CN101267885A - 磁性微流体阀门 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微流体调节设备，包括具有在其中限定的第一微流体通道的第一层，具有在其中限定的第二微流体通道的第二层，设置在第一和第二微流体通道之间的流体流动调节层，所述层包括可运动阀门构件，其在开启位置允许在第一和第二通道之间的流体连通，在闭合位置抵靠着阀门座密封，由此阀门构件和阀门座的至少一部分是磁性的。设备能够将少量的液体存储在筒中并在需要时以很好受控的和简单的方式接近这些液体。

Description

磁性微流体阀门
本发明涉及其中具有可运动阀门构件的微流体设备，其可被用于生物感测试剂的芯片上(on-chip)存储。
随着对需要低成本微型化溶液的重点护理(point-of-care)诊断学和整体快速分子诊断学的兴趣的增加，微流体设备特别是一次性微流体设备在诊断中所起的作用不断增加。所述微流体设备允许使用非常小体积的样品流体执行复杂的生物化学反应或分析。对于生物样品流体分析来说，一些步骤典型地必须被执行，诸如例如流体样品的预处理、试剂的混合、DNA扩增、对表面的特异性结合、洗涤步骤等等。这些步骤中的一些步骤可采用必须经过设备的微通道输送到该设备的特定区域(典型地为芯片上区域，反应或者分析在此发生)的辅助化学物质。除了能够重新定向流体流动以外，对于这种设备的鲁棒和方便操作来说，高度需要的是能够将化学物质和其他流体在一次性设备上存储延长的时间段。当反应或者分析需要时，这些化学物质然后可以很容易获得。
到目前为止，已经提出了一些概念。在一种已知设备中，蜡塞被应用在微流体通道中以至少部分将其密封。密封部分作为流体的存储容器。当通道需要被开启时，蜡塞被定位在蜡附近的电极的热电阻加热熔化，流体最终可使被熔化的蜡塞移位。这种方法的缺点在于蜡的变形是不可逆的，因此它仅仅能被使用一次。此外，为了良好密封，蜡需要在设备被提供盖之前以适当剂量的数量施加到微通道内，蜡还必须很好地粘附在所述微通道上。为了良好地操作，流体必须在压力下被存储，从而提供使所熔化的蜡移位所必需的力。或者，已经提出了膜(通道中的薄片)来代替蜡。为了开启通道段，膜被电阻加热弱化，并在封闭流体的压力下最终突然开启。碎片的形成是经常性的问题并且这种设备的操作对膜厚度的微小变化非常敏感。在另一种已知的设备中，使用密封贮存器，其在锋利的销钉的帮助下通过操作员施加的压力收缩(pinch)。这种设备被限制为相对较大的存储容量和通道尺寸。微流体系统中的集成是很麻烦的并且开口时的流体流动不能很好地被控制，因为收缩的开口的形状是不规则的。
本发明的目的在于提供一种将少量液体存储在微流体筒中并在需要时以很好控制的和简单的方式接近所述液体的设备。
根据本发明，这些和其他目的可通过微流体设备来实现，其具有权利要求1所述的技术特征。更具体地，微流体设备包括盖和基底，其中限定有至少第一和第二微流体通道，以及设置在盖和基底之间的流体流动调节层，由此流体流动调节层包括可运动阀门构件，其在开启位置时允许第一和第二微流体通道之间的流体连通，在闭合位置时抵靠着阀门座来密封，由此至少阀门构件和阀门座的一部分是磁性的。第一和第二微流体通道可被分别限定在盖和基底中。根据本发明还可能的是将第一和第二微流体通道两者都限定在盖或者基底上。阀门构件抵靠着阀门座的密封通过两者之间的磁吸引力来实现，由此密封表面优选是光滑的和/或非湿润表面。阀门构件可通过电和/或电磁场致动以形成在阀门构件和座之间的开口，流体可通过该开口流动。电和/或电磁场的切断或者逆转导致阀门在磁吸引力的作用下再次闭合。存储的化学物质的泄露通过磁力的作用来防止。此外，微流体设备的一般特征在于较大的表面-体积比，其存在溶剂(通常为水)可能通过容器壁的渗透问题。另一方面，对于分析和/或反应而言，流体必须易于获得，因此在样品流体的分析过程中当需要时应当能够将流体引入微通道中。必须提供在保存期限期间的气密的或者大致气密的密封，和在微流体环境下以低成本方法对化学物质的立即接近，这是明显矛盾的要求。根据本发明的设备解决了提供对容器的紧密封闭中的所有这些问题，同时该筒被存储并且没有动力可得到，而且在需要时几乎可立即得到流体流动。另外的优点在于流体将能够以已经存在的低压力且以受控速度流动。
根据本发明，阀门可在无动力状态下被气密地或者几乎气密地闭合，并可在需要时以受控的或可逆的方式被开启。该阀门不仅不需要任何外力来使其保持闭合，而且其还可以以简单和低成本的方式生产。另外，通过提供磁密封表面，根据本发明的设备不需要单独的粘合剂来密封阀门和阀门座。粘合剂的使用是不需要的，因为他们可干扰样品流体。根据本发明的设备允许容纳流体一延长的时间段。这在现有技术的设备中是不可行的，通常现有技术的设备典型地通常依赖压力差来开启或者闭合阀门或者流体流动调节构件。这种已知设备需要外部致动器来保持流体容器被闭合。依赖于存储容器和微通道系统的其他部分之间的压力差来维持流动或者开启阀门的设备一般需要通风口来防止微通道系统的一些部分中的真空抽吸，从而避免流动。但是，通风口是不理想的，因为他们产生了泄露的可能性。根据本发明的设备没有这种缺点。
为了能够与环境连通，该设备的功能元件，诸如电子芯片及类似物可典型地由基底层支撑并与其电连接，所述基底层充当与用于读数的仪器的互连，用于执行一些操作和/或其他方面。由传感器产生和/或接收或者与样品流体相互作用产生的电信号经过互连基底传送到到用于进一步处理的辅助装置。微流体通道系统被限定在基底的面对的表面(facing)和盖层之间，例如被设置在互连基底顶部上。根据本发明的设备提供了在延长的时间段中存储流体的可能性，而不在仪器和一次性设备之间形成“湿润”界面，“湿润”的界面是不需要的。
本发明的设备的又一优点是，根据磁力强度，可以达到任何闭合力。此外，当在微流体通道中以不同磁闭合力提供多个阀门和密封构件时，通过增加局部的外部致动力，实际上可接连开启通道，由此提供了设备中的阀门的选择性开启。可以通过集成在互连基底上的电导体局部形成该磁场。
在本申请的上下文中术语通道的意思被广义地解释，而不是想要限制为例如细长的构造。通道可以是任何所需形状的腔或者管道，并且流体腔可以包括流体可连续通过的流通单元，或者用于将特定量流体保持一些时间段的室。虽然本发明不限于此，微流体通道典型地应当被理解为流体能够流过其中的结构或者流体可包含在其中的结构，其具有小于大约1mm的尺寸。在微流体设备中，通道典型地设置在盖和/或基底中。通道以本质上已知的方式产生，例如通过注射成形，通过进行光刻以在硅或者玻璃基底上限定通道，或者通过蚀刻技术从盖和/或基底上移除材料形成通道。盖板通常被结合到基底上以提供对该设备的闭合。
当提到阀门构件和阀门座为磁性的时，在本申请的上下文中指的是它们可拥有永磁特性或者具有感应磁性特性。在本发明的实施方式中，微流体调节设备的特征在于，至少部分阀门构件和阀门座包含具有永久磁化率(permanent magnetic susceptibility)的材料。在根据本发明的优选实施方式中，微流体调节设备的特征在于，至少部分阀门构件和阀门座是永磁性的。在该方式中，液体的存储时间(也被称为保存期限)可被延长。在本申请的上下文中，永磁材料是涉及具有永磁偶极矩的分子的那些。阀门构件和座可优选由永磁材料制成，和/或可以设置有磁性涂层。还可以通过粘合剂结合或者机械保持方式将分离的磁性元件连接到可运动阀门构件和/或座构件。
阀门构件可由刚性、半刚性和/或柔性材料制成。在采用刚性阀门构件的情况下，其可包括柔性材料的铰链区(hinge region)，或者使用厚度减小的刚性材料的铰链区。合适的材料可由本领域技术人员依据所使用的设备及其构造的特定类型来选择，例如可包括金属、纸张、玻璃、聚合物或者它们的组合。阀门可由高弹性材料制成，允许阀门以良好受控的方式被开启，或者阀门可由更柔性的材料制成，以便还可能根据不同构造平稳地开启。合适的聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯(PS)或者其他芳乙烯聚体(vinylaromatic polymers)，聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或者其他聚烯烃聚合物，聚酰亚胺(PI)、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚酯、热塑性弹性体、聚氨酯、橡胶、硅胶等等。虽然对于本发明不是必须的，但如果需要，这些材料可在一侧或者双侧设置有粘合剂层。
在根据本发明的另一优选实施方式中，微流体调节设备的特征在于，阀门构件和/或座至少部分包含大体上的柔性聚合物片层。该实施方式提高了设备制造的简便性。此外，聚合物片层一般或者可以很容易设置有光滑和非湿润表面，这进一步改进了阀门构件在其座上的闭合。应当理解，聚合物片层大体上指的是基于聚合物材料的任何片层或者箔片，但事实上也包括其他添加剂，例如矿物质添加剂，和/或其他材料，诸如金属粒子和/或薄片和/或箔片，以及这些物质的类似物。为了能够传输电信号，聚合物薄片还可包括导电(conducting)的例如金属的路径和/或互连。
当流体流动调节层包括具有设置在盖层附近的第一片层和设置在基底层附近的第二片层的组件时其具有一些优点，所述第二片层具有第二微流体通道高度处的开口并包括阀门座，部分第一片层被切掉以便形成至少部分覆盖开口并密封至少一部分第二片层表面的可运动阀门构件。该实施方式提供了易于一次为设备提供多个开口和阀门部分的可能性。如果需要，片层可以彼此粘合结合或者通过其他方式结合。通过提供具有第一和第二片层的组件，阀门座的特性可以独立于盖和基底层的材料而另外修改。
为了提供具有可运动阀门的微流体调节设备的这种实施方式，组件中的第一和第二片层在至少一部分座区域上大体上不结合。这允许第一片层在座区域的至少该部分上相对于第二片层的局部运动，由此开口的尺寸可基于未结合区域的尺寸而调节，这具有的优点是至少部分提供了具有永磁材料涂层的第一和/或第二片层。更优选的是，第一片层的座区域设置有永磁材料的涂层。还可能的是提供根据本发明的设备，其具有由永磁材料构成的第一和/或第二片层。
在根据本发明的微流体调节设备的另一种优选实施方式中，第一和/或第二片层由穿孔的片层材料构成。这允许例如流体经过该阀门缓慢地扩散，甚至当处于闭合位置中也是如此，在一些情况下这是有利的。
为了操作微流体调节设备，优选其进一步包括用于作用于阀门构件的致动器。在该方式中，操作人员能够在一定距离处操纵阀门构件而不干扰流体流动。根据本发明，存在多种用于致动的可能性。在优选的实施方式中，微流体调节设备的特征在于致动器包括施加到至少部分可运动阀门构件和阀门座上的导电路径，其与用于提供电荷的驱动器连接。在该实施方式中，其可以是静电电荷阀门构件和座。当两个片层磁极性相反时，阀门构件被排斥，这将开启在第一和第二微流体通道之间的连接。当电压降低时，阀门将逐渐闭合，这提供了调节在第一和第二微流体通道之间的实际开口的可能性。此外，取决于其中导电路径即片层上的电极被施加的特定模式，多个阀门可被重复寻址。
在另一个优选实施方式中，微流体调节设备的致动器包括位于距离可运动阀门构件可作用距离内的电磁体。当接通该磁体时，可运动阀门将被排斥或者被电磁体吸引并以这种方式开启通道。在特定实施方式中，电磁体包括在盖和/或基底层中。
根据本发明，该设备不限于提供在两(段)微流体通道之间的阀门，还可作为用于贮存器的盖或者作为用于在运动设备中移动流体的泵。而且，一些感测和/或其他功能元件可以与不同的分立基底一起集成在单个设备上，以形成在该领域内统称为芯片上实验室或者μ-TAS的系统。
为了能够在组件上限定微流体通道或者流体引入区域(流体相互作用区域可由该区域补充)，被集成的功能元件和互连组件优选设置有盖。除了限定流体通道以外，盖还充当系统的闭合物。盖还可以以任何方式被应用，例如通过粘合剂和/或热结合。
现在将参照在附图中显示的实施方式对根据本发明的设备进行详细描述，但这并不是对本发明的限制：
图1示意性地示出了根据本发明的设备的第一实施方式的剖面侧视图；
图2示意性地示出了处于开启状态的图1的实施方式的剖面侧视图；
图3示意性地示出了根据本发明的设备的另一种实施方式的剖面侧视图，其包括电磁致动器；
图4示意性地示出了处于被致动状态的图3的实施方式的剖面侧视图；
图5示意性地示出了根据本发明的设备的另一种实施方式的剖面侧视图，其包括电磁致动器；
图6示意性地示出了处于被致动状态的图5的实施方式的剖面侧视图；
图7a和7b是根据本发明的实施方式的微流体调节设备的示意性图示；
图8和图9是根据本发明的实施方式的备选微流体调节设备。
根据本发明，图1示出了包括电互连或者背板2形式的第二层的微流体系统1，所述第二层包括至少一个微通道3。所述设备覆盖有第一层或者盖板4，其含有相对于背板2定位的至少一个微通道5，使得流体可以从微通道4流向微通道5。在背板2的顶部，层压第一片层6，其以如下方式构造：在需要阀门的位置处形成开口7，换言之，在此处，使得从微通道3向微通道5的流体流动变得可能。片层6以图案化的方式或者全部以永磁材料涂敷(在图1中由片层6的阴影区域表示)，或者作为替代可以是整个具有永磁特性的合成材料。在片层6的顶部，层压另一片层8。片层6和片层8以合适的粘合剂可粘合地结合在一起，但阀门座9的区域除外，以便允许片层8在该区域的局部运动。再者，片层8也可局部或者完全涂敷有永磁层或者是具有永磁特性的合成材料(在图1中由片层8的阴影部分表示)。部分片层8沿着轮廓线10被切割，从而限定了板形式的可运动阀门11。阀门11可以运动，因为其具有由未结合的表面区域12和轮廓线10限定的自由端。在静电致动的情况下，片层6和8还包括导电路径或者电极，它们与用于施加电荷的驱动器连接(未示出)。当两个片层6和8极性相反时，顶部片层8将被排斥，并且从第二片层6分离的部分顶部片层8将被开启，即阀门11将被开启。微通道3和5被定位成当片层8被致动时使包含在微通道3中的流体可通过片层11和室壁13之间的间隙，如图2的箭头F所示。当导电路径上的电压降低时，由于片层8和片层6的阴影部分之间的磁吸引力，阀门11将再次闭合。以这种方式，还能够以需要的方式通过对片层6和8上的电极适当地图案化重复寻址多个阀门。
在电磁致动的情况下，电磁体13被定位在可运动阀门11的附近。当接通磁体13时，永磁阀门11将被电磁体13排斥或者吸引并且以这种方式开启微通道3。在图3中，示出了一种设备的实施方式，其中磁性片层11位于由导磁材料制成的脊(ridge)14上。当外部电磁体13接通时，从脊14发出的磁场线将推开片层11。以该方式，分别位于脊14左侧和右侧的通道3a和3b被连接，如同图4中由箭头F示意性示出的那样。如果需要，场的方向可被转换以便将阀门11拉回到脊14，这样再次闭合微通道部分3a和3b。脊14本身是静止的并密封在背板2中。另一种具有外部致动器15的备选实施方式在图5中示意性示出。
作为相对硬的永磁片层8的替代，可使用更具弹性的永磁片层8。在这样的实施方式中，位于阀门11后面的微流体室5在所有时候都保持密封，甚至在开启状态下也是如此。这在图6中示出，其中阀门片层11不沿着座表面12滑动，如同在图5中示出的实施方式那样，但在致动过程中被拉长。
所描述的本发明的设备的实施方式都具有的共同点在于它们都包括背板2和盖板4的简单构造，这二者都可通过根据公知的实践方法，例如注射成型制成。在优选实施方式中，使用具有图案化的永磁涂层(任选地还提供图案化的电极)的穿孔片层材料，这提供了设计的巨大自由度，同时该组件大体上独立于设计之外。所述片层甚至可以是通常在电子互连中使用的规则的柔性材料。在一些情况下，单个片层8可能是足够的，诸如在图6的实施方式中显示的那样。静止磁性材料也可以通过涂层施加或者甚至通过其中一个组分是永磁聚合物合成材料的双组分成型(two componentmolding)而包括在背板2中。
典型地，片层将包括其上具有由薄绝缘层覆盖的电气布线的聚合物基底(例如聚酰亚胺或者聚酯)。在其上可施加屏障涂层，例如聚对二甲苯或者无机物材料或者不同材料的叠层。局部地，永磁涂层被施加足够的磁场强度以确保甚至在运输和处理过程中在贮存器和微通道之间存在可能的压差且具有机械负载的情况下完全密封。这种涂层可通过真空沉积经掩模和电化学沉积来施加。在片层的表面，如果需要，可施加软而光滑的涂层以改善片层和鞍(saddle)之间的接触。所述表面可用专门的生物相容性材料和涂层来处理，从而例如避免被内部的试剂污染或者其他干扰。
根据本发明的组件可在广泛应用中使用，诸如例如通用传感器、生物传感器、环境、食物、健康和/或诊断传感器，芯片上实验室、集成样品处理和传感器组件、μ-TAS等等，例如包括对DNA扩增(例如PCR)和杂交检测特别有用的加热和/或冷却元件。其他合适的应用包括例如具有集成电子冷却的IC和LED或者其他具有集成冷却的紧凑光源。
在说明书中，术语“通道”在本申请的上下文中应当被广义地理解，而不是限制为例如细长的构造。通道可以是任何所需形状的腔或者管道。通道可以是流体可连续通过其中的流通通道或者流通单元，或者用于将特定量的流体保持一些时间段的室。在微流体设备中，通道典型地被设置在第一和第二部分中，即沿着第一部分或者第二部分的表面设置。通道以现有技术中已知的方式产生，例如通过注射成型，通过采用光刻以在硅或者玻璃部分中限定通道，或者通过将材料从该部分的表面移除以形成通道的蚀刻。
术语“微流体通道”应当被理解为流体能够流过或者流体可包含在其中的通道，其具有优选小于大约1mm的尺寸，诸如小于0.5mm。
当提到可运动阀门和阀门座为磁性的时，在本申请的上下文中意味着它们可具有永磁特性或者具有感应的或者可感应的磁性特性。磁性材料可具有永久磁化率。在本申请的上下文中，永磁材料是甚至当不受外磁场的影响时也显示永磁场的材料，并且甚至当设置在外磁场中时其也能保持这种磁场。所述材料包括具有永磁偶极矩的分子。
“大体上的聚合物片层”指的是任何以聚合物材料为基础的片层或者箔片，但是实际上也包括其他添加剂，例如矿物质添加剂，和/或其他材料，诸如金属粒子和/或薄片和/或箔片，磁粉或者粒子，以及类似物。为了能够传输电信号，聚合物箔片还可包括导电的，例如金属的路径和/或互连。用于实现体现本发明的微流体调节设备的目的的其他布置对于本领域技术人员来说是显而易见的。大体上的聚合物片层可包含至少30％的聚合物材料。
图7a和7b示意性地示出了根据本发明的实施方式的微流体调节设备100。图7a示出了处于闭合位置的微流体调节设备100，而图7b示出了处于开启位置的微流体调节设备100。
微流体调节设备100包括具有第一部分表面110的第一部分101和具有面向第一部分表面110的第二部分表面120的第二部分102。第一部分表面110包括第一微流体通道111，第二微流体通道112和定位在第一通道111与第二通道112之间的阀门座113。第二部分表面120包括在第一通道111，第二通道112和阀门座113高度处的腔121。微流体调节设备100还包括可运动阀门构件130。可运动阀门构件130被定位在第一部分表面110和第二部分表面120之间。在第一或者闭合位置，可运动阀门构件130与第一部分表面110沿着围绕第一通道111、第二通道112和阀门座113的密封线131流体密闭接触。微流体调节设备包括致动器件140以使可运动阀门构件运动到开启位置和闭合位置。为了使可运动阀门构件130到开启位置，可运动阀门构件被运动到腔121中，由此允许在第一通道111和第二通道112之间的流体连通。当可运动阀门构件130被运动到其闭合位置时，使得可运动阀门构件从第二通道112回到用于密封第一通道111的阀门座113上。在该实施方式中，微流体调节设备100还包括用于平衡腔121和第一微流体通道111之间的压力的第三通道150。第一通道优选作为将流体提供到设备100的流入设备。第一部分可通过任何合适的方式被结合到第二部分上以提供微流体调节设备的闭合，例如通过焊接、粘合剂等。
第三通道150是绕开(bypassing)可运动阀门构件的导管，具有延伸到腔中的第一排出口151和延伸到第一微流体通道111中的第二排出口152。
在特定实施方式中，可运动阀门构件130是膜、优选大体上为聚合物膜。该膜被夹钳在第一部分101和第二部分102之间，更具体地在第一部分表面110和第二部分表面120之间。第一部分101或者底部部分，更具体的第一部分表面110包含液体入口和出口，而第二部分102或者顶部部分，更具体的第二部分表面120包括膜可在其中变形的腔121。
根据该特定实施方式，微流体调节设备100基于电磁致动被激励，并且制造相对容易。
可运动阀门构件130是包括分散的磁粉(例如永磁粉)的弹性聚合物膜，其使用电磁体141致动并可实现较大的偏移。可运动阀门构件130是流体不可渗透的。粉末例如可以是硬磁粉，例如钡铁氧体、锶/钡铁氧体、锶铁氧体、铝-镍-钴合金、钐-钴或者钕-铁-硼粉末。作为替代，也可使用分散的超顺磁粒子，例如半径小于15nm的氧化铁粒子。可运动阀门构件的闭合状态通过使用提供第一部分101的第一部分表面111的磁性薄膜114来建立。这具有不消耗动力而将可运动阀门构件保持闭合状态的特点。电磁体设计的另一个重要方面是致动控制是完全无接触的，即其在致动器件140和可运动阀门构件之间不需要机械接触就可实现。致动器件140的电磁体141处于可运动阀门构件的可作用范围内，即被提供给电磁体的螺线管的电流变化可使可运动阀门构件由于磁力而运动。
可运动阀门构件由此包括沉积在第一部分101上的磁性材料例如铁磁材料的顶部上的弹性磁性膜，所述第一部分101含有用于液体的入口通道(即该实施方式中的第一通道111)以及出口通道(在该实施方式中其由第二通道112形成)。
该膜可通过将磁性例如永磁粒子结合在聚合物膜中来提供有磁性特性。或者该膜可被涂敷有例如永磁材料。
第一部分101上的磁性材料可通过磁性薄膜114来提供，但也可通过提供磁性层例如铁磁层来提供，例如通过涂层例如真空涂层来提供。任选地，第一部分由磁性材料例如铁磁材料制成。第一部分101的磁性材料可以是永磁材料。第一部分表面上的磁性薄膜优选是永久铁磁材料诸如CoNiMnP和CoCrTa。这可通过使用物理气相沉积或者电镀来沉积。重要的是至少阀门座113设置有磁性材料。或者，磁性元件可通过双组分模塑(twocomponent moulding)来提供，其中一个组分是磁性聚合物合成材料，诸如永磁聚合物合成材料，或者通过注塑(insert moulding)来提供，其中，磁性材料被插入模型中并被塑料诸如热塑性、热固性或者照相排版(photoset)塑料二次成型(overmold)。
图7a示意性地示出了处于闭合位置(即磁性膜的断开位置或者静止模式)的可运动阀门构件130的基本工作原理。当可运动阀门构件130闭合时，作用在该构件上的力仅仅是磁性膜与第一部分的磁性材料例如铁磁材料之间的吸引力。这避免了工作流体流过该阀门。
阀门的开启状态即可运动阀门构件130的开启位置使用利用电磁体141例如图7b中示出的螺线管的电磁致动来实现。螺线管和磁性膜之间的吸引力的总和将大于磁性膜与第一部分表面110上的薄膜114的磁性材料例如铁磁材料之间的磁吸引力，从而使得磁性膜将向上偏移到腔121中，并且工艺液体可从第一通道111，即入口流向第二通道112，即出口。
在膜的下侧，即面向第一部分表面的一侧上作用的流体压力与在膜的第二侧，即面向腔121的一侧上作用的流体压力相平衡。因此，流体压力不影响致动器件140与可运动阀门构件130之间的吸引力。
磁性弹性体膜例如可使用压缩成型来制备。该膜应当在应用到阀门中之前沿其厚度方向被磁化，这可以很容易通过使用大的外部磁场来完成。
但是，在这种情况下，该膜的两侧对于流体来说都是容易接近的。入口通道即第一通道111和腔之间存在导管形式的连接，例如第三通道150，绕开该膜。这种连接可被集成在第一和第二部分中，如图7a和7b中所示，但是也可使用任何其他旁路，例如其还可以通过绕开整个可运动阀门构件的简单的管件来建立旁路。在闭合状态，流体不能通过该膜。在闭合位置(即在稳定状态)不存在压力下降。在开启状态(即致动状态)，当腔或室中的流体从腔泵回到入口即通道111时膜可偏移。膜的机械功仅仅是通过穿过旁路导管(即腔和第一通道之间的第三通道150)的压力下降来确定，其与流体粘度、移位速率和第三通道的尺寸成比例。这很大程度上独立于流体压力。该膜上的压力平衡受到各个通道的尺寸，即流体与各个表面上的膜的接触面积的影响。优选地，该膜的膨胀室将具有比微流体入口通道更大的接触面积。以这种方式，其确保了流体从旁路侧施加在入口处的力将大于从入口通道侧施加的力。阀门将保持闭合。致动力必须至少补偿所述力的差值。随着偏移的增加，从入口侧的接触面积将增加，相应地净致动力将增加。在动态状态下，在入口通道的边缘处存在局部密封力，这是座和膜的相互作用(诸如磁性膜和磁性阀门座之间的磁性相互作用)加上腔中的流体压力施加的力的结果。开启力由在该膜上的致动操作(诸如来自磁性或者电磁致动器件的磁场)加上入口通道中的局部流体压力提供，其与膜的弹性特性结合形成了分离力，其入口通道的边缘处使该膜脱离座。一旦开始脱离，入口压力将提供更大的力，因为入口流体和膜之间的接触面积将增加。假定腔和入口通道之间的压力平衡是理想的，阀门一开启并且不运动，膜上的净流体力就将为零。一旦开始开启阀门，致动力就变得独立于流体压力，即致动力由使膜变形且可能补偿膜和阀门座之间的其他力(例如当使用磁性膜和阀门座时，阀门座和膜之间的磁性吸引)所需要的力来限定。
该流体调节设备的优点是，在使用膜的情况下，当膜不运动时可运动阀门构件两侧上的流体压力，任选地液体压力是相等的，即pb＝pt。在该膜被致动的时刻，将形成压力差，这是因为流体将必须经过旁路导管被泵送。但是，通过确定旁路导管的水动阻力非常小，即通过使导管尽可能短而其横截面应当被最大化，这种压力差可显著减小。这意味着始终是pb≌pt。因此，在可运动阀门构件150的操作中流体压力将仅仅起很小的作用。在阀门座113和可运动阀门构件通过磁力彼此吸引的情况下，用于致动所需的力将可几乎只通过磁力而确定。
腔中存在的流体不必需与经过微流体调节设备100导引的流体即工艺流体相同。但是，工艺流体和腔中的流体优选是不能混合的。作为一个例子，腔中的流体是气体，工艺流体是不能与气体混合的液体。在这种情况下，应该理解的是，流体不可渗透的可运动阀门构件对于气体和工艺液体是不可渗透的。
在入口处进入的工艺流体将不朝向膜的背侧填充“死端(dead end)”第三通道，而是压缩通道该部分中的空气。进入第三通道150的工艺流体的体积将取决于工艺流体的压力和第三通道的体积。当可运动阀门构件130致动时，即膜向腔121中运动，腔中的部分流体将被迫流进第三通道150中。移位的体积即膜的，可运动阀门构件的开启和闭合位置之间的腔的体积差将被泵回到入口。
对于一些应用来说，可运动阀门构件可被设计成，使得腔中通过运动阀门构件而移位的体积小于进入第三通道以将腔中的空气压缩成工艺压力的工艺流体的体积。这是为了防止在可运动阀门构件转换过程中工艺流体的主流中引入空气。这可通过使第三“死端”通道的体积V3大于，例如大体上大于由可运动阀门构件移位的移位体积来获得。
对于一些应用来说，重要的是尽可能多地减少残留在微流体调节设备中的工艺流体的体积。理想地是，没有工艺流体残留在微流体调节设备中。残留体积也被称为死体积(dead volume)。在这种情况下，这可通过使第三“死端”通道的体积V3小于由可运动阀门构件移位的移位体积来实现。
作为图7中示出的构思的替代，第三通道可连接第二通道112和腔121，而不是连接第一通道111和腔121。
在另一种实施方式中，第三通道或者“旁路通道”被设置成带有具有疏水表面的微米孔或纳米孔屏障。在这种情况下，工艺流体诸如接触角Ф大于90度的液体不能进入第三通道，而压力仍然经由第三通道和腔中的流体被转换，所述流体可以是空气。以这种方式，达到第三通道的毛细管压力的压力水平可被抵抗(Δp＝σcosФ/h，h是微米孔屏障的小孔直径)，其可达到大约1bar。
根据类似于图7的实施方式的另一种微流体调节设备300在图8中示意性地示出。微流体调节设备处于闭合位置。相同的附图标记指的是与图7的微流体调节设备100相同或类似的特征。
微流体调节设备300具有第三通道350，即延伸的孔径，或通过可运动阀门构件130的多个孔径，其具有延伸到腔121中的第一排出口351和延伸到第一微流体通道111中的第二排出口352。应当理解的是，在这种特定实施方式中，腔121中的流体将至少部分由工艺流体提供。
为了在第一通道111和腔121中具有足够快速的压力平衡，孔径的尺寸在5到100μm之间，而第一通道111、第二通道112和腔121的尺寸典型地在10到5000μm之间。
微流体调节设备400的再一种实施方式在图9中示意性示出。第一部分表面110具有围绕第一通道111和第二通道112的边界116。可运动阀门构件130是具有沿着腔121的周边122的一部分被夹钳的夹钳末端135的片层，所述片层具有与边界116滑动接触的自由端136。该边界被提供有磁性特性，优选为永久磁性的。自由端也设置有磁性特性以在滑动操作过程中形成自由端到边界的密封。
沿着第一部分101的边界116的磁性材料可由磁性薄膜114提供，但也可以通过涂层例如真空涂层通过提供磁性层，例如铁磁层来提供。任选地，第一部分由磁性例如铁磁材料制成。第一部分101的磁性材料可以是永磁材料。第一部分表面上的磁性薄膜优选是永久铁磁材料，诸如CoNiMnP和CoCrTa。这可使用物理气相沉积或者电镀来沉积。
可运动阀门构件130的片层的自由端136设置有磁性特性，优选为永久磁性的。这可通过至少沿着片层的自由端136结合磁性粒子，例如永磁粒子来得到，或者至少片层的自由端可涂敷有磁性材料，例如永磁材料。
应当理解的是，虽然对用于根据本发明的设备的优选实施方式、特定构造和结构以及材料进行了探讨，但可对形式和细节的进行各种变化和改变而不背离本发明的范围和精神。所描述的实施方式包括磁性可运动阀门膜和磁性第一部分表面，并包括电磁致动器件。或者，开启或闭合可运动阀门构件的电磁场可能通过集成在微流体调节设备的第一和/或第二部分中的电导体来局部地建立。
但是，应当理解的是，当使用不需要磁性可运动阀门构件和/或磁性第一部分表面的其他致动器件时可得到相同的优点。
对于包括可运动阀门构件的根据本发明的实施方式的微流体调节设备100来说，阀门座和致动器件使用磁性特性来吸引或者致动可运动阀门构件，以便在开启和闭合位置之间运动，可运动阀门构件抵靠着阀门座的密封通过这两者之间的磁吸引力来实现，由此密封表面优选是光滑的和/或非湿润的表面。可运动阀门构件可被电和/或电磁场致动以在阀门构件和座之间形成开口，流体可通过其流过。电和/或电磁场的切断或者逆转导致阀门在磁吸引力的作用下再次闭合。该构思可被用于实现工艺流体的贮存器或者容器，流体可由闭合阀门保持在其中，所述阀门可通过上述提到的激励来开启，即电和/或电磁场。存储的化学物质从容器中的泄露被磁力的作用防止。此外，微流体设备一般特征在于较大的表面/体积比，这带来了溶剂(通常为水)可能经过包括微流体设备的容器的壁的渗透问题。另一方面，流体必须容易获得以便分析和/或反应，因此当需要时在对工艺流体进行的分析过程中，流体可被引入微流体通道中。必须提供在保存期限期间的气密的或者几乎气密的密封，和在微流体环境下以低成本方法对化学物质的立即接近，这是明显矛盾的要求。根据本发明的使用可运动阀门构件、阀门座和任选地致动器件的磁性特性的设备解决了提供对容器的紧密封闭中的全部问题，同时该筒被存储并且没有动力可得到，而且在需要时几乎可立即得到流体流动。
另外的优点是流体将能够在已经存在的低压力下且以受控的速率流动。
根据本发明的使用可运动阀门构件、阀门座和任选的致动器件的磁性特性的任一实施方式的设备可在无动力状态下气密的或者大致气密的闭合，并可在需要时以受控或者可逆方式开启。所述设备不仅不需要任何外部动力来保持其闭合，而且其还可以以简单和成本低廉的方式生产。另外，通过提供磁性密封表面，设备不需要单独的粘合剂来密封阀门和阀门座。粘合剂的使用是不需要的，因为它们可以干扰工艺流体。设备允许将流体保持在设备中延长的时间段。这对于现有设备来说可行性较小甚至是不可能的，因为一般而言现有设备典型地依赖压力差来开启或者闭合可运动阀门构件或者流体流动调节构件。所述已知的设备需要外置器件来保持流体容器被闭合。依赖于存储容器和微通道系统的其他部分之间的压力差来维持流动或者开启阀门的设备一般需要通风口来防止微通道系统的一些部分中的真空抽吸，从而避免了流动。但是，通风口是不理想的，因为他们形成了泄露的可能性。根据本发明的设备没有这种缺点。
所描述的设备的进一步的优点在于可获得具有由磁力确定的任何最大闭合力。此外，当在微流体通道中提供具有不同磁闭合力的多个可运动阀门构件和所附的阀门座时，通道实际上可通过局部增加外部致动的力而被连续开启，从而为微流体调节设备中的可运动阀门构件提供选择性开启。磁场可通过集成在微流体调节设备的第一和/或第二部分中的电导体而局部地形成。
作为本发明主题的微流体调节设备可在例如微流体系统中被使用。例如在生物技术应用中诸如生物传感器、快速DNA分离和分拣、细胞操作和分选，在药物应用中，在局部混合是必须的特定高通量组合检测中，以及微电子应用中的微通道冷却系统中应用。

Claims (24)

1、一种微流体调节设备，包括盖层和基底层，其中限定有至少第一和第二微流体通道，还包括流体流动调节层，该层包括可运动阀门构件，其在开启位置时允许在所述第一和第二通道之间的流体连通，在闭合位置时抵靠着阀门座来密封，其特征在于，所述阀门构件和所述阀门座的至少一部分是磁性的。
2、根据权利要求1所述的微流体调节设备，其特征在于，所述阀门构件和所述阀门座的至少一部分是永久磁性的。
3、根据权利要求1或2所述的微流体调节设备，其特征在于，所述阀门构件和所述阀门座的至少一部分包含具有永久磁化率的材料。
4、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其特征在于，所述阀门构件和/或所述阀门座至少部分包含柔性聚合物片层。
5、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其特征在于，所述流体流动调节层包括具有第一片层和第二片层的组件，所述第一片层具有第一微流体通道高度处的开口并包括所述阀门座，所述第二片层的一部分被切除以便形成至少部分覆盖所述开口并抵靠着所述第一片层表面的至少一部分而密封的所述可运动阀门构件。
6、根据权利要求5所述的微流体调节设备，其特征在于，在所述组件中，在所述座区域的至少一部分上，所述第一和所述第二片层大体上不结合。
7、根据权利要求1-6之一所述的微流体调节设备，其特征在于，所述第一和/或所述第二片层至少部分设置有永磁材料的涂层。
8、根据权利要求7所述的微流体调节设备，其特征在于，只有所述第一片层的所述座区域设置有永磁材料的涂层。
9、根据权利要求1-6之一所述的微流体调节设备，其特征在于，所述第一和/或所述第二片层包含永磁材料。
10、根据权利要求1-6之一所述的微流体调节设备，其特征在于，所述第一和/或所述第二片层包含穿孔的片层材料。
11、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其特征在于，所述设备还包括用于在所述阀门构件上作用的致动器。
12、根据权利要求11所述的微流体调节设备，其特征在于，所述致动器包括施加在所述可运动阀门构件和所述阀门座的至少一部分上的导电路径，其连接到用于供应电荷的驱动器。
13、根据权利要求11所述的微流体调节设备，其特征在于，所述致动器包括在距所述可运动阀门构件的可作用距离内的电磁体。
14、根据权利要求12所述的微流体调节设备，其特征在于，所述电磁体是所述第一或第二层的一部分。
15、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，还包括用于平衡腔和所述第一微流体通道之间的压力的第三通道。
16、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其中，第一部分表面具有围绕所述第一通道和所述第二通道的边界，所述可运动阀门构件是具有沿着所述腔的周边的一部分被夹钳的夹钳末端的片层，所述片层具有与所述边界滑动接触的自由端，所述边界和所述自由端具有磁性特性，以便在滑动过程中将所述自由端密封到所述边界上。
17、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其中，所述第三通道通过至少一个孔径来提供，所述孔径通过所述可运动阀门构件延伸，所述第三通道具有在所述腔中延伸的第一排出口和在所述第一微流体通道中延伸的第二排出口。
18、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其中，所述第三通道是绕开所述可运动阀门构件的导管，其具有在所述腔中延伸的第一排出口和在所述第一微流体通道中延伸的第二排出口。
19、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其中，所述第三通道具有体积V3，在所述腔中通过使所述可运动阀门构件在开启和闭合位置之间运动而移位的体积小于或等于所述体积V3。
20、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其中，所述第三通道具有体积V3，在所述腔中通过使所述可运动阀门构件在开启和闭合位置之间运动而移位的体积大于或等于所述体积V3。
21、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其中，所述第三通道设置有具有疏水表面的微米孔或者纳米孔屏障。
22、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其中，所述可运动阀门构件的至少一部分包括磁性材料，所述致动器件包括在距所述可运动阀门构件的可作用距离内的电磁体。
23、根据前述权利要求之一所述的微流体调节设备，其中，所述可运动阀门构件是流体不可渗透的可运动阀门构件。
24、一种传感器，包括根据权利要求1-23中之一所述的微流体调节设备。
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