專利名稱：磁性微流體閥門的制作方法
磁性微流體閥門本發(fā)明涉及其中具有可運動閥門構件的微流體設備，其可被用于生物感測試劑的芯片上(on-chip)存儲。隨著對需要低成本微型化溶液的重點護理(point-of-care)診斷學和 整體快速分子診斷學的興趣的增加，微流體設備特別是一次性微流體設備 在診斷中所起的作用不斷增加。所述微流體設備允許使用非常小體積的樣 品流體執(zhí)行復雜的生物化學反應或分析。對于生物樣品流體分析來說，一 些步驟典型地必須被執(zhí)行，諸如例如流體樣品的預處理、試劑的混合、DNA 擴增、對表面的特異性結合、洗滌步驟等等。這些步驟中的一些步驟可采 用必須經(jīng)過設備的微通道輸送到該設備的特定區(qū)域(典型地為芯片上區(qū)域， 反應或者分析在此發(fā)生)的輔助化學物質(zhì)。除了能夠重新定向流體流動以 外，對于這種設備的魯棒和方便操作來說，高度需要的是能夠?qū)⒒瘜W物質(zhì) 和其他流體在一次性設備上存儲延長的時間段。當反應或者分析需要時， 這些化學物質(zhì)然后可以很容易獲得。到目前為止，已經(jīng)提出了一些概念。在一種已知設備中，蠟塞被應用在 微流體通道中以至少部分將其密封。密封部分作為流體的存儲容器。當通 道需要被開啟時，蠟塞被定位在蠟附近的電極的熱電阻加熱熔化，流體最 終可使被熔化的蠟塞移位。這種方法的缺點在于蠟的變形是不可逆的，因 此它僅僅能被使用一次。此外，為了良好密封，蠟需要在設備被提供蓋之 前以適當劑量的數(shù)量施加到微通道內(nèi)，蠟還必須很好地粘附在所述微通道 上。為了良好地操作，流體必須在壓力下被存儲，從而提供使所熔化的蠟 移位所必需的力?；蛘?，已經(jīng)提出了膜(通道中的薄片)來代替蠟。為了 開啟通道段，膜被電阻加熱弱化，并在封閉流體的壓力下最終突然開啟。 碎片的形成是經(jīng)常性的問題并且這種設備的操作對膜厚度的微小變化非常 敏感。在另一種已知的設備中，使用密封貯存器，其在鋒利的銷釘?shù)膸椭?下通過操作員施加的壓力收縮(pinch)。這種設備被限制為相對較大的存儲容量和通道尺寸。微流體系統(tǒng)中的集成是很麻煩的并且開口時的流體流 動不能很好地被控制，因為收縮的開口的形狀是不規(guī)則的。本發(fā)明的目的在于提供一種將少量液體存儲在微流體筒中并在需要時 以很好控制的和簡單的方式接近所述液體的設備。根據(jù)本發(fā)明，這些和其他目的可通過微流體設備來實現(xiàn)，其具有權利 要求1所述的技術特征。更具體地，微流體設備包括蓋和基底，其中限定 有至少第一和第二微流體通道，以及設置在蓋和基底之間的流體流動調(diào)節(jié) 層，由此流體流動調(diào)節(jié)層包括可運動閥門構件，其在開啟位置時允許第一 和第二微流體通道之間的流體連通，在閉合位置時抵靠著閥門座來密封， 由此至少閥門構件和閥門座的一部分是磁性的。第一和第二微流體通道可 被分別限定在蓋和基底中。根據(jù)本發(fā)明還可能的是將第一和第二微流體通 道兩者都限定在蓋或者基底上。閥門構件抵靠著閥門座的密封通過兩者之 間的磁吸引力來實現(xiàn)，由此密封表面優(yōu)選是光滑的和/或非濕潤表面。閥門 構件可通過電和/或電磁場致動以形成在閥門構件和座之間的開口，流體可 通過該開口流動。電和/或電磁場的切斷或者逆轉(zhuǎn)導致閥門在磁吸引力的作 用下再次閉合。存儲的化學物質(zhì)的泄露通過磁力的作用來防止。此外，微 流體設備的一般特征在于較大的表面-體積比，其存在溶劑(通常為水)可 能通過容器壁的滲透問題。另一方面，對于分析和/或反應而言，流體必須 易于獲得，因此在樣品流體的分析過程中當需要時應當能夠?qū)⒘黧w引入微 通道中。必須提供在保存期限期間的氣密的或者大致氣密的密封，和在微 流體環(huán)境下以低成本方法對化學物質(zhì)的立即接近，這是明顯矛盾的要求。 根據(jù)本發(fā)明的設備解決了提供對容器的緊密封閉中的所有這些問題，同時 該筒被存儲并且沒有動力可得到，而且在需要時幾乎可立即得到流體流動。 另外的優(yōu)點在于流體將能夠以已經(jīng)存在的低壓力且以受控速度流動。根據(jù)本發(fā)明，閥門可在無動力狀態(tài)下被氣密地或者幾乎氣密地閉合， 并可在需要時以受控的或可逆的方式被開啟。該閥門不僅不需要任何外力 來使其保持閉合，而且其還可以以簡單和低成本的方式生產(chǎn)。另外，通過 提供磁密封表面，根據(jù)本發(fā)明的設備不需要單獨的粘合劑來密封閥門和閥 門座。粘合劑的使用是不需要的，因為他們可干擾樣品流體。根據(jù)本發(fā)明的設備允許容納流體一延長的時間段。這在現(xiàn)有技術的設備中是不可行的， 通常現(xiàn)有技術的設備典型地通常依賴壓力差來開啟或者閉合閥門或者流體 流動調(diào)節(jié)構件。這種己知設備需要外部致動器來保持流體容器被閉合。依 賴于存儲容器和微通道系統(tǒng)的其他部分之間的壓力差來維持流動或者開啟 閥門的設備一般需要通風口來防止微通道系統(tǒng)的一些部分中的真空抽吸， 從而避免流動。但是，通風口是不理想的，因為他們產(chǎn)生了泄露的可能性。 根據(jù)本發(fā)明的設備沒有這種缺點。為了能夠與環(huán)境連通，該設備的功能元件，諸如電子芯片及類似物可 典型地由基底層支撐并與其電連接，所述基底層充當與用于讀數(shù)的儀器的 互連，用于執(zhí)行一些操作和/或其他方面。由傳感器產(chǎn)生和/或接收或者與 樣品流體相互作用產(chǎn)生的電信號經(jīng)過互連基底傳送到到用于進一步處理的輔助裝置。微流體通道系統(tǒng)被限定在基底的面對的表面(facing)和蓋層 之間，例如被設置在互連基底頂部上。根據(jù)本發(fā)明的設備提供了在延長的 時間段中存儲流體的可能性，而不在儀器和一次性設備之間形成"濕潤" 界面，"濕潤"的界面是不需要的。本發(fā)明的設備的又一優(yōu)點是，根據(jù)磁力強度，可以達到任何閉合力。 此外，當在微流體通道中以不同磁閉合力提供多個閥門和密封構件時，通 過增加局部的外部致動力，實際上可接連開啟通道，由此提供了設備中的 閥門的選擇性開啟?？梢酝ㄟ^集成在互連基底上的電導體局部形成該磁場。在本申請的上下文中術語通道的意思被廣義地解釋，而不是想要限制 為例如細長的構造。通道可以是任何所需形狀的腔或者管道，并且流體腔 可以包括流體可連續(xù)通過的流通單元，或者用于將特定量流體保持一些時 間段的室。雖然本發(fā)明不限于此，微流體通道典型地應當被理解為流體能 夠流過其中的結構或者流體可包含在其中的結構，其具有小于大約lmm的 尺寸。在微流體設備中，通道典型地設置在蓋和/或基底中。通道以本質(zhì)上 已知的方式產(chǎn)生，例如通過注射成形，通過進行光刻以在硅或者玻璃基底 上限定通道，或者通過蝕刻技術從蓋和/或基底上移除材料形成通道。蓋板 通常被結合到基底上以提供對該設備的閉合。當提到閥構件和閥門座為磁性的時，在本申請的上下文中指的是它 們可擁有永磁特性或者具有感應磁性特性。在本發(fā)明的實施方式中，微流體調(diào)節(jié)設備的特征在于，至少部分閥門構件和閥門座包含具有永久磁化率(permanent magnetic susc印tibility)的材料。在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實 施方式中，微流體調(diào)節(jié)設備的特征在于，至少部分閥門構件和閥門座是永 磁性的。在該方式中，液體的存儲時間(也被稱為保存期限)可被延長。 在本申請的上下文中，永磁材料是涉及具有永磁偶極矩的分子的那些。閥 門構件和座可優(yōu)選由永磁材料制成，和/或可以設置有磁性涂層。還可以通 過粘合劑結合或者機械保持方式將分離的磁性元件連接到可運動閥門構件 和/或座構件。閥門構件可由剛性、半剛性和/或柔性材料制成。在采用剛性閥門構件 的情況下，其可包括柔性材料的鉸鏈區(qū)(hinge region),或者使用厚度減 小的剛性材料的鉸鏈區(qū)。合適的材料可由本領域技術人員依據(jù)所使用的設 備及其構造的特定類型來選擇，例如可包括金屬、紙張、玻璃、聚合物或 者它們的組合。閥門可由高彈性材料制成，允許閥門以良好受控的方式被 開啟，或者閥門可由更柔性的材料制成，以便還可能根據(jù)不同構造平穩(wěn)地 開啟。合適的聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯(PS)或者其他芳 乙烯聚體(vinylaromatic polymers),聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或者 其他聚烯烴聚合物，聚酰亞胺(PI)、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚酯、熱塑 性彈性體、聚氨酯、橡膠、硅膠等等。雖然對于本發(fā)明不是必須的，但如 果需要，這些材料可在一側(cè)或者雙側(cè)設置有粘合劑層。在根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式中，微流體調(diào)節(jié)設備的特征在于， 閥門構件和/或座至少部分包含大體上的柔性聚合物片層。該實施方式提高 了設備制造的簡便性。此外，聚合物片層一般或者可以很容易設置有光滑 和非濕潤表面，這進一步改進了閥門構件在其座上的閉合。應當理解，聚 合物片層大體上指的是基于聚合物材料的任何片層或者箔片，但事實上也 包括其他添加劑，例如礦物質(zhì)添加劑，和/或其他材料，諸如金屬粒子和/ 或薄片和/或箔片，以及這些物質(zhì)的類似物。為了能夠傳輸電信號，聚合物 薄片還可包括導電(conducting)的例如金屬的路徑和/或互連。 當流體流動調(diào)節(jié)層包括具有設置在蓋層附近的第一片層和設置在基底層附 近的第二片層的組件時其具有一些優(yōu)點，所述第二片層具有第二微流體通 道高度處的開口并包括閥門座，部分第一片層被切掉以便形成至少部分覆蓋開口并密封至少一部分第二片層表面的可運動閥門構件。該實施方式提 供了易于一次為設備提供多個開口和閥門部分的可能性。如果需要，片層 可以彼此粘合結合或者通過其他方式結合。通過提供具有第一和第二片層 的組件，閥門座的特性可以獨立于蓋和基底層的材料而另外修改。為了提供具有可運動閥門的微流體調(diào)節(jié)設備的這種實施方式，組件中 的第一和第二片層在至少一部分座區(qū)域上大體上不結合。這允許第一片層 在座區(qū)域的至少該部分上相對于第二片層的局部運動，由此開口的尺寸可 基于未結合區(qū)域的尺寸而調(diào)節(jié)，這具有的優(yōu)點是至少部分提供了具有永磁 材料涂層的第一和/或第二片層。更優(yōu)選的是，第一片層的座區(qū)域設置有永 磁材料的涂層。還可能的是提供根據(jù)本發(fā)明的設備，其具有由永磁材料構 成的第一和/或第二片層。在根據(jù)本發(fā)明的微流體調(diào)節(jié)設備的另一種優(yōu)選實施方式中，第一和/或 第二片層由穿孔的片層材料構成。這允許例如流體經(jīng)過該閥門緩慢地擴散， 甚至當處于閉合位置中也是如此，在一些情況下這是有利的。為了操作微流體調(diào)節(jié)設備，優(yōu)選其進一步包括用于作用于閥門構件的 致動器。在該方式中，操作人員能夠在一定距離處操縱閥門構件而不干擾 流體流動。根據(jù)本發(fā)明，存在多種用于致動的可能性。在優(yōu)選的實施方式 中，微流體調(diào)節(jié)設備的特征在于致動器包括施加到至少部分可運動閥門構 件和閥門座上的導電路徑，其與用于提供電荷的驅(qū)動器連接。在該實施方 式中，其可以是靜電電荷閥門構件和座。當兩個片層磁極性相反時，閥門構件被排斥，這將開啟在第一和第二微流體通道之間的連接。當電壓降低 時，閥門將逐漸閉合，這提供了調(diào)節(jié)在第一和第二微流體通道之間的實際 開口的可能性。此外，取決于其中導電路徑即片層上的電極被施加的特定 模式，多個閥門可被重復尋址。在另一個優(yōu)選實施方式中，微流體調(diào)節(jié)設備的致動器包括位于距離可 運動閥門構件可作用距離內(nèi)的電磁體。當接通該磁體時，可運動閥門將被 排斥或者被電磁體吸引并以這種方式開啟通道。在特定實施方式中，電磁 體包括在蓋和/或基底層中。根據(jù)本發(fā)明，該設備不限于提供在兩(段)微流體通道之間的閥門， 還可作為用于貯存器的蓋或者作為用于在運動設備中移動流體的泵。而且，一些感測和/或其他功能元件可以與不同的分立基底一起集成在單個設備上，以形成在該領域內(nèi)統(tǒng)稱為芯片上實驗室或者ii-TAS的系統(tǒng)。為了能夠在組件上限定微流體通道或者流體引入?yún)^(qū)域(流體相互作用 區(qū)域可由該區(qū)域補充)，被集成的功能元件和互連組件優(yōu)選設置有蓋。除了 限定流體通道以外，蓋還充當系統(tǒng)的閉合物。蓋還可以以任何方式被應用， 例如通過粘合劑和/或熱結合?，F(xiàn)在將參照在附圖中顯示的實施方式對根據(jù)本發(fā)明的設備進行詳細描述，但這并不是對本發(fā)明的限制圖l示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的第一實施方式的剖面?zhèn)纫晥D； 圖2示意性地示出了處于幵啟狀態(tài)的

圖1的實施方式的剖面?zhèn)纫晥D； 圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的另一種實施方式的剖面?zhèn)纫晥D，其包括電磁致動器；圖4示意性地示出了處于被致動狀態(tài)的圖3的實施方式的剖面?zhèn)纫晥D；圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的另一種實施方式的剖面?zhèn)纫?圖，其包括電磁致動器；圖6示意性地示出了處于被致動狀態(tài)的圖5的實施方式的剖面?zhèn)纫晥D； 圖7a和7b是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的微流體調(diào)節(jié)設備的示意性圖示； 圖8和圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的備選微流體調(diào)節(jié)設備。根據(jù)本發(fā)明，圖1示出了包括電互連或者背板2形式的第二層的微流 體系統(tǒng)l，所述第二層包括至少一個微通道3。所述設備覆蓋有第一層或者 蓋板4，其含有相對于背板2定位的至少一個微通道5，使得流體可以從微 通道4流向微通道5。在背板2的頂部，層壓第一片層6，其以如下方式構 造在需要閥門的位置處形成開口 7，換言之，在此處，使得從微通道3向 微通道5的流體流動變得可能。片層6以圖案化的方式或者全部以永磁材 料涂敷(在圖1中由片層6的陰影區(qū)域表示)，或者作為替代可以是整個具 有永磁特性的合成材料。在片層6的頂部，層壓另一片層8。片層6和片層 8以合適的粘合劑可粘合地結合在一起，但閥門座9的區(qū)域除外，以便允許 片層8在該區(qū)域的局部運動。再者，片層8也可局部或者完全涂敷有永磁層或者是具有永磁特性的合成材料(在圖1中由片層8的陰影部分表示)。 部分片層8沿著輪廓線IO被切割，從而限定了板形式的可運動閥門11。閥 門ll可以運動，因為其具有由未結合的表面區(qū)域12和輪廓線10限定的自 由端。在靜電致動的情況下，片層6和8還包括導電路徑或者電極，它們 與用于施加電荷的驅(qū)動器連接(未示出)。當兩個片層6和8極性相反時， 頂部片層8將被排斥，并且從第二片層6分離的部分頂部片層8將被開啟， 即閥門11將被開啟。微通道3和5被定位成當片層8被致動時使包含在微 通道3中的流體可通過片層11和室壁13之間的間隙，如圖2的箭頭F所 示。當導電路徑上的電壓降低時，由于片層8和片層6的陰影部分之間的 磁吸引力，閥門ll將再次閉合。以這種方式，還能夠以需要的方式通過對 片層6和8上的電極適當?shù)貓D案化重復尋址多個閥門。在電磁致動的情況下，電磁體13被定位在可運動閥門11的附近。當 接通磁體13時，永磁閥門11將被電磁體13排斥或者吸引并且以這種方式 幵啟微通道3。在圖3中，示出了一種設備的實施方式，其中磁性片層11 位于由導磁材料制成的脊(ridge) 14上。當外部電磁體13接通時，從脊 14發(fā)出的磁場線將推開片層11。以該方式，分別位于脊14左側(cè)和右側(cè)的 通道3a和3b被連接，如同圖4中由箭頭F示意性示出的那樣。如果需要， 場的方向可被轉(zhuǎn)換以便將閥門11拉回到脊14,這樣再次閉合微通道部分 3a和3b。脊14本身是靜止的并密封在背板2中。另一種具有外部致動器 15的備選實施方式在圖5中示意性示出。作為相對硬的永磁片層8的替代，可使用更具彈性的永磁片層8。在這 樣的實施方式中，位于閥門11后面的微流體室5在所有時候都保持密封， 甚至在開啟狀態(tài)下也是如此。這在圖6中示出，其中閥門片層ll不沿著座 表面12滑動，如同在圖5中示出的實施方式那樣，但在致動過程中被拉長。所描述的本發(fā)明的設備的實施方式都具有的共同點在于它們都包括背 板2和蓋板4的簡單構造，這二者都可通過根據(jù)公知的實踐方法，例如注 射成型制成。在優(yōu)選實施方式中，使用具有圖案化的永磁涂層(任選地還 提供圖案化的電極)的穿孔片層材料，這提供了設計的巨大自由度，同時 該組件大體上獨立于設計之外。所述片層甚至可以是通常在電子互連中使 用的規(guī)則的柔性材料。在一些情況下，單個片層8可能是足夠的，諸如在圖6的實施方式中顯示的那樣。靜止磁性材料也可以通過涂層施加或者甚至通過其中一個組分是永磁聚合物合成材料的雙組分成型(two component molding)而包括在背板2中。典型地，片層將包括其上具有由薄絕緣層覆蓋的電氣布線的聚合物基 底(例如聚酰亞胺或者聚酯)。在其上可施加屏障涂層，例如聚對二甲苯或 者無機物材料或者不同材料的疊層。局部地，永磁涂層被施加足夠的磁場 強度以確保甚至在運輸和處理過程中在t存器和微通道之間存在可能的壓 差且具有機械負載的情況下完全密封。這種涂層可通過真空沉積經(jīng)掩模和 電化學沉積來施加。在片層的表面，如果需要，可施加軟而光滑的涂層以 改善片層和鞍(saddle)之間的接觸。所述表面可用專門的生物相容性材 料和涂層來處理，從而例如避免被內(nèi)部的試劑污染或者其他干擾。根據(jù)本發(fā)明的組件可在廣泛應用中使用，諸如例如通用傳感器、生物 傳感器、環(huán)境、食物、健康和/或診斷傳感器，芯片上實驗室、集成樣品處 理和傳感器組件、P-TAS等等，例如包括對DNA擴增(例如PCR)和雜交 檢測特別有用的加熱和/或冷卻元件。其他合適的應用包括例如具有集成電 子冷卻的IC和LED或者其他具有集成冷卻的緊湊光源。在說明書中，術語"通道"在本申請的上下文中應當被廣義地理解， 而不是限制為例如細長的構造。通道可以是任何所需形狀的腔或者管道。 通道可以是流體可連續(xù)通過其中的流通通道或者流通單元，或者用于將特 定量的流體保持一些時間段的室。在微流體設備中，通道典型地被設置在 第一和第二部分中，即沿著第一部分或者第二部分的表面設置。通道以現(xiàn) 有技術中已知的方式產(chǎn)生，例如通過注射成型，通過采用光刻以在硅或者 玻璃部分中限定通道，或者通過將材料從該部分的表面移除以形成通道的 蝕刻。術語"微流體通道"應當被理解為流體能夠流過或者流體可包含在其 中的通道，其具有優(yōu)選小于大約lmm的尺寸，諸如小于0.5mm。當提到可運動閥門和閥門座為磁性的時，在本申請的上下文中意味著 它們可具有永磁特性或者具有感應的或者可感應的磁性特性。磁性材料可 具有永久磁化率。在本申請的上下文中，永磁材料是甚至當不受外磁場的 影響時也顯示永磁場的材料，并且甚至當設置在外磁場中時其也能保持這種磁場。所述材料包括具有永磁偶極矩的分子。"大體上的聚合物片層"指的是任何以聚合物材料為基礎的片層或者 箔片，但是實際上也包括其他添加劑，例如礦物質(zhì)添加劑，和/或其他材料， 諸如金屬粒子和/或薄片和/或箔片，磁粉或者粒子，以及類似物。為了能 夠傳輸電信號，聚合物箔片還可包括導電的，例如金屬的路徑和/或互連。 用于實現(xiàn)體現(xiàn)本發(fā)明的微流體調(diào)節(jié)設備的目的的其他布置對于本領域技術 人員來說是顯而易見的。大體上的聚合物片層可包含至少30%的聚合物材 料。圖7a和7b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的微流體調(diào)節(jié)設備 100。圖7a示出了處于閉合位置的微流體調(diào)節(jié)設備100，而圖7b示出了處 于開啟位置的微流體調(diào)節(jié)設備100。微流體調(diào)節(jié)設備100包括具有第一部分表面110的第一部分101和具 有面向第一部分表面110的第二部分表面120的第二部分102。第一部分表 面110包括第一微流體通道111，第二微流體通道112和定位在第一通道 111與第二通道112之間的閥門座113。第二部分表面120包括在第一通道 111，第二通道112和閥門座113高度處的腔121。微流體調(diào)節(jié)設備100還 包括可運動閥門構件130?？蛇\動閥門構件130被定位在第一部分表面110 和第二部分表面120之間。在第一或者閉合位置，可運動閥門構件130與 第一部分表面110沿著圍繞第一通道111、第二通道112和閥門座113的密 封線131流體密閉接觸。微流體調(diào)節(jié)設備包括致動器件140以使可運動閥 門構件運動到開啟位置和閉合位置。為了使可運動閥門構件130到開啟位 置，可運動閥門構件被運動到腔121中，由此允許在第一通道111和第二 通道112之間的流體連通。當可運動閥門構件130被運動到其閉合位置時， 使得可運動閥門構件從第二通道112回到用于密封第一通道111的閥門座 113上。在該實施方式中，微流體調(diào)節(jié)設備IOO還包括用于平衡腔121和第 一微流體通道111之間的壓力的第三通道150。第一通道優(yōu)選作為將流體提 供到設備100的流入設備。第一部分可通過任何合適的方式被結合到第二 部分上以提供微流體調(diào)節(jié)設備的閉合，例如通過焊接、粘合劑等。第三通道150是繞開(bypassing)可運動閥門構件的導管，具有延伸 到腔中的第一排出口 151和延伸到第一微流體通道111中的第二排出口152。
在特定實施方式中，可運動閥門構件130是膜、優(yōu)選大體上為聚合物 膜。該膜被夾鉗在第一部分101和第二部分102之間，更具體地在第一部 分表面110和第二部分表面120之間。第一部分101或者底部部分，更具 體的第一部分表面110包含液體入口和出口，而第二部分102或者頂部部 分，更具體的第二部分表面120包括膜可在其中變形的腔121。
根據(jù)該特定實施方式，微流體調(diào)節(jié)設備100基于電磁致動被激勵，并 且制造相對容易。
可運動閥門構件130是包括分散的磁粉(例如永磁粉)的彈性聚合物 膜，其使用電磁體141致動并可實現(xiàn)較大的偏移?？蛇\動閥門構件130是 流體不可滲透的。粉末例如可以是硬磁粉，例如鋇鐵氧體、鍶/鋇鐵氧體、 鍶鐵氧體、鋁-鎳-鈷合金、釤-鈷或者釹-鐵-硼粉末。作為替代，也可使用 分散的超順磁粒子，例如半徑小于15mn的氧化鐵粒子?？蛇\動閥門構件的 閉合狀態(tài)通過使用提供第一部分101的第一部分表面111的磁性薄膜114 來建立。這具有不消耗動力而將可運動閥門構件保持閉合狀態(tài)的特點。電 磁體設計的另一個重要方面是致動控制是完全無接觸的，即其在致動器件 140和可運動閥門構件之間不需要機械接觸就可實現(xiàn)。致動器件140的電磁 體141處于可運動閥門構件的可作用范圍內(nèi)，即被提供給電磁體的螺線管 的電流變化可使可運動閥門構件由于磁力而運動?？蛇\動閥門構件由此包括沉積在第一部分101上的磁性材料例如鐵磁 材料的頂部上的彈性磁性膜，所述第一部分101含有用于液體的入口通道 (即該實施方式中的第一通道lll)以及出口通道(在該實施方式中其由第 二通道112形成)。
該膜可通過將磁性例如永磁粒子結合在聚合物膜中來提供有磁性特 性?；蛘咴撃た杀煌糠笥欣缬来挪牧?。第一部分101上的磁性材料可通過磁性薄膜114來提供，但也可通過提供磁性層例如鐵磁層來提供，例如通過涂層例如真空涂層來提供。任選 地，第一部分由磁性材料例如鐵磁材料制成。第一部分101的磁性材料可 以是永磁材料。第一部分表面上的磁性薄膜優(yōu)選是永久鐵磁材料諸如 CoMMnP和CoCrTa。這可通過使用物理氣相沉積或者電鍍來沉積。重要的是至少閥門座113設置有磁性材料。或者，磁性元件可通過雙組分模塑(two component moulding)來提供，其中一個組分是磁性聚合物合成材料，諸 如永磁聚合物合成材料，或者通過注塑(insert moulding)來提供，其中， 磁性材料被插入模型中并被塑料諸如熱塑性、熱固性或者照相排版 (photoset)塑料二次成型(overmold)。圖7a示意性地示出了處于閉合位置(即磁性膜的斷開位置或者靜止模 式)的可運動閥門構件130的基本工作原理。當可運動闊門構件130閉合 時，作用在該構件上的力僅僅是磁性膜與第一部分的磁性材料例如鐵磁材 料之間的吸引力。這避免了工作流體流過該閥門。閥門的開啟狀態(tài)即可運動閥門構件130的開啟位置使用利用電磁體141 例如圖7b中示出的螺線管的電磁致動來實現(xiàn)。螺線管和磁性膜之間的吸引 力的總和將大于磁性膜與第一部分表面110上的薄膜114的磁性材料例如 鐵磁材料之間的磁吸引力，從而使得磁性膜將向上偏移到腔121中，并且 工藝液體可從第一通道111，即入口流向第二通道112，即出口。在膜的下側(cè)，即面向第一部分表面的一側(cè)上作用的流體壓力與在膜的 第二側(cè)，即面向腔121的一側(cè)上作用的流體壓力相平衡。因此，流體壓力 不影響致動器件140與可運動閥門構件130之間的吸引力。磁性彈性體膜例如可使用壓縮成型來制備。該膜應當在應用到閥門中 之前沿其厚度方向被磁化，這可以很容易通過使用大的外部磁場來完成。但是，在這種情況下，該膜的兩側(cè)對于流體來說都是容易接近的。入 口通道即第一通道111和腔之間存在導管形式的連接，例如第三通道150， 繞幵該膜。這種連接可被集成在第一和第二部分中，如圖7a和7b中所示， 但是也可使用任何其他旁路，例如其還可以通過繞開整個可運動閥門構件 的簡單的管件來建立旁路。在閉合狀態(tài)，流體不能通過該膜。在閉合位置 (即在穩(wěn)定狀態(tài))不存在壓力下降。在開啟狀態(tài)(即致動狀態(tài))，當腔或室 中的流體從腔泵回到入口即通道111時膜可偏移。膜的機械功僅僅是通過 穿過旁路導管(即腔和第一通道之間的第三通道150)的壓力下降來確定， 其與流體粘度、移位速率和第三通道的尺寸成比例。這很大程度上獨立于 流體壓力。該膜上的壓力平衡受到各個通道的尺寸，即流體與各個表面上 的膜的接觸面積的影響。優(yōu)選地，該膜的膨脹室將具有比微流體入口通道更大的接觸面積。以這種方式，其確保了流體從旁路側(cè)施加在入口處的力 將大于從入口通道側(cè)施加的力。閥門將保持閉合。致動力必須至少補償所 述力的差值。隨著偏移的增加，從入口側(cè)的接觸面積將增加，相應地凈致 動力將增加。在動態(tài)狀態(tài)下，在入口通道的邊緣處存在局部密封力，這是 座和膜的相互作用(諸如磁性膜和磁性閥門座之間的磁性相互作用)加上 腔中的流體壓力施加的力的結果。開啟力由在該膜上的致動操作(諸如來 自磁性或者電磁致動器件的磁場)加上入口通道中的局部流體壓力提供， 其與膜的彈性特性結合形成了分離力，其入口通道的邊緣處使該膜脫離座。 一旦開始脫離，入口壓力將提供更大的力，因為入口流體和膜之間的接觸 面積將增加。假定腔和入口通道之間的壓力平衡是理想的，閥門一開啟并 且不運動，膜上的凈流體力就將為零。 一旦開始開啟閥門，致動力就變得 獨立于流體壓力，即致動力由使膜變形且可能補償膜和閥門座之間的其他 力(例如當使用磁性膜和閥門座時，閥門座和膜之間的磁性吸引)所需要 的力來限定。該流體調(diào)節(jié)設備的優(yōu)點是，在使用膜的情況下，當膜不運動時可運動 閥門構件兩側(cè)上的流體壓力，任選地液體壓力是相等的，即Pb=Pt。在該膜 被致動的時刻，將形成壓力差，這是因為流體將必須經(jīng)過旁路導管被泵送。 但是，通過確定旁路導管的水動阻力非常小，即通過使導管盡可能短而其 橫截面應當被最大化，這種壓力差可顯著減小。這意味著始終是Pb^Pt。因 此，在可運動閥門構件150的操作中流體壓力將僅僅起很小的作用。在閥 門座113和可運動閥門構件通過磁力彼此吸引的情況下，用于致動所需的 力將可兒乎只通過磁力而確定。腔中存在的流體不必需與經(jīng)過微流體調(diào)節(jié)設備ioo導引的流體即工藝流體相同。但是，工藝流體和腔中的流體優(yōu)選是不能混合的。作為一個例 子，腔中的流體是氣體，工藝流體是不能與氣體混合的液體。在這種情況 下，應該理解的是，流體不可滲透的可運動閥門構件對于氣體和工藝液體 是不可滲透的。在入口處進入的工藝流體將不朝向膜的背側(cè)填充"死端(dead end)" 第三通道，而是壓縮通道該部分中的空氣。進入第三通道150的工藝流體 的體積將取決于工藝流體的壓力和第三通道的體積。當可運動閥門構件130致動時，即膜向腔121中運動，腔中的部分流體將被迫流進第三通道150 中。移位的體積即膜的，可運動閥門構件的開啟和閉合位置之間的腔的體 積差將被泵回到入口。對于一些應用來說，可運動閥門構件可被設計成，使得腔中通過運動 閥門構件而移位的體積小于進入第三通道以將腔中的空氣壓縮成工藝壓力 的工藝流體的體積。這是為了防止在可運動閥門構件轉(zhuǎn)換過程中工藝流體的主流中引入空氣。這可通過使第三"死端"通道的體積V3大于，例如大體上大于由可運動閥門構件移位的移位體積來獲得。對于一些應用來說，重要的是盡可能多地減少殘留在微流體調(diào)節(jié)設備 中的工藝流體的體積。理想地是，沒有工藝流體殘留在微流體調(diào)節(jié)設備中。殘留體積也被稱為死體積(dead volume)。在這種情況下，這可通過使第 三"死端"通道的體積V3小于由可運動閥門構件移位的移位體積來實現(xiàn)。作為圖7中示出的構思的替代，第三通道可連接第二通道112和腔121， 而不是連接第一通道111和腔121。在另一種實施方式中，第三通道或者"旁路通道"被設置成帶有具有 疏水表面的微米孔或納米孔屏障。在這種情況下，工藝流體諸如接觸角O 大于90度的液體不能進入第三通道，而壓力仍然經(jīng)由第三通道和腔中的流 體被轉(zhuǎn)換，所述流體可以是空氣。以這種方式，達到第三通道的毛細管壓 力的壓力水平可被抵抗(Ap二ocosO/h， h是微米孔屏障的小孔直徑)，其 可達到大約1 bar。根據(jù)類似于圖7的實施方式的另一種微流體調(diào)節(jié)設備300在圖8中示 意性地示出。微流體調(diào)節(jié)設備處于閉合位置。相同的附圖標記指的是與圖7 的微流體調(diào)節(jié)設備100相同或類似的特征。微流體調(diào)節(jié)設備300具有第三通道350，即延伸的孔徑，或通過可運動 閥門構件130的多個孔徑，其具有延伸到腔121中的第一排出口 351和延 伸到第一微流體通道lll中的第二排出口 352。應當理解的是，在這種特定 實施方式中，腔121中的流體將至少部分由工藝流體提供。為了在第一通道111和腔121中具有足夠快速的壓力平衡，孔徑的尺 寸在5到100um之間，而第一通道lll、第二通道112和腔121的尺寸典 型地在10到5000ixm之間。微流體調(diào)節(jié)設備400的再一種實施方式在圖9中示意性示出。第一部 分表面110具有圍繞第一通道111和第二通道112的邊界116?？蛇\動閥門 構件130是具有沿著腔121的周邊122的一部分被夾鉗的夾鉗末端135的 片層，所述片層具有與邊界116滑動接觸的自由端136。該邊界被提供有磁 性特性，優(yōu)選為永久磁性的。自由端也設置有磁性特性以在滑動操作過程 中形成自由端到邊界的密封。沿著第一部分101的邊界116的磁性材料可由磁性薄膜114提供，但 也可以通過涂層例如真空涂層通過提供磁性層，例如鐵磁層來提供。任選 地，第一部分由磁性例如鐵磁材料制成。第一部分101的磁性材料可以是 永磁材料。第一部分表面上的磁性薄膜優(yōu)選是永久鐵磁材料，諸如CoNiMnP 和CoCrTa。這可使用物理氣相沉積或者電鍍來沉積?？蛇\動閥門構件130的片層的自由端136設置有磁性特性，優(yōu)選為永 久磁性的。這可通過至少沿著片層的自由端136結合磁性粒子，例如永磁 粒子來得到，或者至少片層的自由端可涂敷有磁性材料，例如永磁材料。應當理解的是，雖然對用于根據(jù)本發(fā)明的設備的優(yōu)選實施方式、特定 構造和結構以及材料進行了探討，但可對形式和細節(jié)的進行各種變化和改 變而不背離本發(fā)明的范圍和精神。所描述的實施方式包括磁性可運動閥門 膜和磁性第一部分表面，并包括電磁致動器件。或者，開啟或閉合可運動 閥門構件的電磁場可能通過集成在微流體調(diào)節(jié)設備的第一和/或第二部分 中的電導體來局部地建立。但是，應當理解的是，當使用不需要磁性可運動閥門構件和/或磁性第 一部分表面的其他致動器件時可得到相同的優(yōu)點。對于包括可運動閥門構件的根據(jù)本發(fā)明的實施方式的微流體調(diào)節(jié)設備 100來說，閥門座和致動器件使用磁性特性來吸引或者致動可運動閥門構 件，以便在幵啟和閉合位置之間運動，可運動閥門構件抵靠著閥門座的密 封通過這兩者之間的磁吸引力來實現(xiàn)，由此密封表面優(yōu)選是光滑的和/或非 濕潤的表面?？蛇\動閥門構件可被電和/或電磁場致動以在閥門構件和座之 間形成幵口，流體可通過其流過。電和/或電磁場的切斷或者逆轉(zhuǎn)導致閥門 在磁吸引力的作用下再次閉合。該構思可被用于實現(xiàn)工藝流體的貯存器或 者容器，流體可由閉合閥門保持在其中，所述閥門可通過上述提到的激勵來開啟，即電和/或電磁場。存儲的化學物質(zhì)從容器中的泄露被磁力的作用 防止。此外，微流體設備一般特征在于較大的表面/體積比，這帶來了溶劑 (通常為水)可能經(jīng)過包括微流體設備的容器的壁的滲透問題。另一方面， 流體必須容易獲得以便分析和/或反應，因此當需要時在對工藝流體進行的 分析過程中，流體可被引入微流體通道中。必須提供在保存期限期間的氣 密的或者幾乎氣密的密封，和在微流體環(huán)境下以低成本方法對化學物質(zhì)的 立即接近，這是明顯矛盾的要求。根據(jù)本發(fā)明的使用可運動閥門構件、閥 門座和任選地致動器件的磁性特性的設備解決了提供對容器的緊密封閉中 的全部問題，同時該筒被存儲并且沒有動力可得到，而且在需要時幾乎可 立即得到流體流動。另外的優(yōu)點是流體將能夠在己經(jīng)存在的低壓力下且以受控的速率流動。根據(jù)本發(fā)明的使用可運動閥門構件、閥門座和任選的致動器件的磁性 特性的任一實施方式的設備可在無動力狀態(tài)下氣密的或者大致氣密的閉 合，并可在需要時以受控或者可逆方式開啟。所述設備不僅不需要任何外 部動力來保持其閉合，而且其還可以以簡單和成本低廉的方式生產(chǎn)。另外， 通過提供磁性密封表面，設備不需要單獨的粘合劑來密封閥門和閥門座。 粘合劑的使用是不需要的，因為它們可以干擾工藝流體。設備允許將流體 保持在設備中延長的時間段。這對于現(xiàn)有設備來說可行性較小甚至是不可 能的，因為一般而言現(xiàn)有設備典型地依賴壓力差來開啟或者閉合可運動閥 門構件或者流體流動調(diào)節(jié)構件。所述已知的設備需要外置器件來保持流體 容器被閉合。依賴于存儲容器和微通道系統(tǒng)的其他部分之間的壓力差來維 持流動或者開啟閥門的設備一般需要通風口來防止微通道系統(tǒng)的一些部分 中的真空抽吸，從而避免了流動。但是，通風口是不理想的，因為他們形 成了泄露的可能性。根據(jù)本發(fā)明的設備沒有這種缺點。所描述的設備的進一步的優(yōu)點在于可獲得具有由磁力確定的任何最大 閉合力。此外，當在微流體通道中提供具有不同磁閉合力的多個可運動閥 門構件和所附的閥門座時，通道實際上可通過局部增加外部致動的力而被 連續(xù)開啟，從而為微流體調(diào)節(jié)設備中的可運動閥門構件提供選擇性開啟。 磁場可通過集成在微流體調(diào)節(jié)設備的第一和/或第二部分中的電導體而局部地形成。作為本發(fā)明主題的微流體調(diào)節(jié)設備可在例如微流體系統(tǒng)中被使用。例 如在生物技術應用中諸如生物傳感器、快速DNA分離和分揀、細胞操作和 分選，在藥物應用中，在局部混合是必須的特定高通量組合檢測中，以及 微電子應用中的微通道冷卻系統(tǒng)中應用。
權利要求
1、一種微流體調(diào)節(jié)設備，包括蓋層和基底層，其中限定有至少第一和第二微流體通道，還包括流體流動調(diào)節(jié)層，該層包括可運動閥門構件，其在開啟位置時允許在所述第一和第二通道之間的流體連通，在閉合位置時抵靠著閥門座來密封，其特征在于，所述閥門構件和所述閥門座的至少一部分是磁性的。
2、 根據(jù)權利要求1所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述閥門構件和所述閥門座的至少一部分是永久磁性的。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述閥 門構件和所述閥門座的至少一部分包含具有永久磁化率的材料。
4、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述 閥門構件和/或所述閥門座至少部分包含柔性聚合物片層。
5、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述 流體流動調(diào)節(jié)層包括具有第一片層和第二片層的組件，所述第一片層具有 第一微流體通道高度處的開口并包括所述閥門座，所述第二片層的一部分 被切除以便形成至少部分覆蓋所述開口并抵靠著所述第一片層表面的至少 一部分而密封的所述可運動閥門構件。
6、 根據(jù)權利要求5所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，在所述組件 中，在所述座區(qū)域的至少一部分上，所述第一和所述第二片層大體上不結
7、根據(jù)權利要求l-6之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述 第一和/或所述第二片層至少部分設置有永磁材料的涂層。
8、 根據(jù)權利要求7所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，只有所述第 一片層的所述座區(qū)域設置有永磁材料的涂層。
9、 根據(jù)權利要求l-6之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述 第一和/或所述第二片層包含永磁材料。
10、 根據(jù)權利要求l-6之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述 第一和/或所述第二片層包含穿孔的片層材料。
11、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所 述設備還包括用于在所述閥門構件上作用的致動器。
12、 根據(jù)權利要求ll所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述致動 器包括施加在所述可運動閥門構件和所述閥門座的至少一部分上的導電路 徑，其連接到用于供應電荷的驅(qū)動器。
13、 根據(jù)權利要求11所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述致動 器包括在距所述可運動閥門構件的可作用距離內(nèi)的電磁體。
14、 根據(jù)權利要求12所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其特征在于，所述電磁 體是所述第一或第二層的一部分。
15、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，還包括用于平衡 腔和所述第一微流體通道之間的壓力的第三通道。
16、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其中，第一部分 表面具有圍繞所述第一通道和所述第二通道的邊界，所述可運動閥門構件 是具有沿著所述腔的周邊的一部分被夾鉗的夾鉗末端的片層，所述片層具 有與所述邊界滑動接觸的自由端，所述邊界和所述自由端具有磁性特性， 以便在滑動過程中將所述自由端密封到所述邊界上。
17、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其中，所述第三 通道通過至少一個孔徑來提供，所述孔徑通過所述可運動閥門構件延伸， 所述第三通道具有在所述腔中延伸的第一排出口和在所述第一微流體通道 中延伸的第二排出口。
18、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其中，所述第三 通道是繞開所述可運動閥門構件的導管，其具有在所述腔中延伸的第一排 出口和在所述第一微流體通道中延伸的第二排出口 。
19、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其中，所述第三 通道具有體積V3，在所述腔中通過使所述可運動閥門構件在開啟和閉合位 置之間運動而移位的體積小于或等于所述體積V3。
20、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其中，所述第三 通道具有體積V3，在所述腔中通過使所述可運動閥門構件在開啟和閉合位 置之間運動而移位的體積大于或等于所述體積V3。
21、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其中，所述第三 通道設置有具有疏水表面的微米孔或者納米孔屏障。
22、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其中，所述可運 動閥門構件的至少一部分包括磁性材料，所述致動器件包括在距所述可運 動閥門構件的可作用距離內(nèi)的電磁體。
23、 根據(jù)前述權利要求之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備，其中，所述可運 動閥門構件是流體不可滲透的可運動閥門構件。
24、 一種傳感器，包括根據(jù)權利要求1-23中之一所述的微流體調(diào)節(jié)設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及微流體調(diào)節(jié)設備，包括具有在其中限定的第一微流體通道的第一層，具有在其中限定的第二微流體通道的第二層，設置在第一和第二微流體通道之間的流體流動調(diào)節(jié)層，所述層包括可運動閥門構件，其在開啟位置允許在第一和第二通道之間的流體連通，在閉合位置抵靠著閥門座密封，由此閥門構件和閥門座的至少一部分是磁性的。設備能夠?qū)⑸倭康囊后w存儲在筒中并在需要時以很好受控的和簡單的方式接近這些液體。
文檔編號B01L3/00GK101267885SQ200680034399
公開日2008年9月17日 申請日期2006年9月19日 優(yōu)先權日2005年9月20日
發(fā)明者J·M·J·登東德, M·亞武茲, R·A·M·?？笋R特, R·溫貝格爾-弗里德爾, T·范博梅爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司