CN107620804B

CN107620804B - 流体控制装置

Info

Publication number: CN107620804B
Application number: CN201710244446.2A
Authority: CN
Inventors: 梁骞; 黄菘斌; 锺崴宇
Original assignee: Delta Electronics International Singapore Pte Ltd
Current assignee: Delta Electronics International Singapore Pte Ltd
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2037-04-14
Also published as: CN107620804A; TW201802383A; US20180017175A1; TWI666398B; US10309545B2

Abstract

本发明公开一种流体控制装置，其包含流体岐管部、旋转阀定子、旋转阀转子及双驱动单元。流体岐管部包含与样品反应单元连接的微管道及与流体源连接的流体源输入管道。当旋转阀转子转至预设位置时，流体源输入管道经由旋转阀定子的穿孔及旋转阀转子的沟槽而与微管道连接。第一驱动单元驱动旋转阀转子的转动。第二驱动单元驱动旋转阀转子或旋转阀定子的移动，以调整旋转阀转子与旋转阀定子的距离，使得当旋转阀转子转动时，旋转阀转子与旋转阀定子之间具有间隙，且当旋转阀转子转动至预设位置后，旋转阀转子紧贴于旋转阀定子。

Description

流体控制装置

技术领域

本发明涉及一种流体控制装置，尤其涉及一种具有内建旋转阀及双驱动单元的流体控制装置。

背景技术

随着科技进步及交通工具便利性，传染性疾病的传播速率也被加速，如SARS、禽流感、登革热等疾病的传染，是现今全球所需面对的挑战。因而，提出有效的防治策略，快速的进行疑似病例的检测与确认，进行早期隔离或确认治疗的方式，是现在检测医学所努力的目标，故研发传染性疾病的“即时就地检测手段”，是相当重要的议题。

而在大部分临床试验及诊断中，例如蛋白纯化及细菌培养等的流体处理及调控过程中，一连串的样品处理步骤，包括组织分离(tissue dissociation)、细菌捕捉(bacteriacapture)、细胞裂解(cell lysis)、核酸萃取(nuclear acid extraction)及清洗等，都是不可避免的。这些处理步骤通常需要复杂的实验流程，且通常由专业研究人员在中心实验室利用试管、吸量管及相关设备进行操作。

“芯片实验室(lab-on-a-chip)”则是近年来被提出的新颖性概念，提出将不同微型元件整合于同一平台，达到现今所提出“即时就地照护(Point of Care,POC)”与“体外诊断(In Vitro Diagnostics,IVD)”的目标，其精髓便是建构“体积小”、“准确性高”、及“即时诊断”的医疗检测平台。这样的平台主要是通过微流体技术来达成，使得各种生物及化学样品或试剂能在名片大小的芯片或卡匣中进行处理。

在典型的微流体装置中，许多实验室功能，例如流体抽送(flow pumping)、阀门控制(valving)、混合、加热、反应等，都被精密地整合在芯片上，且复杂的样品处理过程通常由程式进行控制，以实现自动化操作。然而，大部分在实验室开发的芯片实验室技术并不适用在工业应用。举例来说，在分子诊断时，用于样品测试的微流体芯片必须是低成本、容易量产且为一次性使用产品，因此，利用射出成型或热压成型制造的塑胶芯片或卡匣仍然被普遍使用。由于塑胶微流体芯片或卡匣无法完全实现芯片实验室功能，在大多数这些微流体装置的多槽体间的流体分配及调控必须高度依赖各种外部的帮浦、阀、传感器及致动器。在大部分这些设计中，每一个槽体及微流体通道都是由一或更多独立的阀来调控，因此，对应的流体路径的连接或分离都是通过对应的阀的开启或关闭来控制。

然而，这样的设计虽然能够成功的在系统中输送流体，但是成本相当高且通常会占据大量空间。此外，流体控制阀、帮浦及微流体装置之间大部分皆由塑胶软管连接，然而塑胶软管除了寿命短、占空间之外，在生产线组装时，更有繁复、耗时且易出错的问题，故有不易制造及良率与可靠度低的缺点，因此不适用于量产，且缺乏模块化设计，无法让其他系统在无须重新设计的情况下直接使用。

此外，旋转阀也被广泛应用在多流体系统的流体控制，而为了避免旋转阀操作时产生渗漏，通常会在定子及转子交界面上施加压力以提供较佳密封度。然而，加强密封虽然可以避免渗漏，但也因此产生了现在大部分旋转阀所具有的两个缺点。首先，当旋转阀从一位置转至下一位置时，需要高旋转力矩来克服定子及转子之间的摩擦力，故通常必须采用相当大的马达，也因而使得整个系统的体积、成本及电力消耗增加。另一个缺点则是摩擦力会造成定子及转子的磨损，故会降低装置的使用寿命。

因此，提供一种可改善现有技术缺点的流体控制装置实为本领域的人士需要努力的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流体控制装置，其利用内建旋转阀来进行流体切换，以降低成本及设备空间，同时提升可靠度及制造便利性。特别地，本发明的流体控制装置还具有双驱动单元，其中第一驱动单元系驱动旋转阀转子的转动，第二驱动单元则驱动旋转阀转子或旋转阀定子的纵向移动，以调整旋转阀转子与旋转阀定子之间的距离，使得当旋转阀转子转动时，旋转阀转子与旋转阀定子之间具有一间隙，且当旋转阀转子转动至一预设位置后，旋转阀转子紧贴于旋转阀定子，由此可于流体流通时提升密封效果以及降低流道切换时的磨擦损耗，且可采用低力矩驱动单元而降低成本及装置体积，并利于转子与定子的表面材料选择。

本发明的又一目的在于提供一种流体控制装置，其利用流体岐管部的微管道来输送流体，以避免现有技术使用塑胶软管来输送流体所产生的缺点。

本发明的再一目的在于提供一种流体控制装置，其通过旋转阀定子上的沟槽及穿孔与旋转阀转子上的沟槽的对位关系，来实现多重流体路径的切换。

为达上述目的，本发明的一较广义实施方式为提供一种流体控制装置，与一具多槽体的样品反应单元连接，用以调控一多流体系统的流体运作。该流体控制装置包含一流体岐管部、一包含旋转阀定子及旋转阀转子的旋转阀、一第一驱动单元及一第二驱动单元。该流体岐管部包含一本体、多个微管道及多个流体源输入管道，其中每一该微管道贯穿该流体岐管部的本体，且与该样品反应单元的一对应槽体连接，该多个流体源输入管道与多个流体源连接。该旋转阀定子设置于该流体岐管部的底部且具有多个穿孔，该旋转阀转子设置于该旋转阀定子的底部且具有至少一沟槽。当该旋转阀转子旋转至一预设位置时，该流体源输入管道经由该旋转阀定子的该穿孔及该旋转阀转子的该沟槽而与该多个微管道的至少其中之一连接，以连通至少一对应的流体路径，使得该流体源所提供的流体经由该被连通的流体路径而导向该样品反应单元的该对应槽体，进而调控该对应槽体的流体运作。第一驱动单元与该旋转阀转子连接并驱动该旋转阀转子的转动。第二驱动单元与该旋转阀转子及该旋转阀定子的至少其中之一连接并驱动其移动，以调整该旋转阀转子与该旋转阀定子之间的距离，使得当该旋转阀转子转动时，该旋转阀转子与该旋转阀定子之间具有一间隙，且当该旋转阀转子转动至一预设位置后，该旋转阀转子紧贴于该旋转阀定子。

附图说明

图1为本发明的流体控制装置及样品反应单元示意图。

图2A为本发明较佳实施例的流体控制装置移除部分壳体的示意图。

图2B为图2A中旋转阀转子与旋转阀定子之间具有一间隙的示意图。

图3为图2A所示的流体控制装置的爆炸图。

图4A及图4B为流体岐管部的不同角度示意图。

图5A及图5B为旋转阀定子的不同角度示意图。

图6A及图6B为旋转阀转子的不同角度示意图。

图7为流体岐管部、衬垫、旋转阀定子及旋转阀转子的透视图。

图8A为旋转阀定子的顶面示意图。

图8B为旋转阀转子的顶面示意图。

图9为流体控制装置与样品卡匣组合示意图。

图10A及图10B为图9的样品卡匣的不同角度示意图。

图11A及图11B显示旋转阀转子旋转至不同位置时，旋转阀转子与旋转阀定子组合结构的透视图。

【符号说明】

1：流体控制装置 11：流体岐管部

110：本体 111：安装槽

112：容置槽 113：顶面

114：底面 115：孔洞

116：微管道 1161：第一开口

1162：第二开口 117：流体源输入管道

1171：第三开口 1172：第四开口

12：旋转阀定子 120：本体

121：顶面 121a：内部区域

121b：外部区域 122：底面

123：孔洞 124、124a、124b、124c：第一沟槽

125：第一穿孔 126：第二穿孔

127：第二沟槽 13：旋转阀转子

131：顶面 131a：内部区域

131b：外部区域 132：底面

133：第三沟槽 134：孔洞

141：第一壳体 142：第二壳体

15：转子连接部件 151：孔洞

16：衬垫 161：孔洞

162：穿孔 171：第一固定元件

172：第二固定元件 2：第一驱动单元

20：驱动组件 21：涡杆

22：齿轮 221：中轴

3：第二驱动单元 30：驱动组件

31：导螺杆 32：滑动螺帽

4：流体源 41：第一流体源

42：第二流体源 5：样品反应单元

50：槽体 501-509：槽体

501a-509a：开孔 51：样品卡匣

51a：顶面 51b：底面

52：微流体芯片 621-629：穿孔或沟槽

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明提供一种流体控制装置，与一具多槽体的样品反应单元连接，用以调控一多流体系统(multi-fluid-system)的流体运作，使多槽体中的流体，例如样品或反应试剂等，往预定的方向流动。请参阅图1，其为本发明较佳实施例的流体控制装置及样品反应单元示意图。如图1所示，样品反应单元5承载于流体控制装置1上，且样品反应单元5可为一样品卡匣(sample cartridge)51或微流体芯片(microfluidic chip)52。样品反应单元5具有多个槽体(multiple chambers)50，例如但不限于样品存放槽体、裂解缓冲液存放槽体、清洗缓冲液存放槽体、冲提缓冲液存放槽体、抗体存放槽体、反应槽体、废液槽体、及产物收集槽体等，用以进行各项生医或化学试验及检测，例如核酸萃取、蛋白质纯化、临床疾病检测、新药研发、或其他生医或化学研究等。在这些试验及检测过程中，样品或试剂须根据反应流程，自存放槽体流至反应槽体，而废液也须收集至废液槽体，故本发明的目的即在提供流体控制装置，其利用内建旋转阀(build-in rotary valve)来驱动及调控多槽体间的流体分配(dispensing)及处理(processing)，而进一步达成自动化试验或检测的目的，且更采用双驱动单元来降低旋转阀转动时的摩擦力，进而使得整个装置的体积及成本降低，使用寿命延长，并有利于旋转阀转子与旋转阀定子的材料选择。

请参阅图1至图3。图2A为本发明较佳实施例的流体控制装置移除部分壳体的示意图，图2B为图2A中旋转阀转子与旋转阀定子之间具有一间隙的示意图，图3为图2A所示的流体控制装置的爆炸图。如图1至图3所示，流体控制装置1主要包含一流体岐管部(fluidmanifold)11、一旋转阀定子(valve stator)12、一旋转阀转子(valve rotor)13、一第一驱动单元2及一第二驱动单元3。旋转阀定子12及旋转阀转子13构成内建旋转阀，旋转阀定子12设置于流体岐管部11的底部，旋转阀转子13设置于旋转阀定子12的底部。第一驱动单元2与旋转阀转子13连接并驱动旋转阀转子13的转动，第二驱动单元3则与旋转阀转子13与旋转阀定子12的至少其中之一连接并驱动其移动，以调整旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的距离，使得当旋转阀转子13转动时，旋转阀转子13与旋转阀定子12之间具有一间隙，且当旋转阀转子13转动至一预设位置后，旋转阀转子13紧贴于旋转阀定子12。

在一实施例中，流体控制装置1更包含一第一壳体141及一第二壳体142。第一壳体141容置旋转阀转子13及部分的旋转阀定子12，第二壳体142则容置部分的第一驱动单元2及部分的第二驱动单元3。在一实施例中，流体岐管部11、第一壳体141及第二壳体142叠置固定并组合形成一模块化结构。当然，流体岐管部11、第一壳体141及第二壳体142间可利用固定元件进行固定，固定元件可为但不限于螺丝或定位销，用以穿设于流体岐管部11、第一壳体141及第二壳体142的对应孔洞中，以组合及固定流体岐管部11、第一壳体141及第二壳体142。

在一实施例中，流体控制装置1更包含多个流体源(fluid source)4，例如第一流体源41及第二流体源42，其与流体岐管部11连接，以提供流体，且该流体可为气体或液体。在一实施例中，流体源4可为气体源，例如一帮浦(pump)，且第一流体源41及第二流体源42分别为具有低于及高于大气压力的气体，亦即第一流体源41及第二流体源42分别提供负压及正压至流体控制装置1。在此实施例中，由于流体源4皆为气体，可避免流体源为液体所可能产生液体残留而导致污染的问题。

在另一些实施例中，流体源4可为加压气体(compressed gas)、真空源(vacuumsource)、液体储存槽(liquid reservoir)或其组合。第一流体源41及第二流体源42可同时为气体源，同时为液体源，或是分别为气体源及液体源。

在一实施例中，流体控制装置1更包含至少一感测器(未显示)，例如压力感测器(pressure sensor)、流速感测器(flow rate sensor)、温度感测器(temperaturesensor)、pH计(pH meter)、或其他类型的感测器，其与流体岐管部11连接，用以感测流体岐管部11内部信号，例如压力大小、流速、温度、pH值等。

在一实施例中，流体控制装置1更包含一电路板(未显示)及一微控制器(未显示)，其与流体源4、感测器、第一驱动单元2及第二驱动单元3连接，用以控制流体源4、感测器、第一驱动单元2及第二驱动单元3依据预定程式进行运作，由此将流体源4提供的流体导向样品反应单元5的槽体50，以调控槽体50间的流体运作。

请再参阅图1至图3，并配合图4A至图6B，其中图4A及图4B为流体岐管部的不同角度示意图，图5A及图5B为旋转阀定子的不同角度示意图，图6A及图6B为旋转阀转子的不同角度示意图。流体岐管部11具有一本体110、一安装槽111及一容置槽112，其中，安装槽111设置于本体110的一顶面113，用以安装样品卡匣51或微流体芯片52于其上，容置槽112设置于本体110的一底面114，且其形状大致对应旋转阀定子12且略大于旋转阀定子12，用以容置旋转阀定子12于其中。在一实施例中，安装槽111为一内凹的平台(concaved platform)，例如但不限于沟槽(groove)、插槽(slot)、卡夹(clip)等。安装槽111的深度约介于0.1mm至10mm之间，其取决于样品反应单元2的尺寸，且较佳介于0.5mm至5mm之间。

在一实施例中，流体岐管部11的材质可为但不限于金属、木材、塑胶、聚合物或玻璃等，且其制造方式可为但不限于电脑数控加工(CNC machining)、铸造(casting)、射出成型(inject molding)、3D列印(3-dimentional printing)或层层粘合(layer-to-layerbonding)。

在一实施例中，流体岐管部11的底面114形状可为平面(flat)、球面(spherical)、弧面(cambered)、圆锥面(cone-shaped)、或其他能与旋转阀定子12的顶面相贴合的表面。

旋转阀定子12大致呈但不限于薄型圆柱体状，具有一本体120、一顶面121及一底面122。旋转阀转子13亦大致呈但不限于薄型圆柱体状，具有一本体130、一顶面131及一底面132。当旋转阀定子12与旋转阀转子13组装于流体控制装置1中时，旋转阀转子13的顶面131大致贴附于旋转阀定子12的底面122。

在另一些实施例中，旋转阀定子12的剖面形状不限于圆形，亦可为矩形、三角形、或其他不规则形状。在一实施例中，旋转阀定子12的径长约介于1mm至100mm之间，厚度约介于0.5mm至50mm之间。

在一实施例中，旋转阀定子12的顶面121的形状可为平面(flat)、球面(spherical)、弧面(cambered)、圆锥面(cone-shaped)、或其他能与流体岐管部11的底面114相贴合的表面。

在一实施例中，旋转阀定子12的顶面121直接贴附于流体岐管部11的底面114。在另一实施例中，流体控制装置1可选择性包含一衬垫(gasket)16，其设置于流体岐管部11的底面114及旋转阀定子12的顶面121之间，通过衬垫16变形提供的压力，可加强流体岐管部11与旋转阀定子12的密封度。在此实施例中，流体控制装置1更包含多个第一固定元件171，例如定位销(dowel pin)，用以穿设于流体岐管部11、衬垫16及旋转阀定子12的对应孔洞115、161及123中，以将衬垫16及旋转阀定子12固定于流体岐管部11底面114的容置槽112中。在一实施例中，孔洞115及123为盲孔(blind hole)，孔洞161为穿孔。当然，前述固定衬垫16、旋转阀定子12及流体岐管部11的方式不限于定位销，亦可利用凸部(extrusion)、螺丝(screw)、凹槽(groove)、键槽(hinge slot)或其他设计来达成。

在一实施例中，衬垫16的材质为橡胶(rubber)、弹性体(elastomer)、或其他软性塑胶(soft plastic)，且其厚度约介于0.1mm至5mm之间。在一些实施例中，尤其在低旋转力矩情况下，碟型弹簧并非必要，此时衬垫16即可提供软性弹簧(soft spring)的功效。除了增加流体岐管部11与旋转阀定子12的密封度外，衬垫16的另一功用在于可降低流体岐管部11底面114及旋转阀定子12顶面121的表面光洁度要求(surface finish requirement)。

在一实施例中，衬垫16表面形状可为平面(flat)、球面(spherical)、弧面(cambered)、圆锥面(cone-shaped)、或其他能与流体岐管部11的底面114及旋转阀定子12的顶面121形状相贴合的表面。

在另一些实施例中，旋转阀转子13的剖面形状不限于圆形，亦可为矩形、三角形、或其他不规则形状。在一实施例中，旋转阀转子13的径长约介于1mm至100mm之间，厚度约介于0.5mm至50mm之间。

请参阅图7，并配合图4A至图6B，其中图7为流体岐管部、衬垫、旋转阀定子及旋转阀转子的透视图。首先说明，衬垫16为可省略的元件，亦即旋转阀定子12可直接贴附于流体岐管部11的底部。如图所示，流体岐管部11包含多个微管道116，每一微管道116贯穿流体岐管部11的本体110，且在流体岐管部11的顶面113及底面114分别具有一第一开口1161及一第二开口1162。微管道116的第一开口1161的位置对应样品卡匣51或微流体芯片52底部开口的位置，该底部开口通往样品卡匣51或微流体芯片52的槽体50。微管道116可为直线形、弧形、L形、蛇形或其他任何形状，只要彼此不交错即可。在一实施例中，微管道116的径长约介于0.1mm至4mm之间。

在一实施例中，如图7所示，二或更多微管道116亦可共同开口于顶面113或底面114，亦即具有同一个第一开口1161或同一个第二开口1162，以增加更多流体路径的变化。

流体岐管部11更包含多个第三开口1171，其开口于但不限于流体岐管部11的一侧壁上，用以连接流体源4，使流体源4提供的流体可输入至流体岐管部11。第三开口1171经流体源输入管道117与流体岐管部11的底面114相连通，且流体源输入管道117于底面114具有一第四开口1172。在一实施例中，流体源输入管道117由第一管道117a、第二管道117b及第三管道117c构成，但不以此为限，只要能将流体源4提供的流体经由流体岐管部11导向旋转阀定子12的流道设计皆可适用于本发明。

衬垫16包含多个穿孔162，分别对应流体岐管部11的微管道116的第二开口1162及流体源输入管道117的第四开口1172而设置，并与微管道116及流体源输入管道117相连通。

在一实施例中，旋转阀定子12具有多个穿孔，例如第一穿孔125或第二穿孔126，旋转阀转子13具有至少一沟槽，例如第三沟槽133，当旋转阀转子13旋转至不同位置时，流体岐管部11的流体源输入管道117经由旋转阀定子12的穿孔及旋转阀转子13的沟槽而与流体岐管部11的多个微管道116的至少其中之一相连通，以将流体源4提供的流体导入特定微管道116所连接的样品反应单元5的槽体50，进而调控样品反应单元5的多槽体50间的流体运作。

在一实施例中，旋转阀定子12包含至少一第一沟槽124及多个第一穿孔125，第一穿孔125贯穿旋转阀定子12的本体120，第一沟槽124设置于旋转阀定子12的顶面121，且沿着顶面121延伸，并与第一穿孔125直接连接，也就是说，第一沟槽124会通过第一穿孔125，且第一穿孔125的一端开口于第一沟槽124中，其中，每一第一沟槽124与至少一个，较佳为至少两个第一穿孔125直接连接。至少部分的第一沟槽124或第一穿孔125与衬垫16的至少一穿孔162、流体岐管部11的微管道116的至少一第二开口1162或流体源输入管道117的至少一第四开口1172对应设置，使得第一沟槽124或第一穿孔125与流体岐管部11的微管道116及流体源输入管道117的流体路径相连通。在一实施例中，第一穿孔125的径长不大于第一沟槽124的宽度，且由流体岐管部11导入的流体可经由第一沟槽124及第一穿孔125分布在多重路径中并流至旋转阀定子12的底面122。

在一实施例中，第一沟槽124的宽度及深度约介于0.1mm至5mm之间，且第一沟槽124的剖面形状可为圆形、矩形、三角形、梯形、或其他形状，只要流体能流经第一沟槽124即可。在一实施例中，第一沟槽124沿圆形路径延伸，但不以此为限，亦可沿直线、弧形、蛇形、L型、T型或其他形状延伸。在一实施例中，旋转阀定子12包含第一沟槽124a、124b及124c，且第一沟槽124a、124b及124c分别沿着不同半径的同心圆延伸。

在一实施例中，旋转阀定子12更包含多个第二穿孔126，其贯穿旋转阀定子12的本体120，且未与第一沟槽124直接连接，亦即第一沟槽124不会通过第二穿孔126。第二穿孔126对应衬垫16的穿孔162、流体岐管部11的第二开口1162及流体源输入管道117的第四开口1172，而与流体岐管部11的微管道116及流体源输入管道117相连通。

在一实施例中，旋转阀定子12的底面122包含至少一第二沟槽127，其沿着底面122延伸，且与该第二穿孔126中的至少一个或至少两个穿孔直接连接，也就是说，第二沟槽127会通过第二穿孔126中的至少一个或至少两个穿孔，且第二穿孔126的一端开口于第二沟槽127中。在一实施例中，第二沟槽127的宽度及深度约介于0.1mm至5mm之间，且第二沟槽127的剖面形状可为圆形、矩形、三角形、梯形、或其他形状，只要流体能流经第二沟槽127即可。在一实施例中，第二沟槽127可沿圆形、直线、弧形、蛇形、L型、T型或其他形状的路径延伸。

旋转阀转子13设置于旋转阀定子12的底部，且旋转阀转子13的顶面131直接与旋转阀定子12的底面122接触。旋转阀转子13的顶面131包含至少一第三沟槽133或其他凹部图案。当旋转阀转子13旋转一特定角度以使旋转阀转子13转至一预设位置时，旋转阀转子13顶面131的第三沟槽133选择性与旋转阀定子12底面122的第二沟槽127、第一穿孔125及第二穿孔126连接，以实现流体切换(fluid switching)。

在一实施例中，第三沟槽133的宽度及深度约介于0.1mm至5mm之间，且第三沟槽133的剖面形状可为圆形、矩形、三角形、梯形、或其他形状，只要流体能流经第三沟槽133即可。在一实施例中，第三沟槽133可沿圆形、直线、弧形、蛇形、L型、T型、或其他形状的路径延伸。

请参阅图8A及图8B，其中图8A为旋转阀定子的顶面示意图，图8B为旋转阀转子的顶面示意图。在一实施例中，旋转阀定子12及旋转阀转子13可分别进一步区分成多个区域，且该等区域可以轴向区分、扇形区分、或以不规则方式区分。每一区域包含负责一类流体源调控的沟槽及/或穿孔。举例来说，如图8A及图8B所示，旋转阀定子12的顶面121及旋转阀转子13的顶面131分别包含两个区域，且以虚线区隔两个区域，其中，旋转阀定子12的顶面121包含内部区域121a及外部区域121b，旋转阀转子13的顶面131包含内部区域131a及外部区域131b。在一实施例中，旋转阀定子12的内部区域121a及旋转阀转子13的内部区域131a对应第一流体源41且共同参与第一流体源41的调控，例如负压的调控，而旋转阀定子12的外部区域121b及旋转阀转子13的外部区域131b对应第二流体源42且共同参与第二流体源42的调控，例如正压的调控。

当然，区域划分不限于图8A及图8B所示的两个区域，亦可为三个或更多区域，例如以轴向由内而外或以扇形区分为三个区域。配合旋转阀的作动，这些区域可依据预定程式而独立运作。在一些实施例中，当旋转阀转子13旋转至一或更多预设位置时，一或更多的沟槽124、127、133及穿孔125、126可连接至一或更多区域。

请再配合参阅图7。第一流体源41及第二流体源42由流体源输入管道117导入流体岐管部11，由于旋转阀转子13顶面131的第三沟槽133与旋转阀定子12底面122的第一穿孔125、第二穿孔126及第二沟槽127的位置有对应关系，以及旋转阀定子12顶面121的第一沟槽124、第一穿孔125及第二穿孔126与流体岐管部11底面114的微管道116的第二开口1162及流体源输入管道117的第四开口1172的位置有对应关系，当旋转阀转子13依据预定程式旋转一特定角度至一预设位置时，可使流体源输入管道117经由旋转阀定子12及旋转阀转子13而与特定的微管道116相连通，并将第一流体源41及第二流体源42提供的流体导入特定微管道116所连接的样品反应单元5的槽体50，进而调控样品反应单元5的多槽体50间的流体运作。特别的是，由于旋转阀定子12顶面121的第一沟槽124与多个第一穿孔125直接连接，故可实现多重流体路径的切换。

请再参阅图2A、图2B及图3。第一驱动单元2与旋转阀转子13连接并驱动旋转阀转子13的转动。在一实施例中，第一驱动单元2包含一驱动组件20及一传动组件，该传动组件包含一涡杆(worm)21及一齿轮(gear)22。驱动组件20较佳为马达，例如步进马达。驱动组件20带动涡杆21及齿轮22的转动，以进一步带动与齿轮22连接的旋转阀转子13的转动。在一实施例中，第一驱动单元2的齿轮22可直接与旋转阀转子13连接，亦可通过一转子连接部件15而与旋转阀转子13连接，其中，转子连接部件15可利用第二固定元件172固定于旋转阀转子13上，第二固定元件172可为但不限于螺丝或定位销，用以穿设于旋转阀转子13及转子连接部件15的对应孔洞134及151中，以组合及固定旋转阀转子13及转子连接部件15，而齿轮22则可通过一中轴221插设并固定于转子连接部件15。

当然，第一驱动单元2的驱动组件20不限于马达，亦可为旋转电磁阀(rotarysolenoid)、电磁铁(electromagnet)、热膨胀单元(thermal expansion unit)、光致动器(optical induced actuator)、气动组件(pneumatic component)、压动组件(piezoelectric component)、或是其他任何可根据工作流程驱动旋转阀转子13转动一特定角度的驱动组件。第一驱动单元2可直接驱动旋转阀转子13转动，亦可间接通过传动组件驱动旋转阀转子13转动，其中传动组件不限于前述的涡杆21及齿轮22，亦可为齿轮组(geargroup)、齿条(rack)、皮带(belt)、链条(chain)、螺杆(screw)或其组合。

在另一实施例中，旋转阀转子13亦可手动旋转，例如由操作者直接或间接通过把手(handle)或旋钮(knob)来转动旋转阀转子13。

第二驱动单元3与旋转阀转子13及旋转阀定子12的至少其中的一连接并驱动其移动，以调整旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的距离。如图2A、图2B及图3所示实施例，第二驱动单元3包含一驱动组件30及一传动组件，该传动组件包含一导螺杆(lead screw)31及一具有内螺纹的滑动螺帽(sliding nut)32。驱动组件30较佳为马达，例如步进马达。驱动组件30带动导螺杆31的转动，且在导螺杆31转动的同时，利用螺纹传动原理带动滑动螺帽32的纵向移动，以进一步带动与滑动螺帽32连接的旋转阀转子13的纵向移动，使得旋转阀转子13上升或下降。在此实施例中，滑动螺帽32亦通过转子连接部件15而与旋转阀转子13连接。图2A即显示旋转阀转子13上升而与旋转阀定子12紧贴的示意图，图2B则显示旋转阀转子13下降而与旋转阀定子12具有微小间隙G的示意图。

第二驱动单元3的目的在于调整旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的距离，故除了前述实施例通过驱动旋转阀转子13的纵向移动来达成之外，亦可通过驱动旋转阀定子12的纵向移动或是驱动旋转阀转子13及旋转阀定子12两者的纵向移动来达成。

当然，第二驱动单元3的驱动组件30不限于马达，亦可为电磁铁(electromagnet)、热膨胀单元(thermal expansion unit)、光致动器(optical induced actuator)、气动组件(pneumatic component)、压动组件(piezoelectric component)、或是其他任何可周期性驱动旋转阀转子13或旋转阀定子12的纵向移动，以调整旋转阀转子13与旋转阀定子12之间距离的驱动组件。第二驱动单元3可直接驱动旋转阀转子13或旋转阀定子12的纵向移动，亦可间接通过传动组件驱动旋转阀转子13或旋转阀定子12的纵向移动，其中传动组件不限于前述的导螺杆31及滑动螺帽32，亦可为齿轮(gear)、齿条(rack)、皮带(belt)、链条(chain)或其组合。

在另一实施例中，旋转阀转子13或旋转阀定子12的纵向移动亦可由操作者手动操作。

根据本发明的构想，当旋转阀转子13旋转一特定角度至一预设位置时，旋转阀转子13顶面131的第三沟槽133选择性与旋转阀定子12底面122的第二沟槽127、第一穿孔125及第二穿孔126连接，以实现多重流体路径的切换。在不牺牲旋转阀运作时的密封度的情况下，为了减低作用在旋转阀定子12及旋转阀转子13交界面上的强大力矩，本发明采用的技术方案即为利用双驱动单元来分别驱动旋转阀转子13的转动及调整旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的距离。第一驱动单元2负责驱动旋转阀转子13的转动，使旋转阀转子13旋转一特定角度至一预设位置，以连通特定流体路径，第二驱动单元3则负责驱动旋转阀转子13及/或旋转阀定子12的纵向移动，以调整旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的距离，使两者紧贴或保留微小间隙。一旦旋转阀转子13旋转至预设位置，第二驱动单元3即开始运作使旋转阀转子13与旋转阀定子12彼此紧贴，以产生优异的密封度。相反地，当旋转阀转子13要从一位置旋转至下一预设位置时，第二驱动单元3则拉开旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的距离，使两者保留微小间隙，以减小旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的摩擦力，使旋转阀转子13可以在几乎零摩擦力的情况下旋转。

在一实施例中，旋转阀转子13与旋转阀定子12架构为一开始即彼此紧贴，以确保密封良好，而在旋转阀运作时，第二驱动单元3拉开旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的距离，使两者保留微小间隙，以最小化旋转阀转子13转动时的阻力。在另一实施例中，旋转阀转子13与旋转阀定子12架构为一开始彼此分离，一旦旋转阀转子13旋转至预设位置，第二驱动单元3即开始运作使旋转阀转子13与旋转阀定子12彼此紧贴，以保有优异的密封度而避免流体渗漏。

根据本发明的构想，由于旋转阀转子13可以在几乎零摩擦力的情况下旋转，故在操作时只需要很小的力矩即可转动旋转阀转子13，也因此，第一驱动单元2的驱动组件20可以是微型马达或其他微型驱动组件，故可使得整个流体控制装置的体积大幅缩小，且降低成本及电力消耗，同时，最小化的摩擦力也可避免旋转阀转子13与旋转阀定子12的磨损，而提高装置的使用寿命。在一实施例中，第一驱动单元2的驱动组件20可为15mm甚至更小的步进马达，且可大部分包埋在第二壳体142中。另外，涡杆21及齿轮22的设计也可减小空间，且大大降低马达控制及转子旋转的误差，更使得整个装置可使用更小更便宜的马达。在一实施例中，流体控制装置的高度约为65mm或更小，可达成装置的微型化。

另一方面，由于密封及转动的需求被分开，使得旋转阀转子13与旋转阀定子12的表面光洁度要求降低，故可选用较柔软的材质来制作旋转阀转子13与旋转阀定子12，例如铁氟龙(Teflon，又称聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE))、尼龙(Nylon)、橡胶(rubber)、聚合物(polymer compound)及硅胶(silicone)等，只要能在承受外力时提供良好的密封度即可，且这些柔软材质可使成本降低。当然，在一些实施例中，旋转阀转子13与旋转阀定子12亦可由一般采用的金属材质制成，例如不锈钢、镍、钛，亦可由塑料、玻璃或陶瓷等材质制成，或是前述材料的混合物所制成。

因此，采用双驱动单元可将密封及转动的需求分开，由于旋转阀转子13在几乎零摩擦力的情况下旋转，故可使用低力矩的微型驱动单元，使得整个装置的体积及成本降低，同时避免旋转阀转子13与旋转阀定子12的磨损而提高装置的使用寿命，并有利于旋转阀转子13与旋转阀定子12的材料选择。

在一实施例中，流体控制装置1可更包含减速齿轮(reduction gears)及编码器碟片(encoder disks)，以提供更精准的控制。

以下将以实例进一步说明本发明流体控制装置的运作方式。请参阅图9、图10A及图10B，其中，图9为本发明的流体控制装置与样品卡匣组合示意图，图10A及图10B则为图9的样品卡匣的不同角度示意图。如图所示，样品卡匣51承载于流体控制装置1上，样品卡匣51的顶面51a具有多个槽体501至509，且多个槽体501至509之间以微管道相连接。样品卡匣51的底面51b具有多个开孔501a至509c，其经由微管道通往槽体501至509。在此实施例中，第一流体源41及第二流体源42为分别提供负压及正压的帮浦，且所提供的外部压力源经内建旋转阀切换流体路径后，会经由开孔501a至509c导入样品卡匣51的对应槽体501至509中。

请参阅图11A及图11B，其显示旋转阀转子旋转至不同位置时，旋转阀转子与旋转阀定子组合结构的透视图，其中，这些附图是从旋转阀转子底面向旋转阀定子方向观看的视图，且为较清楚显示旋转阀转子13的转动位置，旋转阀转子13顶面131的第三沟槽133以点状标示。请同时参阅图5A至图10B，在此实施例中，第一流体源41为负压帮浦，且经流体源输入管道117导引至旋转阀定子12内部区域121a中央的第二穿孔126位置(以V表示)，而第二流体源42则为正压帮浦，且经另一流体源输入管道117导引至旋转阀定子12的外部区域121b，且对应旋转阀定子12的第一沟槽124b位置(以P表示)。

当样品卡匣51承载于流体控制装置1上时，样品卡匣51底面51b的多个开孔501a至509c分别对应且连通流体岐管部11顶面113的多个第一开口1161，并经由流体岐管部11的微管道116进一步与旋转阀定子12的穿孔或621至629连接。

在一实施例中，旋转阀转子13以旋转角度来定义位置，且可包含20个位置(位置编号#1至#20)，其中两相邻的位置相隔18度。例如，旋转阀转子13从位置编号#1旋转18度后，即转至位置编号#2。在另一实施例中，每个位置可以非均匀配置，即两相邻的位置的相隔角度可以大于或者小于18度，并可根据旋转阀定子13及旋转阀转子13的沟槽及穿孔配置而有不同的设计，且旋转阀转子13的位置切换根据流体路径切换需求来进行，无须依照位置顺序转动。

图11A及图11B说明将流体自槽体501推进至槽体506，再接着将流体自槽体506推进至槽体507的步骤时，旋转阀所对应的流体切换方式。首先，旋转阀转子13处于原始位置，亦即位置编号#1(如第11A图所示)，此时第二驱动单元3作动促使旋转阀转子13与旋转阀定子12彼此紧贴，以产生优异的密封度。第二流体源42提供正压(P)至旋转阀定子12顶面121的第一沟槽124b，此时正压流体可经由旋转阀定子12的第一沟槽124b、与第一沟槽124b连接的第一穿孔125、以及与第一穿孔125连接的旋转阀转子13的第三沟槽133，而导向与第三沟槽133连接的旋转阀定子12的穿孔621，使得穿孔621被施予正压，且由于穿孔621可经由开孔501a通往槽体501，故可对槽体501施加正压。同时，第一流体源41提供负压(V)至旋转阀定子12中央的第二穿孔126，此时，负压流体可经由旋转阀定子12的第二穿孔126、与第二穿孔126连接的旋转阀转子13的第三沟槽133、与第三沟槽133连接的旋转阀定子12的第一穿孔125，以及与第一穿孔125连接的旋转阀定子12的第一沟槽124a，进而导向旋转阀定子12的沟槽626，使得沟槽626被施予负压，且由于沟槽626可经由开孔506a通往槽体506，故可对槽体506施加负压。因此，通过对槽体501施加正压以及对槽体506施加负压，可促使流体自槽体501推进至槽体506。

之后，第二驱动单元3作动拉开旋转阀转子13与旋转阀定子12之间的距离，使两者保留微小间隙，再由第一驱动单元2将旋转阀转子13以逆时针方向旋转18度至位置编号#2(如图11B所示)，接着第二驱动单元3再度作动促使旋转阀转子13与旋转阀定子12彼此紧贴，以产生优异的密封度。此时，第二流体源42提供正压(P)至旋转阀定子12顶面121的第一沟槽124b，此时正压流体仍可经由旋转阀定子12的第一沟槽124b、与第一沟槽124b连接的第一穿孔125、与第一穿孔125连接的旋转阀转子13的第三沟槽133、以及与第三沟槽133连接的旋转阀定子12底面122的第二沟槽127，而导向与第二沟槽127连接的旋转阀定子12的穿孔621，使得穿孔621被施予正压，且由于穿孔621可经由开孔501a通往槽体501，故可对槽体501施加正压。同时，第一流体源41提供负压(V)至旋转阀定子12中央的第二穿孔126，此时，由于与第二穿孔126连接的旋转阀转子13的第三沟槽133并未与任何旋转阀定子12的穿孔或沟槽连接，故流体路径被阻断，而不会对任何样品卡匣51的槽体施加负压。由于槽体501被持续施加正压，故可促使流体进一步从槽体506推进至槽体507，而完成此步骤的运作。

根据前述说明可知，样品卡匣51的多个槽体501至509间的流体运作依靠旋转阀定子12及旋转阀转子13上所设计的穿孔及沟槽配置，当旋转阀转子13旋转一特定角度至一预设位置时，可使得预定的流体路径被连通，以供第一流体源41所提供的负压及第二流体源42所提供的正压循着被连通的流体路径输送至流体岐管部11对应的微管道116，再接着输送至对应的样品卡匣51的槽体501至509，而对对应的槽体501至509施加正压或负压，以进一步使得对应的槽体501至509中的流体，例如样品或反应试剂等，往预定的方向流动，而达成调控槽体501至509的流体运作的目的。

由于图10A及图10B所示的样品卡匣51仅用以例示本发明的流体控制装置1如何参与调控样品卡匣51的多个槽体501至409间的流体运作，并非用以限制本发明，且当旋转阀转子旋转至不同位置时，其对应操作原理与图11A及图11B相仿，故不再多作赘述。

在一些实施例中，当样品反应单元5底部的开孔数量不同或少于流体岐管部11的第一开口1161数量时，只有部分的流体岐管部11的第一开口1161及其对应的微管道116可与样品反应单元5连接，其他的第一开口1161则自然被样品反应单元2的本体阻断，故在旋转阀转动时，连接至这些被阻断的第一开口1161的旋转阀转子13的位置可被略过。因此，通过模块化设计，本发明的流体控制装置1亦可适用于不同的样品反应单元5，更增加了本发明的流体控制装置1的适用性。

此外，通过选择性地定义旋转阀操作步骤，本发明的流体控制装置1可用来进行相当弹性及多样的样品处理流程。在一些实施例中，每一个旋转阀转子13位置及其转动顺序可被自由组合，以达成多样的样品处理流程。在许多生物、化学及生命科学试验的操作流程中，基本工作原理是相同的，只有在处理特定样品时，操作流程会有些微地不同。例如，感染性疾病诊断装置可用来检测范围相当广的样品，但针对每一待测样品，所需使用的化学试剂的种类、体积及数量，生物分析以及捕捉、裂解及纯化方法等并非完全相同，而本发明的流体控制装置1则可配合旋转阀的操作来进行这些弹性且多样的样品处理流程。

再者，由于本发明的流体控制装置1利用单一的内建旋转阀来进行流体切换，相较于利用电磁阀进行流体切换的现有技术，可大大降低成本及设备空间。另外，本发明的流体控制装置1利用流体岐管部11的微管道116连接样品反应单元5及旋转阀定子12，可避免使用塑胶软管所产生的寿命短、占空间、不易制造及良率与可靠度低的缺点，且本发明的流体控制装置1为模块化设计，可适用不同的样品反应单元，还具有工业应用价值。

另外，本发明采用采用双驱动单元的设计，使得旋转阀转子13在几乎零摩擦力的情况下旋转，故可使用低力矩的微型驱动单元，使得整个装置的体积及成本降低，同时避免旋转阀转子13与旋转阀定子12的磨损而提高装置的使用寿命，并有利于旋转阀转子13与旋转阀定子12的材料选择。

综上所述，本发明提供一种流体控制装置，其包含流体岐管部、旋转阀定子、旋转阀转子、第一驱动单元及第二驱动单元，其中，流体岐管部具有多个微管道，用以连接样品反应单元，且旋转阀定子上的沟槽及穿孔与旋转阀转子上的沟槽在旋转阀转子转动时有对应的对位关系，故当旋转阀转子转动至不同位置时，即可实现多重流体路径的切换，进而调控样品反应单元的多槽体间的流体运作，并利用双驱动单元来克服现有旋转阀转子转动时因高摩擦力所产生的缺点。另一方面，相较于现有技术，本发明的流体控制装置具有成本低、体积小、寿命长、较佳材料选择、易于制造及量产、良率与可靠度高、以及具有模块化设计等优点，因此具有较大潜力的工业应用价值。

纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本技艺人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims

1.一种流体控制装置，与一具多槽体的样品反应单元连接，用以调控一多流体系统的流体运作，其特征在于，该流体控制装置包含：

一流体岐管部，包含一本体、多个微管道及多个流体源输入管道，其中每一该微管道贯穿该流体岐管部的本体，且与该样品反应单元的一对应槽体连接，该多个流体源输入管道与多个流体源连接；

一旋转阀，包含一旋转阀定子及一旋转阀转子，其中该旋转阀定子设置于该流体岐管部的底部且具有至少一第一沟槽、至少一第二沟槽及多个穿孔，该第一沟槽及该第二沟槽分别设置于该旋转阀定子的一顶面及一底面，每一该第一沟槽及每一该第二沟槽与该旋转阀定子的该多个穿孔的至少一个穿孔直接连接，且至少部分的该旋转阀定子的该至少一第一沟槽及该多个穿孔与该流体岐管部的该多个微管道及该多个流体源输入管道相连通，该旋转阀转子设置于该旋转阀定子的底部且具有至少一沟槽，当该旋转阀转子旋转至一预设位置时，该流体源输入管道经由该旋转阀定子的该第一沟槽、该第二沟槽及该穿孔及该旋转阀转子的该沟槽而与该多个微管道的至少其中之一连接，以连通至少一对应的流体路径，使得该流体源所提供的流体经由该被连通的流体路径而导向该样品反应单元的该对应槽体，进而调控该对应槽体的流体运作；

一第一驱动单元，与该旋转阀转子连接并驱动该旋转阀转子的转动；以及

一第二驱动单元，与该旋转阀转子及该旋转阀定子的至少其中之一连接并驱动其移动，以调整该旋转阀转子与该旋转阀定子之间的距离，使得当该旋转阀转子转动时，该旋转阀转子与该旋转阀定子之间具有一间隙，且当该旋转阀转子转动至一预设位置后，该旋转阀转子紧贴于该旋转阀定子。

2.如权利要求1所述的流体控制装置，其中该第一驱动单元及该第二驱动单元分别包含一驱动组件及一传动组件。

3.如权利要求2所述的流体控制装置，其中该第一驱动单元的该驱动组件为一不大于15mm的步进马达。

4.如权利要求2所述的流体控制装置，其中该第一驱动单元的该传动组件包含一涡杆及一齿轮。

5.如权利要求2所述的流体控制装置，其中该第二驱动单元的该传动组件包含一导螺杆及一滑动螺帽。

6.如权利要求2所述的流体控制装置，其中该驱动组件为马达、电磁铁、热膨胀单元、光致动器、气动组件或压动组件。

7.如权利要求2所述的流体控制装置，其中该传动组件为为齿轮、齿条、皮带、链条、螺杆或其组合。

8.如权利要求1所述的流体控制装置，更包含一转子连接部件，连接于该旋转阀转子及该第一驱动单元之间。

9.如权利要求1所述的流体控制装置，其中该旋转阀转子及该旋转阀定子由铁氟龙、尼龙、橡胶、聚合物、硅胶、金属、塑料、玻璃、陶瓷或其混合物所制成。

10.如权利要求1所述的流体控制装置，其中该旋转阀转子及该旋转阀定子分别包含多个区域，该多个区域分别对应该多个流体源，用以调控对应的该流体源的流体路径的切换。

11.如权利要求1所述的流体控制装置，其中该多个流体源包含一正压流体源及一负压流体源。

12.如权利要求1所述的流体控制装置，其中该旋转阀定子的该至少一第一沟槽包含多个第一沟槽，且该多个第一沟槽分别沿着不同半径的同心圆延伸。

13.如权利要求1所述的流体控制装置，其中该旋转阀定子的该多个穿孔包含多个第一穿孔及多个第二穿孔，该多个第一穿孔与该至少一第一沟槽直接连接，该多个第二穿孔未与该至少一第一沟槽直接连接，且每一该至少一第一沟槽与该多个第一穿孔的至少两个穿孔直接连接。

14.如权利要求13所述的流体控制装置，其中该旋转阀定子的每一该至少一第二沟槽与该多个第二穿孔的至少一个穿孔直接连接。

15.如权利要求1所述的流体控制装置，其中该旋转阀转子的该至少一沟槽设置于该旋转阀转子的一顶面。

16.如权利要求1所述的流体控制装置，更包含一衬垫，其设置于该流体岐管部及该旋转阀定子之间。

17.如权利要求16所述的流体控制装置，其中该衬垫包含多个穿孔，其与该流体岐管部的该多个微管道及该流体源输入管道相连通。

18.如权利要求1所述的流体控制装置，其中该样品反应单元为一样品卡匣或一微流体芯片。