基于玻璃-PDMS复合结构的微型毛细管被动阀

　　1　引言

　　微阀是微流控系统中起控制限流的重要组成器件。按阀的功能可分为单向阀和切换阀;按阀中有无活动部件可分为机械阀和非机械阀;按阀中有无致动器可分为主动阀和被动阀[1]。在微流控系统中,微阀和微泵是最基本的组成器件,长期以来,研究人员希望能研制一种低成本,死水体积小,响应速度快,耗能低的微阀[2]。最近,在微流控领域出现了一种通过改变表面亲水憎水性质来达到阻流目的的方法。通过通道结构的设计,并对Si、SiO2、玻璃和塑料表面进行改性,使微通道表面张力产生变化,起到了阀封闭的作用。相对于有活动部件的微阀而言,其结构简单,微阀的体积小,阀内通常没有死体积,加工成本低,易于与其他微流器件集成[3]。本工作提出了一种工艺简单的、制造成本低廉的微阀。利用快速制备原型技术在硅橡胶(PDMS)上制作微通道,利用微通道的限流区充当被动阀。同时还提出了一种新颖简单的憎水区制作工艺,利用这种工艺在玻璃表面制作了两种憎水薄膜。然后将玻璃和微通道贴合,形成一个封闭的器件。本文对微阀的工作原理作了理论分析,并进行了试验验证。

　　2　微型毛细管被动阀的工作原理

　　当液体从通道入口流入,液流的流速在限流区慢慢减弱,最后停在限流区的最窄处。这种现象可以用固-液-气界面系统的能量转换来解释[4]。在界面上,总的界面系统能量表示如下:

　　UT=Aslγsl+Asaγsa+Alaγla(1)

　　这里Asl,Asa,Ala是固-液,固-气和液-气的面积,γsl,γsa和γla是相对应的单位表面自由能。根据扬氏方程,表面自由能有以下的关系:

　　γsa=γsl+γlacosθc(2)

　　这里,θc是液体的平衡接触角。将方程(2)代入(1)中,得到:

　　UT=(Asl+Asa)γsa-Aslγlacosθc+Alaγla=U0-Aslγlacosθc+Alaγla(3)

　　这里,U0是常数。

　　系统总的自由能是引入液体体积的函数。液体的压力由下式给出:

　　在微毛细管阀中,因为通道的尺寸非常小,重力的影响几乎可以忽略不计,压力P主要由毛细管效应决定。当P是正值时,毛细管力将推动液体向前流动;而当P是负值时,毛细管力将阻止液体流动在矩形微通道中,液-气界面的毛细管力P可由方程(4)来推导[5]:

　　这里,γ是液体的表面张力,θb、θt、θl、θr是液体在微通道底壁、顶壁、左壁和右壁各自的静态接触角。h和w是通道的高和宽。

　　本工作设计的阀的结构如图1所示。通道的限流区2设计成楔形,限流区的最小宽度是103μm,通道的高度是98μm。对于此种结构,通道内的压力表达式可以从方程(5)推导出: