CN101839919A - 流体控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种流体控制装置。该流体控制装置包括：泵和阀阵列，选择性地提供各种程度的压力或真空；以及中间容器，连接在泵和阀阵列与流体系统之间，该中间容器包括储藏单元，该储藏单元存储从流体系统排出的流体。

Description

流体控制装置
技术领域
本发明涉及一种流体控制装置，更具体地，涉及一种能够利用一个端口注入、抽真空和排出气体的流体控制装置。
背景技术
芯片上实验室(LOC，lab-on-a-chip)是其中集成有多个实验室功能的装置，还称作“芯片中实验室”或“芯片上实验室”。LOC包括：衬底，由塑料、玻璃、硅等形成；以及微型反应腔，具有亚纳升的体积，设置在衬底上。通过利用微型反应腔和很少量的样品，通常在常规实验室中以较大规模进行的实验或研究过程可以在LOC中快速地进行。由于此优点，LOC被认为是下一代诊断装置。通过利用LOC，各种癌症的诊断或红血球、白血球或细胞的测定可以仅用一滴血而进行。
为了利用LOC进行诊断，用于提供试剂(reagent)和样品的流体控制装置需要被包括在LOC中。通常，在流体系统中存在驱动流体的各种方法。例如，可以使用安装于流体系统中的泵，或者流体可以采用从外部施加的气压或真空而运动。通过从外部施加气压或真空来控制流体系统中流体的运动，入口(流体通过其提供到流体系统)、出口(用于排出流体)和用于去除不必要的溶液的排出口(vent)或废料口被包括。此外，根据应用，流体可以通过施加气压而推动或利用真空被牵引。
然而，根据上述控制方法，增加了所需端口的数目。例如，增大了连接到LOC中的反应室的端口的数目，且期望流体控制单元连接到每个端口以经由每个端口控制流体的流动。从而，当包括大量腔室的阵列集成在一个LOC中时，流体控制装置的尺寸根据端口数目的增大而在几何上增大。此外，随着端口数目的增加，LOC与流体控制装置之间的界面的复杂度增加。
发明内容
一个或多个实施例包括能够利用一个端口注入、抽真空和排出气体的流体控制装置。
其它的方面、特征和优点将在下面的描述中部分地阐述。
为了实现以上和/或其它的方面、特征和优点，一个或多个实施例包括一种用于驱动流体系统中的流体的流体控制装置，该流体控制装置包括：泵和阀阵列(pump and valve array)，其选择性地提供各种程度的压力或真空；以及中间容器(intermediate bin)，其连接在泵和阀阵列与流体系统之间，中间容器包括储藏单元，其存储从流体系统排出的流体。
泵和阀阵列可以包括：泵系统，包括提供气压的压力单元和提供真空的真空单元；多个调节器，其分开连接到泵系统的压力单元和真空单元并输出气压或真空；以及阀系统，其选择调节器以输出气压或真空。
泵系统还可以包括提供气压的压力泵和提供真空的真空泵。
泵系统可以同时提供气压和真空。
多个调节器可以包括：第一调节器和第二调节器，连接到泵系统的压力单元并输出不同程度的压力；以及第三调节器和第四调节器，连接到泵系统的真空单元并输出不同程度的真空。
阀系统可以包括：第一阀，其连接到第一调节器和第二调节器并选择第一调节器和第二调节器之一的压力；第二阀，其连接到第三调节器和第四调节器并选择第三调节器和第四调节器之一的真空；以及第三阀，其连接到第一阀和第二阀之一并选择第一阀和第二阀的输出。
第一阀到第三阀可以是电磁阀。
多个调节器之一可以输出与大气压力相等的压力。
中间容器还可以包括：第一通孔，其将来自泵和阀阵列的压力或真空提供给储藏单元；以及第二通孔，其将提供给储藏单元的压力或真空输出到外部。
流体控制装置还可以包括：第一管道，连接在泵和阀阵列与第一通孔之间；以及第二管道，连接在第二通孔与流体系统之间。
如果施加真空，从流体系统通过第二通孔提供的流体可以聚集在储藏单元中。
流体系统可以包括芯片上实验室(LOC，lab-on-a-chip)。
在实施例中，第一阀仅选择第一调节器和第二调节器之一的压力；第二阀仅选择第三调节器和第四调节器之一的真空；并且第三阀仅选择第一阀和第二阀中的一个输出。
附图说明
从以下结合附图的对实施例的描述，这些和/或其它的方面、特征和优点将变得更加明显并更易于理解，附图中：
图1是示出包括流体控制装置的流体系统的结构的示范性实施例的示意图；
图2是示出图1的流体控制装置的泵和阀阵列的构造的示范性实施例的示意图；
图3是示出图2中示出的泵和阀阵列的操作条件的示范性实施例的表；以及
图4和图5示出了在采用流体控制装置的流体系统中被控制的流体流动的示范性实施例。
具体实施方式
现在更详细地描述实施例，实施例的示例在附图中示出，附图中相同的附图标记始终指代相同的元件。在这点上，本发明的实施例可以具有不同的形式，而不应被解释为限于此处提供的描述。因此，下面通过参照附图仅描述了实施例，以解释本发明的方面。
应当理解，当称一个元件在另一元件“上”时，它可以直接在另一元件上，或者插入元件可以存在于两者之间。相反，当称一个元件“直接在”另一元件上时，则不存在插入的元件。如此处所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。
应当理解，虽然这里可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以在不背离本发明教导的前提下称为第二元件、组件、区域、层或部分。
这里所用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并非要限制本发明。如此处所用的，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一(a，an)”和“该(the)”均同时旨在包括复数形式。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指定了所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它的特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。
此外，此处可以使用诸如“下”或“底”和“上”或“顶”等相对性术语以描述如附图所示的一个元件与另一个(些)元件的关系。应当理解，相对性术语是用来概括除附图所示取向之外的使用或操作中的器件的不同取向的。例如，如果附图中的装置翻转过来，被描述为“在”其它元件“下侧”的元件将会取向在其它元件的“上侧”。因此，示范性术语“下”能够根据附图的具体取向而涵盖“上”和“下”两种取向。类似地，如果附图之一中的装置翻转过来，被描述为在其它元件“之下”或“下面”的元件将会取向在其它元件“之上”。因此，示范性术语“之下”或“下面”能够涵盖之上和之下两种取向。
除非另行定义，否则此处使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。还应当理解，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。
这里参照截面图描述示范性实施例，这些图为理想化实施例的示意图。因而，举例来说，由制造技术和/或公差引起的插图形状的变化是可能发生的。因此，这里描述的实施例不应被解释为限于此处示出的区域的特定形状，而是包括由例如制造引起的形状偏差在内。例如，示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性的特征。而且，示出的尖角可以是圆角。因此，附图所示的区域实质上是示意性的，它们的形状并非要示出区域的精确形状，也并非要限制本发明权利要求的范围。
图1是示出包括流体控制装置100的系统的结构的示范性实施例的示意图。参照图1，流体控制装置100连接到流体系统10，该流体控制装置100通过利用流体系统10的端口提供流动通道(flow passage)中的流体。例如，流体控制装置100可以通过经由流体系统10的入口或出口施加压力到流体系统10来推动流体，或者可以通过施加真空而吸引流体。在这点上，流体控制装置100可以被称为空气真空排气(air vacuum vent，AVV)系统。
参照图1，流体控制装置100包括：泵和阀阵列110，其选择性地提供压力或真空；以及中间容器120，其连接在泵和阀阵列110与流体系统10之间。中间容器120包括用于存储从流体系统10排出的流体15的储藏单元121。此外，中间容器120包括第一通孔122和第二通孔123(分别通过中间容器120的内壁连接到储藏单元121)。例如，第一通孔122和第二通孔123可以通过中间容器120的侧表面(lateral surface)连接到储藏单元121的上部。第一通孔122将来自泵和阀阵列110的压力或真空提供给储藏单元121，第二通孔123可以将提供给储藏单元121的压力或真空输出到外部例如到流体系统10。
此外，流体控制装置100还可以包括：第一管道130，连接在泵和阀阵列110与第一通孔122之间；以及第二管道131，连接在第二通孔123与外部之间，从而第二管道131可以连接在第二通孔123与流体系统10之间。因此，从泵和阀阵列110输出的压力和真空可以通过第一管道130和第一通孔122提供到储藏单元121，并可以通过第二通孔123和第二管道131提供给流体系统10。
在实施例中，由于中间容器120(其包括储藏单元121)设置在泵和阀阵列110与流体系统10之间，所以当通过施加真空来牵引流体系统10中的流体时，流体15进入泵和阀阵列110的流动被实质上减少或有效防止。换句话说，流体15(其从流体系统10排出并经过第二通孔123)可以聚集在中间容器120的储藏单元121中。从而，泵和阀阵列110可以持续施加真空到流体系统10。此外，所选量的流体可以从流体系统10排出，从而当施加真空之后向流体系统10施加压力时，可以实质上减少或有效防止过量的流体(如果存在)停留在泵和阀阵列110与流体系统10之间的通道中。因此，通过在泵和阀阵列110与流体系统10之间设置中间容器120(其包括储藏单元121)，泵和阀阵列110可以交替且反复地向流体系统10提供压力和真空而不会停下来。因此，通过只采用一个端口(例如入口或出口)，流体系统10中的流体可以被控制而不受限制。
图2是示出流体控制装置100的泵和阀阵列110的构造的示范性实施例的示意图。参照图2，泵和阀阵列110包括：泵系统101，包括提供压力的压力单元101a和提供真空的真空单元101b；多个调节器，包括第一到第四调节器102、103、104和105，分别连接到泵系统101的压力单元101a和真空单元101b；以及阀系统109，包括第一阀106、第二阀107和第三阀108，其分别选择第一到第四调节器102、103、104或105之一以输出所选的压力或所选的真空。第一到第四调节器102、103、104和105分别输出压力或真空并恒定地保持输出。为此，第一到第四调节器102、103、104和105可以被预先设置使得所选量的压力或真空被输出。
根据实施例，泵系统101可以包括泵，该泵同时提供压力和真空。在实施例中，压力单元101a的输出端口和真空单元101b的输出端口可以设置在泵中。在实施例中，一个泵同时提供压力和真空，从而压力单元101a的输出端口和真空单元101b的输出端口可以设置在一个泵中。例如，如果流体系统10是诸如芯片上实验室(LOC)的微型系统(其并不需要大量的压力或真空)，则泵系统101可以仅包括一个泵。可选地，泵系统101可以包括提供压力的压力泵和提供真空的真空泵。从而在实施例中，压力泵在压力单元101a中而真空泵在真空单元101b中。例如，如果流体系统10是大尺寸的系统(例如可以在工厂中发现的)，则泵系统101可以既包括压力泵也包括真空泵。
此外，如图2所示，第一到第四调节器102、103、104和105可以包括：第一调节器102和第二调节器103，其连接到泵系统101的压力单元101a并分别输出不同程度的压力；以及第三调节器104和第四调节器105，其连接到泵系统101的真空单元101b并分别输出不同程度的真空。例如，第一调节器102可以将来自压力单元101a的压力改变成较低压力并恒定地输出该压力，第二调节器103可以设定为将来自压力单元101a的压力改变成较高压力并恒定地输出该压力。较低压力和较高压力是相对于彼此的，表明从第二调节器103输出的压力大于从第一调节器102输出的压力。以相同的方式，第三调节器104输出来自真空单元101b的较高的真空，第四调节器105可以将来自真空单元101b的真空改变成较低的真空并输出该真空。较高真空和较低真空也是相对于彼此的。例如，第三调节器104可以保持由真空单元101b提供的真空状态以具有最大的真空，第四调节器105可以减小由真空单元101b提供的真空并输出该真空。
在实施例中，阀阵列109(分别包括第一阀106、第二阀107和第三阀108)可以包括：第一阀106，其连接到第一调节器102和第二调节器103并只选择第一调节器和第二调节器之一的压力；第二阀107，其连接到第三调节器104和第四调节器105，并只选择第三调节器和第四调节器之一的真空；以及第三阀108，其连接到第一阀106和第二阀107，并只选择第一阀106和第二阀107之一的输出。例如，第一阀106的第一压力输入端口106a可以连接到第一调节器102，第二压力输入端口106b可以连接到第二调节器103。此外，第二阀107的第一真空输入端口107a可以连接到第三调节器104，第二真空输入端口107b可以连接到第四调节器105。第三阀108的第一阀输入端口108a可以连接到第一阀106的第一输出端口106c，第二阀输入端口108b可以连接到第二阀107的第二输出端口107c。
第一阀106、第二阀107和第三阀108的每个可以选择其两个输入之一并根据开/关状态输出该输入。例如，第一到第三阀106、107和108可以是电磁阀(solenoid valve)。例如，在关状态，第一阀106、第二阀107和第三阀108可以将到第一压力输入端口106a、第一真空输入端口107a和第一阀输入端口108a的输入分别向第一输出端口106c、第二输出端口107c和第三输出端口108c输出。在开状态，第一阀106、第二阀107和第三阀108可以将到第二压力输入端口106b、第二真空输入端口107b和第二阀输入端口108b的输入分别向第一到第三输出端口106c、107c和108c输出。
在此构造中，如果第三阀108处于关状态，则第三阀108将来自第一阀106的输出通过第三输出端口108c输出。从而，在实施例中，来自压力单元101a的压力可以施加到流体系统10。如果第一阀106处于关状态，则低压施加到流体系统10，如果第一阀106处于开状态，高压施加到流体系统10。因此，在该实施例中，第二阀107的状态并不重要。
在一实施例中，如果第三阀108处于开状态，则第三阀108将来自第二阀107的输出经由第三输出端口108c输出到外部。因此，在此实施例中，来自真空单元101b的真空可以施加到流体系统10。例如，如果第二阀107处于关状态，高真空被施加到流体系统10；如果第二阀107处于开状态，低真空被施加到流体系统10。在该实施例中，第一阀106处于开状态还是关状态并不重要。如上所述，不同的压力和不同的真空可以被选择并提供给流体系统10。图3是示出上述泵和阀阵列110的操作状态的示例的表。
在图2中，泵和阀阵列110仅包括四个调节器(两个用于压力、两个用于真空)并且三个阀被示出。然而，以上泵和阀阵列110仅是为了描述的方便而示出的示例，还可以根据流体系统10的规格而设计成其它的构造。压力和真空的量可以被进一步细分，例如，可以使用具有八个调节器和七个阀的泵和阀阵列。此外，调节器和阀可以被布置为进一步细分压力的量或真空的量。为了阻止流体系统10中的流体，调节器之一可以被设计为输出大气压力。
图4和图5是示出在采用上述流体控制装置100的流体系统10中流体流动的控制方法的示范性实施例的示意图，其中流体系统10为LOC的形式。参照图4，流体系统10具有其中入口12、出口13和腔室14(反应可以在这里发生)设置在衬底11上的结构。在相关技术中，腔室14中的反应所需的试剂或流体(例如样品)简单地从入口12流动到出口13。然而，当根据当前实施例(例如，AVV系统)的流体控制装置100连接到出口13时，流体可以被控制为在两个方向流动。因此，流体的流入和流出可以被控制在任意方向。在相关技术中，为了以此方式进行控制，除了入口12和出口13之外还使用其它端口，还期望经由添加的端口提供流体的系统。因此，当多个腔室14设置在衬底11上的阵列中时，流体控制装置与LOC之间的接口(interface)变得更加复杂。
然而，通过利用根据实施例的流体控制装置100，可以显著降低上述复杂度。尽管在图4中流体控制装置100连接到出口13，但流体控制装置100可以可选地连接到入口12。此外，如图5所示，流体控制装置100可以连接到入口12和出口13二者。
应当理解，这里描述的示范性实施例应被认为仅是描述性的而不是为了限制的目的。对每个实施例中的特征或方面的描述应被认为可用于其它实施例中的其它类似特征或方面。

Claims (13)

1.一种用于驱动流体系统中的流体的流体控制装置，包括：
泵和阀阵列，选择性地提供各种程度的压力或真空；以及
中间容器，连接在所述泵和阀阵列与所述流体系统之间，所述中间容器包括储藏单元，该储藏单元存储从所述流体系统排出的流体。
2.如权利要求1所述的流体控制装置，其中所述泵和阀阵列包括：
泵系统，包括提供气压的压力单元和提供真空的真空单元；
多个调节器，分开连接到所述泵系统的所述压力单元和所述真空单元，并输出气压或真空；以及
阀系统，选择调节器以输出气压或真空。
3.如权利要求2所述的流体控制装置，其中所述泵系统还包括提供气压的压力泵和提供真空的真空泵。
4.如权利要求2所述的流体控制装置，其中所述泵系统同时提供气压和真空。
5.如权利要求2所述的流体控制装置，其中所述多个调节器包括：
第一调节器和第二调节器，连接到所述泵系统的所述压力单元并输出不同程度的压力；以及
第三调节器和第四调节器，连接到所述泵系统的所述真空单元并输出不同程度的真空。
6.如权利要求5所述的流体控制装置，其中所述阀系统包括：
第一阀，连接到所述第一调节器和所述第二调节器并选择所述第一调节器和所述第二调节器之一的压力；
第二阀，连接到所述第三调节器和所述第四调节器并选择所述第三调节器和所述第四调节器之一的真空；以及
第三阀，连接到所述第一阀和所述第二阀之一并选择所述第一阀和所述第二阀的输出。
7.如权利要求6所述的流体控制装置，其中所述第一阀到所述第三阀是电磁阀。
8.如权利要求2所述的流体控制装置，其中所述多个调节器之一输出与大气压力相等的压力。
9.如权利要求1所述的流体控制装置，其中所述中间容器还包括：
第一通孔，将来自所述泵和阀阵列的压力或真空提供到所述储藏单元；以及
第二通孔，将提供到所述储藏单元的压力或真空输出到外部。
10.如权利要求9所述的流体控制装置，还包括：
第一管道，连接在所述泵和阀阵列与所述第一通孔之间；以及
第二管道，连接在所述第二通孔与所述流体系统之间。
11.如权利要求9所述的流体控制装置，其中，如果施加真空，从所述流体系统通过所述第二通孔提供的流体聚集在所述储藏单元中。
12.如权利要求1所述的流体控制装置，其中所述流体系统包括芯片上实验室。
13.如权利要求6所述的流体控制装置，其中
所述第一阀仅选择所述第一调节器和所述第二调节器之一的压力；
所述第二阀仅选择所述第三调节器和所述第四调节器之一的真空；以及
所述第三阀仅选择所述第一阀和所述第二阀中的一个输出。
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