基于SU-8胶的新型被动式微型阀

微流体控制系统是 由微米尺度的通道构成的，可以完成进样、混合、分离等多功能的流动网络。微阀门在微米尺度的流动控制 中起着非常重要的作用，它的可靠性、集成度以及加工成本对整个微流体控制系统具有很大的影响口]。作为微流体控制系统的关键执行部件，微阀门是对微通道内流体流动起控制限流作用的器件，可以实现流体通道的开、关与流体流向的切换2]。被动式微阀是-种重要的微阀，它可以控制液体、气体或气液混合物沿指定的方向流动，并阻止液体、气体或气液混合物 向相反向流动，也称为止 回阀。止 回阀只在正向压力作用下才会开启，这-点类似于集成电路中的发光二极管 ]。

大多数被动式微阀集成在往复式微泵的进口或出口处作为控制流体进出的部件，止回阀的好坏对微泵的性能有很大的影响，如果其发生泄漏会降低微泵的输出效率。早些时候-些学者用双面刻蚀硅的方法制作的被动式微型阀在微流体控制系统中已得到运用，但是硅的物理性能和由其制作的微型阀不易封装，并且生物兼容性不好，使得这种被动式微型阀的性能欠佳 ，也限制了其应用范围。随着 MEMS技术的发展，聚合物微器件的出现很好地解决了这-难题。聚合物材料成本低、性能好而且具有很好的生物兼容性4]，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Parylene C、SU-8等聚合物材料已相继在微流体控制领域得到了应用 ]。但文献中报导的微阀的阀膜和支撑层-般用了不同材料，其制造时需要组装阀膜和支撑层，加大了制造的难度，且生物兼容性不好。被动式微阀都存在-些共同的问题需要进-步解决，如自吸、流速的精确控制以及可靠性等。与其他聚合物材料相比，用 SU-8胶制造的止回阀具有开启压力孝反 向泄漏孝弹性模量和弹性系数都很低及响应时间短等特点 ]。

本文完全用 SU-8作为结构材料 ，设计 了新型的被动式微型阀(止回阀)，对设计的止回阀进行了仿真、制造与测试。

2 被动式微型阀结构设计被动式微型阀的结构主要有悬臂梁型和薄膜型，2种类型的被动式微型阀各有优点7]。本文设计的微型阀借鉴了心脏瓣膜结构。人体心脏的瓣膜有两瓣膜和三瓣膜的功能，结合实际问题与可行性，初步选择了将阀膜三等分或四等分；微型阀的理论基础是悬臂梁微型阀，但又有薄膜型微型阀的特点(薄)，是两者很好的结合 。如 图 1所示 ，微型阀的结构主要 由两层 SU-8薄片组成 ：上层为微阀门的支撑层，采用 Micro-Chem公司厚胶 SU-8 2100制作；下层为阀门膜片，采用 Micro-Chem公司焙 SU-8 2015制作。选用 SU-8胶作为结构材料的-个重要考虑是多层 SU-8工艺提高了MEMS技术制造三维复杂微型结构的能力 ，同时又缩短了工艺时间8]。表 1列出了 SU-8相关的物理参数 。

图 1 微型阀的结构Fig.1 Structure of micro-valve表 1 SU-8的物理参 数Tab.1 Physical parameters of SU-8. . . 密度 拉伸强 材料/(g.m1-1)//MPa最 大延 杨 氏模 热稳定展率 / 量/GPa /℃阀门膜片分为三或四等分，圆周上留有缝隙以增加阀门膜片的可动性 ，以减歇启压力 。用铜作为牺牲层使圆周内部分与上层分离，是阀门膜片的可动部分。通过设计不同形状的支撑层与阀门膜片来组成不同的新型被动式微型阀，表 2为所设计的2种被动阀及其相应的尺寸。

在液体压力作用下，阀门膜片会发生形变，且不同液体压力作用下阀门膜片的形变量不同，即阀门膜片可动部分开启的程度不同，从而实现对流速的调节。当输送液体沿正向流过微型阀时，在液体压力作用下阀门膜片发生形变，此时微型第4期 张丛春，等：基于 SU-8胶的新型被动式微型阀式，-种是用-定压力的氮气作为气源，驱动液体流动，通过调整气压的大小来改变作用在阀门膜片上的压力；另-种使用液体静压力作为动力源，通过改变液体液面高度差的方法来调节作用在阀膜上的压力。相比较下，第二种方法较为简便，在实验室中也容易行得通 。

试验中通过改变作用在阀门膜片正、反向上的压差来决定它的开启程度，由前面 ANSYS仿真的结果可知，阀门膜片开启的大小，在弹性范围内与作用在阀膜上的正反向压力差正相关。本实验采用第二种方法测试微型阀的过流特性，测试原理如图 6所示。由于阀膜层很薄，容易损坏，为了测试组装时不损坏微型阀，测试时在微型阀两侧用密封胶粘-层保护结构，然后在微型阀的两侧用密封胶固定进出 口的导管。

、 、 - - - - / ， - - - - - ～ ～ - - - - ， - Ⅳ ，--、 、 /I图 6 微型阀的组装和测试Fig.6 Assembly and test of micro-valve试验中采用去离子水作为液体介质，容器上方与大气相通，微型阀出口处也与大气联通，改变容器中液面与阀门膜片的高度差 H 就可以改变作用在其上的压力，液面高度差 H保持-定时间S，因为流人小烧杯中的液体即为流过微型阀的流量，用精密天平称量烧杯中液体的质量即可换算出体液在-定压力下流过微型阀的流速。改变液面高度差 H，进而得到在不同压力下液体流过微型阀的流速。