[发明专利]用于微流体用途的低弹性膜

说明书

技术领域

本公开整体涉及用于在微型分析装置中使用的微型阀、微型泵和其它气动流体元件所用的隔膜技术，并且涉及它们的制造方法。

背景技术

微型分析盒已经越来越多地被用作诊断分析装置。Wilding名下的美国专利US5304487描述的装置包括形成在可重复使用的硅衬底上的“中等尺度”的通道和腔室，在其中加注有来自于盒外注射泵的流体试剂。对于机载流体的操纵和控制考虑得很少。然而，实际的商业应用已经在朝着“可消耗的”盒也就是用后可弃、一次性使用的“采样-反馈(sample-to-answer)”盒的方向发展，这种盒是自成一体(self-contained)的，以便用于特定的分析装置或分析仪器所需的所有试剂。

用于操纵流体的微型装置包括例如活塞驱动装置这样的机械液压系统、例如电动泵和阀装置这样的电动液压系统以及气动液压系统。在这些系统中，具有气动致动器和控制表面的系统已被证实在控制微小尺度的流体流动方面尤为实用。

由受让人Micronics有限公司(华盛顿州Redmond市)制造的具有气动接口的流体装置就是一种公知的类型。利用系统的气动控制器实现微流体通道中的流体流动的控制，所述气动控制器根据可编程的阀逻辑操作塑料盒中的微型阀。隔膜分隔盒的气动侧和液压侧；即，阀隔膜是用于将气动控制脉冲转换成使流体开始流动和停止流动的转换元件。通过逐层装配层压件而形成盒，其中，通道和腔室被密封在覆盖的叠层之间。以这种方式，形成复杂的流体回路。

为了通过常规的制造方法形成流体回路，将弹性材料层作为层压件夹持在本体层之间，并且气动和液压的通道和腔室在弹性层的任一侧上形成在并置层中，以使得由隔膜层分隔盒的气动工作区和液压工作区。对于这种方法而言，由聚氨酯、聚酰亚胺和PDMS(聚二甲基硅氧烷)形成的隔膜尤为优选。

例如需要用微型泵元件实现流体微型回路技术的最大利益，所述流体微型回路技术例如在诊断以及更一般地在生命科学中获得了大量应用。由隔膜驱动的泵因为缺少了机械密封件和润滑剂及其清洁的特性而是有利的。

尽管Wilding(例如在美国专利US5304487和US5498392中)一般性地提示了微型泵，但是自身公开的内容不足以实现流体微型回路式的泵和阀。Wilding引用了Van Lintel[1988，“A Piezoelectric Micropump Based on Micromachining of Silicon”，Sensors and Actuators，15:153-167]，其中涉及基于硅的微电子机械(MEMS)结构。然而，硅已知具有非常高的杨氏模量(约100GPa)；因此，硅隔膜泵通常具有非常低的压缩比ε，所述压缩比ε由以下的公式定义：

ε＝(ΔV+V₀)/V₀

其中，ΔV是冲程容积且V₀是死区容积也就是在喷射冲程期间不能从增压室置换的流体的体积。因此，不利地，这些装置在用于液体时可能无法在操作中自吸。

关于硅质隔膜泵的代表性技术包括美国专利US5759014、US6390791和US7749444。对于美国专利US7832429中的刚性聚合物隔膜构件而言并且更一般地在隔膜构件因机械强度而抵抗变形的情况下会出现类似的问题。

因为弹性体隔膜材料的更大的置换量以及在流体操作中提供了自吸优点的更高的压缩比，所以弹性体隔膜材料获得了更多的关注。例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)和硅树脂可以用作隔膜材料。也已经在使用乳胶橡胶和非晶态聚氨酯。遵循胡克定律(Hooke’s Law)的弹性体材料的优点在于隔膜在松弛状态下会恢复其原始形状，但是这仅对某些应用有利，并且可能与降低的耐化学性和增加的渗透性有关。

关于微型阀的代表性技术包括美国专利US4304257(′257阀)，其中，柔软的具有弹性的聚氨酯片材被夹持在形成于硬质丙烯酸树脂本体中的流动通道上。通过致动活塞打开和关闭两个非连续的流动通道之间的流体路径，所述活塞使片材的一部分机械屈曲。片材上的遮盖动作与阀的打开相关联；阀的关闭与弹簧使具有弹性的片材返回到关闭位置相关联。片材通过螺线管操作的杆而在两个位置之间机械屈曲，所述螺线管操作的杆在阀座上具有附接到片材的嵌入式附接件，以使得在关闭时片材接触阀座并且将片材拉入到阀座上的孔中以打开阀。