專利名稱：微流體膜片泵和閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式總體上屬于微流體(microfluidics)領(lǐng)域。更具 體地講，本發(fā)明的實施方式屬于微流體隔膜結(jié)構(gòu)，以及使用和制造這 種結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
有關(guān)用于操控微小體積流體、例如生物和化學(xué)流體的系統(tǒng)和方法 的技術(shù)在廣義上被稱作微流體。微流體的已經(jīng)實現(xiàn)的應(yīng)用和潛在應(yīng)用 包括疾病診斷，生命科學(xué)研究，以及生物和/或化學(xué)傳感器研制。微流體結(jié)構(gòu)(microfmidic structure)包括基板，其具有一或多個 微流體通道或路徑，以及蓋板或第二或更多的基板，其具有可以互連 也可以不互連的流體路徑，這種微流體結(jié)構(gòu)可以統(tǒng)稱作微流體芯片 (microfiuidic chip)。高度集成的微流體芯片有時稱作"芯片實驗室 (Lab-on-a-chip)"。具有由玻璃、石英或硅制成的基板的無機微流體 芯片具有有益的有機溶劑相容性，高度的熱和尺寸穩(wěn)定性，以及優(yōu)異 的特征精度。這些芯片典型地利用為了半導(dǎo)體工業(yè)的研制而己經(jīng)良好 建立的微制造技術(shù)制造。然而，無機芯片的材料和制造成本可能不可 避免地高，特別是當(dāng)流體路徑要求很大面積或者芯片必須是一次性的 時。此外，許多己建立的生物化驗設(shè)備是利用聚合基板的表面性能研 制的。在無機表面上構(gòu)建這樣的化驗設(shè)備所需的研究工作要耗費很長 的時間和資金投入。作為無機微流體結(jié)構(gòu)(例如前面剛剛描述的那些)的替代，微流體結(jié)構(gòu)或裝置也可以由聚合材料制成。聚合微流體結(jié)構(gòu)有益地具有低 材料成本和批量生產(chǎn)的潛力。
在這一點上，科學(xué)家和工程師們越來越多地關(guān)注低價和完全集成 的微流體系統(tǒng)的前景。然而，仍存在障礙。為了使這些系統(tǒng)實用且有 效，它們必須提供實施化驗和其它感興趣的操作所需的部件和結(jié)構(gòu)。 這些部件包括泵、閥和通道，以及更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如混合裝置和 傳感器。盡管用于制造微流體裝置的材料成本越來越低，但除非這些 部件的制造成本也被降低，否則這些裝置的實際成本不能降低到適于 批量使用的足夠低成本。
然而，制造聚合微流體芯片還面臨著各種挑戰(zhàn)，并且與這些挑戰(zhàn) 并存的還有低產(chǎn)量和高成本。舉例來說，微流體芯片可能包含密封的 微結(jié)構(gòu)。它們可以通過用薄蓋板或用一或多個附加基板封罩具有預(yù)制
流體路徑或其它微觀特征(microfeatures)的基板而形成，以產(chǎn)生三維 流體網(wǎng)絡(luò)。路徑或其它微結(jié)構(gòu)的典型尺寸在幾微米至幾毫米的范圍內(nèi)。 這種多層微流體結(jié)構(gòu)通過各種傳統(tǒng)技術(shù)被集成或結(jié)合在一起。這些技 術(shù)包括熱力、超聲波和溶劑粘合。遺憾的是，這些技術(shù)通常會顯著改 變配合表面并且產(chǎn)生扭曲或完全阻塞的微流體路徑，舉例來說，這是 因為聚合材料在上述粘合條件下的尺寸剛度(維持能力)低。 一旦裝 置被組裝，通道中的任何阻塞或障礙都難以或不可能排除。其結(jié)果是， 裝置被廢棄并且生產(chǎn)率低。
即使廢品率可被接受，制造過程也通常是高成本的，這是由于每 個裝置必須為每個應(yīng)用獨立設(shè)計。此外，每個部件，不論是閥、泵， 還是混合器，都典型地為每個應(yīng)用專門設(shè)計。為了避免設(shè)計這些主動 特征(active features),許多微流體系統(tǒng)使用外部注射器、隔膜或蠕動 泵以引導(dǎo)流體流經(jīng)在微流體網(wǎng)絡(luò)中流動。這些系統(tǒng)的體積通常遠大于 它們連接的微流體系統(tǒng)，從而引起流動控制解析度和精度的問題。在 閥的情況下，它們通常遠大于它們所控制的系統(tǒng)的占用體積(量級為 10倍或以上)。這會引起分離、混合和其它微流體功能方面的極大難 度。 一些公司，如Upchurch Scientific (美國華盛頓州Oak Harbor)， 已經(jīng)投入了相當(dāng)大的資源來研制部件，以減輕這種體積不一致性所造成的影響。然而，仍需要有具有微泵、閥以及具有相當(dāng)尺寸級別并且
與微流體系統(tǒng)其余部分無縫集成的主動部件(active components)。
許多這樣的主動微流體部件已被研制出來。然而，它們很少能滿 足集成到復(fù)合微流體系統(tǒng)中所要求的條件。大多數(shù)需要非常復(fù)雜的制 造順序；制造主動部件是一種靈敏度高且錯綜復(fù)雜的過程，僅留下非 常小窗口來集成微流體系統(tǒng)的其余部分。其中一個問題就是沒有有效 的方式將精致的泵或閥連接或組合到微流體系統(tǒng)中。通常對于一次性 裝置而言，基板和工藝不可避免地昂貴。最后，制造泵所需的材料可 能干涉或不相容于微流體系統(tǒng)預(yù)期執(zhí)行的過程。這會導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)中 存在顯著的不可逆的工程成本，并且增加產(chǎn)品成本。
考慮到前述問題，本發(fā)明人意識到需要有簡單、可重復(fù)和高產(chǎn)出 量的方法來封罩聚合微結(jié)構(gòu)，以及形成這些結(jié)構(gòu)的部件，特別是閥和 泵系統(tǒng)，該方法應(yīng)容易實現(xiàn)制造集成化。因此，本領(lǐng)域中需要有這樣 的微流體結(jié)構(gòu)和制造方法，其能夠克服現(xiàn)有技術(shù)水平中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的缺 點，并且能夠提供本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其它優(yōu)點和益處。

發(fā)明內(nèi)容
這里描述的系統(tǒng)和方法包括微流體(microfluidic)結(jié)構(gòu)，其具有 實質(zhì)上剛性的隔膜，所述隔膜可在隔膜支靠于基板的表面上的松弛狀 態(tài)和隔膜由基板移開的致動狀態(tài)之間致動。如本說明書中所描述，形 成有這種隔膜的微流體結(jié)構(gòu)提供了容易制造且耐用的系統(tǒng)，以及容易 制造諸如閥和泵等部件。
在一個特定實施方式中，在聚合微流體結(jié)構(gòu)中，實質(zhì)上剛性的塑 料膜片通過用作粘合劑的弱有機溶劑被固定粘合或?qū)雍现粱酒矫娴?剛性塑料基板。在一個特定方面，基板包括微觀特征(microfeatures)， 裝置包括在可變形膜片和基本平面基板表面之間由粘合區(qū)域圍繞和限 定的非粘合部分，以產(chǎn)生闊結(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，第二基板結(jié)合 于膜片的上表面上并且包括室，所述室可以用于施加氣動壓力至膜片。 根據(jù)本發(fā)明所使用的方法，氣動壓力或力通過所述室施加以使膜片變 形，因此致動閥。在一些實施方式中，泵包括通過微通道互連的多個閥結(jié)構(gòu)。閥、泵和微流體貯存器可以與微通道互連，以形成循環(huán)器、 混合器或與微流體處理和分析功能性相關(guān)的其它結(jié)構(gòu)。
特別地，這里描述的系統(tǒng)和方法包括微流體裝置(器件)，包括第 一剛性塑料基板，其具有上下表面，以及
實質(zhì)上剛性的塑料膜片，其與第一基板的上表面接觸并結(jié)合，并 且具有松弛狀態(tài)，其中塑料膜片實質(zhì)上抵靠著第一基板的上表面，和 致動狀態(tài)，其中膜片移動離開第一基板的上表面。第一剛性塑料基板 可以具有形成于基板中的微觀特征，并且實質(zhì)上剛性的塑料膜片通常 布置在至少一個微觀特征上面。實質(zhì)上剛性的塑料膜片的楊氏模量可
以在大約2 GPa和大約4 GPa之間，并且其厚度或?qū)挾缺贿x擇為允許 通過施加適宜的機械力而變形。膜片的厚度可以為大約10 pm和大約 150pm之間，更具體而言，在大約15 pm和大約75 pm之間。
使膜片做出響應(yīng)的機械壓力可以是正壓，其被施加以將膜片朝向 基板變形，并且可以小于大約50psi，例如可以在大約3psi和大約25 psi之間。作為替代，可選地作為附加，機械壓力可以是負(fù)壓，所述負(fù) 壓被施加，以使膜片變形離開基板，并且其量值小于大約14 psi，例 如其量值可以在大約3psi和大約14psi之間。
典型地，膜片和第一基板由實質(zhì)上相同的材料制成，并且典型地， 膜片和第一基板中的至少一個為熱塑性材料或線性聚合材料，并且可 以由聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和丙烯酸類材料之一制 成。
實質(zhì)上剛性的塑料膜片典型地具有非粘合區(qū)域，其未連接于第一 基板。通常，膜片的非粘合區(qū)域至少部分地覆蓋第一通道以及非相交 于第一通道的第二通道，這兩個通道布置于第一基板中。在松弛狀態(tài)， 膜片在第一和第二通道之間形成密封?？蛇x地，膜片的非粘合區(qū)域至 少部分地覆蓋形成于第一基板中的閥座，所述閥座不相連于第一和第 二通道，并且實質(zhì)上位于第一和第二通道之間。閥座可以包括脊，其 實質(zhì)上垂直于第一和第二通道的縱向軸線。此外，膜片的非粘合區(qū)域 可以至少部分地覆蓋第一通道，并且非相交于第一通道的第二通道。 這兩個通道可以布置于第一基板中，并且在致動狀態(tài)，膜片與第一基板的上表面分開，以提供適合于使流體在第一和第二通道之間流動的 空腔?？蛇x地，也可以設(shè)有通孔，其從第一基板的上表面延伸至第一 基板的下表面。非粘合區(qū)域可以具有任何適宜的幾何形狀，當(dāng)然所述 幾何形狀的選擇要取決于預(yù)期的應(yīng)用場合。在某些實施方式中，非粘 合區(qū)域可以是圓形的，實質(zhì)上橢圓形的，帶有圓角的實質(zhì)上矩形的， 或適合于應(yīng)用場合的任何幾何形狀。
在某些實施方式中，裝置包括第二剛性塑料基板，其與膜片的上 表面接觸并結(jié)合，并且可選地，第一基板、第二基板和膜片由實質(zhì)上 相同的材料制成，例如聚苯乙烯。第二基板可以包括室，其實質(zhì)上設(shè) 置在膜片的非粘合區(qū)域上方，并且其尺寸被設(shè)置為使得膜片的非粘合 區(qū)域可以移動離開第一基板的上表面，并且保持實質(zhì)上由所述室套裝。
裝置可以具有泵，其包括一對或一組不相連的非粘合區(qū)域，每個 非粘合區(qū)域形成可獨立致動的闊結(jié)構(gòu)，所述法結(jié)構(gòu)典型地通過微通道 或一些類型的流體通道串聯(lián)連接。微通道可以具有各不相同的流體流 動阻力，并且為此可以具有不同的尺寸、幾何形狀和約束。進一步可 選地，裝置可以包括特征，例如通道，其幾何形狀有利于流體沿一個 特定流動方向流動。
在一種實施方式中，多個泵可以具有共用閥結(jié)構(gòu)，特別地，泵可 以具有共用閥結(jié)構(gòu)，其包括布置在三個或更多微通道上方的膜片，以 提供與所述共用閥相連的多個流體端口。可以設(shè)置貯存器，其能夠存 儲流體材料，流體材料可以是液體，氣體，實質(zhì)上溶解于流體材料 的固體，漿料材料，乳劑材料，或其中懸浮有顆粒的流體材料。貯存 器可以實質(zhì)上豎直并且可以與液體抽取裝置連接，所述液體抽取裝置 用于在或靠近限定的豎直位置從貯存器中抽取液體。貯存器也可以被 布置成實質(zhì)上豎直，并且包含流體和顆粒。泵可以連接至貯存器，以 使流體以下述方式循環(huán)通過裝置，即防止顆粒聚集在貯存器的頂部或 底部。貯存器可以連接在第一和第二可獨立致動的閥結(jié)構(gòu)之間，多個 貯存器可以通過泵互連。泵可以包括或連接到共用閥結(jié)構(gòu)，允許泵由 所述多個貯存器傳送流體。
在進一步實施方式中，裝置可以具有泵，泵具有一個非粘合區(qū)域，形成可從外部致動的隔膜結(jié)構(gòu)，所述非粘合區(qū)域通過微通道與兩個非粘合區(qū)域互連，以形成可被流經(jīng)泵的流體致動的被動閥(passive valve) 結(jié)構(gòu)。在另一實施方式中，泵可以具有多個不相連的非粘合區(qū)域，每 個非粘合區(qū)域形成可獨立致動的隔膜結(jié)構(gòu)，每個隔膜結(jié)構(gòu)部分地重疊 至少一個其它隔膜結(jié)構(gòu)。可選地，裝置可以包括止動機構(gòu)，例如機械止擋，其布置在膜片 上方，并且其尺寸、形狀和位置被設(shè)置成可防止膜片從第一基板移動 超出一定距離。在另一方面，這里描述的系統(tǒng)和方法可以理解為微流體裝置，包 括第一聚苯乙烯基板，其具有上下表面以及形成在其中的微觀特征， 和聚苯乙烯膜片，其通過溶劑粘合于第一基板的上表面，并且具有松 弛狀態(tài)，其中聚苯乙烯膜片實質(zhì)上抵靠著第一基板的上表面，和致動 狀態(tài)，其中聚苯乙烯膜片移動離開第一基板的上表面。裝置可以連接至控制器，其能夠順序致動閥以操作形成在基板上 的泵。這樣可以允許在裝置中混合材料。舉例來說，控制器可以操作 貯存器泵室和兩個其它泵室，由此材料可以被抽入貯存器泵室，然后 被部分地抽入兩個泵室中相應(yīng)的一個，并且部分地抽入兩個泵室之一 中的材料可以隨后返回到貯存器泵室。所述材料可以包括任何適宜材 料，并且在一些實踐和應(yīng)用場合，包括生物材料，例如酶、蛋白質(zhì)、 示蹤劑、RNA、 DNA或其它生物材料的水溶液。本發(fā)明實施方式的前述以及其它目的、特征和益處可以更清楚地 展現(xiàn)在下面對附圖所示優(yōu)選實施方式的詳細描述中。


圖1A示出了微流體結(jié)構(gòu)，其包括結(jié)合于剛性塑料基板的實質(zhì)上 剛性的膜片。膜片處在松弛狀態(tài)。圖1B-1C顯示了圖1A中的裝置的其它視圖。圖2A示出了微流體結(jié)構(gòu)，其包括結(jié)合于剛性塑料基板的實質(zhì)上 剛性的塑料膜片。膜片處在致動狀態(tài)。圖2B-2C顯示了圖2A中的裝置的其它視圖。圖3A和3C示出了微流體閥的兩個視圖，包括實質(zhì)上剛性的塑料膜片和具有微觀特征的剛性塑料基板。圖3B顯示了圖3A中的裝置，其中膜片處在致動狀態(tài)。 圖4A和4C顯示了三維閥，其中基板包括閥座和通孔。 圖4B顯示了圖4A中的裝置，其中膜片處在致動狀態(tài)。 圖5顯示了微流體閥，其包括具有內(nèi)置室的第二基板，內(nèi)置室可 以用于施加壓力至膜片以便致動闊。圖6A-6B顯示了包括三個微流體閥結(jié)構(gòu)的微流體泵。圖7A-7F示出了一種方式，其中圖6中的泵可以以蠕動式周期操作。圖8顯示了布置成平行配置的三個泵。圖9顯示了共用閥結(jié)構(gòu)的多個泵。圖IO顯示了共用驅(qū)動閥的多個泵。圖11顯示了與微流體貯存器互連的微流體泵。圖12顯示了與多個微流體貯存器互連的微流體泵。圖13示出了圖11中的泵和貯存器，其中貯存器豎直設(shè)置并且具有非均質(zhì)內(nèi)含物。圖14顯示了泵，其連接著兩個貯存器，所述貯存器彼此互連。 圖15A-D顯示了微流體混合裝置，并且示出了操作微流體混合裝置的方法。圖16顯示了通過微通道互連的閥和貯存器的一種配置。 圖17A-C顯示了包括被動單向閥的泵結(jié)構(gòu)。圖18顯示了可以用作閥的微通道，其具有流體流動的低阻力方向 和高阻力方向。圖19顯示了一種泵，其中閥包括實質(zhì)上不移動部分。圖20A-F示出了根據(jù)本發(fā)明的各種閥和閥座實施方式。圖21顯示了在驅(qū)動室中變形的實質(zhì)上非支撐的被致動的膜片。圖22顯示了驅(qū)動室，其尺寸和形狀被設(shè)置成通過致動而支撐膜片。圖23A-E顯示了沒有微通道的泵。具體實施方式

這里使用的術(shù)語"微結(jié)構(gòu)"整體上表示位于微流體基板部件上的結(jié)構(gòu)特征，微流體基板部件的壁的至少一維尺寸在大約0.1微米至大 約IOOO微米的范圍內(nèi)。這些特征可以是，但不局限于，微通道、微流體路徑、微貯存器、微閥或微過濾器。術(shù)語"聚合"總體上指的是微 分子結(jié)構(gòu)或材料，其分子量顯著高于成分單體，其可以，但不是必須， 通過聚合反應(yīng)制成。所有那些通常并且在這里也被稱作"塑料"材料 的材料包括聚合材料。術(shù)語"丙烯酸類材料"指的是這樣的材料，包括Acrylite 、 Plexiglas 、 PMMA和采用其它商標(biāo)名的聚甲基丙烯酸 甲酯。"線性聚合材料"通常包括聚合材料，其中分子形成長鏈，而沒 有支鏈或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。"二維微流體網(wǎng)絡(luò)"指的是共存于部件所在平面內(nèi) 的至少兩個微流體路徑或通道的流體連通性。"三維微流體網(wǎng)絡(luò)"指的 是至少三個微流體路徑或通道的流體連通性，其中三個通道以下述方 式布置，即三個通道中的至少一個位于部件所在平面之外。這里所用 的術(shù)語"弱溶劑(weak solvent)"指的是這樣的有機溶劑，其能夠在 適宜的溫度(即由于加熱)和力(即，由于壓力、真空和/或重量)條 件下在兩個配合表面之間形成粘合界面，但在其它條件下很少有或基 本上沒有結(jié)合效果，例如在室溫和外界力條件下。術(shù)語"惰性溶劑" 總體上指的是這樣的溶劑，其可溶合于弱溶劑，但在單獨時不具有粘 合能力。術(shù)語"溶劑粘合"總體上指的是一種粘合過程，其中溶劑被 用于將兩個表面物理粘合在一起。術(shù)語"弱溶劑粘合"總體上指的是 一種溶劑粘合過程，其中弱溶劑被使用。一些本發(fā)明的實施方式是基于下述事實，即發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)當(dāng) 弱溶劑粘合劑被用作層合溶劑在溫和條件下結(jié)合非彈性體聚合物例如 聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸類材料或其它線性聚合物時，布置在基 板上的微結(jié)構(gòu)不會受到負(fù)面影響。這一發(fā)現(xiàn)使得實際且經(jīng)濟地制造樣 機以及生產(chǎn)層合的聚合微流體結(jié)構(gòu)成為可能。進一步認(rèn)識到，某些塑 料材料，例如，但不局限于，聚苯乙烯，是相當(dāng)剛性的，但在一些特 定應(yīng)用中能夠提供可被用于流體部件例如泵或閥中的可變形隔膜。根據(jù)一個方面，弱溶劑粘合劑可以化學(xué)定義為<formula>formula see original document page 17</formula>其中，Rl = H、 OH或R，其中R =烷基，或不存在，R2 = H、 OH或R，其中11=烷基，或不存在，并且R3:H、 OH或R，其中R =烷基，或不存在?；蛘?，弱溶劑可以具有下述化學(xué)分子式<formula>formula see original document page 17</formula>其中，Rl-H、 OH或R，其中R=烷基，或不存在，并且R2二H、 OH或R，其中R-垸基，或不存在?；蛘?，弱溶劑可以具有下述化學(xué)分子式<formula>formula see original document page 17</formula>其中，Rl-H、 OH或R，其中R-烷基，或不存在。 在一個特定方面，弱溶劑粘合劑為乙腈(acetonitrile)。乙腈為通 用型溶劑，其廣泛用于分析化學(xué)和其它應(yīng)用場合。其100%可溶合于水， 并且具有優(yōu)異的光學(xué)性能。乙腈具有理想的介電常數(shù)、溶解度參數(shù)和 低氫結(jié)合能力，從而可以作為蛋白質(zhì)和DNA序列的有用溶劑。然而， 乙腈并不是用于有機合成的典型溶劑選擇，因為其對于許多有機分子 而言溶解性有限。相比于許多酮類、鹵化碳氫化合物、乙醚或芳香族 分子，可以理解乙腈的膨脹聚合材料的能力非常有限。在這一點上， 乙腈在這里被稱作弱溶劑。由于其在下面描述的本發(fā)明的各種實施方式中被用作粘合劑，因此其作為用于層合聚合微流體結(jié)構(gòu)的代表性弱 溶劑粘合劑。因此，乙腈溶解塑料表面的弱能力使得其非常適合于層 合聚合材料例如聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸類材料和其它線性聚合 物。舉例來說，布置在聚苯乙烯基板上的微結(jié)構(gòu)在室溫下用乙腈處理 至少幾分鐘，也不會呈現(xiàn)出可被覺察的特征損壞。丙烯酸類材料和聚 碳酸酯已被觀察到比聚苯乙烯更容易受到乙腈的作用，但這種增大的 易受性可以通過在更低的溫度施加乙腈或者通過使用乙腈與其它惰性 溶劑的組合而得以控制。乙腈層合體的一個明顯的獨特特征是這種弱溶劑在被用于根據(jù)本 發(fā)明的實施方式的微流體結(jié)構(gòu)的聚合部件時，在不同的溫度下具有顯 著不同的溶解強度。盡管眾所周知的是大多數(shù)無機或有機物質(zhì)的溶解 度隨著所施加的溶劑的溫度升高而增加，但利用在不同溫度下的溶解 度差異來控制微流體結(jié)構(gòu)溶劑層合體需要精細的操作窗口?；灞仨?能夠在室溫下承受溶劑處理，同時在升高的溫度和壓力下使其溶解度 充分增加。用作層合微流體結(jié)構(gòu)粘合劑的乙腈提供了所需的操作范圍， 這不同于通常用于溶劑層合體的所有目前已知的強有機溶劑。乙腈粘合的層合體的一個有益方面在于，根據(jù)本發(fā)明的一個實施 方式的過程允許在包含利用蓋板和底板構(gòu)成的多部件層或流體網(wǎng)絡(luò)的 結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)基板對正。不同于傳統(tǒng)強溶劑層合體(其趨向于在幾秒鐘 的溶劑涂布中侵蝕性地滲入聚合基板表面并且產(chǎn)生粘滯粘合表面)，乙 腈被涂布時在室溫下呈現(xiàn)出非常弱的軟化基板的能力。當(dāng)乙腈存在于 配合表面之間時，在熱激活之前的低溫下，其功能類似于潤滑劑并且 允許相鄰接觸表面彼此抵靠著自由滑動。通過熱激活乙腈并且施加壓 力，配合表面形成實質(zhì)上不可逆的粘合。形成三維流體網(wǎng)絡(luò)對于許多微流體應(yīng)用場合是重要的。類似于二 維印刷電路板(PCB)的情況，其中"印刷"的布線不能在沒有電連 通性的情況下彼此交叉，流體通道或路徑也通常不能在沒有流體連通 性的情況下彼此交叉。為了在微流體芯片中建立簡單的交迭結(jié)構(gòu)，流 體通道典型地在交迭區(qū)布置在不同的層，并且通過豎直流體路徑連接， 以完成流體網(wǎng)絡(luò)。溶劑粘合提供了層之間的結(jié)合，其不會阻礙流體穿過豎直連接結(jié)構(gòu)流出。在部件中的微結(jié)構(gòu)較小的情況下，例如，深度的量級為大約5Mm 或以下，并且圖案的平面寬度較大，例如，lmm或以上，此外，封罩 部件為厚度在大約200 ^m或以下的薄膜，施加于部件對的層合力可能 引起上側(cè)部件碰撞并且粘合至下側(cè)部件，從而引起路徑堵塞。 一種防 止上述問題的途徑是控制粘合劑在微結(jié)構(gòu)中的存在。如果所施加的粘 合劑在熱激活過程中不存在于路徑中，則上側(cè)部件就不會粘合至下側(cè) 部件的路徑。在返回到室溫后，上側(cè)部件將抬升回到其預(yù)期位置。有多種途徑可操縱乙腈粘合劑，以允許層合兩個部件，而不會導(dǎo) 致封罩的微結(jié)構(gòu)變形。當(dāng)包含微結(jié)構(gòu)的基層部件被帶到與覆蓋部件相 接觸時，這兩個部件之間的間隔可能典型地在大約50至100 nm的量 級，其遠小于微結(jié)構(gòu)深度，即大約lpm或以上。眾所周知的是，液體 的毛細力與液體充填的間隙的寬度成反比。因此，被粘合的區(qū)域中的 毛細力高于微結(jié)構(gòu)中的毛細力。這種現(xiàn)象可被利用，即可以只在結(jié)構(gòu) 的預(yù)期被粘合的區(qū)域包含弱溶劑。如前所述，兩個基板可被噴灑溶劑 并且隨后相接觸。溶劑通常會完全充填基板之間的空隙，包括微結(jié)構(gòu)。 溶劑可以隨后被從微結(jié)構(gòu)吸取，以使得溶劑只存在于基板之間的預(yù)期 實現(xiàn)粘合的區(qū)域中?；蛘?，如果對置的基板表面在溶劑顯露之前相接 觸，則溶劑可以被引入相接觸部件的暴露邊緣。溶劑將通過毛細作用 被吸入部件相接觸的區(qū)域，而微結(jié)構(gòu)保持無溶劑。如前面所揭示，乙腈粘合劑可能需要被熱激活以便在聚合部件之 間產(chǎn)生粘合。加熱可以通過多種途徑提供。當(dāng)通過將部件安置在熱源 上而將熱量施加于部件時，熱量必須通過部件傳導(dǎo)至粘合界面。這種 方法盡管具有簡單的優(yōu)點，但可能不能用于基板龐大或者具有在熱激 活條件下對溶劑處理敏感的精細結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場合。另一種方法在粘合 界面提供了所需的能量，而不顯著加熱基板部件，這種方法在這里稱 作溶劑相關(guān)的微波粘合。在該方法中，基板部件如前所述被制備成用 于粘合。然而，不是如傳統(tǒng)那樣通過接觸高溫源來加熱塊體結(jié)構(gòu)，而 是將組裝的部件對暴露于微波能量。微波能量大部分由極化溶劑分子 吸收，而不影響塊體塑料部件結(jié)構(gòu)，因此可加熱粘合界面，而不大范圍加熱基板。這種方法特別適用于加熱區(qū)域需要被表面約束的情況。 或者，將通過弱溶劑粘合劑被粘合或?qū)雍系慕Y(jié)構(gòu)可以在涂布弱溶劑之 前被冷卻。具體而言，乙腈溶劑層合和粘合可被用于制造能夠被用作 閥和泵結(jié)構(gòu)的隔膜?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖l-2，圖中示出了可被用于制作微流體泵和閥的結(jié)構(gòu)和 制造方法。圖1A顯示了微流體結(jié)構(gòu)10，其具有實質(zhì)上剛性的膜片50 和剛性基板52。膜片50被結(jié)合于基板上并且處在松弛狀態(tài)，其中膜 片50實質(zhì)上抵靠著第一基板的上表面。膜片50在這種松弛狀態(tài)下支 靠于基板52的上表面。在這些實施方式中，基板52和膜片50中的一 個或兩個由塑料材料制成。適宜材料的例子包括線性聚合塑料和熱塑 性材料。熱塑性材料包括這樣的材料，其在被加熱時變軟，并且在被 冷卻時變?yōu)閯傂曰驅(qū)嵸|(zhì)上剛性的。典型地，膜片50和基板52中的一 個或兩個由聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸類材料 或它們的一些組合制成。在一個特定實施方式中，膜片50和基板52 二者均由聚苯乙烯制成。之所以希望采用聚苯乙烯，是因為，至少部 分地，聚苯乙烯所具有的公知特性，包括機械性能和與生物反應(yīng)相關(guān) 的性能。膜片50可以是實質(zhì)上剛性的，即它是實質(zhì)上非彈性的，但是在適 宜的壓力或力的作用下可以變形。舉例來說，膜片的楊氏模量可以在 大約2 GPa和大約4 GPa之間，盡管在其它應(yīng)用場合楊氏模量可以不 同。特別地，所述材料可以被選擇或制成為使其楊氏模量適合于特定 應(yīng)用和/或被研制的裝置。舉例來說，材料可以被選擇為具有適宜的楊 氏模量，這可能取決于存在于膜片50下面的微觀特征的尺寸或其它裝 置性能。膜片50可以的厚度可以適合于在被施加機械力或壓力時變 形?？梢酝ㄟ^物理接觸膜片50并將其朝向基板52推壓或?qū)⑵淅x基 板52而施加機械壓力/力?；蛘?，可以通過氣動壓力或液壓壓力將膜 片朝向基板52推壓或?qū)⑵淅x基板52來施加機械壓力。所使用的力 或壓力的大小可能取決于特定應(yīng)用和被研制的裝置。變形包括將膜片 50的形狀由實質(zhì)上平面形態(tài)改變?yōu)槿魏螌嵸|(zhì)上非平面形態(tài)。膜片50 可以具有的厚度為大約10 pm和大約150 pm之間。在優(yōu)選實施方式中，膜片50的厚度為大約15 pm和大約75 pm之間?；宓暮穸瓤?以大于膜片的厚度。或者，基板的厚度可以實質(zhì)上類似于膜片的厚度。 膜片50的尺寸可以被設(shè)置為使得其可以通過施加大約-14psi和50psi 之間的壓力而變形，或在施加大約-3 psi和大約-14psi之間的負(fù)壓時變 形，或在施加大約3psi和大約25psi之間的正壓時變形。在所揭示的 實施方式中，負(fù)壓被施加在膜片上面以使膜片變形離開基板，但是正 壓也可以被施加在膜片上面以朝向基板變形或推壓膜片。通過選擇性地粘合兩片材料之間的界面的特定區(qū)域20，留下膜片 或隔膜的非粘合區(qū)域15，如顯示于圖1B，制造出結(jié)構(gòu)。非粘合區(qū)域 15被顯示為實質(zhì)上是圓形的，但是在替代性實施方式中，可以是橢圓 形的，矩形的，帶圓角的矩形的，或其它形狀的?；?2被選擇性地 在區(qū)域20中粘合于膜片50。這種選擇性粘合可以通過在層合過程中 物理分開膜片50的覆蓋著非粘合區(qū)域15的部分而完成，可通過在非 粘合區(qū)域15在所述層52和50中的一個或兩個上施加防粘合層或通過 在非粘合區(qū)域15改造層52和50的表面等而實現(xiàn)物理分開。圖1C顯 示了結(jié)構(gòu)10的其它視圖。如示出于圖2，如果隔膜/膜片50的非粘合區(qū)域15被垂直于平面 基板52牽拉，其將移動離開基板，或向上彎曲，形成氣泡體59。如 果膜片50的非粘合區(qū)域15被垂直于平面基板10推壓，其將在頂部和 底部平面層50和52之間的界面區(qū)域15處產(chǎn)生形狀符合的接觸。這種 結(jié)構(gòu)和制造方法可被用于制作閥和泵結(jié)構(gòu)。如示出于圖2，膜片50與 基板52的上側(cè)結(jié)合，并且在被致動時由基板移開。在其它實施方式中， 膜片可以與基板52的底側(cè)結(jié)合?；?2可以具有與其上側(cè)結(jié)合的第 一膜片和與其下側(cè)結(jié)合的第二膜片。兩個膜片可以同時致動，其中兩 個膜片均移動離開結(jié)合它們的基板相應(yīng)側(cè)面。圖3A顯示了兩層主動平面閥結(jié)構(gòu)61處于閉合/松弛位置，圖3B 顯示了閥結(jié)構(gòu)61處在打開/致動位置，其中膜片移動離開第一基板的 上表面。結(jié)構(gòu)包括第一基板60。兩個不相連的微通道62和64形成于 第一基板60中。在優(yōu)選實施方式中，微通道通過壓印、模制或銑削形 成于基板60中?；蛘?，微通道可以通過蝕刻形成。形成于基板60中的微通道和其它微觀特征優(yōu)選被配置成適合于流體材料的流動。它們 也可以適合于氣體材料、實質(zhì)上溶解于流體材料例如溶液中的固體材 料、其中懸浮有顆粒的流體材料、漿料或乳劑。漿料總體上指的是實 質(zhì)上不可溶物質(zhì)的流體混合物?；?0還可以包括其它內(nèi)置微觀特 征，或形成于基板上的適合于操縱、儲存和/或輸送下述材料的特征 流體材料，氣體材料，液體材料，實質(zhì)上溶解于流體材料例如溶液的 固體材料，其中懸浮有顆粒的流體材料，槳料和/或乳劑。微觀特征可 以包括，但不局限于，其它微通道，微流體貯存器，微流體井，微流 體端口，和閥座。膜片66被選擇性地在位于非粘合隔膜區(qū)域68之外的實質(zhì)上整個 區(qū)域74結(jié)合于基板60。當(dāng)壓力或力垂直于基板60的表面施加于膜片 66以將膜片朝向基板推壓時，膜片66以形狀符合的方式接觸閥座區(qū) 域72，以有效地封閉兩個微通道62和64之間的連通，從而密封微通 道62和64?；蛘?，膜片不需要被推壓以形成密封。事實上，當(dāng)膜片 處在松弛狀態(tài)時，其重量和剛度可能足以在兩個微通道62和64之間 形成有效密封。如顯示于圖3A，膜片68的非粘合區(qū)域至少部分地覆 蓋第一通道62以及非相交于第一通道的第二通道64，這兩個通道布 置于第一基板中60中，并且在松弛/閉合狀態(tài)在第一和第二通道之間 形成密封。如果膜片66在閥座區(qū)域72上方被驅(qū)動離開基板60，膜片可以變 形到致動狀態(tài)，在非粘合隔膜區(qū)域68上方形成氣泡體70并且因此在 兩個微通道62和64之間形成開放腔，從而允許流體從一個微通道流 動至另一個。如示出于圖3B，膜片68的非粘合區(qū)域至少部分地覆蓋 第一通道62以及非相交于第一通道的第二通道64，這兩個通道布置 于第一基板中60中，并且在致動狀態(tài)由第一基板60的上表面分開， 以在氣泡體70內(nèi)提供空腔，其適合于流體在第一通道62和第二通道 64之間流動。這種閥結(jié)構(gòu)被描述為平面的，因為閥座區(qū)域72實質(zhì)上與限定非粘 合隔膜區(qū)域68的粘合界面74共面。這種供應(yīng)產(chǎn)生了一種閥結(jié)構(gòu)，其 能非常簡單地制造并且集成于更為復(fù)雜的微流體系統(tǒng)中。然而，使用其它層合工藝非常難以制造它們。舉例來說，如果期望采用粘合劑層 合過程，則結(jié)構(gòu)會存在兩個困難。粘合劑會具有一定厚度。如果其被夾在膜片層66和基板60之間，其會將膜片66粘附至閥座72，導(dǎo)致 不能工作的閥。如果粘合劑被選擇性地由閥座區(qū)域72去除，縫隙會引 起泄露。唯一的可能性是在閥座72區(qū)域中用另一材料替代粘合劑，所 述另一材料匹配于(或略微超過)粘合劑的厚度。這是難以實現(xiàn)的工 藝。乙腈層合體不會受到這種限制。只需要確保膜片66不粘合至閥座 72。對于主動閥(active valve)，這可以這樣實現(xiàn)，即通過將膜片從粘 合平面物理分開?；蛘?，膜片66或閥座72的表面可以被處理以防止 粘合。這種類型的預(yù)處理可以防止閥結(jié)構(gòu)在層合過程中密封閉合。圖4A和4B顯示了不同的方面的通孔主動平面閥結(jié)構(gòu)79。在這 種情況下，第一基板80被設(shè)置。不相連的微通道82和84與閥座86 一起形成于所述基板80中。通孔88設(shè)置于所述閥座86的中心。膜片 層90然后被選擇性地在區(qū)域92中結(jié)合于基板80，產(chǎn)生隔膜結(jié)構(gòu)94。 當(dāng)閥處在閉合位置時，隔膜94可以接觸區(qū)域86 (閥座)和位于隔膜 94下面的區(qū)域，以有效地阻止流體在微觀特征82和84之間流動以及 流體流經(jīng)通孔88。在其它實施方式中，微通道84沒有形成于基板80 中。有多種重要特征可由這種結(jié)構(gòu)提供。第一，通孔88允許連通至那 些可以設(shè)于基板80的下側(cè)96的微觀特征。其次，由于膜片90具有一 定的結(jié)構(gòu)剛度，因此當(dāng)封閉力大于可能試圖通過通孔88流動以打開閥 的流體的力時， 一些機械益處可以獲得。這種結(jié)構(gòu)受益于通孔和隔膜 上側(cè)面之間的面積差異。由于壓力正比于力、反比于面積，通孔中非 常高的壓力可以有效地被隔膜上方的中度壓力抵消。隔膜的剛度可實 現(xiàn)這種現(xiàn)象。圖5A-B顯示了三個多層主動平面閥結(jié)構(gòu)99，其可以利用乙腈輔 助粘合而被形成。閥結(jié)構(gòu)包括具有內(nèi)置微通道101和103的第一基板 100。膜片層104被選擇性地在區(qū)域106中結(jié)合于第一基板100，因此 產(chǎn)生隔膜結(jié)構(gòu)108。第二基板102結(jié)合于膜片104。第二基板包括驅(qū)動 室110。這種結(jié)構(gòu)不同于前面顯示的那些之處在于，驅(qū)動室110套裝隔膜108。當(dāng)向下的正壓力通過驅(qū)動室110施加于隔膜108時，膜片 108在兩個微觀特征103和101之間接觸閥座112，有效地防止在它們 之間傳輸任何流體?；蛘撸绻蛏系呢?fù)壓力施加于驅(qū)動室，則膜片 108將被抬離闊座112，并且流體可以自由地流通于微觀特征101和 103之間。壓力可以通過驅(qū)動室110以氣動方式施加，或通過驅(qū)動室 實現(xiàn)物理接觸膜片，并且將其向上拉起或向下按壓。在圖5A-B中的實施方式中，當(dāng)膜片108向上彎曲時，容腔114 產(chǎn)生在膜片108下面。這不但允許微通道101和103之間流體連通， 而且還引起微通道101和103中的一些流體移動到容腔114中。這種 流體傳輸使得能夠由多閥結(jié)構(gòu)形成泵?，F(xiàn)在討論基于所描述的系統(tǒng)和方法的微流體泵結(jié)構(gòu)。微流體泵總 體上指的是任何結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)組，其能夠施加壓力至流體和/或便于流體 在微流體裝置中沿一或多個期望方向的流動。多種閥結(jié)構(gòu)202可以串 聯(lián)布置，并且可以通過微通道互連，以形成微隔膜泵200，如顯示于 圖6A-B。泵200可以以蠕動式周期操作。在以正確順序致動時，流體 將被強制流過泵結(jié)構(gòu)。圖6A描繪了構(gòu)成泵200的三個閥結(jié)構(gòu)202a、 202b和202c，但是其它泵實施方式可以包含兩個或更多的閥結(jié)構(gòu)。在 圖6所示代表性實施方式中，內(nèi)側(cè)閥結(jié)構(gòu)202b的隔膜區(qū)域(面積)204b 大于兩個外側(cè)閥結(jié)構(gòu)的隔膜區(qū)域(面積)204a和204c。在其它實施方 式中，泵200可以包括具有實質(zhì)上相同尺寸的閥結(jié)構(gòu)，或尺寸顯著不 同的閥結(jié)構(gòu)。圖7A-7F示出了一種方法，用于泵送流體通過泵結(jié)構(gòu)300，類似 于圖6中的泵結(jié)構(gòu)200。所述方法包括使泵結(jié)構(gòu)循環(huán)經(jīng)過六個順序致 動的狀態(tài)，以產(chǎn)生泵送效果。泵包括引入閥302、驅(qū)動閥304和排出 閥306。在圖7A，引入闊302被打開，并且流體由引入微通道312被吸入 膜片308和第一基板310之間的容腔302a。在圖7B，驅(qū)動閥304被 打開，向泵系統(tǒng)中抽入更多的流體。在圖7C，引入閥302閉合。在圖 7D，排出閥306被打開。在圖7E，驅(qū)動閥304閉合，迫使流體通過排 出閥306流出到排出微通道318中。排出閥306然后閉合。所述六個狀態(tài)完成一個泵周期，使一定體積的流體移動通過泵。如果所述周期被倒置，則微通道318用作引入微通道，微通道312用作排出微通道， 并且流體可以由引入微通道318抽入到排出微通道312。因此，泵是 雙向的。閥結(jié)構(gòu)302、 304和306是可獨立致動的，因為任何一個閥結(jié) 構(gòu)可被致動，而對其它閥結(jié)構(gòu)的狀態(tài)的影響很小或基本上沒有影響。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到，這些狀態(tài)的替代性順序可以產(chǎn)生泵 送效果。替代性的代表性泵送順序，有時被稱作蠕動順序，如下所述 引入閥302被打開，驅(qū)動閥304被打開，排出閥306被打開，引入閥 302閉合，驅(qū)動閥304閉合，排出閥306閉合。驅(qū)動閥306可以在引 入閥302閉合的基本上相同的時間打開。在圖7所示實施方式中，微通道312、 314、 316和318具有實質(zhì) 上相似的尺寸。在基于本發(fā)明的泵結(jié)構(gòu)的替代性實施方式中，通道可 以具有各不相同的尺寸，包括各不相同的長度、高度和寬度。具有變 尺寸的通道可以具有各不相同的流體流動阻力。舉例來說，增加微通 道的高度和/或?qū)挾瓤梢詼p小其對流體流動的阻力。在一些實施方式 中，具有各不相同的流體流動阻力的微通道可以用于便于流體流動處 于期望流動方向和/或防止流體沿非期望流動方向流動。舉例來說，在 前面描述的泵周期中，可以有一段時間，其中引入閥302和驅(qū)動閥304 均處于打開狀態(tài)。流體可以流經(jīng)容腔302a進入微通道312。為了減小 流入微通道312的流體量，微通道312可以形成為具有高于微通道314 的流體流動阻力。如前面所討論，替代性泵實施方式可以采用兩個閥 結(jié)構(gòu)，它們事實上是圖6和7中描繪的三個閥結(jié)構(gòu)泵中的。在這種實 施方式中，兩個閥雙向泵結(jié)構(gòu)可以包括連接至第一閥結(jié)構(gòu)的引入/排出 微通道，連接至第二閥結(jié)構(gòu)的引入/排出微通道和將第一和第二閥結(jié)構(gòu) 互連的微通道。引入/排出微通道可以形成為具有比互連微通道高的流 體流動阻力，從而當(dāng)兩個閥結(jié)構(gòu)處在打開位置時，流入引入/排出微通 道的流體量可以減小。兩個閥泵的操作順序類似于圖7所示的順序， 特別是針對閥結(jié)構(gòu)302和304描述的順序。圖8示出了微流體裝置400，具有布置成平行配置的多個泵 402a-c。這種實施方式允許由多個入口 404a-c抽入流體并且使流體移動進入一個出口 406。如果每個入口包含不同的流體，則當(dāng)所述多個 泵402a-c泵送流體進入排出通道406時，排出通道406中的流體可以 包含儲存于入口 404中的不同流體類型的梯度分布。舉例來說，排出 通道408a的上部可以包含更高濃度的由引入通道404a流入的流體類 型，排出通道408c的下部可以包含更高濃度的由引入通道404c流入 的流體類型。因此，這種實施方式可以用于在排出通道406中產(chǎn)生化 學(xué)梯度。并非所有的泵結(jié)構(gòu)需要具有獨立限定的引入閥、驅(qū)動閥和排出閥 結(jié)構(gòu)。多各泵可以共用一或多個閥。共用閥指的是閥被設(shè)置成使得其 可以用于由多于一個的泵結(jié)構(gòu)執(zhí)行泵送過程。圖9示出了微流體裝置 500，其包括三個泵結(jié)構(gòu)。 一個泵結(jié)構(gòu)包括引入閥502a、驅(qū)動閥504a 和排出閥506。第二泵結(jié)構(gòu)包括引入闊502b、驅(qū)動閥504b和排出閥 506。第三泵包括引入閥502c、驅(qū)動閥504c和排出閥506。因此，這 三個泵共用排出閥506?；蛘?，閥506可以用作共用引入閥，閥502a-c 用作排出閥。這種實施方式可以是一種高效的措施，其通過消除多余 結(jié)構(gòu)而使整個系統(tǒng)的復(fù)雜性最小化。圖10示出了泵送結(jié)構(gòu)600，其包括貯存器或流體端口 602、引入/ 排出閥604和共用驅(qū)動閥606。流體端口通常是指微流體結(jié)構(gòu)，例如 貯存器，其可以用作可被泵送通過泵結(jié)構(gòu)的流體的入口或出口，或更一般地講，用作用于存儲流體材料的貯存器。在這種實施方式中，通 過利用驅(qū)動閥606以適宜的順序選擇性地操作六個引入/排出閥602， 流體可以由任何一個忙存器602移動至任何其它一個貯存器602。在 這種情況下，使用者可以獲得三十個不同的流動路徑。使用完全獨立 的閥結(jié)構(gòu)實現(xiàn)這種相同功能需要采用十五個不同泵系統(tǒng)。圖11-14描繪了與貯存器相連的泵結(jié)構(gòu)。圖11示出了微流體系統(tǒng) 700，其包括泵702，所述泵與貯存器704 —起集成為循環(huán)器。泵可以 沿順時針方向706或逆時針方向708方向由貯存器704取出和移動流 體。在基于本發(fā)明的實施方式中，貯存器704可以是流體儲存裝置， 細胞培養(yǎng)室，或反應(yīng)室。貯存器可以被密封，打開，或部分地打開。轉(zhuǎn)到圖12，多個貯存器可以連接著集成泵送系統(tǒng)。微流體系統(tǒng)800包括頂部貯存器802和底部貯存器804。泵系統(tǒng)，包括共用驅(qū)動閥806 和引入/排出閥808、 810和812，可以使流體循環(huán)通過頂部貯存器802， 同時將流體傳送至底部貯存器804或?qū)⒘黧w由底部貯存器804排出。如果忙存器特征足夠大，舉例來說，高度、長度和寬度分別大于 大約0.5 mm，則重力可能在系統(tǒng)的流體力學(xué)中扮演重要角色。圖13 示出了一種微流體系統(tǒng)900，其貯存器902的高度大于大約1 mm，并 且被布置成使其縱向軸線904實質(zhì)上豎直。在系統(tǒng)的使用過程中，重 力可以將貯存器卯2中的流體牽引到貯存器902的底部。取決于微通 道906沿著貯存器902的側(cè)面的位置，流體可被用于以高于泵送流體 的密度操縱顆粒908。每個顆?？梢允切×炕蛭⒘康膶嵸|(zhì)上固體材料。 舉例來說，如果玻璃球粒908存在于貯存器902中，并且微通道906 被靠近貯存器卯2的頂部連接至貯存器卯2，則流體可以由泵卯9帶 動著沿逆時針方向910循環(huán)，以將球粒從貯存器902的底部抬高。然 而，由于球粒908具有下沉的趨勢，因此它們不能足夠靠近第二微通 道906以便被由貯存器902去除并且循環(huán)通過泵系統(tǒng)900?；蛘撸w粒908可以具有浮力，并且具有升高或漂浮于貯存器902 中的趨勢。流體可以由泵卯9帶動著沿順時針方向911循環(huán)，以將顆 粒908由貯存器卯2的頂部推下。在基于本發(fā)明的其它實施方式中，貯存器902可以連接至流體抽 取裝置，用于在沿縱向軸線904的不同豎直位置抽取流體。舉例來說， 流體抽取裝置可以包括多個微通道，每個微通道分別位于沿縱向軸線 904的不同豎直位置。微通道可以連接到微流體抽取貯存器或抽取端 口，由此流體可以被抽取。可選地，每個微通道可以與泵結(jié)構(gòu)互連， 以便于流體由貯存器902流動到抽取貯存器。如果多種不混溶流體被 儲存于貯存器902中，梯度可以產(chǎn)生在貯存器中，所述多種流體中的 每種在沿縱向軸線904的不同豎直位置具有不同的濃度。多個流體抽 取裝置在各不相同的豎直位置連接至貯存器，可以提供由貯存器902 中的分層抽取期望濃度級別的流體樣品的裝置。圖14示出了微流體系統(tǒng)1000，其類似于圖12-13中的實施方式。 然而，微流體系統(tǒng)1000包括通過溢流管1006互連的兩個貯存器1002和1004，流體在循環(huán)過程中必須被引導(dǎo)通過它們才能重新進入泵1008。圖15描繪了一種四閥結(jié)構(gòu)，其可以用作微流體混合器。貯存器 1100和1102分別包含第一和第二流體樣品。根據(jù)基于本發(fā)明的混合 過程，來自貯存器1100和1102的流體被移入由兩個沿對角線對置的 闊結(jié)構(gòu)或貯存器泵室1104組成的第一組中。這些泵室是閉合的，同時 沿對角線對置的泵室1106被打開。每個第一流體樣品和第二流體樣品 的一部分可以被傳送進入這些相鄰室1106中，從而部分地混合。流體 然后可以被順次傳送回到第一組沿對角線對置的泵室1104中，并且這 種過程可以重復(fù)進行，直至兩個流體樣品被實質(zhì)上混合。應(yīng)當(dāng)指出， 連接通道1108被維持非常短，以使結(jié)構(gòu)的無用容腔最小化。由于一些 流體留在這種無用容腔中，因此最小化無用容腔可以產(chǎn)生整體上更高 效的系統(tǒng)?；蛘撸ㄟ^設(shè)置重疊的閥結(jié)構(gòu)1104和1106，如示出于圖 23，如后文中討論，可以形成不帶連接通道1108的微流體混合器，從 而導(dǎo)致實質(zhì)上沒有無用容腔的微流體混合器?；旌掀骺梢赃B接至控制器，其能夠順序致動貯存器泵室/閥結(jié)構(gòu) 1104和1106?？刂破骺梢园ㄟ@樣的裝置，其用于單獨或集中致動任 何規(guī)定的泵室組合，而留下其它泵室處在閉合或非致動位置?？刂破?可以物理接觸混合器裝置，定位在混合器裝置上方或定位在其下方。 可以利用這里討論過的裝置通過施加機械力或壓力致動泵室/閥結(jié)構(gòu)。圖16顯示了一種廣義上的閥/泵系統(tǒng)1200的例子。利用任何順序 的閥結(jié)構(gòu)1203通過適宜順序的閥1203致動，流體可以由任何一個貯 存器1202移動到任何其它一個貯存器1202。流體可以被混合、培養(yǎng) 或以其它使用者限定的方式反應(yīng)。由于其廣義性質(zhì)，這種類型的配置 可以可以被用于研制特定應(yīng)用場合。前面描述的主動閥具有許多益處。使用者能夠獨立控制微流體系 統(tǒng)中每個閥的狀態(tài)，并且因此可以容易地引導(dǎo)流體通過網(wǎng)絡(luò)或在泵系 統(tǒng)中改變流動方向。另一種可能性是使用被動閥。被動閥要求來自流 體的用于致動的力。圖17A-C示出了被動單向閥隔膜泵1300的一個 例子。泵1300包括兩個被動單向閥1308和1306，以及一個主動閥隔膜1304。被動單向閥1308和1306可由流經(jīng)裝置1300的流體致動。 主動閥結(jié)構(gòu)1304可通過外因致動，這是因為其可以通過微流體裝置 1300之外的裝置施加的壓力或力致動。當(dāng)隔膜1304彎曲打開時，流 體由引入端口 1302進入。這種彎曲引起負(fù)壓，該負(fù)壓被傳輸至引入閥 1308和排出閥1306。排出閥1306.的細節(jié)顯示于圖17C中。負(fù)壓引起 閥隔膜1350抵靠著閥座1352向上彎曲。穿過隔膜1350的孔眼1354 被阻隔而不與流體通道1356相通。因此來自排出通道1358的流體不 能流經(jīng)孔眼1354和進入流體通道1356。引入閥1308以正相反的方式 動作。流體流經(jīng)它并且充填到由驅(qū)動隔膜1304封閉的室中。當(dāng)隔膜 1304由其彎曲位置被驅(qū)動回來后，俘獲在由隔膜1304封閉的室中的 流體不能通過引入閥1308流回，從而正壓產(chǎn)生于流體通道1356中。 這種壓力可致動閥膜片1350并且將膜片1350推離閥座1352，以允許 流體流經(jīng)孔眼1354并且流出到排出通道1358。在正確操作時，所描 述的這種雙止回泵可以具有非常少的回流。圖18A-B顯示了具有實質(zhì)上不移動部分的兩個閥的例子。圖18A 中的結(jié)構(gòu)揭示于Nicola Tesla的美國專利No. 1,329,559中。圖18B中 的結(jié)構(gòu)已知為"擴散閥"設(shè)計。在圖18A和18B中，流體沿第一方向 1400具有高流動阻力，沿第二方向1402具有低流動阻力。這種沿流 動方向的差異可以被用于產(chǎn)生凈流量。圖18A-B中的實施方式可以用 作微通道，以在微流體特征之間提供實質(zhì)上單向流體連接。圖19顯示了泵系統(tǒng)1500，其具有兩個擴散閥1502和1504。當(dāng)流 體沿著實質(zhì)上沿系統(tǒng)1500的縱向軸線1506的方向振蕩時，存在經(jīng)過 泵的明顯前后"沖洗"，但是凈流量的流體會由入口 1508移動到出口 1510。所描述的主動閥被顯示為簡單的圓形隔膜，具有圓形閥座。然而， 這里描述的系統(tǒng)和方法并不局限于此。圖20A-F示出了一些其它閥實 施方式。在這些圖中，閥座被布置在微通道1602和1604之間?？傮w 而言，閥座指的是基板上的任何區(qū)域或形成在基板中的任何特征，膜 片的非粘合部分可以支靠在其上或上方。圖20A顯示了閥座1606a， 類似于圖3中的閥座，其實質(zhì)上與基板的上表面共面。圖20B-20F包括閥座1606b-f，其可以是基板中的壓下結(jié)構(gòu)。閥座可以通過壓印、銑 削、模制或蝕刻形成。在基于圖20B的本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，閥 座包括兩個壓印部分，具有脊1608，所述脊的上表面實質(zhì)上與設(shè)有其 的基板的上表面共面，并且布置成實質(zhì)上垂直于微通道1602和1604 的縱向軸線。脊1608可以有助于在闊處在閉合或松弛位置時防止流體 流經(jīng)微通道1602和1604之間。這些閥座配置可以用于在閥處在松弛/ 閉合位置時在微通道1604和1602之間提供緊密的流體密封?；诒?發(fā)明的可行閥配置可以用于減小閥座面積，或增加閥入口和出口之間 離散閥室的數(shù)量。閥并非必須是圓形的。在一些實施方式中，它們可 以是實質(zhì)上橢圓形的，實質(zhì)上正方形的，實質(zhì)上矩形的，或任何其它 多邊形形狀。圖21顯示了閥結(jié)構(gòu)的進一步替代性實施方式。閥結(jié)構(gòu)1700包括 驅(qū)動室1702，用于施加力或壓力以致動膜片1704。圖21顯示了膜片 處在致動狀態(tài)。膜片在區(qū)域1708和1710中是實質(zhì)上非支撐的，在此 其不接觸基板1712。這可能會由于壓力差、膜片不一致性、層合狀態(tài) 變化中的一或多個原因引起拉伸和/或變形。圖22A-B示出了閥結(jié)構(gòu)1800，其中室1802的尺寸和形狀被設(shè)置 成通過致動而物理支撐膜片1804。圖22B顯示了受致動膜片1804實 質(zhì)上與基板1806的上表面平齊。這可以導(dǎo)致恒定可重復(fù)的膜片變形， 并且因此導(dǎo)致恒定可重復(fù)的泵性能?；蛘撸?qū)動室可以用作機械止擋， 因為可以將其尺寸和形狀設(shè)置成限制膜片在其致動狀態(tài)的變形。這可 以有助于控制包含在闊結(jié)構(gòu)1800中的流體容腔1802，從而使得所形 成的泵的性能具有更高的重復(fù)性。圖23示出了泵結(jié)構(gòu)1900，用于由入口 1906至出口 1908泵送流 體。泵結(jié)構(gòu)包括上側(cè)膜片層1911、下側(cè)膜片層1910、上側(cè)基板層1914 和下側(cè)基板層1912。泵結(jié)構(gòu)包括引入微通道1906和排出微通道1908。 在圖23所示實施方式中，引入和排出微通道1906和1908被形成為延 伸穿過上側(cè)膜片層1911的實質(zhì)上整個厚度和/或上側(cè)基板1914的厚度 的一部分，如示出于圖23D中的放大圖。在一種基于本發(fā)明的用于制 造結(jié)構(gòu)1900的可行方法中，可以包括下述步驟將上側(cè)基板1914層合在上側(cè)膜片1911上，并且在所形成的層合體中形成微通道l卯6和 1908。在替代性實施方式中，引入和排出微通道1906和1908不需要 延伸進入基板層1914。它們可以完全形成在上側(cè)膜片層1911中，如 示出于圖23E中的放大圖。用于制造這種泵結(jié)構(gòu)的代表性方法可以包 括在上側(cè)膜片層1911中形成/切割出微通道，并且在相繼的加工步驟 中將上側(cè)膜片層1911層合在上側(cè)基板1914上。膜片層1910包括兩個獨立且可致動的隔膜結(jié)構(gòu)1916和1920。膜 片層1911包括獨立且可致動的隔膜結(jié)構(gòu)1911。其它實施方式可以包 括兩個或更多的可致動隔膜結(jié)構(gòu)。需要指出，泵結(jié)構(gòu)不需要包括互連 三個可致動隔膜結(jié)構(gòu)的微通道。每個隔膜1916b、 1918b和1920b可以 通過相應(yīng)的驅(qū)動室1916a、 1918a和1920a被致動。在圖23A-B中，每 個隔膜結(jié)構(gòu)被顯示為處在打開狀態(tài)。每個隔膜1916b、 1918b或1920b 也可以處在閉合狀態(tài)，其中壓力可以分別通過驅(qū)動室1916a、 1918a或 1920施加，以抵靠著對置的基板層1914或1912推壓隔膜，視具體情 況而定。代表性的泵送周期過程如下所述所有隔膜初始處于閉合狀 態(tài)。隔膜1916b被打開，并且流體由入口 1906流入容腔1916c。隔膜 1918b被打開，允許流體流入容腔1918c。隔膜1916b閉合，并且隔膜 1920b被打開，允許流體進入容腔1920c。隔膜1918b閉合，導(dǎo)致流體 流入容腔1920c。隔膜1920b閉合，導(dǎo)致流體流入出口 1908。前面對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式所做描述僅僅是解釋和說明的目 的。不能認(rèn)為本發(fā)明局限于所公開的具體形式。在說明書的啟示下， 可以做出各種修改和變化。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明的范圍不由這種詳細的描 述來限定，而是由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種微流體裝置，包括第一剛性塑料基板，其具有上下表面，以及實質(zhì)上剛性的塑料膜片，其與第一基板的上表面接觸并結(jié)合，并且具有松弛狀態(tài)，其中塑料膜片實質(zhì)上抵靠著第一基板的上表面，和致動狀態(tài)，其中膜片移動離開第一基板的上表面。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中-第一剛性塑料基板中形成有微觀特征，并且實質(zhì)上剛性的塑料膜 片布置在至少一個所述微觀特征上面。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中實質(zhì)上剛性的塑料膜片的楊氏模量在大約2 GPa和大約4 GPa之間。
4. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中 膜片的厚度被選擇為允許通過施加適宜的機械力而變形。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中 膜片的厚度在大約10 pm和大約150 pm之間。
6. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中 膜片的厚度在大約15 pm和大約75 pm之間，
7. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中機械力通過正壓施加，所述正壓使膜片朝向基板變形，并且小于 大約50psi。
8. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中機械力通過負(fù)壓施加，所述負(fù)壓使膜片變形離開基板，并且其量值小于大約14psi。
9. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中機械力通過正壓施加，所述正壓使膜片朝向基板變形，并且在大約3 psi和大約25 psi之間。
10. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中機械力為負(fù)壓，所述負(fù)壓被施加以使膜片變形離開基板，并且其量值在大約3psi和大約14psi之間。
11. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中膜片和第一基板由實質(zhì)上相同的材料制成。
12. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中 膜片和第一基板中的至少一個為熱塑性材料。
13. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中 膜片和第一基板中的至少一個為線性聚合材料
14. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中第一基板和膜片中的至少一個由聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、 聚碳酸酯和丙烯酸類材料之一制成。
15. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中實質(zhì)上剛性的塑料膜片包括非粘合區(qū)域，所述非粘合區(qū)域未連接 于第一基板。
16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中膜片的非粘合區(qū)域至少部分地覆蓋第一通道以及非相交于第一通道的第二通道，這兩個通道布置于第一基板中，并且在松弛狀態(tài)在第 一和第二通道之間形成密封。
17. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其中膜片的非粘合區(qū)域至少部分地覆蓋形成于第一基板中的閥座，所 述閥座不相連于第一和第二通道并且實質(zhì)上位于第一和第二通道之 間。
18. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中閥座包括脊，其實質(zhì)上垂直于第一和第二通道的縱向軸線。
19. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中膜片的非粘合區(qū)域至少部分地覆蓋第一通道以及非相交于第一通 道的第二通道，這兩個通道布置于第一基板中，并且在致動狀態(tài)與第 一基板的上表面分開，以提供適合于使流體在第一和第二通道之間流 動的空腔。
20. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第一基板包括通孔，其從第一基板的上表面延伸至第一基板的下 表面。
21. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中 膜片的非粘合區(qū)域是實質(zhì)上圓形的。
22. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中膜片的非粘合區(qū)域是實質(zhì)上橢圓形的。
23. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中 膜片的非粘合區(qū)域是實質(zhì)上矩形的，帶有圓角。
24. 如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括第二剛性塑料基板，其與膜片的上表面接觸并結(jié)合。
25. 如權(quán)利要求24所述的裝置，其中第一基板、第二基板和膜片由實質(zhì)上相同的材料制成。
26. 如權(quán)利要求24所述的裝置，其中第二基板包括室，其實質(zhì)上設(shè)置在膜片的非粘合區(qū)域上方，并且 其尺寸被設(shè)置為使得膜片的非粘合區(qū)域可以移動離開第一基板的上表 面并且保持實質(zhì)上由所述室套裝。
27. 如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括泵，其具有多個不相連的非粘合區(qū)域，每個非粘合區(qū)域形成可獨 立致動的閥結(jié)構(gòu)并且通過微通道串聯(lián)連接。
28. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中-微通道具有各不相同的流體流動阻力。
29. 如權(quán)利要求27所述的裝置，還包括位于膜片上方的支撐結(jié)構(gòu)，其尺寸、形狀和位置被設(shè)置成在膜片 處在致動狀態(tài)時結(jié)構(gòu)性支撐膜片。
30. 如權(quán)利要求27所述的裝置，還包括設(shè)在膜片上方的止擋，其尺寸、形狀和位置被設(shè)置成可防止膜片 從第一基板移動超出一定距離。
31. 如權(quán)利要求27所述的裝置，包括 多個泵，它們具有共用閥結(jié)構(gòu)。
32. 如權(quán)利要求31所述的裝置，其中所述共用閥結(jié)構(gòu)包括布置在三個或更多微通道上方的膜片，以提 供與所述共用閥相連的多個流體端口。
33. 如權(quán)利要求27所述的裝置，還包括貯存器，其能夠存儲下述材料中的一種或多種流體材料，氣體 材料，實質(zhì)上溶解于流體材料的固體材料，槳料材料，乳劑材料，以 及其中懸浮有顆粒的流體材料。
34. 如權(quán)利要求33所述的裝置，其中貯存器被布置成實質(zhì)上豎直，并且可以與液體抽取裝置相連，所 述液體抽取裝置用于在或靠近限定的豎直位置從貯存器中抽取液體。
35. 如權(quán)利要求33所述的裝置，其中貯存器被布置成實質(zhì)上豎直，并且包含流體材料和顆粒，泵被連 接至貯存器，以使流體以下述方式循環(huán)通過裝置，即防止顆粒聚集在 貯存器的頂部和底部之一處。
36. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中貯存器連接在第一和第二可獨立致動的閥結(jié)構(gòu)之間。
37. 如權(quán)利要求33所述的裝置，還包括 多個貯存器，它們通過泵機構(gòu)互連。
38. 如權(quán)利要求37所述的裝置，其中泵機構(gòu)包括共用閥結(jié)構(gòu)，所述共用閥結(jié)構(gòu)用于從所述多個貯存器 傳送流體。
39. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中至少一個所述微觀特征包括通道，其幾何形狀有利于沿一個流動 方向流動。
40. 如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括泵，其具有一個形成了外部可致動隔膜結(jié)構(gòu)的非粘合區(qū)域，所述 非粘合區(qū)域通過微通道與兩個形成了可由流經(jīng)泵的流體致動的被動閥 結(jié)構(gòu)的非粘合區(qū)域互連。
41. 如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括泵，其具有多個不相連的非粘合區(qū)域，每個非粘合區(qū)域形成可獨 立致動的隔膜結(jié)構(gòu)，每個隔膜結(jié)構(gòu)部分地重疊至少一個其它隔膜結(jié)構(gòu)。
42. —種微流體裝置，包括第一聚苯乙烯基板，其具有上下表面和形成在其中的微觀特征，以及聚苯乙烯膜片，其通過溶劑粘合于第一基板的上表面，并且具有 松弛狀態(tài)，其中聚苯乙烯膜片實質(zhì)上抵靠著第一基板的上表面，和致 動狀態(tài)，其中聚苯乙烯膜片移動離開第一基板的上表面。
43. 如權(quán)利要求42所述的裝置，其中通過下述溶劑形成溶劑粘合，所述溶劑在室溫和外界力條件下具 有很少的或?qū)嵸|(zhì)上沒有粘合作用，但是在適宜的溫度或力條件下能夠 在兩個配合表面之間形成粘合界面。
44. 一種微流體系統(tǒng)，包括貯存器，其為這樣類型的，即能夠存儲下述材料中的至少一種 流體材料，氣體材料，實質(zhì)上溶解于液體材料的固體材料，乳劑材料，漿料材料，以及其中懸浮有顆粒的流體材料；]ie存器泵室，其連接至貯存器并且被連接到至少兩個其它泵室，以及控制器，其能夠順序致動貯存器泵室和兩個其它泵室，由此材料 被吸入貯存器泵室，然后被部分地抽入兩個泵室中相應(yīng)的一個，并且部分地抽入兩個泵室之一中的材料可以隨后返回到貯存器泵室
45.如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其中所述材料包括生物材料。
全文摘要
塑料微流體結(jié)構(gòu)具有實質(zhì)上剛性的隔膜，其可在隔膜支靠于基板的表面上的松弛狀態(tài)和隔膜由基板移開的致動狀態(tài)之間致動。如說明書中所描述，形成有這種隔膜的微流體結(jié)構(gòu)提供了容易制造且耐用的系統(tǒng)，以及容易制作諸如閥和泵等部件。
文檔編號B32B27/00GK101282789SQ200680037019
公開日2008年10月8日 申請日期2006年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月3日
發(fā)明者朋 周, 林肯·揚 申請人:奇奧尼公司