專利名稱：微流體系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的制作方法
微流體系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)
背景技術(shù)：
微流體是一種日益重要的技術(shù)，它應(yīng)用在包括工程、物理、化學(xué)、顯微技術(shù)和生物技術(shù)的各種學(xué)科上。微流體涉及研究少量的流體以及如何在各種微流體系統(tǒng)和設(shè)備諸如微流體芯片中操縱、控制和使用這些少量的流體。例如，微流體生物芯片(稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-chip)”)在分子生物學(xué)領(lǐng)域中用來集成化驗(yàn)操作以用于諸如分析酶和DNA、檢測(cè)生化毒素和病原體、診斷疾病等的目的。許多微流體系統(tǒng)的有益使用部分地取決于如下的能力把流體適當(dāng)?shù)匾氲轿⒘黧w設(shè)備，并且控制流體通過這些設(shè)備的流動(dòng)。一般而言，無(wú)法管理微米尺度上的微流體設(shè)備中的流體引入和流動(dòng)限制了它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室設(shè)置之外的應(yīng)用，其中它們?cè)诃h(huán)境和醫(yī)學(xué)分析中的有用性是特別有價(jià)值的。引入和控制微流體設(shè)備中的流體的現(xiàn)有方法已包括使用在尺度上不是微米的外部設(shè)備和各種類型的泵。這些現(xiàn)有的解決方案具有例如與它們的大尺寸、它們的通用性缺乏和它們的復(fù)雜性相關(guān)的缺點(diǎn)，所有這些都可以限制實(shí)施這種微流體設(shè)備的微流體系統(tǒng)的功能。


現(xiàn)在將參照附圖通過示例的方式描述本實(shí)施例，在所述附圖中
圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的適合于合并微流體設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和慣性泵的微流體系統(tǒng)；圖2示出了根據(jù)一些實(shí)施例的帶有集成慣性泵的封閉的、單向的一維流體網(wǎng)絡(luò)的示
例；
圖3示出了根據(jù)一些實(shí)施例的帶有集成慣性泵的封閉的、雙向的一維流體網(wǎng)絡(luò)的示
例；
圖4示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的帶有集成慣性泵的開放的、雙向的一維流體網(wǎng)絡(luò)的示
例；
圖5示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的封閉的二維流體網(wǎng)絡(luò)的示例，所述二維流體網(wǎng)絡(luò)圖解說明通過選擇性激活單個(gè)流體泵致動(dòng)器而由不同的泵激活方式所產(chǎn)生的流體流動(dòng)模式；
圖6示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的封閉的二維流體網(wǎng)絡(luò)的示例，所述二維流體網(wǎng)絡(luò)圖解說明通過選擇性激活兩個(gè)流體泵致動(dòng)器而由不同的泵激活方式所產(chǎn)生的流體流動(dòng)模式；
圖7示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的封閉的二維流體網(wǎng)絡(luò)的示例，所述二維流體網(wǎng)絡(luò)圖解說明通過選擇性激活三個(gè)流體泵致動(dòng)器而由不同的泵激活方式所產(chǎn)生的流體流動(dòng)模式；
圖8示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的開放的、雙向的三維流體網(wǎng)絡(luò)的示例的自頂向下的視圖和相應(yīng)的橫截面圖9示出了根據(jù)一些實(shí)施例的合并流體泵致動(dòng)器和有源元件兩者的流體網(wǎng)絡(luò)的示例；圖10示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的集成流體泵致動(dòng)器處于不同操作階段的示例流體網(wǎng)絡(luò)通道的側(cè)視圖11示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的處于來自圖10的操作階段的活動(dòng)流體致動(dòng)器；
圖12、13和14示出了根據(jù)一些實(shí)施例的處于來自圖10的操作階段的活動(dòng)流體致動(dòng)器，包括凈流體流動(dòng)方向箭頭；
圖15、16和17示出了根據(jù)一些實(shí)施例的示例位移脈沖波形；以及圖18示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的集成流體泵致動(dòng)器處于不同操作階段的示例流體網(wǎng)絡(luò)通道的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式問題和解決方案的概述
如上所述，在微流體設(shè)備中管理流體的先前方法包括使用在尺度上不是微米的外部設(shè)備和泵機(jī)構(gòu)。這些解決方案具有可能限制微流體系統(tǒng)的應(yīng)用范圍的缺點(diǎn)。例如，外部注射器和氣動(dòng)泵有時(shí)用來注入流體并產(chǎn)生微流體設(shè)備內(nèi)的流體流動(dòng)。然而，外部注射器和氣動(dòng)泵體積大，難以處理和編程，并具有不可靠的連接。這些類型的泵在通用性方面也受微流體設(shè)備/芯片可以容納的外部流體連接的數(shù)目限制。另一種類型的泵是根據(jù)流體填充一組薄毛細(xì)管的原則工作的毛細(xì)管泵。照此，該泵僅僅提供單通能力。由于該泵是完全不活動(dòng)的，所以流體的流動(dòng)被“硬連線”到設(shè)計(jì)中并且不能被重新編程。電泳泵也可以被使用，但需要專門的涂層、復(fù)雜的三維幾何形狀和高的操作電壓。所有這些屬性限制了這種類型的泵的適用性。附加的泵類型包括蠕動(dòng)泵和旋轉(zhuǎn)泵。然而，這些泵具有移動(dòng)的部件且難以小型化。本公開的實(shí)施例一般通過改進(jìn)的微流體設(shè)備而改進(jìn)了現(xiàn)有的解決方案以在微流體系統(tǒng)和設(shè)備中進(jìn)行流體管理，所述改進(jìn)的微流體設(shè)備實(shí)現(xiàn)了具有與流體致動(dòng)器集成的慣性泵的復(fù)雜的和通用的微流體網(wǎng)絡(luò)。所公開的微流體網(wǎng)絡(luò)可以具有一維、二維和/或三維的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且因此可以具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個(gè)流體通道邊緣可以包含一個(gè)、一個(gè)以上流體致動(dòng)器或沒有包含流體致動(dòng)器。集成在微流體網(wǎng)絡(luò)通道內(nèi)的不對(duì)稱位置處的流體致動(dòng)器可以產(chǎn)生通過通道的單向和雙向流體流動(dòng)。朝向在網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)微流體通道的端部不對(duì)稱定位的多個(gè)流體致動(dòng)器的選擇性激活使得能夠在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)產(chǎn)生任意和/或定向控制的流體流動(dòng)模式。此外，對(duì)流體致動(dòng)器的機(jī)械操作或運(yùn)動(dòng)的時(shí)間控制使得能夠?qū)νㄟ^流體網(wǎng)絡(luò)通道的流體流動(dòng)進(jìn)行方向控制。因此，在一些實(shí)施例中，單一流體致動(dòng)器的正向和反向沖程(即，壓縮和拉伸的流體位移)的精確控制可以提供網(wǎng)絡(luò)通道內(nèi)的雙向流體流動(dòng)，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意和/或定向控制的流體流動(dòng)模式。流體致動(dòng)器可以由各種致動(dòng)器機(jī)構(gòu)諸如熱氣泡電阻器致動(dòng)器、壓電膜致動(dòng)器、靜電(MEMS)膜致動(dòng)器、機(jī)械/沖擊驅(qū)動(dòng)膜致動(dòng)器、音圈致動(dòng)器、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)器等驅(qū)動(dòng)。流體致動(dòng)器可以使用傳統(tǒng)的微加工工藝而被集成到微流體系統(tǒng)中。這實(shí)現(xiàn)了具有任意壓力和流量分布的復(fù)雜微流體設(shè)備。微流體設(shè)備還可以包括各種集成有源元件，諸如電阻加熱器、珀耳帖冷卻器、物理、化學(xué)和生物傳感器、光源以及它們的組合。微流體設(shè)備可能被連接到或可能不被連接到外部的流體儲(chǔ)存器。所公開的微流體設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)一般包括為操作微流體系統(tǒng)所需的減少的設(shè)備量，這提高了移動(dòng)性和擴(kuò)大了潛在應(yīng)用的范圍。在一個(gè)示例實(shí)施例中，微流體系統(tǒng)包括在兩端耦合到儲(chǔ)存器的流體通道。流體致動(dòng)器不對(duì)稱地定位在通道內(nèi)，從而創(chuàng)建具有不相等的慣性屬性的通道的長(zhǎng)短側(cè)。流體致動(dòng)器是要產(chǎn)生如下波朝向通道的兩端傳播并產(chǎn)生通過該通道的單向凈流體流動(dòng)。控制器可以選擇性地激活所述流體致動(dòng)器以控制通過該通道的單向凈流體流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，流體致動(dòng)器是朝向通道的第一端定位的第一流體致動(dòng)器，并且第二流體致動(dòng)器朝向通道的第二端不對(duì)稱地定位在通道內(nèi)。該控制器可以激活第一流體致動(dòng)器以導(dǎo)致在從第一端到第二端的第一方向上通過通道的凈流體流動(dòng)，并可以激活第二流體致動(dòng)器以導(dǎo)致在從第二端到第一端的第二方向上通過該通道的凈流體流動(dòng)。在另一示例實(shí)施例中，微流體系統(tǒng)包括具有第一端和第二端的微流體通道的網(wǎng)絡(luò)。通道端在末端通道交叉點(diǎn)處不同地耦合到彼此。至少一個(gè)通道是具有由不對(duì)稱地定位在泵通道的相對(duì)端之間的流體致動(dòng)器區(qū)分的短側(cè)和長(zhǎng)側(cè)的泵通道。流體致動(dòng)器是要產(chǎn)生朝向泵通道的相反端傳播的、產(chǎn)生通過泵通道的單向凈流體流動(dòng)的波。在一個(gè)實(shí)施方式中，通道內(nèi)集成的第二流體致動(dòng)器朝向泵通道的第二端不對(duì)稱地定位，并且控制器可以選擇性地激活第一和第二流體致動(dòng)器以產(chǎn)生通過網(wǎng)絡(luò)的雙向流體流動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，附加的流體致動(dòng)器朝向多個(gè)微流體通道的第一端和第二端不對(duì)稱地定位并且控制器可以選擇性地激活所述流體致動(dòng)器以誘導(dǎo)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中定向控制的流體流動(dòng)模式。在另一個(gè)實(shí)施例中，微流體網(wǎng)絡(luò)包括在第一平面中的微流體通道以促進(jìn)通過第一平面內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)的二維流體流動(dòng)。第一平面中的微流體通道延伸到第二平面中以跨越并避免與第一平面中的另一微流體通道相交，這促進(jìn)通過第一和第二平面內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)的三維流體流動(dòng)。有源元件被集成在至少一個(gè)微流體通道內(nèi)。流體致動(dòng)器不對(duì)稱地集成在至少一個(gè)微流體通道內(nèi)，并且控制器可以選擇性地激活流體致動(dòng)器以誘導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)定向控制的流體流動(dòng)模式。在另一示例實(shí)施例中，在微流體網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生凈流體流動(dòng)的方法包括產(chǎn)生在持續(xù)時(shí)間方面在時(shí)間上不對(duì)稱的壓縮和拉伸的流體位移。使用被不對(duì)稱集成在微流體通道內(nèi)的流體致動(dòng)器來產(chǎn)生所述位移。在另一示例實(shí)施例中，微流體系統(tǒng)包括微流體網(wǎng)絡(luò)。流體致動(dòng)器被集成在網(wǎng)絡(luò)通道內(nèi)的不對(duì)稱位置以產(chǎn)生通道內(nèi)的不同持續(xù)時(shí)間的壓縮和拉伸的流體位移。控制器通過控制流體致動(dòng)器的壓縮和拉伸的流體位移持續(xù)時(shí)間來調(diào)節(jié)通過該通道的流體流動(dòng)方向。在另一示例實(shí)施例中，在微流體網(wǎng)絡(luò)中控制流體流動(dòng)的方法包括利用通道內(nèi)不對(duì)稱定位的流體致動(dòng)器來產(chǎn)生微流體通道中的不對(duì)稱的流體位移。說明性實(shí)施例
圖1圖解說明了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的適用于合并本文中所公開的微流體設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和慣性泵的微流體系統(tǒng)100。微流體系統(tǒng)100可以例如是化驗(yàn)系統(tǒng)、微電子冷卻系統(tǒng)、諸如聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)系統(tǒng)的核酸擴(kuò)增系統(tǒng)、或任何涉及使用、操縱和/或控制小體積的流體的系統(tǒng)。微流體系統(tǒng)100典型地實(shí)施微流體設(shè)備102諸如微流體芯片(例如，“芯片實(shí)驗(yàn)室”)以實(shí)現(xiàn)廣泛的微流體應(yīng)用范圍。微流體設(shè)備102—般包括一個(gè)或多個(gè)具有通道與慣性泵以使流體在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)的流體網(wǎng)絡(luò)103。一般而言，微流體設(shè)備102的結(jié)構(gòu)和部件可以使用傳統(tǒng)的集成電路的微加工技術(shù)諸如電鑄、激光燒蝕，各向異性蝕刻、濺射、干法蝕刻、光刻、澆鑄、模壓、沖壓、加工、旋涂和層壓來制造。微流體系統(tǒng)100還可以包括外部流體儲(chǔ)存器104以供應(yīng)和/或循環(huán)流體至微流體設(shè)備102。微流體系統(tǒng)100還包括電子控制器106和電源108以向可以是系統(tǒng)100的一部分的微流體設(shè)備102、電子控制器106及其他電元件提供功率。電子控制器106典型地包括處理器、固件、軟件、包括易失性和非易失性存儲(chǔ)器部件的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器部件、和其他用于與微流體設(shè)備102和流體儲(chǔ)存器104通信且對(duì)其控制的電子設(shè)備。因此，電子控制器106是可編程的，并且典型地包括一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中且可執(zhí)行以控制微流體設(shè)備102的軟件模塊。這樣的模塊可以例如包括流體致動(dòng)器選擇、定時(shí)及頻率模塊110和流體致動(dòng)器不對(duì)稱操作模塊112，如圖1所示。電子控制器106也可以從主機(jī)系統(tǒng)諸如計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)114，并把數(shù)據(jù)114暫時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)114典型地沿著電子、紅外線、光學(xué)或其他信息傳送路徑發(fā)送到微流體系統(tǒng)100。數(shù)據(jù)114例如表示單獨(dú)或與軟件/固件模塊中的其他可執(zhí)行指令結(jié)合使用的可執(zhí)行指令和/或參數(shù)，其存儲(chǔ)在電子控制器106上以控制微流體設(shè)備102內(nèi)的流體流動(dòng)?？删幊炭刂破?06上可執(zhí)行的各種軟件和數(shù)據(jù)114使得能夠選擇性激活集成在微流體設(shè)備102的網(wǎng)絡(luò)通道內(nèi)的流體致動(dòng)器以及對(duì)這種激活的壓縮和拉伸位移的定時(shí)、頻率和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行精確控制。對(duì)流體致動(dòng)器的容易地可修改(即，可編程)控制允許大量的流體流動(dòng)模式可動(dòng)態(tài)用于給定的微流體設(shè)備102。圖2示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的具有適合于實(shí)施在微流體設(shè)備102內(nèi)的集成慣性泵200的封閉的、單向的一維(即，線性的)流體網(wǎng)絡(luò)103 (A, B, C，D)的示例。如本文檔中使用的“封閉的”網(wǎng)絡(luò)意指不具有與外部流體儲(chǔ)存器的連接的網(wǎng)絡(luò)單向”網(wǎng)絡(luò)意指僅在一個(gè)方向上產(chǎn)生流體流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)；并且一維網(wǎng)絡(luò)意指線性網(wǎng)絡(luò)。慣性泵200 —般包括帶有朝向泵通道206的一端不對(duì)稱設(shè)置的集成流體致動(dòng)器202的泵通道206。注意在如下面所討論的一些實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)通道204本身用作泵通道206。圖2的示例慣性泵200每個(gè)具有流體泵致動(dòng)器202以使流體移動(dòng)通過網(wǎng)絡(luò)通道204 (I和2)之間的泵通道206。在此示例中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道204用作泵通道206的每一端處的流體儲(chǔ)存器。雖然網(wǎng)絡(luò)103 (A，B, C，D)是一維的(即，線性的)一其中流體從一端流到另一端，但是在網(wǎng)絡(luò)通道204的端部(I和2)示出的虛線旨在表明在一些實(shí)施例中網(wǎng)絡(luò)通道204可以更遠(yuǎn)延伸作為具有附加維度(即，二維和三維)的更大網(wǎng)絡(luò)103的一部分，其中網(wǎng)絡(luò)通道204與作為這樣的較大網(wǎng)絡(luò)103的一部分的其他網(wǎng)絡(luò)通道相交。在下面討論這樣的較大網(wǎng)絡(luò)的示例。圖2的網(wǎng)絡(luò)A、B、C和D中所示的四個(gè)慣性泵200每個(gè)包含單一集成流體泵致動(dòng)器202，其朝向泵通道206的一端不對(duì)稱地定位在泵通道206內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)A和C的泵200中的流體致動(dòng)器202是不活動(dòng)的，或者沒有被激活，如圖2中提供的圖例所表明的。因此，沒有通過網(wǎng)絡(luò)通道I和2 (204)之間的泵通道206的凈流體流動(dòng)。然而，網(wǎng)絡(luò)B和D的泵200中的流體致動(dòng)器202是活動(dòng)的，這產(chǎn)生通過網(wǎng)絡(luò)通道I和2 (204)之間的泵通道206的凈流體流動(dòng)。通過流體致動(dòng)器202在泵通道206內(nèi)的不對(duì)稱定位而在網(wǎng)絡(luò)B和D的活動(dòng)慣性泵200中實(shí)現(xiàn)流體雙極性(diodicity)(即，單向的流體流動(dòng))。當(dāng)慣性泵通道206的寬度比它正連接的網(wǎng)絡(luò)通道204 (例如，網(wǎng)絡(luò)通道I和2)的寬度小時(shí)，慣性泵200的驅(qū)動(dòng)功率主要由泵通道206的屬性(即，泵通道的寬度和流體致動(dòng)器202在泵通道內(nèi)的不對(duì)稱性)確定。泵通道206內(nèi)的流體致動(dòng)器202的確切定位可能略微變化，但在任何情況下關(guān)于泵通道206的長(zhǎng)度將是不對(duì)稱的。因此，流體致動(dòng)器202將位于泵通道206的中心點(diǎn)的一側(cè)。關(guān)于給定的流體致動(dòng)器202，其不對(duì)稱的放置創(chuàng)建了泵通道206的短側(cè)和泵通道206的長(zhǎng)側(cè)。因此，網(wǎng)絡(luò)B的慣性泵200中的活動(dòng)流體致動(dòng)器202更靠近更寬網(wǎng)絡(luò)通道2(204)的不對(duì)稱定位是泵通道206內(nèi)的流體雙極性的基礎(chǔ)，這導(dǎo)致從網(wǎng)絡(luò)通道2到網(wǎng)絡(luò)通道I (即，從右到左)的凈流體流動(dòng)。同樣地，網(wǎng)絡(luò)D的泵200中的活動(dòng)流體致動(dòng)器202在泵通道206短側(cè)的定位導(dǎo)致從網(wǎng)絡(luò)通道I到網(wǎng)絡(luò)通道2 (即，從左到右)的凈流體流動(dòng)。流體致動(dòng)器202泵通道206內(nèi)的不對(duì)稱定位創(chuàng)建了在泵通道206內(nèi)驅(qū)動(dòng)流體雙極性(凈流體流動(dòng))的慣性機(jī)構(gòu)。流體致動(dòng)器202產(chǎn)生在泵通道206內(nèi)傳播的在兩個(gè)相反方向上沿泵通道206推壓流體的波。當(dāng)在泵通道206內(nèi)不對(duì)稱地定位流體致動(dòng)器202時(shí)，存在通過泵通道206的凈流體流動(dòng)。更大量的流體部分(典型地包含在泵通道206的長(zhǎng)側(cè)中)在正向流體致動(dòng)器泵沖程末端具有較大的機(jī)械慣性。因此，這流體的主體比通道的短側(cè)中的液體更緩慢地反轉(zhuǎn)方向。通道的較短側(cè)中的流體具有更多的時(shí)間以在反向流體致動(dòng)器泵沖程期間獲得機(jī)械動(dòng)量。因此，在反向沖程末端，通道的較短側(cè)中的流體具有比通道的長(zhǎng)側(cè)中的流體更大的機(jī)械動(dòng)量。結(jié)果，凈流動(dòng)典型地處在從泵通道206的短側(cè)到長(zhǎng)側(cè)的方向上。由于凈流動(dòng)是兩個(gè)流體元件(即，通道的短側(cè)和長(zhǎng)側(cè))的不相等慣性屬性的后果，因此這種類型的微型泵被稱為慣性泵。圖3示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的具有諸如上面參考圖2所討論的適合于實(shí)施在微流體設(shè)備102內(nèi)的集成慣性泵200的封閉的、雙向的一維(即，線性的)流體網(wǎng)絡(luò)103 (A，B)的示例。代替一個(gè)流體泵致動(dòng)器202，圖3的示例慣性泵200具有兩個(gè)流體泵致動(dòng)器202以使流體通過網(wǎng)絡(luò)通道204和在網(wǎng)絡(luò)通道204之間移動(dòng)。朝向每個(gè)泵通道206的相對(duì)側(cè)不對(duì)稱地定位兩個(gè)流體致動(dòng)器202。在泵通道206的每一側(cè)具有流體致動(dòng)器202使得能夠在任一方向上產(chǎn)生通過通道206的凈流體流動(dòng)，這取決于哪個(gè)流體致動(dòng)器202是活動(dòng)的。因此，在圖3的網(wǎng)絡(luò)A的慣性泵200中，活動(dòng)流體致動(dòng)器202朝向泵通道206的右側(cè)不對(duì)稱地定位靠近網(wǎng)絡(luò)通道2，并且產(chǎn)生的凈流體流動(dòng)是從泵通道206的右側(cè)(短側(cè))到左側(cè)(長(zhǎng)側(cè))，這使流體從網(wǎng)絡(luò)通道2朝向網(wǎng)絡(luò)通道I移動(dòng)。類似地，在網(wǎng)絡(luò)B的慣性泵200中，活動(dòng)流體致動(dòng)器202朝向泵通道206的左側(cè)不對(duì)稱地定位靠近網(wǎng)絡(luò)通道1，并且產(chǎn)生的凈流體流動(dòng)是從泵通道206的左側(cè)(再次，短側(cè))到右側(cè)(長(zhǎng)側(cè))，這使流體從網(wǎng)絡(luò)通道I朝向網(wǎng)絡(luò)通道2移動(dòng)。如上所述，控制器106是可編程的以用多種方式控制微流體設(shè)備102。作為示例，關(guān)于圖2的慣性泵200 (每個(gè)慣性泵具有單一集成流體泵致動(dòng)器202)，控制器106中的模塊110 (即，流體致動(dòng)器選擇、定時(shí)及頻率模塊110)使得能夠選擇性激活在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)103中任何數(shù)量的泵通道206中的任何數(shù)量的致動(dòng)器202。因此，雖然網(wǎng)絡(luò)A、B、C和D是一維的，具有帶有僅一個(gè)流體致動(dòng)器202的慣性泵200，但是在不同的實(shí)施例中它們可能是較大網(wǎng)絡(luò)中的一部分，其中其他互連的網(wǎng)絡(luò)通道204中的其他致動(dòng)器202的選擇性激活可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在整個(gè)較大網(wǎng)絡(luò)103中的流體流動(dòng)方向的控制。模塊110還實(shí)現(xiàn)對(duì)流體致動(dòng)器的激活的定時(shí)和頻率的控制從而管理何時(shí)產(chǎn)生凈流體流動(dòng)和流體流動(dòng)速率。關(guān)于圖3的具有朝向每個(gè)泵通道206的相反側(cè)不對(duì)稱定位的兩個(gè)流體致動(dòng)器202的慣性泵200，控制器106上的模塊110實(shí)現(xiàn)對(duì)單一泵通道206內(nèi)的兩個(gè)致動(dòng)器的選擇性激活除此之外在整個(gè)較大網(wǎng)絡(luò)103中任何數(shù)量的其他泵通道中的任何數(shù)量的致動(dòng)器的選擇性激活。以這種方式選擇性地激活流體致動(dòng)器的能力實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)別網(wǎng)絡(luò)通道204內(nèi)以及貫穿整個(gè)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)103的流體流動(dòng)方向的控制。圖4示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的具有適合于實(shí)施在微流體設(shè)備102內(nèi)的集成慣性泵200的開放的、雙向的一維流體網(wǎng)絡(luò)103的示例。如本文檔中使用的，“開放的”網(wǎng)絡(luò)是連接到至少一個(gè)外部流體儲(chǔ)存器諸如儲(chǔ)存器400的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)以與網(wǎng)絡(luò)通道204連接相同的方式與流體儲(chǔ)存器400連接時(shí)，如果慣性泵200的寬度小于它正連接到的流體儲(chǔ)存器400的寬度，則慣性泵200的驅(qū)動(dòng)功率主要由泵通道206的屬性(即，泵通道的寬度和流體致動(dòng)器202在泵通道內(nèi)的不對(duì)稱性)確定。因此，在這個(gè)示例中，在泵通道206的一端連接到外部流體儲(chǔ)存器400而泵通道206的另一端連接到網(wǎng)絡(luò)通道204 (通道I)時(shí)，儲(chǔ)存器400和網(wǎng)絡(luò)通道204 二者用作關(guān)于慣性泵200的驅(qū)動(dòng)功率的流體儲(chǔ)存器。在這種“開放的”網(wǎng)絡(luò)103的其他實(shí)施方式中，泵通道206的兩端可以容易地連接到外部流體儲(chǔ)存器400。網(wǎng)絡(luò)103的泵200中的流體致動(dòng)器202在泵通道206的短側(cè)靠近更寬流體儲(chǔ)存器400的不對(duì)稱定位是泵通道206內(nèi)的流體雙極性的基礎(chǔ)，這導(dǎo)致從流體儲(chǔ)存器400到網(wǎng)絡(luò)通道1(即從右到左)的凈流體流動(dòng)。注意，一個(gè)儲(chǔ)存器400可以由一個(gè)以上泵通道206連接到網(wǎng)絡(luò)103，或者連接到一個(gè)或多個(gè)帶有或不帶有任何慣性泵的網(wǎng)絡(luò)通道204。一般而言，儲(chǔ)存器可以通過提供存儲(chǔ)和訪問各種流體諸如待分析的生物樣品、廢物收集器、DNA基本成分的容器等來促進(jìn)各種流體應(yīng)用。微流體設(shè)備102內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)103可以具有一維、二維或三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如上所述。例如，上面所討論的圖2和3中的網(wǎng)絡(luò)103被示為線性或一維網(wǎng)絡(luò)103。然而，在這些網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通道204還就潛在地連接到作為較大網(wǎng)絡(luò)103的部分的其他網(wǎng)絡(luò)通道方面進(jìn)行討論。圖5 - 7示出了這種較大網(wǎng)絡(luò)103的示例，展示了二維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖5示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的封閉的二維流體網(wǎng)絡(luò)103的示例，所述二維流體網(wǎng)絡(luò)圖解說明通過選擇性激活網(wǎng)絡(luò)103內(nèi)的單數(shù)流體泵致動(dòng)器202而由不同的泵激活方式所產(chǎn)生的流體流動(dòng)模式(A，B，C，D)。二維網(wǎng)絡(luò)103具有四個(gè)流體泵致動(dòng)器202和由五個(gè)頂點(diǎn)或通道交叉點(diǎn)(引用為1，2，3，4，5)分離的八個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道(或邊緣)。在本實(shí)施例中，慣性泵包括集成到網(wǎng)絡(luò)通道204中的流體泵致動(dòng)器202。因此，未示出如在先前網(wǎng)絡(luò)中上面所討論的單獨(dú)的泵通道。網(wǎng)絡(luò)通道204本身用作流體泵致動(dòng)器202的泵通道。較窄寬度的網(wǎng)絡(luò)通道204在較寬通道交叉點(diǎn)(頂點(diǎn)1，2，3，4，5)連接實(shí)現(xiàn)了慣性泵的驅(qū)動(dòng)功率，這是基于流體致動(dòng)器202在較窄寬度的網(wǎng)絡(luò)通道204內(nèi)的不對(duì)稱放置。參照展現(xiàn)流體流動(dòng)模式A的圖5的網(wǎng)絡(luò)103，活動(dòng)流體致動(dòng)器202 (參見圖5中的標(biāo)識(shí)活動(dòng)流體致動(dòng)器的圖例)產(chǎn)生在從頂點(diǎn)3到頂點(diǎn)5的方向上的凈流體流動(dòng),如凈流動(dòng)方向箭頭所表明的。在頂點(diǎn)5，流體的流動(dòng)分開并遵循不同方向通過從頂點(diǎn)5到頂點(diǎn)1、2和4延伸的網(wǎng)絡(luò)通道。此后，流體從頂點(diǎn)1、2和4流回到頂點(diǎn)3，如凈流動(dòng)方向箭頭所表明的。因此，如流動(dòng)模式A所示的靠近頂點(diǎn)3的單一流體泵致動(dòng)器202的選擇性激活引起在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中特定方向的流體流動(dòng)。相比之下，如流動(dòng)模式B、C和D所示的其他個(gè)別流體泵致動(dòng)器202的選擇性激活引起通過網(wǎng)絡(luò)103的完全不同方向的流體流動(dòng)。例如，參照展現(xiàn)流體流動(dòng)模式B的圖5的網(wǎng)絡(luò)103，活動(dòng)流體致動(dòng)器202產(chǎn)生在從頂點(diǎn)I到頂點(diǎn)5的方向上的凈流體流動(dòng)，如凈流動(dòng)方向箭頭所表明的。在頂點(diǎn)5，流體的流動(dòng)分開并遵循不同方向通過從頂點(diǎn)5到頂點(diǎn)2、3和4延伸的網(wǎng)絡(luò)通道。此后，流體從頂點(diǎn)2、3和4流回到頂點(diǎn)1，如凈流動(dòng)方向箭頭所表明的。不同方向的流體流動(dòng)類似地適用于流動(dòng)模式C和D。因此，微流體系統(tǒng)100中的可編程控制器106可以通過選擇性激活微流體設(shè)備102的特定網(wǎng)絡(luò)103內(nèi)的單一流體泵致動(dòng)器202而容易地調(diào)整該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流體流動(dòng)模式。圖6示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的封閉的二維流體網(wǎng)絡(luò)103的示例，所述二維流體網(wǎng)絡(luò)圖解說明通過在網(wǎng)絡(luò)103內(nèi)同時(shí)選擇性激活兩個(gè)流體泵致動(dòng)器202而由不同的泵激活方式所產(chǎn)生的流體流動(dòng)模式(E，F(xiàn)，G，H，I，J)。二維網(wǎng)絡(luò)103與圖5所示的相同，并具有四個(gè)流體泵致動(dòng)器202與由五個(gè)頂點(diǎn)或通道交叉點(diǎn)(引用為1，2，3，4，5)分離的八個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道(或邊緣)。如流體流動(dòng)模式(E，F(xiàn)，G，H，I，J)所示的同時(shí)選擇性激活兩個(gè)流體泵致動(dòng)器202引起通過網(wǎng)絡(luò)103的特定方向的流體流動(dòng)，其針對(duì)每個(gè)模式而變化。參照展現(xiàn)流體流動(dòng)模式E的圖6的網(wǎng)絡(luò)103，例如，活動(dòng)流體致動(dòng)器202產(chǎn)生在從頂點(diǎn)2和3到頂點(diǎn)5的方向上的凈流體流動(dòng)，如凈流動(dòng)方向箭頭所表明的。在頂點(diǎn)5，流體的流動(dòng)分開并遵循不同方向通過從頂點(diǎn)5到頂點(diǎn)I和4延伸的網(wǎng)絡(luò)通道。此后，流體從頂點(diǎn)I和4流回到頂點(diǎn)2和3，如凈流動(dòng)方向箭頭所表明的。注意，在頂點(diǎn)I和4之間和在頂點(diǎn)2和3之間的網(wǎng)絡(luò)通道中沒有凈流體流動(dòng)。因此，如流體流動(dòng)模式E所示的同時(shí)選擇性激活靠近頂點(diǎn)2和3的兩個(gè)流體泵致動(dòng)器202引起在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中特定方向的流體流動(dòng)。對(duì)于圖6所示的每一個(gè)其他流體流動(dòng)模式，不同方向的流體流動(dòng)如每個(gè)模式中的凈流動(dòng)方向箭頭所表明的那樣產(chǎn)生。因此，微流體系統(tǒng)100中的可編程控制器106可以通過同時(shí)選擇性激活微流體設(shè)備102的特定網(wǎng)絡(luò)103內(nèi)的兩個(gè)流體泵致動(dòng)器202而容易地調(diào)整該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流體流動(dòng)模式。圖7示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的封閉的二維流體網(wǎng)絡(luò)103的示例，所述二維流體網(wǎng)絡(luò)圖解說明通過在網(wǎng)絡(luò)103內(nèi)同時(shí)選擇性激活三個(gè)流體泵致動(dòng)器202而由不同的泵激活方式所產(chǎn)生的流體流動(dòng)模式(K，L，M，N)。二維網(wǎng)絡(luò)103與圖5所示的相同，并具有四個(gè)流體泵致動(dòng)器202與由五個(gè)頂點(diǎn)或通道交叉點(diǎn)(引用為1，2，3，4，5)分離的八個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道(或邊緣)。如流體流動(dòng)模式(K，L，M，N)所示的同時(shí)選擇性激活三個(gè)流體泵致動(dòng)器202引起通過網(wǎng)絡(luò)103的特定方向的流體流動(dòng)，其針對(duì)每個(gè)模式而變化。參照展現(xiàn)流體流動(dòng)模式K的圖7的網(wǎng)絡(luò)103，例如，活動(dòng)流體致動(dòng)器202產(chǎn)生在從頂點(diǎn)1、2和3通過頂點(diǎn)5到頂點(diǎn)4的方向上的凈流體流動(dòng)，如凈流動(dòng)方向箭頭所表明的。在頂點(diǎn)4，流體的流動(dòng)分開并遵循不同方向通過從頂點(diǎn)4到頂點(diǎn)I和3延伸的網(wǎng)絡(luò)通道。到達(dá)頂點(diǎn)I和3的流體再次分開且在不同的方向上流動(dòng)到頂點(diǎn)5和2，如凈流動(dòng)方向箭頭所表明的。因此，如流體流動(dòng)模式K所示的同時(shí)選擇性激活靠近頂點(diǎn)1、2和3的四個(gè)流體泵致動(dòng)器202中的三個(gè)引起在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)103中特定方向的流體流動(dòng)。對(duì)于圖7所示的每一個(gè)其他流體流動(dòng)模式，不同方向的流體流動(dòng)如每個(gè)模式中的凈流動(dòng)方向箭頭所表明的那樣產(chǎn)生。通過可編程控制器106選擇性激活流體致動(dòng)器202，可以在微流體設(shè)備102的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施各種流體流動(dòng)模式。如上所述，微流體設(shè)備102內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)103可以具有一維、二維或三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖8示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的開放的、雙向的三維流體網(wǎng)絡(luò)103的示例的自頂向下的視圖和相應(yīng)的橫截面圖。開放的流體網(wǎng)絡(luò)103被連接到流體儲(chǔ)存器400并且促進(jìn)在三維中的流體流動(dòng)，其中一個(gè)流體通道跨越另一個(gè)流體通道。可以例如使用傳統(tǒng)的微加工技術(shù)和多層SU8技術(shù)諸如濕膜旋涂和/或干膜層壓來制造這種網(wǎng)絡(luò)。SU8是通常用作用于制造半導(dǎo)體器件的光致抗蝕劑掩模的透明的光電可成像的聚合物材料。如圖8所示，例如所述流體儲(chǔ)存器400和網(wǎng)絡(luò)通道1、2和3可以在第一 SU8層中制造。第二 SU8層802然后可以用來給其他通道上方的流體通道定路線以避免網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不想要的通道交叉點(diǎn)。這種三維的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在微流體設(shè)備內(nèi)復(fù)雜和通用的具有集成慣性泵的微流體網(wǎng)絡(luò)。
通過集成用于分析、檢測(cè)、加熱等的各種有源和無(wú)源元件，顯著增強(qiáng)了微流體設(shè)備102的有用性。這樣的集成元件的示例包括電阻加熱器、拍耳帖冷卻器、物理、化學(xué)和生物傳感器、光源以及它們的組合。圖9示出了合并流體泵致動(dòng)器202和有源元件900的幾個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)103的示例。本文中所討論的每一個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)適合于合并這樣的集成元件900除此之外提供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種流體流動(dòng)模式的流體泵致動(dòng)器。雖然已經(jīng)圖示出和討論了具體的流體網(wǎng)絡(luò)，但是本文中所考慮的微流體設(shè)備102和系統(tǒng)可以實(shí)施在一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)維度中具有多種布局的包括多種配置的集成流體泵致動(dòng)器以及其他有源和無(wú)源元件的許多其他流體網(wǎng)絡(luò)。如前所述，流體泵致動(dòng)器202的泵送效果取決于致動(dòng)器在流體通道內(nèi)(例如，泵通·道206內(nèi))的不對(duì)稱放置，所述流體通道的寬度比儲(chǔ)存器或其他從其正在泵送流體的通道(諸如網(wǎng)絡(luò)通道204)的寬度窄。(再次，泵通道可以本身是例如在更寬的流體儲(chǔ)存器之間泵送流體的網(wǎng)絡(luò)通道)。流體致動(dòng)器202向流體通道的中心點(diǎn)的一側(cè)的不對(duì)稱放置建立了通道的短側(cè)和通道的長(zhǎng)側(cè)，并且可以在從通道的短側(cè)(即，在此處定位流體致動(dòng)器)到長(zhǎng)側(cè)的方向上實(shí)現(xiàn)單向的流體流動(dòng)。流體通道內(nèi)對(duì)稱放置(即，在通道的中心處)的流體泵致動(dòng)器將產(chǎn)生零凈流動(dòng)。因此，流體網(wǎng)絡(luò)通道內(nèi)的流體致動(dòng)器202的不對(duì)稱放置是為了實(shí)現(xiàn)可以產(chǎn)生通過該通道的凈流體流動(dòng)的泵送效果而需要滿足的一個(gè)條件。然而，除了流體通道內(nèi)的流體致動(dòng)器202的不對(duì)稱放置之外，流體致動(dòng)器的泵送效果的另一組成部分是它的操作方式。具體而言，為了實(shí)現(xiàn)泵送效果和通過該通道的凈流體流動(dòng)，流體致動(dòng)器也應(yīng)當(dāng)關(guān)于通道內(nèi)的其流體位移不對(duì)稱地操作。在操作期間，流體通道中的流體致動(dòng)器首先在一個(gè)方向然后另一個(gè)方向上偏轉(zhuǎn)(諸如與柔性膜或活塞沖程那樣)以導(dǎo)致通道內(nèi)的流體位移。如上所述，流體致動(dòng)器202產(chǎn)生在兩個(gè)相反的方向上沿著通道推壓流體的在流體通道中傳播的波。如果流體致動(dòng)器的操作是使得它的偏轉(zhuǎn)使流體在兩個(gè)方向上以相同的速度位移，則流體致動(dòng)器將在通道中產(chǎn)生零凈流體流動(dòng)。為了產(chǎn)生凈流體流動(dòng)，所述流體致動(dòng)器的操作應(yīng)當(dāng)被配置為使得它的偏轉(zhuǎn)或流體位移是不對(duì)稱的。因此，流體致動(dòng)器關(guān)于其偏轉(zhuǎn)沖程或流體位移的定時(shí)的不對(duì)稱操作是為了實(shí)現(xiàn)可以產(chǎn)生通過該通道的凈流體流動(dòng)的泵送效果而需要滿足的第二條件。圖10示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的集成流體泵致動(dòng)器1002處于不同操作階段的示例流體網(wǎng)絡(luò)通道1000的側(cè)視圖。流體儲(chǔ)存器1004連接在通道1000的每一端。集成流體致動(dòng)器1002被不對(duì)稱地放置在靠近流體儲(chǔ)存器1004的輸入的通道的短側(cè)，從而滿足為創(chuàng)建可以產(chǎn)生通過該通道的凈流體流動(dòng)的泵送效果而需要的第一條件。為創(chuàng)建泵送效果而需要滿足的第二條件是流體致動(dòng)器1002的不對(duì)稱操作，如上所述。流體致動(dòng)器1002在本文中一般被描述為是如下壓電膜其在流體通道內(nèi)的上下偏轉(zhuǎn)(有時(shí)被稱為活塞沖程)產(chǎn)生可以被具體地控制的流體位移。然而，可以使用各種其他設(shè)備來實(shí)施流體致動(dòng)器，例如包括用以產(chǎn)生汽泡的電阻加熱器，靜電(MEMS)膜，機(jī)械/沖擊驅(qū)動(dòng)膜，音圈，磁致伸縮驅(qū)動(dòng)
寸寸ο在圖10所示的操作階段Α，流體致動(dòng)器1002處于靜止位置并且是不活動(dòng)的，所以沒有凈流體流動(dòng)通過通道1000。在操作階段B，流體致動(dòng)器1002是活動(dòng)的，并且該膜被向上偏轉(zhuǎn)到流體通道1000中。這種向上偏轉(zhuǎn)或正向沖程導(dǎo)致通道1000內(nèi)的流體的壓縮位移，因?yàn)樵撃は蛲馔茐毫黧w。在操作階段C，流體致動(dòng)器1002是活動(dòng)的并且該膜正開始向下偏轉(zhuǎn)以返回到其原始靜止位置。該膜的這種向下偏轉(zhuǎn)或反向沖程導(dǎo)致通道1000內(nèi)的流體的拉伸位移，因?yàn)樗蛳吕瓌?dòng)流體。向上和向下的偏轉(zhuǎn)是一個(gè)偏轉(zhuǎn)循環(huán)。如果在反復(fù)的偏轉(zhuǎn)循環(huán)中向上偏轉(zhuǎn)(即，壓縮位移)和向下偏轉(zhuǎn)之間存在時(shí)間的不對(duì)稱性，則產(chǎn)生通過通道1000的凈流體流動(dòng)。由于下面參照?qǐng)D11 - 14討論時(shí)間的不對(duì)稱性和凈流體流動(dòng)方向，所以圖10針對(duì)操作階段B和C包括相反的凈流動(dòng)方向箭頭之間插入的問號(hào)。這些問號(hào)旨在指示壓縮和拉伸位移之間的時(shí)間的不對(duì)稱性沒有被指定，并且因此流動(dòng)的方向(如果有的話)還不知道。圖11示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的處于來自圖10的操作階段B和C的活動(dòng)流體致動(dòng)器1002連同時(shí)間標(biāo)記“tl”和“t2”以幫助圖解說明流體致動(dòng)器1002產(chǎn)生的壓縮和拉伸位移之間的時(shí)間的不對(duì)稱性。時(shí)間tl是使流體致動(dòng)器膜向上偏轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生壓縮流體位移所花費(fèi)的時(shí)間。時(shí)間t2是使流體致動(dòng)器膜向下偏轉(zhuǎn)或回到其原始位置從而產(chǎn)生拉伸流體位移所花費(fèi)的時(shí)間。如果壓縮位移(向上膜偏轉(zhuǎn))的tl持續(xù)時(shí)間大于或小于(即，不同于)拉伸位移(向下膜偏轉(zhuǎn))的t2持續(xù)時(shí)間，則發(fā)生流體致動(dòng)器1002的不對(duì)稱操作。在反復(fù)的偏轉(zhuǎn)循環(huán)內(nèi)的這種不對(duì)稱流體致動(dòng)器操作產(chǎn)生了通道1000內(nèi)的凈流體流動(dòng)。然而，如果tl和t2的壓縮和拉伸位移相等或?qū)ΨQ，則將存在很少或沒有通過該通道1000的凈流體流動(dòng)，不管通道1000內(nèi)的流體致動(dòng)器1002的不對(duì)稱放置。圖12、13和14示出了根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的處于來自圖10的操作階段B和C的活動(dòng)流體致動(dòng)器1002,包括指示哪個(gè)方向流體流動(dòng)通過該通道1000 (如果有的話)的凈流體流動(dòng)方向箭頭。凈流體流動(dòng)的方向取決于來自致動(dòng)器的壓縮和拉伸位移持續(xù)時(shí)間(tl和t2)。圖15、16和17示出了示例位移脈沖波形，其持續(xù)時(shí)間分別與圖12、13和14的位移持續(xù)時(shí)間tl和t2對(duì)應(yīng)。對(duì)于各種流體泵致動(dòng)器，壓縮位移和拉伸位移時(shí)間tl和t2可以通過控制器106例如執(zhí)行諸如來自微流體系統(tǒng)100內(nèi)的模塊112 (流體致動(dòng)器不對(duì)稱操作模塊112)的指令而得到精確的控制。參考圖12，壓縮位移持續(xù)時(shí)間tl小于拉伸位移持續(xù)時(shí)間t2，所以在從通道1000的短側(cè)(即，致動(dòng)器所位于的一側(cè))到通道的長(zhǎng)側(cè)的方向上存在凈流體流動(dòng)。壓縮和拉伸位移持續(xù)時(shí)間tl和t2之間的差別在圖15中可以看出，其中圖15示出了在壓縮位移持續(xù)時(shí)間為tl和拉伸位移持續(xù)時(shí)間為t2時(shí)可能由流體致動(dòng)器產(chǎn)生的相應(yīng)的示例位移脈沖波形。圖15的波形指示在壓縮位移持續(xù)時(shí)間tl約為O. 5微秒(ms)和拉伸位移持續(xù)時(shí)間t2約為9. 5ms時(shí)大約為I皮升(pi)的位移脈沖/循環(huán)。為流體位移量和位移持續(xù)時(shí)間提供的值僅僅是示例而并非旨在作為在任何方面的限制。在圖13中，壓縮位移持續(xù)時(shí)間tl大于拉伸位移持續(xù)時(shí)間t2，所以在從通道1000的長(zhǎng)側(cè)到通道的短側(cè)的方向上存在凈流體流動(dòng)。壓縮和拉伸位移持續(xù)時(shí)間tl和t2之間的差別在圖16中可以看出，其中圖16示出了在壓縮位移持續(xù)時(shí)間為tl和拉伸位移持續(xù)時(shí)間為t2時(shí)可能由流體致動(dòng)器產(chǎn)生的相應(yīng)的示例位移脈沖波形。圖16的波形指示在壓縮位移持續(xù)時(shí)間tl約為9. 5微秒(ms)和拉伸位移持續(xù)時(shí)間t2約為O. 5ms時(shí)大約為I皮升(pi)的位移脈沖/循環(huán)。在圖14中，壓縮位移持續(xù)時(shí)間tl等于拉伸位移持續(xù)時(shí)間t2，所以很少或沒有凈流體流動(dòng)通過通道1000。相等的壓縮和拉伸位移持續(xù)時(shí)間tl和t2在圖17中可以看出，其中圖17示出了在壓縮位移持續(xù)時(shí)間為tl和拉伸位移持續(xù)時(shí)間為t2時(shí)可能由流體致動(dòng)器產(chǎn)生的相應(yīng)的示例位移脈沖波形。圖17的波形指示在壓縮位移持續(xù)時(shí)間tl約為5. O微秒(ms)和拉伸位移持續(xù)時(shí)間t2約為5. Oms時(shí)大約為I皮升(pi)的位移脈沖/循環(huán)。注意，在圖14中雖然在通道1000內(nèi)不對(duì)稱地定位流體致動(dòng)器1002 (滿足用于實(shí)現(xiàn)泵送效果的一個(gè)條件)，但是仍然很少或沒有凈流體流動(dòng)通過通道1000，因?yàn)榱黧w致動(dòng)器操作不是不對(duì)稱的(不滿足用于實(shí)現(xiàn)泵送效果的第二條件)。同樣地，如果流體致動(dòng)器的位置是對(duì)稱的(即，位于通道的中心)而致動(dòng)器的操作是不對(duì)稱的，則將仍然很少或沒有凈流體流動(dòng)通過通道，因?yàn)閮蓚€(gè)泵送效果條件均將未得到滿足。根據(jù)圖10 - 17的以上示例和討論，重要的是注意流體致動(dòng)器的不對(duì)稱位置的泵送效果條件與流體致動(dòng)器的不對(duì)稱操作的泵送效果條件之間的相互作用。也就是說，如果流體致動(dòng)器的不對(duì)稱位置和不對(duì)稱操作在相同的方向上工作，則流體泵致動(dòng)器將展示高效率的泵送效果。然而，如果流體致動(dòng)器的不對(duì)稱位置和不對(duì)稱操作彼此抵消工作，則流體致動(dòng)器的不對(duì)稱位置反轉(zhuǎn)由流體致動(dòng)器的不對(duì)稱位置所導(dǎo)致的凈流動(dòng)矢量，并且該凈流是從通道的長(zhǎng)側(cè)到通道1000的短側(cè)。另外，根據(jù)圖10 - 17的以上示例和討論，現(xiàn)在可以更好地理解上面關(guān)于圖2 - 8的微流體網(wǎng)絡(luò)103討論的流體泵致動(dòng)器202被假定為其壓縮位移持續(xù)時(shí)間小于其拉伸位移持續(xù)時(shí)間的致動(dòng)器設(shè)備。這樣的致動(dòng)器的示例是加熱流體并通過超臨界蒸汽爆炸而導(dǎo)致位移的電阻加熱元件。這樣的事件具有爆炸性的不對(duì)稱性，其擴(kuò)張階段(即，壓縮位移)比它的塌陷階段(即拉伸位移)快。此事件的不對(duì)稱性不能以與例如由壓電膜致動(dòng)器導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)不對(duì)稱性相同的方式進(jìn)行控制。圖18示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的集成流體泵致動(dòng)器1002處于不同操作階段的示例流體網(wǎng)絡(luò)通道1000的側(cè)視圖。此實(shí)施例類似于上面關(guān)于圖10示出和討論的實(shí)施例，除了流體致動(dòng)器膜的偏轉(zhuǎn)被示出不同地工作以創(chuàng)建通道1000內(nèi)的壓縮和拉伸位移。在圖18所示的操作階段A，流體致動(dòng)器1002處于靜止位置并且是不活動(dòng)的，所以沒有凈流體流動(dòng)通過通道1000。在操作階段B，流體致動(dòng)器1002是活動(dòng)的并且該膜被向下偏轉(zhuǎn)到流體通道1000之外。該膜的這種向下偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致通道1000內(nèi)的流體的拉伸位移，因?yàn)樗蛳吕瓌?dòng)流體。在操作階段C，流體致動(dòng)器1002是活動(dòng)的并且該膜正開始向上偏轉(zhuǎn)以返回到其原始靜止位置。這種向上偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致通道1000內(nèi)的流體的壓縮位移，因?yàn)樵撃は蛏贤茐毫黧w到通道中。如果在壓縮位移和拉伸位移之間存在時(shí)間的不對(duì)稱性，則產(chǎn)生通過該通道1000的凈流體流動(dòng)。凈流體流動(dòng)的方向以如上面所討論的相同方式取決于壓縮和拉伸位移的持續(xù)時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種微流體系統(tǒng)，其包括 流體通道，其在每一端耦合到流體儲(chǔ)存器；流體致動(dòng)器，其不對(duì)稱地定位在所述通道內(nèi)以創(chuàng)建具有不相等的慣性屬性的通道的長(zhǎng)側(cè)和短側(cè)，所述流體致動(dòng)器生成朝向通道的每一端傳播并產(chǎn)生單向凈流體流動(dòng)的波；以及控制器，其用以選擇性地激活所述流體致動(dòng)器以控制通過該通道的單向凈流體流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體系統(tǒng)，其中單向凈流體流動(dòng)從通道的短側(cè)向長(zhǎng)側(cè)前進(jìn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體系統(tǒng)，其中流體致動(dòng)器包括朝向通道的第一端定位的第一流體致動(dòng)器，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括 第二流體致動(dòng)器，其朝向通道的第二端不對(duì)稱地定位在通道內(nèi)； 其中，該控制器對(duì)第一流體致動(dòng)器的激活導(dǎo)致在從第一端到第二端的第一方向上通過通道的凈流體流動(dòng)，并且該控制器對(duì)第二流體致動(dòng)器的激活導(dǎo)致在從第二端到第一端的第二方向上通過該通道的凈流體流動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微流體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括流體模塊，能夠在控制器上執(zhí)行以控制通過通道的流體流動(dòng)的方向、速率和定時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在通道內(nèi)集成的有源元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體系統(tǒng)，其中所述有源元件選自由電阻加熱器、珀耳帖冷卻器、物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、光源以及它們的組合組成的組。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體系統(tǒng)，其中所述儲(chǔ)存器包括兩個(gè)不同的儲(chǔ)存器并且所述流體通道的每一端都耦合到不同的儲(chǔ)存器中的一個(gè)。
8.一種微流體系統(tǒng)，其包括具有在末端通道交叉點(diǎn)處不同地耦合到彼此的第一端和第二端的微流體通道的網(wǎng)絡(luò)，其中至少一個(gè)通道是具有由不對(duì)稱地定位在泵通道的相對(duì)端之間的流體致動(dòng)器區(qū)分的短側(cè)和長(zhǎng)側(cè)的泵通道，所述流體致動(dòng)器用以生成朝向泵通道的相反端傳播的且產(chǎn)生通過泵通道的單向凈流體流動(dòng)的波。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微流體系統(tǒng)，其中流體致動(dòng)器是朝向泵通道的第一端定位的第一流體致動(dòng)器，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括 第二流體致動(dòng)器，其朝向泵通道的第二端不對(duì)稱地定位；以及 控制器，其用以選擇性地激活第一和第二流體致動(dòng)器以生成通過網(wǎng)絡(luò)的雙向流體流動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微流體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 附加的流體致動(dòng)器，其朝向多個(gè)微流體通道的第一端和第二端不對(duì)稱地定位；以及 控制器，其用以選擇性地激活所述流體致動(dòng)器以誘導(dǎo)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)定向控制的流體流動(dòng)模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微流體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括流體模塊，能夠在控制器上執(zhí)行以誘導(dǎo)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種定向控制的流體流動(dòng)模式。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微流體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括微流體通道，其在各自的第一端和第二端之間彼此相交以形成中間通道交叉點(diǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的微流體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括微流體通道，其跨越另一個(gè)微流體通道以避免中間通道交叉點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微流體系統(tǒng)，其中微流體通道比交叉點(diǎn)窄。
15.一種微流體網(wǎng)絡(luò)，其包括 第一平面中的微流體通道，其用以促進(jìn)通過第一平面內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)的二維流體流動(dòng)；第一平面中的微流體通道，其延伸到第二平面中以跨越第一平面中的另一微流體通道并避免與該另一微流體通道相交并且促進(jìn)通過第一和第二平面內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)的三維流體流動(dòng)； 有源元件，其被集成在微流體通道內(nèi)； 流體致動(dòng)器，其不對(duì)稱地集成在至少一個(gè)微流體通道內(nèi)；以及 控制器，其用以選擇性地激活流體致動(dòng)器以誘導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)定向控制的流體流動(dòng)模式。
全文摘要
在一個(gè)實(shí)施例中，微流體系統(tǒng)包括在每一端耦合到儲(chǔ)存器的流體通道。流體致動(dòng)器不對(duì)稱地定位在所述通道內(nèi)以創(chuàng)建通道的長(zhǎng)側(cè)和短側(cè)并且生成朝向通道的每一端傳播的波，從而產(chǎn)生單向凈流體流動(dòng)?？刂破魇且x擇性地激活所述流體致動(dòng)器以控制通過該通道的單向凈流體流動(dòng)。
文檔編號(hào)F15B13/02GK103003577SQ201180035607
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者P.科爾尼洛維奇, A.戈夫雅迪諾夫, D.P.馬克爾, E.D.托爾尼埃寧 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)