CN101133246B - 基于致动器元件的微流体系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了微流体系统、用于制造所述微流体系统的方法和用于控制或操纵流体在所述微流体系统的微通道中的流动的方法。因此，为微通道的壁的内侧提供致动器元件，所述致动器元件能够响应于外部激励改变形状和取向。通过这种形状和取向的变化可以控制和操纵流体通过微通道的流动。

Description

基于致动器元件的微流体系统

技术领域

本发明涉及微流体系统、用于制造这样的微流体系统的方法以及用于控制或操纵通过这样的微流体系统的微通道的流体流动的方法。可以将这样的微流体系统应用到生物技术和医药应用中以及微电子应用中的微通道冷却系统中。根据本发明的微流体系统体积小巧、价格低廉，并且易于加工。

背景技术

微流体涉及包括物理、化学、工程学和生物工程学的多学科领域，其研究体积比通常的液滴小几千倍的流体的行为。微流体部件形成了所谓的“芯片实验室”设备或生物芯片网络的基础，所述设备或网络能够处理微升或纳升体积的流体，并执行高灵敏度的分析测量。用来构建微流体设备的制造技术价格相对低廉，并且既适于高度精确的多路复用设备，又适于大规模生产。微流体技术能够通过与微电子学中类似的方式在同一衬底芯片上制造执行若干不同功能的高度集成的设备。

对于当今迅猛发展的生物技术而言，例如，对于快速DNA分离和大小筛分、细胞操纵、细胞分选和分子探测而言，微流体芯片已经逐渐发展成为了关键的基础。基于芯片的微流体技术提供了很多相对于传统宏观尺寸的对等物的优点。微流体部件连同其他部件是基因芯片和蛋白质芯片开发工作中的关键部件。

在所有的微流体设备中都存在控制流体流动的基本需求，即，必须通过由典型宽度大约为0.1mm的通道构成的微通道系统传输、混合、分离和引导流体。微流体致动(actuation)所面临的挑战在于设计一种小巧可靠的微流体系统，从而在微通道中调节或操纵由诸如唾液和全血的各种成分构成的复合流体的流动。目前已经开发出了各种传动机制，并投入了使用，例如，压力驱动方案、微制造机械阀门和泵、喷墨型泵、电-动力控制流(electrokinetically controlled flow)和表面声波。

微机电系统(MEMS)技术在微流体设备中的应用激发了以大流速和大压力范围传输各种流体的微型泵的开发。

在US2003/0231967中，提供了一种在微气相色谱仪等中使用的微型泵组件11，其用于通过色谱仪驱动气体。图1示出的微型泵组件11包括微型泵22，微型泵22具有由通过微型阀24连接的微机械泵腔构成的串联排列。共享的泵送膜将所述腔划分为顶部和底部泵送室。两个泵送室均由共享泵送膜驱动，所述共享泵送膜可以是诸如聚对二甲苯膜的聚合物膜。使泵送膜的运动和共享微型阀的控制同步，从而响应于多个电信号控制通过泵单元的流体流动。

此外，组件11还包括入口管26和出口管28。因此，通过以某一周期拉下泵和阀门膜而静电触发泵送操作。通过以特定方式安排电信号的时间，可以沿某一方向或相反方向传送气体。驱动泵系统的频率决定了泵的流速。通过在两面设置电极，静电驱动膜易于克服由贯穿孔和腔的抵抗空气运动带来的振动和阻尼的机械限制。

US 2003/0231967的微泵组件11是膜-位移泵的例子，其中，微制造膜的偏转提供了用于泵送液体的压力作用。

然而，采用US 2003/0231967的微泵组件11以及采用通常的微泵的缺点在于，必须通过某种方式将其集成到微流体系统当中。这意味着将增大微流体系统的尺寸。因此，具有体积小巧、价格低廉，同时又易于加工的微流体系统是有用的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的微流体系统及其制造和操作方法。本发明的优点在于体积小巧、价格低廉、易于加工之一。

通过根据本发明的方法和设备实现上述目的。

在独立和从属权利要求中阐述了本发明的特殊和优选方面。可以将从属权利要求的特征与独立权利要求的特征或者其他从属权利要求的特征相结合，而并非仅限于权利要求中的字面阐述。

就第一方面而言，本发明提供了一种微流体系统，其包括至少一个微通道，所述微通道具有带有内侧的壁，其中，所述微流体系统还包括：

多个附着于所述壁的所述内侧的纤毛致动器元件，每一纤毛致动器元件具有形状和取向，以及

用于向所述多个纤毛致动器元件施加激励，从而引起其形状和/或取向的变化的装置。

向多个纤毛致动器元件施加激励的操作提供了局部操纵复杂流体在微流体系统中的流动的方式。可以对致动器元件进行单独或群体驱动或寻址(address)，以实现特定的流体流动方式。

在根据本发明的优选实施例中，所述致动器元件可以是聚合物致动器元件，并且可以包括(例如)聚合物MEMS。聚合物材料通常坚韧不易碎，价格相对低廉，具有承受大应变的弹性(高达10％)，并且具有通过简单工艺进行大表面面积处理的前景。因此，其尤其适于用来形成根据本发明的致动器元件。

用于向多个纤毛致动器元件施加激励的装置可以是电场发生装置(例如，电流源)、电磁场发生装置(例如，光源)、电磁辐射装置(例如，光源)、外部或内部磁场发生装置或加热装置之一。

在根据本发明的具体实施例中，用于向纤毛致动器元件施加激励的装置可以是磁场发生装置。所述致动器元件可以包括均匀连续磁层、图案化连续磁层或磁颗粒之一。

根据本发明的实施例中，可以将所述多个纤毛致动器元件布置为第一行和第二行，所述第一行致动器元件位于所述壁的内侧的第一位置上，所述第二行致动器元件位于所述壁的内侧的第二位置上，所述第一位置和所述第二位置基本彼此相对。

在本发明的其他实施例中，可以将多个纤毛致动器元件布置为多行致动器元件，其可布置以形成二维阵列。

在本发明的其他实施例中，可以将多个纤毛致动器元件随机布置在微通道的壁的内侧上。

就根据本发明的第二方面而言，提供了一种用于制造包括至少一个微通道的微流体系统的方法，所述方法包括：

为所述至少一个微通道的壁的内侧提供多个纤毛致动器元件，以及

提供用于向所述多个纤毛致动器元件施加激励的装置。

通过下述步骤执行提供纤毛致动器元件的操作：

在所述壁的内侧上沉积具有长度L的牺牲层，

在所述牺牲层上沉积致动器材料，

通过将所述牺牲层完全去除，来从所述壁(36)的所述内侧(35)释放所述致动器材料。

通过蚀刻步骤执行去除所述牺牲层的操作。

根据本发明的实施例，所述方法还包括为纤毛致动器元件提供均匀连续磁层、图案化连续磁层或磁颗粒之一。用于向所述纤毛致动器元件施加激励的装置可以包括磁场发生装置。

就本发明的另一方面而言，提供了一种用于控制流体通过微流体系统的微通道流动的方法。所述微通道具有带有内侧的壁。所述方法包括：

向所述壁的所述内侧提供多个纤毛致动器元件，所述致动器元件具有形状和取向，

向所述致动器元件施加激励，从而引起其形状和/或取向的变化。

在根据本发明的具体实施例中，可以通过施加磁场执行向所述致动器元件施加激励的操作。

就另一方面而言，本发明还包括一种微流体系统，其包括至少一个微通道，所述微通道具有带有内侧的壁并且含有流体，其中，所述微流体系统还包括：

附着于所述壁的内侧上的多个电活化聚合物致动器元件，以及

用于向所述多个电活化聚合物致动器元件施加激励，从而按照沿所述微通道的某一方向驱动所述流体的装置。

所述电活化聚合物致动器元件可以包括聚合物凝胶、离子交联金属复合材料(IPMC)或其他适当的电活化聚合物材料。

可以将根据本发明的微流体系统应用于生物技术、医药学、电或电子应用中。

通过下文中结合附图的详细说明，本发明的这些和其他特征、功能和优点将变得显而易见，所述附图通过举例的方式对本发明的原理进行了举例说明。给出这些说明的目的仅在于举例，而不是对本发明的范围作出限制。下文引用的附图标记可以参考附图。

附图说明

图1示出了现有技术的微泵组件；

图2示出了说明有效冲程(effective stroke)和恢复冲程(recoverystroke)的纤毛摆动周期(cilicary beat cycle)的例子；

图3示出了纤毛波，其用于说明所述纤毛在继时波(metachronicwave)中的协调；

图4示出了根据本发明的实施例的弯曲聚合物MEMS结构和以这样的弯曲聚合物MEMS结构覆盖的响应表面；

图5是根据本发明实施例的单个聚合物致动器元件的示意图；

图6是其壁的内侧覆盖有根据本发明实施例的纯聚合物致动器元件的微通道的横截面的示意图；

图7是其壁的内侧覆盖有根据本发明另一实施例的聚合物致动器元件的微通道的横截面的示意图，所述聚合物致动器元件蜷曲并伸直；

图8是其壁的内侧覆盖有根据本发明的另一实施例聚合物致动器元件的微通道的横截面的示意图，所述聚合物致动器元件来回不对称运动；

图9示出了根据本发明实施例的包括连续磁层的聚合物致动器元件；

图10示出了根据本发明实施例的包括磁颗粒的聚合物致动器元件；

图11示出了根据本发明实施例向纯聚合物致动器元件上施加均匀磁场；

图12示出了根据本发明另一实施例向单独的聚合物致动器元件上施加旋转磁场；

图13示出了根据本发明的另一实施例，采用导线施加非均匀磁场，从而向聚合物致动器元件上施加扭矩；

图14是对根据本发明另一实施例的离子交联聚合物金属复合材料(IPMC)致动器元件的工作的示例，所述致动器元件可以包括诸如全氟碳酸盐(perfluorcarbonate)或全氟磺酸盐(perfluorsulfonate)致动器元件的聚合物。

在不同的附图中，采用相同的附图标记表示相同或类似的元件。

具体实施方式

现在将参考具体的实施例和特定附图描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求界定。权利要求中的任何附图标记都不应被理解为对范围的限制。所示出的附图只是示意性的，并非是限制性的。在附图中，出于举例说明的目的夸大了某些元件的尺寸，并未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中采用术语“包括”时，不排除存在其他元件或步骤的可能性。在采用不定冠词或定冠词引导单数名词，例如“一个”或“一”，“所述”时，其可以包括复数个该名词，除非另行具体说明。

此外，在本说明书和权利要求书中采用术语第一、第二、第三等区分类似的元件，其未必表示次序或时间顺序。应当理解在适当的情况下可以将所采用的这样的术语互换，并且这里描述的本发明的实施例能够按照文中说明或示出的以外的顺序操作。

此外，在说明书和权利要求书中，术语顶部、底部、上、下等仅做说明性用途，而未必表示相对位置。应当理解在适当的情况下可以将所采用的这样的术语互换，并且这里描述的本发明的实施例能够按照文中说明或示出的以外的取向操作。

就第一方面而言，本发明提供了一种微流体系统，其设有允许流体通过所述微流体系统的微通道传输、(局部)混合或引导的装置。就第二方面而言，本发明提供了一种用于制造这样的微流体系统的方法。就第三方面而言，本发明提供了用于控制流体通过微流体系统的微通道流动的方法。根据本发明的微流体系统经济、便于加工，并且坚固小巧，适于非常复杂的流体。

根据本发明的微流体系统包括至少一个微通道和位于所述至少一个微通道的壁的内侧的集成微流体元件，所述集成微流体元件又被称为集成致动器元件。例如，在本发明的任何实施例中，所述致动器可以是单压电晶片、双压电晶片或多压电晶片。根据本发明，集成微流体元件可以优选以聚合物材料为基础。可以在“ElectroactivePolymer(EAP)Actuators as Artificial Muscles”，ed.Bar-Cohen，SPIEPress，2004一书中找到合适的材料。但是，还可以将其他材料用于所述致动器元件。可以用来形成根据本发明的致动器元件的材料应当使所形成的致动器元件具有下述特征：

-所述致动器元件应当是柔顺的，即非刚性的，

-所述致动器元件应当是坚韧的，非脆性的，

-所述致动器元件应当通过弯曲或改变形状来响应诸如光、电场或磁场等的某种激励，

-所述致动器元件应当便于通过价格相对低廉的工艺进行加工。

用于形成致动器元件的材料可以根据致动激励的类型而起作用。考虑到上述总结性陈述的第一、第二和第四特征，优选将聚合物用于致动器的至少一部分。根据本发明可以采用大多数类型的聚合物，其中除了聚苯乙烯等非常脆的聚合物之外，此类聚合物非常不适于本发明使用。在某些情况下，例如，在静电或磁致动情况下(参加下文)，可以采用金属形成致动器元件，或者金属可以作为致动器元件的一部分，例如，以离子交联聚合物金属复合材料(IPMC)的形式。例如，对于磁致动而言，可以采用FeNi或其他磁性材料来形成致动器元件。然而，金属可能在机械疲劳和加工成本方面存在缺陷。

根据本发明，可以采用所有适当的材料，即，能够通过(例如)响应外部激励发生机械形变而改变形状的材料。表现出这一机械响应并且可以用来形成在根据本发明的方法中使用的致动器元件的常规材料可以是诸如例如钛酸钡、石英或锆钛酸铅(PZT)的电活化压电陶瓷。这些材料可以通过膨胀对所施加的诸如电场的外部激励作出响应。然而，电活化陶瓷的一个重要缺点在于其脆性，即，非常容易断裂。此外，电活化陶瓷的加工技术相当昂贵，并且不能扩展为大表面面积。因此，电活化压电陶瓷仅适于数量有限的情况。

一类最新开发出来的响应材料是形状记忆合金(SMA’s)材料。这些材料为金属，所述金属表现出了一种能力，即在受热至某一温度以上时，返回至记忆的形状或尺寸。因而，这里的激励为温度变化。通常，这些金属能够在低温下发生形变，并且在暴露于高温下时，凭借在临界温度下发生的相变返回至其初始形状。这样的SMA’s的例子可以是NiTi或基于铜铝的合金(例如，CuZnAl和CuAl)。SMA′s也具有一些缺点，并且因此在可以采用这些材料形成致动器元件的情况的数量方面存在限制。所述合金的制造和加工相对昂贵，并且不易于实现大表面面积加工。而且，大多数SMA′s的疲劳特性差，这意味着在有限数量的负载周期之后，所述材料将可能受到损坏。

可以采用的其他材料包括所有形式的电活化聚合物(EAP)。从非常一般的角度来讲，可以将其划分为两种类型：离子型和电子型。电子激活EAP包括电致伸缩的(例如，电致伸缩移接枝弹性体)、静电的(介电的)、压电的、磁性的、电粘弹性的(electrovisco elastic)、液晶弹性体和铁电激励聚合物中的任何一种。离子EAP包括诸如离子型聚合物凝胶的凝胶、离子交联聚合物金属复合材料(IPMC)、导电聚合物和纳米碳管。所述材料可以表现出导电或光子特性，或者可以受到化学活化，即，可以通过非电的方式发生形变。可以使任何上述EAP以显著的弯曲响应发生弯曲，并且可以以例如纤毛致动器的形式对其加以使用。

由于上述原因，根据本发明，所述致动器元件可以优选由聚合物材料形成，或者包括聚合物材料作为其构造的一部分。因此，在进一步的说明中，将通过聚合物致动器元件描述本发明。然而，本领域技术人员应当理解，在采用除了如上所述的聚合物之外的材料形成致动器元件时，也可以应用本发明。聚合物材料通常坚韧不易碎，价格相对低廉，具有承受大应变的弹性(高达10％)，并且具有通过简单工艺进行大表面面积处理的前景。

可以将根据本发明的微流体系统应用到生物技术应用当中，例如，微型全分析系统、微流体诊断、微型工厂和化学或生化微工厂、生物传感器、快速DNA分离和大小筛分、细胞操纵和分选中，也可以将其应用到制药应用当中，尤其是必须通过局部混合完成的高通量组合测试(high throughput combinatorial testing)，还可以将其应用到例如微电子应用中的微通道冷却系统中。

就本发明的一个方面而言，根据本发明的微致动器，尤其是聚合物微致动器的预想工作方式是自然法则赋予的。自然法则启示了各种操纵小规模流体，即1-100微米规模的流体的方法。所发现的一项特殊的机制是由于将摆动(beating)纤毛覆盖在诸如草履虫、侧腕水母和蛋白石(opaline)的微生物的外表面上而得到的。纤毛活动清洁还用于哺乳动物的支气管和鼻腔内的污染物的清除。可以将纤毛视为附着在表面上的小的毛发或软杆，例如，在原生动物中，其可以具有10μm的典型长度和0.1μm的典型直径。除了对于微生物的推进机制之外，纤毛的其他功能在于菌褶的清洁、给食、排泄和繁殖。例如，人的气管覆盖着使粘液向上传输排出肺部的纤毛。通过长茎(longstalk)附着在固定底物(rigid substrate)上的固着生物也采用纤毛生成给食流。纤毛运动与茎的周期拉长和缩短的共同作用诱发了无序涡旋。其导致了对周围流体的无序过滤行为。

上述讨论表明可以将纤毛用于微通道中流体的传输和/或混合。多年以来，纤毛运动和流动机制已经引起了动物学家和流体机械师的兴趣。可以将单个纤毛的摆动划分为两个独立的阶段，即，当纤毛沿预期方向驱动流体时的快速有效冲程(图2的曲线1到3)和当纤毛试图使其对所产生的流体运动的影响降至最低时的恢复冲程(图2的曲线4到7)。实际上，流体运动是由沿生物体表面以及跨越生物体表面按行排列的高密度纤毛引起的。相邻纤毛沿某一方向的运动有相位差，将这一现象称为继时性(metachronism)。因此，纤毛运动表现为通过生物体之上的波。图3示出了由纤毛波8，其用于说明所述纤毛在继时波中的协调。在J.Blake的“A model for the micro-structure inciliated organisms”，J.fluid.Mech.55，P.1-23(1972)中公开了描述由纤毛引起的流体运动的模型。在这一文献中，描述了通过将纤毛表示为沿其中心线的“Stokeslet”的集合而建立纤毛对流体流动的影响的模型，可以将所述“Stokeslet”的集合视为流体中的点力。可以规定这些Stokeslet随时间的运动，并且能够计算所得的流体流动。不仅可以计算由单个纤毛引起的流动，还可以计算由覆盖单个壁的、按照继时波运动的纤毛的集合引起的流动，所述单个壁的顶部具有无限流体层。

本发明的优选方面利用的方案通过以基于微观的聚合物致动器元件，即，响应于某种外部激励而改变其形状和/或大小的聚合物结构的“人造纤毛”覆盖微通道的壁，来在微通道中模拟类似纤毛的流体操纵。因而，本发明的一个方面提供了一种诸如泵的流体流动设备，其具有用于实现人造纤毛继时动作的装置。在下述说明中，也可能将这些诸如聚合物致动器元件的微观致动器元件称为诸如聚合物致动器或微型聚合物致动器的致动器、致动器元件、微型聚合物致动器元件或聚合物致动器元件。必须指出，在进一步的说明中无论采用这些中的哪一术语都始终表示相同的根据本发明的微观致动器元件。例如，可以通过任何适当的外部激励将微型聚合物致动器元件或聚合物致动器单独或群体置于运动状态。这一外部激励可以是，例如，诸如电流的电场、诸如可见光、UV光、红外光的电磁辐射、磁场、温度变化、特殊的化学物种、PH变化或任何适当的手段。

根据本发明，可以采用由能够对温度变化、可见光和UV光、水、分子、静电场、磁场、电场做出响应的材料形成的致动器元件。可以从上文所述的Bar-Cohen的书中找到适当的材料。基于通过人造纤毛操纵小量级流体的、本发明的基本思想与形成致动器装置的材料无关。然而，对于生物医学应用而言，考虑到在采用其他材料形成致动器元件时可能发生的与复杂的生物流体之间的可能的相互作用，可以优选采用例如光和磁致动手段。

在说明书中，将主要讨论磁致动。然而，必须理解，根据本发明也可以采用其他激励。例如，电激励、温度变化、光……。可以用来形成电激励致动器元件的聚合物材料的例子可以是铁电聚合物，即聚偏二氟乙烯(PVDF)。一般而言，可以通过将其置于电场内而采用所有具有低弹性刚性和高介电常数的适当聚合物诱发大的致动应变。其他适当的材料可以是例如离子交联聚合物金属复合(IPMC)材料，或者例如全氟磺酸盐和全氟碳酸盐。图14示出了对这样的全氟碳酸盐或全氟磺酸盐致动器元件的工作的图示。温度驱动聚合物材料的例子可以是作为热响应聚合物凝胶的形状记忆聚合物(SMP′s)。

图4和图5示出了根据本发明的实施例的聚合物致动器元件30的例子。图4的左侧示出了可以通过上下弯曲对诸如电场、磁场或其他激励的外部激励作出响应的致动器元件30。图4的右侧示出了沿垂直于被致动器元件30覆盖的微通道33的壁36的内侧35的方向得到的横截面。图4右侧的致动器元件30可以通过从左侧向右侧弯曲而对外部激励作出响应。聚合物致动器元件30包括聚合物微机电系统或聚合物MEMS 31以及用于使聚合物MEMS 31附着于微流体系统的微通道33的附着装置32。可以使附着装置32位于聚合物MEMS31的第一末端。

所述附着装置32保持不变。这样可以获得其下具有缝隙的独立式元件(附着在32处)，所述缝隙具有最初存在的牺牲层的尺寸，并且可以通过例如标准的微系统加工获得。

聚合物MEMS 31可以具有梁形。然而，本发明不限于梁形MEMS，聚合物致动器元件30还可以包括具有其他适当形状的聚合物MEMS 31，其优选具有细长形状，例如杆状。

在下文中将描述如何形成根据本发明的附着于微通道33的致动器元件30的实施例。

可以通过各种可能的方式将致动器元件30固定至微通道33的壁36的内侧35。第一种将致动器元件30固定至微通道33的壁36的内侧35的方式是通过例如旋涂、蒸发或其他适当的沉积技术在牺牲层上沉积一层形成致动器元件30的材料。因此，首先可以在微通道33的壁36的内侧35上沉积牺牲层。所述牺牲层可以由例如金属(例如铝)、氧化物(例如，SiOx)、氮化物(例如，SixNy)或聚合物构成。构成所述牺牲层的材料应当使其相对于形成致动元件的材料受到选择性蚀刻，并且能够在微通道33的壁36的内侧35上沉积适当的长度。在某些实施例中，可以将牺牲层沉积在微通道33的壁36的内侧35的整个表面区域上，其通常是具有几厘米量级的区域。然而，在其他实施例中，可以在长度L上沉积所述牺牲层，然后所述长度L可以是与致动器元件30的长度相同的长度，其通常可以处于10到100μm之间。根据所采用的材料，所述牺牲层可以具有处于0.1到10μm之间的厚度。

在下一步骤中，在所述牺牲层上以及紧靠所述牺牲层的一侧沉积一层聚合物材料，在后续步骤中，将通过所述聚合物材料形成聚合物MEMS 31。随后，将通过蚀刻聚合物MEMS 31下面的牺牲层去除所述牺牲层。通过这种方式，将所述聚合物层从壁36的内侧35释放长度L(如图4所示)，这一部分形成了聚合物MEMS 31。所述聚合物层中保持附着于壁36的内侧35的部分形成了附着装置32，其用于将聚合物MEMS附着至微通道33，更具体而言，附着至微通道33的壁36的内侧35。

根据本发明的另一种形成致动器元件30的方式可以是在施加聚合物材料之前采用对壁36的内侧35的图案化表面能工程设计(patterned surface energy engineering)。在这种情况下，对将附着致动器元件30的微通道33的壁36的内侧35进行图案化，通过这种方式能够获得具有不同表面能的区域。可以通过诸如光刻或打印的适当技术完成这一操作。因此，将沉积构造致动器元件30的材料层，并构建其结构，每一操作均采用本领域技术人员已知的适当技术。该层将牢固地附着在位于下面的壁36的内侧35的某些区域上，这些区域又称为牢固附着区，并微弱附着在壁36的内侧35的其他区域上，这些区域又称为微弱附着区。之后，也可能实现该层在微弱附着区的自发释放，同时，使该层保持固定在牢固附着区上。之后，所述牢固附着区可以形成附着装置32。因而，通过这种方式，也可能获得自形成独立式致动器元件30。

如此处理的元件30未必处于基本平行于壁36的方向内，这一点在本申请的所有附图中均有所表现。

例如，聚合物MEMS 31可以包括丙烯酸脂聚合物、包括共聚物的聚(乙二醇)聚合物，或者可以包括任何其他适当的聚合物。优选地，形成所述聚合物MEMS 31的聚合物应当为生物相容聚合物，从而使其与微通道33中的流体或者微通道33中的流体的成分具有最低的(生物)化学相互作用。或者，可以通过修改聚合物致动器元件30而控制非特异性吸附特性和润湿性。例如，聚合物MEMS 31可以包括复合材料。例如，其可以包括填充了颗粒的基质材料或多层结构。还应当指出，根据本发明可以采用“液晶聚合物网络材料”。

在非致动状态下，即，在未向致动器元件30施加外部激励的情况下，在特定例子中可以具有梁的形式的聚合物MEMS 31可以是弯曲的，也可以是直的。施加至聚合物致动器元件30的外部激励，例如诸如电流的电场、诸如光的电磁辐射、磁场、温度变化、特定化学物种的存在、PH变化或任何其他适当手段，将使其发生弯曲或伸直，换言之，可以将其置于运动状态。致动器元件30的形状变化将存在于微流体系统的微通道33内的流体置于运动状态。在图4中，通过箭头34表示聚合物MEMS 31的弯曲，在图5中，通过虚线表示聚合物MEMS 31的弯曲。由于固定在了致动元件30的一个末端的壁36上，因而所获得的运动类似于前面描述的纤毛的运动。

根据本发明的上述方面，聚合物MEMS 31可以具有处于10到200μm之间的长度L，典型地可以为100μm，并且可以具有处于2到30μm之间地宽度w，典型地可以为20μm。聚合物MEMS 31可以具有处于0.1到2μm之间的厚度t，典型地可以为1μm。图6示出了设有根据本发明的聚合物致动装置的微通道33的实施例。在这一实施例中，示出了微流体系统的部分的设计实例。其示意性地描绘了微通道33的横截面。根据本发明的第一实施例，微通道33的壁36的内侧35可以覆盖多个直的聚合物致动器元件30。为了附图的清晰起见，仅示出了致动器元件30的聚合物MEMS部分31。在施加至致动器元件30的外部激励的作用下，聚合物MEMS 31可以来回移动。如上文已经讨论的，这一外部激励可以是，例如，电场、电磁辐射、温度变化、磁场或其他适当的手段。致动器元件30可以包括例如具有类似杆状形状或梁状形状的聚合物MEMS 31，其宽度沿穿出附图所在平面的方向延伸。

在本发明的实施例中，可以将微通道33的壁36的内侧35上的致动器元件30布置为一行或更多行。仅作为一个例子，可以按两行布置致动器元件30，即第一行致动器元件30位于壁36的内侧35的第一位置，第二行致动器元件30位于壁36的内侧35的第二位置，所述第一和第二位置基本相互对立。在本发明的其他实施例中，还可以将致动器元件31布置成多行致动器元件30，例如，可以将所述致动器元件30布置为形成二维阵列。在进一步的实施例中，可以将致动器元件30随机设置在微通道33的壁36的内侧35上。

为了能够沿某一方向传输流体，例如，从图6的左侧到右侧，所述聚合物致动器元件30的运动必须是不对称的。也就是说，“摆动”冲程(如图2所示)的实质应当不同于“恢复”冲程(参考图2)的实质。可以通过快速摆动冲程和缓慢得多的恢复冲程实现这一目的。

对于泵送装置而言，可以通过继时致动器装置提供聚合物致动器元件的运动。可以通过用于对致动器元件30单独或逐行寻址的装置实现这一操作。例如，就静电致动而言，可以通过作为微通道33的壁36的一部分的图案化电极结构实现这一目的。所述图案化电极结构可以包括经构造的膜，所述膜可以是金属或其他适当的导电膜。可以通过，例如，光刻法完成对所述膜的构造。对所述图案化结构进行单独寻址。其同样适用于磁致动结构。作为通道壁结构的一部分的图案化导电膜可以使建立局部磁场成为可能，从而对致动器元件30进行单独或逐行寻址。该方案同样适用于对热作出响应的致动器元件30。在这种情况下，导电图案通过电阻加热起着局部加热元件的作用。就响应于光的致动器元件30而言，可以将像素化光源集成到位于致动器元件30下面的通道壁36内(与显示器非常类似)，可以单独开启或关闭其像素。

在所有的上述情况下，由于微通道33的壁36包括通过其激活激励的结构化图案，因而对致动器元件30的单独或逐行激励都是可能的。通过随时间的适当寻址，使得以例如类似波的方式的协调激励成为可能。非协调或随机致动器装置、偶对继时致动器装置和逆对(antiplectic)继时致动器装置均包含在本发明的范围内(参见下文)。

在图6所示的例子中，所有的、处于不同行上的聚合物致动器元件30同时运动。可以通过对致动器元件30的单独寻址或者对致动器元件30的行的单独寻址改善聚合物致动器30的运行，从而使其运动存在相位差。例如，在电激励致动器元件30内，可以采用集成到微通道33(附图中未示出)的壁36内的图案化电极执行这一操作。因而，致动器元件30的运动表现为微通道33的壁36的内侧35上通过的波，所述波与图3所示的波运动类似。所述用于提供运动的装置可以产生波运动，所述波运动可以沿与有效摆动运动(偶对继时性)的方向或者相反方向(逆对继时性)传播。

例如，为了获得在微流体系统的微通道33内的局部混合，可以有意使致动器元件30的运动无关联，即，某些致动器元件30可以沿某一方向运动，而其他致动器元件30可以以非相关的方式沿相反方向运动，以建立局部无序混合。通过位于例如微通道33的壁36的相对位置上的致动器元件30的相反运动而建立了涡旋。

图7示意性地示出了设有根据本发明的致动器元件的微流体通道33的另一实施例。在这一实施例中，微通道33的壁36的内侧35可以覆盖有聚合物致动器元件30，所述致动器元件30可以从蜷曲形状变为伸直形状。可以通过不同的方式获得这一形状变化。例如，可以通过控制致动器元件30的微结构，例如，通过在致动器元件30的整个厚度上引入有效材料刚性的梯度来获得致动器元件30的形状的改变，其中致动器元件的顶部(或底部)的刚性大于底部(或顶部)。这将引起“不对称弯曲”，即，致动器元件30沿某一方向的弯曲将比沿另一方向的弯曲更容易。如图13所示，还可以通过控制激励的驱动而实现致动器元件30的形状改变，就磁致动而言，所述激励为时间和/或空间相关磁场。此外，为了附图的清晰起见，仅示出了致动器元件30的聚合物MEMS部分31。在这一实施例中，可以获得致动器元件30的不对称运动，可以通过沿一个方向快速运动，沿另一方向缓慢运动而增强所述不对称运动，例如，从蜷曲形状快速运动到伸直形状，从伸直形状缓慢运动到蜷曲形状，反之亦然。所述适于改变形状的聚合物致动器元件30可以包括具有例如类似杆状形状或类似梁状形状的聚合物MEMS 31。根据本发明的实施例，可以将所述致动器元件30布置为一行或多行，例如，位于微通道33的壁36的内侧35上的第一行和第二行，所述第一和第二行基本位于壁36的内侧35的相对位置上。在本发明的其他实施例中，可以将致动器元件30置于多行内，例如，可以将致动器元件30布置为形成二维阵列。在本发明的其他实施例中，可以将致动器元件30随机布置在微通道33的壁36的内侧35上。通过对致动器元件30或者致动器元件30的行单独寻址，可以产生波状运动，另外的相关运动或非相关运动，所述运动对于流体的传输或混合或者产生涡旋都是有利的，所有的这些均发生于微通道33之内。

图8示出了本发明的另一实施例。在这一实施例中，微通道33的壁36的内侧35覆盖有致动器元件30，其发生的不对称运动类似于图3所示的纤毛的天然运动。可以通过在致动器元件30内诱发从一侧到另一侧的分子序态的变化而实现这一目的。换言之，获得了在致动器元件30的整个厚度t内的材料结构的梯度。可以通过各种方式获得这一梯度。就液晶聚合物网络而言，可以通过受控的工艺过程，例如，采用尤其针对液晶(LC)显示器加工的工艺使液晶分子的取向从层的顶部到底部发生变化。另一种实现这样的梯度的可能方式是通过建立或沉积具有变化刚性的不同材料构成的不同层形成的致动器元件30的层。

可以通过沿某一方向快速运动，沿另一方向缓慢运动而进一步增强所述不对称运动。所述致动器元件30可以包括具有细长形状的聚合物MEMS 31，所述细长形状可以是类似杆状的形状或类似梁状的形状。在本发明的实施例中，可以将致动器元件30按照一行或多行，例如，按照第一行和第二行布置在壁36的内侧35上，例如，在壁36的内侧35的两个基本相对的位置的每者上存在一行致动器元件30。在本发明的其他实施例中，可以布置多行致动器元件30，以形成(例如)二维阵列。在其他实施例中，可以将致动器元件30随机布置在微通道33的壁36的内侧35上。通过对致动器元件30的单独寻址或者通过对致动器元件30的行的单独寻址，可以产生类似波状的运动，另外的相关运动或非相关运动，所述运动对于流体的传输或混合或者产生涡旋都是有利的。

在图6到图8中，示出了根据本发明的实施例的微流体系统的可能设计的三个例子，其对采用集成在微通道33的壁36的内侧35上的聚合物致动器元件30操纵微通道33内的流体的实施例进行了举例说明。然而，本领域技术人员应当理解，可以设想其他设计，并且所描述的具体实施例不对本发明造成限制。

通过将Blake的模型(J.Blake在“A model for the micro-structurein ciliated organisms”，J.Fluid.Mech.55，p.1-23(1972))应用于如本发明的实施例所述的致动器元件30，可以估计，通过以致动器元件30覆盖微通道33的壁36，如上述实施例所述，可以通过控制致动器元件30的运动而诱发具有0到几mm/s之间的速度的流体流动，这取决于致动器元件30的类型和所采用的流体。例如，采用水作为模型流体，还可能计算出必须向致动器元件30施加1nN的负载和10^-13Nm的弯矩才能达到这一速度。这些都是非常小的值，易于通过微流体系统中采用的小部件获得。上述分析证明，采用根据本发明实施例的微流体系统能够产生相当高的速度。因此，如果将根据本发明实施例的聚合物MEMS 31设计为使其运动类似于纤毛的运动，那么包括这样的聚合物MEMS 31的微通道33的壁36在流体的传输和/或混合以及建立涡旋方面都是非常有效的。

就聚合物致动器元件30的特定情况而言，根据本发明的方法的优点在于，将负责流体操纵的装置，即至少一个聚合物致动器元件30完全集成到微流体通道系统当中，所述装置允许获得微流体应用所需的大形状改变，因而不需要外部的泵或微泵。因而，本发明提供了紧凑的微流体系统。另一个优点，或许是更重要的优点在于，可以通过对所有的致动器元件30同时寻址，或者每次仅对至少一个预定致动器元件30寻址而对微通道33内的流体进行局部控制。因此，可以恰好在所需的预定位置对流体进行传输、再循环、混合或分离。本发明的进一步的优点在于，将聚合物用于致动器元件30可以采用价格低廉的加工技术，例如，打印或压花技术，或者单步骤光刻法。

此外，根据本发明的微流体系统具有鲁棒性，这意味着如果单个或几个致动器元件30未能正常工作，将不会对整个微流体系统的性能造成显著影响。

例如，可以将根据本发明的微流体系统用于生物技术应用，例如，生物传感器、快速DNA分离和大小筛选、细胞操纵和分选，也可以将其应用于制药应用，必须进行局部混合的特定高通量组合测试，还可以将其应用于微电子应用中的微通道冷却系统当中。

例如，可以将本发明的微流体系统用于生物传感器当中，所述生物传感器用于诸如唾液、痰液、血液、血浆、间质液或尿液的生物流体中的至少一种目标分子的探测，所述目标分子例如蛋白质、抗体、核酸(例如，DNR、RNA)、肽、单糖或多聚糖或糖。因此，将少量的流体样本(例如，液滴)提供给所述设备，并通过操纵微通道系统内的流体，使所述流体进入发生实际探测的感测位置。通过在根据本发明的微流体系统中采用各种传感器，可以在一次分析运行中探测不同类型的目标分子。

在下文中，将描述本发明的非限制性实施例。在这一具体实施例中，可以通过施加磁场而使聚合物致动器元件30发生旋转或使其形状发生改变。产生复杂的时间相关磁场将使致动器产生复杂的运动形状，从而优化其流体操纵有效性。

在这一具体实施例中，可以通过向致动器元件30施加磁场而改变致动器元件30的取向和/或形状。这一点对于涉及复杂的可变流体的生物应用尤为有利。

为了能够通过施加磁场而致动致动器元件30，必须使致动器元件30带有磁性。一种为聚合物致动器元件30提供磁性的方式是在聚合物致动器元件30内结合连续的磁层37，如图9中给出的不同实施例所示。在进一步的说明中，将具有磁性的致动器元件30称为磁致动器元件30。可以将连续磁层37置于致动器元件30的顶部(图9的上图)或者致动器元件30的底部(图9的中图)，或者可以将其置于致动器元件30的中间(图9的下图)。连续磁层37的位置连同其热机械特性决定着磁致动器元件30的“自然”或非致动形状，即，平直、向上蜷曲或向下蜷曲。例如，连续磁层37可以是电镀坡莫合金(例如，Ni-Fe)，并且可以将其沉积为，例如，均匀层。所述连续磁层37可以具有处于0.1到10μm之间的厚度。可以通过沉积工艺确定易磁化方向，在所给出的例子中，易磁化方向可以是“平面内”方向。替代均匀层，还可以对连续磁层37进行图案化(在附图中未示出)，以提高磁致动器元件30的柔顺性和易变形性。

另一种获得磁致动器元件30的方式是在聚合物致动器元件30内结合磁颗粒38。在这种情况下，如图10所示，聚合物起着散布磁颗粒38的“基质”的作用，还可以将其称为聚合物基质39。可以将磁颗粒38添加到溶液中的聚合物内，或者可以将其添加到单体内，之后可以使所述单体聚合。在接下来的步骤中，可以通过任何适当的方法，例如，通过诸如旋涂的湿沉积技术将所述聚合物施加到微通道33的壁36的内侧35上。例如，磁颗粒38可以是球形的，如图10中上方的两幅图所示，也可以是诸如杆状外形的细长形的，如图10中下方的图所示。所述杆状磁颗粒38可以提供在沉积过程中通过剪切流自动对齐的优点。如图10的上方和下方的图所示，可以使磁颗粒38随机分布在聚合物基质39内，或者，如图10的中间的图所示，可以使磁颗粒38按照规则图案(例如按行)在聚合物基质39内排列或对齐。

例如，磁颗粒38可以是铁磁或亚铁磁颗粒，或者可以是包括诸如钴、镍、铁、铁氧体的元素的(超)顺磁颗粒。在实施例中，磁颗粒38可以是超顺磁颗粒，即，在切断所施加的磁场时，尤其是聚合物的弹性恢复与磁场调制相比缓慢时，其不具有残留磁场。磁场的长切断时间可以节省功率消耗。

在沉积过程中，可以采用磁场移动磁颗粒38，并使之对齐，从而使净磁化指向磁致动器元件30的长度方向。

因而，向磁致动器元件30施加磁场可以产生施加到致动器元件30上的平移和旋转力。平移力等于：

$\stackrel{\→}{F}=\▿(\stackrel{\→}{m}\·\stackrel{\→}{B})---\left(1\right)$

其中，

为磁致动器元件30的磁矩，为磁感应强度。

旋转力，即作用于磁致动器元件30上的扭矩将使其发生运动，即，使其旋转和/或改变形状。图11针对施加至磁致动器元件30上的静态均匀磁场对其进行了图示说明，所述磁场可以是由诸如临近微流体系统的电磁体或永磁体的外部磁场发生装置施加的，或者，可以是由诸如集成到微流体系统内的导线的内部磁场发生装置施加的。

例如，假设通过外部磁场发生装置施加磁场，并且致动器元件30具有磁矩

和磁场强度

那么作用于致动器元件30上的扭矩

可以通过下述公式给出：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\τ}}=\mathrm{\μ}\stackrel{\→}{m}\×\stackrel{\→}{H}=\stackrel{\→}{m}\×\stackrel{\→}{B}=V\stackrel{\→}{M}\×\stackrel{\→}{B}=\mathrm{Lwt}\stackrel{\→}{M}\×\stackrel{\→}{B}---\left(2\right)$

其中，μ是材料的磁导率，

为磁感应强度，

为磁化强度(即，每单位体积的磁矩)，V为致动器元件30的体积，L为长度，w为宽度，t为致动器元件30的高度。显然，所施加的扭矩取决于磁矩和磁场之间的角度，当磁矩和磁场对齐时，所施加的扭矩为零。在图11简要描述的情况下，当磁矩

与磁场

之间的角度降低时，接近完全直立状态的过程将变得越来越慢。这一问题可以通过在致动器元件30的运动过程中旋转磁场来解决。

例如，通过旋转永磁体40施加的旋转场可以引起独立致动器元件30的旋转运动和磁致动器元件30的阵列(或波)的协调滚动，图12对此给出了示意性图示说明，该图示出了摆动冲程。就具有永久磁矩的磁致动器元件30而言，将凭借面向表面的致动元件力而产生恢复冲程，从而使得致动器元件30在表面上滑移，而不是通过微通道33内的流体的大部分滑移。

为了通过位于微通道33的壁36的内侧35上的致动器元件30的运动使流体通过微通道33传输，需要向微通道33内的周围流体施加一定的力和/或磁矩。在上述说明中，已经估计出该力的典型值为1nN左右，其对应于每致动器元件30大约10^-13Nm左右的力矩。下文中紧随的粗略计算表明，如这一具体实施例指出的，确实能够通过利用磁场对致动器元件30施加外部激励而实现这一目的。

例如，假设如图10所示，磁致动器元件30包括磁颗粒38，并且具有如下面的表1总结的实际参数，

参数	值
		磁感应强度B	10mT
磁性材料的饱和磁化强度Mb	5×105A/m
		致动器元件的长度L	100μm
致动器元件的宽度w	10μm
		致动器元件的厚度t	3μm
磁性材料的体积浓度	10％

表1

磁致动器元件30的净磁化强度可以是M＝5×10⁴A/m。采用公式(2)，可以计算施加到聚合物致动器元件30上的最大扭矩。假设磁化方向和磁场方向基本相互垂直，扭矩τ可以是15×10^-13Nm。那么，最大力F＝τ/L＝15nN。与上面给出的所需的力和力矩相比，显然有可能采用如这一具体的实施例所描述的磁致动容易地获得所需的值。

如果不采用可以放置在上述微流体系统之外的诸如永磁体或电磁体的外部磁场发生装置，则也可能采用可以集成到微流体系统中的导线41。图13对其进行了图示。例如，导线41可以是具有，例如，100μm²的截面积的铜线，通过其可以容易地诱导10mT的磁通量密度。由通过导线41的电流生成的磁场以1/r降低，r是从导线41到致动器元件30上的位置的距离。例如，在图13中，致动器元件30的位置A处的磁场将大于位置B处的磁场。类似地，致动器元件10的位置B处的磁场将大于位置C处的磁场。因此， ${\stackrel{\→}{H}}_1>{\stackrel{\→}{H}}_2>{\stackrel{\→}{H}}_3.$ 因此，聚合物致动器元件30将经受沿其长度L的磁场梯度。这将导致位于磁致动器元件30的旋转运动的顶部的“蜷曲”运动。可以设想，通过将均匀的磁“远场”，即外部生成的、在整个致动器元件30上恒定的磁场与导线41结合，有可能建立实现致动器元件30的复杂运动形状的复杂时间相关磁场，其中，所述远场可以是旋转或非旋转的。这样做是非常便利的，尤其便于对致动器元件30的运动形状进行调谐，从而在流体控制中获得优化的效率和效果。一个简单的例子可以是，其能够实现可调谐非对称运动，即，致动器元件30的“摆动冲程”不同于致动器元件30的“恢复冲程”。

例如，可以通过位于微流体系统内的一个或多个磁传感器测量致动器元件30的运动。其可以允许确定微通道33内的流动特性，例如，流动速度和/或流体的粘性。此外，可以采用不同的致动频率测量其他流体细节。例如，可以通过这种方式测量诸如血细胞比容值的流体细胞含量或者流体的凝聚特性。

上述实施例的优点在于，磁致动的采用可以与诸如唾液、痰液或全血的非常复杂的生物流体协调工作。此外，磁致动不需要接触。换言之，可以通过无接触的方式执行磁致动，即，在采用外部磁场发生装置时，致动器元件10自身位于微流体模块之内，同时外部磁场发生装置位于微流体模块之外。

应当理解，尽管文中针对根据本发明的设备讨论了优选实施例、具体结构和构造以及材料，但是在不背离本发明的范围和精神的情况下可以做出各种形式和细节上的变化和修改。例如，本发明还公开了除了建立上述“纤毛运动”以外的建立运动的其他方式。例如，致动器元件30的形状和/或取向的变化可能导致对存在于微流体系统的微通道33中的流体的分布驱动。那么也可以将其修改用作泵。实现这一目的的一种方式可以是采用诸如聚丙烯酸凝胶的电活化聚合物凝胶、或离子交联聚合物金属复合(IMPC)材料或者例如全氟碳酸盐或全氟磺酸盐，从而形成附着于微通道33的壁36的内侧35的致动器元件30。利用外部激励装置对这样的致动器元件30进行顺序寻址能够引起波痕(wave ripple)，从而沿微通道33的某一方向驱动流体。例如，所述外部激励可以是电场发生装置。在这种情况下，假设采用电活化聚合物凝胶致动器元件30，例如，可以在凝胶致动器元件30内结合一个或多个诸如导电聚吡咯电极的电极。于是，对电活化聚合物凝胶致动器元件30内的所述一个或多个电极的顺序寻址将引起致动器元件30依次改变形状和/或取向，从而引起波痕。

Claims (10)

1.一种微流体系统，其包括至少一个微通道(33)，所述微通道具有带有内侧(35)的壁(36)，其中，所述微流体系统还包括：

多个附着于所述壁(36)的所述内侧(35)的纤毛致动器元件(30)，每一纤毛致动器元件(30)具有形状和取向，以及

用于向所述多个纤毛致动器元件(30)施加激励，从而引起其形状和/或取向的变化的装置，所述微流体系统的特征在于所述壁包括结构化导电图案，通过所述结构化导电图案激活所述激励以便对所述多个纤毛致动器元件进行单独或逐行寻址。

2.根据权利要求1所述的微流体系统，其中，所述多个纤毛致动器元件为聚合物致动器元件。

3.根据权利要求2所述的微流体系统，其中，所述聚合物致动器元件(30)包括聚合物MEMS。

4.根据权利要求1所述的微流体系统，其中，用于向所述多个纤毛致动器元件(30)施加激励的所述装置为电场发生装置、电磁场发生装置、电磁辐射装置、磁场发生装置或加热装置之一。

5.根据权利要求4所述的微流体系统，其中，用于向所述纤毛致动器元件(30)施加激励的所述装置为磁场发生装置。

6.根据权利要求5所述的微流体系统，其中，所述纤毛致动器元件(30)还包括均匀连续磁层(37)、图案化连续磁层和磁颗粒(38)之一。

7.根据权利要求1所述的微流体系统，其中，将所述多个纤毛致动器元件(30)布置为第一行和第二行，所述第一行致动器元件(30)位于所述壁(36)的所述内侧(35)的第一位置，所述第二行纤毛致动器元件(30)位于所述壁(36)的所述内侧(35)的第二位置，所述第一位置和所述第二位置基本彼此相对。

8.根据权利要求1所述的微流体系统，其中，将所述多个纤毛致动器元件(30)布置为多行纤毛致动器元件(30)，其被布置为形成二维阵列。

9.根据权利要求1所述的微流体系统，其中，将所述多个纤毛致动器元件(30)随机布置在所述壁(36)的所述内侧(35)上。

10.一种根据权利要求1所述的微流体系统在生物技术、制药、电气或电子应用当中的用途。

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