張鑫杰，陳杰銘

(1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022；2.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了芯片檢測結(jié)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(jī)械泵(如精密注射泵、蠕動(dòng)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(shí)現(xiàn)真正意義上的微流控低成本集成應(yīng)用。

近年來，隨著微流控芯片技術(shù)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(guān)注。根據(jù)流體調(diào)控原理，現(xiàn)有微流控閥主要分為主動(dòng)式與被動(dòng)式兩類[2]。主動(dòng)閥利用外部激發(fā)單元來改變流阻以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，基于激發(fā)源的不同，目前已報(bào)道的主動(dòng)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(dòng)閥在微流體的復(fù)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(shí)現(xiàn)微型化集成。被動(dòng)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(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)微流體流量的精確控制。與主動(dòng)閥相比，被動(dòng)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(yīng)用優(yōu)勢?；诹鞯澜Y(jié)構(gòu)的不同，現(xiàn)有的被動(dòng)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(jié)構(gòu)，微閥工作時(shí)，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(shí)現(xiàn)流體流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。與單膜閥相比，雙膜閥設(shè)計(jì)有兩塊彈性薄膜，微閥受流體壓力時(shí)，流體直接作用在兩塊薄膜上使其同時(shí)變形并調(diào)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(dòng)閥無需借助外部控制即可實(shí)現(xiàn)微流體的自動(dòng)、精確控制，且有助于實(shí)現(xiàn)微型化集成。但是，現(xiàn)有被動(dòng)閥無法實(shí)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(shí)際應(yīng)用需求。

因此，提出一種新型結(jié)構(gòu)的微流控被動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，可以在低閾值流體壓力下實(shí)現(xiàn)高通量精確液體控制。首先，介紹了微閥的流量自調(diào)控工作原理。接著，介紹了微閥的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作工藝。然后，針對微閥樣件，仿真研究該微閥實(shí)施液體調(diào)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(shí)驗(yàn)裝置，通過實(shí)驗(yàn)研究微閥的壓力流量特性。

1 工作原理

微閥的概念結(jié)構(gòu)如圖1所示。該微閥設(shè)計(jì)有儲液腔、柔性薄膜和調(diào)流腔。其中，儲液腔接通液體入口，柔性薄膜上帶有2個(gè)溢流孔，調(diào)流腔的內(nèi)壁面為橢球面且連通液體出口。微閥工作時(shí)，液體從入口進(jìn)入儲液腔，穿過溢流孔進(jìn)入調(diào)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(diào)流腔的內(nèi)壁面產(chǎn)生彈性變形。變形的薄膜擠壓調(diào)流腔中的液體，使調(diào)流腔的阻力不斷增大。如式(1)所示，當(dāng)入口液體壓力從p增大至p+Δp時(shí)，調(diào)流腔的阻力相應(yīng)地從R增大至R+ΔR。增大的流阻實(shí)時(shí)補(bǔ)償了增大的液體壓力，當(dāng)液體壓力超過一定的閾值時(shí)，微閥即可輸出恒定的流量Qc。

(1)

圖1 微閥調(diào)節(jié)流量原理圖

2 設(shè)計(jì)與制作

基于微閥的工作原理，對微閥的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。如圖2(a)中爆炸視圖所示，該微閥由4個(gè)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(shè)計(jì)有寶塔結(jié)構(gòu)的入口接頭，用于連接進(jìn)液管實(shí)現(xiàn)液體進(jìn)樣。蓋板下表面設(shè)計(jì)有儲液腔，直徑為1.5 mm。密封墊正中心設(shè)計(jì)有通孔，密封墊厚度為500 μm。薄膜上設(shè)計(jì)有2個(gè)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(shè)計(jì)有橢球形調(diào)流腔，調(diào)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(shè)計(jì)有寶塔結(jié)構(gòu)出口接頭。為保障微閥各零件的精密配合，各零件上還設(shè)計(jì)有定位柱及定位孔。

為實(shí)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行處理，并將這2個(gè)零件進(jìn)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(jié)構(gòu)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(gè)溢流孔對稱位于調(diào)流腔的內(nèi)側(cè)。最后，將蓋板、鍵合的密封墊和薄膜、底板進(jìn)行堆疊，利用各零部件上的定位柱和定位孔實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖及制作實(shí)物圖

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

測試微閥流量的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)裝置由空壓機(jī)、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(jī)可產(chǎn)生壓縮空氣用于驅(qū)動(dòng)液體，電腦終端調(diào)節(jié)壓力控制器(OB1 Base MkIII，Elveflow)輸出特定技術(shù)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(shí)時(shí)通訊并測量流經(jīng)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(jìn)行流量測試時(shí)，啟動(dòng)空壓機(jī)產(chǎn)生壓縮氣體輸入壓力控制器，壓力控制器將氣體源壓力調(diào)整為測試壓力并輸入水罐中。此時(shí)，水罐中的氣體將去離子水壓入測試樣件，去離子水經(jīng)微閥調(diào)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(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.2 流固耦合仿真

微閥在實(shí)施液體調(diào)控時(shí)，利用柔性薄膜與液體的相互作用實(shí)現(xiàn)液體流量精確控制。由于薄膜在受液體壓力過程中產(chǎn)生彈性變形以改變調(diào)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(jié)構(gòu)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(jìn)行建模。首先，建立微閥中儲液腔、調(diào)流腔和出口的三維模型，將其設(shè)為不可壓縮納維斯托克斯模型流體域，流體材料為水，動(dòng)力黏度為0.001 Pa·s。接著，建立柔性薄膜的三維固態(tài)應(yīng)力應(yīng)變模型，薄膜材料設(shè)置為PDMS，楊氏模量為1.7 MPa，泊松比為0.49。設(shè)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(jìn)行多次仿真計(jì)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(jì)算結(jié)果，液體壓力分別為1 kPa、5 kPa、10 kPa和15 kPa。當(dāng)液體壓力為1 kPa時(shí)，薄膜受壓朝著微閥出口方向產(chǎn)生輕微變形，而當(dāng)液體壓力依次增大至5 kPa、10 kPa和15 kPa時(shí)，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(diào)流腔的內(nèi)側(cè)壁面貼合，進(jìn)一步壓縮調(diào)流腔空間，使調(diào)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(dāng)入口液體壓力較低時(shí)，高流速區(qū)主要分布于兩側(cè)的溢流孔以及流道出口中央。而當(dāng)入口液體壓力增大時(shí)，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(shí)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(dāng)液體壓力從1 kPa增大至6 kPa時(shí)，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(yīng)的位移增量為53 μm。當(dāng)液體壓力從6 kPa增大至15 kPa時(shí)，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(gè)仿真過程中的微閥流量進(jìn)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(yàn)微閥的穩(wěn)流調(diào)控能力，將薄膜的楊氏模量設(shè)為無窮大，即薄膜變?yōu)椴豢勺冃蔚膭傂阅ぃ俅螌傂阅の㈤y進(jìn)行仿真計(jì)算。由剛性膜的壓力流量曲線可知，當(dāng)薄膜不產(chǎn)生變形時(shí)，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(dòng)實(shí)施穩(wěn)流調(diào)控的能力。上述仿真結(jié)果表明帶有柔性薄膜的微閥具有一定的穩(wěn)流自調(diào)控能力，從理論上證實(shí)了微閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guān)系

3.3 性能實(shí)驗(yàn)測試與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證微閥的穩(wěn)流調(diào)控能力，對制作的微閥樣件進(jìn)行流量測試實(shí)驗(yàn)，并研究其壓力流量特性。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)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(yīng)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(dāng)入口液體壓力超過6 kPa時(shí)，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(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)流量始終保持在4.03±0.17 mL/min，且流量的波動(dòng)偏差僅為4.22%，此時(shí)微閥表現(xiàn)出良好的穩(wěn)流效果。當(dāng)液體壓力超過12 kPa時(shí)，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(jìn)一步驗(yàn)證微閥的流量調(diào)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(jìn)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(diào)控特性，且流體壓力在6 ～12 kPa之間時(shí)，微閥可以持續(xù)輸出穩(wěn)定的流量?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出微閥的閾值壓力僅為6 kPa，且微閥實(shí)施液體調(diào)控時(shí)其穩(wěn)定流量大于4 mL/min，兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于已報(bào)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(yīng)用前景。如在微量精確給藥系統(tǒng)、生物細(xì)胞高通量操控、樣品液高效混合等生化應(yīng)用中，該微閥可以自動(dòng)實(shí)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(chǔ)上，進(jìn)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(yīng)用。

圖5 微閥的壓力流量曲線

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并制作了一種新型結(jié)構(gòu)的微流控被動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥。該微閥采用3D打印與紫外激光加工技術(shù)制作而成，材料成本低廉，制作工藝便捷。該微閥的特點(diǎn)在于其調(diào)流腔設(shè)計(jì)為橢球面結(jié)構(gòu)，當(dāng)微閥中的柔性薄膜受流體壓力時(shí)能迅速緊貼球面，擠壓調(diào)流腔中的液體達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)液體流量的效果。軟件仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)流調(diào)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(yīng)用。