流體回路及相關(guān)的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明整體涉及流體裝置，例如微流體裝置，并且涉及用于制造和使用流體裝置 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 流體微回路是本領(lǐng)域中已知的，并且包括諸如活塞驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械系統(tǒng)、諸如動(dòng) 電泵和閥裝置的電動(dòng)液壓系統(tǒng)、以及氣動(dòng)液壓系統(tǒng)。具有氣動(dòng)式致動(dòng)器和控制表面的這些 系統(tǒng)已經(jīng)證明在控制微量流體流方面是最實(shí)用的。
[0003] 具有氣動(dòng)式接口的一類(lèi)流體裝置由Micronics有限公司（華盛頓州雷德蒙德）制 造。利用MICROFLOW?系統(tǒng)氣動(dòng)式控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)微流體通道中的流體流的控制， 該控制器根據(jù)可編程閥邏輯在塑料濾筒中操作毫米大小的閥。微型隔膜將濾筒的氣動(dòng)側(cè)和 液壓側(cè)分隔開(kāi)；即閥隔膜是用于將氣動(dòng)控制脈沖轉(zhuǎn)換為開(kāi)始和停止流體流的接口元件。濾 筒通過(guò)逐層層合構(gòu)建而成，其中封堵層之間密封有通道和腔室。所有的隔膜由單個(gè)層形成。 這樣，形成復(fù)雜的流體回路。氣動(dòng)和液壓通道和腔室形成為使得濾筒的氣動(dòng)工作和液壓工 作由彈性體隔膜層分隔開(kāi)。由聚氨酯和PDMS形成的隔膜有利于這種方法。一個(gè)未解決的 問(wèn)題是制造回路的能力，其中隔膜材料可能根據(jù)回路元件的類(lèi)型或子類(lèi)型而變化（例如可 透氣的、耐化學(xué)腐蝕的、可破裂的、彈性體的、非彈性的，等等）。
[0004] 第二個(gè)未解決的問(wèn)題涉及具有毫米和亞毫米印跡的微回路的可制造性。微型化已 經(jīng)證明是裝置的有利發(fā)展，每單位面積具有較高的密度，但是當(dāng)前的生產(chǎn)方法很難獲得毫 米或亞毫米大小的閥和隔膜。
[0005] 微泵
[0006] 例如，需要微型隔膜泵元件來(lái)獲得流體微回路技術(shù)的最完全的優(yōu)點(diǎn)，流體微回路 技術(shù)可以用于多種應(yīng)用，例如通?？梢杂糜谠\斷學(xué)和生命科學(xué)。隔膜驅(qū)動(dòng)的泵是有利的，原 因在于它們的衛(wèi)生特征結(jié)構(gòu)，包括不具有機(jī)械密封件和潤(rùn)滑劑。
[0007] 盡管Wilding(例如在美國(guó)專(zhuān)利No. 5304487和No. 5498392中）一般性地公開(kāi)了微 型泵，但是公開(kāi)本身不足以完全能夠形成微回路泵和閥。Wilding引用了VanLintel[1988， 〃APiezoelectricMicropumpBasedonMicromachiningofSilicon，"Sensorsand Actuators，15:153-167]，該文獻(xiàn)涉及由硅微加工而成的泵。硅基微電子機(jī)械（MEMS)結(jié)構(gòu) 通常與現(xiàn)代塑料裝置是不相容的。
[0008] 對(duì)彈性體隔膜材料存在較大的興趣，原因是較高的壓縮比和較大的置換體積，這 在流體操作中提供自灌注的優(yōu)點(diǎn)。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS)和硅樹(shù)脂總體上易于形成 薄片或鉸鏈塊，并且用作隔膜材料。還使用過(guò)膠乳橡膠和非晶態(tài)聚氨酯。遵循胡克定律彈 性體材料具有的優(yōu)點(diǎn)在于，隔膜在松弛狀態(tài)中返回到其初始形狀，但是這僅僅對(duì)于某些應(yīng) 用而言是有利的，并且相關(guān)地可能缺少耐化學(xué)品性。
[0009] 微閥
[0010] 代表性的技術(shù)涉及包括美國(guó)專(zhuān)利No. 4304257 (' 257閥）的閥，其中軟的、彈性的、 聚氨酯片材夾持在形成于硬丙烯酸本體內(nèi)的流動(dòng)通道上。兩個(gè)不連續(xù)的流體通道之間的流 體路徑通過(guò)致動(dòng)活塞而打開(kāi)和關(guān)閉，活塞使片材的一部分機(jī)械地?fù)锨Ｆ纳系膸づ顮罡?蓋動(dòng)作與閥打開(kāi)相關(guān)聯(lián)；閥關(guān)閉與彈性片材彈簧回復(fù)到關(guān)閉位置相關(guān)聯(lián)。片材通過(guò)螺線管 操作的桿在兩個(gè)位置之間機(jī)械地?fù)锨?，該桿嵌入在閥座上附接到片材，使得在關(guān)閉時(shí)片材 接觸閥座，并且片材被拉入到上覆閥座的孔口中以打開(kāi)閥。
[0011] 根據(jù)美國(guó)專(zhuān)利No. 4848722的教導(dǎo)，' 257閥具有若干缺陷。除了機(jī)械螺線管操作 的敏感性和需要精細(xì)調(diào)節(jié)之外，膜經(jīng)受大的應(yīng)力而具有永久拉伸的風(fēng)險(xiǎn)（即永久性變形或 緊縮超過(guò)其屈服點(diǎn)）。借助于用于隔膜的凹形接觸表面，密封面積被最大化，但是不利的是， 必須在流體開(kāi)始流動(dòng)之前填充非零的且較大體積的閥腔體。
[0012] 在過(guò)期的美國(guó)專(zhuān)利No. 4848722 (' 722閥）中，壓力或真空源用來(lái)將諸如雙軸取向 的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（boPET)的柔性片材推壓到停止流動(dòng)位置和打開(kāi)位置中，在停止 流動(dòng)位置中，由閥座中的通道（3、4)形成的孔口關(guān)閉，在打開(kāi)位置中，孔口流體地匯合。當(dāng) 閥關(guān)閉時(shí)，閥座的階地（圖9 :62)與片材（8)接觸。片材膠粘到閥的氣動(dòng)側(cè)。
[0013] 美國(guó)專(zhuān)利No. 4869282描述了一種微加工閥，具有隔膜層，隔膜層夾在兩個(gè)剛性層 之間，以形成閥腔體。隔膜層由聚酰亞胺形成，在控制回路中通過(guò)施加的氣動(dòng)壓力而偏轉(zhuǎn)， 以關(guān)閉閥。隔膜運(yùn)動(dòng)受到限制，以避免聚酰亞胺層產(chǎn)生過(guò)應(yīng)力。
[0014] 迄今為止，美國(guó)專(zhuān)利No. 5660370 ('370閥）描述了一種閥（圖1 :1)，其具有柔性 隔膜（2)和由剛性層形成的平坦閥座，閥座中形成有兩個(gè)孔，每個(gè)孔限定了通向底部層中 的流體通道（3、4)的開(kāi)口，其中孔由閥盤(pán)分隔開(kāi)。隔膜由聚氨酯或硅樹(shù)脂制成。閥（5)通 過(guò)氣動(dòng)地使隔膜運(yùn)動(dòng)而打開(kāi)。為了避免片材的應(yīng)力超過(guò)其屈服點(diǎn)的趨勢(shì)，平坦閥座用來(lái)使 所需的隔膜運(yùn)動(dòng)范圍最小化。這也減小了閥的死空間體積。
[0015] YSI有限公司的美國(guó)專(zhuān)利No. 5932799中公開(kāi)了類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，其教導(dǎo)了一種流體微 回路分析器，該分析器具有多個(gè)聚酰亞胺層，優(yōu)選地為KAPTON?膜，不利用粘合劑而 直接粘接在一起，并且該分析器具有柔性的氣動(dòng)致動(dòng)的隔膜構(gòu)件，以用于控制流體流。
[0016] Micronics有限公司的國(guó)際公布W02002/081934公開(kāi)于2002年10月17日，描述 了一種具有彈性體隔膜的層合閥。這些閥（被稱(chēng)為"花生閥"）允許流體在負(fù)壓下橫穿閥 盤(pán)，并且在正壓下關(guān)閉。有利地，閥腔體形成有輪廓化腰部，以使得死空間體積最小化。
[0017] Mathies的美國(guó)專(zhuān)利No. 7445926描述了一種層合體，其具有夾在硬基底之間的柔 性隔膜層。氣動(dòng)通道和流體通道形成在隔膜層的相對(duì)側(cè)上（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)的圖1)，從而隔 膜是主動(dòng)閥構(gòu)件。所公開(kāi)的隔膜材料是254微米PDMS隔膜。閥本體通常是固體，例如玻璃。
[0018] Montagu的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2006/0275852 和No. 2011/0207621 描述了用于生物 測(cè)定的流體濾筒。濾筒包括限定了流動(dòng)通道的模制本體。示出了膠乳隔膜和罐裝隔膜泵 (參見(jiàn)參考文獻(xiàn)的圖5)。"滾動(dòng)彈性隔膜泵"構(gòu)件（3)作為預(yù)成形的子組件插入到濾筒中， 并且是可商購(gòu)獲得的（托馬斯泵，型號(hào)1101的微型壓縮機(jī)，希博伊根，Wis. 53081)。利用步 進(jìn)馬達(dá)機(jī)械地致動(dòng)閥。因此，閥具有的缺陷在于，正確的操作需要敏感且精細(xì)的調(diào)節(jié)。
[0019] 其它彈性體閥和泵構(gòu)造是已知的。硅樹(shù)脂閥構(gòu)造的例子包括美國(guó)專(zhuān)利 No. 5443890、No. 6793753、No. 6951632和No. 8104514,所有這些專(zhuān)利都示出了用于形成閥 和泵的軟光刻處理（參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利No. 7695683和No. 8104497)。PDMS可以用來(lái)形成隔膜 和泵本體。膠乳橡膠和非晶態(tài)聚氨酯也用作隔膜材料，但是對(duì)于某些應(yīng)用而言耐化學(xué)品性 可能是不夠的。
[0020] 雖然沒(méi)有限制，但是具有還沒(méi)有充分用于氣動(dòng)液壓回路的特性的隔膜材料的例子 包括在潤(rùn)濕之后可透氣體而不可透液體的構(gòu)件。彈性的且可透氣的隔膜構(gòu)件在流體微回路
技術(shù)領(lǐng)域中不是已知的。具有溶劑抗性且能夠成形為現(xiàn)場(chǎng)成型隔膜的隔膜構(gòu)件不是已知 的。其它可能的隔膜材料還沒(méi)有被考慮，原因是針對(duì)各類(lèi)流體元件（例如閥、泵、貯存器等） 獨(dú)立地選擇隔膜材料的手段不是已知的。
[0021] 有利地，在潤(rùn)濕之后保持透氣性的可透氣體的隔膜將允許在端部封閉的流體回路 中使用隔膜。有利地，用以形成預(yù)成形隔膜構(gòu)件的溶劑抗性隔膜可應(yīng)用于泵送顆粒懸浮液 的閥，并且用于替換在暴露于腐蝕劑、離液劑或溶劑時(shí)泄漏的聚氨酯隔膜，由此允許使用例 如乙醇、甲酰胺和二甲基亞砜的溶劑，以用于降低在PCR期間的溫度要求，雖然并不限于這 樣的要求。
[0022] 適合于一種這樣的應(yīng)用的材料可能不適合于另一種應(yīng)用。作為第一個(gè)例子，閥隔 膜在由微孔可透氣體膜制成的情況下可能不能夠工作，但是通氣需要微孔性。相似地，需要 彈性的隔膜可能不易于由具有低屈服點(diǎn)的隔膜取代。用于特定種類(lèi)流體元件的材料的優(yōu)化 僅僅在各類(lèi)流體元件能夠獨(dú)立優(yōu)化的情況下才能夠提供優(yōu)點(diǎn)。在沒(méi)有如下制造方法的情況 下不能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的所選實(shí)施例，這些制造方法選擇性地將先進(jìn)的隔膜材料的分類(lèi)或混 合控制板結(jié)合到泵、閥、過(guò)濾器、通風(fēng)口和單獨(dú)濾筒的小槽膜中，其中各類(lèi)流體元件由不同 的和相異的隔膜材料表示。各種隔膜材料通常由薄膜制成。
[0023] 閥和泵隔膜的工程設(shè)計(jì)可能得益于如下的制造方法，即該制造方法允許利用可選 自材料列表的薄膜來(lái)組裝流體裝置。常規(guī)的膠粘就位方法不能很好地適于大規(guī)模生產(chǎn)，并 且在進(jìn)一步微型化和增大回路元件密度方面存在技術(shù)障礙。考慮到本文公開(kāi)的組合的獨(dú)特 優(yōu)點(diǎn)，需要制造流體回路的方法，在該流體回路中，根據(jù)每個(gè)單獨(dú)回路元件的功能要求，流 體回路的每個(gè)隔膜構(gòu)件獨(dú)立地選自多種可獲得的材料。當(dāng)前可獲得的方法不允許由單個(gè) 濾筒上的多個(gè)隔膜材料構(gòu)成的裝置以滿足流體裝置使用的期望市場(chǎng)增長(zhǎng)所需的制造規(guī)模 (例如用于診斷測(cè)定）進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
[0024] 雖然已經(jīng)有了進(jìn)步，但是本領(lǐng)域中仍然需要改進(jìn)的流體裝置，例如微流體裝置，本 發(fā)明提供這種和相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 本發(fā)明公開(kāi)了一種流體裝置，其具有各種類(lèi)型的多個(gè)氣動(dòng)液壓隔膜，使得隔膜構(gòu) 件不是形成為單個(gè)片材，而是每個(gè)都單獨(dú)地設(shè)置，從而隔膜的材料可以根據(jù)形成的回路元 件的類(lèi)型而變化。每個(gè)濾筒包括回路元件（例如閥、泵、通風(fēng)口、過(guò)濾器），這些回路元件組 成具有不同隔膜材料的子組和組合。另外，本發(fā)明還公開(kāi)了通過(guò)隔膜印刷過(guò)程制造這些系 統(tǒng)的方法，該隔膜印刷過(guò)程可以被稱(chēng)為"邊緣粘接剪貼工藝"，其適用于大批量制造。
[0026] 隔膜還可以通過(guò)將隔膜拉伸超過(guò)其屈服點(diǎn)而經(jīng)受"現(xiàn)場(chǎng)成型"處理。在松弛之后， 這些隔膜保持腔體的形狀，其中隔膜在該腔體中被拉伸。該過(guò)程在流體系統(tǒng)初始組裝和殼 體封閉之后進(jìn)行，并且有利地還用作質(zhì)量控制步驟，以用于識(shí)別具有連續(xù)性或泄露缺陷的 產(chǎn)品。過(guò)拉伸的隔膜也可以機(jī)械地形成，例如通過(guò)軋制或壓制處理。預(yù)拉伸的隔膜具有改 善的響應(yīng)時(shí)間、增大的行程體積稠度、降低的流動(dòng)阻力，以這種方式制造的閥具有較小的內(nèi) 部體積和較小的印跡。
[0027] 作為引導(dǎo)，以舉例的方式示出若干實(shí)施例。在每個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)各類(lèi)隔膜子類(lèi)型 組裝在裝置中，每個(gè)隔膜子類(lèi)型在流體回路中由具有獨(dú)特的重要特性（例如彈性、非彈性、 透氣性、不可滲透性、耐化學(xué)品性、破裂敏感性，等）的特定材料形成，由此任何一個(gè)隔膜子 類(lèi)型不適合于所有期望的流體回路元件。這些子組合示出了流體回路的一般性概念，流體 回路具有"印刷就位"的各類(lèi)專(zhuān)門(mén)的隔膜，并且這些子組合并非限制性的，也就是，圖示的子 組合可以形成為較大的組合，并且通過(guò)實(shí)施這些教導(dǎo)之后的原理，可以容易地獲得其它子 組合和組合。
[0028] 利用本發(fā)明的過(guò)程，具有獨(dú)特地適用于特定流體或氣動(dòng)功能的特性的隔膜子類(lèi)型 易于并排地結(jié)合具有相異特性的其它隔膜子組。容易理解，具有個(gè)體化隔膜材料的回路元 件的可能子組合的所有列表將是數(shù)量巨大的，本發(fā)明的原理從本文的公開(kāi)中將變得明顯， 但并不限于這些公開(kāi)。
[0029] 流體濾筒/流體回路