CN110520515A - 惯性泵 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及惯性泵。惯性泵可包括微流体通道、位于微流体通道中的流体致动器以及位于微流体通道中的止回阀。止回阀可包括可移动阀元件、位于可移动阀元件上游的窄通道区段以及形成在微流体通道中在可移动阀元件下游的阻挡元件。窄通道区段可具有的宽度小于可移动阀元件的宽度，使得当可移动阀元件定位在窄通道区段中时，可移动阀元件可阻挡流体流通过止回阀。阻挡元件可被配置为使得阻挡元件将可移动阀元件限制在止回阀内，同时当可移动阀元件抵靠阻挡元件定位时也允许流体流。

Description

惯性泵
背景技术
微流体涉及流体的行为、精确控制和操纵，所述流体在几何上被限制为小规模，通常从亚毫米低至若干微米。数种应用可受益于流体流动控制技术，诸如，泵送、阀等。由于微流体系统的小尺寸，这些部件可难以设计，并且通常涉及复杂性、尺寸、成本和有效性中的权衡。
附图说明
本公开的附加特征和优点将从详细描述中变得显而易见，以下的详细描述结合附图一起通过示例的方式示出了本技术的特征。
图1A是根据本公开的示例惯性泵的俯视示意图；
图1B是根据本公开具有打开的止回阀的示例惯性泵的侧视示意图；
图1C是根据本公开具有关闭的止回阀的示例惯性泵的俯视示意图；
图1D是根据本公开具有打开的止回阀的示例惯性泵的俯视示意图；
图2是根据本公开的示例止回阀的俯视示意图；
图3是根据本公开的示例止回阀的俯视示意图；
图4是根据本公开的示例止回阀的俯视示意图；
图5是根据本公开的示例止回阀的俯视示意图；
图6是根据本公开的示例止回阀的俯视示意图；
图7是根据本公开的示例止回阀的俯视示意图；
图8是根据本公开的示例惯性泵的侧视截面图；
图9是根据本公开的示例微流体装置的俯视示意图；
图10是根据本公开的示例微流体装置的俯视示意图；
图11是根据本公开的示例微流体装置的俯视示意图；
图12是根据本公开的示例微流体装置的俯视示意图；
图13是根据本公开的示例微流体装置的俯视示意图；
图14是根据本公开的示例微流体装置的俯视示意图；
图15是根据本公开的示例微流体装置的俯视示意图；以及
图16是用于根据本公开的止回阀的流体动力学模拟的几何形状的俯视示意图。
现在将对于本文示出的若干示例进行参考，并且本文将使用具体语言，以描述所述示例。然而，将理解的是，不由此旨在限制本公开的范围。
具体实施方式
本公开涉及惯性泵以及包括惯性泵的微流体装置。在一个示例中，惯性泵可包括微流体通道、位于微流体通道中的流体致动器以及位于微流体通道中的止回阀。止回阀可包括可移动阀元件、位于可移动阀元件上游的窄通道区段以及形成在微流体通道中在可移动阀元件下游的阻挡元件。窄通道区段可具有的宽度小于可移动阀元件的宽度，使得当可移动阀元件定位在窄通道区段中时，可移动阀元件阻挡流体流通过止回阀。阻挡元件可被配置为使得阻挡元件将可移动阀元件限制在止回阀内，同时当可移动阀元件抵靠阻挡元件定位时也允许流体流。
在某些示例中，流体致动器可为电阻器，所述电阻器被配置为产生蒸汽泡，以移动微流体通道中的流体。在特定示例中，微流体通道和止回阀可由光刻法制造。在一些情况下，可移动阀元件可具有圆柱或六角形块的形式。
在其它示例中，阻挡元件与窄通道区段之间的距离可为可移动阀元件的宽度的从1.1至5倍。在更进一步的示例中，惯性泵可在可移动阀元件与微流体通道的顶部和底部之间包括间隙。间隙可具有从约0.05μm至约4μm的高度。在另一示例中，止回阀可位于远离流体致动器从1μm至10μm。
在某些示例中，止回阀可位于流体致动器下游。在特定示例中，惯性泵还可包括位于流体致动器上游的第二止回阀。
本公开还可扩展到包括惯性泵的微流体装置。在一个示例中，微流体装置可包括流体储器、与流体储器连通的微流体通道、位于微流体通道中的流体致动器以及位于微流体通道中的止回阀。止回阀可包括可移动阀元件、位于可移动阀元件上游的窄通道区段以及形成在微流体通道中在可移动阀元件下游的阻挡元件。窄通道区段可具有的宽度小于可移动阀元件的宽度，使得当可移动阀元件定位在窄通道区段中时，可移动阀元件阻挡流体流通过止回阀。阻挡元件可被配置为使得阻挡元件将可移动阀元件限制在止回阀内，同时当可移动阀元件抵靠阻挡元件定位时也允许流体流。
在某些示例中，止回阀可被配置为允许流体流远离流体储器。在另一示例中，微流体装置还可包括与微流体通道连通的第二流体储器。止回阀可沿着微流体通道位于第一流体储器与第二流体储器之间。第二流体储器可具有比第一流体储器更高或更低的压力。
在另一示例中，微流体装置可包括：微流体混合通道；第一流体储器；第一惯性泵，流体地连接在第一流体储器与微流体混合通道之间，以将第一流体从第一流体储器泵送到微流体混合通道中；第二流体储器；以及第二惯性泵，流体地连接在第二流体储器与微流体混合通道之间，以将第二流体从第二流体储器泵送到微流体混合通道中。第一和第二惯性泵中的一个或两个可包括微流体通道、位于微流体通道中的流体致动器以及位于微流体通道中的止回阀。止回阀可包括可移动阀元件、位于可移动阀元件上游的窄通道区段以及形成在微流体通道中在可移动阀元件下游的阻挡元件。窄通道区段可具有的宽度小于可移动阀元件的宽度，使得当可移动阀元件定位在窄通道区段中时，可移动阀元件阻挡流体流通过止回阀。阻挡元件可被配置为使得阻挡元件将可移动阀元件限制在止回阀内，同时当可移动阀元件抵靠阻挡元件定位时也允许流体流。
在某些示例中，微流体装置还可包括：一个或多个附加第一惯性泵，流体地连接在第一流体储器与微流体通道之间；以及一个或多个附加第二惯性泵，流体地连接在第二流体储器与微流体混合通道之间。在另一示例中，微流体混合通道可通向到反应器。
许多微流体应用涉及控制流体流通过小微流体通道。例如，这些通道通常可具有小于100μm的宽度。因此，用于控制微流体通道中的流体流的部件通常尺寸非常小。以此规模构造泵和阀可具有挑战。先前解决方案的一些示例包括动态阀、蜡阀、毛细管截止阀、微机电(MEMS)阀、压电阀。这些解决方案具有各种缺点，诸如，高成本、复杂性、阀不能够被使用多于一次、阀的低效率、不能够抵抗压头工作以及慢响应时间。
附加地，已设想的是，惯性泵使用流体致动器，诸如，电阻器或压电元件，以移动微通道中的流体。流体致动器可在沿着微通道的点处，所述点相对于微通道的长度是不对称的。当流体致动器重复地移动流体时，诸如，通过在流体中重复地形成蒸汽泡，或致动压电元件，由于微通道中的流体移动以取代由气泡或压电元件移动的流体的惯性力，因此可实现流体在一个方向上的净流动。此类惯性泵可在微流体系统中创建流体流。然而，这些泵的缺点是不能够抵抗显著的压头工作。
因此，本公开提供了具有集成止回阀的惯性泵。止回阀可减少或基本上防止流体朝向惯性泵的流体致动器回流，甚至抵抗显著的压头。还可使用与用于形成微流体通道本身相同的技术而容易地制造止回阀。附加地，止回阀可利用若干微秒量级的响应时间而响应，即，响应于流体流动方向中的变化而打开和关闭。因此，本文描述的具有集成止回阀的惯性泵可解决先前在控制微流体流动领域中面临的许多问题。在一些应用中，本文描述的惯性泵可用于将不同流体从多个储器泵送到单个通道或反应器中，而止回阀可防止由于流体从一个储器进入其它储器而导致的交叉污染。在特定示例中，这可用于某些生物测试中，诸如，DNA测试，其中，测试可受益于反应物在被泵送到反应器中之前保持分离和未污染。
图1A-1D显示了根据本技术的惯性泵100的示例。图1A显示了惯性泵的俯视示意图，所述惯性泵包括微流体通道110、位于微流体通道中的流体致动器120以及位于微流体通道中的止回阀130。止回阀包括可移动阀元件140、窄通道区段150和阻挡元件160。如本文使用的，“止回阀”指的是从窄通道区段到阻挡元件被指定为附图标记130(在其它附图中，230、330、430等)的结构。在其它附图中，止回阀被相似地编号。
图1B显示了惯性泵100的侧视示意图。如此图中显示的，流体致动器可形成为微流体通道的底部上的板。在某些示例中，流体致动器可为热敏电阻或压电元件。窄通道区段150可形成为微流体通道的壁的整体部分。在此示例中，窄通道区段形成为从微流体通道的壁向内延伸的方形突起。可移动阀元件140可从微流体通道的底部和顶部断开连接，如图1B中显示的。因此，可移动阀元件可在止回阀中与流体流自由移动。在此示例中，阻挡元件160形成为从微流体通道的顶部延伸到底部的方形柱。在其它示例中，阻挡元件可形成为不同的形状，所述形状将有效地将可移动阀元件限制在止回阀中，同时还允许流体流经过。阻挡元件可固定就位，使得阻挡元件不与流体流移动。
图1C显示了当止回阀130在关闭位置中时惯性泵100的俯视示意图。可移动阀元件140定位在由窄通道区段形成的间隙中。可移动阀基本上阻挡或大部分阻挡窄通道区段，使得基本上停止或减少通过窄通道区段的流体流。取决于可移动阀元件的高度以及可移动阀元件上方和下方的间隙，在可移动阀元件上方和下方仍可产生少量的流体流。例如，当流体致动器120不活动，并且在微流体通道中在止回阀下游存在有更高压力时，止回阀可在此位置中。因此，止回阀可防止或减少由于下游压头而通过惯性泵的回流。
图1D显示了在打开位置中的惯性泵100的俯视示意图。可移动阀元件140抵靠阻挡元件160定位。阻挡元件被配置为使得阻挡元件可将可移动阀元件限制在止回阀130中，同时仍允许流体流通过。具体地，在此示例中，阻挡元件被放置在微流体通道的中心中，并且被定尺寸为使得阻挡元件与微流体通道的壁之间的间隙对于使可移动阀元件穿过过于小。当流体在下游方向上流动时，可移动阀元件与流体流移动，并且变得嵌入在阻挡元件的一侧上。阻挡元件的另一侧上的间隙打开，以允许流体流动通过。
在某些示例中，惯性泵的流体致动器可为电阻器，所述电阻器被配置为产生蒸汽泡，以移动微流体通道中的流体。具体地，电阻器可被供电，以将电阻器上的流体快速加热超过流体的沸点。这可产生气泡，所述气泡膨胀，以迫使微通道中的周围流体远离电阻器。在周围流体被迫使远离电阻器时，止回阀可在打开位置中，以允许流体在下游方向上流动经过。气泡而后可瓦解。当气泡瓦解时，周围流体可流冲返回，以填充由气泡占据的体积。这时，电阻器下游的流体可倾向于朝向电阻器移动返回。然而，可移动阀元件可与移动返回的流体移动，并且快速关闭阀，从而阻挡阀下游的流体流动返回通过。而后，通过从电阻器上游抽取更多流体而填充由瓦解气泡占据的剩余体积。以此方式，可增加由惯性泵在下游方向上产生的净流率。
在其它示例中，流体致动器可为压电元件。这些示例可与包括热敏电阻的示例相似地工作，不同之处是，与电阻器形成气泡以移动流体相反，可将电流施加到压电元件，以导致压电元件改变形状，并且移动微流体通道中的流体。当关闭施加到压电元件的电流时，压电元件可恢复到其原始形状。来自压电元件上游的流体可填充由压电元件占据的体积，并且止回阀可关闭，以防止下游流体朝向压电元件流动返回。
如本文使用的，“下游”通常指的是当惯性泵活动时惯性泵被配置为产生的流体流的方向。在一些示例中，止回阀可位于流体致动器下游。当惯性泵活动时，流体致动器可重复地发动，使流体在下游移动，并且止回阀可重复地打开，以在流体致动器发动时允许下游流体流，并且而后关闭，以防止流体致动器的发动之间的回流。在可选示例中，流体致动器可位于止回阀下游。在此情况下，当流体致动器发动时，止回阀可关闭，防止流体致动器将流体移动返回通过止回阀。在流体致动器的发动之间，止回阀可打开，以允许流体在下游方向上流动，以取代由流体致动器移动的流体。如本文使用的，“上游”指的是与下游相对的方向。在上游方向上的流体流通常由止回阀防止或减慢。
在一些示例中，可选择可移动阀元件、窄通道区段和阻挡元件的形状和尺寸，以允许止回阀允许下游方向上的高流体流率，基本上阻挡或减少在上游方向上的流体流，并且提供快速响应时间。在某些示例中，在止回阀中在阻挡元件与窄通道区段之间的间隔可影响下游方向上的流体流率和止回阀的响应时间。更小的间隔可减少止回阀的响应时间，而更大的间隔可增加可用于使流体流动通过止回阀的空间，并且由此增加下游流体流率。在一个示例中，阻挡元件与窄通道区段之间的距离可为可移动阀元件的宽度的从1.1至5倍。在其它示例中，阻挡元件与窄通道区段之间的距离可为从约1μm至约500μm。
在许多示例中，可移动阀元件可被定形为圆柱。在此类示例中，可移动阀元件的“宽度”可指的是圆柱的直径。在其它示例中，可移动阀元件的“宽度”可指的是横跨可移动阀元件的最短尺寸，即，垂直于可移动阀元件的高度。在某些示例中，可移动阀元件可被定形为六角形块。此类可移动阀元件的宽度可为六角形的相对平行边之间的距离。在其它示例中，可移动阀元件可具有方形、矩形、三角形或各种其它形状。在每个示例中，宽度可为横跨可移动阀元件的最短尺寸。因此，使用窄通道区段(其具有的宽度小于可移动阀元件的宽度)可确保的是，可移动阀元件不配合通过窄通道区段。在各种示例中，可移动阀元件可具有从约1μm至约100μm的宽度。
可移动阀元件的顶部与微流体通道顶部之间的间隙距离以及可移动阀元件的底部与微流体通道底部之间的间隙可影响惯性泵的效率和惯性泵抵抗压头工作的能力。在一些示例中，可使可移动阀元件的高度最大化，以当止回阀关闭时提供尽可能最佳的密封。然而，更大的间隙距离可有益于确保的是，可移动阀元件可在打开和关闭阀位置之间快速移动。因此，可选择间隙距离，以当阀关闭时提供良好的密封还以及快速响应时间。间隙距离还可由制造惯性泵的实践性影响。在一些示例中，可移动阀元件可通过以下制造：在微流体通道底部上沉积释放层，在释放层上形成可移动阀元件，在可移动阀元件的顶部上形成另一释放层，沉积微流体通道顶部，并且而后移除释放层，以从微流体通道的底部和顶部释放可移动阀元件。在此类示例中，间隙距离可由释放层的厚度控制。在其它示例中，可期望的是，具有允许更多回流的更“泄漏”的泵。在这些示例中，可使用更大的间隙距离，以调节期望的回流量。在一些示例中，可移动阀元件与微流体通道的顶部和底部之间的间隙可具有从约0.05μm至约4μm的间隙高度。在其它示例中，可移动阀元件可具有的高度是微流体通道的高度的从约75％至约99.9％。
在其它示例中，可移动阀元件可呈球体的形状。在一些此类示例中，微流体通道和止回阀的除了球形可移动阀元件之外的元件可由光刻法形成。在某些示例中，微流体通道和止回阀元件可由环氧树脂基光致抗蚀剂形成，诸如，SU-8或SU-8 2000光致抗蚀剂。球形可移动阀元件可为由与止回阀的部件相同的材料或不同的材料制成的球体。在一些情况下，球形可移动阀元件的材料可具有的密度接近流动通过微流体通道的流体，使得球形可移动阀元件可跟随流动通过微流体通道的流体。在一个示例中，在形成微流体通道的壁和底部之后，但在通过在微流体通道上放置顶部层而形成微流体通道的顶部之前，可将球形可移动阀元件放置在微流体通道中。
在某些示例中，止回阀可位于远离流体致动器从约1μm至约100μm。在更进一步的示例中，止回阀可位于远离流体致动器从约1μm至约10μm。
除了图1A-1D中显示的示例止回阀之外，可使用用于止回阀的各种其它设计。图2-7显示了各种附加止回阀设计。
图2显示了具有止回阀230的示例微流体通道210，所述止回阀230包括由通道壁的两个突起252形成的窄通道区段250。阻挡元件260位于来自通道壁的两个附加突起262之间。可移动阀元件240可嵌入在阻挡元件与突起之间的一个间隙中，而流体可流动通过阻挡元件的另一侧上的间隙。
图3显示了具有止回阀330的示例微流体通道310，所述止回阀330包括由来自通道壁的两个突起352形成的窄通道区段350。在此示例中，阻挡元件360被放置为靠近弯曲的通道壁区段362。当止回阀打开时，弯曲的通道壁区段可允许流体更自由地流动通过止回阀。阻挡元件与通道壁之间的间隙可小于阻挡元件340的宽度。
图4显示了具有止回阀430的示例微流体通道410，所述止回阀430包括由来自通道壁的两个突起452形成的窄通道区段450。在此示例中，阻挡元件460是旋转的矩形柱。柱的旋转形状可有助于可移动阀元件440嵌入在柱的一个特定侧上，而当阀打开时流体可流动经过阻挡元件的另一侧。
图5显示了具有止回阀530的示例微流体通道510，所述止回阀530包括由汇聚的壁区段562和单个突起552形成的窄通道区段550。此示例还具有被定形为方形柱的阻挡元件560和圆柱形可移动阀元件540。
图6显示了具有止回阀630的示例微流体通道610，所述止回阀630包括由汇聚的壁区段662形成而没有任何突起的窄通道区段650。此示例还具有被定形为方形柱的阻挡元件660和圆柱形可移动阀元件640。
图7显示了具有止回阀730的示例微流体通道710，所述止回阀730包括由具有汇聚的倾斜表面的两个被定形的突起752形成的窄通道区段750。阻挡元件760呈三角形块的形状。可移动阀元件740是圆柱。可设想各种其它设计，用于目前描述的止回阀。
在一些示例中，本文描述的惯性泵可使用光刻法制造。微流体通道和止回阀结构可由多个层形成，并且微流体通道和止回阀特征的形状可通过显影光致抗蚀剂材料而形成。在某些示例中，层可由环氧树脂基光致抗蚀剂形成。在一个示例中，层可由SU-8或SU-82000光致抗蚀剂(其为环氧树脂基负性光致抗蚀剂)形成。具体地，SU-8和SU-8 200是双酚A酚醛清漆环氧树脂基光致抗蚀剂，其可从各种来源获得，包括MicroChem Corp。这些材料可暴露于UV光，以变得交联，而未暴露的部分保持可溶于溶剂中，并且可被冲洗掉，以留下空隙。
图8显示了由多个层形成的惯性泵800的示例截面图。底料层804被施加到基底802。而后，流体致动器820可被沉积在底料层上。在其它示例中，可在施加底料层之前在基底上形成流体致动器，并且之后可从流体致动器的顶部移除底料。可选地，在一些示例中，底料层可被施加在流体致动器上，并且允许保持覆盖流体致动器。
而后微流体层可被沉积在底料层上。微流体层可包括限定微流体通道810的微流体通道壁，所述微流体通道810包括用于形成窄通道区段的突起852以及阻挡元件860。在可移动阀元件840的位置中，释放层842可首先被沉积在底料层上。而后可在释放层上形成可移动阀元件。第二释放层可被沉积在可移动阀元件的顶部上。而后顶部层806可被施加在微流体层上。在形成这些层之后，可移除释放层，以从微流体通道顶部和底部释放可移动阀元件。
在另一示例中，惯性泵可通过以下形成：在基底上沉积膜层，在膜上沉积电阻器，而后在膜上沉积底料层。下部可移动阀元件释放层而后可被沉积在底料层的一部分上。壁可被沉积在底料层上，以形成微流体通道。可移动阀元件可被沉积在微流体通道内在下部可移动阀元件释放层上。窄通道区段可被沉积在可移动阀元件上游。阻挡元件可被沉积在可移动阀元件下游。上部可移动阀元件释放层而后可被沉积在可移动阀元件上。顶部层可被沉积在壁、上部可移动阀元件释放层、窄通道区段和阻挡元件上，以形成微流体通道的顶部。最后，可移除下部和上部可移动阀元件释放层，以允许可移动阀元件在窄通道区段与阻挡元件之间自由移动。
在一些示例中，基底可由硅材料形成。例如，基底可由单晶硅、多晶硅、砷化镓、玻璃、二氧化硅、陶瓷或半导体材料形成。在特定示例中，基底可具有从约50μm至约1200μm的厚度。
在其它示例中，底料层可为光致抗蚀剂材料层，诸如，SU-8，具有从约2μm至约100μm的厚度。
微流体层可通过以下形成：暴露具有壁式样的光致抗蚀剂层，以限定被覆盖的流体进给槽和微流体通道，并且而后冲洗掉未暴露的光致抗蚀剂。此层可通过以下形成：在底料层上旋转涂覆液体光致抗蚀剂，并且而后显影所述层，通过层压干光致抗蚀剂膜，或通过所述技术两者的组合。在一些示例中，微流体层可具有从约2μm至约100μm的厚度。微流体通道可形成为具有从约2μm至约100μm、从约10μm至约50μm、或从约20μm至约30μm的宽度。
在某些示例中，顶部层可通过以下形成：在微流体层上层压干膜光致抗蚀剂，并且利用UV式样暴露干膜光致抗蚀剂，以形成微流体通道的顶部。在一些示例中，顶部层可具有从约2μm至约200μm的厚度。
本技术还扩展到包括上文描述的惯性泵的微流体装置。图9显示了示例微流体装置900，所述微流体装置900包括第一流体储器902、第二流体储器904、连接流体储器的微流体通道910、微流体通道中的流体致动器920以及微流体通道中的止回阀930。止回阀由窄通道区段950、阻挡元件960和可移动阀元件940构成。在此示例中，止回阀被配置为允许从第一流体储器朝向第二流体储器的流动。附加地，在此示例中，止回阀位于从流体致动器下游。在止回阀面向此方向上的情况下，即使当第二流体储器中的压力大于第一流体储器中的压力时，由流体致动器和止回阀构成的惯性泵也可将流体从第一流体储器泵送到第二流体储器。
图10-13显示了在相同部件在不同位置中的情况下的其它示例微流体装置900。这些示例中的每个被配置为将流体从第一流体储器902泵送到第二流体储器904。在图10中，流体致动器920和止回阀930靠近第一流体储器，其中，止回阀在流体致动器下游。在图11中，流体致动器靠近第一储器，并且止回阀靠近第二储器。在图12中，止回阀和流体致动器靠近第一储器，并且流体致动器在止回阀下游。在图13中，止回阀靠近第一储器，并且流体致动器靠近第二储器。图14显示了包括两个止回阀的示例微流体装置。一个止回阀在流体致动器上游，并且另一止回阀在流体致动器下游。所有这些示例可产生从第一储器到第二储器中的流体流。还可设想其它设计，用于本文描述的微流体装置。附加地，微流体装置可包括多于两个储器、附加惯性泵、多个流体致动器和多个止回阀的其它组合等。
在其它示例中，本文描述的惯性泵可用于将多种流体混合在一起的微流体装置中。此类装置可混合流体，用于各种目的，诸如，流体的稀释或反应。在一个示例中，微流体装置可包括测试流体的储器和稀释流体的储器。惯性泵可用于将这两种流体泵送到共同的微流体通道或腔室中，以稀释测试流体。在另一示例中，微流体装置可包括两个或更多个反应物储器。惯性泵可用于在反应器中将反应物混合在一起，以执行化学反应。
在各种示例中，可由惯性泵泵送的流体可包括水、诸如水溶液和分散体的含水流体、醇类、硅油、有机液体和许多其它流体。在某些示例中，测试流体可包括生物流体或生物分子的水溶液。在其它示例中，稀释流体可包括水、醇类或水溶液，诸如，盐溶液。反应物流体可包括任何液体反应物、溶解反应物的溶液、固体反应物的分散体等。在一些示例中，流体可包括分散的固体颗粒，所述固体颗粒具有足够小的颗粒尺寸，以配合通过所使用的微流体通道和止回阀。
图15显示了示例微流体装置1000，所述微流体装置1000包括微流体混合通道1011、第一流体储器1002、第二流体储器1004和反应器1006。第一惯性泵由第一流体致动器1020和第一止回阀1030构成。第一惯性泵连接在第一储器与微流体混合通道之间。第二惯性泵由第二流体致动器1021和第二止回阀1031构成。第二惯性泵连接在第二储器与微流体混合通道之间。
图15中显示的微流体装置可用于混合反应物或稀释流体。在一个示例中，第一和第二反应器可容纳不同的反应物。在另一示例中，第一储器可容纳待稀释的流体，并且第二储器可容纳稀释流体。在此装置中由惯性泵提供的一个优点是，止回阀可基本上防止混合储器中的两种不同的流体。例如，可不期望的是，在第一或第二流体储器内混合两种反应物。第一和/或第二惯性泵中的止回阀可防止来自第一储器的反应物进入第二储器，并且反之亦然。
在特定示例中，如本文描述的微流体装置可用于DNA测试。在此示例中，第一流体储器可容纳与裂解缓冲液混合的有关生物细胞。如本文描述的第一惯性泵可将第一流体从第一流体储器泵送到反应腔室中。第二流体储器可包括冲洗缓冲液。在生物细胞和裂解缓冲液已在反应腔室中反应之后，冲洗缓冲液可由第二惯性泵泵送到反应腔室中，以冲洗反应腔室。第一和第二惯性泵中的止回阀可防止生物细胞和裂解缓冲液进入到第二流体储器中，并且还防止冲洗缓冲液进入到第一流体储器中。
在其它示例中，三个或更多个储器可连接到在单个交叉点处相遇的微流体通道。每个储器可具有相关联的惯性泵，其中，止回阀在每个微流体通道中。此类装置可用于将多种不同材料混合在一起，或顺序地泵送多种不同材料，而不在任何储器中混合材料。
由惯性泵提供的另一优点是，能够控制第一和第二储器中的流体的混合比。在一些示例中，可通过控制第一和第二流体致动器的发动频率而控制来自储器的流体流率。例如，如果第一流体致动器以第二流体致动器频率的两倍发动，则来自第一储器的流体流率可为来自第二储器的流体流率的约两倍。通过调节流体致动器的相对发动率，可精细地控制流率比率。因此，在一些示例中，可由微流体装置执行要求具体比率的若干反应物的反应。在其它示例中，微流体装置可通过控制来自相应储器的流体和稀释流体流率而提供流体的具体稀释。这些微流体装置也可用于以特定顺序将反应物添加到反应器中，因为与每个储器相关联的惯性泵可以任何期望的顺序被激活。
在其它示例中，微流体装置可利用多个平行惯性泵制造，所述多个平行惯性泵从第一和/或第二储器通向到混合通道。包括附加惯性泵可增加可实现的流率比率的范围。附加惯性泵还可改进对于流率的控制精度，因为可单独地控制每个惯性泵的发动率，以精确地控制流率。
应理解的是，本公开不限于本文公开的特定过程步骤和材料，因为此类过程步骤和材料可在一定程度上变化。还应理解的是，本文使用的术语仅用于描述特定示例的目的。术语不旨在是限制性的，因为本公开的范围旨在仅由所附权利要求以及其等同物限制。
应注意的是，如在本说明书和所附权利要求中使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”以及“所述”包括复数参考。
如本文使用的，术语“基本”或“基本上”当用于参考材料的数量或量或其具体特征时指的是足以提供材料或特征旨在提供的作用的量。在一些情况下，可允许的偏差确切程度可取决于具体上下文。
如本文使用的，通过假设给定值可“略高于”或“略低于”端点，术语“约”用于为数值范围端点提供灵活性。此术语的灵活程度可由特定变量规定，并且基于本文的相关描述确定。
如本文使用的，为了方便起见，多个物品、结构元件、构成元件和/或材料可在共同列表中呈现。然而，这些列表应被理解为如同列表的每个构成被单独地识别为单独和独特的构成。因此，在没有相反指示的情况下，此类列表的单独构成不应仅基于其在共同组中的呈现而被理解为相同列表的任何其它构成的实际等同物。
本文可以范围形式表达或呈现浓度、量和其它数值数据。应理解的是，此类范围形式仅用于方便和简洁性，并且因此应被灵活地解释为不仅包括明确陈述为范围限制的数值，而且包括该范围内涵盖的单独数值或子范围，如同每个数值和子范围被明确陈述。作为说明，“约1wt％至约5wt％”的数值范围应被解释为不仅包括约1wt％至约5wt％的明确陈述值，而且包括所指示的范围内的单独值和子范围。因此，包括在此数值范围中的是单独值(诸如，2、3.5和4)以及子范围(诸如，从1-3、从2-4以及从3-5)等。此相同原理适用于仅陈述一个数值的范围。此外，无论所描述的范围或特征的广度如何，都应应用此类解释。
示例。
以下示出了本公开的示例。然而，应理解的是，以下对于本公开的原理的应用仅是说明性的。可设想数种修改和可选构成、方法和系统，而不从本公开的精神和范围脱离。所附权利要求旨在涵盖此类修改和布置。
示例1-微流体止回阀模拟。
使用图16中显示的示例微流体系统的几何形状而执行计算机模拟。此图在俯视图中显示了几何形状的尺寸。通道的高度被设定为20μm，并且圆柱形可移动阀元件的高度为15μm。执行流体动力学模拟，以模拟通过这些微流体通道的水流，其中，水流来自通道A。模拟显示的是，圆柱形可移动阀元件由流动的流体移动，并且在约10μs之后接触窄通道区段。一旦阀关闭，则流动到通道B中的流体约是流动到通道C中的流体的三倍。
而后改变流动方向，使得流体流源自通道B和C两者。圆柱形可移动阀元件移动到阻挡元件的一侧，并且流体围绕阻挡元件的另一侧流动，并且到通道A中。所发现的是，从通道C到通道A中的体积流率小于从通道B到通道A中的体积流率，因为通道B不具有干扰流体流的止回阀。模拟指示的是，止回阀当在关闭位置中时可有效地减少通过止回阀的流体流，而当在打开位置中时允许流体流动。止回阀还具有10μs的快速响应时间。
尽管已参考某些示例描述了本技术，但可进行各种修改、改变、删减以及替代，而不从本公开的精神脱离。因此，本公开旨在仅由以下权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.惯性泵，包括：
微流体通道；
位于所述微流体通道中的流体致动器；以及
位于所述微流体通道中的止回阀，所述止回阀包括：
可移动阀元件，
位于所述可移动阀元件上游的窄通道区段，所述窄通道区段具有的宽度小于所述可移动阀元件的宽度，使得当所述可移动阀元件定位在所述窄通道区段中时，所述可移动阀元件阻挡流体流通过所述止回阀，以及
阻挡元件，形成在所述微流体通道中在所述可移动阀元件下游，并且被配置为使得所述阻挡元件将所述可移动阀元件限制在所述止回阀内，同时当所述可移动阀元件抵靠所述阻挡元件定位时也允许流体流。
2.根据权利要求1所述的惯性泵，其中，所述流体致动器是电阻器，所述电阻器被配置为产生蒸汽泡，以移动所述微流体通道中的流体。
3.根据权利要求1所述的惯性泵，其中，所述微流体通道和所述止回阀由光刻法制造。
4.根据权利要求1所述的惯性泵，其中，所述阻挡元件与所述窄通道区段之间的距离是所述可移动阀元件的宽度的从1.1至5倍。
5.根据权利要求1所述的惯性泵，其中，所述可移动阀元件呈圆柱或六角形块的形式。
6.根据权利要求1所述的惯性泵，还包括在所述可移动阀元件与所述微流体通道的顶部和底部之间的间隙，其中，所述间隙具有从约0.05μm至约4μm的高度。
7.根据权利要求1所述的惯性泵，其中，所述止回阀位于远离所述流体致动器从1μm至100μm。
8.根据权利要求1所述的惯性泵，其中，所述止回阀位于所述流体致动器下游。
9.根据权利要求8所述的惯性泵，还包括位于所述流体致动器上游的第二止回阀。
10.微流体装置，包括：
流体储器；
与所述流体储器连通的微流体通道；
位于所述微流体通道中的流体致动器；以及
位于所述微流体通道中的止回阀，所述止回阀包括：
可移动阀元件，
位于所述可移动阀元件上游的窄通道区段，所述窄通道区段具有的宽度小于所述可移动阀元件的宽度，使得当所述可移动阀元件定位在所述窄通道区段中时，所述可移动阀元件阻挡流体流通过所述止回阀，以及
阻挡元件，形成在所述微流体通道中在所述可移动阀元件下游，并且被配置为使得所述阻挡元件将所述可移动阀元件限制在所述止回阀内，同时当所述可移动阀元件抵靠所述阻挡元件定位时也允许流体流。
11.根据权利要求10所述的微流体装置，其中，所述止回阀被配置为允许流体流远离所述流体储器。
12.根据权利要求11所述的微流体装置，还包括与所述微流体通道连通的第二流体储器，其中，所述止回阀沿着所述微流体通道位于所述第一流体储器与所述第二流体储器之间，以及其中，所述第二流体储器具有比所述第一流体储器更高的压力。
13.微流体装置，包括：
微流体混合通道；
第一流体储器；
第一惯性泵，流体地连接在所述第一流体储器与所述微流体混合通道之间，以将第一流体从所述第一流体储器泵送到所述微流体混合通道中；
第二流体储器；以及
第二惯性泵，流体地连接在所述第二流体储器与所述微流体混合通道之间，以将第二流体从所述第二流体储器泵送到所述微流体混合通道中；
其中，所述第一和第二惯性泵中的一个或两个包括：
微流体通道，
位于所述微流体通道中的流体致动器，以及
位于所述微流体通道中的止回阀，所述止回阀包括：
可移动阀元件；
位于所述可移动阀元件上游的窄通道区段，所述窄通道区段具有的宽度小于所述可移动阀元件的宽度，使得当所述可移动阀元件定位在所述窄通道区段中时，所述可移动阀元件阻挡流体流通过所述止回阀；以及
阻挡元件，形成在所述微流体通道中在所述可移动阀元件下游，并且被配置为使得所述阻挡元件将所述可移动阀元件限制在所述止回阀内，同时当所述可移动阀元件抵靠所述阻挡元件定位时也允许流体流。
14.根据权利要求13所述的微流体装置，还包括：一个或多个附加第一惯性泵，流体地连接在所述第一流体储器与所述微流体混合通道之间；以及一个或多个附加第二惯性泵，流体地连接在所述第二流体储器与所述微流体混合通道之间。
15.根据权利要求13所述的微流体装置，其中，所述微流体混合通道通向到反应器。
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