微流體系統(tǒng)中微閥的驅(qū)動機(jī)理

微流體系統(tǒng)中微閥的驅(qū)動機(jī)理

0微閥的發(fā)展概述微流系統(tǒng)是ss的一個重要分支，它是一個可以在微觀規(guī)模下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流量控制、操作和檢測的系統(tǒng)，包括微傳感器、微泵、微閥、微混合器和微通道。它是傳統(tǒng)流體力學(xué)理論與現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是在微電子、微機(jī)械、生物工程及納米技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,具有微型化、自動化、集成化和便攜化等特點(diǎn)。由于微流體技術(shù)的不斷進(jìn)步,微流體系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之加大,包括生物工程、藥物傳送、化學(xué)分析、軍事、醫(yī)療保健、環(huán)境控制、太空探索等。此外,隨著人類基因工程的發(fā)展,微流體系統(tǒng)在生命科學(xué)中的作用日益突出,它已被廣泛應(yīng)用于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、DNA分析和排序、蛋白質(zhì)分離、免疫測定和細(xì)胞分析等方面,并將成為處理生物分子的有效工具。微閥作為微流體系統(tǒng)的主要元件之一,其作用包括徑流調(diào)節(jié)、開/關(guān)轉(zhuǎn)換以及密封生物分子、微/納粒子、化學(xué)試劑等,其性質(zhì)包括無泄漏、死體積小、功耗低、壓阻大、對微粒玷污不敏感、反應(yīng)快、可線性操作的能力等。目前,微閥主要被分為有源微閥和無源微閥。有源微閥需要在某種驅(qū)動能的作用下實(shí)現(xiàn)對微流體的控制,無源微閥則不需要從外部輸入能量,通常在順壓與逆壓作用下實(shí)現(xiàn)對微流體的控制。此外,按照最初的狀態(tài),微閥可分為常開型和常閉型兩種。本文根據(jù)以上的分類,簡要介紹了近年來微閥的研究情況。1熱驅(qū)動微閥和變性微閥近幾年,有源微閥的種類日益增多。根據(jù)驅(qū)動源的不同,有源微閥又可分為壓電、磁、電、熱、相變、雙穩(wěn)態(tài)有源微閥以及由外部輔助系統(tǒng)如氣體驅(qū)動的有源微閥,其中熱驅(qū)動微閥包括熱空氣、雙金屬和形狀記憶合金微閥,相變微閥包括水凝膠、溶膠-凝膠和石蠟微閥。在這些微閥中,壓電閥具有靈敏度高、響應(yīng)快、死區(qū)體積小等特點(diǎn),應(yīng)用廣泛;靜電與磁微閥可以控制流動方向且功耗低;熱驅(qū)動微閥易于集成化并具有優(yōu)良的動態(tài)特性,適于與硅熱流量傳感器一體化的應(yīng)用,但這種微閥消耗的功率多,反應(yīng)時間長;相變微閥由于成本相對較低,因而在一次性使用的生物芯片中廣泛使用;氣動微閥因薄膜為彈性材料,能產(chǎn)生較大的變形,所以密封性能很好,泄漏低。1.1氣體流速的確定壓電驅(qū)動能夠產(chǎn)生很大的驅(qū)動力、反應(yīng)時間快,但即使有很高的電壓,隔膜也只能產(chǎn)生很小的偏移量。J.Kruckow等人利用體微加工的方法,通過硅熔融鍵合,將兩層硅結(jié)構(gòu)鍵合在一起,研制了一種由壓電驅(qū)動的自封鎖常閉型微閥,其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。在沒有施加電壓時,該微閥具有良好的密封性能,當(dāng)電壓為100V時,氣體流速為0.38mL/min。J.M.Park等人研制了一種用于低溫下流速調(diào)制的常開型壓電微閥,它包括由絕緣體上硅(SOI)制成的芯片、玻璃片、壓電堆棧驅(qū)動器和玻璃陶瓷封殼。該閥的反應(yīng)時間低于1ms,帶寬可達(dá)820kHz。在室溫下,入口壓力為55kPa時,若微閥全開(0V),流速可達(dá)980mL/min,當(dāng)施加60V驅(qū)動電壓時,流速為0mL/min,當(dāng)溫度為80K,入口壓力為104kPa時,該閥能成功地將氣體流速從350mL/min調(diào)至20mL/min。E.H.Yang等人研發(fā)了一種應(yīng)用于微飛船的常閉型壓電微閥,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)輸入電壓為10V,入口壓力為2068.5kPa時,層流速率為52mL/min。為使該閥完全打開,輸入電壓須為30V,微閥消耗的功率為3mW。由于閥座上含有窄邊座套環(huán)和受張應(yīng)力的硅支鏈,因而具有很好的防泄漏能力,當(dāng)壓力為5516kPa時,泄漏速率為10-4mL/min。1.2降壓閥的選擇C.H.Cheng等人在PDMS中摻入鐵粉,將該混合物填充在硅KOH各向異性刻蝕后的V型腔中,作為閥塞及閥塞支撐。這是一種常閉型微閥,當(dāng)外加磁場時,閥塞和支撐被抬起,閥被打開。M.Duch等人提出了一種低功耗、使用方便的磁微閥。這種微閥由上部V型懸臂梁和下部硅隔膜組成,V型懸臂梁上電鍍一層Co-Ni合金。當(dāng)分別在微閥的上部和下部施加磁場時,閥相應(yīng)地被打開和關(guān)閉,如圖3所示。C.Fu等人利用直徑為3mm鐵球作為可由外部磁場驅(qū)動的部件研制了一種常開型微球閥。該微球閥由三個熱壓聚合物層和三個金屬層組成,各層通過黏附薄膜連接,開關(guān)頻率可達(dá)30Hz,開關(guān)時間為10ms。當(dāng)電流為200mA,壓力為50kPa時,微閥被關(guān)閉,泄流速度為0.5L/min。此外,這種微閥還可用作比例閥來調(diào)節(jié)出口壓力,當(dāng)入口壓力為200kPa時,調(diào)節(jié)范圍為0~112.5kPa。1.3種多方向微開關(guān)閥靜電驅(qū)動反應(yīng)時間快、功率低,但是驅(qū)動力較小。此外,由于靜電驅(qū)動微閥通常是以二進(jìn)制的模式工作,所以需要使用閥陣列來控制流動。T.Hasegawa等人提出了一種由空氣驅(qū)動無死體積的微分配系統(tǒng),其中主要元件就是由微螺線管驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)方向轉(zhuǎn)換的10出口多方向微開關(guān)閥。這種開關(guān)閥包含帶有硅樹脂橡膠環(huán)的旋轉(zhuǎn)裝置和帶鋼球的自定位閉鎖裝置。定位裝置能精確地自動定位出口并檢測當(dāng)前選中的出口,因而不需要其他傳感器和控制器。為使芯片能在500kPa以上的高壓下快速轉(zhuǎn)換,硅膠環(huán)的高度應(yīng)為300μm,轉(zhuǎn)子壓縮力為3N,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)力為0.8N。當(dāng)在螺線管上施加電壓為6VDC時,吸引力為1N,開關(guān)時間為0.1s。1.4微閥類型設(shè)計(jì)使用熱驅(qū)動的微閥包括熱空氣驅(qū)動微閥、雙金屬驅(qū)動微閥、形狀記憶合金驅(qū)動微閥三種。雖然它們消耗功率多、反應(yīng)時間長,但由于它們結(jié)構(gòu)簡單,且能提供較大的驅(qū)動力,因而也十分受關(guān)注。1.4.1在壓力和速度下關(guān)閉J.H.Kim等人利用PDMS研制了一種常開型熱氣驅(qū)動的微閥,該微閥由玻璃片、銦錫氧化物(ITO)加熱器、PDMS熱氣腔、PDMS振動膜和PDMS通道組成。在ITO加熱器上施加電壓,使加熱器加熱PDMS熱氣腔中的氣體,由于氣體膨脹,PDMS振動膜發(fā)生變形將閥關(guān)閉。將閥關(guān)閉所需的功率取決于膜的厚度和輸入壓力,與微閥通道的寬度無關(guān)。當(dāng)膜厚為70μm時,使薄膜形變達(dá)到40μm所需的功率為25mW;膜厚為170μm時,所需功率為200mW,關(guān)閉和開啟時間分別是20s和25s。C.A.Rich等人研制了一種皺褶隔膜式熱空氣微閥,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。隔膜下的密封腔內(nèi)裝有揮發(fā)性液體,它的蒸發(fā)壓可以通過電阻加熱來提高,因而使隔膜發(fā)生偏移并將閥關(guān)閉。當(dāng)入口壓力為133.3kPa,功率為350mW時,閥關(guān)閉,維持關(guān)閉狀態(tài)所需的功率為30mW。該閥泄漏速率可低達(dá)10-3mL/min。1.4.2金屬驅(qū)動的微閥雙金屬驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)簡單,能夠產(chǎn)生很大的力,但是功耗大,對環(huán)境溫度敏感。20世紀(jì)90年代,H.Jerman研制了由厚度分別為8μm和5μm的硅膜和鋁層組成的二金屬驅(qū)動的微閥,如圖5所示。當(dāng)輸入壓為7~350kPa,流速為0~0.15L/min時,該閥能很好地實(shí)現(xiàn)比例控制。1.4.3微閥的開關(guān)控制形狀記憶合金是一種智能材料,其特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)。將形狀記憶合金在高溫下定型后,冷卻到低溫(或室溫),并施加外力,使其存在殘余變形,經(jīng)過加熱到臨界溫度之上,就可使存在的殘余變形消失,并恢復(fù)到高溫下的形狀。M.E.Piccini等人利用直徑為75μm的鎳鈦金屬線研制了一種硅樹脂管狀常閉型微閥,通過施加脈沖電壓實(shí)現(xiàn)對微閥的開關(guān)控制。當(dāng)脈沖功率為213mW時,它的反應(yīng)時間為2.5s,平均流速為28.4μL/min。該閥的爆破壓力為68.9kPa,當(dāng)壓力為20.7kPa時,流速約為33μL/min。米智楠等人利用形狀記憶合金作為驅(qū)動元件,開發(fā)了一種微型氣動開關(guān)閥。低溫時,由于受氣體壓力作用,形狀記憶合金彈簧被壓縮,閥門關(guān)閉。通過對NiTi合金彈簧通電加熱,使其屈服應(yīng)力變大,從而產(chǎn)生較大的恢復(fù)力并克服氣體壓力,推動閥門開啟。NiTi合金彈簧斷電后,通過氣流進(jìn)行冷卻,從而降低溫度,其屈服應(yīng)力變小,在氣體壓力的作用下關(guān)閉閥門。微型閥在氣壓為0.4MPa、通電電流為5A時,閥門的開啟時間為0.8s,關(guān)閉時間為2.6s。1.5在生物芯片中的使用相變驅(qū)動微閥使用水凝膠、溶膠-凝膠、石蠟等材料,通常要消耗能量,如溫度、電或光等,但由于它們的成本相對較低,因而在一次性使用的生物芯片中廣泛使用。1.5.1密封裝置的原理R.H.LIU等人用石蠟為材料研制了一種由熱驅(qū)動的微開關(guān)閥,含有該微閥的DNA聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微裝置能夠?qū)悠啡芤好芊庠诜磻?yīng)腔內(nèi),其原理如圖6所示。當(dāng)壓力小于137.9kPa,微閥處于關(guān)閉狀態(tài)時,沒有泄漏發(fā)生;當(dāng)壓力達(dá)到275.8kPa時,在流道壁和石蠟界面上就出現(xiàn)了泄漏。這種微閥的反應(yīng)時間大約為20s,但增加凝固通道的寬度或縮短凝固區(qū)與加熱區(qū)的距離能有效減少反應(yīng)時間。1.5.2基于溫度敏感的微閥早期的水凝膠微閥主要是通過改變?nèi)芤旱柠}濃度來控制,并使用原位光刻技術(shù)制造。目前,許多研究人員開發(fā)了基于溫度效應(yīng)和熱效應(yīng)的水凝膠微閥,如A.Richter等人研制了基于溫度敏感的常閉型水凝膠微閥,通過光聚合作用,將水凝膠驅(qū)動物直接定位在微通道內(nèi)。該水凝膠的狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度為34℃,微閥開啟和關(guān)閉所需時間分別為0.3s和2s。J.Wang等人研制了一種基于熱效應(yīng)的水凝膠微閥,能夠承受200kPa以上的壓力而沒有泄漏,它的關(guān)閉時間大約為4.5s,開啟時間與凝膠體的長度成正比。當(dāng)凝膠的長度為300μm和1500μm時,開啟時間分別為5s和12s。1.5.3加熱和冷卻S.Y.Dae等人利用纖維素甲醚的可逆溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變特性制造了一種凝膠微閥,他們在每個微通道中都植入了一個微加熱器和微溫度傳感器。為使該閥能正常工作,須保持加熱通道溫度在60℃左右,流動通道在35℃左右,且兩通道間的溫度差為23K。此外,要使該閥能穩(wěn)定工作,流速應(yīng)該大于5μL/min。當(dāng)使用風(fēng)扇冷卻時,最初的加熱和冷卻速度分別為5.7K/s和5.8K/s。當(dāng)壓力為2.07×104Pa時,沒有泄漏產(chǎn)生。1.6開和關(guān)時的關(guān)閉Y.C.Goll等人所研制的雙穩(wěn)態(tài)微閥由流體腔和驅(qū)動腔組成,兩腔之間是25μm厚的聚酰亞胺薄膜,薄膜在上下兩個方向的最大偏移均為120μm。由于是雙穩(wěn)態(tài)微閥,因而需要快速升壓和降壓以實(shí)現(xiàn)閥的開和關(guān)。通過快速加熱驅(qū)動腔中的空氣,可以將閥關(guān)閉;要使閥打開,需先將驅(qū)動腔里的空氣加熱使之從驅(qū)動腔下的孔溢出,然后將電流切斷使氣體冷卻。當(dāng)輸入壓力為30kPa時,流速為250μL/s,閥關(guān)閉時,泄流速率低于0.001μL/s。M.Capanu等人研制了一種基于電磁驅(qū)動的常閉型雙穩(wěn)態(tài)微閥,它主要由兩部分構(gòu)成:上部電鍍的金線圈和下部Ni/Fe合金梁。雙穩(wěn)態(tài)性是通過平衡梁的彈力和46μm厚磁性金屬箔的磁力實(shí)現(xiàn)的。用去離子水測試閥的動態(tài)反應(yīng)時間,當(dāng)施加1.16V脈沖電壓30ms,閥打開;施加1.18V脈沖電壓80ms,閥關(guān)閉。1.7多層微閥結(jié)構(gòu)外部氣動微閥在開/關(guān)轉(zhuǎn)換或密封中有很好的性能。到目前為止,帶有外部驅(qū)動力的壓力型微閥由于能夠提供零泄流和較大的可抗壓力,因而十分受歡迎。然而,為適應(yīng)手持式生物化學(xué)應(yīng)用,它的外部系統(tǒng)(如空氣/真空泵)應(yīng)進(jìn)一步小型化。C.K.Malek等人利用硅和PDMS研制了一種多層氣動常閉微閥,其工作原理簡單,即若要使流體流動,需在外部施加一個負(fù)壓使閥開啟;當(dāng)流體壓力過高時,需要施加正壓使閥緊閉。這種閥的結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低,易于操作。由于PDMS是一種彈性材料,其變形大,故只需施加很低的壓力就能使薄膜變形,具有很好的密封性,其結(jié)構(gòu)如圖7所示。S.R.Quake團(tuán)隊(duì)已經(jīng)報(bào)道了多種應(yīng)用多層軟光刻工藝制造的微流體系統(tǒng),其中主要結(jié)構(gòu)是一個由空氣驅(qū)動的串聯(lián)微閥,它是由空氣控制層和流道層疊加而成,氣體通道和流體通道的寬度通常為100μm,它們正交形成面積為100μm×100μm振動薄膜。當(dāng)氣道中的氣體壓力為60kPa時,在幾毫秒內(nèi),薄膜就能偏離平衡位置阻止流體流動。在彈性回復(fù)力作用下,微閥回到打開狀態(tài)。值得注意的是流道的深寬比不能小于1∶10,否則結(jié)構(gòu)容易塌陷。2機(jī)械可動部件微閥不含機(jī)械可動部件微閥無源微閥在微流體系統(tǒng)中主要被用作止回閥元件,根據(jù)是否含有可動部件,它們可被分為含有機(jī)械可動部件微閥(如懸臂梁式和薄膜式)和不含機(jī)械可動部件微閥(如毛細(xì)管微閥)。含可動部件的無源微閥通常只能沿順壓的方向打開,呈現(xiàn)二極管特性,結(jié)構(gòu)簡單,容易制造,可以由體硅刻蝕、金屬沉積、多晶硅或聚合物材料表面微加工工藝制得,但是它的性能受輸入壓力的影響。毛細(xì)管微閥是通過表面張力來調(diào)節(jié)流體流動,由于沒有可動部件,因而通常不易堵塞通道,而扭矩驅(qū)動微閥是通過旋緊螺釘將閥關(guān)閉,使用十分方便。2.1懸臂梁彈性回復(fù)力的一般形態(tài)B.Li等人利用原位UV-LIGA工藝,以硅和鎳為主要材料研制了一種由80個微閥組成的微閥陣列,該微閥陣列具有大流速大于10mL/s、高壓力承載能力大于10MPa和高工作頻率大于10kHz的特點(diǎn)。單個微閥為常閉型微閥,它的入口通道和閥塞由硅制造而成,閥瓣由鎳制成,與懸臂微梁連接被鍵合在硅襯底上。在正壓力差的作用下,閥瓣被抬起,閥打開;在負(fù)壓差與懸臂梁彈性回復(fù)力的共同作用下,閥被關(guān)閉。將閥瓣設(shè)計(jì)成交叉形狀,能有效提高微閥在關(guān)閉狀態(tài)時的承壓能力以及克服閥瓣接觸塞子時的黏附問題。2.2防壓壓大時,個抗-4.2.2M.Hu等人利用SOI硅片研制了硅薄膜厚度為90μm的微閥,它包括一個六邊形孔、一個六邊形薄膜和三個柔性支鏈。在順壓為65.5kPa時,最大流速為35.6mL/min,當(dāng)反向壓力為600kPa時,泄漏速率為0.01μL/min。在空氣中,該閥的共振頻率為17.7kHz。2.3毛細(xì)管微閥的制備由于微通道的表面或幾何形狀特性,毛細(xì)管微閥能夠?qū)崿F(xiàn)自治,因而可用于微流體中。此外,由于毛細(xì)管微閥成本低且易于集成到片上實(shí)驗(yàn)室(LOC)裝置中,所以在生命科學(xué)中也常有所應(yīng)用。最初的毛細(xì)管閥是通過在親水微管道上沉積一層疏水物質(zhì),外加驅(qū)動壓力使流體通過疏水區(qū)。C.Delattre等人研制的毛細(xì)管微閥不需要沉積疏水層,而是利用深度反應(yīng)離子刻蝕使通道的長度和寬度突然變大,因而增加了流體的可濕性。J.Melin等人提出了一種“Y”型的毛細(xì)管微閥,它可利用液體觸發(fā)作用來避免當(dāng)兩種液體在交點(diǎn)相遇時的被困氣泡。當(dāng)液體從一個入口進(jìn)入到達(dá)交匯點(diǎn)時,會等待從另一個入口進(jìn)來的液體,當(dāng)?shù)诙N液體到達(dá)交匯口后,第一種液體的流動就會被觸發(fā)。2.4螺釘微閥D.B.Weibel等人研制了一種扭矩驅(qū)動的微閥(TWIST),其中包含直徑大于500μm的螺絲釘,通過螺絲刀順時針轉(zhuǎn)動螺釘,微閥被關(guān)閉,逆時針旋轉(zhuǎn)就能將閥打開,這種閥的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外輸入便可保持關(guān)閉狀態(tài),能夠容易地集成為便攜式和任意使用的微流體器件。此外,它還能將高度大于50μm的流道完全關(guān)閉,其實(shí)物圖如圖8所示。3微閥的研究及展望隨著科技的發(fā)展,微閥技術(shù)也隨之不斷提高,逐步出現(xiàn)了各種形式的有源微閥和無源微閥(如前文所述)?？v觀微閥的發(fā)展,從19世紀(jì)70年代到現(xiàn)在,微閥主要經(jīng)歷了兩個階段:第一階段從開始到20世紀(jì)90年代,第二階段是從90年代末到現(xiàn)在。第一階段主要是發(fā)展以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的微閥,包括壓電、磁、靜電、熱驅(qū)動等微閥,多數(shù)為機(jī)械可動微閥,通常要求三維結(jié)構(gòu),采用多層硅工藝(多層硅結(jié)構(gòu)堆積鍵合起來),因而器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易與微流體系統(tǒng)集成、成本高、可靠性差、功耗大、存在泄漏問題。此外,由于硅的楊氏模量大,硅或氮化硅隔膜的位移通常只有幾十微米或更少。由于存在泄漏,因而不適合開/關(guān)轉(zhuǎn)換應(yīng)用,但可用于氣體或選擇液體的調(diào)節(jié)。第二階段主要研究以非傳統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的微閥,如毛細(xì)管無源微閥、相變微閥和外部氣動有源微閥等。為了滿足制作簡單、容易集成、成本低等要求,這一階段制造微閥的材料逐漸由硅向聚合物轉(zhuǎn)變,其中使用最多的就是PDMS。PDMS是一種很好的柔性材料,光學(xué)透明,具有高氣透性、無毒、生物兼容性以及表面親水性可改變的特點(diǎn)。這些微閥(如氣動微閥)的成本低,利用軟光刻技術(shù)容易制造,密封性能好,能實(shí)現(xiàn)零泄漏,死體積也小,適用于一次性使用的芯片,而且容易集成到LOC裝置中。近幾年,微閥的發(fā)展十分迅速,微閥的性能也不斷提高,例如泄流、可抗壓力、功耗、死體積、反應(yīng)時間、生物兼容性和一次使用性等都得到了一定程度地解決,但是仍然存在許多需要改善的問題,如壓電、磁、靜電等機(jī)械可動微閥,都還存在泄漏、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等;熱驅(qū)動微閥反應(yīng)時間長、消耗功率大且由于散熱不適合用于生物實(shí)驗(yàn)中;外部氣動微閥需要外部驅(qū)動裝置,不便于攜帶。此外,現(xiàn)有的微閥通常都是針對某一種性能加以改善,如高流速微閥、一次性(低成本)微閥,但是隨著使用范圍不斷擴(kuò)大,人們對微閥的性能提出了更高的要求,須同時具備幾方面的特征,如在太空探索應(yīng)用中,微閥要有更寬的工作溫度范圍且在低溫下也能正常工作,能承受更大的壓力差;用于個人