專利名稱：微流體系統(tǒng)中用于在微通道中產(chǎn)生電滲流體運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流體系統(tǒng)中用于在微通道中產(chǎn)生電滲液體運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器。
背景技術(shù)：
目前在研發(fā)用于流體系統(tǒng)(此系統(tǒng)為一種機(jī)電系統(tǒng)MEMS或微系統(tǒng)技術(shù)MST)的電滲的或其它微型泵方面進(jìn)行了許多研究。
微流體是一種新興技術(shù)，預(yù)計(jì)它會與一定數(shù)量的技術(shù)領(lǐng)會有廣泛的涉及。一種微流體裝置通常由通過微通道相互連結(jié)的一定數(shù)量的微傳感器或微分析儀構(gòu)成。該待分析或傳送的流體及試劑最好用微結(jié)構(gòu)泵輸送。雖然在一定時(shí)期內(nèi)別的組成件已經(jīng)有市場供應(yīng)，但微致動(dòng)器/-泵的研發(fā)仍處于初級階段，仍有許多句題尚待解決。因此在改進(jìn)的致動(dòng)器已經(jīng)被研制后，期望著這類技術(shù)有突破并使之商品化。本發(fā)明的目的是提供一種用于微流體系統(tǒng)用的致動(dòng)器，它適合于用作微型泵或混合器，使流體流動(dòng)改善。
一種公知的泵是往復(fù)泵，包括機(jī)械致動(dòng)器。通常，一個(gè)構(gòu)件是由壓電陶瓷的、靜電的或其它力致動(dòng)的。它們的共同之處是都涉運(yùn)動(dòng)件，運(yùn)動(dòng)件制作復(fù)雜、會減少它們的使用壽命。
場致動(dòng)流體泵包括電流體力學(xué)的(EHD)、磁流體力學(xué)的(MHD)、及電滲的(EO)泵。明顯的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是沒有可運(yùn)動(dòng)件。但是，這些泵要求高電壓，而EO泵則是變化最多的。
此外，EHD泵受限于非導(dǎo)電流體，使它不能用于待傳送的溶液有大離子濃度的(例如體液)各種場合中。而且也需要高電壓。PCT WO 02/07292 A2介紹了一種要在25kV下運(yùn)作的微結(jié)構(gòu)泵。
MHD泵則被限于用在導(dǎo)電溶液，因而排除了對十分稀簿的溶液的使用。
電滲微結(jié)構(gòu)泵被認(rèn)為在許多場合中是大有可為的技術(shù)，這是因?yàn)樗谱髌饋硐鄬唵?，而且在相?dāng)大的濃度范圍內(nèi)均可獲得良好的性能。但是，仍有許多技術(shù)難題等待解頭。其中主要向題是1)產(chǎn)生電極氣體，2)電化學(xué)反應(yīng)，3)穩(wěn)定性及4)需要大的電位。下面對些向題詳細(xì)說明。
產(chǎn)生電極氣體必須加相對強(qiáng)的電場，而且需要直流分量。這就導(dǎo)致在電極上產(chǎn)生氣體。
電化學(xué)反應(yīng)這些反應(yīng)導(dǎo)致氣體產(chǎn)生，而且也可出現(xiàn)在系統(tǒng)的其它部分中。在用退熱時(shí)，非離子化水可以用作液體介質(zhì)，僅導(dǎo)致產(chǎn)生氫氣和氧氣。但是在顯微-總體-分析系統(tǒng)(Lab-on-Chip)中使用時(shí)，由于反應(yīng)而可使流體變化，這會影或破壞分析或系統(tǒng)運(yùn)作。而且，可能產(chǎn)生對系統(tǒng)有害的物質(zhì)，例如由Nacl溶液電解而產(chǎn)生的氯氣那樣的腐觸性氣體。而且，反應(yīng)生成物及其伴隨的pH值的變化也可影響該泵的表面勢，從而導(dǎo)致電滲特性改變，如導(dǎo)致反流。
穩(wěn)定性除了電化學(xué)反應(yīng)影響外，沿著定向電場內(nèi)的微孔軸線確立多孔輪廓會在所有時(shí)間內(nèi)損害EO。如擴(kuò)散電泳和滲透那樣的各種現(xiàn)象會減少液流。因此，DC電滲在全部時(shí)間內(nèi)通常都減少，由于所述的例面效應(yīng)，最終使液流不流動(dòng)。這些效應(yīng)可以用脈沖電場電來成弱，但是傳統(tǒng)的EO在電場中是線性的，故DC分量必須永遠(yuǎn)存在，因此所述側(cè)面效應(yīng)也達(dá)到一定程度。
通常要求大的電位(在以kV計(jì)范圍內(nèi))，故要求大而笨重(減少便攜性)的動(dòng)力源。而且，漏電時(shí)，尤其是在用于緊挨身體的裝置中時(shí)，還會導(dǎo)致傷害。
PCT WO 02/070118A2公開了一種微結(jié)構(gòu)泵，在此泵中，通過采用無孔離子-導(dǎo)電膜將該通道與電極分開，解決了電極產(chǎn)生氣體的問題。氣泡可以從電極腔排逸至大氣中。其缺點(diǎn)為包括需要一種開放結(jié)構(gòu)，有產(chǎn)生形成有害化學(xué)反應(yīng)的可能及相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
US2003/0085024 A1公開了一種退熱裝置，它配置了具有使氣體重新結(jié)合作用的分離腔(鉑催化劑)的EO微結(jié)構(gòu)泵，由于它不能保證完全重新結(jié)合，因而也允許氣體通過膜件逸出系統(tǒng)。雖然獲得了良好的泵性能，但是并沒有獲得氣體的完全重新結(jié)合。此系統(tǒng)的明顯不足是催化劑的成本及再結(jié)合件的大小。而且，該結(jié)合件只是為處理純水的分解產(chǎn)品，例如是為了從氯化鈉溶產(chǎn)生的氯氣而設(shè)計(jì)的。要施加2Kv的電位差。
US6568910B1中公開了一種微結(jié)構(gòu)泵，在此泵中，液體被從放置電極的第一腔中泵出并通過沒有電場存在的第二腔。因此，此解決方案的目標(biāo)仍然是避免在主通道中產(chǎn)生電極氣體。
在[J.g.Santiago的<在具有有限慣性和壓力的微通道中的電滲流>Anal.Chem，732356-2365，2001]中公開了一種泵，此泵利用含有3.5μm硅顆粒的多孔玻璃的毛細(xì)管來減少孔的尺寸(和增大壓力)。利用2Kv的電位差達(dá)到了每分鐘3.6微升(μl/min)的流量。去電離作用的水用作工作流體，但在電極上仍然看到了氣體產(chǎn)生。曾用過通道直徑為0.5和0.7mm的泵，其多孔玻璃的長度為5.4cm。
利用長1mm、寬38mm、高0.9mm的敞口玻璃通道，實(shí)現(xiàn)了在兩個(gè)月內(nèi)使電滲速度每分鐘從15微升降到0.2微升。[Chn，C.H.，Zeng，S.，Mikkelsen J.C.和Santiago，J.G，的<平面電動(dòng)力學(xué)微結(jié)構(gòu)泵>，桑福特大學(xué)機(jī)械工程系]。其電位差為1Kv。雖然用去離子水為工作流體，但是電極反應(yīng)(產(chǎn)生氣體)仍然存在。
由于是小通道尺寸，其雷諾數(shù)是低的，而且該流體流通常是層流。因此，混合主要是由擴(kuò)散引起的，這在許多情況下在微米級量綱中是有效的。但是對于大分子，例如(DNA)、細(xì)菌和細(xì)胞來說，對流是實(shí)現(xiàn)快速混合的唯一方法。為了在通道中產(chǎn)紊流，已試驗(yàn)了不同的方法，但這仍然被認(rèn)為是一種技術(shù)難題。
紙[Shishi，Q.和HaimH.Bau<不規(guī)則電滲攪拌器>，Anal，Chem，74(15)3616-3625，2002]被認(rèn)為是一種解決方案，在此方案中，通過沿著通道的長度方向及時(shí)改變該壁表面電勢就能夠混合，這是可以通過利用幾個(gè)電極和一個(gè)控制單元在短相鄰?fù)ǖ澜孛鎯?nèi)進(jìn)行場效果控制來實(shí)現(xiàn)的。此系統(tǒng)的不足是其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。
通過利用100v/mm以上的正弦波狀變化的電場也可以產(chǎn)生一種電動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)混合器[Oddy.M.H.，Santiago，J.G.，和Mikkelesen，，J.C.Anal.Chem.735822-58329(2001)]。
在[E.L.RUhig，W.Fgraydon，及W.Zingg.<可植入微給構(gòu)傳輸泵>，生物醫(yī)學(xué)科學(xué)材料礦究雜志，17931-943，1983]中介紹了一種傳輸胰島素的EO致動(dòng)微結(jié)構(gòu)泵。電化學(xué)電池(AG|AgCI|NaCl|陽離子交換件|NaCl|AgCl|Ag)被用來驅(qū)動(dòng)，其電流每10分鐘變方向一次。為了在結(jié)束之前不在一個(gè)方向上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，變向是需要的。在變向后幾乎無電流流動(dòng)。為了不管電流如何變方向均能在第二通道中得到流體單方向流動(dòng)，使用了一種電磁控制閥。此通道與裝有之后會被泵入體內(nèi)的夷島素的一個(gè)金屬風(fēng)箱接觸。此系統(tǒng)的缺點(diǎn)是復(fù)雜及有運(yùn)動(dòng)件。
很清楚即使EO微結(jié)構(gòu)泵有些優(yōu)點(diǎn)，本領(lǐng)域的當(dāng)前狀態(tài)并不能滿意地解決一些重要向題。電極氣體產(chǎn)生向題通常是由下列措施解決的1)采用專用液體<去離子水和一種可能的緩沖劑>，總的來說可只限制施加電場，或2)將電極從EO微結(jié)構(gòu)泵區(qū)域移到某個(gè)氣泡可以逸出的裝置處，由于電位差與電極距離成正比，所以后一種措施需要更大的電位。這會使其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，在該結(jié)構(gòu)包括涉及各個(gè)電極對的幾個(gè)泵時(shí)，更是如此。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供新的致動(dòng)器，它們解決了那些技術(shù)挑戰(zhàn)。具體地說，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種致動(dòng)器，它能用非DC信號驅(qū)動(dòng)，只用低得多的電位，而且極少受系統(tǒng)化學(xué)成分的影響。在許多情況中，可以將電極安置得靠近泵，這樣可以使最小電壓明顯地降低，這對于生產(chǎn)多泵系統(tǒng)是極好的。此外，另一個(gè)目的是提供一種解決方案，其流體速度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)方案所能得到的速度。還有一個(gè)目的是提供一種致動(dòng)器，它可以在微通道中用于混合流體，這在微流體領(lǐng)域中也是一個(gè)技術(shù)難題。對于絕大多數(shù)設(shè)計(jì)方案來說，本發(fā)明的致動(dòng)器可以反方向運(yùn)作，在任何一個(gè)方向上均展現(xiàn)出相同的輸送特性。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種微通道，它可以將流體從其入口傳送至出口。與傳統(tǒng)電滲為基礎(chǔ)的方案相比，本發(fā)明的微通道能提供增大的流體流量，即流體可被以增大的流速流過微通道。凈流體流即強(qiáng)制通過微通道的液體量被增大。這種改進(jìn)的流體流是通過在微通道中安置了特殊幾何形狀的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)而獲得的。更具體地說，所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的表面部分是彎曲的，或相對所施加于微通道的電場是傾斜的。
本發(fā)明的基本理論概念叫作<第二種電滲>(EO2)或<超快電滲>。為了得到EO2，一些條件必須滿足，要實(shí)現(xiàn)定向傳輸則更是如此。
在施加相同電場強(qiáng)度E時(shí)，用EO2的液體傳輸要比用傳統(tǒng)電滲(EO1)快10-100倍。降低電場強(qiáng)度E減少了與電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的向題，也減少了漏電流的可能性，這對不能植入裝置及貼靠身體使用的裝置是非常重要的。此外，取消了對高電壓發(fā)生器的需求，減低了成本及尺寸，其便攜性能卻增加了。
由于電場強(qiáng)度是非線性的，采用只有一點(diǎn)兒或無方向的場分量的交流電場，EO2就能夠?qū)崿F(xiàn)液體定向傳輸。因此，上述的穩(wěn)定性問題能被減小或消除。
此外，由于對于交流電場來說，極化(polarization)電流越大，感應(yīng)電流就越小，所以在交流場內(nèi)的電極反應(yīng)(包括電極產(chǎn)生氣體)能被減小或消除。
現(xiàn)通過對照以下附圖和實(shí)施例說明本發(fā)明。
圖1展示微流體系統(tǒng)的總的示意性外輪廓；圖2展示球形顆粒組成的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的俯視圖；圖3展示傾斜平板組成的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的俯視圖；圖4展示由半球組成的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的俯視圖；圖5展示用作導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的二層顆粒；圖6展示包括致動(dòng)器部分的一個(gè)微通道的一部分(沒展示導(dǎo)電機(jī)構(gòu))；圖7展示包括顯微結(jié)構(gòu)泵區(qū)域的微通道部分的俯視圖，沒展示導(dǎo)電機(jī)構(gòu)；閣8和9展示包括具有橢圓導(dǎo)電顆粒的致動(dòng)器的微通道部分的俯視圖；圖10和11展示包括具有斜坡的導(dǎo)電平板的微結(jié)構(gòu)泵微通道部分的俯視圖；圖12展示包括用于微結(jié)構(gòu)泵的加寬區(qū)域的微通道部分的俯視圖，導(dǎo)電機(jī)構(gòu)末展示；圖13展示包括微結(jié)構(gòu)泵的微通道部分的側(cè)視圖，其中的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)組成了通道的部分壁；圖14展示了帶有傾斜導(dǎo)電平板即壁的微結(jié)構(gòu)泵的幾何形狀；圖15展示了具有截面為圓形的導(dǎo)電傾斜壁的微結(jié)構(gòu)泵；圖16展示了具有四個(gè)電極的微結(jié)構(gòu)泵，由帶一對電極的導(dǎo)電通道部分組成而包括了SCRRR(其中的一個(gè)像一根線，其余的則與此通道同心)。別的電極應(yīng)被放置于此導(dǎo)電通道部分的上游和下游；圖17展示了具有將進(jìn)入此泵的兩種流體混合的外加優(yōu)點(diǎn)的微結(jié)構(gòu)泵；圖18展示了一個(gè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)中的通道橫剖面，用來展示在此微通道內(nèi)的流體流；圖19展示用于制作此試驗(yàn)微通道的多孔板；圖20展示出試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的俯視圖，表明了液體充注區(qū)域；圖21展示在強(qiáng)電場(根據(jù)公式3)內(nèi)的某一個(gè)低導(dǎo)電液體中的單個(gè)導(dǎo)電顆粒上的EO2的原理，其中的法向場分量包括SCR，其切向分量導(dǎo)致離子及流體傳輸；圖22展示環(huán)繞一個(gè)顆粒的EO2流體流，可以大體上將之看作環(huán)流；圖23展示本發(fā)明的帶有非DC分量的電信號；圖24-27展示用于獲取EO2的電場強(qiáng)度的區(qū)域，在圖中E-min-WS是避免水分解的最小E(等式5)，E-max-SCR-flux或Emax-thin-SCR(公式6)是為了獲得EO2的E的上限，E-min-EO2(公式3)是為了獲得EO2的最小場強(qiáng)，E-lower-EO2是四倍的該最小場強(qiáng)，表明EO2的較低場強(qiáng)明顯地快于EO1。該場強(qiáng)被示為不同顆粒大小情況下的水(氯化鈉溶液)中離子濃度的函數(shù)(圖24中顆粒a為10微米，圖25中顆粒a為100微米，圖26中顆粒a為1毫米，圖27中顆粒a分別為1，10，100，1000微米)。
圖28展示對不同顆粒大小(等式8)情況下的作為濃度函數(shù)的流體動(dòng)力學(xué)時(shí)間常數(shù)，可用以確定電信號頻率。
在權(quán)利要求和說明書中使用的術(shù)語定義微通道至少一個(gè)尺寸是以微米(μm)或毫微米(10-9*)來度量的通道。
微流體系統(tǒng)用于在一個(gè)或多個(gè)微通道中的液體進(jìn)行傳輸或控制的系統(tǒng)，通過每一個(gè)通道中的流率在每分鐘1微升至50毫升之間。
致動(dòng)器一種用于調(diào)整處于運(yùn)動(dòng)中的液體的裝置，既可以通過沿一個(gè)方向泵動(dòng)液體，也可以通過引起循環(huán)流動(dòng)和/或混合來調(diào)整。致動(dòng)器可以直接對主要關(guān)注的流體(例如待分析流體和試劑)工作。但也可被用于間接致動(dòng)，例如，通過致動(dòng)一個(gè)選定的流體與膜的一側(cè)接觸，其另一側(cè)與主要關(guān)注的流體接觸來調(diào)整處于運(yùn)動(dòng)中的蠕動(dòng)泵的膜。
光滑表面此表面可以被理解為其表面不平度應(yīng)該小于dchar的5％，最好小于dchar的1％。
特性直徑dchar沿著平行于外加電場方向測量的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的直徑。當(dāng)一些導(dǎo)電顆粒沿該電場方向相互接觸時(shí)，dchar就是沿著所述方向測量的此組合導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的整個(gè)長度。
特性半徑achar是0.5倍的dchar。
基片其上制作微通道或通道系統(tǒng)的材料，它包括其上蝕刻通道的硅晶片及構(gòu)成該通道頂部的頂板。
本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)泵被設(shè)計(jì)來以每分鐘幾毫微(納)升到50毫升的量值輸送液體。該液體量取決于特定的用途，通常是從每分鐘數(shù)納升(藥品傳送)到數(shù)微升(用于lab-on-a-chip)到數(shù)毫升(用于退熱)。簡單地說，術(shù)語微結(jié)構(gòu)泵和微通道會用于整個(gè)說明書中，詞頭<納>可被用于大小范圍的較低部分。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明微流體系統(tǒng)10的總體外輪廓圖。最好將微流體網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在基片12上。圖上有兩個(gè)微通道20。箭頭指明液體流方向。部分20a是微通道20的一部分。電連接機(jī)構(gòu)(16)在部分20a內(nèi)確立一個(gè)電場E，尋電機(jī)構(gòu)18確保流體沿定向流動(dòng)。電極16和傳感器22的連接件用數(shù)碼24標(biāo)示。應(yīng)該說明的是電極16可以置放于微流體系統(tǒng)中的任何地方，也可放在系統(tǒng)之外，例如置于該通道的入口和出口處。但是，電極間較大距離的方案是不推薦的。而且，致動(dòng)器也可以制作在毛細(xì)管內(nèi)而不是被顯微制作在基片上。
圖2展示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的俯視圖，它帶有球狀或半球狀的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18，它可被固定于通道部分20a的頂部和底部。此處的該通道截面是矩形的。顆粒之間及顆粒與壁之間的距離大體上均為achar，因此，混合與定向傳輸均可發(fā)生。在此圖上也標(biāo)明了通道20的壁，以及電極16的位置(用虛線)。液流方向用箭頭標(biāo)示。
在圖3中展示的本發(fā)明的實(shí)施例具有成型成兩個(gè)傾斜面的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18，機(jī)構(gòu)18固定在通道壁上，而且是沿有矩形截面的此通道的深度安置的。在此圖上還標(biāo)明了通通20的壁、電極16的位置及用直箭頭標(biāo)示的液流方向。導(dǎo)電機(jī)構(gòu)之間的距離大體上在2-0.5achar之間，因此除了定向傳輸外，還可以得到某種程度的混合。
圖4中展示的實(shí)施例與圖3的相似，但具有半圓或半球狀的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18，此機(jī)構(gòu)之間的距離約在1-5achar之間，從而導(dǎo)致了混合和定向傳輸兩種功能。電極16的位置用虛線標(biāo)示。
圖5展示的微致動(dòng)器有沿液流方向成型成圓柱或球狀的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18的兩個(gè)連接層。該導(dǎo)電機(jī)構(gòu)也被固定在微通道20的頂部和底部。電極16的位置用虛線標(biāo)示，也標(biāo)示了液流方向。由于導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18與通道壁的距離大體上是相同的achar，因此可施行定向傳輸及混合兩種功能。
圖6顯示的是微通道20的側(cè)視圖，通道包括致動(dòng)器部分20a、基片12(例如硅、玻璃或聚合物)及電極16。圖上還展示出從與與基片相同材料選取、制成的頂板及液流方向。導(dǎo)電機(jī)構(gòu)部分用虛線標(biāo)明，但是沒有顯示導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18。
圖7是圖6所示結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖8展示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，它有基片12及固定于頂部和底部的橢圓體或橢圓柱形的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18。可能是機(jī)構(gòu)16的位置用虛線標(biāo)示。由于機(jī)構(gòu)18之間的距離小，所以可進(jìn)行平穩(wěn)的輸送。
圖9展示了類似圖18所述結(jié)構(gòu)，但在沿液流方向有兩層彼此并不接觸的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18。
圖10展示了具有兩個(gè)傾斜導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18的微致動(dòng)器，它們被固定于通道壁并充注于整個(gè)通道部分。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)18之間的距離與achar比是相對小的，故可獲得定向傳輸?？赡艿碾姌O位置用虛線標(biāo)示。
閣11顯示與圖10所示相似的傾斜導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18的另一個(gè)實(shí)施例，但在沿寬度方向有導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的附加層。
圖12展示了一個(gè)有寬通道部分的微通道20，此部分包括用虛線限定的通道部分20a，其內(nèi)盛放了沒有展示在此圖上的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18。此致動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是能建立更高壓力。
圖13展示出一個(gè)包括微致動(dòng)器部分20a的通道20的一部分，其中的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18是該通道壁的一部分。展示出了圓形的電極16。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)18之間的距離與achar比是小的，故可獲得定向傳輸。由于導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18與液體相比有更高的電導(dǎo)電性能，故局部電場就僴向所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18，從而引起法向和切向場分量。
在圖14中，顯示包括微致動(dòng)器部分20a并帶有傾斜導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18的微通道部分20的一個(gè)部分的幾何形狀。標(biāo)示了原始通道直徑d0及通道壁與導(dǎo)電機(jī)構(gòu)表面間的角度、原始通道壁與傾斜面一處之間的法向距離h、特性直徑dchar及通道長軸線x。
圖15展示了一個(gè)實(shí)施例中的帶導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的微通道部分20a，其傾斜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)18與微通道20同中心。
圖16展示了一個(gè)具有四個(gè)電極的微通道。其中的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)構(gòu)成了此(圓柱形)通道的一部分，電極16則被置于這一部分的上游和下游側(cè)(末示出)。此導(dǎo)電機(jī)構(gòu)可以是一個(gè)管狀離子交換件。第二對電極16b響應(yīng)SCR的確立產(chǎn)生垂直于液流方向的電場。其中的一個(gè)成形成與微通道20同心的大半徑圓管。它可以由金屬簿片或涂覆件組成，進(jìn)行某種導(dǎo)電層涂覆、表面處理等。另一個(gè)產(chǎn)生法向電場的電極可以是全屬絲，它應(yīng)該用一絕緣件或別的固定方法與導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18保持某種距離。最好將它沿此通道中心線放置。
圖17展示帶有導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的微通導(dǎo)部分20a的俯視圖，在此部分中，一個(gè)導(dǎo)電粒子被放在通道20的加寬部分中，它與液流出口保持的距離約為2achar，由此而導(dǎo)致有效的混合。由于導(dǎo)電機(jī)構(gòu)與壁之間的距離在0.5achar以下，所以微通道部分20a的鄰接部分主要實(shí)施定向流動(dòng)的動(dòng)能。
在圖18中展示了一個(gè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)中的通道橫截面，其中的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18被固定于兩塊帶有顯微制作的半圓孔的平板之間。微通道的縱長方向與紙平面垂直，通道的側(cè)面壁通過在每一側(cè)面用密封片密封這些平板來形成。硫化的球狀苯乙烯-二乙烯基苯離子-交換粒子用作導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18。
圖19用于圖18中試驗(yàn)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)顯微制作多孔板的俯視圖。
圖20顯示一個(gè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，其中包括導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18、電極16及在微結(jié)構(gòu)通道20的每一側(cè)面上的兩個(gè)貯液區(qū)域。
一般說來，導(dǎo)電機(jī)楊18可以有橢圓體、1圓柱形、橢圓柱形、球形、半球形或其它任何圓形截面的幾何形狀。而且也可以有與所加電場成0-85°夾角的平板形狀，推薦的夾角范圍為30°-60°。此導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的導(dǎo)電性能至少為被驅(qū)動(dòng)液體的五倍，最好至少為十倍。
導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18的特性尺寸dchar應(yīng)該在0.1微米-5毫米，但最常用的是在10-500微米之間。
對于曾經(jīng)流行過的定向使用來說，EO2輸送是被希望的，導(dǎo)電顆粒18之間及導(dǎo)電顆粒18與通道壁20a之間的距離應(yīng)該在1/8-1/2achar之間。這個(gè)到通道壁的距離不適用于如圖3、4和10、11中導(dǎo)電機(jī)構(gòu)固定于壁的實(shí)例中的該壁。對于沿液方向是一層顆粒的情況來說，該距離應(yīng)該更小或是零。如果有一層以上的顆粒，每層的顆粒之間和/或相鄰層的顆粒之間必須被隔開。
如果希望得到混合功能，該距離應(yīng)該高述2achar。對于最大的距離來說，可以最明顯地得到混合功能。
圖13中顯示了一個(gè)實(shí)施例，其中的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18是微通道壁的一部分。這是本發(fā)明的一個(gè)特定方面，其EO2條件是通過在靠近導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18的局部電場的衰減來確立的。
導(dǎo)電區(qū)域的長度應(yīng)該就是導(dǎo)電顆粒來的同長度。通道的幾何形狀可以是圓形、矩形或橢圓形。在這里的Dchar就是沿電場方向測量的導(dǎo)電場的長度。通過對導(dǎo)電顆粒的類比，獲得定向液流的兩個(gè)相對的導(dǎo)電壁之間的距離推薦為1/2-1/8achar。導(dǎo)電區(qū)域可以覆蓋該通道(例如此壁)部分，或者整個(gè)通道的周邊。
對于具有圖13所示導(dǎo)電壁的結(jié)構(gòu)來說，電極16最好置于該通道壁的部分20a相同距離處，并占據(jù)1/3的該通道寬度或更少。它們可以比上面介紹的放置得更靠近電極16，而且還可以放置在導(dǎo)電壁的區(qū)域20b之內(nèi)。而且，此結(jié)構(gòu)可以沿此通道的寬度方向、利用導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的幾個(gè)矩形組件來延伸。在這樣的幾何形狀下，為了增加電場的切向分量，導(dǎo)電組件的端部可被電絕緣。
加電場的切向分量，導(dǎo)電組件的端部可被電絕緣。
就包括一對電極16的結(jié)構(gòu)來說，推薦將電極置放于相對該導(dǎo)電區(qū)域的上游和下游側(cè)。這些可以是進(jìn)入局部或整個(gè)通道壁20b的周界內(nèi)或周界上的電導(dǎo)電區(qū)域，它們也可以是該通道內(nèi)的最好是顯微制作的柵板或別的構(gòu)造。它們也可用本圖中沒有示出的的顯微制作的導(dǎo)體與動(dòng)力源連接。電極16也可以是直接由從外面通過通道壁20b插入的全屬絲構(gòu)成。為了獲得直線電場，電極16應(yīng)該放置得離導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18有相同的距離，但是為了避免高電位，這距離不能太大。每個(gè)電極與導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18之間的距離通常為0.5-5毫米。當(dāng)然，此距離也可以更小成更大。
在圖16中展示了一個(gè)四電極微結(jié)構(gòu)泵。在此泵中，為了產(chǎn)生SCR，通過構(gòu)成一個(gè)電極的同心導(dǎo)體將長度為dchar的導(dǎo)電的圓柱形通道部分包成包囊形。其另一個(gè)電極被放入此導(dǎo)電的通道中，它可以是一根帶有防止它與此通道壁有電接觸的絕緣件的金屬絲，最好能將它用允許液流通過的絕緣結(jié)構(gòu)固定在此通道中心處。如上所述，另一對電極應(yīng)置于此泵區(qū)域的上游側(cè)和下游側(cè)。
通過環(huán)繞著導(dǎo)電機(jī)構(gòu)開口(沒有被其它導(dǎo)電顆?；虮谡紦?jù))保持大的區(qū)域，可以使微結(jié)構(gòu)泵能夠混合兩種或更多種液體。因?yàn)檫@樣能夠?qū)е陆^大部分的環(huán)流，為了定向流動(dòng)(1/8-1/2achar)，此泵應(yīng)該有一個(gè)被優(yōu)化了的開口空間的腔。這樣的泵展示在圖17中?；旌锨?4內(nèi)可放置數(shù)個(gè)導(dǎo)電顆粒18，它們的大小取決于所期望的混合時(shí)間。
接下來將主要參照球狀顆粒形式的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)來介紹其基本原理。但是，也可以直接擴(kuò)展到別的幾何形狀，例如，在術(shù)語介紹中的dchar＝2achar就可以使用于所有形狀。
本發(fā)明的基本概念是切向電場分量根據(jù)法向分量感應(yīng)出的SCR工作。在此SCR中成溶劑化物的離子然后就直接被傳向用于傳統(tǒng)EO的EDL中的離子。在兩種情況中，大部分微孔液體(pore liquid)由于粘滯力而處于運(yùn)動(dòng)中。
EO1速度是由Smoluchowsky公式給定的，公式1VEO1=ϵξEllη]]>式中，是液體介電常數(shù)，該壁的表面(zeta)電位，Ell是平行于該帶電表面的電場強(qiáng)度，和是液體.粘度。對EO2來說，速度由公式給出公式2
VEO2=2ϵacharEllE⊥η]]>E是法向電場分量。
在導(dǎo)電顆粒是別的形狀時(shí)，dchar是沿液流方向來測量的。SCR載荷大約為dchar的E倍。
傳統(tǒng)的電滲(EO1)是靠在EDL中傳送固定載荷(離子)引起的。這些離子被水解(也就是一定量的水分子與每個(gè)離子協(xié)同作用)或總的來說被成為溶劑化物(水以外的別的溶劑也可以用)。在電場使載荷處于運(yùn)動(dòng)中時(shí)，水也被傳送。雖然此作用發(fā)生在簿的被充電區(qū)，但由于粘滯力而使整個(gè)微孔-液體運(yùn)動(dòng)。水的傳送與EDL(或zeta)電位和E成比例。
重要的是，SCR的確立與該表面上是否存在EDL無關(guān)。<第二種電滲>的觀念表明與在薄帶電區(qū)域中有其電源的EO1相似，它不同于對大多數(shù)液體作用的電效應(yīng)(后者被稱作電流體力學(xué)效應(yīng))。
如果電場強(qiáng)到足以產(chǎn)生集中的極化，SCR就產(chǎn)生于該導(dǎo)電電表面。之后，該極化區(qū)域就在大多數(shù)液體邊界處產(chǎn)生擴(kuò)散區(qū)域，SCR層緊靠該導(dǎo)電表面，EDL可能最靠近該表面。這樣就完成了針對離子的和全電子導(dǎo)電材料兩者的極化現(xiàn)象的介紹。
結(jié)合在其種低導(dǎo)電液體中的滲透(陽)離子導(dǎo)電材科可以對極化現(xiàn)象作最簡單的介紹。此現(xiàn)象是眾所周知的，在此作簡要介紹。使電場定向?qū)χ摫∧ぃ栯x子就朝被著此固體材料傳送并通過它，但是由于有選擇透過性，沒有離子被允許沿相反方向穿過。在穩(wěn)定狀態(tài)下，脫離該簿膜的同離子電擴(kuò)散流被沿相反方向的擴(kuò)散流補(bǔ)償。因此，觀察到了朝該薄膜濃度減少的一個(gè)擴(kuò)散帶。隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)，電流也加大了，但是濃度降低得更多。在該膜附近在零離子濃度時(shí)達(dá)到極限。在此點(diǎn)處，即使進(jìn)一步加大電壓也看不到電流增加了。因此，此時(shí)的電流叫作極限電流。
雖然極限電流在電壓-電流曲線上有一個(gè)平坦部分，如果電壓足夠高的話，電流也會進(jìn)一步增加。這種強(qiáng)烈集中的極化的一個(gè)特點(diǎn)是在靠近該薄膜處(在該薄膜與擴(kuò)散區(qū)域之間)出現(xiàn)SCR。
出現(xiàn)過極限電流的一個(gè)原因是在極化區(qū)域出現(xiàn)了EO2旋流(環(huán)流，有時(shí)候叫作電對流)，并加入擴(kuò)散離子傳送。即使在一個(gè)平薄膜上，也可以看到EO2對流。
在電薄膜工藝(ELECTROMEMBRANE PROCESS)中，希望在盡可能低的電壓下獲得高電流，因?yàn)檫@會給出更具有能效的工藝。因此，通過特定的薄膜和薄膜疊方案(看下面的實(shí)例)增加在電滲透中的EO2對流已成為研究的目標(biāo)。
得到EO2的條件可以概括為1其表面帶有切向和法向兩種電場分量的導(dǎo)電介質(zhì)被低導(dǎo)電性的液體包圍。法向和切向兩種電場分量可以用下列方法獲得a) 導(dǎo)電材料有圓形(球或柱狀)或傾斜結(jié)構(gòu)，這樣兩個(gè)分量可以在用兩個(gè)電極(電極可以做成兩個(gè)平行平板或置于通道壁上)直接感應(yīng)出的電場中出現(xiàn)。
b) b)再次利用兩個(gè)電極，泵可由有導(dǎo)電壁的圓柱形多孔通道構(gòu)成。就本說明書中介紹的系統(tǒng)幾何形狀來說，局部電場將偏向多孔壁，從而導(dǎo)致相對此壁的法向和切向分量。這種情形展示于圖13中。
c) c)通過利用四個(gè)電極，兩個(gè)用于產(chǎn)生SCR，兩個(gè)用來調(diào)整運(yùn)動(dòng)中的離子。這種情形展示于圖16中。
2一個(gè)(法向)電位降，它大到足以產(chǎn)生SCR。這意味著跨越一個(gè)特性顆粒直徑的此無量綱電位降大于unity，它轉(zhuǎn)換成公式3E＞0.03V/achar3切向場分量一定不能太大，否則SCR會將用盡離子，而且SCR會變薄。因此，此電位應(yīng)該不超過公式4Emax-SCR-flux=(32)45RTFm-25k45achar-15]]>在公式中R是氣體常數(shù)，T是溫度，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，m是一個(gè)無量綱常數(shù)，對于含水溶液來說它等于0.2，及反德拜-長度(inverse Debye-length)。
4導(dǎo)電介質(zhì)可以借助離子、電極或孔來導(dǎo)電，它可以是導(dǎo)體或半導(dǎo)體。它應(yīng)該推薦為無孔的，但是也可以是多孔的，雖然這會導(dǎo)致速度降低。就滲透離子-導(dǎo)體來說，可獲得最好的結(jié)果。
5為了避免水分解，在SCR中的濃度應(yīng)該超過水的離子成分，因?yàn)镋O2對流阻礙由偏振導(dǎo)致的濃度降低，因此可以看到一個(gè)低電場強(qiáng)度，這樣所強(qiáng)度不會出現(xiàn)水分解公式5
Emin-ws=382m-1(kwc)3RTFk2achar]]>式中kw＝10-7，M是水的分解分量，c是該液體離子濃度。
此外，薄SCR的產(chǎn)生條件是EO2理論中的基本原理，對它的說明由公式6來給出公式6Emax-thin-SCR=29RTFmk2achar]]>根據(jù)這些條件，對于某一個(gè)系統(tǒng)來說會出現(xiàn)EO2的電場強(qiáng)度的范圍可以被算出。如在公式3-6中可以看到的那樣，此范圍取決于離子濃度、顆粒大小及其它一些因素。算出的電場強(qiáng)度被畫在圖24-27中的曲線上。
由于要取決于法向和切向這兩個(gè)電場分量，所以在此電場中的液體速度是非線性的。正因?yàn)槿绱耍梢允┘右粋€(gè)交變電場(如圖23所示)，對EO1來說是相反的。就EO2來說，該速度大體上與該電場強(qiáng)度的平方成比例。
對本發(fā)明的定向EO2輸送的附加條件列在下面。
1導(dǎo)電材料表面必須光滑，否則就得不到定向EO2傳送(可能出現(xiàn)環(huán)流)。
2對于球狀體，在圖22上可看到該液流方式。這意味著從離開球的一定距離上看，該液流是相反向的。因此，只應(yīng)該在靠近組成為液流配置的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的顆粒處開一個(gè)有限的口，這樣就確定了導(dǎo)電顆粒之間、導(dǎo)電顆粒與別的固體材料，例如與通道壁之間的距離。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顆粒間應(yīng)該保持2acha以下的距離，為了獲得定向流動(dòng)，推薦距離為1/8-1/2achar。
某些結(jié)構(gòu)并不適合于這種狀況，例如，雖然單層導(dǎo)電小粒子也可以被采用，但由于會使液流減少，所以不推薦使用它。多于一層的疊層結(jié)構(gòu)也不可采用，因?yàn)樗ㄟ^EO2只能得到環(huán)流。沿液流方向的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)任何一個(gè)側(cè)面上的無孔層會阻止EO2定向液流。
3對于導(dǎo)電材料的其它形狀，其結(jié)構(gòu)性能應(yīng)該相似。因此，如上所述，顆粒間應(yīng)該保持距離為1/8-1/2的它的特性量綱achar。
電信號電信號可以由具有方形、矩形、鋸齒形、正弦形或其它波形的交流電壓構(gòu)成。如在圖28所示，其頻率應(yīng)在流體動(dòng)力學(xué)頻率以下。同因此achar＝1毫米給出的f-max＝1Hz，achar＝100微米給出的fmax＝100Hz，achar＝10微米給出的fmax＝10Hz。為了在每個(gè)脈沖中獲得大的周期，頻率的10倍要比應(yīng)該用的理論最大值小。
對于對稱導(dǎo)電機(jī)構(gòu)幾何形伏來說，信號推薦為有一個(gè)工作循環(huán)，最好為一個(gè)工作循環(huán)的29％，這就意味著該強(qiáng)脈沖(它應(yīng)該具有給出定向Eo2流的極性)應(yīng)該具有此信號周期的29％的壽命。當(dāng)利用一個(gè)工作循環(huán)時(shí)，此信號最好有一個(gè)偏移，該偏移應(yīng)該被選擇得使平均信號方向分量為零。
對于具有不對稱形狀的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)來說(如圖11，10)，可以使用對稱的交替信號(方形、矩形、正弦波形、鋸齒形或其它波形)。
對于電極反應(yīng)不是向題的使用情況來說(例如在短運(yùn)作時(shí)間和稀溶液時(shí))，一個(gè)方向電壓分量或純方向電壓也可以使用。
電力最好是在恒電位條件下傳送，這樣可給出最快的極化。
對于有四個(gè)電極的微結(jié)構(gòu)泵來說，彼此異相的兩個(gè)交流信號可以被加于兩個(gè)相應(yīng)的電極對之間。因而該脈沖圖案可以遵照以下順進(jìn)行1脈沖垂直于建立SRC的液流，2開始脈沖期(1)脈沖平行于導(dǎo)致EO2傳送的液流，3反向垂直液流，脈沖導(dǎo)致SCR和相應(yīng)電極對去極化，4反向平行液流，脈沖導(dǎo)致相應(yīng)電極對去極化。
信號也可以用一個(gè)不帶信號的脈沖來中斷，此種情況每N個(gè)循環(huán)出現(xiàn)一次，N是大于1的數(shù)碼。信號可用電子裝置(計(jì)算機(jī)或微芯片)，它在運(yùn)作其間可自動(dòng)或由人工來改變。這可以根據(jù)從系統(tǒng)顯傳感器獲得的系統(tǒng)功能情報(bào)資料來實(shí)施。
最好，信號頻率應(yīng)選得高于反向電極極化時(shí)間，公式7tpol-el=LkD]]>
式中L是電極之間的距離，是反迪拜長度(反EDL厚度)，D是電流運(yùn)載離子的擴(kuò)散系數(shù)。
如果加上了交變或脈沖電信號，最高頻率由流體力學(xué)時(shí)間常數(shù)來決定，公式8tHD=achar2v]]>式中是液體的動(dòng)力學(xué)粘度。
生產(chǎn)，材科，實(shí)例系統(tǒng)微流體裝置可以使用在微電子工業(yè)中使用的顯微加工工藝技術(shù)來制作。也可用它來制作本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)泵。這些方法允許人們將通道及三維結(jié)構(gòu)制作在基片(硅、玻璃或聚合物)上，以及將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(金屬或聚合物)沉積在通道中。這樣的方法用于具有與如微電子生產(chǎn)那樣的便宜物品的生產(chǎn)相關(guān)的同樣的優(yōu)點(diǎn)。
例如對于放置于玻璃毛細(xì)管中的泵來說，本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)泵也可以用別的方法及材料生產(chǎn)。
導(dǎo)電或不導(dǎo)電的薄膜可以沉積在基片(如厚0.4毫米的圓硅品片)上。通道及其它結(jié)構(gòu)也可以用金屬平版印刷的方法來制作，通過光敏電阻(掩光板)施加照射。三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)也可通過，例如通過金屬電鍍被制作在通道內(nèi)。
顯微制造工藝提供大量技術(shù)，它們能以無限多的方法組合起來，從而幾乎可以生產(chǎn)任何結(jié)構(gòu)。在本說明書中只是引入了幾個(gè)實(shí)例。應(yīng)該指出，別的材料(例如玻璃或聚合物代替硅基片)和別的方法也可以采用。
圖6中展示了一個(gè)包括了用于微結(jié)構(gòu)泵的區(qū)域的微通道部分的側(cè)視圖。圖中展示了包括硅晶片(或玻璃或聚合物)和頂板(玻璃或聚合物)。用于電機(jī)構(gòu)的區(qū)域20a是用邊界來標(biāo)示的，沒有必要畫出具體形態(tài)。這一部分的結(jié)構(gòu)實(shí)例被展示在圖8-11中。其中的電極16是由穿過頂板上的孔的一根全屬絲構(gòu)成的。此電極也可以用上述的方法產(chǎn)生。
相同結(jié)構(gòu)的俯視圖被展示于圖7中。
在圖8-11中展出的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)18可以用電鍍方法生產(chǎn)，也可以用導(dǎo)電聚合物顯微模塑成型(例如微注射模塑成型)來制作。另一種可能辦法是蝕刻圓形或斜坡形材料，隨后進(jìn)行涂覆使之具有導(dǎo)電性。
對于具有不對稱形狀(如圖10、11中所示)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)來說，可以用對稱的交變信號。
另一種可能生產(chǎn)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的方法是用機(jī)械灌注其些導(dǎo)電機(jī)構(gòu)原材料(如球狀或纖維狀離子交換器，炭，金屬，導(dǎo)電聚合物或其它材料)進(jìn)入通道內(nèi)。之后用機(jī)械加壓將導(dǎo)電機(jī)構(gòu)固定在通通底部與頂板之間，為了使材料處于正確位置，可在頂板、底部蝕刻小腔。材料也可用某種粘接劑或別的方法來固定。
展示在圖12中的寬大的泵以及在圖13中展示的帶導(dǎo)電壁的泵也可以用上述方法制作。
圖15所示的微結(jié)構(gòu)泵可以用顯微模塑成型技術(shù)，或者用專門的管形薄膜制作。
在圖16中展示的有四個(gè)電極的泵可由下列材料構(gòu)成管狀離子交換器薄膜，與此膜同心的金屬管，通過在該膜上卷繞金屬箔或沉積金屬，具有避免與該膜接觸的絕緣部分的牢固的金屬絲。
應(yīng)該指出通過反向的電信號，可以使在圖中表明的輸送方向反向。
一般來說，電子的、離子的、及多孔的導(dǎo)體都可用作導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，只要它們的導(dǎo)電性至少是待傳送的流體的5倍，推薦為10倍或更高。實(shí)例材料包括涂覆的硅及別的半導(dǎo)體材料，全屬，離子交換器磺化的與二乙烯基苯交聯(lián)的聚苯乙烯(PS-DVB)，導(dǎo)電聚合物如(涂覆的polyaniline<PANi>，聚乙稀或其它涂覆的聚合物)，炭，石墨或填充了其些所述導(dǎo)電材料的聚合物。
基片可以是硅，玻璃，聚合物或別的材料。通常微流體系統(tǒng)被制作在一個(gè)(直徑為10或15厘米、厚為0.4毫米的)硅晶片上。一塊晶片可以制作一個(gè)或多個(gè)微流體系統(tǒng)。
電極可以用電子導(dǎo)電材料制作。一般可以用顯微加工的金屬電極，但是石墨、炭或涂覆的硅也是可用的。
應(yīng)用下面介紹本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)泵即微致動(dòng)器的主要用途?？偟膩碚f，本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)泵可以用來在此微系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)位置之間，在此系統(tǒng)與外面(向該系統(tǒng)引入樣本，將液體傳送入別的系統(tǒng)或人體等)之間輸送液體。它的最多應(yīng)用是直接輸送關(guān)注的液體，但是也可作致動(dòng)器，通過朝其它微結(jié)構(gòu)裝置輸送液體來間接地驅(qū)動(dòng)該裝置(例如一個(gè)往復(fù)泵的膜通過從該膜不與被傳送液體接觸的一個(gè)側(cè)面輸送走或輸送來液體而被驅(qū)動(dòng))。本發(fā)明的一個(gè)用途是通過保留其些EO2環(huán)流運(yùn)動(dòng)來以顯微規(guī)?；旌弦后w。
顯微-總體-分析系統(tǒng)(Lab-on-Chip)這種系統(tǒng)也叫做顯微-總體-分析系統(tǒng)(μ-TAS)或微實(shí)驗(yàn)室，這是一個(gè)高度緊湊的系統(tǒng)，它裝備有多個(gè)化學(xué)和物理傳感器和分析裝置。需要用這類致動(dòng)器來在該系統(tǒng)內(nèi)傳送和混合液體，以及在它與外界之間進(jìn)行傳送。顯微-總體-分析系統(tǒng)(Lab-on-Chip)系統(tǒng)被用來完成原本要求傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室工作的分析。在這系統(tǒng)中還可進(jìn)行化學(xué)綜合處理。
與傳統(tǒng)分析相比，其優(yōu)點(diǎn)是-僅需要顯微量的樣本及化學(xué)物質(zhì)，-明顯地減少時(shí)間耗費(fèi)，-可制作便攜系統(tǒng)，-明顯降低成本及增強(qiáng)能力。
下面列出了一些應(yīng)用實(shí)例-目前要耗費(fèi)時(shí)間和勞動(dòng)的醫(yī)藥分析可以在數(shù)秒鐘內(nèi)在醫(yī)療辦公室內(nèi)，或在醫(yī)院內(nèi)或家中(將資料信息送到醫(yī)療辦公室)完成。
-Proteomic和DNA分析在目前尚是有限制的科學(xué)技術(shù)，顯微-總體-分析系統(tǒng)(Lab-on-Chip)的開發(fā)奇跡般地增大了此分析能力。
-醫(yī)藥品研發(fā)引入顯微系統(tǒng)能夠大大地降低研發(fā)新藥的成本和時(shí)間。
-化學(xué)物品的研發(fā)能比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室工作更快、更安前及更便宜。
-醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用包括臨床分析關(guān)注點(diǎn)。
目前，尤其是在醫(yī)藥分析領(lǐng)域中存在的幾種自動(dòng)化系統(tǒng)。
如上所述，微結(jié)構(gòu)泵沒有研發(fā)顯微-總體-分析系統(tǒng)(Lab-on-Chip)系統(tǒng)部分。一般的泵能力在100Pa壓力下是每分鐘2(μl/min)微升。
十分小的泵可以用來給非植入裝置輸送藥品(例如，為糖尿病人送胰島素)到體內(nèi)。此系統(tǒng)可以被對身體的測量(糖尿病人的葡萄糖水平)來控制。長久可靠性、無電極反應(yīng)及低電壓是這類泵的重要特性。通常，此泵以幾nl/min的量來輸送藥品。
退熱顯微規(guī)模的退熱循環(huán)可以用微電子電路解決降體溫的向題。此系統(tǒng)的泵在約1atm壓力下應(yīng)該以10ml/min的量傳輸。泵和熱交換器可以分開或一起做在同一塊微芯片上，而且該熱交換器應(yīng)該由與環(huán)境接觸的顯微加工的或別的細(xì)管構(gòu)成。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，它證實(shí)了EO2在微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的混合和傳輸功能。給合圖18-20對此實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。顯微加工的多孔板使得可以將選定大小的顆粒放置得彼此相距選定的距離。
在此實(shí)驗(yàn)中使用了DOWEX50WX8強(qiáng)大的定酸量陽離子交換粒子。沿液流方向測量的多孔板寬度是0.4mm。
微混合器具有直徑(dchar)約600μm的一行離子交換粒子被放置于多孔板上。與圖20中的結(jié)構(gòu)不同，每個(gè)第二個(gè)孔中被放入一個(gè)顆粒，在相鄰顆粒之間留下一個(gè)2achar的空間。
為了觀察液流，用染了色的顆粒進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，并用光學(xué)顯微鏡來觀察。染色粒子被置于EO2混合器內(nèi)(該多孔板之間，但不放在貯液池中。)
在所有情況中，液流方式均與圖22中所示的相似。由于著色的粒子在施加該信號后幾分鐘內(nèi)并不離開該泵，因此可以認(rèn)為只有環(huán)流運(yùn)動(dòng)存在，并沒有(明顯的)定向輸送出現(xiàn)。超過該顆粒半徑就會看到液流反向，正因?yàn)樵擃w粒間的距離大大地超過了一個(gè)顆粒半徑achar，上述結(jié)果是被期望的結(jié)果。利用低頻AC信號的原因是在此實(shí)驗(yàn)中用了相對較大的導(dǎo)電顆粒。
微結(jié)構(gòu)泵通過將一行離子交換顆粒(直徑約為400μmm)放入該受孔板的相鄰孔中來制作微結(jié)構(gòu)泵，顆粒之間的距離要比一個(gè)顆粒半徑achar小一些。
這就表明大的流速可以利用十分低的電位差得到，而且也可以采用交流電場。在這些實(shí)驗(yàn)中，采用了約10mm的電極距離。實(shí)際上，電極距離也可以按1mm排列。對本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)泵來說，以mm/s計(jì)的液流速度可以用1V計(jì)的電位差來獲得，但在別處報(bào)告過的以千V計(jì)的電位差的致動(dòng)器通常被要求用來獲此同樣的速度。
當(dāng)離子交換顆粒之間的距離比理想的大得多時(shí)，不增加電壓就可能使速度進(jìn)一步增加。
權(quán)利要求
1.一種用于微流體系統(tǒng)(10)中的致動(dòng)器(14)，其特征在于，微流體系統(tǒng)(10)是在基片(12)上的綱絡(luò)，綱絡(luò)至少有一個(gè)用以輸送流體的微通道(20)及電連接機(jī)構(gòu)(16)，此機(jī)構(gòu)用于在該通道的部分(20a)上施加電場從而在部分(20a)內(nèi)感應(yīng)出電子流，其特征在于，部分(20a)有導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)，其表面是彎曲的或者是相對電場(E)是傾斜的。
2.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)具有橢圓球形、球形、圓柱形、橢圓柱形或圓錐形的形狀。
3.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)具其有長軸線與流體流方向垂直的小圓柱形形狀。
4.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)具其有帶平面的顆粒的形狀，該平面相對所加的電場傾斜。
5.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，沿平行于外加電場的方向測量，構(gòu)成所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)的顆粒的大小為0，1-5mm，最好為10-500(μ)m。
6.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，傾斜平面與微通道壁(20b)之間的夾角為0°80°。
7.如權(quán)利要求6所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，該傾斜平面與微通道壁(20b)之間的夾角為30°-60°。
8.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，不同導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)之間、導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)與微通道壁(20b)之間的空間在0-2achar之間，最好在1/8-1/2achar之間。
9.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)具其有數(shù)層導(dǎo)電顆粒，分別沿著相對液流的軸向及縱向兩個(gè)方向。
10.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)是由離子的、電子的或多孔的材料構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)具有的導(dǎo)電性能至少是所述液體的5倍，最好是所述液體的10倍。
12.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，電連接機(jī)構(gòu)(16)具有一對被安置于微通道部分(20a)的上游側(cè)或下游側(cè)的電極。
13.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述電連接機(jī)構(gòu)(16)用來提供平行于被傳輸流體方向的電場(E)。
14.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于所述電連接機(jī)構(gòu)(16)施加的是交流電場。
15.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于所述電連接機(jī)構(gòu)(16)施加的是交流電場，它具有不確定的、方形的、矩形的、鋸齒形形狀，或者所述形狀的組合形狀。
16.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于所述電連接機(jī)構(gòu)(16)施加的是交流電場，其中的信號有偏移，此種偏移導(dǎo)致在它的周期內(nèi)，最好是在一個(gè)工作循環(huán)的29％內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)脈沖和一個(gè)弱脈沖。
17.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于所述電連接機(jī)構(gòu)(16)施加的是交流電場，該電場中的信號有一個(gè)過量的方向分量。
18.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于所述電連接機(jī)構(gòu)(16)施加的是交流電場，其中的電信號是在有穩(wěn)壓系統(tǒng)的情況下施加的。
19.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于所述電連接機(jī)構(gòu)(16)施加的是交流電場，該電場帶一個(gè)以V/mm計(jì)的最大值，此值等于或大于其以10為底的對數(shù)在-2與2之間的一個(gè)數(shù)，對于相應(yīng)的achar(μm)來說，其以10為底的對數(shù)在0和3.7之間。
20.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述電連接機(jī)構(gòu)(16)施加的是交流電場，它的以秒計(jì)的信號周期等于或大于其以10為底的對數(shù)在-6與0之間的一個(gè)周期，對于相應(yīng)的achar(μm)來說，其以10為底的對數(shù)在0和3之間。
21.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于所述電連接機(jī)構(gòu)(16)施加的是定向電場。
22.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的表面是光滑的，其表面不平度小于5％dchar，最好小于1％dchar。
23.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述電連接機(jī)構(gòu)(16)與所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)之間的距離在0.1-5mm之間。
24.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述電連接機(jī)構(gòu)(16)有四個(gè)電極，兩個(gè)電極(16b)用來產(chǎn)生SCR，兩個(gè)電極(16a)用來調(diào)整運(yùn)動(dòng)液體中的離子。
25.如權(quán)利要求24所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，第一對電極(16a)被安置于微通道(20)的部分(20a)的上游側(cè)或下游側(cè)、微通道(20)內(nèi)或微流體系統(tǒng)(10)內(nèi)的住何地方，第二對電極(16b)則被對置于所述部分(20b)的每一側(cè)。
26.如權(quán)利要求24或25所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述電連接機(jī)構(gòu)(16)和(16b)，它們各自按照權(quán)利要求14-20之一所述施加電場，而且這個(gè)電場是異相的。
27.如權(quán)利要求1所述致動(dòng)器(14)，其特征在于，所述導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)是微通道壁(20b)的一部分，因而引起此局部電場偏移而使之相對導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(18)傾斜。
28.用權(quán)利要求1-27之一所述致動(dòng)器(14)作為微流體系統(tǒng)(10)內(nèi)的微結(jié)構(gòu)泵。
29.用權(quán)利要求1-27之一所述致動(dòng)器(14)作為微流體系統(tǒng)(10)內(nèi)的混合器。
30.如權(quán)利要求28或29所述致動(dòng)器(14)的用途，其特征在于，微流體系統(tǒng)(10)是用于藥品傳輸?shù)摹?br>
31..如權(quán)利要求28或29所述致動(dòng)器(14)的用途，其特征在于，微流體系統(tǒng)(10)被用于顯微-總體-分析系統(tǒng)(Lab-on-Chip)中。
32..如權(quán)利要求28或29所述致動(dòng)器(14)的用途，其特征在于，微流體系統(tǒng)(10)被用于電子退熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微流體系統(tǒng)中用于在微通道中產(chǎn)生電滲液體運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器。
文檔編號B81B1/00GK1668527SQ03816750
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月15日
發(fā)明者特龍·艾德斯尼斯, 奧拉夫·埃林森, 特龍·海爾達(dá)爾, 納塔利婭·米什丘克 申請人:奧斯曼坦克斯科學(xué)院