CN101063674A - 微域加热装置 - Google Patents

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Abstract

一种微域加热装置，用以加热一个微流体芯片，且微流体芯片通常包括出口、入口与一个工作区，其中工作区位于出口与入口之间。而上述微域加热装置包括一个预热部位以及一个加热部位。其中，预热部位对应于前述微流体芯片的入口配置，而加热部位则与预热部位相连，并围绕于微流体芯片的工作区周围，以使上述工作区具有均匀的温度分布。此微域加热装置具备简单、工作流速范围大、工作区域面积大的优点，所以可应用于细胞培养、细胞对药物检测或生化检测等。

Description

微域加热装置
技术领域
本发明涉及一种加热装置(heating module)，且特别是涉及一种微域(microscale)加热装置。
背景技术
微流体技术在传统生化分析上的应用很多，如微泵、微阀门、微过滤器、微混合器、微管道、微传感器等组件，大多集中制作于生化芯片上，以进行样品前处理、混合、传输、分离和侦测等程序。其中，利用微流体芯片(microfluidic chip)进行生物医学检测或分析，具有降低人工操作的实验误差、提高系统稳定度、降低耗能与样品用量，以及节省人力与时间等优点。
一般而言，微流体芯片是运用半导体的蚀刻技术，在玻璃或塑料基板上刻出微小管道，使检体在此微小管道中流动，依序完成诸如溶液混合、分子分离等化学反应，亦即把整个生化实验室的功能建构在小尺寸单元中。而且，因为在微流体芯片中执行的检测或分析大多需要在特定温度范围内进行，因此需要设置加热装置。
对于传统的加热方式而言，最基本也最简单的莫过于以外加热源的方式直接加热整个系统，但此方法的最大缺点是消耗较多的能量和加热到一些不必升温的区域。因此，当微机电技术日益成熟后，加热装置便改由直接在这些微小区域中直接形成微机电加热装置。不过，由于是在微小区域加热，若没有适当的设计电阻加热器的长、宽和厚度，会有加热区内温差较大的现象出现。而且，无论是传统加热方式或者微机电加热方式，多半是采取将整个系统一起加热的方式处理。
发明内容
本发明的目的就是在提供一种微域加热装置，以使微流体芯片的工作区得到均匀的温度分布，并且使流体受温度影响的几率降至最低。
本发明提出一种微域加热装置，用以加热一个微流体芯片，且微流体芯片通常包括出口、入口与一个工作区，其中工作区位于出口与入口之间。而本发明之微域加热装置包括一个预热部位以及一个加热部位。其中，预热部位对应于前述微流体芯片的入口配置，而加热部位则与预热部位相连，并围绕于微流体芯片的工作区周围，以使上述工作区具有均匀的温度分布。
依照本发明的优选实施例所述之微域加热装置，其中预热部位重迭于微流体芯片的入口。
依照本发明的优选实施例所述之微域加热装置，其中预热部位可围绕于微流体芯片的入口周围。
依照本发明的优选实施例所述之微域加热装置，其中加热部位与微流体芯片的工作区相隔一段距离。
依照本发明的优选实施例所述之微域加热装置，其中当微流体芯片中的流体流速愈快时，预热部位的面积设计得愈大；反之，当微流体芯片中的流体流速愈慢时，预热部位的面积设计得愈小。
本发明因为利用微流体芯片内置特殊形状的加热器，可将流体导入微结构腔体后，形成稳定的均匀温度区域；当流体速度改变时，此工作区域仍可保持均匀温度。本装置提供微流体芯片内一个可置放样本的区域，其所需之流体均温功能。此微小区域加热装置简单、工作流速范围大、工作区域面积大，深具发展潜力，可应用于细胞培养(cell culture)、细胞对药物检测(cell topharmaceuticals test)或生化检测(biochemical test)等。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为依照本发明之第一实施例的一种具有微域加热装置之微流体芯片结构图。
图1B为图1A的装置在加热时的仿真温度分布点状示意图。
图2为依照本发明之第二实施例的一种具有微域加热装置之微流体芯片结构图。
图3为依照本发明之第三实施例的一种具有微域加热装置之微流体芯片结构图。
图4为依照本发明之第四实施例的一种具有微域加热装置之微流体芯片结构图。
主要组件符号说明
100、200、300、400：微流体芯片
102、202、302：入口
104、204、304：出口
106、206、306、406：工作区
110、210、310、410：微域加热装置
112、212、312、412：预热部位
114、214、314、414：加热部位
具体实施方式
本发明的微域加热装置是用来加热微流体芯片，且其设计概念在于将整个微域加热装置分为一个预热部位和一个加热部位。其中，预热部位是对应于前述微流体芯片的流体入口，以便流体在进入微流体芯片的工作区前，先提升其温度。而加热部位则是围绕于微流体芯片的工作区周围，以便将工作区内流体加热至特定的均匀温度。以下特举数个实施例作为例子，但并不表示本发明的装置被局限于这几个实施例中。
图1A为依照本发明之第一实施例的一种具有微域加热装置之微流体芯片结构图。
请参照图1A，这个实施例中有微流体芯片100，且微流体芯片100通常包括入口102、出口104与一个工作区106，其中工作区106位于出口104与入口102之间。而本实施例之微域加热装置110则包括一个预热部位112以及一个加热部位114。其中，预热部位112譬如是对应于前述微流体芯片100的入口102配置，并且重迭于这个入口102处。而加热部位114则与预热部位112相连并围绕于微流体芯片100的工作区106周围，以使上述工作区106具有均匀的温度分布。其中，加热部位114与工作区106相隔一段距离。当一般的微流体芯片100设置有本发明的微域加热装置110后，可将流体以适当的速度导入芯片中，使工作区106内的流体维持恒温。
由于热对流的热交换效率较热传导为佳，所以上述实施例可以配合适当流体流速，在工作区106前设置适当预热部位112，而达到减少工作区106内流体在流动方向上的温度梯度。另外，因为习知的加热源会造成极大的温度梯度，所以将主要的加热部位114移至工作区106外缘，则可使工作区内温度梯度减小，进而使其保持均匀的温度分布。再者，于本发明的实施例中配合流体流动方向，在工作区106的流体下游处(接近出口104处)不设置加热器，而是利用已被加热的高温流体带来的热量加热此区域，所以还具有节省能源的优点。以下是藉由模拟的方式来证实本发明的功效。
图1B为图1A的装置在加热时的仿真温度分布点状示意图，其中图案密度愈低者代表温度较高的部位、图案密度愈高者代表温度较低的部位。
请参照图1B，假设入口流体是由一个低温的环境保存下流入微流体芯片100，所以在入口102处的温度较低，因此需要使微域加热装置110的预热部位112保持较高的温度，使流体在进入工作区106前先提升其温度，所以预热部位112的流体温度较其它部位(如：加热部位114或工作区106)的温度为高。在此情况下，微流体芯片100的工作区106会保持一个较均匀的温度。而且，本图仅为模拟结果，若再经过最佳化的计算，可得到更均匀的温度分布。
除此之外，本发明的装置之均温功能与微流体芯片使用的材料、微流体芯片的几何尺寸，流体之比重、黏度、速度，及微流体芯片中的微管道之结构形状有关。另外，加热器的材质、厚度、长度和宽度皆对此功能有影响，故可利用以上因子作为本发明的装置之控制参数。
图2为依照本发明之第二实施例的一种具有微域加热装置之微流体芯片结构图。
请参照图2，这个实施例除了微流体芯片200与第一实施例的相同(包括入口202、出口204与工作区206)，其中的微域加热装置210的预热部位212仅部份重迭于微流体芯片200的入口202，而围绕工作区206的加热部位214则比第一实施例的面积稍大一些。
图3则是依照本发明之第三实施例的一种具有微域加热装置之微流体芯片结构图。
请参照图3，第三实施例所采用的微流体芯片300大致上与第一实施例的相同(包括出口304与工作区306)，其中不同的只有入口302的形状。而微域加热装置310的预热部位212是围绕于微流体芯片300的入口302周围，加热部位214是围绕在工作区306之外。
图4为依照本发明之第四实施例的一种具有微域加热装置之微流体芯片结构图。其中省略微流体芯片的轮廓。
请参照图3，这个实施例仅以微流体芯片400的工作区406作为微域加热装置410的相对位置基准。举例来说，微域加热装置410的加热原理通常是电阻加热，所以在本实施例中，预热部位412的形状是以电阻加热丝围绕而成。另外，当流体流速变化很大时，可利用多重电极接脚，改变预热部位412面积的大小，进而改变加热的功率；举例来说，当微流体芯片400中的流体流速愈快时，预热部位412的面积设计得愈大；反之，当微流体芯片400中的流体流速愈慢时，预热部位412的面积设计得愈小。
综上所述，本发明之特点在于在微流体芯片内置特殊形状的微域加热装置，可将流体导入微结构腔体后，形成稳定的均匀温度区域。而且，当流体速度改变时，此工作区仍可保持均匀温度。本发明的微域加热装置具有简单、工作流速范围大、工作区域面积大等优点，所以可应用于细胞培养、细胞对药物检测或生化检测等。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1.一种微域加热装置，用以加热微流体芯片，该微流体芯片包括出口、入口与工作区，其中该工作区位于该出口与该入口之间，该微域加热装置包括：
预热部位，对应于该微流体芯片的该入口配置；以及
加热部位，与该预热部位相连，并围绕于该微流体芯片的该工作区周围，以使该工作区具有均匀的温度分布。
2.如权利要求1所述的微域加热装置，其中该预热部位重迭于该微流体芯片的该入口。
3.如权利要求1所述的微域加热装置，其中该预热部位围绕于该微流体芯片的该入口周围。
4.如权利要求1所述的微域加热装置，其中该加热部位与该微流体芯片的该工作区相隔一距离。
5.如权利要求1所述的微域加热装置，其中当该微流体芯片中的流体流速愈快时，该预热部位的面积设计得愈大。
6.如权利要求1所述的微域加热装置，其中当该微流体芯片中的流体流速愈慢时，该预热部位的面积设计得愈小。
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