微阀介绍
微阀是最重要的微流控元件之一。除了泵和流量传感器之外，有源微阀是控制微流体系统中流体流量的关键部件。尤其是在各种化学、分析和生物检测中，微阀被认为是进行片上流动操作的重要组件。
如今，由于微尺度的新发展，微流体系统的各个行业不断迫使阀门设计发展和改革。
芯片上高密度集成微阀所需的更小的器件尺寸、更高的压力、高可靠性、制造成本、生物相容性、响应速度，以及最重要的微技术，这些因素都在促进微尺度阀门设计的发展。根据结构，微阀可分为有源微阀和无源微阀两种。
有源微阀需要用驱动装置来控制微流体，而无源微阀一般可以通过背压来控制微流体。
在传统设计中，有源微阀是一种含压机械装置，用于关闭或以其他方式改变通过它的流体的流量。阀门的工作状态由关闭元件（阀座）决定，阀座由执行器驱动。
阀门是一种非常简单的装置，它只有一个容纳流体及其压力的阀体、一个操纵流体的阀座和一个控制阀座位置的执行器。
有源微阀分类的方法很多。根据其初始工作状态，可将微阀分为三种类型：常开、常闭和双稳态。双稳态微阀可以主动打开和关闭阀座；没有定义关闭状态。
阀门控制流量的方式与电子晶体管类似：模拟和数字。在模拟或比例模式下，入口压力恒定时，阀门执行器会改变阀座与阀门开口之间的间隙，以改变流体阻力，从而改变流量。
在数字模式下，只有两种阀门状态：全开和全闭。不过，数字有源微阀可以在脉宽调制（PWM）模式下驱动，或作为数字加权阀阵列进行比例流量控制。
在 PWM 模式下，可以控制开启时间，因此净流量与开启时间成正比。在阵列中，许多数字阀用于控制流量。如果每个阀门的流量相等，则净流量与打开阀门的数量成正比。
用二进制系统对每个阀门的流量进行加权可能是一个更好的控制方法。这样，阵列就可以代表一个流体数字/模拟转换器。
有源微阀按其驱动原理分类为：
| 气动微阀 | 热气动微阀 | 热机械微阀 | 压电微阀 |
| 静电微阀 | 电磁微阀 | 电化学和化学微阀 | 毛细管力微型阀门 |
微型阀门的主要参数是泄漏量、阀门容量、功耗、关闭力（压力范围）、温度范围、响应时间、可靠性、生物兼容性和化学兼容性。理想的有源微阀在关闭位置的泄漏量应为零。
阀门容量表示阀门可处理的最大流量。
功耗是阀门在工作、耗电状态下的总输入功率。根据不同的执行原理，功耗可能相差几个数量级，从非常小（电化学）到非常大（热气动）不等。
关闭力取决于执行机构产生的压力。
阀门的温度范围在很大程度上取决于其材料和执行理念。气动阀通常用于高温应用，因为温度范围仅取决于其材料。阀门的响应时间实际上就是所用执行机构的响应时间。
执行器和工作条件决定了微型阀门的可靠性。在微型阀门中，运行故障通常是由微粒污染而不是执行机构的可靠性造成的。
微阀的应用
随着微流控技术的飞速发展，微阀也越来越受关注。为了提高微阀的性能，人们提出了大量新结构和新材料应用在微阀中。
新的工作机理大大降低了微阀的制造成本、泄漏率、功率损耗和无用区大小，提高了响应速度和生物相容性。
微阀的应用正从最初的实验室生化分析迅速扩展到许多其他领域。越来越多的微阀被应用于人体，如大脑、眼睛和血管，以治疗疾病。
生物医学：微阀可用于控制微小体积的液体混合和流动，从而实现高通量的生物实验。
化学分析：微阀可用于微型液相色谱仪、毛细管电泳仪等化学分析仪器中，用于样品分离和混合。
生物制造：在生物制造过程中，微阀可用于控制细胞培养液、培养基和营养物质的流动，以实现精确的细胞培养和生产。
药物输送：微阀可用于药物输送系统中，控制药物的释放速率和剂量，例如，通过可穿戴设备或植入式医疗器械向患者输送药物。
实验室自动化：微阀可用于实验室自动化系统中，控制液体样品和试剂的移动和分配，提高实验效率和减少人工操作。
微阀的发展及展望
虽然近年来微阀的性能有所提高，但仍存在许多缺点，包括能耗高、成本高、结构复杂以及整个微流控系统的泄漏等。由于微阀需要采用微机械系统制造技术，其制造成本通常较高，这可能限制了其在某些领域的广泛应用。
传统的机械驱动微阀由于结构复杂、部件多，无法与微流控系统完全集成，因此存在泄漏问题。有源微阀采用外部驱动装置，功耗和便携性仍然是个大问题。
外部驱动器件的散热问题也会影响微阀的性能和精度。目前的微阀往往只能满足某一特定要求，无法同时满足多种要求。若能在以下几个方面取得进展，对微阀的性能应当有较大提升，同时也促进了微流控技术的发展：
- 研发新型材料：使用轻质材料可以减轻微型阀的重量，提高其便携性。目前的趋势是从金属材料到聚合物材料的转变。PDMS与纳米材料的出现可能是一个新的发展机遇。
- 集成加工：微加工技术的发展有利于微阀集成加工技术的发展，如激光蚀刻、快速成型等，3D 打印技术可能也是制造微型阀门的好选择。集成加工技术的发展对微阀的泄露问题影响很大。
- 提升控制性能：控制流体流动是微阀最重要的功能之一，因此应通过优化执行机制来提高微阀的控制性能。
- 研究流动特性：将数值模拟方法与实验相结合，研究微阀的内部流动机理，有利于微阀的制造，降低成本，提高效率。外部因素与内部因素同样重要，双管齐下不失为一个新思路。
关于我们
顶旭（苏州）微控技术有限公司是一家专注于微流控领域的高科技企业，我们致力于为客户提供微流控芯片定制、表面修饰改性、微流控芯片加工设备、以及微流控仪器等全面的微流控解决方案。公司团队拥有丰富的经验和技术积累，持续将专业知识与创新思维相结合，为客户提供高品质的解决方案。我们将始终坚持以客户为中心，不断挑战自我，不断追求卓越，通过专业、创新和合作，为客户创造更大的价值，共同开创微流控领域的美好未来。
ZH_CN 
EN