CN102812276A - 微阀 - Google Patents

Abstract

一种微阀组件(10)包括具有相对的第一主表面和第二主表面的细长阀体(14)，第一主表面限定阀凹部(34)且第二主表面限定第一流体端口(20)和第二流体端口(22)。流体输入端口和流体输出端口两者均延伸成与阀凹部流体连通。衬垫(12)自由地定位在阀凹部内，以便延伸成与流体端口中的任一者或两者在上对准。阀盖(16)结合到阀体上并且包括定位成与阀凹部在上对准以便将衬垫封闭在其中的第一平坦表面。阀盖可偏离到阀凹部中以便使衬垫密封流体端口中的至少一个。

Description

微阀

技术领域

本发明涉及微流控领域。更具体而言，本发明针对一种微流控阀。

背景技术

存在许多不同的隔膜阀。传统的微流控隔膜阀或者使用具有很平滑的微加工表面的硬-硬密封，或者在两个硬层之间合并完整的附加软材料层。在所有情形中，在实际情况下的良好阀密封依赖于与软材料接触的硬材料，或与软材料接触的软材料。微流控装置由用于高产量制造的聚合物制造，利用可注射模塑的材料，并提供高集成度的优点。以此方式制造的微流控装置产生的一个挑战是装置由最终结合在一起的多个层构成。材料的选择受最终的预期应用和可获得的制造技术两者限制。要考虑的因素的实例是应用操作助剂(process chemicals)和温度，以及诸如模塑和结合之类的制造工艺。同时满足隔膜阀与预期作为单片式最终装置的一部分的所有其它构件的材料要求而不与难以接合的不同材料合作可能产生具有压靠在硬基底上的硬隔膜的阀。

Jerman的工作(“Electrically-activated, normally-closed diaphragm valves”, J. Micromachining and Micrengineering, V4, 1994 pp210-216)描述了一种硅上硅微加工阀。平滑表面产生5000:1的泄漏率(通：断流率)。

Bruns的工作(Silicon Micromachining and High-speed gas chromatography, Proceedings of the 1992 International Conference on Industrial Electronics, Control, Instrumentation and Automation, 1992, V3, pp1640-1644)描述了一种捕集在玻璃隔膜与硅阀体之间的聚合物隔膜，以利用硬-软阀密封取代硬-硬阀密封。

Chen等人的最近工作(Floating-Disk Parylene Microvalves for Self-Pressure-Regulating Flow Controls, Journal Of Microelectromechanical Systems, Vol. 17, No. 6, December 2008)描述了一种由浮置聚对二甲苯盘片组成的硅和聚对二甲苯阀结构。该论文中的工作意图生产具有由浮置聚对二甲苯盘片的运动产生的自调节行为的被动阀。

发明内容

因此存在对具有简单设计的微阀的需要，该微阀提供制造的容易性和令人满意的性能。更具体而言，因此，存在对一种通过将类似材料结合在一起用于制造微阀同时引入用于阀密封的软层而形成的微阀的需要。

附图说明

图1示出了当前发明的微阀。

图2示出了通过线2-2截取的图1的微阀的截面图。

图3示出了本发明的微阀的分解图。

图4示出了通过外部致动器的作用而处于关闭位置的图2的微阀的截面图，该外部致动器使阀盖偏离，以便将浮置衬垫顶压(pin)成对阀输出端口密封接合。

具体实施方式

本发明描述了软材料盘片到原本由硬-硬材料组成的阀内的组装。如果不将附加软材料引入硬-硬系统中，则难以在不施加危及阀的可靠性的极高的力的前提下形成良好的阀密封。

装配浮置盘片的一种可选方式是将盘片结合到阀隔膜上。结合隔膜的复杂性在于用于结合的粘合剂或能够不使用粘合剂接合的材料的选择必须与应用过程相适应。关于隔膜阀的早期工作表明，结合到190 μm厚的COC薄膜上的20 μm厚的软聚丙烯(PP)层对PEEK阀体产生良好的密封。该构型能够利用施加到直径为约1 mm且宽40-100 μm的阀座的小于20牛顿的力密封高达6巴表压力的气体或水。遗憾的是，结合到COC薄膜上的PP层阻碍了在不使用粘合剂的情况下使COC薄膜结合到COC阀体上。此外，在除阀座外的所有区域或可选地在整个阀中从COC薄膜移除PP使边缘上的COC-PP结合粘合剂暴露于被引导通过阀的流体，从而引起对粘合剂的潜在化学侵蚀。对由未结合PP层的COC薄膜形成等效阀的尝试表明，COC隔膜可以在不使用粘合剂的情况下成功地结合到COC阀体上，然而产生的阀始终存在泄漏问题。

另一个选择是使用2K(两种化合物)模塑来制造阀体，其中阀座由软材料生产。虽然满足良好阀座的标准，但该途径更昂贵并且再次在材料的选择上受约束。

本发明描述了一种用于设计和生产由层组成的结构的解决方案，所述层能够结合在一起，并且可由硬-硬的材料组合组成，同时仍满足用于阀密封的硬-软材料组合的条件。这种阀设计的自由引起许多技术和商业上的优点。在技术上，它独立地并以无需担心满足对于良好阀密封的硬-软要求的方式提供了在为整个装置选择合适材料的新自由度，诸如热性能或化学稳定性。在商业上，这种自由度允许从类似或甚至相同的材料的层生产该装置，从而减小了制造的复杂性和成本。它还允许针对不同应用由不同种类的材料生产相同的设计，而不需要冗长的解决方案来完全重新设计阀。

本发明通过在将阀隔膜结合到阀体上之前将软衬垫材料的薄盘片插入阀体与阀隔膜或阀盖之间而工作。薄盘片可以由诸如特氟纶之类的材料构成。在5 μm至1 mm的范围内的厚度是可能的，因为薄盘片未结合到阀隔膜上，并且因此它不会影响阀隔膜的力偏离性能。

参照图1-4，本发明提供了微阀10。微阀10包括在隔膜16结合到阀体14上之前装配在阀体或基底14与可变形的隔膜或盖16之间的软浮置衬垫12。为了说明而非限制的目的，阀体14和阀盖16可由COC(环烯烃共聚物)形成。浮置衬垫12由诸如Teflon®的软材料制成，这种软材料消除了当阀处于“关闭”构型时的硬-硬表面并且放松了对制造材料的选择的约束。阀体14和盖16在二者之间限定了阀凹部18，衬垫12定位在该阀凹部18中。此外，阀体14限定了第一流体端口20和第二流体端口22，端口20和22两者均与阀凹部18流体连通。阀体14限定了入口孔24和延伸成使在第一端口20与入口孔24之间的开通流体连通的细长入口通路26。阀体14还限定了出口孔28和延伸成使在第二端口22与出口孔28之间的开通流体连通的细长出口通路30。因此，阀10可以在孔24和28处连接到两个流体隔离的流体管道(或通道)，以调节经过其中的流。

阀体14理想地包括限定凹部孔34的平坦主表面32，盖16跨越该凹部孔34，以便限定阀体14与盖16之间的阀凹部18。阀体14理想地包括从主表面32凹进并在共轴的柱形表面38与40之间延伸的环状边沿36。衬垫12理想地具有圆形盘片的形状，该圆形盘片至少部分地与环状边沿36同延，以使得衬垫12的周边被限制在盖16与环状边沿36之间。本发明还设想衬垫12定尺寸为跨越过阀凹部18，以使得衬垫12还沿边沿36的宽度的至少一半或更多延伸(也就是说，衬垫12的周缘理想地在表面38与40之间延伸一半或更多)。此外，本发明设想衬垫12定尺寸并成形为基本上跨越过凹部孔34，以便与边沿36基本上同延。

阀体14还包括与盖16相对地面对的基本上平坦的环状底面42。底面42限定第一端口20。阀体14还包括限定第二端口22并协助使薄片衬垫就位的阀座44。阀座44比底面42更进一步地延伸到阀凹部18中(即，更接近盖16)。阀座44包括直接围绕第二端口22的第一部分46和朝底面42倾斜成未对第二端口22的纵向轴线横向定向的第二部分48。阀端口22理想地与阀凹部18共轴地对齐，以便居中地位于盖16的下方，因此，当阀10处于“关闭”定向时，盖16偏离最大的部分将使衬垫12压靠在阀座44上并因此流控地隔离流体端口22。

图2中的箭头A和B示出了阀盖16和衬垫12朝向和远离衬垫12与第二流体端口22密封对准(registry)的位置的偏离。当衬垫处于未偏离的位置时，第一流体端口20与第二流体端口22流体连通，从而允许在其间经过阀10的流体流。当衬垫12处于偏离位置时，衬垫使第二流体端口22对第一流体端口20密封并防止在其间经过阀10的流。用于阀盖16的材料的选择和尺寸可以由阀10的尺寸决定。根据本发明，所使用的材料将允许衬垫12偏离。

如图所示，衬垫12位于凹部18中。衬垫12可以浮置，然而，本发明理想地提供在边沿36与盖16之间松弛地顶压到位的衬垫12，因为1)其跨越阀凹部，并且2)其在其周边由COC隔膜16压靠阀体的环状架。由于这些原因，衬垫12提供了如下优点：附接到阀隔膜16上，精确地定位在阀座44上，不会将显著的附加死区容积引入凹部18中，并且不会影响阀隔膜16的弹性变形行为。

此外，环状阀座44理想地形成为向上延伸到第二流体端口22的倾斜表面。该倾斜表面从邻近第二流体端口22开口的第一流体端口20上升。流体端口20和22理想地均与衬垫12相对地面对，然而，本发明设想第一流体端口20可位于当衬垫12未偏离(即，与阀座44间隔开)时将与第二流体端口流体连通的任何位置。

如图4所示，阀10可由将隔膜16压向阀座44并将衬垫12压靠在阀座44上的机械柱塞50操作。可选地，阀盖16可以偏离，以通过对与阀凹部18相对的隔膜16直接施加压力而将衬垫12压到阀座44上。本发明设想能够通过被压靠在阀盖16的顶部上的歧管来施加直接的压力，其中单独的歧管腔室对需要独立地控制的关联的微阀10施加压力。阀隔膜16的外部致动允许更简单和成本更低的阀，甚至允许一次性的阀。

虽然已示出和描述了本发明的特定实施例，但对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以作出变更和修改而不脱离当前发明的示教。在前面的描述和附图中陈述的内容仅通过说明而非限制的方式提供。本发明的实际范围预期在所附权利要求中在基于现有技术以它们的适当观点考虑时限定。

Claims (16)

1.一种微阀组件，包括：

阀体，所述阀体包括具有相对的第一主表面和第二主表面的细长阀体，所述第一主表面限定阀凹部并且所述第二主表面限定第一流体端口和第二流体端口，所述第一流体端口和所述第二流体端口均与所述阀凹部流体连通；

衬垫，所述衬垫自由地定位在所述阀凹部内，以便延伸成与所述第一流体端口和所述第二流体端口中的至少一个在上对准；

结合到所述阀体上的阀盖，所述阀盖包括第一平坦表面并且定位成与所述阀凹部在上对准，以便将所述衬垫封闭在其中，所述阀盖可偏离到所述阀凹部内以便使所述衬垫密封所述第一流体端口和所述第二流体端口中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述阀体和所述阀盖由相同的材料形成。

3.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述阀体粘附地结合到所述阀盖上。

4.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述浮置衬垫由特氟纶制成。

5.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述阀体由COC形成。

6.根据权利要求5所述的微阀组件，其特征在于，所述阀盖由COC形成。

7.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述浮置衬垫基本上完全跨越所述阀凹部延伸。

8.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述第二流体端口与所述阀凹部共轴地对齐。

9.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述第一流体端口和所述第二流体端口在与所述浮置衬垫在下对准时打开。

10.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述浮置衬垫具有在5微米至1毫米范围内的厚度。

11.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述阀体包括环状边沿，所述环状边沿与所述阀盖的所述第一主表面间隔开并与所述第一主表面相对地面对。

12.根据权利要求11所述的微阀组件，其特征在于，所述衬垫被夹持在所述环状边沿与所述盖之间。

13.根据权利要求12所述的微阀组件，其特征在于，所述衬垫跨越过所述环状边沿的大约中间位置。

14.根据权利要求12所述的微阀组件，其特征在于，所述衬垫基本上跨越过所述环状边沿。

15.根据权利要求1所述的微阀组件，其特征在于，所述阀体还包括由围绕所述第二流体端口的环状表面形成的阀座。

16.根据权利要求15所述的微阀组件，其特征在于，所述阀座还包括从所述第一流体端口延伸到所述第二流体端口的倾斜表面，所述倾斜表面未对所述第二流体端口的纵向轴线横向定向。

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