CN101463910B - 新颖的静电寻址微型阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新颖的静电寻址微型阀。微型阀包括促动开口层内的相应的促动开口。控制流体流过促动开口。控制流体的流动通过靠近促动开口层的电荷分布施加的电场来控制。在一个实施例中，电场可调节促动开口的开启和闭合，由此控制控制流体的流动。在第二实施例中，控制流体是电流变流体，其中电场控制ER流体的粘度，由此控制流体流过促动开口。在两个实施例中，控制流体的流动控制沿着被控制流体流过其中的导管壁形成的柔性薄膜的拉伸。柔性薄膜的拉伸控制被控制主要流体的流动。

Description

新颖的静电寻址微型阀

技术领域

本发明涉及一种新颖静的电寻址微型阀。

背景技术

微型阀是许多装置的整体部分，特别是其中需要操纵微量流体的BioMEMS和“芯片实验室”装置。转让给Fluidigm Corporation的题为“Electrostatic/electrostrictive Actuaion of ElastomerStructures Using Compliant Electrodes”的Unger的美国专利申请20060118895描述这种微型阀结构的应用。在一种结构中，Fluidigm描述了流过主要导管的流体流。垂直于主要导管延伸的控制导管中压力的调节使得将两个导管分开的弹性壁弯曲，由此控制流过主要导管的流体流，而不进行流体混合。

Fluidigm设计的一个问题在于需要分开的外部气动促动/压力控制阀的阵列。为了控制每个微型阀，每个微型阀需要相应的外部促动/压力控制阀。应用这种外部促动/压力控制器的阵列显著地增加了Fluidigm微型阀的成本和体积。

可选择的Fluidigm设计采用静电力在两个位置之间直接运动薄膜，由此闭合微型阀。但是，使用这种设计，静电力通常只足以在低压系统中转换微型阀。在较高压力下，静电力不足以直接操纵较高压力流体流。

因此需要一种更加便宜的微型阀，该微型阀能够控制较高流体压力。

发明内容

描述一种新颖的微型阀。新颖的微型阀包括促动开口层内的促动开口。新颖的微型阀的柔性薄膜部分包括大致密封促动开口的一端的第一侧；柔性薄膜的第二侧形成导管的一部分以便承载被控制的主要流体。流动控制机构控制促动开口内的控制流体流，使得控制流体的压力驱动流确定柔性薄膜的拉伸。柔性薄膜的拉伸确定导管内的主要流体流。

附图说明

图1表示用来形成开启微型阀状态的示例性闭合促动开口；

图2表示开启的促动开口，开启开口形成闭合微型阀状态；

图3表示局部开启的促动开口，以便形成局部开启的微型阀；

图4表示格栅层，包括凝胶结构中的多个孔或圆柱形促动开口；

图5表示立柱的阵列，可用来模制凝胶结构中的多个促动开口；

图6表示形成格栅或凝胶层上的薄膜层；

图7表示流过所选开启的促动开口的压力控制流体流，由此升高薄膜层中的所选区域，并闭合所选微型阀，防止流体流过所选主要导管；

图8表示通过在薄膜中降低所选区域并使得流体流过与所选开启促动开口相对应的所选导管，减压流体在薄膜层中形成释放图案；

图9-10表示如何通过施加电荷来闭合促动开口，电荷将所得静电力施加在格栅凝胶层内的凝胶材料上；

图11表示促动之后三维释放表面，其中多个促动开口与单个微型阀相对应；

图12表示通过电流变流体(ER流体)控制的多个微型阀；

图13表示将电荷图案靠近ER流体施加在电极层上，以便造成ER流体的所选区域变得粘稠，并由此重新引导控制流体流，使得薄膜的所选区域升高并闭合所选微型阀；

图14表示靠近ER流体施加附加电荷以便“冷冻”薄膜层内的释放图案；

图15表示将均匀电荷施加在ER流体之下的底部电极上以便“冷冻”控制流体并保持微型阀的状态；

图16表示将电荷图案靠近ER流体施加在电极层上，以便在ER流体减压时开启所选微型阀；

图17表示类似于图8的微型阀的微型阀，除了负的控制流体压力用来开启处于“常闭”位置的微型阀之外；

图18和19表示促动开口的可选择的可能截面形状；

图20表示使用矩形开口时图1的结构。

具体实施方式

描述一种开启和闭合微型阀的新颖的微型阀结构和方法。如这里使用，“微型阀”广义限定为用于控制微量流体流动的任何装置。“流体”广义限定为包括流动的液体或气体状态的任何材料。这里描述的特定微型阀结构特别用于(但不局限于)操纵与芯片实验室和BioMEMS相关应用的生物样品，例如药物筛选和DNA分析。

图1表示用来控制流过一次或主要流体导管112的流体108的微型阀104的实例。如这里使用那样，“主要流体”是其流动通过微型阀控制的任何流体的通称。微型阀104包括具有“流动控制机构”的促动开口116。如这里使用那样，“流动控制机构”广义限定为控制或调节控制流体在促动开口内的流动或流量的任何技术或系统。在图1的实施例中，流动控制机构是促动开口的开启和闭合。因此促动开口116根据促动开口116附近(通常在促动开口之上)分布的电荷120开启和闭合。在相反电荷分布在促动开口116上时，引力压缩促动开口116周围的层101。压缩造成促动开口壁弯曲，闭合开口。更加详细的描述在附图9-10的描述中提供。

在所选开口闭合之后，压缩机、泵、外部压力源或其它压力控制装置升高控制流体124的压力。在图1的所示实施例中，闭合的促动开口116阻挡压力控制流体124到达静置在促动开口116上的柔性微型阀薄膜128。没有来自于压力控制流体的施加压力，柔性薄膜128保持未拉伸或“静止”位置。柔性薄膜128的静止位置使得主要流体108受到控制流过主要导管112。

图2表示闭合位置上的图1微型阀。在图2中没有施加电荷，去除了压缩力(或者可选择实施例中，在促动开口116上相同极性的电分布造成排斥力)，造成促动开口116的壁放松或“变直”。促动开口116的放松或变直开启促动开口。在促动开口116开启时，压力控制流体流过促动开口，并且基本上超过主要流体导管112内的流体压力。较高的控制流体压力将薄膜128拉伸到主要流体导管112内。在足够的控制流体压力下，拉伸的薄膜128减小或消除薄膜128和主要流体导管122壁之间的空间或“间隙”130，由此防止流体流过主要流体导管122。在闭合状态下，薄膜128可大致与主要流体导管的形状相符，密封了主要流体导管。拉伸的薄膜128状态(或者闭合的微型阀)可以通过保持开启的开口上的控制流体压力来保持。作为选择，闭合的微型阀可通过闭合促动开口116来保持，由此在闭合的开口和薄膜128之间截留压力控制流体。

虽然图1和2表示开启和闭合状态，应该理解到通过随着受控流体压力来调节薄膜的相对弹性和控制压力微型阀104可以局部开启或局部闭合，以便控制流过主要导管的流体流速。

图3表示局部开启状态的图1微型阀。局部微型阀开启可通过多种技术来实现。保持局部开启状态的一种方法取决于调节开口上的电荷或电压以及施加在促动开口16壁上的压缩压力大小。调节电压可调节促动开口壁上的压力。具有某些而不是全部压力的壁造成促动开口116以小于完全开启的促动开口截面面积的截面面积开启。较小的促动开口开启减小了暴露于控制流体124的薄膜128的表面面积304。减小暴露于来自于控制流体的压力的薄膜表面面积减小了薄膜的拉伸。略微拉伸的薄膜减小了流过主要流体导管112的主要流体流，而不完全闭合微型阀，因此将主要流体流控制到所需流速。

保持微型阀局部开启的第二种方法调节压力差，压力差是控制流体压力和主要流体压力之间的差别。来自于完全闭合状态下施加的压力差的减小压力差保持薄膜不太完全拉伸，由此形成局部开启的微型阀。

图4-9表示制造特别是促动开口的微型阀的多种方法，将压缩力施加在促动开口上以便控制微型阀并使用多个微型阀来控制流体流。虽然图1-9表示促动开口的实际开启和闭合来控制薄膜128，还可以使用多种其它方法来“促动”(这里广义限定为升高或降低一个区域)薄膜。图10-14表示使用电流变(ER)流体来调节流过促动开口的控制流体流的可选择的结构和方法。

图4表示形成格栅层400内的示例性促动开口412、416。每个促动开口控制流过促动开口的控制流体流。如这里使用那样，“促动开口”广义限定为使得控制流体在一个层(通常称为“促动开口层”或“格栅层”)内流过其中的任何路径、通道、隧道、孔或其它结构。如这里使用那样“格栅层”或“促动开口层”广义限定为具有穿过该层的多个促动开口的层结构。穿过格栅层的促动开口的图案可以是一致的，但是这不是必须的。特别是，穿过格栅层的流动路径的分布可以调节成均匀阵列的形式，或者可以其它顺序或随机配置或图案分布，例如满足例如芯片实验室系统的总体流体回路的需要的图案。

促动开口的形状也可以改变。在一个实施例中，促动开口的截面大致是圆形的，如图18所示。圆形促动开口1804使得开口壁1808最小的均匀运动，容易闭合促动开口。在示例性可选择实施例中，促动开口是矩形的，如图19所示。矩形促动开口1904使得促动开口的长边1908对准主要流体导管。将促动开口的长边与主要导管中流体流动方向对准增加了主要导管中的柔性薄膜面积。在主要导管中增加的薄膜表面面积可改善拉伸薄膜与主要导管形状的匹配。改善的匹配可减小主要导管流体围绕拉伸薄膜泄漏。图20表示类似于图1结构的促动微型阀，其中矩形开口2004形成大致矩形的拉伸薄膜，以便在较低压力下减小或消除间隙130，并更加有效地密封主要流体导管。

在一个实施例中，每个促动开口412、416在凝胶状材料400层内。凝胶状材料具有介电强度和200kPa-100MPa的低弹性模量。适当的凝胶状材料的实例是来自于Dow Corning of Midlnd，Michigan)的Dielectic Gel#3-4207或Gel#3-4220，虽然也可以使用具有足够弹性的任何柔性材料。

可以使用多种方法来形成促动开口412、416。一种示例性方法使用模具来模制凝胶状材料420。图5表示包括Su-8光致抗蚀剂柱540、508阵列的示例性模具。柱可以使用光刻或其它技术形成。每个柱通常具有5-20微米的直径和大约50-500微米的高度，虽然也可以使用其它尺寸。凝胶状材料围绕柱模制，使得在去模(将凝胶材料与Su-8光致抗蚀剂分离)时，多个促动开口保留在凝胶材料420内。

多种方法可用来形成薄膜层。图6表示粘接在格栅层400上的柔性薄膜层604。通常，薄膜层604是抵抗流体渗入的柔性、橡胶状物质。适当薄膜层604材料的一个实例是高度结合的弹性体，例如来自于3MCorporation of St.Paul，Minnesota的VHB粘合剂转移带。薄膜层可如所示均匀覆盖格栅层400，或者可以调节以便只覆盖促动开口之上和附近的区域。

图7表示包括承载受控流体的主要流体导管712、716、720的微型阀结构的前截面图。控制流体层704、705形成在格栅层400之下。典型控制流体的实例包括例如空气的气体或者例如惰性油的液体。流体层704、705可以是流体或气体储槽。在可选择实施例中，流体层704、704可以包括含有促动控制流体的多孔固体或海面状衬底，同时为格栅层和所述其它层提供支承。

流过开启的促动开口的控制流体促动薄膜层604的多个部分。在图7中，例如促动开口708的开启的促动开口升高薄膜604的相应区域712。与用来保持开启的微型阀相对应的其它促动开口闭合。控制流体压力增加，使得开启的促动开口造成控制流体流过促动开口，并且压靠薄膜层604。控制流体和被控制的主要流体之间的压力差应该足够高，以便升高薄膜层的相应区域712，从而根据需要局部或全部阻挡被控制的主要流体的流动。

虽然图1-7表示升高柔性薄膜以便闭合微型阀，在可选择实施例中，减小的控制流体压力也可用来降低薄膜以便开启微型阀。在图8中，通过降低“通常向上”的薄膜层的相应区域813，使得流体可流过所选主要导管824，开启的促动开口控制微型阀。在未拉伸或“放松”时，薄膜层足够厚或包括“停止”材料，以阻挡流体流过例如主要导管826的主要导管。在特定微型阀保持闭合时，与闭合微型阀相对应的促动开口同样闭合，并且控制流体层804、805的压力减小到低于主要导管内的流体压力。在一个实施例中，减小压力低于大气压力。主要流体导管内的压力在这些区域内向下推动薄膜，并且减压的控制流体流过任何开启的促动开口809。除了如图1-7闭合微型阀，相应保护层区域513的促动开启微型阀，并且使得流体流过相应的主要导管。为了保持微型阀开启，可在流体层805的控制流体上保持恒定的较低压力。作为选择，可施加均匀电荷，闭合格栅层内的所有的促动开口，在较低压力下在薄膜层和促动区域内的格栅层之间有效低截留流体。

图17表示了实际上形成穿过柔性薄膜的通道的负压系统的可选择实施例。在图17中，促动开口本身是长通道。在图17所示的实施例中，薄膜层604通常与顶层1704平齐。开启的促动开口1710和负压或控制流体层产生薄膜层604中的实际通道1708。被控制的主要流体流过形成主要导管的这些通道。

每个格栅层400促动开口可使用电荷图案单独寻址。产生电荷图案的一种方法是使用如同静电复印系统中的感光器和光栅输出扫描(ROS)系统。在这些系统中，激光用来对充电板的所选部分放电。但是，在这种应用中，除了如同静电复印系统中吸引色粉颗粒之外，电荷图案形成闭合微型阀孔的电场。孔开口(闭合量)与通过电荷产生的电场强度相对应。与较高的电荷密度相对应的较强的电场产生较小的开口。

图9和10表示被闭合的促动开口的侧视截面图。图9表示围绕促动开口的凝胶材料908，这此实例中是孔柱904。凝胶材料908可以是可以固化成柔软材料的特殊级别的封装剂。示例性凝胶硬度在5-95肖氏硬度的硬度计刻度的范围内。凝胶具有液体的多种应力释放和“自动愈合”的性能，同时还提供弹性体的尺寸稳定性。

虽然硅酮是常用材料，凝胶本身可由广泛的多种材料制成。由于促动开口的开启和闭合将涉及高电场，凝胶应该具有足够介电强度，以避免在促动所需的电场级别下击穿。在一个实施例中，图10的电荷1004和1012造成300-600瓦施加在大致100-200微米厚的凝胶层上，因此凝胶不应该在经历高电场时击穿。200kPa-100MPa的范围内的低弹性模量有助于凝胶在没有电场的情况下保持其形状，同时使得凝胶的压缩足以在施加电场时闭合大约10-40微米直径的孔柱904。适当的介电凝胶的实例包括来自于Dow Corning of Midlnd，Michigan的Dielectic Gel#3-4207或Gel#3-4220。

在制造之前，Dow Corning和其它制造商通常提供作为液体的凝胶，终端用户组装并“固化”这些凝胶。在一个实施例中，凝胶是两部分液体，在混合时设置或另外固化以便形成凝胶。在可选择形式下，凝胶可由使用热量或UV辐射固化的单个液体制成。在液体围绕例如图5的模具的模具注入之后可出现固化，使得所得凝胶根据需要成形。

为了控制促动开口开启和闭合，图10表示沉积或紧密定位在凝胶材料908的第一侧1008上的正电荷1004以及沉积或紧密定位在凝胶材料的相对侧10016上的负电荷1012。所得电场在压缩力方向1020上在凝胶材料904上产生压缩力。压缩力略微减小用作促动开口的孔柱的入口和出口之间的距离。在该过程中，压缩力弯曲孔侧壁，限制或另外闭合孔柱904。

在所示实施例中，通过电荷施加在凝胶上的力在平行于孔柱904的力方向1020上，造成孔侧壁在大致垂直于力方向1020的方向1024上弯曲。因此力方向不具有与造成孔闭合的壁运动的方向重叠的矢量分量。在所示实例中，孔的闭合完全通过压缩产生的介电凝胶扩散来造成。但是，在使用促动开口而不是垂直柱时，力方向1020的某些分量会不垂直于侧壁运动，在这种情况下，促动开口闭合会通过来自于力方向1020的直接压力造成。

虽然图10表示直接沉积在凝胶材料上的电荷，应该理解到电荷可施加在其它表面上。那些其它表面可包括薄膜层604。在可选择实施例中，通常(但不必须)由金属制成的柔性电极可靠近每个孔柱904的每个入口沉积，以有助于电场靠近凝胶入口积累。在使用电极时，电极应该与相邻电极电隔离，从而允许每个孔柱的单独寻址、开启和闭合(或者在微型阀包括一起用作促动开口的一组孔柱时的一组孔柱)。不管电荷如何施加和保持，主要标准在于电荷对于凝胶产生局部静压缩力，限制或闭合常开的孔，或者电荷产生局部静排斥力，开启常闭的孔。

在适当的促动开口闭合之后，压力施加在流体层704上。压力流体流过没有静电闭合的开孔708或者促动开口。压力流体升高薄膜层的相应的区域712，以便闭合相应的微型阀。为了确保微型阀保持闭合，可在流体层704的控制流体上保持恒定压力。作为选择，可施加均匀电荷，闭合格栅层内的所有孔，有效地截留控制流体。

虽然图7和8表示每个格栅孔和促动开口一个凸起或凹口(凹坑)，意味着一个孔对应一个微型阀，应该理解到促动开口和每个微型阀之间一对一的对应不是必须的。图11表示三维构造的一个实例，三维构造来自于多个孔1104或促动开口升高单个相应薄膜区域以便形成例如突起1108的突起。每个突起与微型阀相对应。

在微型阀需要重新设置时，衬底可被放电。一种对整个充电表面放电的方法使用静电复印中所用的光线。其它方法包括与导电接地板接触，从而使得主板放电。

去除电荷使得凝胶层上的电场去除。没有电场，通过电场施加在凝胶上的力放松，由此将孔(或促动开口)“重新设置”成其“正常”或原始形状。在促动开口重新开启或重新闭合到其正常形状之后，微型阀的设置可以通过在所有微型阀之上减小薄膜层和凝胶400之间所含的流体量来重新设置成开启位置。特别是，通常使得流体层704或层705内的控制流体压力接近大气压力(或者甚至在突起如图7所示形成的实施例中形成略微的真空的情况下，略微低于大气压，或者如图8和图16所示在凹口用来开启主要流体导管和微型阀的情况下，略微大于大气压)。弹性印刷层内的内部压力(可以在流体层和外部大气压之间的略微压力差帮助下)迫使流体重新流过开启的促动开口，由此“擦除”微型阀状态。促动开口阵列可接收新的电荷分布，以便形成新的一组微型阀设置。

虽然前面的说明描述了开启和闭合促动器开口以及相应的微型阀，如图3所示，微型阀不必须完全开启和闭合。在某些实施例中，减小流体流动而不完全闭合微型阀也是可以的，其中微型阀的促动开口只局部闭合。例如，如果600瓦是完全闭合促动开口的“完全闭合电压”，局部闭合可以通过施加小于600瓦的电压来实现。较低的电压减小了促动开口的开启尺寸，但是不完全闭合孔。减小的促动开口尺寸使得某些控制流体流过其中，由此局部升高或降低薄膜孔柱主要流体流动。

图12-16表示使用电流变控制流体作为流动控制机构的本发明的可选择实施例，。在图12-16中，电场改变控制流体的粘度以有效模拟“开启和闭合”促动开口状态。在电流变领域中，促动开口的“闭合”不是实际的闭合，而是增加电流变流体的粘度，使得流过促动开口的控制ER流体被“堵塞”，由此“闭合”促动开口。

图12表示控制流过导管1220的主要流体的微型阀阵列。例如网格1204的格栅层内的开口形成促动开口。网格的一个实例是由StorkPrints Corporation of Charlotte，NC.制造的Stork网格。在网格层上，沉积柔性薄膜1208。薄膜1208通常是柔性橡胶，例如抵抗流体渗入的物质。适当薄膜1208的一个实例是高度结合的弹性体，例如来自于3M Corporation of St.Paul，Minnesota的VHB粘合剂转移带。用作被控制流体的主要导管的一系列通道1220形成在薄膜层1208上。

在网格或格栅层1204之下的是用作控制流体的电流变流体(此后称为ER流体)层1212。ER流体是特殊级别的流体，其中可以通过施加外部电场来增加当前粘度和屈服强度。如这里使用那样，“当前粘度”将限定为在施加电场时ER流体状态变化。ER流体确信为经历电场变化，造成其剪切屈服强度增加。

在一个实施例中，ER流体包括绝缘液体中的绝缘铁颗粒悬浮物。在施加电场时，颗粒在场方向上对准，以便形成流体稠化(粘度增加)。这种流体的一个实例是包括在合成异构烷油-V矿物油中悬浮的绝缘铁颗粒的15％重量的流体。适当颗粒的一个实例是2-4微米直径的绝缘铁颗粒，例如涂覆磷酸盐/SiO₂的Carbonyl Iron Powder。这种涂覆的Carbonyl Iron Powder作为CIP-EW-I从BASF Corporation ofLudwigshafen，Germany得到。多种其它类型的电流变流体也可用于此实施例，包括但不局限于分布在绝缘流体内的任何非传导或电绝缘颗粒的悬浮物。其它可利用的电流变流体包括其中一种流体相分布在另一流体相内以便形成乳状液的流体。

多种方法可用来将电场施加在ER流体上，并且由此控制流体粘度/屈服强度。一种施加这种电压的方法是将电压直接施加在含有导管层1228的顶部上。虽然将电荷直接施加在导管含有层的表面上简化了构造，由于ER流体层和导管含有层顶部之间的距离，需要高电压来产生电场。

将电场施加在ER流体上的第二种方法是将电荷施加在衬垫电极1216上。图13表示将电荷1302施加在衬垫电极1216上，并且电接地格栅层1204，以便在ER流体1212上形成电场。电流变流体的暴露于高电场的各个部分变得非常粘稠，并且具有高屈服强度。在ER流体沿着控制流体层流动并且受到加压时，流体的高粘度区域限制流体流过格栅层1204中的用作促动开口的孔。但是在具有低电场从区域中，流体粘度低，并且流体压力容易传递到薄膜层1208，造成薄膜的凸起或升高薄膜部分1304、1308，从而闭合流过例如导管1220的相应导管的流体流。

在图16所示的另一实施例中，ER流体减压(其压力被调节以低于大气压)。流体的高粘度区域限制流体流过格栅层1204中的孔。但是在具有低电场的区域内，流体粘度低，并且在减压时流体容易转移离开薄膜层1208之下。因此，薄膜层1208的凹口或凹入部分1608形成在低电场/低粘度区域，由此使得流体流过主要流体导管1616。

定位电荷以便在孔内或孔附近产生电场的其它装置也是可以的。例如多孔电极可直接用于格栅层之下。多孔电极使得流体流动，并且靠近孔入口可以使用低电压。

实际上，已经发现没有电场，在大约35psig(2.4atm)的促动压力施加在ER流体上时，流体流过大致150微米直径的格栅孔，并且在40微米厚的3M-VHB弹性体上产生75-85微米突起。在不希望升高的印刷表面的区域内，在ER流体的0.5mm间隙上施加600-800瓦产生电场足以防止大量突起形成。虽然这些是示例性数值，应该注意到可以使用其它数值。通常格栅孔应该足够大，使得低粘度状态下ER流体流动，但是足够小，以便在高粘度状态时抵抗ER流体流动。虽然还可以使用较大或较小的孔，典型的孔尺寸范围在5微米和250微米之间。

在薄膜层的所选区域升高或降低以开启和闭合所选微型阀之后，微型阀通常保持在稳定状态，直到需要改变流动。一种保持微型阀的稳定状态的方法是保持ER流体上最初用来定位薄膜的电场分布和压力。可选择的方法是通过在促动开口内的所有ER流体上施加高度均匀电场来“停止”ER流体。如这里使用那样，“停止”指的是屈服应力显著增加，通常超过4kPa的数值，从而基本上阻挡特别是在静止流体之上经过孔的ER流体的流体流。

图14表示靠近升高释放区域添加电荷1404以便“停止”ER流体。虽然图14表示添加电荷到靠近闭合的微型阀的流体导管层，应该理解到其它电荷分布和位置也是可以的。例如图15表示在所有衬垫电极上放置电荷1504以便形成电场，使得所有ER流体高度粘稠，从而停止ER流体。高度粘稠防止薄膜层内的内部弹性体应力释放，这是由于通过通常是弹性体的薄膜层施加的力不足以推动高度粘稠的ER流体经过格栅孔。因此，即使在ER流体压力重新设置到接近大气压的数值，微型阀的状态也可以得到保持。

如同图6-10所示经由凝胶压缩控制微型阀的情况，局部开启的微型阀可以在ER流体实施例中通过施加微弱的电场来实现。微弱电场增加了粘度，但是没有达到停止ER流体的程度。在具有更大粘度但不停止流体的区域，形成释放图案，但是没有达到完全高度，由此局部但不完全的闭合相应的微型阀。

Claims (10)

1.一种微型阀，包括：

用于承载被控制主要流体的导管，所述导管包括两个壁，所述两个壁由其之间的间隙分开；

促动开口层，其包括介电凝胶材料，所述介电凝胶材料具有第一表面和相对的第二表面，所述介电凝胶材料包括由侧壁形成的孔，所述孔完全在所述第一表面中限定的第一开口和所述第二表面中限定的第二开口之间延伸；

柔性薄膜，其布置在所述促动开口层的第一表面和所述导管之间，所述柔性薄膜包括面向所述促动开口层的第一侧，柔性薄膜的第二侧面向所述导管并且在所述两个壁之间延伸使得所述第二侧形成所述导管的一部分；以及

流动控制机构，其包括控制流体以及用于在微型阀操作期间在所述促动开口层上产生电场的装置，所述电场通过在所述第一开口附近施加第一极性的第一电荷并且在所述第二开口附近施加第二极性的第二电荷来产生，使得所施加电荷之间的吸引产生布置在所述第一和第二开口之间的凝胶材料上的电场，至凝胶材料的压缩力，所述压缩力减小了所述第一开口和所述第二开口之间的距离；

其中，所述介电凝胶材料的弹性模量以及所述电场的强度的特征在于所述电场在所述介电凝胶材料上产生的压缩力足以导致所述介电凝胶材料的弹性变形，使得所述第一开口和所述第二开口之间的距离减小并且所述孔的侧壁充分弯曲以关闭所述孔，由此防止所述控制流体流过所述孔，所述压缩力导致流动路径关闭以防止所述控制流体流过所述流动路径。

2.如权利要求1所述的微型阀，其特征在于，所述介电凝胶材料具有5和95之间的肖氏硬度。

3.一种微型阀，包括：

用于承载被控制主要流体的导管，所述导管包括两个壁，所述两个壁由其之间的间隙分开；

格栅层，其具有第一表面和相对的第二表面，并且包括孔，所述孔完全在所述第一表面中限定的第一开口和所述第二表面中限定的第二开口之间延伸；

柔性薄膜，其布置在所述格栅层的第一表面和所述导管之间，所述柔性薄膜包括面向所述格栅层的第一侧，柔性薄膜的第二侧面向所述导管并且在所述两个壁之间延伸使得所述第二侧形成所述导管的一部分；

电流变流体，其抵靠所述格栅层的第二表面布置；以及

流动控制机构，其包括用于向所述电流变流体施加电场的装置；

其中，所述电场的强度以及所述电流变流体的粘度的特征在于所述电流变流体在没有所述电场的情况下表现第一粘度使得所述电流变流体流过所述孔到所述柔性薄膜的第一侧，并所述电流变流体在所述电场高于预定水平的情况下表现第二粘度以防止流体流过所述孔。

4.如权利要求3所述的微型阀，其特征在于，所述电流变流体由介电流体中的电绝缘颗粒悬浮物组成。

5.如权利要求3所述的微型阀，其特征在于，所述电流变流体由不能互相混合的两种流体组成。

6.一种采用如权利要求1所述的微型阀控制主要流体的方法，包括：

在柔性薄膜的第二侧上的导管内流动主要流体；

调节电场以便控制控制流体流过促动开口层内的促动开口，通过控制流体流动来调节柔性薄膜的拉伸，柔性薄膜的拉伸量控制导管内主要流体的流动。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调节电场将调节围绕促动开口的壁上的压力，该压力使壁弯曲，由此控制促动开口的开口尺寸。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，调节电场以便控制控制流体流过促动开口层内的促动开口还包括：

将电场施加在促动开口内的ER流体上，ER流体的粘度随着电场施加而变化，ER流体的粘度调节控制流体流过促动开口并由此调节柔性薄膜的拉伸。

9.一种开启和闭合如权利要求1所述的微型阀的阵列的方法，包括：

选择微型阀阵列的被开启的第一多个微型阀和被闭合的第二多个微型阀；

将电荷分布施加在促动开口层内的多个促动开口内，使得压力施加，以便选择与被开启的第一多个微型阀相对应的促动开口，由此闭合所选促动开口；

增加流体控制层内的压力，使得较高压力控制流体只流到开启的促动开口，增加压力以便拉伸与开启的促动开口相对应的薄膜的区域，拉伸的薄膜阻挡相应的主要流体导管，由此防止主要流体流过相应的主要流体导管。

10.一种采用微型阀控制主要流体通过导管流动的方法，所述导管包括由间隙分开的两个壁，所述微型阀包括限定促动开口的促动开口层和布置在所述促动开口层和所述导管之间的柔性薄膜，所述柔性薄膜包括接触所述促动开口层的第一侧，柔性薄膜的第二侧面向所述导管并且在所述两个壁之间延伸使得所述第二侧形成所述导管的一部分，其中，所述方法包括：

使所述主要流体在所述导管内流动；并且

调节电场以便控制所述促动开口，从而间接地控制控制流体流过所述促动开口，使得所述控制流体压靠所述柔性薄膜并导致所述柔性薄膜拉伸到所述间隙内，由此阻挡所述主要流体在所述导管内流动。

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