CN114341538A - 微流控芯片和阀门、生产方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及根据独立权利要求的微流控芯片和阀门、其生产方法和用途。

Description

微流控芯片和阀门、生产方法及用途
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的微流控芯片和阀门、其生产方法和用途。
背景技术
微流控技术领域在提供用于处理液体组分的解决方案方面取得进展，例如用于进行化学合成和/或化学、生化和/或蛋白质组学分析，更优选用于进行选自由以下组成的组的生化测定：酶促分析，例如葡萄糖或乳酸分析；DNA分析，例如聚合酶链式反应(PCR)，尤其是具有高通量测序的PCR。
为了执行这样的程序，可能需要控制微流控装置(例如微流控芯片)内的液体流动。这种可控的液体流动特别适用于——但不限于——促进核酸分离从而进行PCR分析的微流控芯片。在这方面，微流控通道通常作为微流控网络的一部分应用于微流控芯片的一侧。不同的通道可能是可连接的，并且/或者需要及时控制液体和/或气体流动，这可能是必要的。
为了优化微流控网络的空间布置，两个或多个微流控通道在表面平面中的交角可以在两个或多个区域中不同，在这些区域中应当控制液体流动。根据现有技术，在微流控阀门与要连接/断开的微流控通道设置在同一侧的情况下，可能需要使用两种或多种不同几何排布的微流控阀门和/或阀门致动器装置，从而便于控制液体流动。
因此，需要提供一种微流控阀门，其可以控制液体流动，而不管要连接/断开的微流控通道之间的适用交角如何。
根据现有技术的解决方案，微流控网络(特别是微流控阀门)通常具有一定的体积(所谓的死体积(Dead Volume))，它与流动路径外的内部体积部分有关。换句话说，液体将残留在微流控阀门中，因此可能污染其他液体，这进而可能不利于用受污染的溶液进行进一步的处理。例如，在微流控芯片促进核酸分离并且优选地也促进PCR分析的情况下，残留浓度为1体积％的裂解缓冲液不利于进行PCR分析。此外，增加的死体积会对微流控通道内液体体积的测量精度产生负面影响。因此，减少微流控阀门的死体积是持续的需求。
此外，存在为这种改进的微流控阀门和微流控芯片提供简单且有成本效益的生产方法的持续需要。
因此，本发明的目的是提供替代的和/或改进的微流控阀门，用于控制微流控通道中的液体流动，优选地
·其中微流控阀门可用于控制微流控通道中的液体流动，而不管要连接/断开的微流控通道之间的适用交角如何，和/或
·其中微流控阀门的死体积被优化，更优选地被减少，和/或
·其中微流控阀门的生产方法简单，且有成本效益。
发明内容
本发明的一个或多个问题由独立权利要求的主题(即微流控阀门、微流控芯片、其生产方法和用途)解决。在下文的详细描述和/或附图以及从属权利要求中阐述了优点(优选实施方案)。
相应地，本发明的第一方面涉及一种用于控制微流控通道中的液体流动的微流控阀门。本发明的微流控阀门包括基部基板、在松弛状态下厚度dEM＝d的弹性膜以及分别具有相对的上表面和下表面的顶部基板。顶部基板固定至基部基板，从而紧固基部基板的上表面和顶部基板的下表面之间的弹性膜。换言之，弹性膜的下表面与基部基板的上表面相邻设置，而顶部基板的下表面与弹性膜的上表面相邻设置。
根据第一发明方面，基部基板在其上表面上包括具有周长pV＝x的阀座，该阀座包括周长pCR≤x的中央凹部，以及围绕阀座的突出部，该突出部具有内周长pPi≥x和外周长pPo>pPi。
此外，根据第一发明方面，微流控阀门在基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间具有垂直于下表面平面测量的距离。该距离分别为在突出部的周长pPo外的dBTLS≥d，在中央凹部的周长pCR内的dCR>d，以及在突出部的周长pPi和pPo之间的dP<d。
此外，根据第一发明方面，顶部基板具有从其下表面到上表面的通孔，通孔具有周长pTH≤pPi，通孔被设置成与阀座对准，从而为阀门致动器装置提供通道。该通孔便于将阀门致动器装置用于使阀座区域内的弹性膜变形，以控制微流控通道中的液体流动。
此外，根据第一发明方面，中央凹部在基部基板的上表面上形成纵向形状的凹部并且包括入口开口和单独的出口开口，它们分别通过各自的连接通道连接到阀门上游和下游的微流控通道，并且其中连接通道彼此独立地设置在与基部基板的上表面成角度的位置。换句话说，连接通道将设置在基部基板的上表面上的中央凹部与阀门上游和下游的微流控通道流体连接，这些微流控通道彼此独立地设置在与上部基板间隔开的基部基板的另一平面中。相应地，连接通道设置在与基部基板的上表面成角度的位置，这意味着它们不设置在基部基板的上表面的同一平面中。
此外，根据第一发明方面，弹性膜被设置成在阀门打开状态下不与中央凹部的表面接触，从而形成阀腔，其流体连接阀门上游和下游的连接通道，并且可通过阀门致动器装置变形，从而在阀门关闭状态下，弹性膜关闭中央凹部中的入口和出口开口之间的流体连接。
鉴于微流控阀门被创造性地设置在基部基板的上表面，而微流控阀门上游和下游的微流控通道设置在另一个平面内，通过两个连接通道与微流控阀门连接，相同的微流控阀门可用于控制微流控通道中的液体流动，而不管要连接/断开的微流控通道之间的适用交角如何。
由于可以使用相同的微流控阀门，对于不同的微流控阀门也可以使用相同的阀门致动器装置，这进一步简化了阀门的操作并相应地降低了其成本。这是特别相关的，因为本发明的微流控阀门不需要阀门致动器装置的某种特定构造和/或其在顶部基板的通孔的周长pTH内的排布。阀门致动器装置通常必须安装在顶部基板的通孔的周长pTH内，但可以大于阀座内的中央凹部的周长pCR，因为在阀门闭合状态下，鉴于施加的压力，可变形的弹性膜将填充阀腔，从而关闭流体连接。
此外，本发明的微流控阀门允许优化、优选地减小微流控阀门的死体积，因为死体积仅与阀腔的内部体积有关，该内部体积在液体流动路径之外。
此外，本发明的微流控阀门同时可以以简单且有成本效益的方式制造，因为可以使用用于弹性膜和顶部基板的常规材料。换句话说，弹性膜不必经过预处理，并且弹性体的下表面和上表面都可以是平坦的，并且弹性膜可以在整个表面区域具有相同的厚度。该优点特别是由于阀座和围绕阀座的突出部在基部基板的上表面上的创造性排布与基部基板的上表面相对于顶部基板的下表面平面之间的相应距离的组合。本发明的要求有助于将弹性膜紧固在顶部基板的下表面和突出部之间，以这样的方式使得阀座在向上方向上被密封。相应地，可以使用具有常规厚度和硬度的弹性膜，其既不需要进行预处理，例如应用凹部以促进阀座的密封，也不需要相对于阀座和/或顶部基板的精确定位。与此相反，现有技术教导使用多个弹性膜(也称为隔膜)或预处理弹性膜，特别是通过在弹性膜的下表面引入一个或多个凹部以便与现有技术的阀座配合。根据本发明的弹性膜的紧固排布的另一个优点是完全避免了将弹性膜附着到基部基板的繁琐的制造步骤，例如用粘合剂。因此，制造过程大大简化。
根据本发明的第二方面，提供了一种微流控芯片，其包括微流控通道网络和一个或多个根据本发明的第一方面的微流控阀门。
除了第一发明方面的优点之外，在本发明的两个或多个阀门用于连接具有不同交角的微流控通道的情况下，本发明的微流控芯片显示出特别的优点。这反过来意味着相同的(未预处理的)弹性膜和/或相同的阀门致动器装置可用于不同的微流控阀门中的每一个。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于生产本发明的微流控阀门或本发明的微流控芯片的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤或由以下步骤组成：
a.提供分别在本发明的第一和/或第二方面中的任一个中定义的基部基板、弹性膜和顶部基板，
其中基部基板具有上表面和下表面，并且在其上表面上包括具有周长pV＝x的阀座，该阀座包括具有周长pCR≤x的中央凹部，以及围绕阀座的突出部，该突出部具有内周长pPi≥x和外周长pPo>pPi，
其中中央凹部包括入口开口和单独的出口开口，它们分别通过各自的连接通道连接到阀门上游和下游的微流控通道，并且其中连接通道彼此独立地设置在与基部基板的上表面成角度的位置，并且其中中央凹部在基部基板的上表面上形成纵向形状的凹部，
其中弹性膜具有相对的上表面和下表面并且在松弛状态下厚度dEM＝d，
其中顶部基板具有相对的上表面和下表面，并且具有从其下表面到上表面的通孔，该通孔具有周长pTH≤pPi，
b.将弹性膜的下表面设置在基部基板的上表面上，并且将顶部基板的下表面设置在弹性膜的上表面上，从而设置周长pTH≤pPi的顶部基板的通孔与阀座的周长pV对准，和
c.将顶部基板固定到基部基板上，从而将弹性膜紧固到基部基板上，以这样的方式使得阀座在向上方向上被密封，由此弹性膜被设置成不与阀门打开状态下的中央凹部的表面接触，从而形成阀腔，该阀腔流体连接阀门上游和下游的连接通道，并且可通过阀门致动器装置变形，使得在阀门关闭状态下，弹性膜关闭中央凹部中的入口和出口开口之间的流体连接。
除了关于本发明的第一和第二方面所描述的优点之外，本发明的生产方法允许基部基板、弹性膜和顶部基板的简单且有成本效益的组装。如上所述，相同的弹性膜可用于本发明的微流控阀门中的每一个。这意味着，对于本发明的生产方法，弹性膜和顶部基板以及基部基板的层分别相对于彼此定位存在更大的自由度。
根据本发明的第四方面，提供了根据第一发明方面的微流控阀门或根据本发明的第二方面的微流控芯片或可以根据第三发明方面获得的微流控芯片用于控制微流控通道网络的微流控通道中的液体组合物的流动的用途。
在上文中公开的本发明的创造性方面可以包括如从属权利要求中阐述的或如在以下详细描述和/或附图中公开的优选创造性实施方案的任何可能的(子)组合，只要由此产生的特征组合对于本领域技术人员来说是合理的。
附图说明
本发明的进一步特征和优点将从附图中得出，其中
图1A表示具有截面B-B的本发明的微流控阀门和芯片的一部分的简化的俯视图，
图1B表示本发明的微流控阀门的基部基板的一部分在平面B-B中的简化的截面侧视图，
图2A表示在固定之前包括本发明的两个微流控阀门的本发明的微流控芯片的一部分的简化的透视俯视图，
图2B表示在组装之前包括本发明的两个微流控阀门的本发明的微流控芯片的一部分的简化的透视俯视图，
图2C表示包括本发明的两个微流控阀门的本发明的微流控芯片的一部分的简化的俯视图，
图2D表示摘取的一部分阀门打开状态下的组装的微流控芯片和相应的阀门致动器装置的简化的截面侧视图，
图2E表示摘取的一部分阀门关闭状态下的组装的微流控芯片和相应的阀门致动器装置的简化的截面侧视图。
在本发明的背景中，特别是在以下描述中提供的维度(例如距离、体积、浓度、比率和硬度性质)应包括分别适用于本发明的各种维度和/应用的本领域中的适当偏差。
具体实施方式
正如在本发明的发明内容部分中已经提到的以及在下文中更详细地阐述的，本发明的不同方面的发明人已经发现，根据独立权利要求的本发明的方面，特别是本发明的微流控阀门、包括一个或多个本发明的阀门的本发明的微流控芯片、本发明的生产方法和本发明的用途有利于控制微流控通道中的液体流动，
·其中微流控阀门可用于控制微流控通道中的液体流动，而不管要连接/断开的微流控通道之间的适用交角如何，并且
·其中相同的阀门致动器装置可用于操作微流控阀门，并且其中阀门致动器只需要安装在与基部基板的阀座对准的顶部基板的通孔的周长pTH内，并且
·其中微流控阀门的死体积被优化，更优选地被减小，并且
·其中可以使用任何合适的阀门致动器，只要它安装在与基部基板的阀座对准的顶部基板中的通孔的周长pTH内，并且
·其中微流控阀门的生产方法简单，且有成本效益。
除了这些优点之外，本发明的微流控芯片在两个或多个本发明的阀门用于连接具有不同交角的微流控通道的情况下尤其显示出优势。这进而意味着相同的(未预处理的)弹性膜和/或相同的阀门致动器装置可用于不同的微流控阀门中的每一个，这简化了生产方法并因此降低了成本。
此外，本发明的生产方法本身允许基部基板、弹性膜和顶部基板的简单且有成本效益的组装。如上所述，相同的弹性膜可用于本发明的微流控阀门中的每一个。这意味着，在相对于顶部和基部基板两者定位弹性膜方面存在更大的自由度。弹性膜也不必进行预处理，也不必在彼此的顶部使用多个弹性膜，这另外降低了生产成本。
在下文中详细描述了进一步的具体优点。
如在发明内容中已经提到的，根据第一发明方面的用于控制微流控通道中的液体流动的微流控阀门包括基部基板、在松弛状态下厚度dEM＝d的弹性膜以及分别具有相对的上表面和下表面的顶部基板。
根据本发明，可以使用任何合适的基部基板，其满足本发明的要求并且有利于通过顶部基板紧固弹性膜并由此在向上方向上密封阀座。优选地，基部基板比弹性膜的柔韧性小。更优选地，基部基板的洛氏R标度硬度在50至130的范围内，优选为120，并且厚度在1mm至5mm的范围内，优选为约2mm。
更优选地，基部基板的材料由合适的液体和/或气体(优选液体和气体)不可渗透的材料制成。作为对比例，聚二甲基硅氧烷(PDMS)被认为不适合制造流体和气体不可渗透的基部基板，因为该基板将是气体可渗透的。在其他用于处理待控制流动的液体的处理装置被设置在本发明的微流控阀门的基部基板上的情况下，基部基板材料还应该优选地不干扰液体的处理。根据本发明的第一方面的附加或替代的优选实施方案，基部基板的材料特别有助于液体的热处理和光学处理，例如用电磁波照射，例如在红外线和/或紫外线范围内和/或可见光范围内和/或光学检查。相应地，基部基板的材料优选地对于相应的照射和/或发射波长是可穿透的，以减少对液体等分试样的处理的负面影响。此外，它优选在操作下承受高达5bar，优选高达10bar的超压(overpressure)，而基部基板或其部分的材料不会破坏、破裂、分离等，并且优选能够承受超压并防止释放任何液体和/或气体至少15分钟，优选至少30分钟。因此，根据本发明的第一方面的附加或替代的优选实施方案，基部基板由选自由合适的玻璃和合适的聚合物组成的组的液体和气体不可渗透的材料形成，其中聚合物优选选自由聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚苯乙烯、环烯烃聚合物或聚(甲基丙烯酸甲酯)组成的组。更优选地，基板材料选自聚碳酸酯。
在本发明的背景中，表述“附加或替代地进一步的优选实施方案”或“附加或替代地优选实施方案”或“设置该优选实施方案的附加或替代的方式”是指除了包括每个本发明方面的任何优选实施方案的本发明主题的特征之外或替代地，可以组合该优选实施方案中公开的特征或特征组合，只要由此产生的特征组合对于本领域技术人员来说是合理的。
如在本发明的发明内容中已经描述的，基部基板在其上表面上包括周长pV＝x的阀座，该阀座包括周长pCR≤x的纵向形状的中央凹部，以及围绕阀座的突出部，该突出部具有内周长pPi≥x和外周长pPo>pPi。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，阀座具有在1mm至25mm范围内、更优选为13mm的周长pV。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，纵向形状的中央凹部具有在600μm至12.5mm范围内、更优选为7.5mm的周长pCR。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，围绕阀座的突出部具有在1mm至25mm范围内、更优选为13mm的内周长pPi和在1.5mm至40mm范围内、更优选为22mm的外周长pPo。突出部可以具有任何合适的形式，优选地在基部基板的上表面平面上形成圆形，更优选为环形或卵形或椭圆形，或者可选地为成角度的形状，优选为方形或长方形。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，纵向形状的中央凹部与阀座的周长间隔开，其中pCR<pV＝pPi<pPo，并且弹性膜的下表面至少与突出部的表面和在突出部的内周长pPi和中央凹部的周长pCR之间的基部基板的表面接触，使得在阀门打开状态下，阀腔由中央凹部的体积组成。
为了进一步减少死体积，突出部优选地根据需要与中央凹部的周长pCR间隔尽可能远，以防止弹性膜由于其紧固构造而变形(即所谓的“流动”)进入中央凹部，从而阻碍液体流过阀腔。更优选地，突出部也与中央凹部的周长pCR间隔尽可能少，以基本上避免液体在基部基板的上表面和中央凹部的周长pCR外的弹性膜的下表面之间流动，并且特别是在阀门打开和关闭状态下的基部基板的内周长pPi外。
关于本发明的第一方面使用的弹性膜通常在松弛状态下表现出合适的硬度和厚度，使得紧固的弹性膜有利于在向上方向上密封阀座。优选地，肖氏标度硬度在30至75的范围内，更优选为60，并且厚度d在0.7mm至1.8mm的范围内，更优选为1mm。
在本发明的背景中，表述“在向上方向上密封阀座”是指弹性膜以这样的方式在基部基板的上表面和顶部基板的下表面之间紧固，以便在操作中表现出与基部基板的突出部的液体和/或气体(优选液体和气体)不可渗透的结合。更优选地，液体和/或气体(优选液体和气体)不可渗透的结合能够承受高达5bar、更优选高达10bar的超压，并且能够承受超压并防止任何液体和/或气体的释放至少15分钟，优选至少30分钟。
根据附加或替代的优选实施方案，弹性膜可以选自合适的聚合物，优选地可以选自由不饱和橡胶、饱和橡胶、热塑性弹性体和硅树脂组成的组。
各个周长的上述尺寸有助于优化本发明微流控阀门的空间布置，特别是有助于减少本发明微流控阀门的死体积。
此外，用于本发明的第一方面的弹性膜被设置成在阀门打开状态下不与中央凹部的表面接触，从而形成阀腔，该阀腔流体连接阀门上游和下游的连接通道，并且可通过阀门致动器装置变形，使得在阀门关闭状态下，弹性膜关闭中央凹部中的入口和出口之间的流体连接。本发明的另一大优点在于，由于阀座的创造性构造，阀门致动器装置(优选地阀门致动器销)只需大致安装在顶部基板的通孔的周长pTH内，所述顶部基板与基部基板的阀座对准。如关于附图更详细地描述的，阀门致动器装置可以具有大于中央凹部的表面积的截面表面积。在这种情况下，在操作中通过阀门致动器装置向弹性膜施加合适的压力，弹性膜将变形并至少部分地填充中央凹部内的阀腔，从而使液体流动停止。阀门致动器装置的基面可以是平坦的或圆形的或具有任何其他合适的形状。阀门致动器装置还可以在基部基板的上表面的平面中具有小于中央凹部的表面积的截面表面。在这种情况下，由阀门致动器装置施加到弹性膜的合适压力将导致弹性膜变形并且用弹性膜填充阀腔，从而使液体流动停止。
相应地，本发明允许以更简单且有成本效益的方式操作微流控阀门。
此外，根据本发明，可以使用满足创造性要求的任何合适的顶部基板，以便将弹性膜紧固到基部基板，从而在向上方向上密封阀座。该创造性特征允许避免使用粘合剂来将弹性膜密封到基部基板。根据附加或替代的实施方案，顶部基板表现出与上述基部基板相同的特性。更优选地，基部基板和顶部基板的材料相同，甚至更优选地选自由合适的玻璃和合适的聚合物组成的组，其中聚合物优选地选自由聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚苯乙烯、环烯烃聚合物或聚(甲基丙烯酸甲酯)组成的组。更优选地，基板材料选自聚碳酸酯。
如在本发明的发明内容中已经描述的，垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离分别为：在突出部的周长pPo外是dBTLS≥d，在中央凹部的周长pCR内是dCR>d，并且在突出部的周长pPi和pPo之间是dP<d。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，在突出部的周长pPo外垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离dBTLS在d至1.2*d的范围内，更优选为1.1*d。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，在中央凹部的周长pCR内垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离dCR在1.1*d至1.8*d的范围内，更优选为1.4*d。
这种排布允许液体(甚至包括细颗粒物质的液体)无阻碍地流过阀腔，同时还在阀门关闭状态下在入口和出口开口之间高达10bar的压差下在出口和入口开口之间提供流体密封。在重复使用中保持阀门的密封性，以阻止各种液体组合物的流动，包括水性液体、疏水性液体(例如油)、洗涤剂的液体溶液和包含颗粒物质的液体组合物。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，在突出部的周长pPi和pPo之间垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离dP在0.3*d至0.65*d的范围内，更优选为0.6*d。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，周长pCR<pV和pV＝pPi之间的阀座表面区域具有垂直于下表面平面测量的从基部基板的上表面到顶部基板的下表面平面的距离dVS，其中dP<dVS≤d，优选dP<dVS＝d<dBTLS。换句话说，在突出部的内周长内和中央凹部的周长外的基部基板的上表面之间的距离与处于松弛状态的弹性膜的厚度具有相同的大小或更小，从而便于弹性膜与中央凹部外的阀座接触。优选地，距离dVS以这样的方式选择，使得在弹性膜的紧固位置中，液体基本上不在弹性膜表面和中央凹部的周长pCR外的基部基板之间流动，但同时在阀门打开状态下具有阀门腔，以促进液体从本发明的阀门上游的微流控通道流到本发明的阀门下游的微流控通道，即距离dVS不能太小，以免在阀门打开状态下将弹性膜压到中央凹部的表面并使液体流动停止。甚至更优选地，在突出部的周长pPo外垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离dBTLS大于距离dVS。在这种情况下，由顶部基板将弹性膜紧固到基部基板上所产生的压力在突出部的周长外的区域中比在突出部和阀座的区域内相对较低。这样的构造相应地减少了本发明的微流控阀门的磨损。
基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的相应距离的上述尺寸有助于优化本发明的微流控阀门的空间排布，特别是有助于减少本发明的微流控阀门的死体积，同时提供液体无阻碍地流过阀门。
如在本发明的发明内容部分中已经描述的，顶部基板具有从其下表面到上表面的通孔，该通孔的周长pTH≤pPi，通孔被布置成与阀座对准，从而为阀门致动器装置提供通路。
此外，如在本发明的发明内容部分中还描述的，中央凹部包括入口开口和单独的出口开口，它们分别通过各自的连接通道连接到阀门上游和下游的微流控通道，并且其中连接通道彼此独立地设置在与基部基板的上表面成角度的位置。换句话说，中央凹部的表面区域包括两个开口，在本文称为入口开口和出口开口。入口开口将中央凹部的腔与连接通道连接，然后连接通道连接到阀门上游的微流控通道，微流控通道设置在基部基板的与其上表面不同的平面中。入口开口的连接通道设置在与基部基板的上表面成角度的位置，即除了与中央凹部的连接，不设置在基部基板的上表面的平面中。该构造便于将阀座设置在与微流控阀门上游的微流控通道不同的平面中。此外，出口开口将中央凹部的腔与另一单独的连接通道连接。出口开口的连接通道与入口开口的连接通道独立地设置在与基部基板的上表面成角度的位置。该构造还便于将阀座设置在与微流控阀门下游的微流控通道不同的平面中。总之，本发明的构造允许不论本发明的阀门上游和下游的微流控通道之间的结构和交角如何，本发明的阀门都可以使用。
通常，入口和出口开口以及分别连接的连接通道可以具有彼此独立的任何合适的表面积/截面表面积。根据优选实施方案，入口和/或出口开口的表面积与连接部分中各自的连接通道的截面表面积相同。更优选地，表面积/截面表面积在0.008mm2至3.1mm2的范围内，优选为约0.5mm2。优选地，连接通道被设置为基部基板中的圆柱形或圆锥形通道/孔。优选地，圆柱形或圆锥形连接通道的直径在0.1mm至2mm的范围内，更优选地在0.3mm和1.2mm之间。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，在阀门打开状态下，阀腔的体积VVC≤3*D3，其中D是入口和出口连接通道的水力直径中的较大者，其中连接通道的水力直径D定义为D＝4A/p，其中A分别为阀门凹部的入口或出口处的相应连接通道的截面积，并且p为截面周长。更优选地，VVC≤2μL并且入口和出口连接通道具有在0.3至0.87mm范围内的水力直径D。特别地，在基部基板的上表面的俯视图中，中央凹部的细长形状进一步有助于减少死体积。优选地，该中央凹部的纵向尺寸更优选地刚好足够大以包含入口开口、出口开口以及入口开口和出口开口之间的基部基板材料的表面区域。鉴于目前的注塑成型要求，入口和出口之间的壁以及相应连接通道之间的壁具有至少0.6mm的厚度。该纵向凹部的横向尺寸可以最优选地制成小到包含相应的入口和出口开口以及它们之间的基部材料的表面区域。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，入口和出口开口中的至少一个(优选两者)设置在具有最大距离dCR的中央凹部的部分中。换句话说，具有最大距离dCR的中央凹部的部分与在操作中处于中央凹部的最低位置的中央凹部的部分相关。这进而意味着，特别是在入口和出口开口两者都设置在具有最大距离dCR的中央凹部的部分中的情况下，即在其操作期间的最低位置处，由于液体从中央凹部流出的重力流动，死体积可以进一步减少。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，顶部基板的下表面和弹性膜的上表面可以齐平安装，更优选地可以通过双组分注塑成型获得齐平安装。因此，弹性膜和顶部基板之间的排布和相对位置保持不变。在这种情况下，本发明进一步简化了本发明的阀门/本发明的微流控芯片的生产方法，因为仅需要将包括弹性膜和顶部基板的单个基板固定到基部基板上，以紧固齐平安装的基板的弹性部分。
关于本发明的第一方面公开的所有特征和实施方案可以单独组合，或与本发明的第二、第三和第四方面中的每一个(包括其优选实施方案中的每一个)分别(子)组合，只要由此产生的特征组合是合理的。
根据本发明的第二方面，提供了微流控芯片，其包括微流控通道网络和根据本发明的第一方面的一个或多个微流控阀门。
如已经提到的，在一个弹性膜覆盖两个或多个微流控阀门的情况下，本发明的微流控芯片特别优选作为其他发明实施方案的补充或替代。这种构造允许简化本发明的微流控芯片的生产，并因此降低相关的生产成本。
作为本发明的附加或替代的优选实施方案，相应一个或多个阀门上游和下游的微流控通道被设置为基部基板的下表面中的相应凹部，分别通过单独的连接通道连接到中央凹部的入口和出口开口，所述单独的连接通道被设置为从基部基板的下表面到上表面的单独的通孔，更优选地，其中通孔分别垂直于基部基板的上表面设置，并且其中基部基板的下表面涂覆有涂层材料，从而封闭基部基板的下表面中的凹部并形成相应的微流控通道。该优选实施方案进一步有助于使用本发明的微流控阀门，而不管本发明的微流控阀门上游和下游的微流控通道之间的结构和交角如何。进而，这意味着微流控通道可以以优化(即减少)通过本发明的微流控阀门连接的微流控网络所需的空间/表面区域这样的方式设置。
根据本发明，可以使用合适的涂层材料。更优选地，涂层材料表现出与基部基板相当的特性。甚至更优选地，涂层材料是与基部基板相同的材料。因此，根据本发明的第二方面的附加或替代的优选实施方案，涂层材料由选自合适的玻璃和合适的聚合物的组的液体和气体不可渗透的材料形成，其中聚合物优选选自由聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚苯乙烯、环烯烃聚合物或聚(甲基丙烯酸甲酯)组成的组。更优选地，涂层材料选自聚碳酸酯。
涂层材料通常以液密和气密的方式施加到基部基板的下表面，从而形成本发明的阀门上游和下游的微流控通道，并且在两个或多个阀门的情况下形成微流控网络。涂层材料优选以箔或板的形式施加，其以合适的厚度使用，以便以气体和液体不可渗透的方式结合/密封到基部基板。施加的涂层材料(优选箔或板)通常被设置成承受在操作过程中积累的过压，优选地，施加的涂层材料(优选箔或板)在承受≤5bar(优选≤10bar)的过压时保持密闭的微流控网络。
根据本发明的另一额外或替代的优选实施方案，基部基板在阀座外的上表面上(优选地在突出部的周长pPo外的上表面上)包括一个或多个紧固突出部，紧固突出部具有垂直于基部基板的上表面平面测量的从基部基板的上表面到紧固突出部的上表面的距离dCP>d，并且其中弹性膜和顶部基板分别包括与一个或多个紧固突出部对准的一个或多个凹部，优选地被设置成与一个或多个紧固突出部配合的一个或多个通孔。这种紧固突出部可以具有合适的高度(距离dCP)以便于紧固。一个或多个紧固突出部优选地由与基部基板相同的基板制成，并且在与顶部基板接触的部分中是可变形的。优选地，一个或多个紧固突出部可以通过应用合适的处理而变形，例如热处理和/或溶剂处理，更优选热处理。
根据本发明的另一额外或替代的优选实施方案，在将弹性膜和顶部基板固定到基部基板之前，一个或多个紧固突出部的距离dCP大于垂直于顶部基板的下表面平面测量的从基部基板的上表面到顶部基板的下表面平面的距离dBTLS，即dCP>dBTLS，优选其中dCP还小于垂直于顶部基板的上表面平面测量的从基部基板的上表面到顶部基板的上表面平面的距离dBTUS，即dBTUS>dCP>dBTLS，并且其中在定位弹性膜和顶部基板之后使紧固突出部分变形，以将弹性膜紧固在基部基板的上表面和顶部基板的下表面之间。
根据本发明的另一额外或替代的优选实施方案，基部基板在阀座外的上表面上(优选地在突出部的周长pPo外的上表面上)包括一个或多个间隔突出部，该间隔突出部具有垂直于基部基板的上表面平面测量的从基部基板的上表面到间隔突出部的上表面的距离dSP，其中dSP≥d，其中弹性膜包括与一个或多个间隔突出部对准的垂直于顶部基板的下表面设置的相应一个或多个通孔，并且其中顶部基板不包括与一个或多个间隔突出部对准的垂直于顶部基板的下表面设置的相应一个或多个对应的凹部或通孔。一个或多个间隔突出部优选由与基部基板相同的基板制成。一个或多个间隔突出部优选地被设置成当紧固突出部变形时防止弹性膜在突出部的外周长pPo外的区域中变形，或在周长pCR和周长pPo之间过度变形。此外，优选地，每个本发明的微流控芯片使用两个、三个或更多个间隔突出部，以促进顶部基板相对于基部基板的均匀平整。
关于本发明的第二方面公开的所有特征和实施方案可以单独组合，或与本发明的第一、第三和第四方面中的每一个(包括其优选实施方案中的每一个)分别(子)组合，只要由此产生的特征组合是合理的。
根据本发明的第三方面，提供了用于生产本发明的微流控阀门或本发明的微流控芯片的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤或由以下步骤组成：
a.提供分别关于本发明的第一和/或第二方面中的任一个所定义的基部基板、弹性膜和顶部基板，以及
b.将弹性膜的下表面设置在基部基板的上表面上，并且将顶部基板的下表面设置在弹性膜的上表面上，从而将顶部基板的通孔设置为与阀座的周长对准，该通孔的周长pTH≤pPi，
c.将顶部基板固定到基部基板上，从而将弹性膜紧固到基部基板上，以这样的方式使得阀座在向上方向上被密封，由此弹性膜被设置为不与处于阀门打开状态的中央凹部的表面接触，从而形成阀腔，该阀腔连接阀门上游和下游的连接通道，并且可通过阀门致动器装置变形，从而在关闭阀门状态下，弹性膜关闭中央凹部中的入口和出口开口之间的流体连接。
本发明的生产方法是特别优选的，因为弹性膜可以在整个表面区域上具有相同的构造，并且因此允许将弹性膜设置为相对于基部基板和/或顶部基板具有更大自由度。此外，不需要使用额外的弹性膜来实现控制微流控通道中的液体流动。甚至更优选地，本发明的生产方法可以避免使用粘合剂将阀座与弹性膜在向上方向上密封。
因此，本发明的生产方法允许第一和第二发明方面的本发明的微流控阀门和本发明的微流控芯片的简单且有成本效益的组装。
如关于本发明的第一方面所定义的基部基板和顶部基板可通过任何合适的技术获得，例如注塑成型工艺。如果顶部基板和弹性膜应作为一个齐平安装的基板提供，则选择合适的生产方法，例如双组分注塑成型工艺。关于第一或第二发明方面特别公开了基部基板的进一步特征和特性。
基部基板、弹性膜和顶部基板在方法步骤b)中使用合适的工艺(优选自动化工艺)以该相邻顺序设置/组装。
此外，还用合适的固定装置进行固定步骤c)。根据本发明的附加或替代的优选实施方案，基部基板通过其紧固突出部中一个或多个固定到顶部基板。根据该优选实施方案，紧固突出部优选地仅在其延伸顶部基板的下表面的部分中变形，以便以阀座沿向上方向密封的方式将弹性膜紧固到基部基板，由此弹性膜被设置成在阀门打开状态下不与中央凹部的表面接触，从而形成连接阀门上游和下游的连接通道的阀腔，并且可通过阀门致动器装置变形，使得在阀门关闭状态下，弹性膜关闭中央凹部中的入口和出口开口之间的流体连接。根据另一优选实施方案，一个或多个紧固突出部可通过合适的处理变形，例如热处理和/或溶剂处理。
根据本发明的附加或替代的优选实施方案，顶部基板以这样的方式定位，即它与基部基板中的一个(优选两个、三个、四个或更多个)间隔突出部接触，以促进顶部基板相对于基部基板的均匀平整。甚至更优选的是该实施方案，在间隔突出部被设置为在紧固突出部的变形处理期间不可变形的情况下。
关于本发明的第三方面公开的所有特征和实施方案可以单独组合，或与本发明的第一、第二和第四方面中的每一个(包括其优选实施方案中的每一个)分别(子)组合，只要由此产生的特征组合是合理的。
根据本发明的第四方面，提供了根据第一发明方面的微流控阀门或根据本发明第二方面的微流控芯片或根据本发明第三方面可获得的微流控芯片用于控制微流控通道网络的微流控通道中的液体组分的流动的用途。
如前所述，根据第一发明方面的微流控阀门或根据本发明的第二方面的微流控芯片或可以根据第三发明方面获得的微流控芯片的本发明的用途便于控制微流控通道中的液体流动，
·其中微流控阀门可用于控制微流控通道中的液体流动，而不管要连接/断开的微流控通道之间的适用交角如何，并且
·其中相同的阀门致动器装置可用于操作微流控阀门，并且其中阀门致动器只需要安装在与基部基板的阀座对准的顶部基板的通孔的周长pTH内，并且
·其中微流控阀门的死体积被优化，更优选地被减小，并且
·其中可以使用任何合适的阀门致动器，只要它安装在顶部基板中的通孔的周长pTH内，该通孔与基部基板的阀座对准，并且
·其中微流控阀门的生产方法简单，且有成本效益。
关于本发明的第四方面公开的所有特征和实施方案可单独组合或与本发明的第一、第二和第三方面中的每一个(包括其优选实施方案中的每一个)分别(子)组合，只要由此产生的特征组合是合理的。
附图详述
本发明的进一步特征和优点将参考附图从以下对本发明方面的实施方案的描述中得出。
附图中公开的微流控阀门涉及本发明的微流控阀门，特别是包含作为实施例的本发明的两个微流控阀门的微流控芯片，特别是用于控制待使用的微流控芯片中的液体流动，例如用于核酸分离，甚至更优选用于核酸分离并随后进行PCR分析。尽管本发明的微流控阀门和芯片在下文中以这种构造进行描述，但本发明所涵盖的并且特别是所要求保护的主题所涵盖的其他结构不受以下示例性描述的限制。
在本发明的上下文中，特别是在以下描述中提供的维度(例如距离、体积、浓度、比率和硬度性质)应包括分别适用于本发明的各个维度和/应用的本领域中的适当偏差。然而，示出的实施方案尤其不限于给定的实际维度，而是可以具有如上文一般性描述中所述的其他合适的维度范围。
图1A表示具有截面平面B-B的本发明的微流控阀门1和芯片10的一部分的简化的俯视图。因此，图1A以俯视图显示了基部基板11、阀座111、阀座的周长pV、阀座的中央凹部112、中央凹部的周长pCR、中央凹部的入口开口1121、中央凹部的出口开口1122和突出部113连同其内周长pPi和其外周长pPo的排布。如图1A所示，中央凹部具有纵向形状和优化的纵向和横向大小，以减少阀腔的死体积。
阀座的周长pV可以优选地在1mm至25mm之间的范围内，优选地在10mm和16mm之间。目前，pV为13mm。
中央凹部的周长pCR可以优选地在600μm至12.5mm之间的范围内，优选地在5mm和10mm之间。目前，pCR为7.5mm。
突出部的内周长pPi可以优选地在1mm至25mm之间的范围内，优选地在10mm和16mm之间。目前，pPi为13mm，而突出部的外周长pPo可以优选地在1.5mm至40mm之间的范围内，优选地在15mm和30mm之间。目前，pPo为22mm。
中央凹部的入口开口1121和中央凹部的出口开口1122优选地具有相同的表面，并且更优选地具有由圆柱形或锥形连接通道CCi或CCo与中央凹部的表面相交产生的椭圆形表面区域，所述连接通道具有的水力直径D在0.1mm至2mm之间的范围内，优选地在0.3mm和1.2mm之间。目前，入口和/或出口连接通道CCi或CCo的水力直径D在760μm至800μm的范围内。
设置在本发明的微流控阀门1上游的微流控通道MCUP和设置在本发明的微流控阀门1下游的微流控通道MCDOWN以虚线公开，因为它们设置在基部基板11的下表面上。通常，微流控通道MCUP和MCDOWN垂直于流动方向的截面尺寸为合适的尺寸，优选地它在100μm至2mm的范围内，更优选地在300μm至1.2mm的范围内，其中截面尺寸为圆形截面的直径，为方形截面的边长或长方形截面的长边的边长。在本情况下，截面尺寸为约800μm。
此外，图1A公开了分别围绕本发明的微流控阀门1对称设置的四个紧固突出部CP和四个间隔突出部SP。从图1A还可以看出，一个间隔突出部SP可以具有比其他间隔突出部更大的直径。在这种情况下，弹性膜的定位可以简化，以防止弹性膜的定位与和本发明的微流控阀门不相关的其他要求相关。关于本实施方案，间隔突出部和/或紧固突出部的直径的这种差异不是必需的。
基部基板11的材料通常有利于本发明的微流控阀门，相应地由合适的液体和气体不可渗透的材料形成，如在上文的一般性描述中更详细地阐述的。在当前情况下，聚碳酸酯(特别是具有高粘度的聚碳酸酯)用于基部基板11。
根据图1B，显示了本发明的微流控阀门1的基部基板11的一部分在平面B-B中的简化的截面侧视图，其包括涂层材料110，被涂覆到基部基板11的下表面，并且因此提供本发明的阀门的微流控通道上游MCUP和微流控通道下游MCDOWN(仅示出了进入MCDOWN的入口)。图1B未显示组装到基部基板的弹性膜12或顶部基板13，以增加本发明的微流控阀门1的截面B-B结构的可见性。
此外，从图1B可以明显看出，微流控通道上游MCUP的轴线与垂直于微流控通道上游MCUP设置的连接的连接通道CCi之间的交角α为约90°。连接通道CCi在流动方向上与具有周长pCR的中央凹部112的入口开口1121连接。中央凹部112设置在阀座111的中心，该阀座111被具有内周长pPi和外周长pPo的突出部113围绕。中央凹部还包括连接到连接通道CCo的出口开口，该连接通道CCo连接到本发明的微流控阀门1下游的微流控通道。
根据本发明，连接通道CCi和CCo优选地具有相同的几何形状，优选地呈圆柱形或圆锥形的形式。在注塑成型之后，圆锥形可以促进从模具中排出基部基板。在连接通道形成圆柱体的情况下，基面的直径可以优选地在0.3至1.2mm的范围内，目前为0.8mm，并且高度为约2mm。在形状为圆锥形的情况下，基面中的一个，优选设置在上平面中的表面的直径优选地可以在0.3至1.2mm的范围内并且为约0.8mm，倾角为约1°，使得基部基板的相对表面分别显示较小的直径，并且其中圆锥形的高度为约2mm。
此外，图1B显示了以对称顺序设置在突出部113外侧的四个紧固突出部CP以及分别设置在基部基板11的上表面上的四个间隔突出部SP。可选地，可以选择不对称顺序。紧固突出部CP各自具有相同的高度，即垂直于基部基板11的上表面平面测量的从基部基板11的上表面到紧固突出部CP的上表面的距离dCP。可选地，紧固突出部CP可以各自具有不同的维度。
此外，图1B显示了间隔突出部SP具有相同的高度，即垂直于基部基板11的上表面平面测量的从基部基板11的上表面到间隔突出部SP的上表面的距离dSP。间隔突出部SP可以各自具有不同的大小。
垂直于下表面和上表面平面测量的基部基板11的厚度通常可以在300μm至10mm的范围内，并且优选地在500μm至5mm的范围内，最优选地在1mm和3mm之间。间隔突出部SP的距离dSP(高度)目前为1.1mm，紧固突出部CP的距离dCP(高度)目前为3.6mm。
图2A和2B表示包含两个本发明的微流控阀门1的本发明的微流控芯片10的一部分的简化的透视俯视图，其中在图2B中，基部基板11与结合的涂层材料110、弹性膜12和顶部基板13的各个部分以相同的顺序显示，但展开/彼此间隔开。在图2A和图2B中，紧固突出部没有变形以将顶部基板13固定到基部基板11，从而不会以弹性膜12被紧固在基部基板11的上表面和顶部基板13的下表面之间的方式来固定弹性膜12。
根据图2A和2B，基部基板11的上表面与弹性膜12的下表面直接连接，并且厚度dEM＝d的处于松弛状态的弹性膜12的上表面与顶部基板13的下表面接触。厚度dEM在当前情况下为1mm。基部基板包括作为基部基板的下表面中的相应凹部的微流控通道网络MCN(以虚线示出)。涂层材料110结合到基部基板11的下表面，从而产生微流控通道网络MCN。此外，图2A和2B显示了与阀座111对准的顶部基板13的通孔131的排布，所述通孔具有周长pTH。通孔131优选地具有圆柱形或圆锥形形状。更优选地，圆柱形与圆锥形相结合，其中圆柱形从顶部基板13的下表面垂直于下表面平面朝向上表面的方向延伸，并且在某个维度上圆柱形连接到圆锥形，其中圆锥形朝向顶部基板13的上表面的方向打开，更优选地具有>5°的角度，优选地>20°，更优选地>50°并且目前为60°。顶部基板13的上表面上的圆锥形的圆形基部的直径小于周长pPi并大于中央凹部的周长pCR。因此，通孔131的直径优选地可以在中央凹部的横向尺寸到突出部的内周长pPi的直径之间的范围内，更优选地在中央凹部的纵向尺寸和突出部的内周长pPi的直径之间的范围内。
根据本实施例，圆柱形的通孔131的直径为约0.4mm，圆柱形的高度为约1.5mm，而圆锥形在其连接点处具有与圆柱形相同的直径并朝向顶部基板13的上表面的方向打开，使得顶部基板13的上表面处的直径为约5.5mm。圆锥形的高度为约1.5mm。这种排布对于在通孔内轻松设置阀门致动器装置2(如图2D和2E所示)特别有利。阀门致动器还可以位于顶部基板13的下表面处的通孔的周长pTH的稍微外侧。当从这样的位置降低以关闭阀门1时，通孔131的圆锥形可以便于正确设置定位的阀门致动器装置2，因为它可以平滑地滑下通孔131的斜面以关闭阀门1。与此相反，仅使用圆柱形的通孔131，在定位阀门致动器装置2的情况下，阀门致动器装置2可能会卡在顶部基板13的通孔131的边缘上，因此可能会破裂。因此，通孔的圆锥形是优选的，因为它可以防止微流控芯片和/或阀门致动器装置2的损坏，并且能够以增大的容限来正确操作用于定位阀门致动器装置2。
顶部基板13可以优选地具有垂直于其下表面和上表面平面测量的在0.5mm至10mm范围内、更优选地在1至5mm之间的厚度。在当前情况下，顶部基板具有约3mm的厚度。
此外，图2A和2B显示了紧固突出部CP以及弹性膜12的相应的通孔121和顶部基板13的通孔132。通孔132优选地具有圆柱形或圆锥形形状。更优选地，圆柱形与圆锥形相结合，其中圆柱形从顶部基板13的下表面垂直于下表面平面朝向上表面的方向延伸，并且在一定尺寸上，圆柱形连接到圆锥形，其中圆锥形朝向顶部基板13的上表面的方向打开，更优选地具有>5°的角度，优选地>20°，更优选地>50°，并且目前为60°，分别相对于通孔132的轴线。根据本实施例，圆柱形的直径为约0.4mm，圆柱体的高度为约1.5mm，而圆锥形在其连接点处具有与圆柱形相同的直径并朝向顶部基板13的上表面的方向打开，使得顶部基板13的上表面处的直径为约5.5mm。圆锥形的高度为约1.5mm。这种排布特别有利于在相应的紧固突出部CP变形以便将顶部基板13固定到基部基板11从而在基部基板11的上表面和顶部基板13的下表面之间紧固弹性膜12的情况。考虑到热处理，紧固突出部CP可以变形以产生所谓的蘑菇状头部。紧固突出部CP的蘑菇状头部可以设置在通孔132的圆锥形部分中，从而可以保护顶部基板不改变其位置。由于通孔132的体积扩大，紧固突出部CP的变形部分可以位于通孔132的内部并且不超过顶部基板的厚度。
图2C表示本发明的微流控芯片10的一部分的简化的俯视图，微流控芯片10包括两个本发明的微流控阀门1，各自具有阀座111、中央凹部112和围绕阀座111的突出部113。中央凹部各自包括分别连接到连接通道CCi和CCo的入口开口1121和出口开口1122。连接通道CCi连接到阀门的微流控通道上游MCUP，而连接通道CCo连接到阀门的微流控通道下游MCDOWN。从图2C可以看出，微流控通道MCUP和MCDOWN在基部基板的下表面平面内具有不同的交角。然而，可以使用相同的本发明的阀门，因为微流控通道MCUP和MCDOWN，特别是微流控通道网络MCN本身被设置成基部基板11的下表面上的相应凹部。此外，图2C显示了顶部基板13的具有周长pTH的通孔131以及分别围绕每个微流控阀门1的突出部113的四个紧固突出部CP和四个间隔突出部的排布。
图2D和2E分别表示在打开和关闭阀门状态下的组装微流控芯片10的截取部分以及相应阀门致动器装置2的一部分的简化的截面侧视图。然而对于阀门上游和下游的微流控通道的另一种排布，截面在与B-B相似的平面中。
相应地，图2D和2E分别显示了基部基板11以及涂层材料110(优选地箔或板)结合到基部基板以提供本发明的阀门1的上游和下游的微流控通道MCUP和MCDOWN，其分别设置为基部基板的下表面中的凹部。
此外，图2D和2E分别显示了分别连接到本发明的阀门1的上游和下游的微流控通道MCUP和MCDOWN的连接通道CCi和连接通道CCo，其中连接通道CCi和CCo分别连接到阀座111的中央凹部112的入口开口1121和出口开口1122。阀座111被突出部113包围。
此外，图2D和2E分别显示了弹性膜12被紧固在基部基板11的上表面和顶部基板13的下表面之间。顶部基板13具有通孔131，阀门致动器装置2居中设置在该通孔131中，优选地以杆状销的形式。分别从图2D和2E可以看出，阀门致动器装置2具有比中央凹部112的截面更大的截面。
图2D和2E还分别显示了突出部13外侧的弹性膜12优选不与基部基板11的上表面接触，特别是显示了垂直于基部基板的上表面测量的从基部基板的上表面到弹性膜的下表面的距离dBSEM。距离dBSEM可以是任何合适的尺寸，优选地可以在0至200μm的范围内，优选地为100μm。在当前情况下，距离dBSEM为约0.1mm。这种结构是优选的，因为施加到基部基板11上的压力较小，这反过来减少了基部基板的磨损，特别是在微流控通道网络MCN中在操作期间建立过压的情况下。
此外，图2D和/或2E显示了垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的相应距离，如下所述：
在突出部的周长pPo外垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离dBTLS通常可以在d至d+200μm的范围内，优选地为d+100μm。在当前情况下，距离dBTLS为约1.1mm。
在周长pCR<pV和pV＝pPi突出部之间的阀座表面区域中垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面到顶部基板的下表面平面之间的距离dVS通常可以在从d+20μm至d-100μm的范围内，优选为约d。在当前情况下，距离dVS为约1mm。
在中央凹部的周长pCR内垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离dCR通常可以在d+100μm至d+800μm的范围内，优选为d+400μm。在当前情况下，距离dCR为约1.4mm。
在突出部的周长pPi和pPo内垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离dP通常可以在0.3*d至0.65*d的范围内，优选为0.6*d。在当前情况下，距离dP为约0.6mm。
如上所述，图2D显示了本发明的阀门的阀门打开状态，其中在突出部113内的阀座111的区域中，弹性膜12的下表面与基部基板的上表面接触，但是在中央凹部112外侧，因此，在中央凹部112的区域中形成具有体积VVC的阀腔。阀腔促进从连接通道CCi到连接通道CCo的流体流动。阀腔的体积优选为VVC≤3*D3的体积，其中D为入口和出口连接通道CCi和CCo的水力直径中的较大者，其中连接通道的水力直径D被定义为D＝4A/p，其中A分别是在阀门凹部的入口或出口处的相应连接通道的截面积，并且p是截面周长。更优选地，VVC≤2μL，并且入口和出口连接通道具有在0.3至0.87mm范围内的水力直径D。在本情况下，VVC的体积为1.13μL。
与此相反，图2E显示了本发明的阀门的阀门关闭状态，其中阀门致动器现在设置成使阀座111的区域内的弹性膜12变形。因此，弹性膜12变形并且可以被至少部分压缩。因此，弹性膜12另外至少部分地填充中央凹部内的前一阀腔中的体积VVC，从而阻止从连接通道CCi到连接通道CCo的流体流动。
相对于附图公开的所有特征可以单独或以任何子组合与本发明的三个方面的特征(包括其优选实施方案的特征)组合，只要由此产生的特征组合对于本领域技术人员来说是合理的。
附图标记：
1 本发明的微流控阀门
10 本发明的微流控芯片
11 基部基板
110 涂层材料
111 阀座
pV 阀座的周长
112 阀座的中央凹部
pCR 中央凹部的周长
1121 中央凹部的入口开口
CCi 连接到入口开口的连接通道
1122 中央凹部的出口开口
CCo 连接到入口开口的连接通道
VVC 阀门打开状态下由中央凹部形成的阀腔体积
113 围绕阀座的突出部
pPi 突出部的内周长
pPo 突出部的外周长，
SP 阀座外侧的基部基板的上表面上的间隔突出部，
CP 基部基板的紧固突出部，
12 弹性膜，
121 弹性膜的凹部/通孔，设置成与基部基板的紧固突出部相配合，
122 弹性膜的通孔，与基部基板的间隔突出部对准，
13 顶部基板，
131 顶部基板的通孔，设置成与阀座对准，
132 顶部基板的凹部/通孔，设置成与基部基板的紧固突出部相配合，
pTH 顶部基板中的通孔的周长，
MC 微流控通道，
MCUP 在流动方向上微流控通道上游阀门的部分，
MCDOWN 在流动方向上微流控通道下游阀门的部分，
MCN 微流控通道网络，
dEM 弹性膜在松弛状态下的厚度，
dBTLS 在突出部的周长pPo外垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离，
dCR 在中央凹部的周长内垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离，
dP 在突出部的周长pPi和pPo内垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离，
dVS 在周长pCR<pV和pV＝pPi突出部之间的阀座表面区域中的垂直于下表面平面测量的基部基板的上表面和顶部基板的下表面平面之间的距离，
dCP 垂直于基部基板的上表面平面测量的从基部基板的上表面到紧固突出部的上表面的距离，
dSP 垂直于基部基板的上表面基部测量的从基部基板的上表面到间隔突出部的上表面的距离，
dBSEM 垂直于基部基板的上表面测量的从基部基板的上表面到弹性膜的下表面的距离，
2 阀门致动器。

Claims (15)

1.一种用于控制微流控通道中的液体流动的微流控阀门，所述微流控阀门包括基部基板、在松弛状态下厚度dEM＝d的弹性膜以及分别具有相对的上表面和下表面的顶部基板，其中所述顶部基板被固定到所述基部基板，从而将所述弹性膜紧固在所述基部基板的上表面和所述顶部基板的下表面之间，其特征在于：
所述基部基板在其上表面上包括周长pV＝x的阀座，所述阀座包括周长pCR≤x的中央凹部，以及围绕所述阀座的突出部，所述突出部具有内周长pPi≥x和外周长pPo>pPi，
其中，垂直于所述下表面平面测量的所述基部基板的所述上表面和所述顶部基板的所述下表面平面之间的距离分别是：在所述突出部的周长pPo外为dBTLS≥d，在所述中央凹部的周长pCR内为dCR>d，以及在所述突出部的周长pPi和pPo之间为dP<d，
其中所述顶部基板具有从其下表面到上表面的通孔，所述通孔具有周长pTH≤pPi，所述通孔被设置成与所述阀座对准，从而为阀门致动器装置提供通路，
其中所述中央凹部在所述基部基板的上表面上形成纵向形状的凹部，并且包括入口开口和单独的出口开口，所述入口开口和单独的出口开口通过各自的连接通道分别连接到阀门上游和下游的微流控通道，并且其中所述连接通道彼此独立地设置在与所述基部基板的上表面成角度的位置，
并且所述弹性膜被设置成在阀门打开状态下不与所述中央凹部的表面接触，从而形成阀腔，所述阀腔流体连接阀门上游和下游的连接通道，并且可通过所述阀门致动器装置变形，使得在阀门关闭状态下，所述弹性膜关闭所述中央凹部中的所述入口和出口开口之间的流体连接。
2.根据权利要求1所述的微流控阀门，其中在阀门打开状态下，所述阀腔的体积VVC≤3*D3，其中D是入口和出口连接通道的水力直径中的较大者，其中连接通道的水力直径D通道定义为D＝4A/p，其中A分别是所述阀门凹部的入口或出口处的相应连接通道的截面面积，并且p是截面周长，更优选地其中VVC≤2μL，并且所述入口和出口开口的水力直径D在0.3至0.87mm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的微流控阀门，其中所述入口和出口开口中的至少一个，优选地两者都设置在具有最大距离dCR的所述中央凹部的部分中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微流控阀门，其中所述突出部在所述基部基板的上表面平面上形成圆形，优选为环形或椭圆形，或成角度的形状，优选为方形或长方形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微流控阀门，其中所述中央凹部与所述阀座的周长间隔开，其中pCR<pV＝pPi<pPo，并且所述弹性膜的下表面至少与所述突出部的表面和所述突出部的内周长pPi和所述中央凹部的周长pCR之间的基部基板的表面接触，使得在阀门打开状态下，所述阀腔由所述中央凹部的体积组成。
6.根据权利要求5所述的微流控阀门，其中所述周长pCR<pV和pV＝pPi之间的所述阀座表面区域具有垂直于所述下表面平面测量的从所述基部基板的所述上表面到所述顶部基板的所述下表面平面的距离dVS，dP<dVS≤d，优选地dP<dVS＝d<dBTLS。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的微流控阀门，其中所述顶部基板的下表面和所述弹性膜的上表面是齐平安装的，优选地可通过双组分注塑成型获得。
8.一种微流控芯片，其包括微流控通道网络和一个或多个根据权利要求1至7中任一项所述的微流控阀门。
9.根据权利要求8所述的微流控芯片，其中一个弹性膜覆盖两个或多个微流控阀门。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的微流控芯片，其中相应的一个或多个阀门的上游和下游的微流控通道被设置为所述基部基板的所述下表面中的相应凹部，所述凹部通过单独的连接通道分别连接到所述中央凹部的所述入口和所述出口开口，所述连接通道被设置为从所述基部基板的所述下表面到所述上表面的单独的通孔，更优选地，其中所述通孔分别垂直于所述基部基板的所述上表面设置，并且其中所述基部基板的所述下表面涂覆有涂层材料，从而封闭所述基部基板的所述下表面中的所述凹部并形成相应的微流控通道。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的微流控芯片，其中所述基部基板在阀座外的上表面上，优选地在所述突出部的周长pPo外的上表面上包括一个或多个紧固突出部，所述紧固突出部具有垂直于所述基部基板的上表面平面测量的从所述基部基板的上表面到所述紧固突出部的上表面的距离dCP>d，并且其中所述弹性膜和所述顶部基板分别包括与一个或多个紧固突出部对准的一个或多个凹部，优选地被设置成与一个或多个紧固突出部配合的一个或多个通孔。
12.根据权利要求11所述的微流控芯片，其中在将所述弹性膜和顶部基板固定到所述基部基板之前，一个或多个紧固突出部的距离dCP大于垂直于所述顶部基板的下表面平面测量的从所述基部基板的上表面到所述顶部基板的下表面平面的距离dBTLS，其中dCP>dBTLS，优选地其中dCP还小于垂直于所述顶部基板的上表面平面测量的从所述基部基板的上表面到所述顶部基板的上表面平面的距离dBTUS，其中dBTUS>dCP>dBTLS，并且其中在定位所述弹性膜和顶部基板之后使紧固突出部部分变形，从而将所述弹性膜紧固在所述基部基板的上表面和所述顶部基板的下表面之间。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的微流控芯片，其中所述基部基板在所述阀座外的上表面上，优选地在所述突出部的周长pPo外的上表面上包括一个或多个间隔突出部，所述间隔突出部具有垂直于所述基部基板的上表面平面测量的从所述基部基板的上表面到所述间隔突出部的上表面的距离dSP，其中dSP≥d，其中所述弹性膜包括垂直于所述顶部基板的下表面设置的与一个或多个间隔突出部对准的相应的一个或多个通孔，并且其中所述顶部基板不包括垂直于所述顶部基板的下表面设置的与一个或多个间隔突出部对准的相应的一个或多个对应的凹部或通孔。
14.一种用于生产根据权利要求1至7中任一项所述的微流控阀门或根据权利要求8至13中任一项所述的微流控芯片的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤或由以下步骤组成：
a.提供基部基板、弹性膜和顶部基板，
其中所述基部基板具有上表面和下表面，并且在其上表面上包括周长pV＝x的阀座，所述阀座包括周长pCR≤x的中央凹部，以及围绕所述阀座的突出部，所述突出部具有内周长pPi≥x和外周长pPo>pPi，
其中所述中央凹部包括入口开口和单独的出口开口，所述入口开口和单独的出口开口分别通过各自的连接通道连接到阀门上游和下游的微流控通道，并且其中所述连接通道彼此独立地设置在与所述基部基板的上表面成角度的位置，并且其中所述中央凹部在所述基部基板的上表面上形成纵向形状的凹部，
其中所述弹性膜具有相对的上表面和下表面，并且在松弛状态下厚度dEM＝d，
其中所述顶部基板具有相对的上表面和下表面，并且具有从其下表面到上表面的通孔，所述通孔的周长pTH≤pPi，
b.将所述弹性膜的下表面设置在所述基部基板的上表面上，并且将所述顶部基板的下表面设置在所述弹性膜的上表面上，从而将所述顶部基板的通孔设置成与所述阀座的周长pV对准，所述通孔的周长pTH≤pPi，和
c.将所述顶部基板固定到所述基部基板，从而将所述弹性膜紧固到所述基部基板上，以这样的方式使得所述阀座在向上方向上被密封，由此所述弹性膜被设置成不与阀门打开状态下的所述中央凹部的表面接触，从而形成阀腔，所述阀腔流体连接阀门上游和下游的连接通道，并且可通过阀门致动器装置变形，使得在阀门关闭状态下，所述弹性膜关闭所述中央凹部的入口和出口开口之间的流体连接。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的一个或多个微流控阀门或根据权利要求8至13中任一项所述的微流控芯片或可以通过根据权利要求14所述的方法获得的微流控芯片用于控制微流控通道网络的微流控通道中的液体组分的流动的用途。
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