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、集成化和便攜億等特點(diǎn)。由于微流體技術(shù)的大斷

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)用于聚合前鏈?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，有源微閥的種類口益增多。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-凝膠和石蟒微閥。

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J'一種由壓電驅(qū)均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/min0

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)980

mL/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20niL/min。E.H.Yang等人研發(fā)了一種應(yīng)用

于微匕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2068.5

kPa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3mWo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/mino

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?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。

扎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.Eu等人利用直徑為3mni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)30

Hz,開關(guān)時間為10mso當(dāng)電流為200mA,壓力為50kPa時,微閥被關(guān)閉,泄流速度為0.5

L/mino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300口叫轉(zhuǎn)子壓縮力為

3N,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)力為0.8No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

0.1So

1.4微閥類型設(shè)計

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、鈿錫氧化物

(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70um時，

使薄膜形變達(dá)到40Um所需的功率為25mW;膜厚為170Um時，所需功率為200mW,關(guān)閉

和開啟時間分別是20s和25soC.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)生偏移并將詞關(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30礎(chǔ)。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8um和5um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/.nin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二定

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

可使存在的戲余變形消久并恢復(fù)到高溫下的形狀。

M.E.Piccini等人利用直徑為75nm的銀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)對微詞的開關(guān)控制。當(dāng)脈沖功率為213洲時，它的反應(yīng)時間為2.5s,

平均流速為28.4yL/mirio該閥的爆破壓力為68.9kPa,當(dāng)壓力為20.7kPa時，流速約

為33口1,/而3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0.8匹

關(guān)閉時間為2.6So

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)?/p>

反應(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二就

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等人研制了甚于

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300Um和1500

Um時，開啟時間分別為5s和12s。

1.5.3加熱和冷卻

S.Y.Dae等人利用纖維素甲醛的可逆溶膠-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23Ko止匕外，要使該閥能

穩(wěn)定工作,流速應(yīng)該大于5uL/mino當(dāng)使用風(fēng)扇冷卻時，最初的加熱和冷卻速度分別為

5.7曠5和5.8K/so當(dāng)壓力為2.07X104Pa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25um厚的聚酰亞

胺薄膜，薄膜在上下兩個方向的最大偏移均為120um。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250uL/s,閥關(guān)閉時,泄流速率低于0.001uL/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46um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

微閥由丁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?

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100um,它們正交形成面積為100MmXlOOum振動薄膜。當(dāng)氣道中的氣為壓

力為60kPa時，在幾亳秒內(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)均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，以硅和銀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，閥瓣由鍥

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?2

扎Hu等人利用SOI硅片研制了硅薄膜厚度為9011m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35.6磯/min,當(dāng)反向壓力為

600kPa時，泄漏速率為0.01UL/mino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兒何形狀特性，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)離子刻燭使

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500口m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50um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PDMSoPDMS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

性使用的芯月"而且容易集成到L0C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