具有自調(diào)整表面距離控制的微流體表面處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]發(fā)明一般地涉及微流體表面處理器件(microfluidic surface processingdevices)領(lǐng)域，具體地涉及這種器件的表面距離控制系統(tǒng)(distance-to-surface controlsystem)。
【背景技術(shù)】
[0002]微流體器件(Microfluidics)通常是指用于移動(dòng)、抽樣、混合、分析和劑量液體的微工藝器件(microfabricated devices)。其突出特點(diǎn)來(lái)自于特殊行為，即微米長(zhǎng)度刻度的液體呈現(xiàn)。在微流體器件中的液體流通常是層流(laminar)。具有橫向尺寸在微米范圍內(nèi)的制造結(jié)構(gòu)可以達(dá)到遠(yuǎn)低于I納升(nanoliter)的體積，并且可以加快被限制在較大規(guī)模(通過(guò)反應(yīng)物擴(kuò)散)的反應(yīng)。最后，液體的平行流可能被精確地和重現(xiàn)地控制，使化學(xué)反應(yīng)和梯度(gradients)在液體/液體和液體/固體之間的界面實(shí)現(xiàn)。因此，微流體器件被用于生命科學(xué)的各種應(yīng)用。許多微流體器件具有用戶芯片接口和閉合的流動(dòng)路徑。閉合的流動(dòng)路徑便利了將功能元件(例如加熱器、攪拌機(jī)、泵、紫外線探測(cè)器和閥等)集成到一個(gè)器件，從而最小化泄露和和蒸發(fā)相關(guān)的問(wèn)題。
[0003]設(shè)計(jì)用于控制和調(diào)整微流體表面處理器件到處理的表面的距離的系統(tǒng)和方法尤其具有挑戰(zhàn)性:需要幾十到上百微米尺寸的距離控制。這在生命科學(xué)的環(huán)境中更為困難，因?yàn)樵搶W(xué)科中的表面通常浸沒(méi)在液體中。表面在拓?fù)?、組成方面也可以呈現(xiàn)強(qiáng)烈的變化并且即使在宏觀世界也不可能平坦。
[0004]已知的距離控制系統(tǒng)/方法需要外部控制系統(tǒng)，以及在某些情況下需要壓力調(diào)整。例如，已知使用光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其使用激光和光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量光束位置。通過(guò)調(diào)整Z方向的壓力長(zhǎng)度(Piezo-length)使反饋環(huán)保持預(yù)設(shè)的振幅常數(shù)。然而，很難在具有液體環(huán)境并且具有液體/空氣界面的環(huán)境中聚焦激光。在其它的簡(jiǎn)單方法，操作員可視地觀察到樣本并作出相應(yīng)的變化。在這種情況下，操作員是“控制”系統(tǒng)，這種做法顯然具有響應(yīng)時(shí)間緩慢的缺點(diǎn)，達(dá)到的精確度可能是有問(wèn)題的。還有其它的方法依賴于事先校準(zhǔn)(pr1ricalibrat1ns)。然而，這種校準(zhǔn)針對(duì)特定的表面拓?fù)洳⑶液臅r(shí)。此外，一些液體表面相互作用不容易，甚至不可能被可視化。
[0005]還有其他方法包括對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)使用電流或電壓的測(cè)量控制液體下面的器件的距離。然而，這種方法需要法拉第籠，并不適用于幾十微米的長(zhǎng)距離，因?yàn)殚L(zhǎng)距離所需的電流將導(dǎo)致不期望的系統(tǒng)發(fā)熱。
[0006]因此需要簡(jiǎn)單的、精確的微流體表面處理器件的距離控制系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的微流體表面處理系統(tǒng)包括:微流體探測(cè)頭，包括被設(shè)計(jì)用于從處理流體孔分配表面處理流體的處理流體電路；機(jī)構(gòu)，優(yōu)選聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，被配置為向微流體探測(cè)頭施加或調(diào)整朝向待處理表面的力；以及提升流體電路，其與微流體探測(cè)頭集成；遠(yuǎn)離處理流體電路；以及被設(shè)計(jì)從提升流體孔分配提升流體以在所述表面的水平產(chǎn)生壓力，從而抵消所述機(jī)構(gòu)施加或調(diào)整的力。
[0008]在實(shí)施例中，所述機(jī)構(gòu)是包括平衡錘系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)裝置，所述平衡錘優(yōu)選是可調(diào)節(jié)的，并且其中所述微流體探測(cè)頭位于旋轉(zhuǎn)裝置的一側(cè)并且被位于所述旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸另一側(cè)上的平衡錘平衡。
[0009]優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)裝置是樞軸裝置，該樞軸裝置包括樞軸和在所述樞軸處旋轉(zhuǎn)的梁，所述微流體探測(cè)頭在所述梁的一側(cè)保持并相對(duì)于所述樞軸與平衡錘相對(duì)，所述樞軸優(yōu)選相對(duì)于固定所述樞軸的支座旋轉(zhuǎn)。
[0010]在優(yōu)選實(shí)施例中，其中所述微流體探測(cè)頭優(yōu)選通過(guò)軸懸掛于所述旋轉(zhuǎn)裝置的一側(cè)。
[0011]優(yōu)選地，所述至少一個(gè)處理流體孔相對(duì)于所述至少一個(gè)提升流體孔被設(shè)置，從而使通過(guò)至少一個(gè)處理流體孔分配的表面處理流體能夠保持局限在通過(guò)所述至少一個(gè)提升流體孔分配的提升液中。
[0012]在實(shí)施例中，所述處理流體電路還包括至少兩個(gè)處理流體孔，分別形成出口孔和入口孔，所述出口孔和入口孔的尺寸和位置被確定，以使得通過(guò)入口收集到通過(guò)出口分配的液體。
[0013]優(yōu)選地，所述提升流體電路進(jìn)一步包括至少兩個(gè)，優(yōu)選至少三個(gè)或以上提升流體孔。
[0014]在優(yōu)選實(shí)施例中，所述提升流體電路的兩個(gè)提升流體孔向探測(cè)頭的不同表面打開，所述不同表面優(yōu)選連續(xù)。
[0015]優(yōu)選地，所述機(jī)構(gòu)耦合到所述微流體探測(cè)頭以提供所述探測(cè)頭在0.02和I克之間的有效重量。
[0016]在實(shí)施例中，所述提升流體電路被配置為確保所述探測(cè)頭和待處理表面之間的平均間隙為I微米到50微米。
[0017]優(yōu)選地，所述提升流體電路和/或所述處理流體電路被配置為使流速在每分鐘5微升到100微升。
[0018]在優(yōu)選實(shí)施例中，包括用于分配所述處理流體的所述處理流體孔的所述探測(cè)頭的頂端的平均直徑在0.5平方毫米至10平方毫米之間，優(yōu)選在I平方毫米至3平方毫米之間。
[0019]優(yōu)選地，處理液孔的平均直徑在20微米到100微米之間，并且優(yōu)選在40微米到60微米之間。
[0020]此外，提升液孔的平均直徑可以在40微米到200微米之間，并且優(yōu)選在50微米和100微米之間。
[0021]根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明被實(shí)現(xiàn)為一種操作根據(jù)上述實(shí)施例的微流體表面處理系統(tǒng)的方法，該方法包括步驟:通過(guò)所述至少一個(gè)提升流體孔分配提升液；讓所述探測(cè)頭承受由機(jī)構(gòu)施加或調(diào)整的力以接近待處理表面，優(yōu)選通過(guò)降低所述探測(cè)頭；以及用所述探測(cè)頭處理所述表面。
[0022]現(xiàn)在將通過(guò)非限制的實(shí)例并參照附圖描述包含本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法。
【附圖說(shuō)明】
[0023]-圖1、6和7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有自調(diào)整處理表面距離控制的微流體表面處理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的2D視圖；
[0024]-圖2(a)_(c)集中于可以被用于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的微流體探測(cè)頭(或MFP頭)以及該探測(cè)頭與處理表面的相互作用；
[0025]-圖3描述了圖2(a)的變形；
[0026]-圖4描述了圖2(C)的變形；以及
[0027]-圖5示出具有較大曲度的表面的局部著色設(shè)置的照片:雞蛋殼被懸浮(levitating)在雞蛋表面上的MFP頭圖案化。
[0028]圖1_4、6和7是無(wú)需按照比例的不意性的、簡(jiǎn)化的表不。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下描述的結(jié)構(gòu)如下。首先，描述了一般的實(shí)施例和高級(jí)變形(第一部分)。下一部分描述更加具體的實(shí)施例和技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)(第二部分)。
[0030]1.一般實(shí)施例和高級(jí)變形
[0031]一般地參照附圖1至7，首先描述本發(fā)明的一個(gè)方面，其涉及微流體表面處理系統(tǒng)I
[0032]系統(tǒng)I主要地包括三個(gè)主要部件，它們是:
[0033]1.MFP 頭 10 ；
[0034]2.機(jī)構(gòu)40，其使MFP靠近待處理表面S ；以及
[0035]3.提升流體電路(lifting fluid circuit) 30。
[0036]MFP頭10包括處理流體電路20。處理流體電路20被設(shè)計(jì)用于分配用于處理表面S的處理流體25。該流體從處理流體電路20的孔21分配。
[0037]機(jī)構(gòu)40優(yōu)選聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且在所有情況被配置為向MFP頭施加朝向表面S的力，或者調(diào)整向MFP頭施加的朝向待處理表面S的力(例如重力)。
[0038]最后，提升流體電路30與MFP頭集成(例如，直接設(shè)置于MFP頭內(nèi)部或者安裝于MFP頭之上、連接到MFP頭，例如和MFP頭彼此一體化)。提升電路遠(yuǎn)離處理流體電路，其被設(shè)計(jì)在所述表面S的水平方向(從電路30的孔31)分配具有諸如抵消機(jī)構(gòu)40施加或調(diào)整的力的壓力的提升流體35。
[0039]因此，基本概念有兩點(diǎn):
[0040](I)機(jī)構(gòu)40 (例如可旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)的系統(tǒng)40)和MFP頭相互作用，從而使MFP頭輕輕地靠著待處理的表面，即，產(chǎn)生的力Fw很小，以下將舉例描述。
[0041](2)流體(通常液體)從提升電路30的一個(gè)或多個(gè)孔31分配以在頭處(例如頭的下方)產(chǎn)生壓力，從而使頭從表面S提升。產(chǎn)生的流體動(dòng)力提升(hydrodynamic lifting)抵消(counterbalance) 了使探針頭靠著表面的力Fw。這保證了安全間隙d，S卩，到處理表面S的最小距離(安全間隙雖然包含在實(shí)施例中，但是就最一般的情況而言不是本發(fā)明的一部分)。
[0042]至少一些情況，基本原理可以被認(rèn)為是作用于MFP頭使其在處理表面S上進(jìn)行自調(diào)整的短期(排斥)和長(zhǎng)期(吸引)的力的組合。
[0043]總而言之，以上系統(tǒng)使得MFP頭達(dá)到簡(jiǎn)單的自調(diào)整和自動(dòng)的距離控制，卻不需要或很少需要外部控制。以下示出操作對(duì)應(yīng)的方法(這涉及本發(fā)明的另一方面)。首先，通過(guò)提升流體電路30 (電路30開關(guān)切換到“打開”)的一個(gè)或多個(gè)孔31分配提升流體SI。然后，人讓探測(cè)頭10承受機(jī)構(gòu)40施加或調(diào)整的力S2-S4，以接近待處理表面S (例如通過(guò)簡(jiǎn)單地使探測(cè)頭10降低到表面之上)。最后，由于處理電路20，表面S可以用探測(cè)頭10處理。
[0044]例如，在圖1、6或7中描述的實(shí)施例，機(jī)構(gòu)40包括平衡錘(counterweight)42或彈簧42a以減弱作用于頭10上的重力。一旦頭重量合適(例如被平衡錘平衡