶合金微閥的關(guān)閉可僅通過在一個叉指換能器31上加載RF電信號來實現(xiàn)。
[0036]在此，PCB板I采用現(xiàn)有技術(shù)，PCB板I也可由其它現(xiàn)有的可以固定導(dǎo)線的基板替代；信號發(fā)生器21和功率放大器22均采用現(xiàn)有技術(shù);壓電基片3可采用機電耦合系數(shù)稍大的壓電基片，基本可取機電耦合系數(shù)大于5.5%的壓電基片，如WSt3-YX LiNbO3壓電基片;形狀記憶合金線5采用現(xiàn)有技術(shù)，要求室溫下微彎曲，以在溫度上升至轉(zhuǎn)換溫度時拉伸，轉(zhuǎn)換溫度為60攝氏度;剛性彎條6可采用鋁材加工制成;叉指換能器31和反射柵34均采用現(xiàn)有技術(shù)；形狀記憶合金線5與安裝空腔11的腔壁的連接、形狀記憶合金線5與剛性彎條6的連接、剛性彎條6與安裝空腔11的腔壁的連接、壓電基片3與安裝空腔11的腔壁的連接、玻璃片7與安裝空腔11的腔壁的連接均通過現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂膠實現(xiàn)。
[0037]在此，PDMS凝固體4和PDMS阻流墻33均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作而成；在壓電基片3的工作表面上位于兩個叉指換能器31之間的區(qū)域上設(shè)置PDMS阻流墻33時，可在PDMS阻流墻33的底面涂覆一層PDMS，然后將涂有PDMS的PDMS阻流墻33的底面貼于壓電基片3的工作表面上，并在100°C的烘箱內(nèi)固化2小時，至此完成了PDMS阻流墻33與壓電基片3的連接;在PDMS凝固體4內(nèi)設(shè)置微通道41，微通道41的內(nèi)徑可設(shè)計為100?200微米，微通道41與PDMS凝固體4的另一側(cè)側(cè)壁之間的厚度可設(shè)計為2?3毫米;PDMS凝固體4的兩端分別通過膠帶與安裝空腔11的第二端固定連接，以使PDMS凝固體4穩(wěn)定的固定于安裝空腔11內(nèi)；PDMS凝固體4中的微通道41的入口上可通過連接軟管與進樣器連通，PDMS凝固體4中的微通道41的出口上可通過連接軟管與廢液池連通。
[0038]在此，在安裝空腔11的兩側(cè)腔壁之間嵌裝壓電基片3時，盡量使壓電基片3接近安裝空腔11的腔底，這樣能夠充分地確保形狀記憶合金線5與壓電基片3的工作表面不接觸、之間留有間隙。
[0039]實施例二:
本實施例提出了實施例一的聲表面波控制的形狀記憶合金微閥的控制方法，其包括以下步驟:
①將石蠟油微液放置于聲表面波傳播路徑上。
[0040]②在未啟動信號發(fā)生器和功率放大器的情況下，形狀記憶合金微閥處于開啟狀態(tài)，數(shù)字微流體能在外部進樣器的作用下通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運。
[0041 ]形狀記憶合金微閥從開啟狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)的控制過程為:啟動信號發(fā)生器和功率放大器;信號發(fā)生器輸出RF電信號，并傳輸RF電信號給功率放大器;功率放大器輸出的放大的RF電信號加載于兩個叉指換能器，RF電信號的功率為31?33 dBm;兩個叉指換能器激發(fā)的聲表面波共同作用于石蠟油微液上加熱石蠟油微液，此時形狀記憶合金線的溫度上升，當(dāng)溫度上升至轉(zhuǎn)換溫度時形狀記憶合金線拉伸并推動剛性彎條，剛性彎條在推動力下其凸出擠壓部擠壓PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，使PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁形變以阻斷PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的關(guān)閉，此時數(shù)字微流體不能通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運。
[0042]形狀記憶合金微閥從關(guān)閉狀態(tài)到開啟狀態(tài)的控制過程為:關(guān)閉信號發(fā)生器和功率放大器;兩個叉指換能器不再激發(fā)聲表面波;石蠟油微液的溫度逐漸下降，形狀記憶合金線逐漸恢復(fù)原狀，剛性彎條的凸出擠壓部不再擠壓I3DMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，PDMS凝固體中的微通道恢復(fù)通暢實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的開啟，此時數(shù)字微流體能在外部進樣器的作用下通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運。
【主權(quán)項】
1.一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于包括PCB板、用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生裝置、壓電基片、具有微通道的PDMS凝固體、室溫下微彎曲的形狀記憶合金線及具有凸出擠壓部的剛性彎條，所述的PCB板的一塊區(qū)域鏤空形成一個安裝空腔，所述的壓電基片嵌裝于所述的安裝空腔的兩側(cè)腔壁之間，所述的壓電基片的上表面為工作表面，所述的壓電基片的工作表面上設(shè)置有對稱的兩個用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器，兩個所述的叉指換能器分別與所述的信號發(fā)生裝置電連接，兩個所述的叉指換能器之間為聲表面波傳播路徑，所述的TOMS凝固體的一側(cè)側(cè)壁與所述的安裝空腔的第二端腔壁連接，所述的形狀記憶合金線橫跨于所述的聲表面波傳播路徑上、且與所述的壓電基片的工作表面之間留有用于確保所述的形狀記憶合金線能夠自由伸縮的間隙，所述的形狀記憶合金線位于所述的聲表面波傳播路徑上的一段由放置于所述的聲表面波傳播路徑上的石蠟油微液覆蓋，所述的形狀記憶合金線的一端與所述的安裝空腔的第一端腔壁連接，所述的形狀記憶合金線的另一端與所述的剛性彎條的一端連接，所述的剛性彎條的另一端與所述的安裝空腔的任一側(cè)腔壁連接，所述的剛性彎條的凸出擠壓部正對所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁； 當(dāng)所述的叉指換能器上加載所述的信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的RF電信號時，所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波加熱所述的石蠟油微液，在所述的形狀記憶合金線的溫度上升至轉(zhuǎn)換溫度時所述的形狀記憶合金線拉伸并推動所述的剛性彎條，所述的剛性彎條在推動力下其凸出擠壓部擠壓所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，使所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁形變以阻斷所述的PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的關(guān)閉； 當(dāng)所述的叉指換能器上不再加載所述的信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的RF電信號時，所述的石蠟油微液的溫度逐漸下降，所述的形狀記憶合金線逐漸恢復(fù)原狀，所述的剛性彎條的凸出擠壓部不再擠壓所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，所述的PDMS凝固體中的微通道恢復(fù)通暢實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的開啟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于所述的安裝空腔的兩側(cè)腔壁之間上、下各嵌裝有一片玻璃片，兩片所述的玻璃片對齊且兩片所述的玻璃片之間的空間作為用于確保所述的剛性彎條沿水平方向運動的運動空間，所述的剛性彎條的凸出擠壓部的大部分位于所述的運動空間中而小部分外露于所述的運動空間外，所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁位于所述的運動空間中；所述的剛性彎條在推動力下其凸出擠壓部在所述的運動空間中水平方向移動，所述的剛性彎條的凸出擠壓部接觸所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁后擠壓所述的PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于兩個所述的叉指換能器之間的區(qū)域上圍設(shè)有用于防止所述的石蠟油微液運動至所述的聲表面波傳播路徑外的PDMS阻流墻，所述的PDMS阻流墻的底面與兩個所述的叉指換能器之間的區(qū)域緊貼，所述的TOMS阻流墻的對稱兩側(cè)自頂部延伸至底部設(shè)置有缺口，兩個所述的缺口使所述的TOMS阻流墻分為呈U型槽結(jié)構(gòu)的兩個TOMS阻流條，兩個所述的缺口與所述的TOMS阻流墻的內(nèi)部空間連通形成一個供所述的形狀記憶合金線橫跨于所述的聲表面波傳播路徑上的通道，所述的通道與所述的聲表面波傳播路徑垂直。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于所述的壓電基片的工作表面上還設(shè)置有對稱的兩個反射柵，每個所述的反射柵用于減少加載于對應(yīng)的所述的叉指換能器上的RF電信號的功率。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于所述的剛性彎條由依次一體連接的第一連接部、拱形部和第二連接部組成，所述的第一連接部的第一端與所述的形狀記憶合金線的另一端連接，所述的拱形部作為所述的剛性彎條的凸出擠壓部，所述的第二連接部的第二端與所述的安裝空腔的任一側(cè)腔壁連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于所述的間隙的隙寬為0.2?0.3毫米。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于所述的信號發(fā)生裝置由用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生器及功率放大器組成，所述的信號發(fā)生器的輸出端與所述的功率放大器的輸入端連接，所述的PCB板上設(shè)置有第一引線腳和第二引線腳，所述的第一引線腳分別與所述的功率放大器的輸出端和其中一個所述的叉指換能器的匯流條連接，所述的第二引線腳分別與所述的功率放大器的輸出端和另一個所述的叉指換能器的匯流條連接。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于所述的功率放大器的輸出端連接有切換開關(guān)，所述的切換開關(guān)選擇與所述的第一引線腳連接或與所述的第二引線腳連接。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波控制的形狀記憶合金微閥，其特征在于所述的叉指換能器上加載的RF電信號的功率為31?33 dBm。10.—種權(quán)利要求7所述的聲表面波控制的形狀記憶合金微閥的控制方法，其特征在于包括以下步驟: ①將石蠟油微液放置于聲表面波傳播路徑上； ②在未啟動信號發(fā)生器和功率放大器的情況下，形狀記憶合金微閥處于開啟狀態(tài)，數(shù)字微流體能在外部進樣器的作用下通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運； 形狀記憶合金微閥從開啟狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)的控制過程為:啟動信號發(fā)生器和功率放大器;信號發(fā)生器輸出RF電信號，并傳輸RF電信號給功率放大器;功率放大器輸出的放大的RF電信號加載于叉指換能器;叉指換能器激發(fā)的聲表面波作用于石蠟油微液上加熱石蠟油微液，此時形狀記憶合金線的溫度上升，當(dāng)溫度上升至轉(zhuǎn)換溫度時形狀記憶合金線拉伸并推動剛性彎條，剛性彎條在推動力下其凸出擠壓部擠壓PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，使TOMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁形變以阻斷PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的關(guān)閉，此時數(shù)字微流體不能通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運； 形狀記憶合金微閥從關(guān)閉狀態(tài)到開啟狀態(tài)的控制過程為:關(guān)閉信號發(fā)生器和功率放大器;叉指換能器不再激發(fā)聲表面波;石蠟油微液的溫度逐漸下降，形狀記憶合金線逐漸恢復(fù)原狀，剛性彎條的凸出擠壓部不再擠壓PDMS凝固體的另一側(cè)側(cè)壁，PDMS凝固體中的微通道恢復(fù)通暢實現(xiàn)形狀記憶合金微閥的開啟，此時數(shù)字微流體能在外部進樣器的作用下通過PDMS凝固體中的微通道實現(xiàn)輸運。
【文檔編號】F16K99/00GK106015728SQ201610405179
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】章安良, 董良威, 張小權(quán), 胡文艷
【申請人】常州工學(xué)院