[发明专利]微流体膜片泵和阀

说明书

技术领域

本发明的实施方式总体上属于微流体(microfluidics)领域。更具体地讲，本发明的实施方式属于微流体隔膜结构，以及使用和制造这种结构的方法。

背景技术

有关用于操控微小体积流体、例如生物和化学流体的系统和方法的技术在广义上被称作微流体。微流体的已经实现的应用和潜在应用包括疾病诊断，生命科学研究，以及生物和/或化学传感器研制。

微流体结构(microfiuidic structure)包括基板，其具有一或多个微流体通道或路径，以及盖板或第二或更多的基板，其具有可以互连也可以不互连的流体路径，这种微流体结构可以统称作微流体芯片(microfiuidic chip)。高度集成的微流体芯片有时称作“芯片实验室(Lab-on-a-chip)”。具有由玻璃、石英或硅制成的基板的无机微流体芯片具有有益的有机溶剂相容性，高度的热和尺寸稳定性，以及优异的特征精度。这些芯片典型地利用为了半导体工业的研制而已经良好建立的微制造技术制造。然而，无机芯片的材料和制造成本可能不可避免地高，特别是当流体路径要求很大面积或者芯片必须是一次性的时。此外，许多已建立的生物化验设备是利用聚合基板的表面性能研制的。在无机表面上构建这样的化验设备所需的研究工作要耗费很长的时间和资金投入。

作为无机微流体结构(例如前面刚刚描述的那些)的替代，微流体结构或装置也可以由聚合材料制成。聚合微流体结构有益地具有低材料成本和批量生产的潜力。

在这一点上，科学家和工程师们越来越多地关注低价和完全集成的微流体系统的前景。然而，仍存在障碍。为了使这些系统实用且有效，它们必须提供实施化验和其它感兴趣的操作所需的部件和结构。这些部件包括泵、阀和通道，以及更为复杂的结构，例如混合装置和传感器。尽管用于制造微流体装置的材料成本越来越低，但除非这些部件的制造成本也被降低，否则这些装置的实际成本不能降低到适于批量使用的足够低成本。

然而，制造聚合微流体芯片还面临着各种挑战，并且与这些挑战并存的还有低产量和高成本。举例来说，微流体芯片可能包含密封的微结构。它们可以通过用薄盖板或用一或多个附加基板封罩具有预制流体路径或其它微观特征(microfeatures)的基板而形成，以产生三维流体网络。路径或其它微结构的典型尺寸在几微米至几毫米的范围内。这种多层微流体结构通过各种传统技术被集成或结合在一起。这些技术包括热力、超声波和溶剂粘合。遗憾的是，这些技术通常会显著改变配合表面并且产生扭曲或完全阻塞的微流体路径，举例来说，这是因为聚合材料在上述粘合条件下的尺寸刚度(维持能力)低。一旦装置被组装，通道中的任何阻塞或障碍都难以或不可能排除。其结果是，装置被废弃并且生产率低。

即使废品率可被接受，制造过程也通常是高成本的，这是由于每个装置必须为每个应用独立设计。此外，每个部件，不论是阀、泵，还是混合器，都典型地为每个应用专门设计。为了避免设计这些主动特征(active features)，许多微流体系统使用外部注射器、隔膜或蠕动泵以引导流体流经在微流体网络中流动。这些系统的体积通常远大于它们连接的微流体系统，从而引起流动控制解析度和精度的问题。在阀的情况下，它们通常远大于它们所控制的系统的占用体积(量级为10倍或以上)。这会引起分离、混合和其它微流体功能方面的极大难度。一些公司，如Upchurch Scientific(美国华盛顿州Oak Harbor)，已经投入了相当大的资源来研制部件，以减轻这种体积不一致性所造成的影响。然而，仍需要有具有微泵、阀以及具有相当尺寸级别并且与微流体系统其余部分无缝集成的主动部件(active components)。

许多这样的主动微流体部件已被研制出来。然而，它们很少能满足集成到复合微流体系统中所要求的条件。大多数需要非常复杂的制造顺序；制造主动部件是一种灵敏度高且错综复杂的过程，仅留下非常小窗口来集成微流体系统的其余部分。其中一个问题就是没有有效的方式将精致的泵或阀连接或组合到微流体系统中。通常对于一次性装置而言，基板和工艺不可避免地昂贵。最后，制造泵所需的材料可能干涉或不相容于微流体系统预期执行的过程。这会导致产品研发中存在显著的不可逆的工程成本，并且增加产品成本。