低閾值高通量被動微閥的研制與性能研究

張鑫杰，陳杰銘

(1.河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022；2.東南大學機械工程學院，江蘇南京 211189)

0 引言

微流體精確操控是微流控芯片中樣品處理與分析的關鍵環(huán)節(jié)，直接決定了芯片檢測結果的可靠性。目前，微流控芯片中液體樣品控制主要采用商業(yè)的機械泵(如精密注射泵、蠕動泵、氣泵等)來完成[1]。然而，商業(yè)泵存在體積重量大、成本高、難以微型化集成等問題，無法實現(xiàn)真正意義上的微流控低成本集成應用。

近年來，隨著微流控芯片技術的蓬勃發(fā)展，微流控閥在微流控芯片中用于微流體低成本、精確控制已得到廣泛關注。根據(jù)流體調控原理，現(xiàn)有微流控閥主要分為主動式與被動式兩類[2]。主動閥利用外部激發(fā)單元來改變流阻以達到調節(jié)流量的目的，基于激發(fā)源的不同，目前已報道的主動閥主要有氣控閥[3]、電控閥[4]、磁控閥[5]、集成多種激發(fā)源控制閥[6]等。雖然主動閥在微流體的復雜控制方面具有一定優(yōu)勢，但過于依賴外部激發(fā)源控制使得該類型的微閥并不能很好地實現(xiàn)微型化集成。被動閥無需依賴外部激發(fā)源，僅通過流體壓力改變自身流道結構即可實現(xiàn)微流體流量的精確控制。與主動閥相比，被動閥不消耗外部能源、使用成本低、操作簡單、集成度高，在制成低成本、便攜式微流控系統(tǒng)中具有更好的應用優(yōu)勢。基于流道結構的不同，現(xiàn)有的被動閥主要有單膜閥[7]、垂直平行雙膜閥[8]和水平平行雙膜閥[9]。單膜閥只具有一塊彈性薄膜結構，微閥工作時，來自閥體入口的流體壓力直接作用在薄膜上，使主流道截面減小以實現(xiàn)流體流量的自動調節(jié)。與單膜閥相比，雙膜閥設計有兩塊彈性薄膜，微閥受流體壓力時，流體直接作用在兩塊薄膜上使其同時變形并調節(jié)流體流量，因此雙膜閥通常比單膜閥具有更低的閾值壓力?？傮w而言，被動閥無需借助外部控制即可實現(xiàn)微流體的自動、精確控制，且有助于實現(xiàn)微型化集成。但是，現(xiàn)有被動閥無法實現(xiàn)低閾值高通量的流體控制，難以滿足便攜式微流控器件的實際應用需求。

因此，提出一種新型結構的微流控被動流量調節(jié)閥，可以在低閾值流體壓力下實現(xiàn)高通量精確液體控制。首先，介紹了微閥的流量自調控工作原理。接著，介紹了微閥的流道結構設計和制作工藝。然后，針對微閥樣件，仿真研究該微閥實施液體調控中薄膜與液體相互作用的耦合過程。最后，搭建微閥流量測試實驗裝置，通過實驗研究微閥的壓力流量特性。

1 工作原理

微閥的概念結構如圖1所示。該微閥設計有儲液腔、柔性薄膜和調流腔。其中，儲液腔接通液體入口，柔性薄膜上帶有2個溢流孔，調流腔的內壁面為橢球面且連通液體出口。微閥工作時，液體從入口進入儲液腔，穿過溢流孔進入調流腔并從出口流出閥外。隨著入口液體壓力的增大，柔性薄膜受壓逐漸向調流腔的內壁面產生彈性變形。變形的薄膜擠壓調流腔中的液體，使調流腔的阻力不斷增大。如式(1)所示，當入口液體壓力從p增大至p+Δp時，調流腔的阻力相應地從R增大至R+ΔR。增大的流阻實時補償了增大的液體壓力，當液體壓力超過一定的閾值時，微閥即可輸出恒定的流量Qc。

(1)

圖1 微閥調節(jié)流量原理圖

2 設計與制作

基于微閥的工作原理，對微閥的流道結構進行詳細設計。如圖2(a)中爆炸視圖所示，該微閥由4個零件組成，分別為蓋板、密封墊、薄膜和底板。其中，蓋板上表面設計有寶塔結構的入口接頭，用于連接進液管實現(xiàn)液體進樣。蓋板下表面設計有儲液腔，直徑為1.5 mm。密封墊正中心設計有通孔，密封墊厚度為500 μm。薄膜上設計有2個溢流孔，孔距為1 mm，孔徑為200 μm，薄膜厚度為50 μm。底板上表面設計有橢球形調流腔，調流腔直徑為1.5 mm，深度為150 μm，出口直徑為600 μm，底板下表面設計有寶塔結構出口接頭。為保障微閥各零件的精密配合，各零件上還設計有定位柱及定位孔。

為實現(xiàn)微閥的低成本、快速制作，采用3D打印與紫外精密激光加工的技術制作微閥零件。蓋板和底板采用3D打印制作，材料為光敏樹脂(SOMOS Imagine 8000，DSM)。密封墊(原材料為無色透明硅膠膜)和薄膜的原材料(原材料為涂覆有聚二甲基硅氧烷PDMS的聚合物薄膜)直接從市場采購，采用紫外激光加工。首先，紫外激光直接在硅膠膜和聚合物薄膜上切透微流道的外輪廓，被切透的材料自然掉落形成微孔結構，從而獲得密封墊成品與薄膜半成品。接著，采用氧等離子清洗工藝對密封墊和薄膜半成品的PDMS表面進行處理，并將這2個零件進行不可逆鍵合。然后，將聚合物薄膜從鍵合后的PDMS薄膜以及密封墊上撕除，獲得鍵合好的密封墊與薄膜。薄膜上的微孔結構如圖2(b)所示，采用紫外激光加工的溢流孔圓周非常光滑，且薄膜和密封墊對齊鍵合后2個溢流孔對稱位于調流腔的內側。最后，將蓋板、鍵合的密封墊和薄膜、底板進行堆疊，利用各零部件上的定位柱和定位孔實現(xiàn)微閥的精確裝配。制作完成的微閥樣件如圖2(c)所示，該微閥的外徑為18 mm，高度為18.5 mm，體積小且成本低廉。

圖2 微閥結構示意圖及制作實物圖

3 結果與討論

3.1 實驗裝置

測試微閥流量的實驗裝置示意圖如圖3所示。該實驗裝置由空壓機、壓力控制器、電腦終端、水罐、測試樣件、流量傳感器和廢液罐組成。其中，空壓機可產生壓縮空氣用于驅動液體，電腦終端調節(jié)壓力控制器(OB1 Base MkIII，Elveflow)輸出特定技術參數(shù)的測試氣壓，水罐為密閉的罐體且儲存有去離子水，測試樣件采用訂制夾具夾緊微閥樣件以防微閥發(fā)生液體泄漏，流量傳感器(MS 5，Elveflow)與壓力控制器實時通訊并測量流經傳感器中去離子水的流量，將收集到的壓力、流量數(shù)據(jù)傳輸至電腦終端。對微閥樣件進行流量測試時，啟動空壓機產生壓縮氣體輸入壓力控制器，壓力控制器將氣體源壓力調整為測試壓力并輸入水罐中。此時，水罐中的氣體將去離子水壓入測試樣件，去離子水經微閥調節(jié)流量后輸入流量傳感器，并流出至廢液罐中。在此過程中，流量傳感器實時測量去離子水的流量，將流量數(shù)據(jù)反饋給電腦終端。

圖3 微閥流量測試實驗裝置示意圖

3.2 流固耦合仿真

微閥在實施液體調控時，利用柔性薄膜與液體的相互作用實現(xiàn)液體流量精確控制。由于薄膜在受液體壓力過程中產生彈性變形以改變調流腔的流阻，因此這是一種典型的流固耦合問題。根據(jù)研制的微閥流道結構參數(shù)，采用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics?中的流固耦合模塊對微閥進行建模。首先，建立微閥中儲液腔、調流腔和出口的三維模型，將其設為不可壓縮納維斯托克斯模型流體域，流體材料為水，動力黏度為0.001 Pa·s。接著，建立柔性薄膜的三維固態(tài)應力應變模型，薄膜材料設置為PDMS，楊氏模量為1.7 MPa，泊松比為0.49。設置儲液腔入口處的初始液體壓為1 kPa，出口處壓力為0，并逐漸加大入口液體壓力，進行多次仿真計算，記錄薄膜受水壓變形后的位移與出口流量。圖4(a)顯示了不同入口液體壓力下微閥的仿真計算結果，液體壓力分別為1 kPa、5 kPa、10 kPa和15 kPa。當液體壓力為1 kPa時，薄膜受壓朝著微閥出口方向產生輕微變形，而當液體壓力依次增大至5 kPa、10 kPa和15 kPa時，薄膜變形位移也逐漸增大。最終變形后的薄膜幾乎完全與調流腔的內側壁面貼合，進一步壓縮調流腔空間，使調流腔的流阻不斷增大。對比上述4種工況下液體的速度梯度場分布，發(fā)現(xiàn)當入口液體壓力較低時，高流速區(qū)主要分布于兩側的溢流孔以及流道出口中央。而當入口液體壓力增大時，高流速區(qū)逐漸集中至薄膜與流道出口交界區(qū)域處，表明該區(qū)域處的流阻對微閥的流量起決定性作用。

圖4(b)描述了微閥入口液體壓力從1 kPa增大至15 kPa時的薄膜變形位移以及微閥輸出流量的變化過程。由薄膜變形位移曲線可知，當液體壓力從1 kPa增大至6 kPa時，薄膜的變形量急劇增大，變形位移從32 μm迅速增大至85 μm，相應的位移增量為53 μm。當液體壓力從6 kPa增大至15 kPa時，薄膜變形位移增大至113.4 μm，而位移增量僅為28.4 μm。由此可以推斷，隨著入口液體壓力的增大，微閥的流阻迅速增大，薄膜變形量逐漸趨于飽和。對整個仿真過程中的微閥流量進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著流體壓力的增大，流量一開始連續(xù)增大而后逐漸趨于穩(wěn)定，表明該微閥模型具有較好的穩(wěn)流能力。為檢驗微閥的穩(wěn)流調控能力，將薄膜的楊氏模量設為無窮大，即薄膜變?yōu)椴豢勺冃蔚膭傂阅?，再次對剛性膜微閥進行仿真計算。由剛性膜的壓力流量曲線可知，當薄膜不產生變形時，隨著入口液體壓力的增大，微閥的流量幾乎呈線性增大，且微閥不再具有自動實施穩(wěn)流調控的能力。上述仿真結果表明帶有柔性薄膜的微閥具有一定的穩(wěn)流自調控能力，從理論上證實了微閥結構設計的合理性。

(a)不同壓力下液體的速度梯度場分布

(b)薄膜位移、流量與液體壓力的關系

3.3 性能實驗測試與分析

為進一步驗證微閥的穩(wěn)流調控能力，對制作的微閥樣件進行流量測試實驗，并研究其壓力流量特性。在實驗中，設置測試氣壓即微閥的入口液體壓力依次從1 kPa逐步增大至15 kPa，測試微閥在相應液體壓力下的流量，記錄的壓力-流量曲線如圖5所示。由微閥的流量曲線可知，隨著入口液體壓力的增大，微閥的出口流量一開始也逐漸增大。當入口液體壓力超過6 kPa時，微閥流量基本趨于穩(wěn)定。對液體壓力在6～12 kPa之間的平均流量進行計算，發(fā)現(xiàn)流量始終保持在4.03±0.17 mL/min，且流量的波動偏差僅為4.22%，此時微閥表現(xiàn)出良好的穩(wěn)流效果。當液體壓力超過12 kPa時，微閥流量開始緩慢增大，且逐漸偏離穩(wěn)流階段的平均流量值，流量不再保持穩(wěn)定。為進一步驗證微閥的流量調控特性，將微閥中的薄膜去除，制作了一種直通流道器件，測試該器件的流量數(shù)據(jù)，并和微閥流量數(shù)據(jù)進行對比。從圖5中直通器件的流量數(shù)據(jù)可以看出，直通器件的流量隨著入口液體壓力的增大幾乎始終呈線性增大。由此可見，該微閥具有顯著的流量自調控特性，且流體壓力在6 ～12 kPa之間時，微閥可以持續(xù)輸出穩(wěn)定的流量?；谏鲜鰧嶒灲Y果，可以得出微閥的閾值壓力僅為6 kPa，且微閥實施液體調控時其穩(wěn)定流量大于4 mL/min，兩項關鍵指標均優(yōu)于已報道的微閥[7-9]。得益于其低閾值、高通量穩(wěn)流特性，該微閥在低成本、便攜式微流控器件中具有較好的應用前景。如在微量精確給藥系統(tǒng)、生物細胞高通量操控、樣品液高效混合等生化應用中，該微閥可以自動實現(xiàn)樣品液的精確控制，在保障系統(tǒng)安全性和可靠性的基礎上，進一步降低微流控器件的成本和體積，有益于微流控器件的廣泛應用。

圖5 微閥的壓力流量曲線

4 結束語

設計并制作了一種新型結構的微流控被動流量調節(jié)閥。該微閥采用3D打印與紫外激光加工技術制作而成，材料成本低廉，制作工藝便捷。該微閥的特點在于其調流腔設計為橢球面結構，當微閥中的柔性薄膜受流體壓力時能迅速緊貼球面，擠壓調流腔中的液體達到自動調節(jié)液體流量的效果。軟件仿真與實驗結果表明，該微閥在變化的液體壓力下具有較好的高通量、穩(wěn)流效果，且實現(xiàn)穩(wěn)流調控所需的閾值壓力較低。該微閥在微流控系統(tǒng)中可用于精確控制微流體流量，有益于微流控系統(tǒng)的低成本、微型化集成應用。