專利名稱：微流體的大規(guī)模集成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
二十世紀(jì)初，工程師們面臨著一個(gè)通常被稱為“數(shù)字專制”的問題對(duì)宏觀裝配系統(tǒng)的組成的應(yīng)用限制。使用諸如真空管的離散元件，使得建立和操作復(fù)雜電路很快變得非常昂貴。1946年在賓夕法尼亞大學(xué)創(chuàng)造的ENIACI(電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)I)由19000個(gè)真空管組成，重30噸，消耗功率200KW。在1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，并繼而代替了電路中龐大的真空管，但是連通性仍然是個(gè)問題。
盡管工程師們?cè)瓌t上能夠設(shè)計(jì)日益復(fù)雜的由幾十萬個(gè)晶體管組成的電路，但是電路內(nèi)的每個(gè)元件需要手工焊接一種昂貴、勞動(dòng)強(qiáng)度大的過程。將更多的元件加載到電路中降低了電路的可靠性，因?yàn)榧词挂粋€(gè)虛焊點(diǎn)也會(huì)使電路無效。
二十世紀(jì)五十年代后期，Kilby和Noyce通過發(fā)明集成電路解決了電子學(xué)的“數(shù)字苛政”問題。通過由一種單一的半導(dǎo)體元件(最初是鍺，之后是硅)來制作所有的元件，Kilby和Noyce創(chuàng)造了由晶體管、電容器、電阻器以及它們相應(yīng)的原位互連組成的電路，無需手工裝配。到二十世紀(jì)七十年代中期，改良的技術(shù)引起了大規(guī)模集成電路(LSI)(包含成百上千個(gè)單獨(dú)元件的復(fù)雜集成電路)的開發(fā)。
微流體技術(shù)使得解決生物學(xué)和化學(xué)的相似系統(tǒng)集成問題成為可能。例如，Unger等人先前在Science，288(5463)113(2000)提出了一種候選管道處理技術(shù)，該技術(shù)允許用由硅酮彈性體聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的整體式閥來制作芯片。
然而，迄今為止，裝置除了簡單重復(fù)外仍缺少高度集成的方法。微流體系統(tǒng)已經(jīng)被用于證明一系列不同的生物學(xué)應(yīng)用，包括生物分子分離、酶化驗(yàn)、聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)和免疫雜交反應(yīng)。
雖然這些是實(shí)驗(yàn)室技術(shù)中按比例縮減的方法的極好的個(gè)別例子，它們也具有獨(dú)立的功能性，與集成電路中的單獨(dú)元件相同。回憶在二十世紀(jì)早期由基于大而重的真空管的排列組成的電路的宏觀方法，目前致力于真正的生物集成的工業(yè)方法已經(jīng)以龐大的機(jī)器人流體工作站的形式出現(xiàn)，該工作站占據(jù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室，并需要相當(dāng)大的費(fèi)用、空間和勞力。
因此，在該領(lǐng)域中需要高密度、大規(guī)模集成的微流體裝置及其制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
利用基本物理理論，提供了一種用多層軟光刻技術(shù)(softlithography)制作微流體閥的設(shè)計(jì)和方法。根據(jù)本發(fā)明的閥的實(shí)施例以具有基本恒定的厚度的彈性體隔膜部分為特征，允許隔膜承受與對(duì)其整個(gè)寬度上施加的壓力類似的阻力。這種由可以向上或向下偏移的隔膜制作的開關(guān)閥能夠具有非常低的驅(qū)動(dòng)壓力，并且能夠被用于實(shí)現(xiàn)活動(dòng)功能，例如在集成微流體芯片中的泵和混合器。通過在寬范圍的設(shè)計(jì)參數(shù)上測(cè)量驅(qū)動(dòng)壓力和流動(dòng)阻力，并且將它們同有限元模擬和備選閥幾何學(xué)進(jìn)行比較來將閥的性能特征化。
根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置的實(shí)施例包括第一層，其在第一表面內(nèi)包括第一凹槽。彈性體的第二層具有同第一表面接觸的第一側(cè)面，以限定第一微流體通道，鄰近第一微流體通道的第二層的隔膜部分具有基本恒定的厚度。第三層同彈性體的第二層的第二側(cè)面接觸，以限定第二微流體通道，該隔膜部分對(duì)第一和第二微流體通道中的一個(gè)通道內(nèi)的壓力作出響應(yīng)，可以偏移進(jìn)入第一和第二微流體通道中的另一個(gè)通道。
根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置的實(shí)施例，包括第一層，其在第一表面內(nèi)包括第一凹槽；以及彈性體的第二層，具有基本恒定的厚度，并且包括與第一表面接觸的第一側(cè)面，以限定微流體控制通道。第三層包括在第二表面內(nèi)的第二凹槽，第二表面同隔膜的第二側(cè)面接觸，以限定微流體流動(dòng)通道，第二層的隔膜部分鄰近第二凹槽，并且對(duì)控制通道內(nèi)的壓力作出響應(yīng)可以偏移進(jìn)入微流體流動(dòng)通道。
根據(jù)本發(fā)明的在微流體結(jié)構(gòu)內(nèi)控制流動(dòng)的方法的實(shí)施例包括提供控制通道，其通過具有基本恒定的厚度的彈性體隔膜與鄰近的微流體流動(dòng)通道隔開；以及對(duì)該控制通道施加壓力，以使得彈性體隔膜偏移進(jìn)入微流體流動(dòng)通道。
根據(jù)本發(fā)明用于制作微流體結(jié)構(gòu)的方法的實(shí)施例包括在具有圓形橫截面的第一凸起件上模制第一彈性體材料，以便在第一彈性體材料的第一側(cè)面內(nèi)限定流動(dòng)凹槽。在具有矩形橫截面的第二凸起件上模制第二彈性體材料，以便在第二彈性體材料的第一側(cè)面內(nèi)限定控制凹槽。第二彈性體材料的第一側(cè)面相對(duì)平坦底層設(shè)置。第一彈性體材料的第一側(cè)面相對(duì)第二彈性體材料的第二側(cè)面設(shè)置，以便由具有基本恒定的厚度的彈性體隔膜將流動(dòng)凹槽與控制通道隔開。
根據(jù)本發(fā)明用于制作微流體結(jié)構(gòu)的方法的可選實(shí)施例包括設(shè)置上表面內(nèi)具有凹陷凹槽的底層，以及將具有基本恒定的厚度的第一彈性體層的第一側(cè)面設(shè)置成與該上表面接觸，以限定微流體流動(dòng)通道。在第一凸起部件上形成第二彈性體材料，以便在第二彈性體材料的第一側(cè)面內(nèi)限定控制凹槽。第二彈性體材料的第一側(cè)面相對(duì)第一彈性體層的第二側(cè)面設(shè)置，以限定微流體控制通道，具有基本恒定厚度的彈性體隔膜將該微流體控制通道與所述微流體控制通道隔開。
將結(jié)合下文和附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的這些和其它的實(shí)施例，以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征。


圖1為形成于微型機(jī)械加工模具上的第一彈性體層的示意圖；圖2為形成于微型機(jī)械加工模具上的第二彈性體層的示意圖；
圖3為從微型機(jī)械加工模具中取出的圖2所示彈性體層放置在圖1所示彈性體層上方的示意圖；圖4為對(duì)應(yīng)于圖3但示出了設(shè)置在第一彈性體層頂部的第二彈性體層的示意圖；圖5為對(duì)應(yīng)于圖4但示出了結(jié)合在一起的第一和第二彈性體層的示意圖；圖6為對(duì)應(yīng)于圖5但示出了取出的第一微型機(jī)械加工模具和就位的平面基板的示意圖；圖7A為對(duì)應(yīng)于圖6但示出了密封在平坦底層上的彈性體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7B對(duì)應(yīng)于圖7A的前剖視圖，示出開放的流體通道；圖7C-7G示出了用于形成彈性體結(jié)構(gòu)的方法的步驟的示意圖，該彈性體結(jié)構(gòu)具有由單個(gè)彈性體層形成的隔膜；圖7H示出了處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的圖7B的閥的前剖視圖；圖8A和8B示出了對(duì)于不同流體通道的閥開度與施加的壓力的關(guān)系；圖9示出了100μm×100μm×100μmRTV微型閥的時(shí)間響應(yīng)；圖10為示出隔膜驅(qū)動(dòng)的圖7B的閥的前剖視圖；圖11為具有帶彎曲上表面的流體通道的閥的可選實(shí)施例的前剖視圖；
圖12A為開/關(guān)閥的頂部示意圖；圖12B為沿圖12A中23B-23B線的截面正視圖；圖13A為蠕動(dòng)泵送系統(tǒng)的頂部示意圖；圖13B為沿圖13A中24B-24B線的截面正視圖；圖14為示出圖13的蠕動(dòng)泵送系統(tǒng)的實(shí)施例在實(shí)驗(yàn)上獲得的泵送速率(pumping rate)與頻率的關(guān)系的曲線圖；圖15A為同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)流動(dòng)管線的一個(gè)控制管線的頂部示意圖；圖15B為沿圖15A的26B-26B線的截面正視圖；圖16為適用于允許流過不同通道的多路復(fù)合系統(tǒng)的示意圖；圖17A-D示出了一個(gè)可轉(zhuǎn)換流體排列(switchable flow array)的一個(gè)實(shí)施例的平面圖；圖18A-D示出了單元圍欄陣列結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的平面圖；圖19A為示出二進(jìn)制樹形網(wǎng)絡(luò)(二元樹)微流體多路轉(zhuǎn)換器操作圖的簡化的平面圖；圖19B為示出三進(jìn)制樹形網(wǎng)絡(luò)微流體多路轉(zhuǎn)換器操作圖的簡化的平面圖；圖20為圖19A-B的裝置的通用微流體結(jié)構(gòu)的簡化的橫截面圖；
圖21為示出利用控制通道來控制其它控制通道的微流體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的簡化的平面圖；圖21A為沿線21A-21A′的圖21的結(jié)構(gòu)的簡化的剖視圖；圖21B為沿線21B-21B′的圖21的結(jié)構(gòu)的簡化的剖視圖；圖22為圖21-21B的裝置的通用的微流體結(jié)構(gòu)的簡化的剖視圖；圖23為利用控制通道來控制其它控制通道的微流體結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例的簡化的平面圖；圖23A為沿線23A-23A′的圖23中的結(jié)構(gòu)的簡化剖視圖；圖23B為沿線23B-23B′的圖23中的結(jié)構(gòu)的簡化剖視圖；圖24為圖23-23B的裝置的通用的微流體結(jié)構(gòu)的簡化剖視圖；圖25為利用通過其它控制管線來控制整個(gè)控制管線的裝置的另一個(gè)實(shí)施例的通用的微流體結(jié)構(gòu)的簡化剖視圖；圖26為根據(jù)本發(fā)明的逆向多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的簡化平面圖；圖27為根據(jù)本發(fā)明的級(jí)聯(lián)多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的簡化的平面圖；圖28為根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)的多路轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例的簡化的平面圖；圖29A為微流體記憶存儲(chǔ)裝置的光學(xué)顯微照片；
圖29B為示出圖29A所示的芯片的選定行內(nèi)對(duì)單一室的清洗機(jī)構(gòu)的簡化的放大平面圖；圖29C-F為圖29A的排列的簡化的放大圖，示出單獨(dú)的存儲(chǔ)位置的裝載和清洗；圖29G示出微流體存儲(chǔ)顯示器的示例；圖30A示出微流體比較器芯片的光學(xué)顯微照片；圖30B為圖30A的微流體比較器芯片的簡化的示意圖；圖30C-H為示出圖30A的微流體結(jié)構(gòu)的室的裝載的放大簡化平面圖；圖31A-D為示出在運(yùn)轉(zhuǎn)中的比較器的一部分的一套光學(xué)顯微照片；圖32A為采用酶和熒光底物的的微流體比較器邏輯的示意圖；圖32B為處于比較器模式的芯片的掃描熒光圖象；圖32C示出μHTS比較器和eGFP表達(dá)控制細(xì)胞和CCP表達(dá)細(xì)胞的非均相混合物對(duì)輸出信號(hào)的影響；圖33對(duì)于不同基數(shù)n的多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，圖示了控制管線數(shù)量同被控制的流動(dòng)管線(flow lines)的數(shù)量之間的關(guān)系；圖34A-C為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的立式止回閥的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作的簡化的剖視圖；
圖35A-D為示出根據(jù)本發(fā)明的微流體顯示裝置的一個(gè)像素的結(jié)構(gòu)和操作的簡化的剖視圖；圖36為顯示器簡化剖視圖的一個(gè)實(shí)施例的平面圖，該顯示器簡化剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的一個(gè)像素的結(jié)構(gòu)和操作；圖37A為被向下驅(qū)動(dòng)的微流體閥結(jié)構(gòu)的簡化剖視圖；圖37B為根據(jù)本發(fā)明的被向上驅(qū)動(dòng)的閥結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的簡化剖視圖；圖38為根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置的實(shí)施例的照片；圖39圖示出驅(qū)動(dòng)壓力同微流體通道寬度和控制管線寬度的關(guān)系；圖40A示出對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的向上偏移的閥結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)壓力同驅(qū)動(dòng)通道寬度的關(guān)系；圖40B示出對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的向上偏移的閥結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)壓力同隔膜厚度的關(guān)系；圖41示出了對(duì)于具有相同尺寸可以向上和向下偏移的閥，標(biāo)準(zhǔn)化電阻同驅(qū)動(dòng)通道壓力的關(guān)系；圖42示出了對(duì)于可以向上偏移的閥，標(biāo)準(zhǔn)化電阻同驅(qū)動(dòng)通道壓力的關(guān)系；圖43a-f為在圖42的不同的計(jì)數(shù)位置處的上推閥的橫截面的電子顯微照片；
圖44為根據(jù)本發(fā)明的閥結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例的簡化剖視圖。
具體實(shí)施例方式
I.微加工(微制作)概述下面的討論涉及利用彈性體材料形成微加工流體裝置，如在2002年4月5日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?0/118,466、2001年11月28日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?9/997,205，2001年4月6日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?9/826,585、2000年11月28日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?9/724,784、以及2000年6月27日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?9/605,520的美國非臨時(shí)專利申請(qǐng)中所總體描述的。這些專利申請(qǐng)全部結(jié)合于此供參考。
1.制作方法此處提供了制作本發(fā)明的典型方法。應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于通過這些方法中的一個(gè)或其它的方法制作。相反的，制作本微觀結(jié)構(gòu)的其它適當(dāng)?shù)姆椒?，包括修改本發(fā)明的方法，也在預(yù)料中。
圖1-7B示出了制作本微觀結(jié)構(gòu)(其可被用作泵或閥)的第一優(yōu)選方法的順序步驟。圖8-18示出了制作本微觀結(jié)構(gòu)(其同樣可被用作泵或閥)的第二優(yōu)選方法的順序步驟。
如同將被解釋的，圖1-7B的優(yōu)選方法包括采用被裝配和粘合的預(yù)固化的彈性體層。在可選方法中，彈性體的每一層都可以“原位”固化。在下面的說明中，“通道”是指彈性體結(jié)構(gòu)中的凹槽，其能夠容納液體流或氣體流。
參照?qǐng)D1，提供了第一微機(jī)械加工模具10。微機(jī)械加工模具10可以由眾多傳統(tǒng)的硅處理方法制作，包括但不限于光刻法(photolithography)、離子研磨(ion-milling)和電子束蝕刻法。
如圖所示，微機(jī)械加工模具10具有沿其自身延伸的凸條或突起11。如圖所示，第一彈性體層20鑄造于模具10之上，以便第一凹槽21形成于彈性體層20的底表面(凹槽22在尺寸上對(duì)應(yīng)于突起11)。
如圖2所示，還提供了第二微機(jī)械加工模具12，其具有沿其自身延伸的凸出的突起13。如圖所示，第二彈性體層22鑄造于模具12之上，以便凹槽23對(duì)應(yīng)于突起13的尺寸，形成于彈性體層22的底表面中。
如圖3和圖4所示的順序步驟，然后從模具12取出第二彈性體層22，并將其放置在第一彈性體層20之上。如圖所示，沿第二彈性體層22的底表面延伸的凹槽23將形成流體通道32。
參照?qǐng)D5，分開的第一和第二彈性體層20和22(圖4)然后粘合在一起，形成集成的(即單塊的)彈性體結(jié)構(gòu)24。
如圖6和7A所示的順序步驟，然后從模具10取出彈性體結(jié)構(gòu)24，并將其放置在平面基板14之上。如圖7A和7B所示，當(dāng)彈性體結(jié)構(gòu)24的底表面與平面基板14已經(jīng)被密封時(shí)，凹槽21將形成流體通道30。
本彈性體結(jié)構(gòu)同幾乎任何光滑平面基板都可以形成可逆真空密封。以這種方式形成密封的優(yōu)點(diǎn)在于可以剝離、清洗和再利用該彈性體結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的方面，平面基板14為玻璃。采用玻璃的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于玻璃是透明的，允許彈性體通道和儲(chǔ)存器的光學(xué)探詢?？蛇x地，彈性體結(jié)構(gòu)可以由與前述相同的方法粘合在平坦的彈性體層上，形成永久且高強(qiáng)度的粘合。當(dāng)采用更高的背壓時(shí)可以證明這是有利的。
如圖7A和7B所示，優(yōu)選地將流體通道30和32設(shè)置成彼此成一定角度，基板24的小隔膜25將流體通道32的底部與流體通道30的頂部隔開。
在優(yōu)選的方面，平面基板14為玻璃。采用玻璃的優(yōu)點(diǎn)在于可以剝離、清洗和再利用本彈性體結(jié)構(gòu)。采用玻璃的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可以采用光學(xué)傳感?？蛇x地，平面基板14本身可以是彈性體，當(dāng)采用更高的背壓時(shí)可以證明這是有利的。
可以修改上述制作方法，用于形成具有由不同于形成該裝置通道壁的彈性體材料形成的隔膜的結(jié)構(gòu)。圖7C-7G示出了這種不同的制作方法。
參照?qǐng)D7C，提供了第一微機(jī)械加工的模具10。微機(jī)械加工模具10具有沿其自身延伸的凸條或突起11。在圖7D中，第一彈性體層20鑄造在第一微機(jī)械加工模具10之上，以便第一彈性體層20的頂部與凸條或突起11的頂部齊平。這可以通過小心地控制被鑄造在模具10上面的彈性體材料的與已知凸條11高度相關(guān)的體積來實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，所期望的形狀可通過注射模制法來形成。
在圖7E中，提供了第二微機(jī)械加工模具12，具有沿其自身延伸的凸出的突起13。如圖所示，第二彈性體層22鑄造在第二模具12之上，以便凹槽23對(duì)應(yīng)于突起13的尺寸，形成在第二彈性體層的下表面中。
在圖7F中，從模具12取出第二彈性體層22，并將其放置在第三彈性體層222之上。采用下面詳述的方法(或技術(shù))將第二彈性體層22粘合到第三彈性體層20上以形成整體的彈性體塊224。在該過程中的這一點(diǎn)上，之前被凸條13占據(jù)的凹槽23將形成流體通道23。
在圖7G中，彈性體塊224放置在第一微機(jī)械加工模具10和第一彈性體層20之上。然后將彈性體塊和第一彈性體層20粘合在一起以形成具有由單獨(dú)的彈性體層222組成的隔膜的整體的(即單塊的)彈性體結(jié)構(gòu)24。
當(dāng)彈性體結(jié)構(gòu)24已經(jīng)以上述關(guān)于圖7A中描述的方式在它的下表面密封到平面基板時(shí)，之前被凸條11占據(jù)的凹槽將會(huì)形成流體通道30。
以上結(jié)合圖7C-7G所述的不同的制作方法具有允許隔膜部分由隔離材料而非所述結(jié)構(gòu)的其它部分的彈性體材料組成的優(yōu)點(diǎn)。這很重要，因?yàn)楦裟さ暮穸群蛷椥蕴匦詫?duì)裝置的操作起著關(guān)鍵作用。而且，該方法使得分離的彈性體層在粘合到彈性體結(jié)構(gòu)內(nèi)之前易于被調(diào)節(jié)。如下面詳細(xì)討論的，潛在地期望的條件的實(shí)例包括引入磁性物質(zhì)或?qū)щ娢镔|(zhì)以允許隔膜的驅(qū)動(dòng)，和/或?qū)诫s劑引入到隔膜內(nèi)以改變它的彈性。
雖然結(jié)合通過在微機(jī)械加工模具上重復(fù)模制而形成各種定形的彈性體層來描述了以上方法，但是本發(fā)明并不限于該方法?？梢圆捎闷渌姆椒▉硇纬纱澈显谝黄鸬亩ㄐ蔚膹椥泽w材料的單獨(dú)的層。例如，能夠通過激光切割或注射模制，或通過如下結(jié)合第二典型方法所述的采用化學(xué)蝕刻和/或犧牲材料(sacrificial materials)的方法來形成彈性體材料的定形層。
可選的方法采用裝入彈性體材料內(nèi)的光刻膠的顯影來制作圖樣化的彈性體結(jié)構(gòu)。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法并不限于采用光刻膠。諸如金屬的其它材料也可以用作犧牲材料而選擇性地從周圍的彈性體材料被去除，該方法仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，可以利用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)混合物選擇性地對(duì)RTV615彈性體蝕刻金金屬。
2.層和通道尺寸微加工(微制作)參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制作的彈性體結(jié)構(gòu)的尺寸特征。通常，將微制作結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)尺寸的變化控制在微米級(jí)，且至少一個(gè)尺寸為微觀的(即低于1000μm)。微制作典型地包括半導(dǎo)體或MEMS制作方法，例如光刻法和旋轉(zhuǎn)涂覆，其設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生微觀水平的特征尺寸，且至少微制作結(jié)構(gòu)的某些尺寸需要顯微鏡來適度地分辨/反映該結(jié)構(gòu)。
在優(yōu)選的方面，流體通道30、32、60和62優(yōu)選地寬度和深度比約為10∶1。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的寬度和深度比的非排他性列舉的其它范圍為0.1∶1到100∶1，更優(yōu)選為1∶1到50∶1，更優(yōu)選為2∶1 to20∶1，最優(yōu)選為3∶1 to 15∶1。在典型方面，流體通道30、32、60和62的寬度為約1到1000微米。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的流體通道的寬度的非排他性列舉的其它范圍為0.01到1000微米，更優(yōu)選為0.05到1000微米，更優(yōu)選為0.2到500微米，更優(yōu)選為1到250微米，最優(yōu)選為10到200。典型的通道寬度包括0.1μm、1μm、2μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、以及250μm。
流體通道30、32、60和62的深度為約1到100微米。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的流體通道的深度的非排他性列舉的其它范圍為0.01到1000微米，更優(yōu)選為0.05到500微米，更優(yōu)選為0.2到250微米，更優(yōu)選為1到100微米，更優(yōu)選為2到20微米，最優(yōu)選為5到10微米。典型的通道深度包括0.01μm、0.02μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、7.5μm、10μm、12.5μm、15μm、17.5μm、20μm、22.5μm、25μm、30μm、40μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、以及250μm。
流體通道并不限于這些特定的尺寸范圍和以上給出的實(shí)例，且可以在寬度上變化以影響如下結(jié)合圖27詳述的偏移隔膜所需的力的大小。例如，如下詳述的，寬度為約0.01μm的極窄的流體通道可用于光學(xué)和其它應(yīng)用。包括具有甚至比前述更寬通道的部分的彈性體結(jié)構(gòu)也是本發(fā)明所預(yù)料的，采用這種較寬流體通道的應(yīng)用實(shí)例包括流體儲(chǔ)存器和混合通道結(jié)構(gòu)。
為了機(jī)械穩(wěn)定性，可以將該彈性體層鑄造的厚些。在典型實(shí)施例中，圖1的彈性體層22為50微米到幾厘米厚，更優(yōu)選為約4mm厚。根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例的彈性體層厚度的非排他性列舉的范圍為約0.1μm到10cm之間、1μm到5cm之間、10μm到2cm之間、100μm到10mm之間。
因此，將流體通道30和32分開的圖7B所示隔膜25的典型厚度為約0.01和1000微米之間，更優(yōu)選為0.05微米到500微米之間，更優(yōu)選為0.2微米到250微米之間，更優(yōu)選為1微米到100微米，更優(yōu)選為2微米到50微米，最優(yōu)選為5微米到40微米。同樣，彈性體層22的厚度約為彈性體層20的厚度的100倍。典型的隔膜厚度包括0.01μm、0.02μm、0.03μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、5μm、7.5μm、10μm、12.5μm、15μm、17.5μm、20μm、22.5μm、25μm、30μm、40μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、400μm、500μm、750μm、以及1000μm。
3.軟光刻粘合優(yōu)選地，彈性體層利用聚合物(包括圖樣化的彈性體層)固有的化學(xué)性質(zhì)而以化學(xué)方法粘合在一起。最優(yōu)選地，該粘合包括兩個(gè)元件“附加固化”粘合。
在優(yōu)選的方面，彈性體的各層以非均相粘合而粘合在一起，其中，這些層具有不同的化學(xué)性質(zhì)?？蛇x地，可采用均相粘合，其中，所有層具有相同的化學(xué)性質(zhì)。第三，各彈性體層可改為任選地由粘合劑膠合在一起。在第四方面，彈性體層可以是通過加熱粘合在一起的熱固性彈性體。
在均相粘合的一個(gè)方面，彈性體層由相同的彈性體材料組成，且一層中相同的化學(xué)個(gè)體與另一層中相同的化學(xué)個(gè)體反應(yīng)，以將這各層粘合在一起。在一個(gè)實(shí)施例中，由于光、熱或同一個(gè)單獨(dú)化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，類似彈性體層的聚合物鏈之間的連接可以由交聯(lián)劑的活化產(chǎn)生。
可選地，在非均相方面，彈性體層由不同的彈性體材料組成，并且一個(gè)層中的第一化學(xué)個(gè)體與另一個(gè)層中的第二化學(xué)個(gè)體反應(yīng)。在一個(gè)典型的非均相方面，用于將各彈性體層粘合在一起的粘合過程可包括將兩個(gè)RTV615硅樹脂層粘合在一起。RTV615硅樹脂為一種兩部分(two-part)附加固化的硅橡膠。A部分包含乙烯基和催化劑；B部分包含硅氫(Si-H)基(silicon hydride groups)。RTV615的傳統(tǒng)比率為10A∶1B。對(duì)于粘合，一個(gè)層可以由30A∶1B(即乙烯基過量)制成，另一個(gè)層由3A∶1B(即Si-H基過量)制成。分別固化每層。當(dāng)將兩個(gè)層接觸并在高溫下加熱時(shí)，它們不可逆的粘合形成整體的(或單塊的)彈性體基板。
在本發(fā)明的典型的方面，采用Sylgard 182、184、或186，或者脂肪族氨基甲酸乙酯二丙烯酸酯例如(但不限于)UCB Chemical公司的Ebecryl 270或Irr 245來形成彈性體結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，兩層彈性體結(jié)構(gòu)由純丙烯酸酯化的聚氨酯Ebe 270制成。薄底層在170℃下以8000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)涂覆15秒。最初將頂層和底層利用由Electrolite公司生產(chǎn)的Model ELC500裝置在氮?dú)庵性谧贤夤庀鹿袒?cure)10分鐘。然后將組合的層再固化30分鐘。反應(yīng)由Ciba-GeigyChenmicals公司生產(chǎn)的Irgacure500的0.5％體積比的混合物催化。形成的彈性體材料表現(xiàn)出適度的彈性和對(duì)玻璃的粘性。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，由25％Ebe 270/50％Irr245/25％異丙醇的混合物制成兩層彈性體結(jié)構(gòu)用于薄底層，純丙烯酸酯化的聚氨酯Ebe 270用作頂層。最初，采用Electrolite公司生產(chǎn)的Model ELC 500裝置在氮?dú)庵性谧贤夤庀?，將該薄底層固?分鐘，將頂層固化10分鐘。然后將組合的層再固化30分鐘。反應(yīng)由Ciba-Geigy Chemicals公司生產(chǎn)的Irgacure 500的0.5％體積比的混合物催化。形成的彈性體材料表現(xiàn)出適度的彈性和對(duì)玻璃的粘性。
可選地，可以采用其它的粘合方法，包括活化彈性體表面，例如通過等離子體暴露，以使得該彈性體層/基板在接觸時(shí)粘合。例如，Duffy等人在″Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane)″，Analytical Chemistry(1998)，70，4974-4984中闡述了一種將相同材料組成的彈性體層粘合在一起的可能的方法，該論文內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。該論文討論了將聚二甲基硅氧烷(PDMS)層暴露于氧等離子體引起表面氧化，當(dāng)兩個(gè)氧化的層接觸時(shí)發(fā)生不可逆的粘合。
將連續(xù)的彈性體層粘合在一起的又一種方法為利用未固化的彈性體的粘性。具體地，將未固化的諸如RTV615彈性體的薄層涂覆在第一固化彈性體層之上(或頂部)。接著，將第二固化彈性體層置于未固化的彈性體層之上。然后將未固化的彈性體的薄中間層固化，以產(chǎn)生整體的彈性體結(jié)構(gòu)?？蛇x地，可以將未固化的彈性體涂覆于第一固化彈性體層的底部，而第一固化彈性體層置于第二固化彈性體層之上。固化中間薄彈性體層也致使形成整體的彈性體結(jié)構(gòu)。
當(dāng)采用封裝犧牲層來制作彈性體結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過將未固化的彈性體澆注在一個(gè)先前固化的彈性體層和任何其上圖樣化的犧牲材料上來完成連續(xù)的彈性體層的粘合。由于未固化的彈性體層的聚合物鏈和固化的彈性體層的聚合物鏈的穿插和反應(yīng)，使得彈性體層之間發(fā)生粘合。彈性體層之后的固化會(huì)形成彈性體層之間的粘合并產(chǎn)生整體的彈性體結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D1到7B的第一方法，可以通過以2000轉(zhuǎn)/分在微制作模具12上旋轉(zhuǎn)涂覆RTV混合物30秒而產(chǎn)生第一彈性體層20，所得到的厚度約為40微米。可以通過在微制作模具11上旋轉(zhuǎn)涂覆RTV混合物而產(chǎn)生第二彈性體層22。層20和22均可以分別在80℃下烘烤或固化1.5小時(shí)。第二彈性體層22可以在約80℃經(jīng)過大約1.5小時(shí)粘合在第一彈性體層20上。
微機(jī)械加工模具10和12可以是在硅晶片上的圖樣化的光刻膠。在典型的方面，以2000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)Shipley SJR 5740光刻膠，將高分辨率透明膜作為掩模進(jìn)行圖樣化，然后顯影，形成高度約為10微米的反向通道(inverse channel)。當(dāng)在約200℃下烘烤30分鐘時(shí)，該光刻膠回流并且該反向通道變成圓形。在優(yōu)選的方面，在每次使用前可以用三甲基氯硅烷(TMCS)蒸汽處理該模具一分鐘，以防止硅橡膠粘合。
4.適當(dāng)?shù)膹椥泽w材料Allcock et al，ContemporarvPolymer Chemistry，2ndEd將彈性體大體上描述為處于玻璃轉(zhuǎn)化溫度和液化溫度之間的溫度的聚合物。彈性體材料表現(xiàn)出彈性特性是因?yàn)榫酆衔镦溤诹Φ淖饔孟氯菀壮惺芘まD(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而允許解開主鏈，且在沒有力的情況下主鏈彈回以呈現(xiàn)先前的形狀。通常，當(dāng)施加力時(shí)，彈性體變形，而當(dāng)撤消力時(shí)彈性體又恢復(fù)到其原始的形狀。彈性體材料所表現(xiàn)出的彈性可以由楊氏模量(Young′s modulus)表征。根據(jù)本發(fā)明有用的彈性體材料的楊氏模量為約1Pa-1TPa之間，更優(yōu)選為約10Pa-100GPa之間，更優(yōu)選為約20Pa-1GPa之間，更優(yōu)選為約50Pa-10MPa之間，更優(yōu)選為約100Pa-1MPa之間，但是根據(jù)特定用途的需要也可以采用楊氏模量在這些范圍外的彈性體材料。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以由多種多樣的彈性體制成。在典型的方面，彈性體層可以優(yōu)選地由硅橡膠制成。然而，也可以采用其它適當(dāng)?shù)膹椥泽w。
在本發(fā)明的典型的方面，本系統(tǒng)由諸如GE RTV 615(配方)、乙烯基硅烷交聯(lián)的(類型)硅樹脂彈性體(族)的彈性體聚合物制成。然而，本系統(tǒng)并不限于這一配方、類型、或該族聚合物；相反地，幾乎任何彈性體聚合物都是適合的。對(duì)于制作本微型閥的優(yōu)選的方法的重要條件是將多層彈性體粘合在一起的能力。在多層軟光刻的情況下，分別固化彈性體層，然后將它們粘合在一起。該方案要求固化的層具有足夠的活性以便粘合在一起?；蛘哌@些層可以是同種類型且它們能夠自我粘合，或者它們?yōu)閮煞N不同的類型且能夠彼此粘合。其它的可能性包括在層之間使用粘合劑和利用熱固性彈性體。
假定聚合物的化學(xué)性質(zhì)、前體、合成方法、反應(yīng)條件和可能的附加劑有非常大的差異，則有大量可能的彈性體系統(tǒng)可用于制作單塊的彈性體微型閥和泵。特殊材料性能(即耐溶劑性、硬度、氣體滲透性、或溫度穩(wěn)定性)的需要將最可能推動(dòng)所用材料的變化。
有許多種彈性體聚合物。這里簡要介紹最通用類別的彈性體，目的在于表示即使用相對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)”的聚合物，也存在很多粘合的可能性。通用的彈性體聚合物包括聚異戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯和硅樹脂。
聚異戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯聚異戊二烯、聚丁二烯和聚氯丁二烯均是由二烯單體聚合而成，因此在聚合時(shí)每個(gè)單體具有一個(gè)雙鍵。該雙鍵允許這些聚合物通過硫化(實(shí)質(zhì)上，通過加熱將硫用于形成雙鍵之間的交聯(lián))轉(zhuǎn)化成彈性體。這將通過待粘合的層的不完全硫化而允許均相多層軟光刻；通過類似的機(jī)制使光刻膠封裝成為可能。
聚異丁烯純的聚異丁烯沒有雙鍵，但是通過在聚合中含有少量(約1％)的異戊二烯而被交聯(lián)用作彈性體。該異戊二烯單體在聚異丁烯主鏈上提供下垂的雙鍵，之后該雙鍵可以進(jìn)行上述硫化。
聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)是由活性陰離子聚合(即在反應(yīng)中沒有自然的鏈終止步驟)生成的，因此，在固化的聚合物中存在“活性”聚合物端。這使其成為本光刻膠封裝系統(tǒng)(其中，澆注于固化層上的液體層內(nèi)將會(huì)有大量未反應(yīng)的單體)的一種天然的候選物。不完全固化會(huì)允許均相多層軟光刻(A到A粘合)。這種化學(xué)性質(zhì)也會(huì)有助于形成具有多余丁二烯(″A″)和耦合劑的一個(gè)層以及丁二烯短缺的另一個(gè)層(″B″)(用于非均相多層軟光刻)。SBS為一種“熱固性彈性體”，意味著在某一溫度以上其會(huì)融化并變成塑性的(同彈性相反)；降低溫度會(huì)重新生成彈性體。因此，可通過加熱將各層粘合在一起。
聚氨酯聚氨酯由二異氰酸酯(A-A)和二醇或二胺(B-B)生成；由于存在大量不同的二異氰酸酯和二醇/胺，所以不同類型的聚氨酯的數(shù)量也是巨大的。然而，聚合物的A與B的性質(zhì)會(huì)使它們有利于非均相多層軟光刻，例如RTV 615為在一個(gè)層中采用A-A過量而在另一個(gè)層中采用B-B過量。
硅樹脂硅樹脂聚合物可能具有最大的結(jié)構(gòu)變化，且?guī)缀蹩隙ň哂凶畲髷?shù)量的商業(yè)上可獲得的配方。RTV 615(其既允許非均相多層軟光刻也允許光刻膠封裝)的乙烯基與(Si-H)基的交聯(lián)已經(jīng)討論過了，但是這僅僅是硅樹脂聚合物化學(xué)中所用的多種交聯(lián)方法中的一種。
5.裝置的操作圖7B和圖7H一起示出了通過對(duì)第二流體通道(second flowchannel)加壓來關(guān)閉第一流體通道，圖7B(對(duì)應(yīng)于圖7A截?cái)嗔黧w通道32的前剖視圖)示出了開放的第一流體通道30；圖7H示出了通過對(duì)第二流體通道32加壓而關(guān)閉的第一流體通道30。
參照?qǐng)D7B，示出了第一流體通道30和第二流體通道32。隔膜25將這兩個(gè)流體通道隔開，形成第一流體通道30的頂部和第二流體通道32的底部。如圖所示，流體通道30是“開放的”。
如圖7H所示，對(duì)流體通道32加壓(通過在那里引入氣體或液體)使隔膜25向下偏移，從而夾斷通過流體通道30的流體F。因此，通過改變通道32內(nèi)的壓力，提供一個(gè)線性可驅(qū)動(dòng)的閥系統(tǒng)，以使流體通道30能夠通過移動(dòng)隔膜25自由地打開或關(guān)閉(僅僅為說明目的，圖7G所示的通道30處于“大部分關(guān)閉”的位置，而不是“完全關(guān)閉”位置)。
由于這種閥通過移動(dòng)通道本身的頂部(即移動(dòng)隔膜25)而被驅(qū)動(dòng)，所以由本技術(shù)產(chǎn)生的閥和泵具有真正的零死體積(zero deadvolumn)，并且由本技術(shù)制作的開關(guān)閥的死體積約等于閥的活動(dòng)體積，例如，約為100×100×10μm＝100pL。這種由移動(dòng)的閥消耗的死體積和面積比已知的傳統(tǒng)的微型閥小約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。更小和更大的閥和開關(guān)閥(switching valves)是本發(fā)明所預(yù)料的，并且死體積的非排他性列舉的范圍包括1aL到1uL，100aL到100nL，1fL到10nL，100fL到1nL，和1pL到100pL。
根據(jù)本發(fā)明的泵和閥能夠輸送極小的體積，其具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。具體地，能夠手動(dòng)計(jì)量的流體的已知的最小體積為約0.1μm。能夠由自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)量的已知的最小體積為約十倍大(1μm)。利用根據(jù)本發(fā)明的泵和閥，常規(guī)地能夠計(jì)量和分配10nl或更小的液體體積。通過本發(fā)明能夠精確計(jì)量極小的流體體積，這在包括診斷檢查和化驗(yàn)的眾多生物應(yīng)用中是非常有價(jià)值的。
等式1表示通過施加壓力，具有均勻厚度的矩形、線性、彈性、均質(zhì)的板的偏移(deflection)的高度簡化的數(shù)學(xué)模型(1)w＝(BPb4)/(Eh3)，其中w＝板的偏移；B＝形狀系數(shù)(取決于長寬比和板邊緣的支撐)；P＝施加的壓力；b＝板寬度；E＝楊氏模量；以及h＝板厚度。
因此即使在這十分簡化的表達(dá)式中，彈性體隔膜響應(yīng)壓力的偏移也將是隔膜的長度、寬度和厚度、隔膜柔性(楊氏模量)、以及施加的驅(qū)動(dòng)力的函數(shù)。因?yàn)檫@些參數(shù)中的每個(gè)都將根據(jù)本發(fā)明的特定彈性體裝置的實(shí)際的尺寸和物理成分而變化很大，大范圍的隔膜厚度和彈性、通道寬度以及驅(qū)動(dòng)力均是本發(fā)明所預(yù)料的。
應(yīng)該理解，前述的公式僅僅是一個(gè)近似值，因?yàn)橥ǔ８裟げ]有均勻的厚度，隔膜的厚度不是必須比長度和寬度小，并且該偏移不是必須比隔膜的長度、寬度或厚度小。然而，該等式可以作為調(diào)節(jié)可變參數(shù)的有用的向?qū)б詫?shí)現(xiàn)對(duì)施加力的期望的偏移響應(yīng)。
圖8A和圖8B示出了對(duì)于100μm寬的第一流體通道30和50μm寬的第二流體通道32，閥開度同施加壓力的對(duì)比。該裝置的隔膜是由通用電器(General Electric)硅樹脂RTV 615的層制成，其厚度為約30μm，楊氏模量約為750KPa。圖21a和21b示出了對(duì)大部分范圍的施加壓力基本上為線性的閥開度的范圍。
通過10cm長的塑料管件施加氣體壓力來驅(qū)動(dòng)該裝置的隔膜，該塑料管件的外徑為0.025″，連接到25mm的不銹鋼皮下注射管件上，該不銹鋼皮下注射管件的外徑為0.025″，內(nèi)徑為0.013″。通過將該塑料管沿垂直于控制通道的方向插入到彈性體塊內(nèi)來使其與控制通道接觸。從Lee公司生產(chǎn)的外部LHDA微型螺線管閥將氣體壓力施加在該皮下注射管(hypodermic tubing)上。
雖然到目前為止已經(jīng)描述了利用施加的氣體壓力來控制通過該裝置的物質(zhì)的流動(dòng)，但是也可以采用其它流體。
例如，氣體(空氣)是可壓縮的，因此在由外部螺線管閥施加壓力的時(shí)間和由該隔膜承受壓力的時(shí)間之間會(huì)有一定的延遲。在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，可以從外源向不可壓縮流體(例如水或液壓油)施加壓力，使得施加的壓力幾乎即時(shí)地傳遞到隔膜上。然而，如果閥的置換體積較大或控制通道較窄，控制流體的較高的粘性就可能促使驅(qū)動(dòng)中的延遲。傳遞壓力的最佳介質(zhì)因此取決于特定的應(yīng)用和裝置結(jié)構(gòu)，并且氣體和液體介質(zhì)均是本發(fā)明所預(yù)料的。
雖然上述外部施加的壓力是由泵/罐系統(tǒng)通過一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器和外部微型閥來施加的，但是其它施加外部壓力的方法也是本發(fā)明所預(yù)料的，包括氣罐、壓縮機(jī)、活塞系統(tǒng)和液柱。采用天然存在的壓力源也是預(yù)料之中的，例如活的有機(jī)體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的壓力源，如血壓、胃壓、腦脊髓液中的壓力、眼內(nèi)空間的壓力、以及肌肉在正常彎曲過程中產(chǎn)生的壓力。其它調(diào)節(jié)外部壓力的方法也是預(yù)料之中的，例如微型閥、泵、宏觀蠕動(dòng)泵、夾緊閥和諸如本領(lǐng)域熟知的其它類型的流體調(diào)節(jié)裝置。
如圖所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的閥的響應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)表現(xiàn)出在其運(yùn)行的大部分范圍內(nèi)幾乎為理想的線性，具有極小的滯后。因此，本閥理想地適用于微流體計(jì)量和流體控制。閥響應(yīng)的線性證實(shí)了單個(gè)閥可以很好地模擬成虎克定律彈簧。而且，能夠僅通過增加驅(qū)動(dòng)壓力來計(jì)算流體通道中的高壓(即背壓)。本發(fā)明人已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了在70KPa的背壓下關(guān)閉閥，但是更高的壓力也是預(yù)料之中的。以下為本發(fā)明包括的非排他性列舉的壓力范圍10Pa-25MPa，100Pa-10Mpa，1kPa-1Mpa，1kPa-300kPa，5kPa-200kPa，以及15kPa-100kPa。
雖然閥和泵不要求線性驅(qū)動(dòng)來開啟和關(guān)閉，但是線性響應(yīng)確實(shí)會(huì)使閥更易于用作計(jì)量裝置。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過將閥部分地驅(qū)動(dòng)到一個(gè)已知的關(guān)閉程度而將閥的開度用于控制流速。線性閥驅(qū)動(dòng)使得更易于確定將閥關(guān)閉到一個(gè)期望的關(guān)閉程度所需的驅(qū)動(dòng)力的值。線性驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)好處是閥驅(qū)動(dòng)所需的力可以很容易地由流體通道中的壓力確定。如果驅(qū)動(dòng)是線性的，則可以通過對(duì)閥的被驅(qū)動(dòng)部分增加同樣的壓力(單位面積上的力)來計(jì)算流體通道內(nèi)增加的壓力。
閥的線性取決于結(jié)構(gòu)、成分和閥結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方法。而且，線性是否為閥內(nèi)期望的特征取決于應(yīng)用。因此，可線性和非線性驅(qū)動(dòng)的閥均是本發(fā)明所預(yù)料的，并且閥可以線性驅(qū)動(dòng)的壓力范圍將會(huì)隨具體實(shí)施例而變化。
圖9示出了帶有連接芯片和上述氣閥的10cm長的空氣管的100μm ×100μm ×10μm RTV微型閥的時(shí)間響應(yīng)(即響應(yīng)于施加壓力變化的閥的關(guān)閉作為時(shí)間的函數(shù))圖9示出了數(shù)字控制信號(hào)的兩個(gè)周期、管末端的實(shí)際氣體壓力和閥開度。施加在控制管線上的壓力為100KPa，其實(shí)質(zhì)上高于關(guān)閉閥所需的約40KPa的壓力。因此，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，以比所需壓力大60KPa的壓力將閥推動(dòng)關(guān)閉。然而，當(dāng)打開時(shí)，僅通過閥本身的彈力(≤40KPa)將閥彈回到其靜止位置。因此，τ關(guān)被期望小于τ開。在控制信號(hào)和控制壓力響應(yīng)之間也有一個(gè)滯后，這是用于控制壓力的微型閥的局限性所造成的。將這種滯后稱為t和l/e時(shí)間常數(shù)τ，這些值為t開＝3.63ms，τ開＝1.88ms，t關(guān)＝2.15ms，τ關(guān)＝0.51ms。如果3個(gè)τ中的每個(gè)均允許被開啟和關(guān)閉，那么當(dāng)充滿水溶液時(shí)閥會(huì)在75Hz下舒適地運(yùn)行。
如果一個(gè)閥采用另一種不經(jīng)歷開啟與關(guān)閉滯后的驅(qū)動(dòng)方法，那么該閥會(huì)在約375Hz下運(yùn)行。也要注意通過改變隔膜厚度能夠調(diào)節(jié)彈簧常數(shù)，這使得快速開啟或快速關(guān)閉最優(yōu)化。還可以通過改變隔膜的彈性(楊氏模量)來調(diào)節(jié)彈簧常數(shù)，例如可通過將摻雜劑加入到隔膜內(nèi)或通過采用一種不同的彈性體材料用作隔膜(以上所述結(jié)合圖7C-7H)。
當(dāng)如圖9所示地用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量閥的性能時(shí)，由熒光性測(cè)量閥開度。在這些實(shí)驗(yàn)中，流體通道充滿了緩沖液(pH≥8)中的異硫氰酸熒光素(FITC)，并且在帶有10KHz帶寬的光電倍增管的外熒光顯微鏡上監(jiān)控占據(jù)通道中心約1/3的方形區(qū)域的熒光。用惠斯通電橋壓力傳感器(SenSym SCC15GD2)監(jiān)控壓力，同時(shí)由控制管線通過幾乎相同的氣動(dòng)連接對(duì)壓力傳感器加壓。
6.流體通道橫截面本發(fā)明的流體通道(flow channels)可以根據(jù)它們期望的應(yīng)用而任選地設(shè)計(jì)成不同的橫截面尺寸和形狀，以提供不同的優(yōu)點(diǎn)。例如，下部流體通道的橫截面形狀可以具有彎曲的上表面，或者沿著它的整個(gè)長度或位于上部交叉通道之下的區(qū)域內(nèi)。這種彎曲的上表面有助于如下的閥密封。
參照?qǐng)D10，示出了通過流體通道30和32的橫截面圖(類似于圖7B)。如圖所示，流體通道30的橫截面形狀為矩形。在本發(fā)明可選的優(yōu)選方面，如圖10所示，流體通道30的橫截面改為向上彎曲的表面。
首先參照?qǐng)D10，當(dāng)對(duì)流體通道32加壓時(shí)，將流體通道30和32隔開的彈性體塊24的隔膜部分25會(huì)向下移動(dòng)到點(diǎn)劃線25A、25B、25C、25D、和25E所示的相繼的位置。如圖所示，不完全的密封可能導(dǎo)致流體通道30的邊緣鄰近平面基板14。
在圖11的可選的優(yōu)選實(shí)施例中，流體通道30a具有彎曲的上壁25A。當(dāng)對(duì)流體通道32加壓時(shí)，隔膜25會(huì)向下移動(dòng)到點(diǎn)劃線25A2、25A3、25A4、和25A5所示的相繼的位置，且該隔膜的邊緣部分先移動(dòng)進(jìn)入該流體通道，之后是隔膜的頂部。隔膜25A具有這種彎曲的上表面的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)對(duì)流體通道32加壓時(shí)會(huì)提供更加完全的密封。具體地，流體通道30的上壁將相對(duì)平面基板14提供連續(xù)接觸的邊緣，從而避免了圖10所示的壁25和流體通道30之間的接觸“島”。
隔膜25A具有向上彎曲的流體通道表面的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于該隔膜能夠響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)更容易地適應(yīng)流體通道的形狀和容積。具體地，當(dāng)采用矩形流體通道時(shí)，必須迫使整個(gè)周長(2×流體通道高度加上流體通道寬度)進(jìn)入流體通道。然而，當(dāng)采用拱形流體通道時(shí)，更小的材料的周長(僅僅半圓的弧形部分)被迫使進(jìn)入到通道內(nèi)。這樣，對(duì)于驅(qū)動(dòng)隔膜需要更少的周長變化，從而使得對(duì)于阻塞流體通道所施加的驅(qū)動(dòng)力更敏感。
在可選的方面(未示出)，流體通道的底部是圓形的，以便它的彎曲表面能夠與上述圖20中所示的彎曲的上壁25A緊密配合。
總之，在驅(qū)動(dòng)下隔膜所經(jīng)歷的實(shí)際的結(jié)構(gòu)變化將取決于特定的彈性體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。具體地，該結(jié)構(gòu)變化將取決于隔膜的長度、寬度和厚度輪廓，它在該彈性體結(jié)構(gòu)其它部分上的附件，以及流體通道和控制通道的長度、寬度和形狀及所用彈性體的材料性質(zhì)。該結(jié)構(gòu)變化可能還取決于驅(qū)動(dòng)方法，如響應(yīng)于施加的壓力的隔膜的驅(qū)動(dòng)會(huì)稍微不同于響應(yīng)于磁力或靜電力的驅(qū)動(dòng)。
此外，隔膜內(nèi)所期望的結(jié)構(gòu)變化還將根據(jù)彈性體結(jié)構(gòu)的特別應(yīng)用而改變。在上述最簡單的實(shí)施例中，閥可以打開或者關(guān)閉，且計(jì)量控制閥關(guān)閉的程度。但是，在其它實(shí)施例中，可能期望改變隔膜和/或流體通道的形狀以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的流量調(diào)節(jié)。例如，該流體通道可以在隔膜部分的下面設(shè)有凸出的突起，以便一經(jīng)驅(qū)動(dòng)，隔膜僅僅切斷一定百分比的通過流體通道的流量，并且被阻塞的那部分百分比的流體不易受施加的驅(qū)動(dòng)力的影響。
很多隔膜厚度外形和流體通道橫截面是本發(fā)明預(yù)料之中的，包括矩形、梯形、圓形、橢圓形、拋物線、雙曲線和多邊形，以及上述形狀的部分。更復(fù)雜的橫截面形狀，如以上剛討論過的帶有突起的實(shí)施例或在流體通道中具有凹面的實(shí)施例，也是本發(fā)明預(yù)料之中的。
另外，雖然以上主要結(jié)合實(shí)施例描述了本發(fā)明，該實(shí)施例中，流體通道的壁和頂部是由彈性體形成的，通道的底部是由在下面的基板形成的，但本發(fā)明并不限于這個(gè)具體定位。流體通道的壁和底部還可以在下面的基板內(nèi)形成，而只有流體通道的頂部由彈性體構(gòu)成。響應(yīng)于施加的驅(qū)動(dòng)力，該彈性體流體通道頂部向下凸出進(jìn)入通道，從而控制通過流體通道的物質(zhì)的流動(dòng)(或流量)。通常，如在本中請(qǐng)的別處描述的整體的彈性體結(jié)構(gòu)優(yōu)選用于微流體應(yīng)用。然而，采用在基板內(nèi)形成的通道可能是有用的，這種布置具有優(yōu)勢(shì)。例如，可以構(gòu)造具有光波導(dǎo)管的基板，以便該光波導(dǎo)管將光特定地定向至微流體通道的側(cè)面。
7.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖12A和12B示出了與前述系統(tǒng)(例如圖7A中)相同的單個(gè)開關(guān)閥(single on/off valve)的圖。13A和13B示出了蠕動(dòng)泵送系統(tǒng)(peristaltic pumping system)，其由多個(gè)圖12中所示的單個(gè)可尋址的開關(guān)閥(single addressable on/off valve)進(jìn)而網(wǎng)絡(luò)化到一起而組成的。圖14是示出用實(shí)驗(yàn)方法獲得的圖13的蠕動(dòng)泵送系統(tǒng)的泵送速率(pumping rate)與頻率的關(guān)系的曲線圖。圖15A和15B示出了多個(gè)由單個(gè)控制管線控制的流體通道的示意圖。該系統(tǒng)還包括多個(gè)共同多路傳輸?shù)膱D12的單個(gè)可尋址的開關(guān)閥，但是不同于圖12的布置。圖16為適于允許流體流動(dòng)通過選擇的通道的多路傳輸系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括多個(gè)連接在一起或網(wǎng)絡(luò)化到一起的圖12的單個(gè)開關(guān)閥。
首先參照?qǐng)D12A和12B，示出了流體通道30和32的示意圖。流體通道30優(yōu)選地使得液體(或氣體)流體F通過30。對(duì)流體通道32(其橫跨流體通道30，如本文已經(jīng)解釋過的)加壓，以便將兩個(gè)流體通道隔開的隔膜25壓低到流體通道30的通道內(nèi)，切斷通過該處的流體F的通道(如已經(jīng)解釋過的)。這樣，“流體通道32”還可以被稱作在流體通道30中驅(qū)動(dòng)單個(gè)閥的“控制管線”。在圖12到圖15中，多個(gè)這樣的可尋址閥以各種不同的布置連接或網(wǎng)絡(luò)化在一起來產(chǎn)生能夠蠕動(dòng)泵送和用于其他流體的合理應(yīng)用的泵。
參照?qǐng)D13A和圖13B，提供了如下用于蠕動(dòng)泵送的系統(tǒng)。流體通道30具有通過其上的多個(gè)基本平行的流體通道(即控制管線)32A、32B和32C。通過對(duì)控制管線32A加壓，在控制管線32A和流體通道30的交叉處在隔膜25A下切斷通過流體通道30的流體F。類似地，(但未示出)，通過對(duì)控制管線32B加壓，在控制管線32B和流體通道30的交叉處在隔膜25B下切斷通過流體通道30的流體F。
控制管線32A、32B和32C中的每個(gè)都分別是可尋址的。因此，可以通過依次一起驅(qū)動(dòng)32A和32C、驅(qū)動(dòng)32A、一起驅(qū)動(dòng)32A和32B、驅(qū)動(dòng)32B、一起驅(qū)動(dòng)32B和32C等等的模式來驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)。這對(duì)應(yīng)于相繼的“101，100，110，010，011，001”模式，其中，“0”代表“閥開啟”，“1”代表“閥關(guān)閉”。該蠕動(dòng)模式也是熟知的120°模式(指在三個(gè)閥之間的驅(qū)動(dòng)的相角)。其他的蠕動(dòng)模式同樣是可能的，包括60°和90°模式。
在本發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，在40KPa的驅(qū)動(dòng)壓力下，用100×100×10μm閥通過測(cè)定水柱在細(xì)管(0.5mm內(nèi)徑)中的行進(jìn)距離測(cè)得泵送速率為2.35nL/s。該泵送速率隨著驅(qū)動(dòng)頻率而增長直到接近75Hz，然后接近常數(shù)直到超出200Hz。這些閥和泵也是十分耐用的，并且該彈性體隔膜、控制通道或粘結(jié)從來沒有被發(fā)現(xiàn)過失效。在本發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，這里所述的蠕動(dòng)泵中的閥在經(jīng)過四百萬次以上的驅(qū)動(dòng)后均沒有表現(xiàn)出任何磨損或疲勞的跡象。除了它們的耐用性外，它們也是易控制的(或緩和的)。將E.Coli溶液泵送通過通道并檢測(cè)其成活率，表現(xiàn)出具有94％的生存率。
圖14為示出用實(shí)驗(yàn)方法獲得的圖13的蠕動(dòng)泵送系統(tǒng)中泵送速率與頻率的關(guān)系的曲線圖。
圖15A和15B示出了裝配多個(gè)圖12的可尋址閥的另一種方法。具體地，設(shè)置多個(gè)平行的流體通道30A、30B和30C。流體通道(即控制管線)32經(jīng)過其上面橫穿過流體通道30A、30B和30C。對(duì)控制管線32的施壓，通過將位于控制管線32和流體通道30A、30B和30C交叉處的隔膜25A、25B和25C壓下來同時(shí)切斷流體F1、F2和F3。
圖16為如下適于選擇性地允許流體流過選擇的通道的多路輸送系統(tǒng)的示意圖。將各個(gè)流體通道與其上通過的控制管線隔開的隔膜的向下偏移(例如，圖15A和圖15B中的隔膜25A、25B和25C)主要取決于隔膜尺寸。因此，通過改變圖15A和15B中的流體通道控制管線32的寬度，可使得控制管線通過多個(gè)流體通道的上方，而只驅(qū)動(dòng)(即密封)期望的流體通道。如下，圖16為這種系統(tǒng)的示意圖。
多個(gè)平行的流體通道30A、30B、30C、30D、30E和30F設(shè)置在多個(gè)平行的控制管線32A、32B、32C、32D、32E和32F下方?？刂仆ǖ?2A、32B、32C、32D、32E和32F適用于采用經(jīng)下述修改的任何上述閥系統(tǒng)來切斷通過平行的流體通道30A、30B、30C、30D、30E和30F的流體F1、F2、F3、F4、F5和F6。
控制管線32A、32B、32C、32D、32E和32F中的每個(gè)都具有寬部分和窄部分。例如，控制管線32A在設(shè)置在流體通道30A、30C和30E上方的位置為寬的。同樣，控制管線32B在設(shè)置于流體通道30B、30D和30F上方的位置是寬的，以及控制管線32C在設(shè)置于流體通道30A、30B、30E和30F上方的位置是寬的。
在各個(gè)控制管線為寬的位置，對(duì)其加壓會(huì)使得隔開流體通道和控制通道的隔膜25明顯地下壓進(jìn)入流體通道，從而阻塞通過該處的流體通路。相反，在各個(gè)控制管線為窄的位置，隔膜25也將是窄的。因此，同樣程度的加壓不會(huì)導(dǎo)致隔膜25下壓進(jìn)入流體通道30。因此，其下的流體通路不會(huì)被阻塞。
例如，當(dāng)對(duì)控制管線32A加壓時(shí)，會(huì)阻塞流體通道30A、30C和30E內(nèi)的流體F1、F3和F5。同樣，當(dāng)對(duì)控制管線32C加壓時(shí)，會(huì)阻塞流體通道30A、30B、30E和30F內(nèi)的流體F1、F2、F5和F6。可以理解，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)以上控制管線。例如，能夠?qū)刂乒芫€32A和32C同時(shí)加壓來阻塞除了F4以外的所有流體流(32A阻塞F1、F3和F5，32C阻塞F1、F2、F5和F6)。
通過選擇性地對(duì)不同的控制管線32一起并按不同次序施壓，能夠?qū)崿F(xiàn)很大程度的流體流動(dòng)控制。而且，將本系統(tǒng)延伸到六個(gè)以上平行的流體通道(30)和四個(gè)以上平行的控制管線(32)，并且通過改變控制管線的寬區(qū)域和窄區(qū)域的位置，可以制作非常復(fù)雜的流體流動(dòng)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特性是可能用僅僅2(log2n)個(gè)控制管線來開啟n個(gè)流體通道中的任何一個(gè)流體通道。
8.可轉(zhuǎn)換的流體排列在又一個(gè)新的實(shí)施例中，可以選擇性地將流體通路定向?yàn)樵趦蓚€(gè)垂直方向中任何一個(gè)方向上流動(dòng)。圖17A到17D提供了這種“可轉(zhuǎn)換流體排列”系統(tǒng)的實(shí)例。圖17A為彈性體90的第一層的底視圖，(或任何其他適當(dāng)?shù)幕?，具有一個(gè)凹槽圖樣的底表面，該凹槽形成由實(shí)心柱92的排列限定的流體通道格，每個(gè)流體通道格具有經(jīng)過其周圍的流體通道。
在優(yōu)選的方面，將彈性體的附加層粘合在層90的上表面，以便能夠選擇性地將流體流動(dòng)定向?yàn)樵诜较騀1或垂直方向F2上移動(dòng)。圖17B為彈性體95的第二層的底表面的仰視圖，示出了以交替的“垂直”控制管線96和“水平”控制管線94的形式而形成的凹槽。如圖所示，“垂直”控制管線96沿著其自身具有相同的寬度，而“水平”控制管線94具有交替的寬部分和窄部分。
如圖17D所示，彈性體層95設(shè)置在彈性體層90頂部的上方，以便“垂直”的控制管線96設(shè)置在圖17C所示的柱92上方，并且“水平”控制管線94的寬部分設(shè)置在柱92之間。
如圖17C所示，當(dāng)對(duì)“垂直”控制管線96施壓時(shí)，由最初設(shè)置在區(qū)域98內(nèi)的層90和95之間的彈性體層形成的整體結(jié)構(gòu)的隔膜將在流體通道排列的上方向下偏移，以便流體只能在流動(dòng)方向F2(即垂直地)上通過，如圖所示。
如圖17D所示，當(dāng)對(duì)“水平”控制管線94施壓時(shí)，由最初設(shè)置在區(qū)域99內(nèi)的層90和95之間的彈性體層形成的整體結(jié)構(gòu)的隔膜將在流體通道排列的上方向下偏移，(但是僅在它們最寬的區(qū)域內(nèi))，以使得如圖所示，流體只能在流動(dòng)方向F1(即水平地)通過。
圖17A-D所示的設(shè)計(jì)允許可轉(zhuǎn)換的流體排列僅僅由兩個(gè)彈性體層構(gòu)成，而不需要通過不同彈性體層內(nèi)的控制管線之間垂直的通道。如果將所有垂直的流體控制管線94連接，可以從一個(gè)輸入端對(duì)它們加壓。對(duì)于所有水平流體控制管線96同樣適用。
9.單元圍欄在本發(fā)明又一應(yīng)用中，可以利用彈性體結(jié)構(gòu)操作有機(jī)體或其它生物材料。圖18A-18D示出了根據(jù)本發(fā)明的單元圍欄(cell pen)結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的平面圖。
單元圍欄陣列4400的特征為直角導(dǎo)向的流體通道4402的排列，在交替的流體通道的交叉點(diǎn)處具有放大的“圍欄(pen)”結(jié)構(gòu)4404。閥4406設(shè)置在每個(gè)圍欄結(jié)構(gòu)4404的入口和出口。蠕動(dòng)泵結(jié)構(gòu)4408設(shè)置在每個(gè)水平流體通道和缺少單元圍欄結(jié)構(gòu)的垂直流體通道上。
圖18A的單元圍欄陣列4400已經(jīng)加載有先前分選的單元A-H。圖18B-18C示出了單獨(dú)存儲(chǔ)的單元C的進(jìn)入和移出，其通過1)在相鄰的圍欄4404a和4404b的每一邊上打開閥4406，2)泵送水平的流體通道4402a以移出單元C和G，以及之后3)泵送垂直的流體通道4402b以移出單元C。圖18D示出了通過轉(zhuǎn)換流經(jīng)水平流體通道4402a的液體的方向?qū)⒌诙卧狦移回到它原先在單元圍欄陣列4404中的位置。上述單元圍欄陣列4404能夠在選擇的可選址的位置內(nèi)存貯物質(zhì)以便于訪問。
雖然以上結(jié)合圖18A-18D所示和所述的實(shí)施例在流體通道交叉點(diǎn)的相對(duì)側(cè)面上采用連接的閥對(duì)，但是這并不是本發(fā)明所必須的。其它結(jié)構(gòu)，包括交叉點(diǎn)相鄰閥的連接，或在交叉點(diǎn)周圍的每個(gè)閥的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，都可以提供所期望的流動(dòng)特征。然而，對(duì)于獨(dú)立的閥驅(qū)動(dòng)方法，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到對(duì)于每個(gè)閥都將采用單獨(dú)的控制結(jié)構(gòu)，使裝置布局變得復(fù)雜。
II.微流體大規(guī)模集成前面部分已經(jīng)描述了基本上防漏和可剝離的單塊微型閥，并且還描述了制作這些微型閥的方法。對(duì)于前述的相對(duì)簡單的微流體閥的排列，每個(gè)流體流動(dòng)通道可以由它自己單獨(dú)的閥控制通道來控制。然而，對(duì)于包括成千或甚至上萬個(gè)可單獨(dú)尋址閥的更復(fù)雜的陣列實(shí)際上不能實(shí)現(xiàn)這種非集成的控制策略。因此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了多種可以單獨(dú)或組合應(yīng)用的方法(或技術(shù))，以允許制作具有可單獨(dú)尋址閥的大規(guī)模集成的微流體裝置。
根據(jù)本發(fā)明的高密度微流體芯片的實(shí)施例包含帶有數(shù)千個(gè)微機(jī)械閥和數(shù)百個(gè)可單獨(dú)尋址的室的管道系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。這些流體裝置與采用大規(guī)模集成制作的電子集成電路相似。這些網(wǎng)絡(luò)的組件是流體多路轉(zhuǎn)換器(multiplexor)，該流體多路轉(zhuǎn)換器是二元閥(binaryvalve)模式的組合排列，其通過允許用最小數(shù)量的輸入進(jìn)行復(fù)雜流體操作來按指數(shù)規(guī)律增加網(wǎng)絡(luò)的處理能力。這些集成的微流體網(wǎng)絡(luò)可用于構(gòu)造比較器陣列的微流體類似物和類似于電子隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的微流體存儲(chǔ)裝置。
1.通過多路轉(zhuǎn)換器控制流動(dòng)管線先前已經(jīng)描述了關(guān)于覆蓋在單組流體通道上的單組控制管線的多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的使用。圖19A為示出了微流體二進(jìn)制樹形網(wǎng)絡(luò)(二元樹)多路轉(zhuǎn)換器操作圖的簡化平面圖。限定在下部彈性體層內(nèi)的流動(dòng)通道(流體通道)1900包含重要相關(guān)流體(fluid of interest)，而限定在疊加的彈性體層內(nèi)的控制通道1902表示含有驅(qū)動(dòng)流體(例如空氣或水)的控制管線。閥1904由形成在控制通道1902的較寬部分1902a與流動(dòng)通道1900的交叉處的隔膜所限定。選擇驅(qū)動(dòng)壓力使得只有寬隔膜完全偏移進(jìn)入流動(dòng)通道1900。具體地，當(dāng)控制通道寬度與流動(dòng)通道寬度的比率下降時(shí)，多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)取決于驅(qū)動(dòng)閥所需壓力的明顯增加。
圖19A所示的多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)為閥的二進(jìn)制樹形網(wǎng)絡(luò)形式，其中每級(jí)從總共兩組流動(dòng)通道中選出一個(gè)。在圖19A所示的多路轉(zhuǎn)換器實(shí)施例中，該多路轉(zhuǎn)換器中開/關(guān)閥的每個(gè)組合選擇單獨(dú)的通道，以便只用2log2n個(gè)控制通道就能夠處理n個(gè)流動(dòng)通道。
通過采用多路轉(zhuǎn)換閥系統(tǒng)，二進(jìn)制系統(tǒng)的能力變得很明顯只需要大約20個(gè)控制通道來具體地處理1024個(gè)流動(dòng)通道。這允許大量的彈性體微型閥來完成這些裝置內(nèi)復(fù)雜的流體操作，而該裝置和外部環(huán)境之間的界面簡單且堅(jiān)固。
圖19B所示為根據(jù)本發(fā)明的多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例的簡化平面圖。多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)1950包括控制通道1952，其形成于覆蓋在下面彈性體層的流動(dòng)通道1954上的彈性體層內(nèi)。根據(jù)圖19A的多路轉(zhuǎn)換器的相同的物理原理操作，多路轉(zhuǎn)換器1950包括閥的三進(jìn)制樹形網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)級(jí)包括3位(“三進(jìn)制數(shù)”)，并從總共三組流動(dòng)通道中選出一個(gè)。多路轉(zhuǎn)換器1950內(nèi)的開/關(guān)閥的每個(gè)組合選擇單獨(dú)的通道，以便只用3log3n個(gè)控制通道就能夠處理n個(gè)流動(dòng)通道。
圖20的簡化橫截面圖可以總地代表圖19A-B中所示的任一基本多路轉(zhuǎn)換器裝置的一般的微流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中限定控制通道網(wǎng)絡(luò)C的第二彈性體層E2覆蓋在限定流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)F的第一彈性體層E1的上面。
圖19B的底數(shù)為3的多路轉(zhuǎn)換器是最有效的設(shè)計(jì)，可用于處理大量的“流體”通道。這是因?yàn)楫?dāng)e用于log的底數(shù)時(shí)，使得xlogxn閥最小。由于分?jǐn)?shù)不能由于實(shí)際多路轉(zhuǎn)換器的底數(shù)，所以當(dāng)x值＝<p>如圖12所示，了解到，在設(shè)每1kg洗滌物的銀附著量為橫軸(x軸)，抑菌活性值為縱軸(y軸)時(shí)，圓滑連接在兩個(gè)坐標(biāo)上具有表1的銀附著量與抑菌活性值的3個(gè)點(diǎn)所得的曲線，可用單調(diào)增加的函數(shù)y＝0.0981exp(3.4084x)近似。如果根據(jù)該函數(shù)求抑菌活性值為2時(shí)的銀附著量，即y＝2時(shí)的x的值，則x＝0.88(約0.9)。
因此，如果抑菌活性值在2以上，則可認(rèn)為具有抗菌效果，所以根據(jù)圖12，如果每1kg洗滌物的銀附著量在0.9mg以上，則可說具有抗菌效果。
另一方面，對(duì)每1kg洗滌物的銀附著量與此時(shí)的光反射率之間的關(guān)系也進(jìn)行了調(diào)查。該結(jié)果示于表2。另外，光反射率，設(shè)無處理時(shí)(銀附著量為0mg/kg時(shí))的反射率為1，用相對(duì)比表示。
表2


根據(jù)表2的結(jié)果，如果每1kg洗滌物的銀附著量是10mg左右，則光反射率與無處理時(shí)的差是1％左右，肉眼看不出差別。但是，當(dāng)上述銀附著量達(dá)到19mg以上時(shí)，光反射率與無處理時(shí)的差擴(kuò)大到3％，肉眼也可看出差別。這可認(rèn)為是因?yàn)?，由銀化合物產(chǎn)生的黑的變色物附著在洗滌物上。在白色洗滌物的情況下，這樣的黑化物的附著很明顯，而且，即使不是白色的洗滌物，當(dāng)反復(fù)洗濯時(shí)，黑化物也可能變得明顯。因此，希望每1kg洗滌物的銀附著量小于19mg，更希望為10mg以下。
然后，調(diào)查每1kg洗滌物的銀附著量與臭味的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，將洗濯結(jié)束后(脫水結(jié)束后)的布保持濕的狀態(tài)密閉，在37℃的高溫槽內(nèi)保持18小時(shí)后，在沒有附著銀的布上產(chǎn)生了難聞的臭味。與此相對(duì)，在每1kg洗滌物附著了0.1mg的銀的布上，在與上述同樣的條件下，沒有產(chǎn)生難聞的臭味。因此，認(rèn)為如果每1kg洗滌物的銀附著量在0.1mg以上，則可利用洗滌物上附著的銀(銀離子)的抗菌效果更切實(shí)地抑制能使人感到不快的程度的臭味。
前面所示和描述的標(biāo)準(zhǔn)多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)適用于多種應(yīng)用。然而，多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例在某種情況下可以表現(xiàn)出提高的性能。
例如，當(dāng)選擇若干個(gè)流體輸入并連續(xù)引入芯片的其他區(qū)域時(shí)，由于閥之間存在的死體積會(huì)引起交叉污染。因此，圖28示出了本發(fā)明多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例的簡化平面圖，其特征為死體積最小。
具體地，多路轉(zhuǎn)換器2800包括具有以流體輸入樹形網(wǎng)絡(luò)形式設(shè)置的樣品輸入2804的流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)2802?？刂乒芫€2806設(shè)置成三級(jí)，第一和第二三進(jìn)制級(jí)2806a和2806b、以及二進(jìn)制級(jí)2806c控制管線接入流到流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)出口2808的流動(dòng)的流體?？刂乒芫€2806設(shè)置成使得控制閥2810放置在盡可能靠近每個(gè)流動(dòng)通道的交叉點(diǎn)處，以使死體積最小。此外，將每個(gè)多路轉(zhuǎn)換器最后的輸入管線2814指定用于容納緩沖劑，從而可以清洗流動(dòng)通道和流動(dòng)通道交叉點(diǎn)的內(nèi)部。
2.由其他控制管線來控制控制管線一種用于制作大規(guī)模集成(LSI)微流體裝置的方法是采用多層控制管線。圖21-21B示出了這種方法。圖21所示為具有由第二控制管線所控制的第一控制管線的微流體裝置的實(shí)施例的平面圖。圖21A所示為圖21的微流體裝置沿著線21A-21A′的橫截面視圖。圖21B所示為圖21的微流體裝置沿著線21B-21B′的橫截面視圖。
微流體結(jié)構(gòu)2100包括兩個(gè)形成在最低彈性體層2104內(nèi)的流動(dòng)通道2102a-b。第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2106，包括與第一和第二分支2106b和2106c成流體連通的第一入口2106a，形成于覆蓋在第一彈性體層2104上的第二彈性體層2108內(nèi)。第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2106的第一分支2106b包括覆蓋在第一流動(dòng)通道2102a上的加寬部分2110，以限定第一閥2112。第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2106的第二分支2106c包括覆蓋在第二流動(dòng)通道2102b上的加寬部分2114，以定義第二閥2116。
包括第三控制通道2118a的第二控制通道網(wǎng)絡(luò)2118形成于覆蓋在第二彈性體層2108上的第三彈性體層2120內(nèi)。第三控制通道2118a包括覆蓋在第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2106的第一分支2106b上的加寬的部分2118b，以形成閥2122。
可以如下地操作圖21-21B所示的微流體裝置。被操作的流體出現(xiàn)在流動(dòng)通道2102a和2102b內(nèi)。對(duì)第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2106施加壓力使得閥2112和2116的隔膜向下偏移進(jìn)入它們各自的流動(dòng)通道2102a和2102b，從而用閥門調(diào)節(jié)通過這些流動(dòng)通道的流量。
對(duì)第二控制通道網(wǎng)絡(luò)2118施加壓力使得閥2122的隔膜向下偏移只進(jìn)入下面的第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2106的第一分支2106c內(nèi)。這會(huì)使閥2112固定在它偏移的狀態(tài)，之后允許改變第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2106內(nèi)的壓力而不影響閥2112的狀態(tài)。
圖22的簡化橫截面視圖概括了圖21-21B所示的微流體裝置的一般結(jié)構(gòu)。具體地，彈性體裝置2200包括限定流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)F的最下面的彈性體層E1，彈性體層E1位于限定第一控制通道網(wǎng)絡(luò)C1的第二彈性體層E2的下面。第一控制通道網(wǎng)絡(luò)C1又位于限定在第三彈性體層E3內(nèi)的第二控制通道網(wǎng)絡(luò)C2的下面。
雖然將圖21-21B的微流體裝置的實(shí)施例描述成是由三個(gè)獨(dú)立的彈性體層制成的，但是這并不是本發(fā)明所必須的。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的特征為多路傳輸控制管線的大規(guī)模集成微流體結(jié)構(gòu)可以僅僅采用兩個(gè)彈性體層制成。結(jié)合圖23-23B示出和說明了這種方法。
圖23示出了一種微型制作的彈性體裝置的簡化平面圖，該裝置包括第一和第二流動(dòng)通道2300a和2300b，以及覆蓋在流動(dòng)通道2300a和2300b上的第一分支控制通道網(wǎng)絡(luò)2302，以分別限定閥2304和2306。圖23A示出了圖23的微制作彈性體裝置沿著線23A-23A′的橫截面視圖，其具有限定在下部彈性體層2306內(nèi)的流動(dòng)通道2300a，和限定在上部彈性體層2310內(nèi)的第一控制通道2302。
下部彈性體層2308還包括在第一控制通道2302下面運(yùn)行的第二控制通道網(wǎng)絡(luò)2312，以限定閥2314。因此，圖23B示出了圖23的微制作彈性體裝置沿著線23B-23B′的橫截面圖。雖然流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)2300和第二控制通道網(wǎng)絡(luò)2312處于同一(下部)彈性體層2308內(nèi)，但是兩者相互隔開且彼此不交叉。
如圖24的簡化橫截面圖所示，隔開的流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)F和控制通道網(wǎng)絡(luò)C2可以因此在一個(gè)(較低的)彈性體層E1上，該彈性體層E1由另一個(gè)僅僅限定控制通道網(wǎng)絡(luò)C1的彈性體層E2所覆蓋。
可以如下地操作圖23-23B所示的微流體裝置。被操作的流體在流動(dòng)通道2300a和2300b內(nèi)。對(duì)第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2302施加壓力使得閥2304的隔膜向下偏移進(jìn)入它們各自的流動(dòng)通道2300a和2300b，從而用閥門調(diào)節(jié)通過這些流動(dòng)通道的流量。
對(duì)第二控制通道網(wǎng)絡(luò)2312施加壓力使得閥2314的隔膜向上偏移進(jìn)入第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2302的上覆蓋的分支2302a內(nèi)。這會(huì)使閥2314固定在它偏移的狀態(tài)，且允許改變第一控制網(wǎng)絡(luò)2302內(nèi)的壓力而不影響閥2314的狀態(tài)。
與圖21所示的實(shí)施例不同，圖23-23B的微流體裝置的特征為通過響應(yīng)于升高的壓力而向上偏移進(jìn)入相鄰的控制通道來操作閥。包含這種向上偏移的閥的大規(guī)模集成微流體結(jié)構(gòu)可以包括具有圓形或弓形橫截面的流動(dòng)通道，以有助于以類似于以上結(jié)合圖11所描述的方式將閥關(guān)閉。這樣，在上部和下部水平面上都包括流動(dòng)通道的兩層微流體結(jié)構(gòu)內(nèi)，上部的和下部的通道均優(yōu)選地呈拱形。下面第8部分對(duì)這種向上偏移的閥的制作和性能做了詳細(xì)論述。
可以采用圖23-23B和圖24的方法來引入對(duì)復(fù)雜流體功能性幾乎無限的控制，而不必采用多于兩層。結(jié)合圖25說明了這一點(diǎn)，圖25為微流體結(jié)構(gòu)2500的橫截面圖，該微流體結(jié)構(gòu)包括具有流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)F和限定在其中的第二控制通道網(wǎng)絡(luò)C2的下部彈性體層E1，彈性體層E1位于上部彈性體層E2的下面，且彈性體層E2具有限定于其中的隔開的第一控制通道網(wǎng)絡(luò)C1和第三控制通道網(wǎng)絡(luò)C3。
如結(jié)合圖21-25所示和所述的采用控制通道來控制其他控制通道的微流體裝置，由于采用了單個(gè)控制通道網(wǎng)絡(luò)而相對(duì)于傳統(tǒng)的微流體裝置具有諸多優(yōu)勢(shì)。一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì)在于加強(qiáng)了功能性。
具體而言，圖19A-B的簡單的多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，允許用閥調(diào)節(jié)在只指定xlogxn個(gè)控制通道的n個(gè)流動(dòng)通道中除了一個(gè)流動(dòng)通道外的其它所有的流動(dòng)通道，從而允許流體通過單個(gè)通道。然而，圖19A-B的簡單的多路轉(zhuǎn)換器不允許用于逆向功能，其中，采用具有相同數(shù)量(xlogxn)的控制管線的多路轉(zhuǎn)換器只能同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)閥。
然而，如前所述，這種功能性可通過利用控制管線控制其它控制管線來實(shí)現(xiàn)。圖26示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的逆向多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)2601的一個(gè)實(shí)施例，其采用多層控制管線。
形成在第一彈性體層內(nèi)的平行流動(dòng)通道2600由控制通道網(wǎng)絡(luò)2602所覆蓋，該控制通道網(wǎng)絡(luò)2602包括形成于第二彈性體層內(nèi)且共享公共入口2602b的一套平行的控制通道2602a?？刂仆ǖ?602a的數(shù)量同流動(dòng)通道2600相同，每個(gè)控制通道的加寬部分2602b覆蓋于相應(yīng)的流動(dòng)通道2600中的一個(gè)上，以限定閥2610。
在公共入口2602b和第一流動(dòng)通道之間的位置，控制通道的第二網(wǎng)絡(luò)2604經(jīng)過第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2602的附近，限定多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)2606，其包括多個(gè)可驅(qū)動(dòng)隔膜形式的閥2612。在某些實(shí)施例中，限定多路轉(zhuǎn)換器的控制管線的第二網(wǎng)絡(luò)可以形成于第三彈性體層內(nèi)，第三彈性體層覆蓋在包含第一控制通道網(wǎng)絡(luò)的第二彈性體層上。可選地，限定該多路轉(zhuǎn)換器的控制管線的第二網(wǎng)絡(luò)可以形成于第一彈性體層內(nèi)，在流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)的旁邊但不與其交叉。
在圖26所示的逆向多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的操作過程中，起初降低第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2602的公共入口2602b的壓力。然后驅(qū)動(dòng)多路轉(zhuǎn)換器2604來選擇第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2602中除了一個(gè)通道外的所有通道。接著，對(duì)入口2602b加壓以使網(wǎng)絡(luò)2602的唯一沒有被選擇的控制通道中的壓力增加，從而驅(qū)動(dòng)唯一沒有被選擇的控制通道的閥。從而實(shí)現(xiàn)了逆向多路傳輸功能。
采用控制管線來控制其它的控制管線的另一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì)在于減少了控制復(fù)雜微流體結(jié)構(gòu)所需的外部可訪問的控制管線的數(shù)量。具體地，可以將多層控制管線的使用與剛剛描述過的多路轉(zhuǎn)換器概念相結(jié)合，以允許少數(shù)外部可訪問的控制管線對(duì)大量控制通道施加控制，這些控制管道擔(dān)負(fù)著大量內(nèi)部閥結(jié)構(gòu)的操作。
圖27示出了利用級(jí)聯(lián)多路轉(zhuǎn)換器的根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置2700的一個(gè)實(shí)施例的簡化平面圖。具體地，限定在一個(gè)彈性體層內(nèi)的平行流動(dòng)通道2701被第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2702所覆蓋，其特征為寬和窄的控制通道部分限定了多路轉(zhuǎn)換器2703。第一控制通道網(wǎng)絡(luò)2702又覆蓋在第二流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)2704上或者位于其下，其特征也為寬或窄的控制通道部分限定了第二多路轉(zhuǎn)換器2706。
圖27示出了僅僅包括六個(gè)控制管線的多路轉(zhuǎn)換器，只需要單個(gè)輸入(入口)，在將其與第二多路轉(zhuǎn)換器串聯(lián)(級(jí)聯(lián))形成共計(jì)僅僅7個(gè)控制管線后，如何可以控制共計(jì)27個(gè)流體管線。第二多路轉(zhuǎn)換器的邏輯狀態(tài)可以依次通過采用第一多路轉(zhuǎn)換器處理每根管線，然后利用附加的輸入調(diào)整這種狀態(tài)來設(shè)置。由于PDMS的內(nèi)在的氣體滲透性，第二多路轉(zhuǎn)換器內(nèi)的超時(shí)的壓力通過驅(qū)動(dòng)流體的蒸發(fā)或釋放而被降低，所以高壓(on)狀態(tài)通?？梢员Ａ粲邢薜臅r(shí)間。這種壓力損失能夠以兩種方法抵消，或者通過定期恢復(fù)第二多路轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，或者通過將驅(qū)動(dòng)流體的損失速率降低到相對(duì)于實(shí)驗(yàn)的總體時(shí)間可以忽略的水平。
如上所述，二進(jìn)制或其它閥模式的組合排列通過允許用最小量的受控輸入(入口)進(jìn)行復(fù)雜流體操作能夠提高網(wǎng)絡(luò)的處理能力。這種多路傳輸控制管線能夠用于制作帶有數(shù)千個(gè)閥和數(shù)百個(gè)可單獨(dú)尋址的反應(yīng)室的硅樹脂裝置，且實(shí)質(zhì)性地降低了處理單獨(dú)的閥結(jié)構(gòu)所需的控制輸入(入口)的數(shù)量。
3.微流體存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微流體技術(shù)可用于制作芯片，該芯片包含1000個(gè)可單獨(dú)尋址的皮升(picoliter)級(jí)的室的高密度排列，其可以用作微流體記憶存儲(chǔ)裝置。采用兩個(gè)多路轉(zhuǎn)換器作為流體設(shè)計(jì)元件，微流體記憶存儲(chǔ)裝置設(shè)計(jì)成具有1000個(gè)獨(dú)立的隔間和3574個(gè)微型閥，被組織成一個(gè)可尋址的25×40室微陣列。
圖29A為示出用于微流體記憶存儲(chǔ)裝置的掩模設(shè)計(jì)的簡化平面圖。圖29B所示為圖29A的陣列的一個(gè)存儲(chǔ)位置的簡化放大圖，說明清洗機(jī)構(gòu)。
陣列2900包括第一彈性體層，其限定了平行的三個(gè)一組的流動(dòng)通道2902a-c的行2902，該流動(dòng)通道2902a-c具有互連的垂直分支流動(dòng)通道2902d。為了應(yīng)用的目的，位于每行的中央流動(dòng)通道2902b的側(cè)面的流動(dòng)通道2902a和2902c被稱作“總線”。垂直分支2902d和中央流動(dòng)通道2902b之間的每個(gè)交叉點(diǎn)在該行內(nèi)限定了單獨(dú)的存儲(chǔ)位置且用于存儲(chǔ)裝置。每個(gè)流動(dòng)通道共享共同的樣品入口2904a或2904b，以及共同的樣品出口2906。行流動(dòng)通道2902a-c的每一個(gè)共享共同的清潔入口2908。
包含控制通道網(wǎng)絡(luò)的第二彈性體層覆蓋于包含流動(dòng)通道的第一彈性體層之上。具有公共入口2910a的水平分隔控制通道網(wǎng)絡(luò)2910形成在第二彈性體層內(nèi)。限定行多路轉(zhuǎn)換器2912的控制管線C1-C10也形成在第二彈性體層內(nèi)。
行進(jìn)入控制管線(Row access control lines)D1-D4也形成在第二彈性體層內(nèi)。行進(jìn)入控制管線D1-D4可以選擇性地驅(qū)動(dòng)來控制通過中央流動(dòng)通道或該陣列的任何一個(gè)行的側(cè)面總線的流體的流動(dòng)。
第二彈性體層也限定了具有公共入口2914b的垂直分隔控制通道網(wǎng)絡(luò)2914。在共同入口2914b和陣列2900的第一行之間的位置，形成在第一彈性體層內(nèi)的單獨(dú)的控制通道網(wǎng)絡(luò)2916從垂直的分隔控制通道網(wǎng)絡(luò)2914之下穿過，以限定列多路轉(zhuǎn)換器2918。因此圖29的實(shí)施例表示兩層裝置，允許采用兩個(gè)單獨(dú)的控制通道網(wǎng)絡(luò)多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)2914和2916來控制垂直的分隔控制通道。具體地，在存儲(chǔ)裝置的操作過程中，列多路轉(zhuǎn)換器的選擇控制通道的驅(qū)動(dòng)允許只進(jìn)入該陣列內(nèi)一個(gè)特定的存儲(chǔ)位置，而所有其它的存儲(chǔ)位置仍然密封且未被污染?，F(xiàn)在詳細(xì)描述存儲(chǔ)裝置2900的操作。
圖29C-F示出了該陣列的一個(gè)存儲(chǔ)位置的放大平面圖。如圖29C所示，在起始時(shí)間，對(duì)垂直分隔控制通道2914加壓以關(guān)閉垂直分隔閥2924。然后對(duì)列多路轉(zhuǎn)換器2918加壓來啟動(dòng)閥2930a-b以將垂直的分隔閥2924在其加壓狀態(tài)下密封。
圖29D示出了通過選擇性的操作控制管線D1-4，對(duì)所有的沿著特定的中央流體管線布置的存儲(chǔ)位置裝載流體。垂直的分隔閥2924的關(guān)閉狀態(tài)限制了被裝載的流體的垂直運(yùn)動(dòng)。圖29E示出了對(duì)水平的分隔控制通道2910加壓以關(guān)閉水平的分隔閥2922，從而使鄰近的存儲(chǔ)位置分開。
圖29F示出了從特定的存儲(chǔ)位置清洗被裝載的流體。具體地，對(duì)列多路轉(zhuǎn)換器2918加壓以使閥2930b止動(dòng)，使控制通道通風(fēng)，并使得位于存儲(chǔ)位置2950上面和下面的垂直的分隔閥2924止動(dòng)。保持對(duì)列多路轉(zhuǎn)換器2918加壓以保持閥2930a被驅(qū)動(dòng)，從而使相鄰存儲(chǔ)位置的垂直的分隔閥2924維持在關(guān)閉狀態(tài)。
最后，操縱控制管線D1-4以允許流體只通過上部總線2902a。對(duì)清洗入口2908加壓，迫使存儲(chǔ)位置2950的容納物進(jìn)入到上部總線2902a內(nèi)，沿著總線2902，最后從出口2906排出。
總之，存儲(chǔ)陣列芯片包含25×40室的陣列，每個(gè)室的體積約為250pL。利用列多路轉(zhuǎn)換器和行多路轉(zhuǎn)換器能夠分別處理每個(gè)室。每個(gè)記憶/存儲(chǔ)位置的容納物能夠選擇性地被設(shè)計(jì)成或者是染料(樣品輸入)或者是水(清洗緩沖劑輸入)。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的大規(guī)模集成多路轉(zhuǎn)換閥系統(tǒng)允許矩陣的每個(gè)室被單獨(dú)處理和分開，并將外部控制互連的數(shù)量減少到22。通過單個(gè)輸入口，能夠?qū)⒘黧w裝載到該裝置內(nèi)，之后，控制層閥接著成為將該陣列分隔成250pL室的門。通過流動(dòng)通道完成單獨(dú)的室尋址，這些流動(dòng)通道平行于樣品室經(jīng)過，且采用在該行和列多路轉(zhuǎn)換器控制下的加壓液體來將該室的容納物沖洗到出口。
圖29B為再次示出用于圖29A所示的芯片的選擇的行內(nèi)的單個(gè)室的清洗機(jī)構(gòu)的簡化放大平面圖。每行包含三個(gè)平行的微型通道。為了清洗特定的室，首先要將加壓的流體引入到清洗緩沖入口內(nèi)。該行多路轉(zhuǎn)換器然后將該流體引向被選擇行的最低的通道內(nèi)。該列多路轉(zhuǎn)換器使該室的垂直閥止動(dòng)(不活動(dòng))，允許該加壓的流體流過該室并清洗它的容納物。
該裝置比先前的微流體管道系統(tǒng)顯然更為復(fù)雜，這是因?yàn)橛袃蓚€(gè)連續(xù)的控制水平——列多路轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)閥控制管線，閥控制管線又驅(qū)動(dòng)閥本身。這種微流體陣列的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)同隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)相似。每套多路轉(zhuǎn)換器都類似于存儲(chǔ)地址寄存器，對(duì)應(yīng)于矩陣中的指定行或列。
如同動(dòng)態(tài)RAM，行和列多路轉(zhuǎn)換器具有唯一的功能。行多路轉(zhuǎn)換器用于流體輸送它指引流體清洗行內(nèi)單獨(dú)的隔間，并且恢復(fù)行內(nèi)的中央隔間(存儲(chǔ)器元件)，類似于RAM字線。列多路轉(zhuǎn)換器以一種根本不同的方式運(yùn)作，控制用于每行內(nèi)的特定中央隔間的垂直輸入/輸出閥。
為了操作列多路轉(zhuǎn)換器，對(duì)控制層上的垂直的容器閥(containment valve)加壓以封閉整個(gè)陣列。位于該流動(dòng)層上的列多路轉(zhuǎn)換器用它自身的閥激活，該閥向上偏移進(jìn)入控制層來堵住整個(gè)垂直容器閥陣列內(nèi)的加壓液體。然后該多路轉(zhuǎn)換器選擇單個(gè)列，并釋放垂直容器閥上的壓力以打開指定的列，使其可以由被選擇行內(nèi)的加壓液體迅速清洗。
為了證明微流體記憶存儲(chǔ)裝置的功能性，每行中央記憶存儲(chǔ)室裝載有染料(2.4mM檸檬酸鈉緩沖劑內(nèi)的溴酚藍(lán)，pH7.2)并開始用水清洗單獨(dú)的室，以拼寫出“CIT”。由于讀出器是光學(xué)的，該存儲(chǔ)器裝置(memory device，儲(chǔ)存裝置)實(shí)質(zhì)上也可以用作流體顯示監(jiān)示器。圖29G示出了微流體存儲(chǔ)顯示器的示例。可以選擇性地清洗單獨(dú)的室以拼寫出“CIT”。該管道顯示器的主要優(yōu)勢(shì)在于一旦設(shè)定了圖像，該裝置就會(huì)消耗很少的功率。
4.止回閥/流體顯示器圖29A所示的存儲(chǔ)裝置包括室的陣列，這些室的容納物可以分別通過流經(jīng)設(shè)于中央流動(dòng)通道任一側(cè)的共平面的總線的流體的水平運(yùn)動(dòng)來得到。然而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作大規(guī)模集成微流體結(jié)構(gòu)的方法(技術(shù))并不限于制作這種特定的裝置。
圖34A-C為示出了根據(jù)本發(fā)明的閥結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作的簡化橫截面圖，其允許流體只在一個(gè)方向垂直流動(dòng)。如下詳細(xì)描述的，這些止回閥可以依次利用流體在垂直和水平方向上的運(yùn)動(dòng)而被用于制作大規(guī)模集成微流體存儲(chǔ)裝置的可選實(shí)施例。
如圖34A所示，止回閥3400由覆蓋在中間彈性體層3402上的上部彈性體層3401制成，中間彈性體層3402又覆蓋在下部彈性體層3404的上方。下部彈性體層3404限定了第一通道開口3406。中間彈性體層3402包括一個(gè)柔性隔膜部分3402a，該隔膜僅僅在側(cè)面3402b與中間層3402的周圍彈性體材料成為整體。中間彈性體層3402的隔膜部分3402a覆蓋在整個(gè)第一通道開口3406的上方，隔膜部分3402的邊緣3402c置于下部彈性體層3404的底座部分3404a的上方。上部彈性體層3401限定了第二通道開口3408，其從第一通道開口3406水平偏移而成。
如圖34B所示，流體可以向上自由地流過止回閥3400。具體地，加壓的流體會(huì)流經(jīng)第一通道開口3406并使柔性隔膜部分3402a離開底座，偏移進(jìn)入到上覆的第二通道開口3408內(nèi)，而允許加壓的流體進(jìn)入到第二通道開口3408以及上部彈性體層3401。
相反，如圖34C所示，流體不可能向下流過止回閥3400。具體而言，試圖穿過第二通道開口3408的加壓液體會(huì)遇到固定(或就座)的隔膜部分3402a。隔膜部分3402a將保持固定(或就座)，并且閥3400關(guān)閉，直到下面的第一通道開口3406內(nèi)的流體壓力超過了第二通道開口3408內(nèi)的壓力。
雖然圖34A-C所示的止回閥的特定實(shí)施例是采用三層不同的彈性體層制作的，但是這并不是必須的?？梢詢H僅由兩個(gè)彈性體層制作該結(jié)構(gòu)，采用單個(gè)模具形成隔膜部分和頂層。
并且雖然圖34A-C所示的止回閥的特定實(shí)施例允許流體向上流動(dòng)，但是可選實(shí)施例可以只允許流體向下流動(dòng)。這種閥結(jié)構(gòu)可以通過倒置該止回閥的方向而制得。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的止回閥可以用于制作顯示器裝置。圖35A-D為示出這種像素結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的簡化橫截面圖。
如圖35A所示，像素3500包括形成在最下部彈性體層3504內(nèi)的第一流動(dòng)通道3502。第二流動(dòng)通道3506，與第一流動(dòng)通道垂直，形成在最上部彈性體層3508內(nèi)。第一止回閥3510、室3512和第二止回閥3514形成在介于層3504和3508之間的彈性體層3516內(nèi)。
圖35B-D簡述了顯示器像素3500的操作。圖35B中，將來自第一流通通道3502的彩色流體3518在壓力作用下通過第一止回閥3510引入到室3512內(nèi)。像素3500此時(shí)已經(jīng)裝載有彩色染料。
這種像素裝載可以非選擇性地通過對(duì)第一流動(dòng)通道3502施加比任何第二流動(dòng)通道內(nèi)的壓力更高的壓力來完成?？蛇x地，這種像素裝載也可以通過采用與第二流動(dòng)通道相通的多路轉(zhuǎn)換器，以在第一和唯一選擇的第二流動(dòng)通道之間產(chǎn)生必要的壓力差來完成。
圖35C中，將彩色流體從第一流動(dòng)通道3502中清除，而保持第二流動(dòng)通道3506處于較高壓力，從而使第一止回閥3510保持關(guān)閉。
如圖35D所示，可以通過降低第二流動(dòng)通道3506內(nèi)的壓力和使一個(gè)無色的流體流過第一流動(dòng)通道3502、第一止回閥3510、室3512、第二止回閥3514、以及最后第二流動(dòng)通道3506來改變像素3500的顏色。
圖36所示為一個(gè)包括圖35A-D所述的整個(gè)像素陣列的顯示裝置的平面圖。具體地，從入口3550流經(jīng)平行的最下部流動(dòng)通道3502的流體的流量是通過第一多路轉(zhuǎn)換器3600來控制的。從入口3551流經(jīng)平行的最上部流動(dòng)通道內(nèi)的平行的最上部流動(dòng)通道3506的流體的壓力和流量是由第二和第三多路轉(zhuǎn)換器3602和3604控制的。
5.大規(guī)模集成比較器結(jié)構(gòu)雖然前述的存儲(chǔ)器(memory)陣列結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有的微流體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很大的先進(jìn)性，但是其并不允許分別引入兩種不同的材料然后在特定的室內(nèi)混合。然而，在用的大規(guī)模集成技術(shù)微制作的第二芯片(類似于256個(gè)比較器的陣列)中提供了這種功能。具體地，包含2056個(gè)微型閥的第二裝置被設(shè)計(jì)成能夠完成更復(fù)雜的流體操作。
圖30A所示為微流體比較器芯片3000的光學(xué)顯微照片。不同的輸入已經(jīng)裝載有彩色食用染料，以使流體的邏輯的通道和子元件直觀化。圖30B示出了圖30A的芯片的一部分的簡化平面示意圖。
比較器芯片3000由分別具有入口3002a和3004a以及出口3002b和3004b的一對(duì)平行的蛇形流動(dòng)通道3002和3004形成，流動(dòng)通道3006的分支的水平行在不同點(diǎn)處橫切該流動(dòng)通道。位于蛇形流動(dòng)通道之間的水平流動(dòng)通道的部分限定了混合區(qū)域3010。
覆蓋在連接通道中心上的第一隔板控制管線3012可驅(qū)動(dòng)用于形成相鄰的室，且不驅(qū)動(dòng)(deactivatible)時(shí)用于允許相鄰的室內(nèi)的容納物混合。第二隔板控制管線3014在鄰近室的任一端對(duì)折以使它們與其余的水平流動(dòng)通道分開。
連接的水平流動(dòng)通道3006的一端3006a與壓力源3016成流體連通，以及連接的水平流動(dòng)通道3006的另一端3006b通過多路轉(zhuǎn)換器3020與樣品收集出口3018成流體連通。
圖30C-H所示為圖30A-B的結(jié)構(gòu)的一個(gè)混合元件的操作的簡化放大平面圖。圖30C示出了在裝載前的混合元件，帶有未加壓的混合隔板控制管線(mixer barrier control line)和卷繞隔板控制管線(wrap-around barrier control line)。圖30D示出了對(duì)卷繞的隔板控制管線和隔板混合器管線加壓來激活隔離閥和分隔閥以限定相鄰的室3050和3052。圖30E示出了通過使第一成分和第二成分向下流過各自的流動(dòng)通道而使這些室裝載這些物質(zhì)。圖30F所示為對(duì)垂直的分隔控制管線3025加壓和隔離以限定相鄰的室。
圖30G示出了使混合隔板控制通道減壓來使分隔隔板閥止動(dòng)(不活動(dòng))，從而允許處于相鄰室內(nèi)的不同成分自由混合。
圖30H所示為隔板隔離控制管線的止動(dòng)(deactivation)，使得隔離閥止動(dòng)，之后通過對(duì)控制管線加壓和多路轉(zhuǎn)換器的止動(dòng)來允許回收組合的混合物。
在圖30A-H所示的裝置的情況下，能夠分別裝載兩種不同的試劑，成對(duì)混合，以及選擇性地回收，使其可能在256個(gè)不足納升的反應(yīng)室內(nèi)完成不同的分析，然后回收具體相關(guān)的試劑。該微型通道布局由流體層內(nèi)的四個(gè)中心列組成，該流體層每列包括64個(gè)室，在分隔和混合后每個(gè)室包含～750pL的液體。通過兩個(gè)單獨(dú)的輸入在低外部壓力(～20kPa)下將液體裝載到這些列內(nèi)，以蜿蜒的方式充滿該陣列。在控制層上的隔板閥用于將樣品流體彼此分開并與流動(dòng)層上的通道網(wǎng)絡(luò)分開，該流動(dòng)層用于回收每個(gè)單獨(dú)室內(nèi)的容納物。這些網(wǎng)絡(luò)在多路轉(zhuǎn)換器和若干其它控制閥的控制下運(yùn)行。
這些控制通道在用氣壓驅(qū)動(dòng)之前，最初是端口封閉并充滿了水；在通道兩端的壓縮空氣被迫進(jìn)入塊狀多孔硅樹脂。一旦閥啟動(dòng)，該過程就會(huì)消除進(jìn)入流體層內(nèi)的氣體轉(zhuǎn)移，以及消除包含在該流動(dòng)層內(nèi)的液體的蒸發(fā)。彈性體閥同電子開關(guān)類似，用作流體輸送的高阻抗隔板。
為了顯示該裝置的管道系統(tǒng)，流體輸入管線充滿了兩種染料來說明某一列內(nèi)的單個(gè)室的容納物的裝載、分隔、混合以及清洗過程。
圖31A-D示出了在工作中的比較器的部分的一套光學(xué)顯微照片。單個(gè)列內(nèi)的室的子集被成像。彈性體微型閥使芯片上的256個(gè)室中的每個(gè)都能夠被單獨(dú)分隔，成對(duì)混合，并選擇性地用藍(lán)色和黃色溶液清洗。芯片上的256個(gè)室的每個(gè)均能夠被單獨(dú)地處理，回收用于未來分析的它的各自的容納物只采用18個(gè)對(duì)外界的連接，說明了微流體線路的集成性質(zhì)。
圖30的圖30A的大規(guī)模集成微流體裝置被用作微流體比較器以對(duì)特定酶的表達(dá)進(jìn)行測(cè)試。將細(xì)菌群體裝入該裝置，熒光底物系統(tǒng)以熒光產(chǎn)品形式提供了放大的輸出信號(hào)。電子比較器電路設(shè)計(jì)成當(dāng)輸入信號(hào)超出參考閾值時(shí)提供大的輸出信號(hào)。運(yùn)算放大器相對(duì)于參考值可放大輸入信號(hào)，迫使它變高或變低。圖30A所示的微流體比較器結(jié)構(gòu)，非熒光試鹵靈衍生物(Amplex紅)作為參考信號(hào)。該輸入信號(hào)由表達(dá)重組的細(xì)胞色素c過氧化物酶(CCP)的大腸桿菌的懸浮液組成；這種酶用作該電路中的化學(xué)放大器。
圖32A示出了采用酶和熒光底物的微流體比較器的邏輯的示意圖。當(dāng)輸入信號(hào)室含有表達(dá)酶CCP的細(xì)胞時(shí)，非熒光Amplex紅轉(zhuǎn)化成熒光產(chǎn)品試鹵靈。在缺乏CCP時(shí)，輸出信號(hào)保持較低。
將這些細(xì)胞和底物裝入單獨(dú)的輸入通道，每一列中的中央混合隔板都關(guān)閉，并且用以類似于對(duì)藍(lán)色和橙色染料所述的方法分隔混合隔板。由熒光顯微鏡檢驗(yàn)，細(xì)胞稀釋(1∶1000鋪滿培養(yǎng))產(chǎn)生了約0.2細(xì)胞/隔間的介質(zhì)分布。
將底物和細(xì)胞子隔間之間的隔板打開幾分鐘以允許底物擴(kuò)散進(jìn)入到含有細(xì)胞混合物的隔間內(nèi)。然后將隔板關(guān)閉以減少反應(yīng)體積并改進(jìn)反應(yīng)的信噪比。
在室溫下經(jīng)過1小時(shí)的培養(yǎng)，用改進(jìn)的DNA微陣列掃描儀(Axon Industries GenePix4000B)來掃描(λex＝532nm，λem＝590 DS 40)芯片。由于Amplex紅被轉(zhuǎn)化成熒光化合物試鹵靈，單獨(dú)室內(nèi)一個(gè)或多個(gè)CCP表達(dá)細(xì)胞的存在產(chǎn)生了很強(qiáng)的放大的輸出信號(hào)，而沒有細(xì)胞的隔間內(nèi)的信號(hào)仍然很低。
用于檢測(cè)來自根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體結(jié)構(gòu)的信號(hào)的掃描儀的一個(gè)實(shí)例是由聯(lián)邦加州Axon設(shè)備公司生產(chǎn)的Genepix 4000B掃描儀。該Genepix 4000B最初設(shè)計(jì)用于DNA陣列芯片掃描。其具有兩個(gè)激光器(532/635mm)，分別為Cy3/Cy5熒光染料而優(yōu)化。Genepix通常是通過掃描涂有Cy3/Cy5載波片的底表面來運(yùn)行的，Cy3/Cy5標(biāo)有DNA探針，該探測(cè)器位于3-校準(zhǔn)藍(lán)寶石架上。然而，對(duì)該掃描儀有幾個(gè)限制，使其作為微流體芯片篩選器不是最佳的。首先，我們實(shí)驗(yàn)中所用的目前的微流體裝置粘合于25×25mm 1號(hào)蓋玻片(130-170μm厚)。雖然能夠通過軟件接口來調(diào)解激光焦平面，但是它僅僅能穿透蓋玻片50μm深度，使這些通道略微模糊。然而，所得到的分辨率仍然足夠用于通道內(nèi)的熒光測(cè)量。
探索的第二種選擇是將微流體芯片從校準(zhǔn)架上取下來并將其固定在載玻片架的后部。該位置使芯片靠近透鏡，將其放置在前述的軟件控制焦平面范圍內(nèi)。該方法的缺點(diǎn)是芯片相對(duì)于激光束輕微離位，導(dǎo)致穿過芯片的不真實(shí)的強(qiáng)度梯度。該梯度能夠在分析過程中得到補(bǔ)償。Genepix掃描儀另一個(gè)不太理想的特征是當(dāng)這些掃描儀連接到幾個(gè)管線上時(shí)，其缺乏硬件來穩(wěn)定微流體芯片。這種影響能夠通過在芯片頂部增加重物而成功的得到補(bǔ)償。該重物應(yīng)該是非反射性的以防止分散激光束，該激光束在掃描過程中會(huì)產(chǎn)生人為的噪音。
該硬件焦點(diǎn)設(shè)置的影響是通過將充滿了Amplex紅溶液(消極控制，～100μm)的圖30A的芯片放置在帶有1號(hào)蓋玻片(作為隔離物)的載波片架(slide holder)的后部來測(cè)定的。該芯片負(fù)重，且隨著焦點(diǎn)設(shè)置的改變?cè)谕稽c(diǎn)連續(xù)測(cè)量熒光性。讀數(shù)讀取兩次以評(píng)定底物可能具有的的任何效果退色或光活性。結(jié)果表明熒光性測(cè)量值在離最佳焦點(diǎn)+15μm的范圍內(nèi)是相當(dāng)一致的，然后快速衰減。
圖32B所示為處于比較器模式的芯片的掃描熒光圖像。經(jīng)過同Amplex紅混和反應(yīng)后，左半列為在無菌的PBS內(nèi)表達(dá)CCP的大腸桿菌的稀釋溶液(137mM NaCl，2.68mM KCl，10.1mM Na2HPO4，1.76mM KH2PO4，pH 7.4)。箭頭表示包含單個(gè)細(xì)胞的室。沒有細(xì)胞的室表現(xiàn)為低熒光性。轉(zhuǎn)化成的產(chǎn)物(試鹵靈)為清晰可見的綠色信號(hào)。右半列為未經(jīng)催化的Amplex紅底物。為了驗(yàn)證輸出信號(hào)是CCP活性的函數(shù)，使用表達(dá)CCP或者強(qiáng)化的綠熒光蛋白質(zhì)(eGFP)的大腸桿菌非均相混合物來進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)。放大的輸出信號(hào)僅僅取決于單獨(dú)室內(nèi)CCP表達(dá)細(xì)胞的數(shù)量。
圖32C示出了μHTS比較器以及eGFP表達(dá)控制細(xì)胞和CCP表達(dá)細(xì)胞的非均相混合物對(duì)輸出信號(hào)的影響。試鹵靈熒光檢測(cè)(λex＝532nm，λem＝590nm)在包含表達(dá)eGFP或者CCP的大腸桿菌細(xì)胞的單獨(dú)的比較器室內(nèi)進(jìn)行。只有當(dāng)存在表達(dá)CCP細(xì)胞且表達(dá)eGFP細(xì)胞對(duì)信號(hào)影響很小時(shí)，信號(hào)才強(qiáng)烈增加。垂直軸為相對(duì)熒光單位(RFU)；誤差條代表距離中間RFU的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
通過選擇單個(gè)室，然后將室內(nèi)的容納物清除到收集出口，能夠完成芯片的回收。芯片中的每列具有單獨(dú)的出口，使得每列的室能夠被收集而沒有交叉污染。
為了說明收集過程的有效性，將表達(dá)GFP的大腸桿菌的稀釋的磷酸鹽緩沖鹽(PBS)溶液注入芯片內(nèi)。在分隔之后大約每隔兩個(gè)室包含細(xì)菌。采用配有汞燈和GFP濾光器裝置的倒置光顯微鏡(Olympus IX50)，單個(gè)GFP細(xì)胞用20x的物鏡識(shí)別，并且清洗它們各個(gè)室。
經(jīng)清洗的細(xì)胞利用聚醚酮醚(PEEK)管從輸出收集，該聚醚酮醚管具有很低的細(xì)胞粘著性。通過在40X油浸透鏡下采用熒光濾光器裝置對(duì)所收集的液體樣品的造影，以及對(duì)在孵育有回收的細(xì)菌的Luria-Bertani肉汁培養(yǎng)基(LB)皿上的單獨(dú)菌落生長的觀察來確定單個(gè)GFP表達(dá)細(xì)菌的分離。由于已經(jīng)示出了能夠在彈性體微流體裝置內(nèi)有效操作單個(gè)DNA分子，因此在未來的應(yīng)用中可用這種方式操作單分子或分子簇。
電子比較器的性能并不理想。例如，有限的噪音層，絕對(duì)的電壓和電流限制，輸入處的電流泄漏等等。這些限制中的一些是由用于裝置的材料的內(nèi)在性質(zhì)產(chǎn)生的，而另一些則取決于制作公差或設(shè)計(jì)的局限性。集成的流體線路的性能存在著類似的缺陷。
6.制作方法如圖29A和30A分別所示的存儲(chǔ)陣列和比較器微流體裝置是由多層軟光刻法采用兩個(gè)不同的層制成的。容納驅(qū)動(dòng)閥所需的所有通道的“控制”層位于“流動(dòng)”層的上方，該“流動(dòng)”層包含被控制的通道的網(wǎng)絡(luò)。閥形成在控制通道與流動(dòng)通道交叉處。兩個(gè)通道之間的交叉點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生的薄隔膜能夠由水壓或氣體驅(qū)動(dòng)而偏離。所有的生物檢驗(yàn)和流體操作均在“流動(dòng)”層上進(jìn)行。
微流體通道的主模是通過在硅上旋轉(zhuǎn)涂覆9μm高的正性光刻膠(Shipley SJR 5740)，以及用高分辨率(3368dpi)透明掩模將它們圖樣化而制得的。光刻膠模具上的通道在120℃下圓化20分鐘以形成使閥完全關(guān)閉的幾何形狀。
該裝置通過將兩層由光刻膠模具鑄造成的兩部分固化硅樹脂(Dow Corning Sylgard 184)粘合在一起而制成的。裝置的底層包含“流體”通道，該底層以2500轉(zhuǎn)/分被旋轉(zhuǎn)涂覆份額比為20∶1的A∶B Sylgard 1分鐘。形成的硅樹脂層為約30μm厚。該裝置的頂層包含“控制”通道，該頂層用份額為5∶1的A∶B Sylgard采用一個(gè)單獨(dú)的模具鑄造成厚層(0.5cm厚)。開始時(shí)將這兩層在80℃下固化30分鐘。
然后穿過(從模具中取出的)該厚層打孔得到控制通道互連孔，之后在該薄層上沿通道側(cè)面對(duì)準(zhǔn)各自的通道網(wǎng)絡(luò)將其密封。組合層之間的粘合是通過將這些裝置在80℃下額外固化45-60分鐘而完成的。將產(chǎn)生的多層裝置切削到應(yīng)有的尺寸并安裝在RCA清潔過的第1號(hào)25mm2的方形玻璃蓋玻片上，或者安裝在以5000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)涂覆有份額比為5∶1的A∶B Sylgard并在80℃下固化30分鐘之后在80℃下過夜培育的蓋玻片上。
通過制作具有不同寬度的控制通道而保持流動(dòng)通道尺寸固定(100μm寬，9μm高)，來完成多個(gè)不相鄰的流動(dòng)通道的同時(shí)處理。關(guān)閉流動(dòng)通道所需的控制通道內(nèi)的氣壓與該控制通道的寬度成比例，使得易于在相對(duì)低的壓力(～40KPa)下驅(qū)動(dòng)100μm×100μm閥而無需隔離具有更高驅(qū)動(dòng)閾值的50μm×100μm交叉區(qū)域。
通過在穿過硅樹脂的孔內(nèi)插入鋼針而將流體引入裝置內(nèi)。不同于由高楊氏模量的硬質(zhì)材料制得的微機(jī)械加工裝置，硅樹脂質(zhì)軟并在輸入針周圍形成了緊密密封，能夠承受高達(dá)300KPa的壓力而沒有泄漏。計(jì)算機(jī)控制的外部螺線管閥允許驅(qū)動(dòng)多路轉(zhuǎn)換器，該多路轉(zhuǎn)換器又允許對(duì)大量微型閥的復(fù)雜處理。
由PDMS制作的流體線路并不是與所有的有機(jī)溶劑都適應(yīng)——特別是非極性溶劑的流動(dòng)會(huì)受到影響?？梢酝ㄟ^采用耐化學(xué)作用的彈性體來解決這個(gè)問題。由于分子與通道壁的非特定粘合而產(chǎn)生的表面效應(yīng)可以通過對(duì)PDMS表面的被動(dòng)修改或化學(xué)修飾而最小化。
微流體線路內(nèi)的交叉污染類似于電子電路內(nèi)的泄漏電流，是一種復(fù)雜的現(xiàn)象。由于通過彈性體本身的小分子的擴(kuò)散，會(huì)發(fā)生一定數(shù)量的污染。這種影響對(duì)有機(jī)染料和其他在本操作的實(shí)例中所用的小分子并不是一種阻礙，但是在某種程度和性能要求上，其可能變成限制。
交叉污染也是一個(gè)設(shè)計(jì)問題，通過設(shè)計(jì)任何特別的線路能夠減輕其影響。在256井比較器芯片中，通過四列中的每列都具有單獨(dú)的輸出來引入補(bǔ)償設(shè)計(jì)(compensation scheme)，以防止回收操作中的交叉污染。當(dāng)流體線路的復(fù)雜性增加時(shí)，類似的設(shè)計(jì)規(guī)則會(huì)得到發(fā)展，以便獲得高性能，而不管特定材料和所采用的制作方法的局限性。
存儲(chǔ)器和比較器芯片的計(jì)算能力源自在單個(gè)芯片上集成和控制很多流體元件的能力。例如，多路轉(zhuǎn)換器組件允許按指數(shù)規(guī)律大量的獨(dú)立室的特定處理。這允許各個(gè)樣品的選擇性操作或回收，其為高通過量篩選和其他富集應(yīng)用的重要要求。其還可以作為用于包括組合合成的化學(xué)應(yīng)用的有用工具，其中產(chǎn)品的數(shù)量也是按指數(shù)規(guī)律地生長。
7.分割應(yīng)用計(jì)算能力的另一個(gè)實(shí)例是將一個(gè)復(fù)雜或非均相的樣品分割成易處理的子樣品的能力，該子樣品能夠如圖所示地在比較器芯片內(nèi)被單獨(dú)分析。例如，如圖30A所示的大規(guī)模集成微流體裝置能夠用于分離非均相混合物的期望組分。首先，該非均相混合物能夠沿著蛇形流動(dòng)通道中的一個(gè)流動(dòng)，非均相混合物被充分地稀釋以確保在垂直的分隔閥之間存在不超過一種的可溶實(shí)體。然后停止該流動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng)該垂直的分隔閥，以在蛇形流動(dòng)通道內(nèi)形成隔離的節(jié)段(segments)。當(dāng)不同節(jié)段的詢問/檢查顯示在特定片段內(nèi)存在期望的實(shí)體時(shí)，該節(jié)段能夠被清洗并且收集輸出物。在剛才所述的實(shí)施例中，值得注意的是，只采用了一個(gè)流動(dòng)通道，其他的流動(dòng)通道仍然是空的或者充滿了緩沖液以使得期望實(shí)體的收集不會(huì)發(fā)生交叉污染。
采用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的大規(guī)模集成微流體結(jié)構(gòu)的易受分析實(shí)驗(yàn)影響的非均相混合物通常能夠再分成兩類。第一類非均相混合物包括顆粒或分子。這類顆粒的列舉包括但不限于原核細(xì)胞、真核細(xì)胞、噬菌體/病毒、以及小球(beads)或其他非生物顆粒。
用于分析實(shí)驗(yàn)的這種顆粒混和物的一個(gè)實(shí)例是細(xì)菌的非均相混合物，每個(gè)含有包含特定DNA序列(包括基因、基因片段或一些其他的相關(guān)序列)的質(zhì)粒。這種分析能夠選擇包含期望DNA序列的細(xì)菌，例如通過識(shí)別含有編碼(產(chǎn)生期望特性的)特定酶或蛋白質(zhì)的基因的細(xì)菌。
通過根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)的顆?；旌衔锏牧硪粋€(gè)實(shí)例包括真核細(xì)胞的非均相混合物。對(duì)這種混合物進(jìn)行的分析能夠選擇表達(dá)特定抗體的雜交瘤細(xì)胞。
通過根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)的顆?；旌衔锏挠忠粚?shí)例包括噬菌體的非均相混合物，該噬菌體在它們的表面上顯示重組蛋白。對(duì)這種混合物進(jìn)行分析能夠選擇顯示期望特性的蛋白質(zhì)的噬菌體。
通過根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)的顆粒混合物的又一實(shí)例包括小球的非均相混合物，每個(gè)涂覆有單一的分子類型諸如特定蛋白質(zhì)、核酸、肽或有機(jī)分子。對(duì)這種混合物進(jìn)行分析能夠選擇涂覆有具有期望特性的分子的小球。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的大規(guī)模集成微流體結(jié)構(gòu)還可用于對(duì)分子的非均相混合物進(jìn)行分析。DNA本身可適合于這種方法，這是由于DNA可采用聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)方法來擴(kuò)增的本身內(nèi)在的能力。一旦被擴(kuò)增，下游方法就可以應(yīng)用于DNA，例如擴(kuò)增模板分子的體外轉(zhuǎn)錄/翻譯。
用于分析的這種分子混合物的一個(gè)實(shí)例是包含有不同基因或相同基因的克隆的線形或圓形模板的非均相混合物。在擴(kuò)增和體外轉(zhuǎn)錄/翻譯后，該分析能夠選擇其產(chǎn)物(蛋白質(zhì))具有期望特性的模板。
通過根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)的分子混合物的另一個(gè)實(shí)例包括簡單的不同序列的線形或圓形模板的非均相混合物。該分析能夠選擇其擴(kuò)增的產(chǎn)物(DNA)具有期望特性的模板。
通過根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)的分子混合物的再一個(gè)實(shí)例包括cDNA?？梢赃M(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)來選擇其擴(kuò)增的(DNA)或最終的產(chǎn)物(蛋白質(zhì)/肽)具有期望特性的cDNA克隆。
通過根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)的分子混合物的另一個(gè)實(shí)例包括mRNA混合物。該分析能夠選擇其產(chǎn)物(DNA或蛋白質(zhì))具有期望特性的mRNA模板。
通過根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)的分子混合物的另一個(gè)實(shí)例包括基因組DNA。該分析能夠選擇具有期望特性(即顯示某一尺寸和/或序列的擴(kuò)增子)的基因組或染色體。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的大規(guī)模集成微流體結(jié)構(gòu)還可用于對(duì)包括除核酸之外的分子混合物進(jìn)行分析。例如，可以分析諸如酶的蛋白質(zhì)的分子混合物，因?yàn)橛捎诘孜锏霓D(zhuǎn)化(turnover，代謝)會(huì)使得這些分子產(chǎn)生信號(hào)放大。這種分析能夠選擇具有期望活性和/或特異性的分子。
下面的方法可以利用本發(fā)明實(shí)施例的LSI微流體結(jié)構(gòu)來檢測(cè)被分離的顆?；蚍肿??？梢酝ㄟ^光顯微鏡或熒光來檢測(cè)小球、原核細(xì)胞、和真核細(xì)胞。利用熒光技術(shù)可檢測(cè)非常小的樣品，例如噬菌體/病毒、未擴(kuò)增的DNA、蛋白質(zhì)、以及肽。而且，采用微電子機(jī)械(MEMS)方法能夠檢測(cè)甚至單個(gè)分子的熒光性。
利用根據(jù)本發(fā)明的LSI微流體裝置，很多分析方法可以用來檢測(cè)分離的實(shí)體的特定特性。例如，可采用不同的結(jié)合分析來檢測(cè)DNA、蛋白質(zhì)和肽之間的所有組合(即蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)，DNA-蛋白質(zhì)，DNA-DNA，蛋白質(zhì)-肽等等)。結(jié)合分析的實(shí)例包括但不限于免疫檢測(cè)法(ELISA)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)和自動(dòng)射線照相術(shù)。
采用不同的功能分析來檢測(cè)目標(biāo)內(nèi)的化學(xué)變化?？梢杂晒δ芊治鰴z測(cè)的這種變化的實(shí)例包括但不限于1)非熒光底物到熒光底物的酶代謝(turnover)，2)非產(chǎn)色底物到產(chǎn)色底物的酶代謝，或者從一種顏色到另一種顏色的酶代謝，3)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光(chemilumiscent)信號(hào)的酶代謝，以及4)自動(dòng)射線照相術(shù)。
可以通過擴(kuò)散混合使得不同底物的均相溶液相互篩選。很多應(yīng)用易受到這些類型分析方法的影響。這種應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例是篩選cDNA庫克隆，該cDNA文庫克隆已經(jīng)由于特定DNA序列(即基因)或功能的存在而被分離。這種應(yīng)用的另一個(gè)實(shí)例是篩選化學(xué)庫，包括但不限于肽庫、有機(jī)分子庫、低聚體庫、以及諸如鹽溶液的小分子?？梢詾樘囟ǖ墓δ芏Y選這些化學(xué)庫，例如干擾酶的反應(yīng)、斷開特定連接、特定連接、促進(jìn)蛋白質(zhì)(小分子/鹽溶液)結(jié)晶的能力、用作底物的能力。
其它的分割應(yīng)用(segmentation applications)要求將均相樣品再分為等分試樣，可以用獨(dú)立的化學(xué)方法分別分析該等分試樣。例如，如圖30所示的大規(guī)模集成微流體裝置能夠通過暴露于許多不同的反應(yīng)物來篩選均相混合物的單個(gè)實(shí)體。首先，該均相樣品能夠在細(xì)長的流動(dòng)通道中流動(dòng)。然后停止該流動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng)該垂直的分隔閥以形成彼此隔離的反應(yīng)室節(jié)段(segments)。接著，特性或濃度彼此不同的多種化學(xué)物質(zhì)能夠從各自的流動(dòng)通道流到每個(gè)節(jié)段，然后通過干擾隔板閥(an intervening barrier valve)的止動(dòng)來混合這些化學(xué)物質(zhì)。觀察混合物內(nèi)發(fā)生的變化能夠揭示均相實(shí)體的信息。
在均相分割應(yīng)用中，可進(jìn)行1*m篩選，即在圖30A的結(jié)構(gòu)中從256種其它溶液中篩選出一種均相溶液。首先，將被分析的溶液裝載256次單獨(dú)的次數(shù)，裝載到樣品入口中。接著，用夾層隔板分隔這些室。
現(xiàn)在可利用多路轉(zhuǎn)換器在閉塞端將一種不同的溶液加入到底物蛇形線的室內(nèi)。為了避免交叉污染、清洗、交叉污染的問題，夾層隔板能夠被分成兩個(gè)單獨(dú)的閥，一個(gè)閥只分隔底物蛇形線(substrate serpentine)，第二閥分隔樣品蛇形線。
通過關(guān)閉兩個(gè)夾層隔板來分隔底物和樣品蛇形線，利用流體路徑多路轉(zhuǎn)換器可以將一種不同的溶液加入到256行中的每一行。為了這一目的，樣品收集口可以有利地用于流體引入而不是清洗輸入。
一旦256行中的每一行含有單獨(dú)的均相溶液，就可以關(guān)閉所有的隔板閥和混合隔板。裝載后，用待分析的溶液來清洗底物蛇形線或樣品蛇形線。在這一步驟中，通過在新流體被引入到樣品蛇形線中時(shí)，允許底物蛇形線保持被分隔，用新均相流體充滿這256個(gè)鄰近的室，分離是有用的。通過打開混合隔板，可以通過擴(kuò)散混合進(jìn)行256個(gè)實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置的實(shí)施例包括形成在第一層內(nèi)的微流體流動(dòng)通道，和形成在鄰近第一層的第二層內(nèi)的第一微流體控制通道，第一微流體控制通道通過第一可偏移隔膜與微流體流動(dòng)通道隔開。第二微流體控制通道與第一微流體控制通道相鄰，且通過第二可偏移隔膜與第一微流體控制通道隔開。
根據(jù)本發(fā)明用于控制微流體結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體的方法的實(shí)施例，包括對(duì)通過第一隔膜與鄰近的流動(dòng)通道隔開的第一控制通道網(wǎng)絡(luò)的控制通道施加壓力，以使得第一隔膜偏移進(jìn)入該流動(dòng)通道。當(dāng)保持第一控制通道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的壓力時(shí)，對(duì)通過第二隔膜與第一流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)隔開的第二控制通道網(wǎng)絡(luò)的控制通道施加壓力，以使得第二隔膜偏移進(jìn)入且密封第一控制通道網(wǎng)絡(luò)的控制通道。當(dāng)保持第二控制通道網(wǎng)絡(luò)的控制通道的壓力時(shí)，釋放第一控制通道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的壓力，以使得第一隔膜仍然偏離進(jìn)入流動(dòng)通道。
根據(jù)本發(fā)明的微制作的結(jié)構(gòu)的實(shí)施例包括由垂直于第二多個(gè)平行的流動(dòng)通道的第一多個(gè)平行的流動(dòng)通道限定的存儲(chǔ)區(qū)域的陣列?？刂乒芫€的網(wǎng)絡(luò)與這些存儲(chǔ)區(qū)域鄰近，以限定用于隔離這些存儲(chǔ)區(qū)域的可偏移閥。第一多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成控制通過第一多個(gè)平行流動(dòng)通道的流體。第二多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成控制通過第二多個(gè)平行的流動(dòng)通道的流體。
根據(jù)本發(fā)明的微制作的止回閥的實(shí)施例包括第一彈性體層，其包括垂直通道部分和底座部分；以及第二彈性體層，其包括柔性隔膜。該柔性隔膜具有完整端和不完整端，該不完整端與底座部分接觸且被構(gòu)造成偏離進(jìn)入到第二垂直通道部分。
根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置的可選實(shí)施例包括細(xì)長的第一流動(dòng)通道，以及重疊在該細(xì)長的第一流動(dòng)通道上的控制通道，以限定第一閥結(jié)構(gòu)，該閥結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成偏離進(jìn)入該細(xì)長的第一流動(dòng)通道，以限定第一流動(dòng)通道的第一和第二段。第二流動(dòng)通道與第一段成流體連通，第三流動(dòng)通道與第二段成流體連通。
根據(jù)本發(fā)明用于分離非均相樣品的成分的的方法的實(shí)施例包括使含有非均相成分的樣品沿著第一延伸的微流體流動(dòng)通道流動(dòng)。驅(qū)動(dòng)上覆于細(xì)長的第一流動(dòng)通道的第一閥，以限定第一和第二段，以便第一段包含該非均相樣品的第一成分，第二段包含該非均相樣品的第二成分。
根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置的可選實(shí)施例，包括，限定在彈性體材料內(nèi)的選擇性可尋址的存儲(chǔ)區(qū)域。第一流動(dòng)通道通過閥與該存儲(chǔ)區(qū)域選擇性流體連通。第二流動(dòng)通道通過第二閥與該存儲(chǔ)區(qū)域選擇性流體連通。
根據(jù)本發(fā)明用于選擇性存儲(chǔ)和回收微流體裝置內(nèi)的物質(zhì)的方法的實(shí)施例，包括，設(shè)置限定在彈性體材料內(nèi)的室。物質(zhì)通過第一流動(dòng)通道內(nèi)的第一閥選擇性地流入該室，并且該物質(zhì)通過第二流動(dòng)通道內(nèi)的第二閥選擇性地從該室中流出。
8.向上偏移的閥結(jié)構(gòu)正如上面結(jié)合圖23-25所述的，根據(jù)本發(fā)明的微流體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的特征可以是閥結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成響應(yīng)于所施加的壓力向上偏離進(jìn)入上覆的通道。這種向上偏移的閥在產(chǎn)生大規(guī)模集成微流體結(jié)構(gòu)中是相當(dāng)有價(jià)值的。
應(yīng)該理解，諸如二極管和晶體管的固態(tài)元件的物理性質(zhì)是集成電路革新的極其重要的促成因素。半導(dǎo)體物理性質(zhì)允許設(shè)計(jì)具有高度設(shè)計(jì)操作性能(包括速度、能耗、尺寸、增益、噪音、擊穿電流和擊穿電壓)的晶體管。微流體裝置作好了準(zhǔn)備以采用類似的技術(shù)和思想在生物學(xué)和生命科學(xué)中發(fā)起一場(chǎng)類似的革命。
對(duì)于這些集成的微流體線路，基本的元件是閥、泵和其它用于流體操作的工具。研究出這些閥的基本物理性質(zhì)和其性能之間的關(guān)系將是這些新技術(shù)的“器件物理”理論發(fā)展中的關(guān)鍵步驟。在流體裝置中一些類似的性能標(biāo)準(zhǔn)是尺寸、死體積、通道尺寸、驅(qū)動(dòng)壓力、和可量測(cè)性。
該性能標(biāo)準(zhǔn)的重要性取決于應(yīng)用。對(duì)于電泳分離應(yīng)用，有大量文獻(xiàn)記述了電動(dòng)流體操作如何能夠用于計(jì)量和將少量流體注入到分離柱內(nèi)。然而，這些方法并不是通用的，這是因?yàn)樗鼈兏叨纫蕾囉诠ぷ髁黧w的特定性質(zhì)，并且當(dāng)有復(fù)雜的管道要求時(shí)，完成這些方法存在困難。一個(gè)更通用的流體操作解決方案是采用機(jī)械閥，且有很多微制作的機(jī)械閥的實(shí)例。參見如Shoji，″Fluids for sensorsystems″，Top.Curr.Chem.194，163(1998)，和Kovacs，″Micromachined Transducers Sourcebook″，McGraw Hill(1998)，二者結(jié)合于此作為參考。
結(jié)合于此作為參考的″Monolithic Microfabricated Valves andPumps by Multilayer Soft Lithography″，Science 288，113(2000)中，Unger等人已經(jīng)說明了如何在單塊彈性體芯片內(nèi)制作集成的機(jī)械閥。同樣結(jié)合于此作為參考的″Microfluidic Large Scale Integration″，Science 298580-584(2002)中，Thorsen等人已經(jīng)說明了這些閥能夠用于制作高度集成的芯片，這些芯片在復(fù)雜性上與用大規(guī)模集成制作的電子集成電路大致相當(dāng)。結(jié)合于此作為參考的″A Robustand Scalable Microfluidic Metering Method that Allows Protein CrystalGrowth by Free Interface Diffusion″，Proc.Nat′l Acad.Sci.9916531-6(2002)中，Hansen等人已經(jīng)說明了這些閥還能夠用于魯棒操作方案中，這些操作方案計(jì)量和混合獨(dú)立于工作流體的性質(zhì)。
已經(jīng)證明這些彈性體閥在涉及細(xì)菌細(xì)胞和溶液生物化學(xué)的應(yīng)用中是有價(jià)值的。然而，當(dāng)通道尺寸改變時(shí)，該驅(qū)動(dòng)壓力不易測(cè)量，在該意義上講，這些閥的物理性質(zhì)并沒有被很好地標(biāo)度，并且實(shí)現(xiàn)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)壓力需要低縱橫比的幾何形狀(～1∶10)。
對(duì)于很多重要的應(yīng)用，期望具有統(tǒng)一縱橫比的通道和在可利用的尺寸上具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于設(shè)計(jì)高密度的芯片以操作在少量液體或上清液內(nèi)的真核細(xì)胞是特別重要的。
這里，我們描述了一種新型的具有相當(dāng)?shù)万?qū)動(dòng)壓力和有利的比例性質(zhì)(scaling properties)的微流體閥。我們通過在設(shè)計(jì)參數(shù)(包括統(tǒng)一縱橫比的通道)的寬范圍上測(cè)量驅(qū)動(dòng)壓力和流動(dòng)阻力來表征這些閥的性能。我們發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和有限元模擬之間接近一致，因此確認(rèn)了這些模擬可用作未來微流體裝置設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工具。
多數(shù)機(jī)械閥設(shè)計(jì)包括采用封閉流體通道或室的可偏移隔膜。為了具有高密度的裝置，期望使隔膜閥的尺寸最小化，且同時(shí)使每個(gè)閥的驅(qū)動(dòng)壓力最小化。在這點(diǎn)上同隔膜材料的性質(zhì)一樣，幾何形狀起著明顯的作用。諸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅樹脂彈性體的楊氏模量比諸如硅和氮化硅的硬質(zhì)材料小5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此其允許比在MEMS型閥中更低的驅(qū)動(dòng)壓力。而且，期望采用諸如PDMS的可變形材料作為墊圈，以確保防漏操作，就如同宏觀閥采用橡膠墊圈作為閥底座。
圖37A-B示出了兩個(gè)閥幾何形狀的簡化示意圖。圖37A示出了我們先前操作中所用的“下推”閥的幾何形狀3700的簡化示意圖。圖37A所示的閥結(jié)構(gòu)被稱為“下推”，這是由于通道之間的隔膜被向下推以封鎖含有相關(guān)流體的下部通道。該隔膜在該通道的邊緣到中間處的厚度不同。具體地，當(dāng)對(duì)疊加在上面的驅(qū)動(dòng)通道3706施加壓力時(shí)，具有可變厚度的彎曲隔膜3702偏移以封閉下面的流體通道3704。這種幾何形狀可以采用低于1∶10的低縱橫比(高∶寬)作為該流體通道3704的尺寸。
已經(jīng)證明圖37A所示的“下推”幾何圖形在大量的應(yīng)用中是有用的，并且其優(yōu)勢(shì)在于下部流體通道相對(duì)任何相關(guān)基板而能夠被密封，意味著流體裝置能夠用作固體基板上可移動(dòng)的印刷頭，并且裝置能夠容易地與基板分開并清洗用于再利用。
圖37B示出了我們稱作“上推“的低驅(qū)動(dòng)壓力的幾何形狀，這是因?yàn)樵摳裟は蛏掀埔苑怄i上面的流體通道。在這種幾何圖形中，可偏移隔膜沒有明顯的特點(diǎn)，具有基本恒定的厚度。具體地，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的閥結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的可偏移隔膜的特征為閥的厚度變化不會(huì)超過25％，優(yōu)選為變化不超過5％。
圖37B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的“上推“閥的幾何形狀3750的簡化示意圖，其中，當(dāng)對(duì)驅(qū)動(dòng)通道3756加壓時(shí)，具有基本恒定厚度的隔膜3752向上偏移以關(guān)閉圓形的流體通道3754。這種幾何形狀允許附加的設(shè)計(jì)靈活性，這是因?yàn)樵摳裟さ暮穸扰c該流體通道的尺寸不相關(guān)。
之前已經(jīng)證明了在混合裝置中類似的幾何形狀，其中，沒有明顯特點(diǎn)的PDMS隔膜夾在兩個(gè)圖樣化的硬質(zhì)基板之間。參見，例如，Vieider et al.，″A Pneumatically Actuated Microvalve with a SiliconeRubber Membrane for Integration with Fluid Handling Systems″，Tech.Digest of the 8thIntl.Conf.on Solid State Sensors and Actuators，Vol.2，pp.284-286(1995)；Yang et al.，″A MEMS thermopneumaticmembrane valve″，Sensors and Actuators A 64，101(1998)；以及Grover et al.，″Monolithic membrane valves and diaphragm pumps forpractical large scale integration into glass microfluidic devices″，Sensors and Actuators B 89，315-23(2003)，其全部結(jié)合于此供參考。然而，這些裝置往往大型(毫米尺寸)并且相當(dāng)慢。
這里，我們已經(jīng)說明了如何將這種具有100μm尺寸的閥制作到單塊PDMS芯片內(nèi)，并且已經(jīng)進(jìn)行了閥性能的最初的廣泛表征。該上推幾何形狀是有利的，因?yàn)楦裟ず穸鹊木鶆蚝酮?dú)立性質(zhì)簡化了驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)流體通道深度的依賴關(guān)系。
為了制作高縱橫比的流體通道，我們?cè)?″硅晶片上旋轉(zhuǎn)涂覆一厚層正性光刻膠(AZ 100 XT PLP)，并且用標(biāo)準(zhǔn)光刻法使其圖樣化。一旦顯影，就將該光刻膠加熱到它的玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上(典型地在140℃下加熱5分鐘)，因此允許該光刻膠回流以便得到具有圓形橫截面的通道。
驅(qū)動(dòng)通道的模具是由MicroChem SU 8-50制成的，MicroChemSU 8-50是MA的牛頓MicroChem有限公司(MicroChem Inc.ofNewton，MA)的一種環(huán)氧基負(fù)性光刻膠。這種光刻膠在固化彈性體所需的溫度下不會(huì)回流，并且SU-8管線會(huì)保持其矩形橫截面。V.Studer et al.，″Nanoembossing of thermoplastic polymers formicrofluidic applicatiohs″，Applied Physics Letters803614-16(2002)，結(jié)合于此供參考。在3″硅晶片上以2000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)涂覆SU-8一分鐘。SU-8層的厚度通常為50μm。
然后將兩種模具暴露在三甲基氯硅烷蒸汽中一分鐘以有助于脫模。之后將該雙組分硅樹脂彈性體(GE RTV 615)傾瀉在塑料的皮氏培養(yǎng)皿內(nèi)的流體通道模具上，并在驅(qū)動(dòng)通道模具上旋轉(zhuǎn)。如Unger等人之前所述，流體通道層的固化劑過量(GE RTV 615B)，而驅(qū)動(dòng)通道層的另一種組分過量(GE RTV 615A)，從而使得這兩個(gè)固化層之間進(jìn)一步粘合。該驅(qū)動(dòng)通道層的厚度是由旋轉(zhuǎn)涂覆速度控制的。由于該參數(shù)也控制活動(dòng)隔膜的厚度，因此它是非常相關(guān)的。該流體通道層為幾毫米厚，允許同諸如管子和注射器的宏觀元件的可靠連接。
將兩層均在爐中80℃下固化45分鐘。然后將流體通道層從模具中剝離。使用干凈的luer-stub適配器(adaptor)打出流體通道的出入孔。之后修整該層，用乙醇清洗，用氮?dú)飧稍?，并與驅(qū)動(dòng)通道層光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。通過在80℃下烘烤3個(gè)小時(shí)以實(shí)現(xiàn)這兩層之間的粘合。
將裝配好的芯片從驅(qū)動(dòng)通道模具上剝離并打出該驅(qū)動(dòng)通道的出入孔。然后通過用乙醇沖洗其兩個(gè)表面(玻璃和RTV)，用氮?dú)飧稍锊⒃?0℃下烘烤3小時(shí)，將該最終的裝置密封到預(yù)先清潔過的玻璃顯微鏡載波片上。由于清潔的表面，可以對(duì)驅(qū)動(dòng)通道施加高達(dá)30psi的壓力而不泄漏。
為了測(cè)定該新型微流體閥設(shè)計(jì)的性能，構(gòu)造了不同的裝置。一個(gè)裝置包括12個(gè)寬度為50到600μm的平行的流體通道(fluidicchannels)，且與12個(gè)同樣寬度范圍的驅(qū)動(dòng)通道交叉。利用這些裝置，我們研究了驅(qū)動(dòng)壓力(在該壓力下，該流體通道完全被閥關(guān)閉)隨流體通道寬度和控制管線寬度的變化。
圖38示出了這種閥矩陣芯片的照片。該閥矩陣芯片為流體和驅(qū)動(dòng)通道的12×12陣列，其形成了一個(gè)144個(gè)閥的矩陣，這些閥的隔膜尺寸根據(jù)通道的尺寸而變化。這些驅(qū)動(dòng)通道充滿了染料溶液。
我們還通過驅(qū)動(dòng)通道層不同的旋轉(zhuǎn)涂覆速度制作了不同的裝置，以表征驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)隔膜厚度的依賴關(guān)系。氣體能透過該彈性體，從而通過在該驅(qū)動(dòng)通道上施加壓力，可以產(chǎn)生從驅(qū)動(dòng)通道進(jìn)入周圍彈性體的氣流。由于這個(gè)過程能夠在流體通道內(nèi)產(chǎn)生氣泡，因此將這些驅(qū)動(dòng)通道充滿去離子水的橙色G的有色溶液，以使通過該隔膜的空氣體積最小。將染料推入驅(qū)動(dòng)通道內(nèi)，將小體積的空氣擠出該通道。
在流體通道為空時(shí)測(cè)量驅(qū)動(dòng)壓力。很大的指針變化使其直接放映出當(dāng)隔膜與流體通道的頂部接觸時(shí)閥的關(guān)閉。當(dāng)流體通道中有液體時(shí)，驅(qū)動(dòng)壓力被流體的反壓力改變。一旦測(cè)量了驅(qū)動(dòng)壓力，芯片就會(huì)沿著這些驅(qū)動(dòng)通道被切割，并且可以通過使用一個(gè)具有100×物鏡的光學(xué)顯微鏡測(cè)量該隔膜厚度。
在結(jié)合于此供參考的″Microfluidic Memory and ControlDevices″Science 300，955(2003)中，Groisman等人描述了另一個(gè)裝置，其被設(shè)計(jì)成利用了就地測(cè)定的補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊y(cè)量由一個(gè)閥引起的壓降，該壓降為驅(qū)動(dòng)通道內(nèi)壓力的函數(shù)。該裝置具有Y形流體通道。一側(cè)與充滿去離子水的容器相連并且具有與入口連接的閥；另一側(cè)與充滿100nm直徑熒光小球(Duke科學(xué)公司，R100)的去離子水溶液的容器相連并且沒有閥。
這兩個(gè)溶液之間的界面的位置是根據(jù)該流體通道的兩個(gè)分支之間的靜水壓力差來測(cè)量(或標(biāo)示)的。那么，在兩個(gè)分支之間沒有壓力差的情況下，依據(jù)驅(qū)動(dòng)通道上的不同的壓力值來測(cè)量界面位置。然后我們使用先前的校準(zhǔn)曲線來內(nèi)推由閥引起的相應(yīng)的阻力的值。
為了觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們開發(fā)了單個(gè)微型閥的完整三維的、有限變形的模型。經(jīng)過驗(yàn)證，我們提供了一組數(shù)字試驗(yàn)，其證明了該模型關(guān)于微型閥工作情況的靈敏預(yù)測(cè)的真實(shí)度，如驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)閥的幾何形狀的依賴。經(jīng)過驗(yàn)證的模型為合理設(shè)計(jì)高性能微型閥提供了有力的依據(jù)，包括增益、雙穩(wěn)定性和其它高級(jí)特征。
彈性體被模擬成為一個(gè)接近不可壓縮的Neo-Hookean材料，一種描述承受巨大變形的類似橡膠材料的特性的本構(gòu)模型。參見Ogden″Elastic Deformations of Rubberlike Solids″，in Mechanics ofSolids，pp.499-537(1982)，其結(jié)合于此供參考。該neo-Hookean模型有一些理論基礎(chǔ)它是通過對(duì)自由連接的分子鏈的變形的統(tǒng)計(jì)力學(xué)處理而得到的。通過這種分析，得到了關(guān)系式(2)μ＝NkT，其中，μ＝基態(tài)剪切模量；
T＝絕對(duì)溫度；K＝玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)；以及N＝單位體積的鏈數(shù)。
之后通過兩個(gè)參數(shù)來表征該材料的性能剪切模量μ和未變形結(jié)構(gòu)的Poisson’s比v。在計(jì)算中，我們采用μ＝0.6MPa和v＝0.45；二者在文獻(xiàn)中均得到了公認(rèn)。
我們采取了有限元方法以便表現(xiàn)微型閥的三維幾何形狀，并且解答控制它們變形和關(guān)閉的方程式。計(jì)算中采用的元是帶有四個(gè)高斯點(diǎn)的十節(jié)點(diǎn)二次方程的四面體的(quadratic tetrahedral)。在驅(qū)動(dòng)通道的表面上施加相同的壓力。
通過非光滑接觸算法強(qiáng)制采取所有表面之間的無摩擦接觸。參見Kane et al.，″Finite element analysis of nonsmooth contact″，Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，180(1-2)1-26(1999)；以及Pandolfi et al.，″Time-discretized variationalformulation of non-smooth frictional contact″，International Journal forNumerical Methods in Engineering，53(8)1801-1829(2002)，二者結(jié)合于此供參考。
通過動(dòng)態(tài)松弛計(jì)算所得到的微型閥的平衡構(gòu)形。參見Underwood et al.，″Dynamic relaxation″，in Computational Methods forTransient Dynamic Analysis，Belytschko and Hughes，eds.，pp.245-265，Elsevier Science Publishers，Amsterdam(1983)；以及Oakley andKnight，″Adaptive dynamic relaxation algorithm for non-linearhyperelastic structures″，Computer Methods in Applied Mechanics andEngineering，12667-89(1995)，二者也結(jié)合于此供參考。
由于兩層對(duì)稱性問題，計(jì)算的模型被限制到閥的1/4，且在所有對(duì)稱面上應(yīng)用對(duì)稱邊界條件。對(duì)于每個(gè)微型閥的幾何形狀，在實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)壓力增加1/10時(shí)，壓力會(huì)單調(diào)增加，并且不會(huì)導(dǎo)致微型閥完全關(guān)閉的最大壓力被記錄作為驅(qū)動(dòng)壓力。
第一參數(shù)研究涉及隔膜厚度對(duì)驅(qū)動(dòng)壓力的影響。該驅(qū)動(dòng)通道截面是矩形的，寬300μm，高56μm，并且流體通道部分被寬為300μm和高為50μm的圓弧所限制。在實(shí)驗(yàn)范圍考慮的三種隔膜厚度為5μm、10μm和15μm。第二參數(shù)研究涉及通道寬度對(duì)驅(qū)動(dòng)壓力的影響。在這種情況下，驅(qū)動(dòng)通道截面為矩形，寬為100-600μm，高為55μm，并且流體通道截面被寬為228μm和高為54μm的圓弧所限制。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)寬為200μm、300μm、450μm和550μm的四個(gè)驅(qū)動(dòng)通道進(jìn)行了計(jì)算。
我們繪制了上推閥結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)壓力的曲線圖，該驅(qū)動(dòng)壓力是表征隔膜的三個(gè)參數(shù)——寬度、長度和厚度的函數(shù)。如所預(yù)料的，結(jié)果作為寬度和厚度的函數(shù)是對(duì)稱的，尺寸越大壓力越小。具體地，圖39為矩陣芯片中的閥的驅(qū)動(dòng)壓力的曲線圖。該驅(qū)動(dòng)壓力與通道寬度是對(duì)稱的，并且該驅(qū)動(dòng)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)具有類似尺寸的“下推”閥所需的壓力。
隨著驅(qū)動(dòng)通道的寬度相對(duì)于流體通道的寬度變小，該驅(qū)動(dòng)壓力開始大致與寬度或長度的反冪(inverse power)成比例。圖40A示出了圖39數(shù)據(jù)的子集表示了驅(qū)動(dòng)壓力同隔膜尺寸的比例關(guān)系，此時(shí)不同尺寸的驅(qū)動(dòng)通道關(guān)閉了流體通道上方的閥，該流體通道大約寬228μm和高54μm。該線斜率為-1。
對(duì)于小的驅(qū)動(dòng)通道寬度，驅(qū)動(dòng)壓力會(huì)顯著增加。當(dāng)驅(qū)動(dòng)通道比最佳值寬時(shí)，該驅(qū)動(dòng)保持穩(wěn)定。因此，可通過減少驅(qū)動(dòng)通道在交叉點(diǎn)處的寬度而使得驅(qū)動(dòng)通道同流體通道交叉。如Thorsen等人所述，這使得產(chǎn)生了復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)和多路轉(zhuǎn)換器，以便用一個(gè)驅(qū)動(dòng)通道控制多個(gè)閥門。
該驅(qū)動(dòng)壓力還同隔膜厚度大致成線性比例關(guān)系。圖40B示出了驅(qū)動(dòng)壓力作為300μm驅(qū)動(dòng)通道和300μm流體通道的閥的隔膜厚度的函數(shù)的曲線圖。關(guān)閉符號(hào)表示測(cè)量的閥，開符號(hào)表示由有限元模擬計(jì)算的閥。該流體通道為56μm深，且橫截面接近弓形。盡管結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)壓力表現(xiàn)為隨著隔膜厚度線性增加，但是非零偏移量意味著真正的函數(shù)相關(guān)是更復(fù)雜的。
在這兩種情況下，模擬的一致性良好。圖40B示出了測(cè)定的驅(qū)動(dòng)壓力和計(jì)算的驅(qū)動(dòng)壓力的比較。預(yù)計(jì)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分匹配，這就提供了對(duì)該模型的第一驗(yàn)證。圖40A也比較了作為通道寬度函數(shù)的驅(qū)動(dòng)壓力的預(yù)計(jì)值和測(cè)量值。此外，該模型的預(yù)測(cè)同觀察是一致的，對(duì)于大(小)驅(qū)動(dòng)通道寬度，該驅(qū)動(dòng)壓力略微低于預(yù)計(jì)值(高于預(yù)計(jì)值)。
我們能夠創(chuàng)造的最薄的隔膜是幾個(gè)微米。對(duì)于非常薄的隔膜，由于晶片上光刻膠輪廓而導(dǎo)致的表面張力的影響會(huì)產(chǎn)生不均勻的表面。這樣，該隔膜厚度(其為該彈性體層厚度和該光刻膠輪廓厚度之間的差值)開始隨著圖樣密度、尺寸和形狀而變化。而且，這些不平的表面會(huì)使得該裝置的層之間的粘合由于兩層之間殘余的氣泡而難以實(shí)現(xiàn)。
我們直接比較了相同尺寸的上推閥和下推閥的性能。在兩種情況下，該驅(qū)動(dòng)通道為300微米寬，而流體通道為200微米寬、46微米深，以及隔膜為10μm厚。流體通道入口的壓力為490mm水柱(0.68psi)，而出口的壓力為大氣壓。圖41示出了作為驅(qū)動(dòng)通道壓力的函數(shù)的閥的標(biāo)準(zhǔn)化阻力(由閥/輸入壓力引起的壓降)的曲線圖。
通過對(duì)通道內(nèi)由閥提供的額外阻力進(jìn)行差異測(cè)量，可繪出作為施加壓力的函數(shù)的閥的有效阻力的曲線圖。這樣，很清楚，“上推”閥在比“下推”閥低大約一個(gè)數(shù)量級(jí)的壓力下驅(qū)動(dòng)。
再看圖41，示出了由于隔膜粘附在對(duì)面的通道上，只有上推閥表現(xiàn)出了滯后行為(hysteretic behavior)。下推閥的滯后行為很小。通過對(duì)流體通道增加壓力能夠抑制滯后行為，也會(huì)相應(yīng)地增加關(guān)閉閥所需要的壓力。
上推閥和下推閥均具有類似形狀的曲線，用于增加驅(qū)動(dòng)通道內(nèi)的壓力值。然而，這些曲線有很大量的偏移(offset)，并且下推閥關(guān)閉的壓力超過20psi，而上推閥關(guān)閉的關(guān)閉壓力僅僅為2.4psi。
這一個(gè)數(shù)量級(jí)的差別是由活動(dòng)隔膜的形狀差別造成的。下推閥具有凸起形狀的隔膜。該隔膜中間薄(10μm)，但是邊緣要厚得多(46μm)，因此很難彎曲。事實(shí)上，對(duì)于這種閥，隔膜厚度有最佳值。如果隔膜太薄，它就會(huì)只在中間偏離，閥就永遠(yuǎn)不可能在邊緣關(guān)閉。如果隔膜太厚且非常堅(jiān)硬，驅(qū)動(dòng)壓力就會(huì)變得不切實(shí)際地高，該裝置失敗。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的閥結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，隔膜一律均為很薄。對(duì)于上推閥，對(duì)隔膜厚度只有技術(shù)限制，因?yàn)檩^薄的隔膜常常需要較低的驅(qū)動(dòng)壓力。因此，上推閥適合于高縱橫比(深度∶寬度)的通道。典型地可用低于5psi的壓力關(guān)閉縱橫比高于1∶5(深度∶寬度)以及縱橫比高達(dá)1∶1的通道。
對(duì)于下降的壓力值，圖41示出了上推閥表現(xiàn)出了明顯的滯后。圖42示出了僅僅作為上推閥結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)通道壓力的函數(shù)的閥的標(biāo)準(zhǔn)化阻力(由閥/輸入壓力引起的壓降)的曲線圖。圖42示出了當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力增加時(shí)通道阻力平穩(wěn)增加。然而，當(dāng)壓力降低時(shí)，該阻力仍然很高，然后不連續(xù)的向下跳躍。
我們使用了一個(gè)帶有長焦距物鏡的光學(xué)顯微鏡來對(duì)一端向前的閥成像，并且能夠拍攝對(duì)于驅(qū)動(dòng)通道內(nèi)不同壓力值下隔膜的形狀和位置。圖43a-f示出了分別在圖42中的曲線內(nèi)的點(diǎn)#s 1-6處的上推閥的橫截面的電子顯微照片。具體地，圖43a示出了控制管線內(nèi)沒有壓力時(shí)點(diǎn)#1處的照片。圖43b-d示出了控制管線內(nèi)壓力增加時(shí)點(diǎn)#s 2-4處的照片。
圖43e示出了在壓力等于關(guān)閉壓力且閥處于關(guān)閉位置時(shí)圖42的點(diǎn)#5處的照片。圖43f示出了控制管線中的壓力降低時(shí)，圖42中的點(diǎn)#6的照片。通過上推閥在點(diǎn)#6處的持續(xù)關(guān)閉狀態(tài)，且隔膜仍然附著在流體通道頂部，證實(shí)了閥的滯后行為。
圖42和43f因此示出了滯后是由于隔膜附著在流體通道的頂部而產(chǎn)生的。當(dāng)由于流體通道和驅(qū)動(dòng)通道之間的壓力差產(chǎn)生的對(duì)隔膜的力克服了隔膜對(duì)流體通道頂部的附著力時(shí)，閥突然彈起，并且由閥引起的壓降值下降到接近由增加壓力獲得的壓降值。這種滯后在傳統(tǒng)的下推閥結(jié)構(gòu)中是觀察不到的，可能是因?yàn)檩^大的恢復(fù)力能夠克服(或壓過)表面粘力。
雖然到目前為止所述的閥結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的特征是具有基本恒定的厚度的平面隔膜，其可以向上偏離進(jìn)入到疊加在上面的流體通道內(nèi)，但是這并不是本發(fā)明所必須的。根據(jù)本發(fā)明的微流體閥結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例可采用具有基本恒定厚度的平面隔膜，其能夠偏離進(jìn)入下面的流體通道。圖44示出了根據(jù)本發(fā)明閥結(jié)構(gòu)的該可選實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例的簡化橫截面圖。
圖44所示的可選閥結(jié)構(gòu)4400包括限定在下面的基板4404內(nèi)的凹入的流體通道4402。PDMS材料的第一薄層4406形成在基板4404之上。PDMS材料的第二較厚層4408覆蓋在薄層4406的上面，且層4408底表面內(nèi)的凹槽4408a同薄層4406接觸以限定控制通道4410。
圖44中的閥的操作同先前描述的圖37B中的上推閥的操作類似。具體地，對(duì)控制通道4402施加正壓使得薄的PDMS層4406的隔膜部分4406a偏移進(jìn)入下面的流體通道4402內(nèi)。由于隔膜部分4406a是平面的，且具有基本恒定的厚度，其能夠很容易符合下面的流體通道的凹入形狀。如此，與特征為不同厚度的隔膜的傳統(tǒng)的下推閥結(jié)構(gòu)相比，圖44所示的能夠向下偏移的閥提供了許多同樣的優(yōu)點(diǎn)。
圖44的閥結(jié)構(gòu)可以通過首先提供一個(gè)具有凹入的流體凹槽的基板來制作。在一個(gè)實(shí)施例中，這個(gè)基板可以包括具有侵蝕在其中的凹入的凹槽的玻璃或某種其它的剛性材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，該基板可以包括具有由模壓形成的凹入的凹槽的聚合物材料。在又一個(gè)實(shí)施例中，該基板可包括彈性體，該彈性體具有通過在一個(gè)圓形凸起部分上模制形成的凹入的凹槽，其可以包括回流的光刻膠。
圖44的閥結(jié)構(gòu)的制作可以通過在基板上方設(shè)置具有基本恒定的厚度的平面彈性體隔膜層來繼續(xù)進(jìn)行。具有期望厚度一致性的隔膜層能夠通過旋轉(zhuǎn)涂覆形成。
圖44的閥結(jié)構(gòu)的制作可以通過使具有控制凹槽的上部彈性體層與平面彈性體隔膜層接觸來完成。上部彈性體層內(nèi)的凹槽可以通過在凸起部分(例如工件表面上的光刻膠)上模制該層而形成。
總之，我們已經(jīng)說明了通過利用簡單的物理理論，可設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試具有良好尺度特性(scaling properties，標(biāo)度特性)的單塊微型閥。這些閥的驅(qū)動(dòng)壓力比先前最好的具有類似尺寸的設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)壓力低一個(gè)數(shù)量級(jí)。它們能夠被用于在很大的動(dòng)態(tài)的尺寸范圍內(nèi)制作統(tǒng)一縱橫比的閥，在這個(gè)意義上，它們具有極好的尺度特性。模擬與閥的性能吻合良好，這就意味著模擬能夠用作將來閥設(shè)計(jì)的工具，特別當(dāng)制作復(fù)雜的幾何形狀時(shí)，設(shè)法按比例減小到甚至更小的尺寸，或者作為闡明閥關(guān)閉基本物理過程的工具。
先前所述的裝置說明了具有幾乎任意的復(fù)雜性的復(fù)雜流體線路能夠采用微流體LSI制作。與有效的閥多路技術(shù)結(jié)合的快速簡單的制作過程能夠設(shè)計(jì)芯片用于多種應(yīng)用，從高通過量篩選應(yīng)用到新型液體顯示器技術(shù)的設(shè)計(jì)。該過程的可量測(cè)性使得可設(shè)計(jì)具有甚至更高密度的功能閥元件的耐用的微流體裝置。
雖然本文中已經(jīng)結(jié)合本發(fā)明的具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，當(dāng)不脫離所闡述的本發(fā)明的范圍，可以對(duì)前述的公開內(nèi)容作寬范圍的修改、不同的改變和替代，并且應(yīng)該明了，在一些實(shí)例中，將采用本發(fā)明的一些特征而不相應(yīng)采用其它特征。因此，可以作許多修改以適應(yīng)本發(fā)明教導(dǎo)的具體情況或材料而不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍和精神。所期望的是，本發(fā)明不限于作為為實(shí)施本發(fā)明而設(shè)想的最佳方式的披露的具體實(shí)施例，但是本發(fā)明將包括落入權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所以實(shí)施例及其等同物。
權(quán)利要求
1.一種微流體裝置，包括第一層，包括在第一表面的第一凹槽；彈性體的第二層，其具有與所述第一表面接觸的第一側(cè)面以限定第一微流體通道，所述第二層的隔膜部分鄰近具有基本恒定的厚度的所述第一微流體通道；以及第三層，與所述彈性體的第二層的第二側(cè)面接觸以限定第二微流體通道，所述隔膜部分響應(yīng)于所述第一微流體通道和第二微流體通道中的一個(gè)通道內(nèi)的壓力，可偏移進(jìn)入所述第一微流體通道和第二微流體通道中的另一個(gè)通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中，所述第二微流體通道被限定在所述第三層和所述第二層的第二側(cè)面內(nèi)的第二凹槽之間，以便所述隔膜部分響應(yīng)于施加在所述第二微流體通道的壓力，可向上偏移進(jìn)入所述第一微流體通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流體裝置，其中，所述第二微流體通道具有矩形橫截面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中，所述第二微流體通道被限定在所述第二層和所述第三層內(nèi)的第二凹槽之間，以便所述隔膜部分響應(yīng)于施加在所述第一微流體通道的壓力，可向下偏移進(jìn)入所述第二微流體通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微流體裝置，其中，所述第二微流體通道具有曲線狀的橫截面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體裝置，其中，所述第三層包括剛性基板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微流體裝置，其中，所述基板包括玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中，所述第二凹槽包括被蝕刻的凹槽。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中，所述第三層包括聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微流體裝置，其中，所述第二層包括PDMS。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中，微流體流動(dòng)通道具有的深度∶寬度的縱橫比為約1∶5到1∶1之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中，所述微流體流動(dòng)通道具有的寬度為100μm或者更小。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中，微流體控制通道的寬度大于所述微流體流動(dòng)通道的寬度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，還包括在所述微流體控制通道內(nèi)的驅(qū)動(dòng)流體。
15.一種用于控制微流體結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體的方法，所述方法包括提供微流體控制通道，其通過彈性體隔膜與鄰近的微流體流動(dòng)通道隔開，所述彈性體隔膜具有基本恒定的厚度；以及對(duì)所述控制通道施加壓力，以便所述彈性體隔膜偏移進(jìn)入所述微流體流動(dòng)通道。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，對(duì)充滿水的所述微流體控制通道施加壓力。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述壓力的施加使所述隔膜向上偏移進(jìn)入疊加在上面的微流體流動(dòng)通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述壓力的施加使所述隔膜向下偏移進(jìn)入下面的微流體流動(dòng)通道。
19.一種制作微流體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括在具有圓形橫截面的第一凸起部分上模制第一彈性體材料，以便在所述第一彈性體材料的第一側(cè)面內(nèi)限定流動(dòng)凹槽；在具有矩形橫截面的第二凸起部分上模制第二彈性體材料，以便在所述第二彈性體材料的第一側(cè)面內(nèi)限定控制凹槽；將所述第二彈性體材料的第一側(cè)面相對(duì)一平面基板放置；以及將所述第一彈性體材料的第一側(cè)面相對(duì)所述第二彈性體材料的第二側(cè)面放置，以便所述流動(dòng)凹槽通過具有基本恒定的厚度的彈性體隔膜與控制通道隔開。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括通過在第一工件上對(duì)光刻膠進(jìn)行圖樣化形成所述第一凸起部分。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括加熱所述第一工件以使所述光刻膠回流形成圓形橫截面輪廓。
22.一種制作微流體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括提供上表面具有凹陷凹槽的基板；將具有基本恒定的厚度的第一彈性體層的第一側(cè)面與所述上表面接觸，以限定微流體流動(dòng)通道；在第一凸起部分上模制第二彈性體材料，以便在所述第二彈性體材料的第一側(cè)面內(nèi)限定控制凹槽；以及將所述第二彈性體材料的所述第一側(cè)面相對(duì)所述第一彈性體層的第二側(cè)面放置，以限定微流體控制通道，具有基本恒定的厚度的彈性體隔膜將所述控制通道與所述微流體控制通道隔開。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，提供所述基板包括提供具有在其中被蝕刻的凹陷凹槽的玻璃底板。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，提供所述基板包括提供被模壓形成凹陷凹槽的聚合物底板。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，提供所述基板包括在具有圓形橫截面的凸起部分上模制第三彈性體材料；以及將所述第三彈性體材料從所述凸起部分上取出。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括通過在第一工件上對(duì)光刻膠進(jìn)行圖樣化以形成所述第一凸起部分。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括加熱所述第一工件使所述光刻膠回流以形成所述圓形橫截面輪廓。
全文摘要
利用基本物理理論，提供了一種用多層軟光刻法制作微流體閥的設(shè)計(jì)和方法。根據(jù)本發(fā)明的閥的實(shí)施例以具有基本恒定厚度的彈性體隔膜部分為特征，使得隔膜承受與在其整個(gè)寬度上施加的壓力類似的阻力。這種由可以向上或向下偏移的隔膜制作的開關(guān)閥能夠具有非常低的驅(qū)動(dòng)壓力，并且能夠被用于實(shí)現(xiàn)活動(dòng)功能，例如在集成微流體芯片中的泵和混合器。閥的性能通過在設(shè)計(jì)參數(shù)的寬范圍上測(cè)量驅(qū)動(dòng)壓力和流動(dòng)阻力，并且將它們同有限元模擬和可選的閥幾何形狀進(jìn)行比較來表征。
文檔編號(hào)F16K11/20GK1867795SQ200480029745
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月11日
發(fā)明者文森特·施圖德, 斯蒂芬·R·夸克, W·弗倫奇·安德森, 塞巴斯蒂安·J·梅爾克爾 申請(qǐng)人:加州理工學(xué)院