CN101652661B - 使用微流体设备的送液装置和送液方法 - Google Patents

使用微流体设备的送液装置和送液方法 Download PDF

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Abstract

用于控制微流体设备的流路中的液体的装置系统，具有用于输送液体的超声波振动体。该超声波振动体以振幅调制进行振荡。该装置系统具有用于把所述微流体设备保持在所述超声波振动体上以允许微流体设备可拆下地装配到其上的保持部。还提供了提高送液效率的送液方法和送液单元。

Description

使用微流体设备的送液装置和送液方法
技术领域
本发明涉及一种微流体设备及使用该微流体设备的装置系统。本发明还涉及使用微流体设备的送液方法。
背景技术
目前引人注目的MEMS(微机电系统)技术领域包括生物分析、环境分析和化学综合。微流体设备或所谓的μTAS(微整体分析系统)被认为是对于这种分析和综合有用的设备。
微流体设备通过在通常由半导体、玻璃、陶瓷或塑料构成的基片内提供流路(fluid channel)而形成，使可作为要分析的样本或者作为要用于化学综合的材料的液态物质在流路中流动以供适当的分析或综合。
存在对能够降低溶剂、样本和反应物的用量并实现更快的反应速度从而与常规分析方法或批量处理相比充分利用微尺度优势的设备、以及使用这种设备的装置系统的需求。
用于微流体设备的已知送液方法包括那些使用压电设备的方法(铃木孝明等人，The 10th International Conference on MiniaturizedSystems for Chemistry and Life Sciences(μTAS2006)，第1卷，第131-133页)。
图5是一种用于送液的已知结构的横截面视图。在图5中，附图标记100表示微流体设备。流路110在微流体设备100内部形成，而固定的壁120和可移动的壁130形成为流路壁。可移动的壁130带有多个突出部分135，压电设备140设置在突出部分135处。当施加到相应压电设备140上的电压相位随时间变化时，压电设备140如图5所示垂直振荡。随后，作为结果，在可移动的壁130上产生一个行波。流路110中的液体可以通过利用所述行波被输送，同时被搅动。
更具体地说，由于在流路110中发现并被驱动以在图5所示的x和y方向上(或者在三维情况下还在z方向上)运动的液体运动被平均，作为结果，流路110中的液体被驱动以在所述行波的方向上运动。因此，通过控制施加到相应压电设备140的电压以产生在所希望的送液方向上的行波，液体可以在所希望的送液方向上被输送。
然而，上面所描述的已知技术带来下述问题。
通过使用行波的送液方法，其结果是液体被驱动以沿着送液方向前后运动，直至它被驱动以在行波的方向上移动。因而，这种送液方法的送液效率不是像所需要的那样高。为了提高送液效率，最好是在更小的程度上驱动液体前后运动。为了这个目的，压电设备140应当如此振荡，从而以较低的频率和较大的振幅生成行波。然而，这样做是很难的，因为每个压电设备140能够表现出的位移是非常小的。
此外，需要大量的压电设备140来产生行波。这样，就需要引入许多信号发生器和放大器。作为结果，用于实现微流体设备100的结构可能会变得很大且成本昂贵。另外，由于压电设备140直接设置在微流体设备100中，微流体设备100本身就是高价格的。
最后，微流体设备100表现出很大尺寸，这反映了设置在其中的压电设备140的数目。
发明内容
因此，考虑到现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种紧凑和较为廉价的送液装置，其提高了送液效率，以及提供一种使用这种装置的送液方法。
根据本发明，上述目标通过提供一种用于驱动液体在微流体设备的流路中运动的送液装置来实现，其包括具有多个电能-机械能转换设备的振动体和用于把至少两个电压信号施加给该振动体的信号发生器，在施加电压信号时使所述的至少两个电压信号(A)在频率和相位方面同步，并且(B)在同一频率下以不同相位被振幅调制。
此外，根据本发明，提供了一种驱动液体在微流体设备的流路中运动的送液方法，其包括把至少两个电压信号施加给具有多个电能-机械能转换设备的振动体的步骤，使所述的至少两个电压信号(A)在频率和相位方面同步，并且(B)在同一频率下以不同相位被振幅调制。
这样，根据本发明，液体可以高效地被输送。与任何已知装置相比，根据本发明的送液装置都是紧凑和更为廉价的。
本发明的其它特征将通过下面参照附图对示例性实施例的描述而变得更加清楚。
附图说明
图1是第一个实施例的示意框图。
图2A和2B是示出了第一个实施例中的送液装置的振幅调制和信号相位关系、以及该装置的壁表面的形变的图示。
图3是示出了谐振频率的图示。
图4是对第二个实施例进行初始化的过程的流程图。
图5是现有技术的示意图。
具体实施方式
现在，将通过参照示出了本发明实施例的附图更详细地描述本发明。
[第一实施例]
下面将参照图1来描述本发明的第一个实施例。
在图1中，附图标记1表示微流体设备。微流体设备1带有流路2。样本或反应物通过流路2被输送。同时，在流路2中所述样本或反应物可以被混合和搅动，或者溶剂中的样本可以被分离。在图1中，附图标记3表示超声波定子，它作为具有多个电能-机械能转换设备的振动体工作。典型地，可用在超声电机中的环形定子可以用作超声波定子。附图标记4表示信号发生器，它能够生成具有可变的相位、频率和振幅的电压信号。附图标记5a和5b分别表示第一放大器5a和第二放大器5b，它们用于放大由信号发生器4所生成的电压信号，并把通过放大所生成的信号得到的电压信号施加到超声波定子3使其振荡。超声波定子3借助保持部6与微流体设备1的流路2的一部分保持紧密接触。微流体设备1能够借助所述保持部由该电振动体可拆下地保持。附图标记7表示用于把微流体设备1输送到保持部6并从保持部6收集微流体设备1的搬送单元。
正常情况下，信号发生器4输出具有在下述状态下谐振的频率的信号：在该状态下超声波定子3借助保持部6保持微流体设备1并借助放大器5放大信号以使超声波定子3振荡。超声波定子3是一种装配有振动源的结构，该振动源表现出两个相位，并具有作为电能-机械能转换设备的压电设备(通常对于每个相位有多个压电设备)，信号发生器4经由两个信道输出具有彼此相同的频率且相位同步的信号，这两个信道上的信号分别通过第一放大器5a和第二放大器5b来放大。
现在，下面将参照图2A和2B来描述在输送液体时由信号发生器4所生成的信号。
图2A示出了信号发生器4在输送液体时所生成的电压信号波形。信号发生器4输出两个信道上的信号作为电压信号，每个信号都进行周期性的振幅调制(AM)。
在图2A中，水平轴表示时间，竖直轴表示电压信号。在图2A中，实线绘出实际电压信号的波形，而虚线绘出经过振幅调制后的电压信号的波形。如从图2A的电压信号波形所看到的，这两个信道的原始电压信号分别具有彼此相同的频率和同步的相位，而经过振幅调制后的电压信号的相位彼此不同。图2A表明，第一相位的经过振幅调制后的电压信号与第二相位的经过振幅调制后的电压信号表现出90°的相位差。通过这种设计，超声波定子3的振荡波形可以将由同步的两个信号所生成的驻波转换成一个行波，最大幅度的该行波位移在一个方向上移动。如图2B中所示，限定了微流体设备1的流路2的壁表面的流路壁2a和2b能够以基于振幅调制频率的低频率使其形变在一个预定方向上移动。随着壁表面的形变进行，流路内的液体在行进方向上被向前推动，因而使得液体运动。流路的较低的壁2b由超声波定子3(未示出)借助保持部6保持。尽管在图2B中流路的较高的壁2a被表示为固定的壁，但本发明并不限于此，作为替代，它也可以被设置为使得当振荡从超声波定子(未示出)被传递到较高的壁2a时，较高的壁2a也发生形变。
现在，下面将描述如何控制流路中液体的流率或流速。流率或流速根据所生成的行波的行进速度和频率或者根据行波的振幅而变化。
为了该实施例的目的，最好是振幅调制的频率以及行波的驱动电压(平均振幅)都受到调节，以便根据输送液体所需的流率或流速控制行波的行进速度和频率。为了停止输送液体的操作，可以在需要停止操作时将振幅调节为变成恒定，或者可以在需要停止操作时停止电压信号的施加。
优选的是，要施加给超声波定子的电压信号值为10至200V，超声波信号的频率为10至1MHz，而振幅调制的频率为10至1000Hz，振幅调制的调制电压(最大振幅的位移差)为10至200V，但本发明并不限于此。
更为优选的是，电压信号值为20至50V，超声波信号的频率为20至100kHz，而振幅调制的频率为50至500Hz，振幅调制的调制电压为5至50V。
这样，如上所述借助图1所示的配置，以经过调节的频率在很大程度上变形的驻波可以被驱动而发生移动，从而当以图2A和2B所示的方式生成信号时提高了送液效率。
此外，由于液体可通过双信道信号发生器4被输送，该装置系统可以被紧凑和更为廉洁地制造。
当微流体设备1适合由保持部6可拆下地保持时，微流体设备1本身不需要作为驱动源工作的压电设备。此时，微流体设备1的尺寸可以缩小，并以低成本制造。
尽管在这个实施例中采用了图1所示的两相环形定子，但作为替代，也可以采用三相环形定子。作为替代，还可以用线性定子。
美国专利公开文献No.2004/0256951公开了超声波定子的具体配置，本发明可以采用上面引用的专利文献中所公开的任何配置。
本发明与现有超声电机技术的显著不同在于，本发明采用了两个同步的电压信号，并且液体被驱动以在行波的行进方向上运动。
[第二实施例]
根据本发明采用振幅调制的送液方法通过参照图1和图2A、2B针对本发明的第一个实施例进行了描述。信号发生器4输出具有在下述状态下谐振的频率的信号：在该状态下超声波定子3借助上面针对第一实施例所述的保持部6保持微流体设备1。信号的谐振频率可如图3所示根据微流体设备1的特性以及它所保持的情况而变化。下面将参照图4针对确定下述状态下的谐振频率的方法来描述第二实施例，在该状态下超声波定子3借助保持部6保持微流体设备1，以提高输送效率。
图4是对谐振频率进行初始化的过程的流程图。参照图4，S1表示借助保持部6保持微流体设备1的保持步骤。S2表示定义从信号发生器4输出的信号频率使其在超声波定子3借助保持部6保持微流体设备1的状态下谐振的频率调节步骤。S3表示对重试保持步骤S1和频率调节步骤S2的次数进行计数并判断重试次数是处于规定次数内还是超出规定次数的重试次数确定步骤。现在，下面将更详细地描述这些步骤。
S1：保持步骤
微流量设备1借助搬送单元7被输送并通过保持部6保持在超声波定子3上。
S2：频率调节步骤
信号发生器输出具有恒定振幅的正弦波形并观测谐振波的振幅，同时改变正弦波的频率。该振幅可通过设置压电设备以测量超声波定子3上的位移并观察其输出来观测。作为替代，可以设置诸如激光多普勒位移计这样的非接触式位移计来观测该振幅。微流体设备1可以被选择作为振荡观测位置，或者可选地作为该装置系统的一部分以使得超声波定子3或者保持部6可选择作为振荡观测位置。使振幅最大化的频率被选择作为谐振频率。优选的是，这一步骤可以重复多次，以确保谐振频率和振幅的可再现性。步骤S2的重复被称作“重试”。由于特性导致的谐振频率的差应当位于一定范围内，因而当在这样的范围内发现这些差时表明成功执行了该步骤。从信号发生器输出的信号的频率被定义为谐振频率，该初始化步骤结束。当由于特性而导致的谐振频率差超出了预定范围时执行下一个步骤，或者说是重试次数确定步骤(S3)。
当由于特性所导致的谐振频率的差超出了预定范围时，可确保谐振频率和振幅的可再现性，并可以检查由于特性所导致的差是否处于该预定范围内，而不是立即执行重试次数确定步骤(步骤S3)。
S3：重试次数确定步骤
当谐振频率超出了表明由于特性所导致的差的范围或者谐振频率和振幅的可再现性很差时，确定频率调节步骤(步骤S2)被执行的次数。频率调节步骤(步骤S2)被执行的次数被定义为重试次数。当重试次数小于预定的数目时，微流量设备1通过保持部6和搬送单元7被保持的状态被解除。随后，该过程从保持步骤(步骤S1)重新开始。该过程重新开始是因为微流量设备1可能还没有由超声波定子3正确保持。如果是这样的话，微流量设备1由超声波定子3保持的状态可能比没有当微流量设备1由超声波定子3保持的状态被释放和再次保持时更为频繁地得到纠正。然而，当重试次数超出了预定数目时，微流量设备1很可能没有就位，从而使得初始化过程由于过度重试状态而被中止。随后，微流量设备1由搬送单元7收集。
为谐振所选择的频率的精度在下述状态下得以提高：在该状态下作为上述初始化过程的结果，微流量设备1通过保持部6被保持，从而可以进一步提高送液效率。由于振幅可以当电压信号在频率调节步骤(S2)中谐振时被检测出来，所输送的液体的流率或流速可通过调节电压信号的输出电平而得以控制。
现在，将通过一个表明了本发明的效果的例子进一步描述本发明。
(例1)
在这个例子中提供了具有如图1所示配置的装置。该例中的微流量设备通过在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)内形成流路而提供。所述流路横截面的高度为0.5mm，宽度为2mm，从所述流路的横截面中心之间看去，环形的流路具有76mm的直径。把0.238ml水导入到准备好的流路中。30kHz的电压信号被同步，并被分别施加到第一和第二相上以产生谐振。这样，可以针对这个例子中的配置来查看谐振频率。通过上述配置，谐振频率可以限定在30至32kHz之间。
选择100Hz的频率用于振幅调制，并借助PIV(粒子成像测速场仪)观测水的流速。计算出由100Hz振幅调制所产生的行波的速度为2.5m/s。输入电压值(Vcc)被设定为40V。作为结果，液体能够被驱动以10mm/s的平均流速流动。
当向第一和第二个31kHz的行波施加40V的输入电压值而不进行振幅调制时，液体的平均流速约为1mm/s，从而确认了根据本发明的振幅调制的效果。
本发明并不限于上面的实施例，可以在本发明的主旨和范围内做出多种变化和改动。因此，后面的权利要求是为了说明本发明的公开范围而给出的。
本申请要求2007年4月3日所提交的日本专利申请No.2007-097491的优先权，其在这里通过参考整体并入。

Claims (8)

1.一种用于驱动液体在微流体设备的流路中运动的送液装置，包括：
具有多个电能-机械能转换设备的振动体；和
用于把至少两个电压信号施加给该振动体的信号发生器，在施加电压信号时使所述的至少两个电压信号(A)在频率和相位方面同步，并且(B)在同一频率下以不同相位被振幅调制。
2.根据权利要求1所述的送液装置，还包括被设置为与所述振动体相接触的保持部，所述微流体设备的流路部分地借助该振动体和所述保持部被保持。
3.根据权利要求1所述的送液装置，还包括用于放大从所述信号发生器输出的所述至少两个信号的放大器。
4.根据权利要求1所述的送液装置，其中所述振动体是具有两相振动源的超声波定子，用于生成超声驻波振荡。
5.一种驱动液体在微流体设备的流路中运动的送液方法，包括把至少两个电压信号施加给具有多个电能-机械能转换设备的振动体的步骤，使所述的至少两个电压信号(A)在频率和相位方面同步，并且(B)在同一频率下以不同相位被振幅调制。
6.根据权利要求5所述的送液方法，还包括：
借助被设置为与所述振动体相接触的保持部保持所述微流体设备的保持步骤；以及
通过由信号发生器输出具有恒定的振幅和变化的频率的正弦波同时观测所述微流体设备和/或用于驱动液体的装置系统的一部分的振荡来确定谐振频率的频率调节步骤。
7.根据权利要求6所述的送液方法，其中所述频率调节步骤的重试被重复多次，并当发现所确定的谐振频率和振幅位于预定范围内时结束对谐振频率的确定。
8.根据权利要求7所述的送液方法，其中当所确定的谐振频率和振幅超出所述预定范围时，对重试次数进行计数，使得当重试次数小于预定数目时执行所述保持步骤，而当重试次数不小于该预定数目时，通过保持部所保持的微流体设备借助搬送单元被收集。
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