阅读说明：本技术 一种基于可控润湿梯度表面的微流体控制阀 (Microfluid control valve based on controllable wetting gradient surface ) 是由 卢传民 刘悦 何津 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种微流阀,包括阀体、固定于阀体内壁的柔性悬臂梁、设置于阀体上端面的挡光板和透光板、紫外灯和液滴。通过将液滴滴到柔性悬臂梁上并控制紫外灯的照射,可以使柔性悬臂梁的局部表面产生润湿梯度,并且在液滴的张力作用下,柔性悬臂梁发生一定程度的形变和位移,以此来控制阀体中微流体的流动。采用上述结构的微流阀可以使柔性悬臂梁产生可逆的形变和位移,从而可以重复地打开和闭合微流阀,降低微流阀的使用成本。(The invention provides a micro-flow valve which comprises a valve body, a flexible cantilever beam fixed on the inner wall of the valve body, a light barrier and a light transmitting plate which are arranged on the upper end surface of the valve body, an ultraviolet lamp and liquid drops. The liquid drops are dripped onto the flexible cantilever beam and the irradiation of the ultraviolet lamp is controlled, so that the local surface of the flexible cantilever beam can generate wetting gradient, and the flexible cantilever beam is deformed and displaced to a certain degree under the action of the tension of the liquid drops, so that the flow of microfluid in the valve body is controlled. The micro-flow valve adopting the structure can enable the flexible cantilever beam to generate reversible deformation and displacement, so that the micro-flow valve can be opened and closed repeatedly, and the use cost of the micro-flow valve is reduced.)

一种基于可控润湿梯度表面的微流体控制阀

技术领域

本发明涉及一种基于可控润湿梯度表面的微流体控制阀，属于微流体控制领域。

背景技术

在微流体系统中，微流阀的作用主要是调节微流体的流量和流向。根据有无外部激励方式，现有的微流阀分为有源阀和无源阀。有源阀所采用的方法多是基于气动力、磁力和机械压力，制造微尺度的有源阀涉及微尺度的制造，技术要求较高；无源阀对微流体的调节方法基于微流体本身的流向和压力的变化。

润湿性是固体表面的一个重要性质。固体表面的润湿性主要取决于表面自由能和表面微观结构。改变固体表面的自由能和粗糙程度均可以改变其润湿性。人们常用液体在固体表面的接触角来衡量固体表面的润湿性。接触角大于90°的表面称为疏水表面；小于90°的称为亲水表面。而对于可控润湿性表面，文献[1]报道了一种由溶胶-凝胶法和低温液相法制备的氧化锌薄膜。该薄膜表面经过静置一段时间后即呈现出疏水性，液体接触角可达到140°左右。而经过真空紫外光照射后，表面又会恢复到亲水性。利用氧化锌薄膜的这种性质，通过对氧化锌薄膜的局部表面进行真空紫外光照射即可获得润湿梯度表面。并且这种润湿梯度是可以往复变化的。

专利CN 102502475 A报道了一种基于表面张力的微尺度驱动方法和装置。通过在基体材料表面溅射不同材料形成亲水区和疏水区，使液滴聚集在亲水表面，并保证固液接触线被限制在亲水区与疏水区的交界部分。液滴的表面张力使微悬臂梁被向上弯曲。该专利中基体材料表面的润湿梯度已经形成便不可控，因此在微尺度下难以做到往复循环利用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、可以循环利用以降低制造难度和使用成本的微流阀。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种微流阀，包括阀体、位于阀体左右端面上的微流体入口和微流体出口、设置于阀体上端面的挡光板和透光板以及固定于阀体内壁的柔性悬臂梁。透光板中央开有一个滴液孔。柔性悬臂梁由一段平行于透光板的水平梁和一段竖直梁组成，在水平梁的上端面还覆盖一层氧化锌薄膜，当使用紫外灯照射阀体上端面并通过滴液孔向氧化锌薄膜的表面滴加液滴，氧化锌薄膜局部表面的润湿性发生改变，柔性悬臂梁产生形变和位移，从而使阀体内微流体的流动状态发生改变。

作为本发明的改进，设置于阀体上端面的挡光板和透光板形状、尺寸相同，且各占阀体上端面的一半。透光板由透明材料制成，位于阀体上端面的左侧；挡光板表面涂有挡光材料，位于阀体上端面的右侧。

作为本发明的另一种改进，水平梁和竖直梁的制造材料为氮化硅。水平梁的长度超过阀体长度的一半，且在其上端面覆盖的氧化锌薄膜表面具有疏水性；竖直梁的一端与水平梁的一端相连且向下延伸到阀体内壁的底面。

作为本发明的又一种改进，通过紫外灯照射阀体的上端面，透光板正下方区域对应的氧化锌薄膜表面疏水性转变为亲水性。而挡光板正下方区域对应的氧化锌薄膜表面依然呈现疏水性。

作为本发明的再一种改进，通过滴液孔向氧化锌薄膜表面滴加液滴，液滴自动运动并聚集在氧化锌薄膜表面的亲水表面，在液滴的表面张力作用下，处于氧化锌薄膜疏水表面区域的水平梁被向上弯曲一定角度，带动竖直梁产生竖直方向的位移，从而使所述阀体处于导通的状态。

作为本发明的再一种改进，关闭紫外灯，水平梁和竖直梁恢复到初始位置，阀体恢复到闭合状态。

本发明的有益效果主要表现在：通过控制紫外灯照射与否，即可往复利用氧化锌薄膜表面的润湿梯度和液滴的表面张力，使水平悬臂和竖直悬臂产生弯曲和位移，从而可以不断打开和闭合微流阀。

附图说明

图1是本发明微流阀的立体图；

图2是本发明微流阀处于闭合状态的剖视图；

图3是本发明微流阀中柔性悬臂梁部件图；

图4是本发明微流阀处于导通状态的剖视图；

图中，1、阀体，2、柔性悬臂梁，20、氧化锌薄膜，21、水平梁，22、竖直梁，3、挡光板，4、透光板，5、滴液孔，6、微流体入口，7、微流体出口，8、紫外灯，9、液滴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明微流阀的具体实施方式做详细说明。

图1至图4所示为本发明一种具体实施方式。如图1所示，该微流阀的阀体1为长方体。阀体1的上端面设置挡光板3和透光板4，挡光板3和透光板4的形状、尺寸相同，且各占阀体1上端面的一半。透光板4由透明材料制成，例如玻璃，位于阀体1上端面的左侧，中央开有一个圆形的滴液孔5。挡光板3表面涂有挡光材料，位于阀体1上端面的右侧。紫外灯8置于阀体1的正上方，与阀体1上端面的距离可以调节。如图2所示，阀体1的左右端面开有矩形微流体入口6和微流体出口7。阀体1的内壁固定一个柔性悬臂梁2，如图3所示，该柔性悬臂梁2由一段平行于透光板的水平梁21、覆盖于水平梁21上端面的氧化锌薄膜20、一段竖直梁22组成。水平梁21和竖直梁22的的制造材料为氮化硅。水平梁21的长度超过阀体1长度的一半，其上端面覆盖的氧化锌薄膜20表面具有疏水性；竖直梁22的一端与水平梁21的一端相连且向下延伸到阀体1内壁的底面。

将氧化锌薄膜20覆盖在水平梁21上端面的过程可分为如下两步：

(a).量取一定量的乙二醇甲醚、乙醇胺和乙酸锌，放入烧杯中，然后在60℃的水浴中溶解30min，形成均匀透明的溶胶。然后将清洗好的氮化硅基体放在溶胶中浸泡1min后，以一定的速度将基底从溶胶中提拉出来，放在300℃的保温箱中预处理10min，之后再在600℃的保温箱中加热50min，放置在空气中冷却至室温。

(b).采用六水硝酸锌溶液和六次甲基四胺溶液作为反应溶液。将一定量的等摩尔浓度的硝酸锌和六次甲基四胺混合液搅拌均匀，然后将经过步骤(a)处理过的基底斜靠在装有上述溶液的聚四氟乙烯瓶的内壁上，闭盖在150℃的鼓风干燥箱中恒温生长1h，取出样品，用去离子水冲洗，氮气吹干，并置于暗室中保存24小时。

如图2所示，当需要微流阀处于闭合状态时，关闭紫外灯8，此时氧化锌薄膜20表面呈现疏水性，水平梁21上端面不产生润湿梯度，因此水平梁21和竖直梁22不产生弯曲和位移。如图4所示，当需要微流阀处于导通状态时，首先打开紫外灯8照射阀体1上端面，由于透光板4透过一部分紫外光，其正下方区域对应的氧化锌薄膜20的局部表面由疏水性转变为亲水性，而挡光板3正下方区域对应的氧化锌薄膜20的局部表面依然呈现疏水性，即氧化锌薄膜20表面产生了润湿梯度。此时，再通过滴液孔5向氧化锌薄膜20表面滴加液滴9，例如水，液滴9自动运动并聚集在氧化锌薄膜20的亲水表面。在液滴9的张力作用下，处于氧化锌薄膜20疏水表面区域的水平梁21被向上弯曲一定角度，带动竖直梁22产生竖直方向的位移，从而使阀体1导通。而当又需要关闭微流阀时，则只需关闭紫外灯8，透光板4正下方区域对应的氧化锌薄膜20表面会由亲水性恢复疏水性，从而使氧化锌薄膜20表面的润湿梯度消失，因此，水平梁21和竖直梁22也恢复到初始位置，阀体1闭合。