專利名稱：微流閥的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微流元件，特定地涉及用于流體流動的微流控制的閥門。
背景技術：
所謂的“芯片實驗室”器件要求精確的微流技術來控制流過各種微溝道的流體流動以提高芯片級化學加工。使用這一技術的一些例子包括改善試劑的存儲、溝道的填注、流體流動的開關，以及在化學加工的敏感步驟過程中隔絕特定區(qū)域，以防止泄漏和壓力波動。
這一領域的研究現(xiàn)在正在進行中，以開發(fā)利用一系列閥門調整這種芯片中的微流流動的方法?？刂七@樣的流體流動對于器件的高效運作來說是必需的。
提供受控流體流動的一個方法是使用傳統(tǒng)的隔膜閥。這通常包括使用基于硅材料的MEMS(微電子機械系統(tǒng))技術。然而，這種元件的使用和集成是復雜且高成本的。相似類型的閥門——例如憎水被動閥——則使用和集成起來更不復雜，但是只能提供單向流體流動。
提供這種受控流體流動的另一種方法是使用珠形微流閥，例如在Ji et al.(16thEuropean Conference on Solid State Transducers，September 15-18，2002，Prague)中描述的那種。在這一設計中，若干二氧化硅微珠被用來阻擋流體出口以形成類單向閥。當流體從流體入口沿朝向出口的方向流經(jīng)閥門，流體流動導致珠子移向出口嘴處并在此處聚集。如果聚集的體積足夠大，則閥門有效地關閉，不會有更多的流體流過出口。隨著珠子相對于流體入口的尺寸減小，那么其它因素——例如靜電引力和減小的表面能——會影響聚集。
這一設計的缺點在于，為了打開閥門，流體流動的方向必須反轉以迫使聚集的珠子離開出口嘴。此外，它不可能像上面描述的MEMS閥那樣實現(xiàn)快速的流體流動切斷，因為它需要一段時間使聚集的珠子獲得足夠的體積來阻塞流體出口嘴。
更簡單的控制流體流動的想法是冰凍流體本身，利用金屬球或某種形式的壓電在流體溝道中暫時產生堵塞。每個這樣的方法都有缺點，例如控制流動的時間記錄——冰凍流體的解決方案的特定問題。利用各種表面張力效應的泡閥也是技術中眾所周知的。還可以通過操縱膠質微球來產生微米尺寸的泵和閥，這在Terray，Oakey and Marr，Science，vol.296，pp 1841-1843，2002中有所描述。它使用了光學捕獲的原理來調動膠質微粒以控制流體流動發(fā)明內容我們充分意識到對簡單、可靠的用于微流流體控制的方法和器件的需求。我們還充分意識到了任何用于控制流體的機制應當優(yōu)選地具有最低限度的對流體本身的特性。
因此，我們意識到對提供能夠給出雙向流體流動并且易于制造和集成到已有系統(tǒng)中并且能夠以低成本來實現(xiàn)的微流閥。
因此，本發(fā)明給出微流閥，包含第一主體，用于容納流體，具有流體入口和流體出口以及許多電極，并在使用中容納懸浮在容納在第一主體中的第二主體，第二主體可以朝向或背離流體入口或流體出口之一運動，第二主體的運動由電極所產生的電場中的相位差引起，從而控制進入或離開第一主體的流體流動。
本發(fā)明還給出控制微流閥中的流體流動的方法，包含向容納有流體的第一主體——主體具有流體入口和流體出口——上的許多電極施加電壓，從而產生電場；由于相鄰電極之間引起的電場的相位差，引起第二主體朝向或背離流體入口或流體出口之一運動。
微流芯片和開關可包含根據(jù)本發(fā)明各種實施方案的微流閥。也可以制作包含這種開關和芯片的診斷設備。
本發(fā)明的實施方案給出了這樣的優(yōu)點可以用簡單的閥門來控制流體流動，該閥門允許進入或離開容納流體的主體的雙向流體流動。這一流體控制可通過介電電泳、電泳或電滲來實現(xiàn)，其中第一主體上的電極所提供的電場梯度或不均勻電場使第二主體運動。
第二主體可包含介電材料——例如乳膠、聚苯乙烯、聚丙烯、玻璃、二氧化硅或PTFE——或導電材料制成的可極化微粒。


現(xiàn)在將通過實施例，并參考附圖描述本發(fā)明的實施方案，其中圖1為電極排列的示意表示，產生由于介電電泳效應而引起的受迫微粒運動；圖2為用在本發(fā)明的閥門器件中的電路的示意表示；圖3為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的閥門的第一示意剖面圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的閥門的第二示意剖面圖；圖5為本發(fā)明第二實施方案的示意表示；以及圖6為本發(fā)明第三實施方案的示意實施例。
具體實施例方式
本發(fā)明實施方案利用行波介電電泳(TWD)效應在溝道中移動可極化微粒以形成微流閥。作為背景，將首先描述介電電泳現(xiàn)象。
AC電動技術——例如介電電泳和行波介電電泳——已經(jīng)在各種微粒的操縱、分離和表征的應用中使用了很多年。該現(xiàn)象發(fā)生在微粒和周圍介質具有不同極化率時，在有動態(tài)電場存在的情況下可被用來引起微粒相對于介質的吸引的、排斥的和行進的運動。
介電電泳由不均勻電場——例如交變電場或具有電場梯度的電場——中的不帶電微粒來演示，并且可以通過與帶電微粒的電泳效應相比較來理解。
任何被介質包圍的帶電微粒都會從該介質中吸引帶相反電荷的離子，在微粒表面形成電荷雙層。例如，帶負電的微粒會吸引正離子。當這一帶電微粒遇到均勻電場——例如DC電場——時，這一雙層就會變形。這被稱為Maxwell-Wagner效應。在微粒的兩側引半徑r+和r-處引起兩個電荷δq+和δq-。這產生了大小如下的偶極矩m＝(δq+)r+-(δq-)r-＝q·r (1)對于位于絕對介電常數(shù)為εm的介質中、半徑為r的球狀微粒，偶極矩的大小為m=4πϵm(σ*p-σ*mσ*p+σ*m)r3E---(2)]]>其中σ*p和σ*m分別為微粒和介質的復電導率。
在不帶電微粒的情形中，當遇到不均勻電場時會引起介電電泳。
不均勻電場E中作用在微粒上的總電場力F由下式給出F＝QE+δqE(r+)-δqE(r-)＝QE+(m)·E (3)其中Q為微粒的電荷，為向量算符Del，其它項同上所定義。
在這一情形中微粒不帶電，從而Q＝0。利用表達式σ*＝σ+jωε，作用在電場中的微粒上的時間平均力F(ω)由下式給出F(ω)＝2πr3εmRe[K(ω)]E2(4)其中K(ω)為Clausius-Mossotti因子，K(ω)=ϵ*p-ϵ*mϵ*p+2ϵ*m---(5)]]>ω為所施加的電場——例如AC電場——的的頻率，Re表示復Clausius-Mossitti因子的實部。這是這一效應與電泳不同之處。
如果可極化微粒懸浮在旋轉電場中，則引起的偶極子形成穿過微粒并與電場同步旋轉。如果電場的角速度特別大，則偶極子的馳豫時間(形成偶極子所需的時間)就很重要，并且偶極子會落后于電場。在電場和偶極子之間出現(xiàn)非零的角度，在微粒中引起轉矩，導致它與電場同步旋轉。旋轉可以與電場方向相同或相反，取決于落后是小于還是大于180°。這一效應稱作電旋轉。旋轉電場可由電極的環(huán)形布置來提供，每個電極與相鄰電極相位差90°。
旋轉電場E中半徑為r的可極化微粒所感受到的時間平均轉矩Γ為 其中Im[K(ω)]為Clausius-Mossotti因子的虛部K(ω)=ϵp*-ϵm*ϵp*+2ϵm*---(7)]]>負號表示偶極矩落后于電場。
當考慮粘滯曳力時，微粒的旋轉速度R(ω)由下式給出 其中η為介質的粘度。
取決于電極幾何形狀以及所施加的電場的類型，可對微粒引起行波介電電泳，它是介電電泳效應和電旋轉效應的組合。
除了環(huán)形布置外，電極可以沿軌道布置，如圖1所示。電極11的相位之間的關系保持相同，逐個電極11相差90°相位。每個電極在不同時間達到峰值電壓，產生不均勻電場。這導致沿電極行進的電場。當這一行波與可極化微粒12相互作用時，就引起了偶極子。這一偶極子隨電場峰值移動，如果電場行進得足夠快，就會引起施加在微粒12上的力。從而微粒12沿電極11行進。
在微粒12上引起的力FTWD由下式給出 其中λ為行波波長。
再參看圖1，在玻璃滑軌13——它用于密封起一個用于容納分析物的溝道——上形成薄膜電極11，用在，例如，芯片實驗室系統(tǒng)中。薄膜電極11可以通過任何合適的工藝，例如，光刻來形成。薄膜電極間距λ，其中λ為每個電極中的電流之間的相位差所建立的電場行波的波長。
如圖2所示，電路與薄膜電極相連，以產生行進電場。每個運算放大器如圖連接，形成負反饋放大器，每個電極之間引起90°相位差。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的閥門的示意剖面圖。閥門21包含用于容納流體的第一主體22、流體入口23、微溝道形式的流體出口24以及第二主體可極化微粒25。電極(未示出)沿腔室22的側面排列，從而可以在入口23和微溝道24之間引起電場。在使用時，主體容納流體，可以充滿或部分充滿流體。主體可以是腔室或溝道，例如管子。流體可以是液體，例如非極性溶劑，或者是氣體。
微粒25引入主體22，流體可以通過流體入口23和微溝道24自由地流進和流出主體22。然而，在這一流體流動以及重力的影響下，微粒25將自然地停留在微溝道24的出口嘴處。如圖3所示，主體可以是腔室。
向電極施加AC電流，從而流體入口23處的電極相對于微溝道25處的電極相位超前90°，(例如，當AC電流的振幅為正時)，在微粒24上引起的介電電泳效應將迫使它朝向微溝道25的出口嘴運動。這防止流體流過主體22。如果電場的方向改變了，例如通過在入口23處的電極中引入相對于微溝道24處的電極90°的相位落后，(例如，當AC電流的振幅為負時)，那么微粒將被迫離開微溝道24的出口嘴，恢復流體流動。當微粒25停留在微溝道24的出口嘴處時，閥門關閉。當微粒25離開微溝道時，閥門開啟。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的閥門的第二示意剖面圖。閥門41包含用于容納流體的第一主體42——在這一實施方案中它為腔室，以及微溝道43。若干電極44置于流體腔42的一側上。當然可以將若干電極置于主體相對或相鄰側上。第二主體——可極化微粒45——置于流體腔42中。電極44可與電路相連以提供行進AC電場，例如如圖2所示的電路，或任何其它合適的電路。再一次，在遠離微溝道43的電極44中引入90°相位超前將導致可極化微粒45朝著微溝道43的出口嘴移動，而引入相位落后將導致極化微粒45離開微溝道43的出口嘴。如此，可以類似于圖3的閥門那樣控制流體流。在這一實施方案中，可極化微粒為介電材料，例如乳膠、聚苯乙烯、聚丙烯、玻璃或二氧化硅小珠，或其它這樣具有合適密度的材料。盡管在本實施方案中，微粒是球狀的，它也可以是非球狀的，例如obloid(圓柱兩端接兩半球形狀)，其長軸平行于電場方向。然后通過操縱電場頻率(以避免電旋轉效應)，這樣的微粒可用來操縱流體流動，從而流體入口和流體出口緩慢地關閉，導致流體流動的逐漸減少或增加?？蛇x地，微粒可以是球狀的，但是由可變形或彈性材料——例如橡膠或PTFE——形成。
用于容納流體的主體可以是絕緣材料，例如塑料(熱固性或熱塑性)或玻璃，并用傳統(tǒng)方法在外側形成金屬電極。電極并非一定要形成在主體外表面上，僅僅是要位于所產生的電場能夠影響主體中的可極化微粒的位置處?？蛇x地，主體本身可以是金屬的，具有絕緣套，加上電極，從而在套有絕緣體的區(qū)域中建立電場。
可選地也可將閥門設置成相位落后導致可極化微粒42移向微溝道43的出口嘴。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的閥門。閥門51包含用于容納流體的第一主體52、流體入口53、流體出口54、微粒注入溝道55以及許多第二主體，例如可極化微粒56。電極陣列57僅作說明目的示出。在這一實施方案中，主體可以是溝道，例如，可以是管子。
可極化微粒56通過微粒注入溝道55注入流體腔52。AC電流施加到電極陣列57上，引起行進電場。在所示出的結構中，每個電極感受到一個外加信號，相對于左邊的電極——最靠近微粒注入溝道的那個——落后90°相位，建立了電場，行波離開流體入口53和流體出口54。這導致堵塞流體出口54的可極化微粒56——例如乳膠小珠——被迫離開出口54的出口嘴，使得流體能夠流動。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的閥門。閥門61包含用于容納流體的第一主體62、流體入口63、流體出口64、泡發(fā)生腔65和相應的電極66以及泡67。再一次，電極陣列68僅作說明目的示出。
通過電極66施加電壓V在泡發(fā)生腔65中產生泡66。這些泡被從泡發(fā)生腔65注入主體52。AC電流施加到電極陣列68上，引起行進電場。在所示結構中，每個電極感受到一個外加信號，相對于左邊的電極——最靠近微粒注入溝道的那個——超前90°相位，建立了電場，行波朝向流體入口63和流體出口64運動。這導致泡66移向出口64的出口嘴，阻塞流體出口64。這關閉了閥門并阻止了流體流動。
可選地泡可以貯留在容器中直到需要的時候，或通過使發(fā)生腔中的惰性氣體——例如氬氣——起泡而產生泡。在閥門中的流體是液體的情況下，可以優(yōu)先于氣體泡而使用液體泡。用于填充泡的液體在粘度、表面張力和密度方面需要符合某些物理標準。其一個實施例為在含水液體中使用油滴泡。
在圖5和6所示的閥門中，當相位落后和超前被反轉時，電場行波的方向也被反轉，可極化微?；蚺菀葡蚧螂x開流體出口。
實際上，可極化微粒或泡起活塞作用，移向和離開閥門座——流體出口的底座——以操縱流體流動。這一情形中的流體流動為微流流動，是層流。作用在微粒上的力決定了微粒的速度，因此決定了閥門可以開啟和閉合的速度。如此，該閥門可用作微流開關，在芯片實驗室應用中開關流體流。該閥門也可被包括在微流芯片中。各種診斷設備也可以包含這樣的芯片和開關。
盡管參照行波介電電泳效應描述了本發(fā)明，但是對熟練的技術人員來說顯然可以使用由導電材料而不是某種介電材料形成的可極化微粒，并利用上面所描述的電泳效應來產生將這種微粒移向或離開流體入口或出口的行波。這在閥門用于無機化學處理時特別有用。此外，還可以利用具有各種帶電化學物質——例如DNA——的電泳閥。電極可置于第一主體上以導致DNA凝聚，從而形成自操縱閥，而無需像可極化微粒這樣的附加的第二主體。
第二主體也可用來通過電滲效應控制流進和流出微流閥的流體流動。
當在充滿流體的主體或溝道兩端施加電壓時，流體的正例子將被吸引向主體或溝道的管壁。然后這些正離子將在施加電壓所產生的電場的影響下運動。由于粘性耦合，流體將被正離子沿主體或溝道拖動。
流體的速度VEOF由下式?jīng)Q定vEOF=ϵ0ϵrζηE‾=μEOE‾---(10)]]>其中μ0為真空磁導率，μr為流體的相對磁導率，ζ為zeta勢，η為流體的粘度，μEO為電滲遷移率。
因此，將可能制作這樣一種閥門，其中第二主體實際上可以是第二種流體，或者第二主體由流體攜帶，而不是受電場的直接影響，與電泳和介電電泳效應一樣。
雖然關于將微粒移向流體出口描述了本發(fā)明，但是當然的，取決于閥門將要用于的應用，也可以形成開關流經(jīng)入口的流體的閥門。
此外，此處所描述的實施方案包含了單個流體入口和單個流體出口。然而，也可以使用具有多個入口或出口或多個入口和出口的閥門。在這一情形中，利用關于每個入口和出口和合適的電極布置，可以控制通過每個入口和/或出口的流體流動。
盡管關于充滿流體的主體描述了本發(fā)明的各種實施方案，主體是腔室或溝道形式。當使用溝道時，可極化微粒的尺寸必須受到限制從而它可以自由地在溝道中運動。典型地，溝道寬度為50至100μm。第二個限制是微粒必須具有足夠大的直徑以受兩個電極所產生的電場的影響。例如，如果電極長10μm，相隔10μm，那么微粒的最小可能直徑也是10μm。
這反過來對流體入口和流體出口的寬度做出了限制，它們必須都具有與微粒直徑可比的寬度，以便能夠有效地控制流體流動。
只要不超出本發(fā)明由所附權利要求所確定的領域，熟練的技術人員還可發(fā)現(xiàn)各種其它調整。
權利要求
1.一種微流閥，包含第一主體，用于容納流體，它具有流體入口和流體出口以及多個電極，并且被設置為在使用時容納第二主體，第二主體保持在容納在第一主體中的流體內，第二主體可以朝向或背離流體入口或流體出口之一運動，第二主體的運動由各電極所產生的電場的相位差引起，使得流入和流出第一主體的流體被控制。
2.根據(jù)權利要求1的微流閥，其中多個電極是一個陣列。
3.根據(jù)權利要求1或2的微流閥，其中該多個電極排列在第一主體的一側上。
4.根據(jù)權利要求1、2或3的微流閥，其中該多個電極排列在第一主體的相對側上。
5.根據(jù)權利要求1、2或3的微流閥，其中該多個電極排列在第一主體的相鄰側上。
6.根據(jù)權利要求1至5中任何一個的微流閥，其中相位差由通過向多個電極施加交變電流而引起的電場梯度產生。
7.根據(jù)權利要求1至5中任何一個的微流閥，其中相位差由通過向多個電極施加交變電流而引起的不均勻電場產生。
8.根據(jù)權利要求6的微流閥，其中相位差為90°相位落后。
9.根據(jù)權利要求7的微流閥，其中相位差為90°相位超前。
10.根據(jù)權利要求1至9中任何一個的微流閥，其中相位差導致第二主體朝向或背離流體入口或流體出口之一運動。
11.根據(jù)前述權利要求中任何一個的微流閥，其中當?shù)诙黧w朝向流體入口或流體出口之一運動時，阻止流體流進或流出主體。
12.根據(jù)權利要求11的微流閥，其中當阻止流體流動時，閥門關閉。
13.根據(jù)權利要求10、11或12的微流閥，其中當?shù)诙黧w背離流體入口或流體出口之一運動時，閥門開啟。
14.根據(jù)前述權利要求中任何一個的微流閥，其中第二主體由介電材料制成。
15.根據(jù)權利要求14的微流閥，其中介電材料為乳膠、聚苯乙烯、聚丙烯、玻璃、二氧化硅或PTFE中任何一個。
16.根據(jù)權利要求1至13中任何一個的微流閥，其中第二主體為泡。
17.根據(jù)權利要求16的微流閥，進一步包含具有朝向主體的開口的泡發(fā)生腔。
18.根據(jù)前述權利要求中任何一個的微流閥，其中第一主體限定一個腔室。
19.根據(jù)權利要求1至17中任何一個的微流閥，其中第一主體限定一個溝道。
20.根據(jù)權利要求19的微流閥，其中溝道為管子。
21.根據(jù)前述權利要求中任何一個的微流閥，其中第二主體在介電電泳作用下可以在電場中運動。
22.根據(jù)權利要求1至13中任何一個的微流閥，其中第二主體是導電的。
23.根據(jù)權利要求22的微流閥，其中第二主體在電泳作用下可以在電場中運動。
24.根據(jù)權利要求1至20中任何一個的微流閥，其中第二主體在電滲作用下可以在電場中運動。
25.根據(jù)前述權利要求中任何一個的微流閥，其中流體流動為層流。
26.根據(jù)前述權利要求中任何一個的微流閥，其中第一主體具有多個入口。
27.根據(jù)權利要求1至26中任何一個的微流閥，其中第一主體具有多個出口。
28.根據(jù)權利要求26或27的微流閥，其中經(jīng)過每個入口或每個出口的流體流動是可以控制的。
29.根據(jù)前述權利要求中任何一個的微流閥，其中第二主體控制通過流體入口的流體流動。
30.根據(jù)權利要求1至28中任何一個的微流閥，其中第二主體控制通過流體出口的流體流動。
31.根據(jù)前述權利要求中任何一個的微流閥，其中流體為液體。
32.根據(jù)權利要求1至31中任何一個的微流閥，其中流體為氣體。
33.一種控制流體流動的方法，為微流閥，包含向排列于容納流體的第一主體上的多個電極施加電壓，主體具有流體入口和流體出口，由此產生電場；以及由于相鄰電極之間所引入的電場的相位差，導致第二主體朝向或背離流體入口或流體出口之一運動。
34.根據(jù)權利要求33的方法，其中多個電極是一個陣列。
35.根據(jù)權利要求33的方法，其中向電極施加交變電流。
36.根據(jù)權利要求33、34或35中任何一個的方法，其中相位差為90°相位落后。
37.根據(jù)權利要求33、34或35中任何一個的方法，其中相位差為90°相位超前。
38.根據(jù)權利要求33至37中任何一個的方法，其中相位差導致第二主體朝向或背離流體入口或流體出口之一運動。
39.根據(jù)權利要求38的方法，其中當?shù)诙黧w朝向流體入口或流體出口之一運動時，阻止流體流進或流出第一主體。
40.根據(jù)權利要求39的方法，其中當阻止流體流動時，閥門關閉。
41.根據(jù)權利要求33至38中任何一個的方法，其中當?shù)诙黧w背離流體入口或流體出口之一運動時，閥門開啟。
42.根據(jù)權利要求33至41中任何一個的方法，其中第二主體由介電材料制成。
43.根據(jù)權利要求42的方法，其中介電材料為乳膠、聚苯乙烯、聚丙烯、玻璃、二氧化硅或PTFE中任何一個。
44.根據(jù)權利要求33至42中任何一個的方法，其中第二主體為泡。
45.根據(jù)權利要求44的方法，進一步包含在向第一主體開口的泡發(fā)生腔中發(fā)生泡。
46.根據(jù)權利要求45的方法，進一步包含將泡引入第一主體。
47.根據(jù)權利要求46的方法，其中在向多個電極施加交變電流之前將泡引入第一主體。
48.根據(jù)權利要求46的方法，其中在向多個電極施加交變電流之后將泡引入第一主體。
49.根據(jù)權利要求33至48中任何一個的方法，其中第二主體在介電電泳的作用下可以在電場中運動。
50.根據(jù)權利要求33至49中任何一個的方法，其中第二主體為導電微粒。
51.根據(jù)權利要求50的方法，其中第二主體在電泳的作用下可以在電場中運動。
52.根據(jù)權利要求33至48中任何一個的方法，其中第二主體在電滲的作用下可以在電場中運動。
53.一種微流芯片，包含權利要求1至32中任何一個的微流閥。
54.一種微流開關，包含權利要求1至32中任何一個的微流閥。
55.根據(jù)權利要求33的方法，其中電場為不均勻的。
56.根據(jù)權利要求33的方法，其中電場具有電場梯度。
57.一種診斷設備，包含權利要求55的微流芯片或權利要求56的微流開關。
58.一種微流閥，基本如說明書的描述和參照附圖的圖2至6的描述。
59.一種控制流體流動的方法，基本如說明書的描述和參照附圖的圖2至6的描述。
全文摘要
本發(fā)明給出微流閥，包含第一主體，用于容納流體，具有流體入口和流體出口以及多個電極，在使用時容納懸浮在容納在第一主體中流體中的第二主體，第二主體可以朝向或背離流體入口或流體出口之一運動，第二主體的運動由電極所產生的電場的相位差引起，使得可以控制流體流入和流出第一主體。流體流動用介電電泳、電泳或電滲效應之一來控制。本發(fā)明還給出了控制流體流動的方法，以及微流開關和微流芯片以及診斷設備，其中每一個中的流體流動都受到控制。
文檔編號F16K21/08GK1856365SQ200480027298
公開日2006年11月1日 申請日期2004年8月4日 優(yōu)先權日2003年8月5日
發(fā)明者布賴恩·P.·阿倫, 周曉峰, 理查德·吉爾伯特 申請人:E2V技術英國有限公司