一種微流路芯片系列微器件的結(jié)構(gòu)本發(fā)明是申請日：2010-09-14，申請?zhí)枺?01080069777.3（PCT申請?zhí)枺篜CT/CN2010/076904），名稱：“一種微流路芯片系列微器件的結(jié)構(gòu)”的分案申請。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及微流路芯片制造的技術(shù)領(lǐng)域，特別與微流程芯片系列微器件的微泵結(jié)構(gòu)有關(guān)。

背景技術(shù)：
芯片實(shí)驗(yàn)室(Labonachip)是當(dāng)前發(fā)展很快的可廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、化學(xué)及物理學(xué)等各個領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室研究和日常醫(yī)學(xué)檢測的具有廣闊前景的技術(shù)。微流路（在中國也叫微流控）芯片（Microfluidicchip）技術(shù)則是芯片實(shí)驗(yàn)室中的主干技術(shù)。由于微流體是芯片實(shí)驗(yàn)室中的物質(zhì)的運(yùn)送載體（如水相中的各種溶解化合物，培養(yǎng)基中的細(xì)胞等等），如何控制芯片上微通道及各種芯片微器件中的流體進(jìn)行精確的流動、轉(zhuǎn)移從而驅(qū)動微流路芯片的正常工作。因此，微流路芯片中最基本且最重要的組成部件，即微器件（microdevices）就是芯片上微流體的泵（即微泵）、閥（即開關(guān)）、感應(yīng)微流體壓力的靜壓傳感器或者感受微流體速度的速度傳感器。由于現(xiàn)有的微泵、微閥等微器件的制造工藝復(fù)雜，并沒有理想的性能，雖然這個領(lǐng)域的研究者一直在為此做出努力，并不斷發(fā)明新技術(shù)新工藝，微泵、微閥等微器件的技術(shù)缺陷仍舊是限制微流路芯片廣泛應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。例如，置于芯片外部的泵（而不是芯片內(nèi)置泵）仍舊是主要的驅(qū)動芯片內(nèi)流體的裝置?，F(xiàn)有的微器件的設(shè)計(jì)和運(yùn)行采用電、磁和隔膜控制等幾種方式。例如，電滲泵(electroosmoticpump)或電動力閥（electrokineticgatingvalve），由于電壓的直接作用不僅不適用于所有流體系統(tǒng)，也會干擾體系的化學(xué)物理環(huán)境。如果采用此磁控制，則可采用鐵磁流體（ferrofluidicpump）利用外部永磁體的移動控制鐵磁流體的移動來進(jìn)行閥的開關(guān)和泵的運(yùn)行，但鐵磁流體本身會與芯片微流路中的流體系統(tǒng)接觸，外部的永磁體控制也復(fù)雜而不易自動化。目前采用最多的是隔膜控制方法，即利用可形變的材料如PDMS（polydimethylsiloxane），在隔膜外施加壓力變化來控制閥和泵的運(yùn)作。隔膜泵（diaphragmpump）的優(yōu)點(diǎn)是工作起來可靠有力，類似機(jī)械泵，但缺點(diǎn)也很明顯，如必須要使用可變性材料作為隔膜，這樣就不能避免這種材料可能對系統(tǒng)的污染或干擾，另外隔膜泵本省的復(fù)雜使得制造的成本及壽命都不理想。因此，現(xiàn)有的微閥、微泵等微流路芯片關(guān)鍵技術(shù)存在以上各種缺陷，特別的，對于玻璃芯片（具有最好的光學(xué)品質(zhì)和化學(xué)品質(zhì)）來說，由于玻璃是不可變形的硬質(zhì)材料，無法在玻璃芯片上制造內(nèi)置的泵閥系統(tǒng)，使得玻璃芯片的進(jìn)一步發(fā)展受到極大的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種微流路芯片系列微器件的結(jié)構(gòu)，使微流路控制最基本的微器件可以在硬質(zhì)芯片材料中一次蝕刻成型。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：一種微流路芯片系列微器件的結(jié)構(gòu)，包括一個氣體通道和至少一個液體通道，氣體通道和各液體通道之間通過微通道連通；所述微器件為微泵，由兩個微閥和一個微活塞結(jié)合而成；每個微閥包括一個氣體通道和三個液體通道，氣體通道的一端接氣體，氣體通道的另一端通過一個逐漸變窄的微通道和中間一個液體通道的一端連通，該微通道的兩側(cè)再分別通過一個逐漸變窄的微通道和兩個液體通道的一端連通，中間液體通道的另一端和一側(cè)液體通道的另一端合并為進(jìn)液口，另一側(cè)液體通道的另一側(cè)為出液口；微活塞包括一個氣體通道和一個液體通道，氣體通道的一端接氣體，氣體通道的另一端通過一個逐漸變窄的微通道和液體通道的中段連通，液體通道的一端與一個微閥的出液口連接而另一端與另一個微閥的進(jìn)液口連接。采用上述方案后，本發(fā)明微流路芯片的最基本微器件（微泵）由芯片內(nèi)部的壓力數(shù)字化的氣體微線路控制，微器件利用微孔來阻隔氣相和液相，沒有任何活動部件，也無需任何特殊的透氣或彈性的材料，由氣——液兩相的壓力差來驅(qū)動氣——液界面從而使微器件實(shí)現(xiàn)其傳感壓力、開關(guān)流路、液體有效動力輸送等功能。微器件可在硬質(zhì)材料（如玻璃）上一次蝕刻成型，便于低成本集成大量的微器件，也可以在其他材料上采用其他方法達(dá)成芯片及這幾種基本微器件的結(jié)構(gòu)。附圖說明圖1a至圖1c是液體壓力感受器的示意圖；圖2a至圖2c是微閥的示意圖；圖3a至圖3c是微活塞的示意圖；圖4a至圖4b是微泵的示意圖；圖5a是微閥(MISVA)中氣-液界面對氣體壓力的響應(yīng)；圖5b是不同氣壓作用下氣-液界面在M通道方向上的移動模式；圖5c是不同氣壓作用下氣-液界面在左右（L和R）通道方向上的移動模式；圖5d是微閥的數(shù)字化氣壓驅(qū)動模式；圖5e是微閥對數(shù)字化氣體壓力驅(qū)動的反應(yīng)；圖6a是微閥在右側(cè)通道壓力下的泄漏測試；圖6b是微閥承受右側(cè)(R)通道逆向壓力的范圍；圖6c是微閥在左側(cè)(L)和下側(cè)(M)通道壓力下的泄漏測試；圖6d是微閥承受左側(cè)(R)通道和下側(cè)（M）逆向壓力的范圍；圖7a是微泵推動氣泡的動力測試；圖7b是微泵不同周期的輸出功率；圖7c最短泵周期和最大泵輸出在反向壓力下的變化；圖7d泵壓頭與泵輸出速度之間的關(guān)系；圖8是采用數(shù)字化氣體壓力控制微泵運(yùn)作的方式。具體實(shí)施方式本發(fā)明揭示的一種微流路芯片系列微器件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，該系列微器件包括一個氣體通道和至少一個液體通道，氣體通道和各液體通道之間通過微通道（毛細(xì)管）連通。本發(fā)明的理論依據(jù)是：微通道中氣-液界面在氣-液兩相的壓力差與氣-液界面的移動方向有確定的關(guān)系，利用這種關(guān)系可以達(dá)到兩個方面的目的：A氣-液界面的移動可以反映氣-液兩相的壓力差；B通過控制氣-液兩相的壓力差控制氣-液界面的移動。下面以具體實(shí)施例進(jìn)行說明。請參見圖1a至圖1c是液體壓力感受器的示意圖。液體壓力感受器包括在芯片形成的一個氣體通道11和一個液體通道12。氣體通道11的一端接氣體，感受氣體壓力，氣體通道11的另一端通過逐漸變窄的微通道13（微通道13窄的一端為一小孔）和液體通道12的一端連通，液體通道12的另一端接液體，感受與液體壓力。液體壓力感受器（MISEN，amicrosurfacetensionsensor)的工作原理是：芯片上的微通道13中間可以容納氣體和液體。由于氣——液——固相互間的界面張力不同形成氣——液界面的弧形（俗稱彎月面），這種具有一定曲率的氣——液界面上表面張力的非零凈結(jié)果需要?dú)庖簝上嚅g壓強(qiáng)的差值來維持平衡，否則界面將會移動。這種效應(yīng)又稱毛細(xì)作用。這種毛細(xì)作用的強(qiáng)弱隨著毛細(xì)管直徑的減小而增強(qiáng)。對于芯片上的微通道13來說，毛細(xì)作用的強(qiáng)度隨著相當(dāng)于毛細(xì)管直徑的微通道13寬度的縮小而增強(qiáng)。如果在微通道13上設(shè)計(jì)出寬度逐漸收小的類似于狹長三角形的幾何形狀，那么，位于該三角形微通道12不同位置的氣——液界面將具有不同強(qiáng)度的毛細(xì)作用，對應(yīng)著不同程度的氣——液兩相的壓強(qiáng)差值。這樣，在兩相壓力差的推動下，可觀測的氣——液界面的位置就顯示出了氣——液兩相的壓強(qiáng)差值。當(dāng)氣體的壓強(qiáng)固定并已知時，如圖1a,降低的液體壓強(qiáng)增大了氣——液兩相的壓強(qiáng)差值，使得氣——液界面朝液體方向移動（見圖1b）。如果液體的壓強(qiáng)持續(xù)降低，則界面可一直移動到三角形連接液體通道的頂點(diǎn)（圖1c）。這個頂點(diǎn)實(shí)際上是連通壓力感受器(MISEN)和液體通道得微孔（MISTA，amicrosurfacetensionalveolus），微孔中的氣——液界面由于具有最大的曲率或毛細(xì)作用，使得氣——液界面在這里能夠被阻擋。這樣，氣——液界面的位置就顯示了以氣體的壓力，這一段三角形的微通道就執(zhí)行了壓力感受器的任務(wù)。如果，液體壓力不變，則該感受器可用來測量氣體的壓強(qiáng)。請參見圖2a至圖2c是微閥（MISVA，amicrosurfacetensionvalve）的示意圖。微閥包括在芯片上形成的一個氣體通道21和三個液體通道22、23、24。氣體通道22的一端接氣體，氣體通道22的另一端通過一個逐漸變窄的微通道25和一個液體通道22的一端連通，該微通道25的兩側(cè)再分別通過一個逐漸變窄的微通道26（微孔）和一個液體通道23的一端連通（作為液體流入的入口）以及通過一個逐漸變窄的微通道27（微孔）和一個液體通道24的一端連通（作為液體流出的出口），三個液體通道22、23、24的另一端各自接液體。由于微孔（MISTA）內(nèi)在較大的氣——液兩相的壓強(qiáng)差下能夠形成穩(wěn)定的氣——液界面，這個界面阻擋了液體或氣體通過微孔內(nèi)的界面，這實(shí)際上起到了阻擋流體的作用。當(dāng)這個氣——液界面離開微孔的時候，流體便可以重新流過微孔。在液體壓力感受器（MISEN)的兩側(cè)各開一個小孔（MISTA）與兩個液體通道相連（見圖2a，通常頂端的液體通道與其中一個側(cè)通道相連）,氣體壓力升高時氣——液界面的移動使得MISEN中被氣體充滿(見圖2b和圖2c)并在兩側(cè)的小孔中形成穩(wěn)定的氣——液界面(MISTA)從而阻隔液體通道的連接，達(dá)到切斷液體流動的目的，這相當(dāng)于是執(zhí)行微閥的關(guān)閉功能。當(dāng)氣體壓力減小時，氣——液界面移回到原來的氣體通道中，使得MISEN重新被液體充滿，液體通道重新連通，這相當(dāng)于微閥的開啟狀態(tài)。氣體通道的氣體壓力在控制下處于高位或低位就關(guān)閉或開啟了微閥。由于沒有任何活動部件，這種閥是無磨損而長壽命的。當(dāng)然，微閥也可以包括一個氣體通道和兩個液體通道，氣體通道的一端接氣體，氣體通道的另一端通過一個逐漸變窄的微通道和一個液體通道的一端連通，而該微通道只有一側(cè)（左邊或者右邊）再通過一個逐漸變窄的微通道（微孔）和另外一個液體通道的一端連通，兩個液體通道的另一端各自接液體。圖5a至圖5e描述了氣——液兩相的壓強(qiáng)差值與氣——液界面在感受器中位置的關(guān)系以及多次重復(fù)的可靠性測試結(jié)果。具體地說，圖5a是微閥(MISVA)中氣-液界面對氣體壓力的響應(yīng)。在V形微閥中，氣-液界面會隨著氣體壓力的增加（圖中上部）而向下移動（向M通道），也會向左右兩邊的L和R通道移動。圖中粗線A表示移動距離的測量方式。圖5b是不同氣壓作用下氣-液界面在M通道方向上的移動模式。氣液界面受到氣壓來回變動的影響的向M通道來回移動，其移動的距離被測量（見圖5a），其方向由箭頭標(biāo)出。圖5c是不同氣壓作用下氣-液界面在左右（L和R）通道方向上的移動模式。氣液界面受到氣壓來回變動的影響的向L或R通道來回移動，其移動的距離被測量（見圖5a），其方向由相對應(yīng)的箭頭標(biāo)出。圖5d是微閥的數(shù)字化氣壓驅(qū)動模式。將氣壓設(shè)置為2kPa和4kPa,氣壓在兩個壓力間反復(fù)轉(zhuǎn)換，即可驅(qū)動微閥的開關(guān)。圖5e是微閥對數(shù)字化氣體壓力驅(qū)動的反應(yīng)。微閥開關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)由氣液界面的移動來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化氣壓的周期性指令驅(qū)動氣液界面有規(guī)律地可靠地精確地移動，從而實(shí)現(xiàn)閥的開關(guān)功能（即連通微流和斷開微流的功能）。圖6a至圖6d是微閥性能的測試結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示微閥可承受1.5kPa的壓力而不滲漏。具體地說，圖6a是微閥在右側(cè)通道壓力下的泄漏測試。在一定的反向壓力下（來自右側(cè)通道的PR）,氣-液界面的逆向移動，當(dāng)氣-液界面承受不了壓力而與另一個通道聯(lián)通時，閥產(chǎn)生泄漏。圖6b是微閥承受右側(cè)(R)通道逆向壓力的范圍。當(dāng)來自右側(cè)通道的壓力增加時，氣-液界面在壓力的作用下移動，當(dāng)壓力接近2kPa時，氣-液界面的移動超過了限度，產(chǎn)生泄漏，該泄漏的流速突然變高。圖6c是微閥在左側(cè)(L)和下側(cè)(M)通道壓力下的泄漏測試。在一定的反向壓力下（PL來自左側(cè)通道L和PM來自下側(cè)通道M）,氣-液界面的逆向移動，當(dāng)氣-液界面承受不了壓力而與另一個通道聯(lián)通時，閥產(chǎn)生泄漏。圖6d是微閥承受左側(cè)(R)通道和下側(cè)（M）逆向壓力的范圍。當(dāng)來自右側(cè)通道的壓力增加時，氣-液界面在壓力的作用下移動，當(dāng)壓力接近1.6-1.7kPa時，氣-液界面的移動超過了限度，產(chǎn)生泄漏，該泄漏的流速突然變高。請參見圖3a至圖3c是微活塞的示意圖。微活塞包括在芯片上形成的一個氣體通道31和一個液體通道32。氣體通道31的一端接氣體，氣體通道31的另一端通過一個逐漸變窄的微通道33和液體通道32的中段連通，液體通道32的兩端都接液體。如液體壓力感受器MISEN的工作原理相同，但將通道設(shè)計(jì)為長而寬度均勻的空間來容納氣——液界面的移動并以微孔來阻隔氣體進(jìn)入液體通道這就是微活塞（MISTON，amicrosurfacetensionpiston）。該微活塞可通過長度來對微活塞的體積進(jìn)行限定。當(dāng)氣體壓力處于低位時，界面朝氣體方向移動，液體通道中的液體流入MISTON（見圖3a至圖3c）。當(dāng)氣體壓力處于高位時，界面朝液體方向移動，MISTON中的液體在氣體壓力的作用下被注入液體通道。微活塞的運(yùn)作方式與微壓力感受器相似。請參見圖4a至圖4b是微泵的示意圖。微泵（MISPU）作為動力微器件由兩個微閥41、43和一個微活塞42結(jié)合而成。微閥41包括一個氣體通道411和三個液體通道412、413、414，微閥43包括一個氣體通道431和三個液體通道432、433、434，微閥41、43的結(jié)構(gòu)如前所述，其中，微閥41液體通道412的另一端和液體通道413的另一端合并為微閥41的進(jìn)液口，液體通道414的另一側(cè)為微閥41的出液口，微閥43液體通道432的另一端和液體通道433的另一端合并為微閥43的進(jìn)液口，液體通道434的另一側(cè)為微閥43的出液口。微活塞42包括一個氣體通道421和一個液體通道422，微活塞42的結(jié)構(gòu)如前所述，在微泵中，液體通道422的一端與微閥41的出液口連接而另一端與微閥43的進(jìn)液口連接。微閥41作為進(jìn)口閥，微閥43作為出口閥（二者可交換），微活塞42則作為吸入和注入器件，利用一系列數(shù)字化氣體的壓力控制可以得到穩(wěn)定的泵輸出。當(dāng)進(jìn)口閥打開時（圖4a）,出口閥關(guān)閉，微活塞42從進(jìn)口閥吸入液體。當(dāng)微活塞42被液體充滿后，關(guān)閉進(jìn)口閥，開啟出口閥（圖4b），將微活塞42中的液體從出口閥壓出。至此，微泵的一個工作循環(huán)結(jié)束。不斷地循環(huán)，則液體不斷地從進(jìn)口閥被吸入并從出口閥注入到下一個微通道，從而形成泵輸出。圖7a至圖7c是泵輸出的測試結(jié)果。泵輸出最快可達(dá)到10nl/s。具體地說，圖7a是微泵推動氣泡的動力測試。利用泵推動位通道中的氣泡，可以通過測量微通道中氣泡的移動來計(jì)算泵在每個過程中的動力情況。圖中PO為計(jì)算得到的泵輸出(Pumpoutput)。圖中表示出了微閥開關(guān)及活塞動作時的泵輸出數(shù)據(jù)。圖7b是微泵不同周期的輸出功率。圖中不同的線段及數(shù)字表示不同泵周期的體積輸出數(shù)據(jù)。同時，泵前端所受到的反向壓力也表示在圖中。由于泵輸出的體積直接進(jìn)入垂直管道，因此泵出體積直接可換算為反向壓力(kPa)。圖7c最短泵周期和最大泵輸出在反向壓力下的變化。將泵設(shè)置為最快（泵周期為15s），當(dāng)反向壓力不斷升高的時候，泵的輸出能力逐漸減弱（上面的線）。圖7d泵壓頭與泵輸出速度之間的關(guān)系。壓頭的增加（及通過反向壓力的測定得出）使得泵的輸出線性降低。圖8是采用數(shù)字化氣體壓力控制微泵運(yùn)作的方式。將氣壓簡單設(shè)置為高壓和低壓，即0和1。通過將數(shù)字化的氣體壓力指令輸送到進(jìn)口閥、微活塞和出口閥，則泵就開始工作，產(chǎn)生一定的壓頭和流量。圖中利用不同的線段表示了在數(shù)字化氣體壓力指令的驅(qū)動下不同的泵組件的工作情況。本發(fā)明提供的微器件都由芯片內(nèi)部的壓力數(shù)字化的氣體微線路控制，每一種微器件都利用微孔來阻隔氣相和液相，沒有任何活動部件，也無需任何特殊的透氣或彈性的材料，由氣——液兩相的壓力差來驅(qū)動氣——液界面從而使微器件實(shí)現(xiàn)其傳感壓力、開關(guān)流路、液體有效動力輸送等功能。上述微器件的控制方法類似于數(shù)字化電路控制的辦法，設(shè)置兩個固定的高低氣相壓力，控制系統(tǒng)利用固定的氣相及液相壓力差，實(shí)現(xiàn)微器件的計(jì)算機(jī)自動控制。這是一套易于集成、工作可靠簡單的微流路控制器件。上述實(shí)施例和圖式并非限定本發(fā)明的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本發(fā)明的專利范疇。