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)動裝置的機械系統(tǒng)、諸如動 電泵和閥裝置的電動液壓系統(tǒng)、以及氣動液壓系統(tǒng)。具有氣動式致動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用的。
[0003] 具有氣動式接口的一類流體裝置由Micronics有限公司（華盛頓州雷德蒙德）制 造。利用MICROFLOW?系統(tǒng)氣動式控制器來實現(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側(cè)和 液壓側(cè)分隔開；即閥隔膜是用于將氣動控制脈沖轉(zhuǎn)換為開始和停止流體流的接口元件。濾 筒通過逐層層合構(gòu)建而成，其中封堵層之間密封有通道和腔室。所有的隔膜由單個層形成。 這樣，形成復(fù)雜的流體回路。氣動和液壓通道和腔室形成為使得濾筒的氣動工作和液壓工 作由彈性體隔膜層分隔開。由聚氨酯和PDMS形成的隔膜有利于這種方法。一個未解決的 問題是制造回路的能力，其中隔膜材料可能根據(jù)回路元件的類型或子類型而變化（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] 第二個未解決的問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獲得流體微回路技術(shù)的最完全的優(yōu)點，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)，包括不具有機械密封件和潤滑劑。
[0007] 盡管Wilding(例如在美國專利No. 5304487和No. 5498392中）一般性地公開了微 型泵，但是公開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。硅基微電子機械（MEMS)結(jié)構(gòu) 通常與現(xiàn)代塑料裝置是不相容的。
[0008] 對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。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS)和硅樹脂總體上易于形成 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)涉及包括美國專利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)的流動通道上。兩個不連續(xù)的流體通道之間的流 體路徑通過致動活塞而打開和關(guān)閉，活塞使片材的一部分機械地?fù)锨?。片材上的帳蓬狀?蓋動作與閥打開相關(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)。片材通過螺線管 操作的桿在兩個位置之間機械地?fù)锨?，該桿嵌入在閥座上附接到片材，使得在關(guān)閉時片材 接觸閥座，并且片材被拉入到上覆閥座的孔口中以打開閥。
[0011] 根據(jù)美國專利No. 4848722的教導(dǎo)，' 257閥具有若干缺陷。除了機械螺線管操作 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（即永久性變形或 緊縮超過其屈服點）。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， 必須在流體開始流動之前填充非零的且較大體積的閥腔體。
[0012] 在過期的美國專利No. 4848722 (' 722閥）中，壓力或真空源用來將諸如雙軸取向 的聚對苯二甲酸乙二醇酯（boPET)的柔性片材推壓到停止流動位置和打開位置中，在停止 流動位置中，由閥座中的通道（3、4)形成的孔口關(guān)閉，在打開位置中，孔口流體地匯合。當(dāng) 閥關(guān)閉時，閥座的階地（圖9 :62)與片材（8)接觸。片材膠粘到閥的氣動側(cè)。
[0013] 美國專利No. 4869282描述了一種微加工閥，具有隔膜層，隔膜層夾在兩個剛性層 之間，以形成閥腔體。隔膜層由聚酰亞胺形成，在控制回路中通過施加的氣動壓力而偏轉(zhuǎn)， 以關(guān)閉閥。隔膜運動受到限制，以避免聚酰亞胺層產(chǎn)生過應(yīng)力。
[0014] 迄今為止，美國專利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，閥座中形成有兩個孔，每個孔限定了通向底部層中 的流體通道（3、4)的開口，其中孔由閥盤分隔開。隔膜由聚氨酯或硅樹脂制成。閥（5)通 過氣動地使隔膜運動而打開。為了避免片材的應(yīng)力超過其屈服點的趨勢，平坦閥座用來使 所需的隔膜運動范圍最小化。這也減小了閥的死空間體積。
[0015] YSI有限公司的美國專利No. 5932799中公開了類似的結(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致動的隔膜構(gòu)件，以用于控制流體流。
[0016] Micronics有限公司的國際公布W02002/081934公開于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（被稱為"花生閥"）允許流體在負(fù)壓下橫穿閥 盤，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的美國專利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。氣動通道和流體通道形成在隔膜層的相對側(cè)上（參見參考文獻(xiàn)的圖1)，從而隔 膜是主動閥構(gòu)件。所公開的隔膜材料是254微米PDMS隔膜。閥本體通常是固體，例如玻璃。
[0018] Montagu的美國專利申請No. 2006/0275852 和No. 2011/0207621 描述了用于生物 測定的流體濾筒。濾筒包括限定了流動通道的模制本體。示出了膠乳隔膜和罐裝隔膜泵 (參見參考文獻(xiàn)的圖5)。"滾動彈性隔膜泵"構(gòu)件（3)作為預(yù)成形的子組件插入到濾筒中， 并且是可商購獲得的（托馬斯泵，型號1101的微型壓縮機，希博伊根，Wis. 53081)。利用步 進馬達(dá)機械地致動閥。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。硅樹脂閥構(gòu)造的例子包括美國專利 No. 5443890、No. 6793753、No. 6951632和No. 8104514,所有這些專利都示出了用于形成閥 和泵的軟光刻處理（參見美國專利No. 7695683和No. 8104497)。PDMS可以用來形成隔膜 和泵本體。膠乳橡膠和非晶態(tài)聚氨酯也用作隔膜材料，但是對于某些應(yīng)用而言耐化學(xué)品性 可能是不夠的。
[0020] 雖然沒有限制，但是具有還沒有充分用于氣動液壓回路的特性的隔膜材料的例子 包括在潤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有被考慮，原因是針對各類流體元件（例如閥、泵、貯存器等） 獨立地選擇隔膜材料的手段不是已知的。
[0021] 有利地，在潤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的隔膜取代。用于特定種類流體元件的材料的優(yōu)化 僅僅在各類流體元件能夠獨立優(yōu)化的情況下才能夠提供優(yōu)點。在沒有如下制造方法的情況 下不能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的所選實施例，這些制造方法選擇性地將先進的隔膜材料的分類或混 合控制板結(jié)合到泵、閥、過濾器、通風(fēng)口和單獨濾筒的小槽膜中，其中各類流體元件由不同 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。考慮到本文公開的組合的獨特 優(yōu)點，需要制造流體回路的方法，在該流體回路中，根據(jù)每個單獨回路元件的功能要求，流 體回路的每個隔膜構(gòu)件獨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 濾筒上的多個隔膜材料構(gòu)成的裝置以滿足流體裝置使用的期望市場增長所需的制造規(guī)模 (例如用于診斷測定）進行大規(guī)模生產(chǎn)。
[0024] 雖然已經(jīng)有了進步，但是本領(lǐng)域中仍然需要改進的流體裝置，例如微流體裝置，本 發(fā)明提供這種和相關(guān)的優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 本發(fā)明公開了一種流體裝置，其具有各種類型的多個氣動液壓隔膜，使得隔膜構(gòu) 件不是形成為單個片材，而是每個都單獨地設(shè)置，從而隔膜的材料可以根據(jù)形成的回路元 件的類型而變化。每個濾筒包括回路元件（例如閥、泵、通風(fēng)口、過濾器），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)明還公開了通過隔膜印刷過程制造這些系 統(tǒng)的方法，該隔膜印刷過程可以被稱為"邊緣粘接剪貼工藝"，其適用于大批量制造。
[0026] 隔膜還可以通過將隔膜拉伸超過其屈服點而經(jīng)受"現(xiàn)場成型"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。該過程在流體系統(tǒng)初始組裝和殼 體封閉之后進行，并且有利地還用作質(zhì)量控制步驟，以用于識別具有連續(xù)性或泄露缺陷的 產(chǎn)品。過拉伸的隔膜也可以機械地形成，例如通過軋制或壓制處理。預(yù)拉伸的隔膜具有改 善的響應(yīng)時間、增大的行程體積稠度、降低的流動阻力，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施例。在每個實施例中，多個各類隔膜子類型 組裝在裝置中，每個隔膜子類型在流體回路中由具有獨特的重要特性（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，由此任何一個隔膜子 類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"的各類專門的隔膜，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，并且通過實施這些教導(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)明的過程，具有獨特地適用于特定流體或氣動功能的特性的隔膜子類型 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中將變得明顯， 但并不限于這些公開。
[0029] 流體濾筒/流體回路