一种闭合式微流控装置论文和设计-周国富

全文摘要

本实用新型公开了一种闭合式微流控装置，本实用新型通过设置利用电磁相互作用力控制顶板的高度的电磁高度调节模块，并结合可调节电源模块控制输入电磁高度调节模块的电流的大小，实现顶板高度可调节，顶板取放简便，克服现有技术中存在顶板高度难以调节且取放不便的技术问题。

主设计要求

1.一种闭合式微流控装置，其特征在于，包括顶板、可调节电源模块和用于利用电磁相互作用力控制所述顶板的高度的电磁高度调节模块，所述可调节电源模块的输出端与所述电磁高度调节模块的输入端连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述闭合式微流控装置还包括并行输出模块，所述可调节电源模块的输出端与所述并行输出模块的输入端连接，所述并行输出模块的输出端与所述电磁高度调节模块的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述闭合式微流控装置还包括电压电流转换模块，所述并行输出模块的输出端与所述电压电流转换模块的输入端连接，所述电压电流转换模块的输出端与所述电磁高度调节模块的输入端连接。

4.根据权利要求2所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述闭合式微流控装置还包括并行输出控制模块，所述并行输出控制模块的输出端与所述并行输出模块的输入端连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述电磁高度调节模块包括电磁铁和设置在所述顶板上的磁铁，所述可调节电源模块的输出端与所述电磁铁的输入端连接，所述电磁铁的磁性与所述磁铁的磁性相反，实现异性相斥以抬高所述顶板。

6.根据权利要求5所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述电磁高度调节模块还包括电磁高度调节平台，所述电磁铁设置在所述电磁高度调节平台上。

7.根据权利要求6所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述电磁高度调节平台上设置有多个液滴控制电极。

8.根据权利要求6所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述闭合式微流控装置还包括液滴操作平台，所述液滴操作平台上设置有多个液滴控制电极，所述液滴操作平台设置在所述电磁高度调节平台上。

9.根据权利要求8所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述液滴操作平台的材质包括ITO导电玻璃、PCB电路板或纸张。

10.根据权利要求1至4任一项所述的闭合式微流控装置，其特征在于，所述电磁高度调节模块包括电磁铁和具有磁性的所述顶板，所述可调节电源模块的输出端与所述电磁铁的输入端连接，所述电磁铁的磁性与所述顶板的磁性相反，实现异性相斥以抬高所述顶板。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及微流控领域，尤其是一种闭合式微流控装置。

背景技术

如今，数字微流控平台在化学、生物、医学及其他各个领域，均展现其巨大的发展潜力和应用前景，如试剂检测、即时诊断(Point of Care Testing,PoCT)。在这些领域中数字微流控平台都表现出了优异的性能。基于电润湿的数字微流控平台是一种微流体控制平台，在平台中，液体作为独立的单位大小的液滴进行处理，这些液滴可以从源头分配出来，合并、分裂或在需求点之间运输。这些装置可通过使用表面电极阵列或是通道来实现，以通过电润湿效应来控制液滴的形状和位置。

在数字微流控中驱动液滴的阵列结构可分为开放式与闭合式，相比闭合式，开放式往往会需要更大的驱动电压从而增加了驱动条件上的限制，而且高电压驱动也不安全。而闭合式更容易驱动液滴，然而顶板的不同高度会影响驱动的效果，而且通常添加顶板的方式是在电极阵列四周贴上特制的胶带，操作十分不便，高度的调整无法十分精细，顶板的放取也十分的麻烦。具体地，参考图1和图2，图1是传统闭合式结构侧面图；图2是传统闭合式结构俯视图；添加顶板的传统方式特别粗糙，通过选定特制的胶带(如黑框胶等，造价高且使用不方便，其特性与双面胶带接近，单层高度普遍为50μm或是85μm。)，分段粘贴在电极阵列四周，再根据需要的高度叠加胶带，然后再将ITO顶板贴在胶带上，叠加起来的胶带将顶板垫起一个细微的高度差。这样顶板只能是在胶带高度或是其倍数高度情况下工作，无法再获得其它高度的参数，而且胶带在添加数层之后减少层数更为麻烦，顶板调节不方便。在试验或是操作结束需要更换液滴及其它情况时，需要将粘在胶带上的ITO玻璃顶板揭下，这样操作十分不便，而且很容易在取下顶板时带起胶带并导致操作的电极阵列板上或是顶板上所旋涂的AF疏水绝缘膜被破坏，造成器件的损坏，这种损坏是不可逆的。有时还会通过在电极阵列操作平台上添加材料(如硅油等)来提高液滴的电润湿现象，从而加强液滴运动能力，但这会致使很难在电极阵列操作平台上面贴上胶带，或是带动顶板发生偏移影响液滴。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的是提供一种闭合式微流控装置，利用电磁作用力控制顶板的高度。

本实用新型所采用的技术方案是：一种闭合式微流控装置，包括顶板、可调节电源模块和用于利用电磁相互作用力控制所述顶板的高度的电磁高度调节模块，所述可调节电源模块的输出端与所述电磁高度调节模块的输入端连接。

进一步地，所述闭合式微流控装置还包括并行输出模块，所述可调节电源模块的输出端与所述并行输出模块的输入端连接，所述并行输出模块的输出端与所述电磁高度调节模块的输入端连接。

进一步地，所述闭合式微流控装置还包括电压电流转换模块，所述并行输出模块的输出端与所述电压电流转换模块的输入端连接，所述电压电流转换模块的输出端与所述电磁高度调节模块的输入端连接。

进一步地，所述闭合式微流控装置还包括并行输出控制模块，所述并行输出控制模块的输出端与所述并行输出模块的输入端连接。

进一步地，所述电磁高度调节模块包括电磁铁和设置在所述顶板上的磁铁，所述可调节电源模块的输出端与所述电磁铁的输入端连接，所述电磁铁的磁性与所述磁铁的磁性相反，实现异性相斥以抬高所述顶板。

进一步地，所述电磁高度调节模块还包括电磁高度调节平台，所述电磁铁设置在所述电磁高度调节平台上。

进一步地，所述电磁高度调节平台上设置有多个液滴控制电极。

进一步地，所述闭合式微流控装置还包括液滴操作平台，所述液滴操作平台上设置有多个液滴控制电极，所述液滴操作平台设置在所述电磁高度调节平台上。

进一步地，所述液滴操作平台的材质包括ITO导电玻璃、PCB电路板或纸张。

进一步地，所述电磁高度调节模块包括电磁铁和具有磁性的所述顶板，所述可调节电源模块的输出端与所述电磁铁的输入端连接，所述电磁铁的磁性与所述顶板的磁性相反，实现异性相斥以抬高所述顶板。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过设置利用电磁相互作用力控制顶板的高度的电磁高度调节模块，并结合可调节电源模块控制输入电磁高度调节模块的电流的大小，实现顶板高度可调节，顶板取放简便，克服现有技术中存在顶板高度难以调节且取放不便的技术问题。

另外，本实用新型还通过设置并行输出模块，实现控制信号并行输出以控制多个电磁铁。

附图说明

图1是传统闭合式结构侧面图；

图2是传统闭合式结构俯视图；

图3是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例结构框图；

图4是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例侧面示意图；

图5是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例连接示意图；

图6是本实用新型一种闭合式微流控装置的液滴控制平台和电磁高度调节平台的一具体实施例示意图；

图7a、图7b、图7c是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例液滴驱动连接示意图；

图8a、图8b、图8c是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例液滴驱动示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种闭合式微流控装置，包括顶板、可调节电源模块(输出电压大小可调节，输出电流可调节)和用于利用电磁相互作用力控制顶板的高度的电磁高度调节模块，可调节电源模块的输出端与电磁高度调节模块的输入端连接以输入可调节的电流。电磁高度调节模块得电并通过电磁悬浮原理控制顶板的高度，通过控制输入电磁高度调节模块的电流大小可以精细调节顶板的高度，实现精确增大或是降低顶板高度。通过电磁相互作用力来控制顶板的高度，省去了传统顶板高度设置所需的繁琐的准备步骤以及高昂的特制胶带，顶板的取放不容易影响到液滴，更不会因为顶板偏移或是取下顶板时扯动胶带而破坏旋涂于顶板表面的疏水绝缘层，顶板放取方便，造价不高且省时节约，操作灵活。具体地，电磁高度调节模块可以是通过异性相斥的电磁作用力抬高顶板，或者是同性相吸的电磁作用力吸取顶板以升高顶板。

进一步地，闭合式微流控装置还包括并行输出模块，可调节电源模块的输出端与并行输出模块的输入端连接，并行输出模块的输出端与电磁高度调节模块的输入端连接，并行输出模块用于实现电压并行输出或者电流并行输出。参考图3，图3是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例结构框图；当并行输出模块并行输出电压时，还需要设置一个电压电流转换模块以实现电压和电流的转换；为了控制并行输出模块的工作，还设置了并行输出控制模块，并行输出控制模块的输出端与并行输出模块的输入端连接，并行输出模块的输出端与电压电流转换模块的输入端连接，电压电流转换模块的输出端与电磁高度调节模块的输入端连接。具体地，可调节电源模块的电压范围为5V至250V，输出电压的大小可调节，即输出电流的大小可调节；并行输出控制模块采用STM32芯片，可采用STM32F103CBT6型号的芯片；电压电流转换模块的构成可以是使用电压转换器，也可以是使用电阻、二极管等组成电压电流转换电路。并行输出模块包括HV513高压并行输出芯片，该芯片在低压下工作，将可调节电源模块输入的电压根据程序并行输出；HV513芯片有8路电压并行输出口，输出电压范围为5V-250V，该芯片自身并不升高电压，其根据STM32芯片的指令要求(指定HIV513芯片的电压输出口的位置以及相应的输出电压)将输入的电压在单位时间内按照要求输出至电压输出口，电压输出口输出电压至电压电流转换模块。电压电流转换模块将HV513芯片输出的电压转换为电流输出至电磁高度调节模块，使电磁高度调节模块产生磁力以改变顶板的高度。由于可调节电源模块的输出电压的可调节范围广，通过电压电流转换电路转换为对应电流，可对顶板的高度进行精细调整。另外，还需要设置为并行输出控制模块和并行输出模块供电的稳压电源模块，稳压电源模块由ME6208A33M3G等组成的稳压系统实现，将输入的5V转为3.3V。

进一步地，电磁高度调节模块包括电磁铁和设置在顶板上的磁铁，参考图4和图5，图4是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例侧面示意图，图5是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例连接示意图；磁铁通过刻蚀镶入顶板中，电压电流转换模块的输出端与电磁铁的输入端连接以输入电流，电磁铁的磁性与磁铁的磁性相反，实现异性相斥以抬高顶板。电压电流转换模块将可调节的电压转换成电流输出至电磁高度调节模块的电磁铁；使其产生极性与顶板中嵌入的磁铁产生斥力抬起顶板，从而调节顶板高度。输出电压范围广，通过电压电流转换模块转换为对应电流，可精细对顶板高度进行调整；因为闭合式的数字微流控装置并不需要将顶板抬高多少，高度以μm为单位，所以不需要太高的功率满足能将顶板稍稍抬起，而且顶板自身的重力与电磁悬浮的力形成平衡，让顶板不容易倾斜。

更进一步地，参考图4、图5和图6，图6是本实用新型一种闭合式微流控装置的液滴控制平台和电磁高度调节平台的一具体实施例示意图；电磁高度调节模块还包括电磁高度调节平台，闭合式微流控装置还包括液滴操作平台。电磁高度调节平台与液滴操作平台提供两种实现方式，

第一种实现方式：参考图6，电磁高度调节平台与液滴操作平台两者可以分开，电磁铁设置在电磁高度调节平台上，液滴操作平台上设置有多个液滴控制电极，液滴操作平台(图6中液滴操作平台使用ITO玻璃来实现)设置在电磁高度调节平台上，可以使用压片夹、胶带等将液滴操作平台固定在电磁高度调节平台上。

第二种实现方式：参考图5，也可以是电磁高度调节平台与液滴操作平台两者一体化，两者可为同一电路系统中也可以是不同电路系统中，相互不干扰正常性能即可；两者若不为同一材质，可以使用工艺镶嵌或是其他工艺技术形成一体化，均在保护范围内，图5中，电磁高度调节平台与液滴操作平台在同一电路系统中。电磁铁嵌入在电磁高度调节平台上，电磁高度调节平台上设置有多个液滴控制电极。

另外，电磁高度调节模块的另一种实现方式：电磁高度调节模块包括设置在电磁高度调节平台上的电磁铁和具有磁性的顶板，电压电流转换模块的输出端与电磁铁的输入端连接，电磁铁的磁性与顶板的磁性相反，实现异性相斥以抬高顶板。

而液滴操作平台的材质包括ITO导电玻璃、PCB电路板或纸张(纸张微流控所用的纸基)。电磁铁数量及位置不受限制，但必须是电磁高度调节平台、液滴操作平台、顶板三者间不会有不良互扰，而且能使顶板悬浮保持平衡。其中，顶板可以是由ITO玻璃蚀刻并镶嵌电磁铁，ITO是一层氧化铟锡(透明导电)，顶板的ITO图案根据需要而定，顶板一般在闭合式中充当地极，参考图7a、图7b和图7c，图7a、图7b、图7c是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例液滴驱动连接示意图；液滴驱动时，顶板需要接地。

参考图5和图6，液滴操作平台或电磁高度调节平台拥有与液滴驱动模块相连的接口，当液滴操作平台和电磁高度调节平台为一体化设计时，电磁高度调节平台可以是制作成与液滴驱动模块相连的形式，采用的接口并非固定，可以是排针、FPC软排线(如图5所示)等等。当液滴操作平台和电磁高度调节平台不为一体化设计时，在液滴操作平台上设置于液滴驱动模块相连的接口，如图6的FPC软排线。

参考图5，液滴处于电磁高度调节平台上的液滴控制电极阵列上，液滴控制电极上的涂层可为任何具备疏水性的介电质层或薄膜，视具体情况而定，符合介电润湿原理的皆可适用；如AF特氟龙、Cytop、PDMS、Parafilm M。液滴控制电极的形状并无指定，无论是传统型的矩形、半月牙型或是圆锯齿型等电极形状均符合条件。液滴驱动模块根据需求对液滴进行控制，控制流程如下：参考图3，启动并行输出控制模块、可调节电源模块、并行输出模块及电压电流转换模块，在液滴控制电极上滴入液滴之后，直接加上顶板，具体参考图4；参考图7a、图7b、图7c、图8a、图8b和图8c，图8a、图8b、图8c是本实用新型一种闭合式微流控装置的一具体实施例液滴驱动示意图，液滴驱动模块在不同的液滴控制电极上施加不同的电压，如0V和40V以驱动液滴移动。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

设计图

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