KR102102123B1 - 유체 공학 회로 및 관련 제조 방법 - Google Patents

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앤드류 크롭
이삭 스프레이그
저스틴 엘. 카이
매튜 스콧 브래그
마르타 스톤
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퍼킨엘머 헬스 사이언시즈, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 공압 작동 다이아프램 부재들을 포함하는 다수의 회로 요소 서브 형태를 가지는 유체 공학 카트리지들, 및 그 제조에 관한 것이고, 다이아프램 물질들은 제공되는 유체 공학 요소 서브 형태에 따라서 개별적으로 항복점, 내화학성, 통기성 및 다른 특성을 위해 선택된다. 본 발명은 카트리지 내부에 다이아프램 부재들을 형성하기 위하여 적소에서 가장자리 결합 데쿠파주의 공정, 및 펌프들, 밸브들, 통기공들, 폐기물 용기, 시약 저장소 및 광학 윈도우를 갖는 큐벳들을 포함하는, 능동형 및 수동형 회로 요소들로서 다이아프램 부재들을 가지는 유체 공학 회로에 관한 것이고, 각 개별적인 다이아프램 부재의 물질 조성은 또한 제공되는 제조 동안 물질 모음으로부터 선택될 수 있다.

Description

유체 공학 회로 및 관련 제조 방법{FLUIDIC CIRCUITS AND RELATED MANUFACTURING METHODS}
본 발명은 일반적으로 마이크로 유체 공학 디바이스와 같은 유체 공학 디바이스, 및 그 제조 및 그 사용 방법에 관한 것이다.
유체 공학 마이크로펌프들은 종래에 공지되어 있으며, 피스톤 구동 디바이스과 같은 기계 시스템, 계면동전(electrokinetic) 펌프 및 밸브 디바이스들과 같은 전기 유체 시스템, 및 수공압 시스템들을 포함한다. 이러한 것들 중에서, 공압 액튜에이터와 제어 표면들을 구비한 시스템들은 마이크로스케일의 유체 유동을 제어하는데 가장 실용적인 것으로 입증되었다.
공압 인터페이스를 가지는 유체 공학 디바이스 중 하나의 유형은 Micronics, Inc.(미국, WA, Redmond 소재)에 의해 제조된다. 마이크로 유체 공학 채널들에서 유체 유동의 제어는 프로그램 가능 밸브 로직에 따라서 플라스틱 카트리지에 있는 밀리미터 크기의 밸브를 작동시키는 MICROFLOW® 시스템 공압 컨트롤러에 의해 달성된다. 소형 다이아프램들은 카트리지들의 공압측과 유압측을 분리하고; 즉, 밸브 다이아프램들은 유체 유동을 개시하고 정지시키는 것으로 공압 제어 펄스를 변환하기 위한 인터페이스 요소들이다. 카트리지들은 캡핑 오버레이어(capping overlayer)들 사이에 밀봉된 채널들과 챔버들과 함께, 얇은 판을 층대층(layer by layer)으로 쌓아 올리는 것에 의해 형성된다. 모든 다이아프램들은 단일층으로 형성된다. 이러한 방식으로, 복잡한 유체 공학 회로들이 형성된다. 공압 및 유압 채널들과 챔버들은 카트리지의 공압 부품(pneumatic workings)과 유압 부품(hydraulic workings)이 탄성중합 다이아프램층에 의해 분리되도록 형성된다. 폴리우레탄과 PDMS로 형성된 다이아프램들은 이러한 방법을 위해 선호되었다. 회로 요소의 형태 및 서브 형태(subtype)들에 따라서 다이아프램 물질이 변경될 수 있는(예를 들어, 통기성, 내화학성, 파열성, 탄성중합, 비탄성 등) 회로들을 제조하는 능력이 해결되지 않은 문제이다.
두번째 해결되지 않은 문제는 밀리미터 및 서브 밀리미터 풋프린트를 가지는 마이크로회로의 제조 능력에 관한 것이다. 소형화는 단위 면적당 고밀도의 회로 부품들을 가지는 디바이스의 유용하고 유리한 개발로 입증되었지만, 밀리미터 또는 서브 밀리미터 스케일의 밸브들과 다이아프램들은 현재의 제조 방법으로 실현하는 것이 어려웠다.
마이크로펌프
예를 들어, 소형 다이아프램 펌프 요소들은 유체 공학 마이크로회로 기술의 최대의 이점을 달성하는데 요구되고, 이는 보다 일반적으로 진단법 및 생명 과학에서와 같이 무수한 적용을 알게 된다. 다이아프램 구동 펌프들은 기계적 밀봉 및 윤활의 부재를 포함하는 그 위생 특징 때문에 유익하다.
비록 소형 펌프가 일반적으로 Wilding(예를 들어, US Pat. Nos. 5304487 및 5498392)에 의해 개시되었을지라도, 그 자체의 개시는 유체 공학 마이크로펌프 및 밸브를 완전히 작동시키는데 충분하지 않다. 실리콘으로 미세 제조된 펌프들에 관한 Van Lintel [1988, "실리콘의 미세 가공에 기초한 압전 마이크로펌프", Sensors and Actuators, 15: 153-167]이 Wilding에 의해 인용되었다. 실리콘 기반 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 구조는 일반적으로 현대의 플라스틱 디바이스와 호환하지 않는다.
유체 공학적 작동에서 자급식의 이점을 제공하는, 보다 큰 압축비와 큰 변위 용적 때문에 탄성중합 다이아프램 물질에 보다 큰 관심이 있었다. 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)과 실리콘은 일반적으로 얇은 시트 또는 관절 블록을 용이하게 형성하고, 다이아프램 물질로서 사용된다. 라텍스 러버와 비결정성 폴리우레탄이 또한 사용되었다. 후크 법칙에 따르는 탄성중합 물질은 이완된 상태에서 다이아프램이 그 본래의 형상으로 회복하는 이점을 가지지만, 이러한 것은 단지 일부 적용만을 위해 유익하고, 내화학성의 결여와 관련될 수 있다.
마이크로밸브들
밸브들과 관련된 대표적인 종래 기술은, 부드럽고, 탄성적인 폴리우레탄 시트가 경질의 아크릴 본체에 형성된 유동 채널들 위에서 클램핑되는 U.S. Patent No. 4304257('257 밸브)를 포함한다. 2개의 불연속 유체 공학 채널들 사이의 유체 경로는 시트의 일부를 기계적으로 구부리는 피스톤을 작동시키는 것에 의해 개폐된다. 시트 상의 신장 작용은 밸브 개방과 관련되고; 밸브 폐쇄는 폐쇄 위치로의 탄성 시트의 스프링 회복과 관련된다. 시트가 밸브 시트 위에 시트에 대한 매립된 부착을 가지는 솔레노이드 작동 로드에 의해 2개의 위치들 사이에서 기계적으로 구부러져서, 시트는 폐쇄될 때 밸브 시트를 접촉하고, 시트는 밸브를 개방하도록 밸브 시트 위에 가로놓인 구멍 내로 당겨진다.
US Pat. No. 4848722의 교시에 따라서, '257 밸브는 몇개의 이점을 가진다. 기계적 솔레노이드 작동의 섬세함 및 미세 조정의 필요에 더하여, 멤브레인은 영구적 스트레치(그 항복점을 지난 영구 변형 및 핀칭)의 위험이 있는 큰 응력을 받는다. 멤브레인을 위한 오목 접촉면에 의해, 밀봉 면적이 최대화되지만, 불리하게, 밸브 캐비티의 넌제로(non-zero) 및 상당한 용적이 유체가 유동을 시작하기 전에 충전되어야만 한다.
만료된 U.S. Pat. No. 4848722('722 밸브)에서, 압력 또는 진공원은, 밸브 시트에 있는 채널(3,4)들에 의해 형성된 구멍들이 폐쇄된 유동 정지 위치와 구멍들이 유체적으로 합쳐지는 개방 위치 내로 이축연신 폴리에틸렌 테레프탈레이트(boPET)와 같은 가요성 시트를 강요하도록 사용된다. 밸브 시트의 단차 랜드(step land)(도 9: 62)는 밸브가 폐쇄될 때 시트(8)에 의해 접촉된다. 시트는 밸브의 공압측에 아교 접착된다.
U.S. Patent No. 4869282는 밸브 캐비티를 형성하는 2개의 강성층들 사이에 샌드위치된 다이아프램 층을 가지는 마이크로 기계식 밸브를 개시한다. 다이아프램 층은 폴리이미드로 형성되고, 이는 밸브를 폐쇄하도록 제어 회로에서 적용된 공압 압력에 의해 편향된다. 다이아프램 운동은 폴리이미드 층을 과응력하는 것을 피하도록 제한된다.
만료된 U.S. Pat. No. 5660370('370 밸브)은 가요성 다이아프램(2)과 2개의 구멍들이 형성된 강성층으로 형성된 평탄 밸브 시트를 가지는 밸브(도 1: 1)을 개시하고, 각 구멍은 하부층에 있는 유체 공학 채널(3, 4)로의 개구를 한정하며, 구멍들은 밸브 문틀(valve sill)에 의해 분리된다. 다이아프램은 폴리우레탄 또는 실리콘으로 만들어진다. 밸브(5)는 다이아프램을 공압으로 작동시키는 것에 의해 개방된다. 그 항복점을 지나서 응력을 받게 되는 시트의 경향을 피하도록, 평탄 밸브 시트는 다이아프램 운동의 요구된 범위를 최소화하도록 사용된다. 이러한 것은 또한 밸브의 사각 공간(deadspace) 용적을 감소시킨다.
유사한 구조가 YSI Inc.에 허여된 U.S. Patent No. 5932799에서 보여지며, 이는 접착제없이 서로 직접 결합되는 다수의 폴리이미드 층, 바람직하게 KAPTON® 막, 및 유체 유동을 제어하기 위하여 공압 작동 가요성 다이아프램 부재를 가지는 유체 공학 마이크로회로 분석기를 교시한다.
2002년 10월 17일 공개된 Micronics, Inc.의 WO Publ. No. 2002/081934는 탄성중합 다이아프램을 가지는 적층 밸브를 개시한다. "땅콩 밸브들"로 지칭된 이러한 밸브들은 부압 하에서 유체가 밸브 문틀을 가로지르는 것을 허가하고, 적극적으로(positively) 가압될 때 폐쇄된다. 유익하게, 밸브 캐비티는 사각 공간 용적을 최소화하도록 윤곽화된 허리부(contoured waist)로 형성된다.
Mathies에 허여된 US Pat. No. 7445926은 경질 기판들 사이에 샌드위치된 가요성 다이아프램 층을 가진 적층판을 개시한다. 공압 채널들과 유체 공학 채널들이 다이아프램 층의 양측에 형성되어서(문헌의 도 1 참조), 다이아프램은 능동형 밸브 부재이다. 개시된 다이아프램 물질은 254 마이크로미터 PDMS 멤브레인이다. 밸브 본체는 전형적으로 유리와 같은 고체이다.
Montagu의 US Pat. Appl. Nos. 2006/0275852 및 2011/0207621은 생물학적 분석(assay)을 위한 유체 공학 카트리지를 개시한다. 카트리지는 유동 통로를 한정하는 몰딩된 본체를 포함한다. 라텍스 다이아프램과 통형(canned) 다이아프램 펌프가 도시된다(문헌의 도 5 참조). "롤 탄성(rolling elastic) 다이아프램 펌프" 부재(3)는 수행된 서브조립체로서 카트리지 내로 삽입되고, 상업적으로 이용 가능하다(Thomas Pumps, Model 1101 소형 압축기, Sheboygan, Wis. 53081). 밸브들은 스테퍼 모터를 사용하여 기계적으로 작동된다. 그러므로, 밸브들은 적절한 작동을 위해 민감하고 세심한 조정을 요구하는 결점을 가진다.
다른 탄성중합 밸브와 펌프 구조가 공지되어 있다. 실리콘 밸브 구성의 예들은 U.S. Pat. Nos. 5443890, 6793753, 6951632 및 8104514를 포함하고, 이것들 모두는 밸브들과 펌프들을 형성하기 위하여 소프트 리소그래피 공정을 예시한다(U.S. Pat. Nos. 7695683 및 8104497 참조). PDMS는 다이아프램들과 펌브 본체들을 형성하도록 사용될 수 있다. 라텍스 러버와 비결정성 폴리우레탄들은 또한 다이아프램 물질로서 사용되었지만, 내화학성이 일부 적용을 위해 충분하지 않을 수 있다.
한정하지 않지만, 수공압 회로를 위해 이용되지 않았던 특성들을 가지는 다이아프램 물질의 예들은 습윤 후에 가스 투과성 및 액체 불투과성인 부재들을 포함한다. 탄성적이고 통기성인 다이아프램 부재들은 유체 마이크로펌프 기술의 분야에서 공지되지 않았다. 내용제성을 가지며 성형 준비(form-in-place) 다이아프램으로 형상화될 수 있는 다이아프램들은 공지되지 않았다. 다른 잠재적 다이아프램 물질들은 각 유형의 유체 공학 요소(fluidic elemnent)(밸브, 펌프, 저장소 등과 같은)들을 위하여 다이아프램 물질을 독립적으로 선택하기 위한 수단이 공지되지 않았기 때문에 고려되지 않았다.
유익하게, 습윤 후에 그 통기성을 보유하는 가스 투과성 다이아프램은 끝이 막힌 유체 공학 회로에서 다이아프램들의 사용을 허용하게 된다. 유익하게, 사전 형상화된 다이아프램 부재를 형성하도록 항복하는 내용제성 다이아프램은 입자 현탁액을 펌핑하기 위하여, 그리고 부식제, 채오트로프(chaeotropes), 또는 용제에 노출될 때 누설하는 폴리우레탄 다이아프램들을 대체하기 위하여 사용되는 밸브들에서의 적용을 가지며, 그러므로 PCR 동안 온도 요구조건을 감소시키기 위하여 에탄올, 포름아미드, 디메틸설프옥사이드와 같지만 이에 한정되지 않는 용제들의 사용을 허용한다.
하나의 이러한 적용에 적합한 물질들은 다른 것에 대해 적합하지 않을 수 있다. 제1 예로서, 밸브 다이아프램들은 미소공성(microporous) 가스 투과성 막으로부터 제조되면 작동할 수 없는데 반하여, 통기공들은 미소 기공도(microporosity)를 요구한다. 유사하게, 탄성을 요구하는 다이아프램들은 낮은 항복점을 갖는 다이아프램들에 의해 용이하게 대체되지 않을 수 있다. 특정 유형의 유체 공학 요소를 위한 물질의 최적화는 각 유형의 유체 공학 요소들이 독립적으로 최적화될 수 있으면 이점을 제공한다. 본 발명의 선택된 실시예들은, 개별적인 카트리지들의 펌프, 밸브, 필터, 통기공 및 큐벳(cuvette) 멤브레인들로 발전된 다이아프램 물질들의 모음(assortment) 또는 혼합된 팔레트를 선택적으로 통합하는 제조 방법없이 실현될 수 없으며, 각 유형의 유체 공학 요소는 별개의 유사하지 않은 다이아프램 물질에 의해 제시된다. 다양한 다이아프램 물질들은 일반적으로 박막으로 만들어진다.
밸브 및 펌프 다이아프램들 모두의 엔지니어링은 물질의 목록으로부터 선택 가능한 박막을 사용하여 유체 공학 디바이스의 조립을 허용하는 제조 방법으로부터 유용할 수 있다. 종래의 적소에서의 아교 접착 방법은 대량 생산에 적합하지 않고, 추가의 소형화 및 증가된 밀도의 회로 요소에 대한 높은 기술적 장벽을 가진다. 본 명세서에 개시된 조합들의 고유 이점을 감안하면, 유체 공학 회로의 각 다이아프램 부재가 각 개별적인 회로 요소의 기능적 요구에 따라서 다수의 이용 가능한 물질들로부터 독립적으로 선택되는 유체 공학 회로를 제조하는 공정이 요구된다. 현재 이용 가능한 방법은 진단 분석을 위한 것과 같은 유체 공학 디바이스의 사용 시에 예상된 시장 성장을 만족시키는데 필요한 제조 스케일로 단일 카트리지 상의 다중의 다이아프램 물질로 구성된 디바이스의 대량 생산을 허용하지 못한다. 발전이 되었지만, 본 기술 분야에서 마이크로 유체 공학 디바이스와 같은 개선된 유체 공학 디바이스를 위한 필요성이 있다.
본 발명은 이러한 것과 관련된 이점을 제공한다.
다이아프램 부재들이 단일 시트로서 형성되지 않지만 대신 개별적으로 각각 증착되어서, 다이아프램의 물질이 형성되는 회로 요소의 종류에 따라서 변경될 수 있도록, 여러가지의 다수의 수공압 다이아프램들을 가지는 유체 공학 디바이스가 개시된다. 각 카트리지는 상이한 다이아프램 물질들을 가지는 세브세트들 또는 조합들로서 그룹화된 회로 요소(밸브, 펌프, 통기공, 필터와 같은)를 포함한다. 또한, 고처리 용량 제조를 위한 적합성과 함께, "가장자리 결합 데쿠파주(edge-bonded decoupage)"로서 기술될 수 있는 다이아프램 인쇄 공정에 의한 이러한 시스템들의 제조 방법이 개시된다.
다이아프램은 그 항복점을 지난 다이아프램 막을 스트레칭하는 것에 의해 "성형 준비" 공정을 추가로 받을 수 있다. 이완 후에, 이러한 다이아프램들은 이것들이 스트레칭되는 캐비티의 형상을 보유한다. 이러한 공정은 유체 공학 시스템과 하우징의 마개의 초기 조립 후에 일어나며, 유익하게 연속성 또는 누설 결함을 가지는 제품을 식별하기 위한 품질 제어 단계로서 또한 기여한다. 오버스트레칭된 다이아프램들은 또한 압연 또는 프레싱 공정에 의한 것과 같이 기계적으로 형성될 수 있다. 예비 스트레칭된 다이아프램들은 개선된 반응 시간, 증가된 스트로크 용적 일관성, 감소된 유동 저항을 가지며, 이러한 방식으로 만들어진 밸브들은 보다 작은 내부 용적과 보다 적은 풋프린트를 가진다.
도입으로서, 몇개의 실시예들이 예의 방식으로 예시된다. 각 실시예에서, 다수의 여러가지의 다이아프램 서브 형태들은 디바이스에서 조립되고, 각 다이아프램 서브 형태는 유체 공학 회로에서 값의 고유 특성(탄성, 비탄성, 통기성, 투과성, 내화학성, 파열 민감성 등과 같은)을 가지는 특정 물질로 형성되었으며, 임의의 하나의 다이아프램 서브 형태는 모든 필요한 유체 공학 회로 요소에 적합하지 않다. 이러한 서브 조합들은 "인쇄 준비된(printed in place)" 특별한 다이아프램들의 모음을 가지는 유체 공학 회로의 일반적인 개념의 예시이고 한정이도록 의도되지 않고, 즉, 예시된 서브 조합들은 보다 큰 조합으로 형성될 수 있으며, 다른 서브 조합들과 조합들은 이러한 교시 배후의 원리를 실시하는 것에 의해 용이하게 달성된다.
본 발명의 공정들을 사용하여, 특정 유체 공학 또는 공압 기능에 고유하게 적합한 특성들을 가지는 다이아프램들의 서브 형태는 유사하지 않은 특성들을 가지는 다이아프램들의 다른 서브 세트들과 함께 용이하게 통합된다. 개별화된 다이아프램 물질들을 가지는 회로 요소의 가능한 서브 조합들의 전체 목록이 광범위하게 되고, 본 발명의 원리들이 본 개시로부터 자명하고, 이에 한정되지 않는다는 것은 자명하다.
유체 공학 카트리지들/유체 공학 회로들
다른 실시예에서, 2, 3, 4, 또는 그 이상의 층들을 가지는 유체 공학 카트리지들은 기능 유닛들로 형성된 다수의 여러가지의 다이아프램 물질들을 포함하는 유체 공학 회로들 주위에 형성될 수 있다. 예를 들어 2개의 몰딩된 기판층들과 1개 또는 2개의 캡핑층(capping layer)들을 가지지만 이에 한정되지 않는 본 발명의 유체 공학 카트리지들이 형성될 수 있다. 고유의 3층 및 4층 유체 공학 카트리지들은 이러한 공정에 의해 형성되고, 제조를 극적으로 간략화한다. 4개의 층들을 가지는 유체 공학 카트리지들은 다음에 설명되는 이유 때문에 특히 바람직하다.
바람직하게, 카트리지들은 공압 부품들을 수용하는 제1 몰딩 부분과, 유압 부품을 수용하는 제2 몰딩 부분을 포함한다. 다이아프램 부재들은, 이것들이 상호 교차하는 유체 공학 요소(fluidics)들로부터 공압 요소들을 분리하고 예를 들어 밸브들, 펌프들, 통기공들, 폐기물 용기들, 시약 저장소들 및 큐벳들을 형성하도록 적절한 정합(registration)으로 2개의 몰딩 부분들 사이에 삽입된다. 이러한 방식으로, 다이아프램 상의 공압 펄스의 작용이 다이아프램의 다른 측부 상의 유체의 운동 또는 구속을 유발하도록 구조들이 형성된다. 그러므로, 다이아프램들은 유압측과 공압측을 가진다. 캡핑층들은 그렇지 않으면 디바이스의 노출된 외부면들 상에 있게 되는 추가의 공압 또는 유체 공학 특징부들을 밀봉하도록 사용된다.
데쿠파주 공정 설명
본 발명의 제조 공정에서, 각 다이아프램은 공압 캐비티를 가지는 기판 상의 섬으로서 막 층으로부터 절단되고, 절단 공정은 다이아프램 컷아웃(cutout)들을 둘러싸는 잉여 물질이 제거되도록 막 층과 기판 사이에 용접부(weld)를 형성한다. 제2 단계에서, 유압 캐비티를 가지는 제2 기판은 각 다이아프램 부재 주위의 "에이프런(apron)"이 제1 및 제2 기판들 사이에서 압축되도록 제1 기판에 융합 또는 결합된다. 에이프런은 2개의 기판 층들 사이의 다이아프램의 가장자리들 주위에 압축 또는 융합 밀봉을 허용하는 한편 다이아프램의 내부 웨브(web)가 결합되지 않는 것을 허용하도록 절단된 특대형인 다이아프램 부재의 여백 부분이다. 결과적인 다이아프램은 그 안에서 캡슐화되는 캐비티의 크기에 의해 한정된 운동 범위를 가진다.
제1 기판에 있는 공압 캐비티들과 제2 기판에 있는 유압 캐비티들 사이에 다이아프램들을 배치하는 것에 의해, 작동 가능한 수공압 마이크로회로들이 구성된다. 짝을 이룬 캐비티들은 밸브들, 펌프들, 통기공들, 필터들, 추출기들, 폐기물 용기들, 시약 저장소들, 및 큐벳들로서 기능할 수 있다.
다이아프램 물질의 시트들은 비록 레이저가 프로그램 가능한 디자인에 따라서 용접부들을 만들도록 작업편 위에서 안내될 수 있는 이점을 레이저 데쿠파주가 가질지라도 레이저 데쿠파주 또는 고온 닙 롤러(hot nip roller) 데쿠파주를 사용하여 중합체 기판에 용접되거나 또는 접합될 수 있다(tacked).
유익하게, 절단 공정은 잉여 및 미결합 다이아프램 물질을 제거하도록 에어 나이프 또는 정전기 롤러와 협동하여 수행된다. 이러한 것은 각각 고유 특성을 가지는 별개의 다이아프램들이 고밀도로 인쇄될 수 있는 것을 보장한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 다이아프램 물질들은 롤 또는 시트로부터 막으로서 공급되고, 절단 레이저가 막으로부터 절단된 다이아프램 부재들을 접합 또는 융합 준비하기 위해 사용될 수 있도록 제1 강성 또는 반강성 기판과 접촉된다. 잉여 물질은 제거되고, 다이아프램들의 제1 서브 세트는 기판에서 하측 특징부(즉, 캐비티들)와 정합하여 이러한 방식으로 기판 상에 인쇄된다. 다이아프램 인쇄의 제2 라운드는 다수의 다이아프램들, 제1 물질로 형성된 서브 세트, 및 제2 물질로 형성된 서브 세트를 가지는 기판을 유발하고, 상기 물질들은 구성적으로 별개이다. 추가의 다이아프램들은 필요하면 인쇄 준비된다.
일부 실시예들에서, 탈수된 영역들은 제2 기판의 배치 전에 유체 공학 페이스(fluidic face) 상에 스폿들을 인쇄하는 것에 의해 카트리지에서 사전 위치될 수 있다. 기판들은 카트리지의 조립 전에 표면 처리, 질감 또는 광코팅으로 또한 개질될 수 있다. 제2 기판 부분이 그런 다음 먼저 그 유체 공학 페이스 상에 접촉되어서, 다이아프램들은 2개의 본체 부분들 사이에 샌드위치되고, 합침 페이스(conjoining face)들은 융합 또는 결합된다.
제3 단계에서, 캡핑층들은 필요하면 본체 부분들의 외부면들에 도포되고, 그 외부면들에 형성된 임의의 채널들 또는 챔버들을 밀봉한다. 임의의 통기공들 또는 샘플 입구 구멍들은 일반적으로 캡핑층들로 사전 절단되고, 때때로 부분들 사이의 용제, 열, 분자, 레이저 또는 초음파 접착이 실시되지 않는 중간 아교층 또는 ACA에 의해, 예를 들어 스탬핑되거나 또는 사전 절단된 아플리케(appliques)의 롤로부터 공정으로 공급된다.
본 발명의 제품 및 공정의 이들 및 다른 특징들은 다음의 청구항들과 그 전체가 함께 취해져 본 발명의 명세서를 형성하는 첨부 도면들의 상세한 설명에 의해 보다 완전히 명백하게 만들어질 것이다.
도 1은 본체층들 사이에 샌드위치된 다수의 다이아프램들을 가지는 카트리지 본체의 개략 분해도.
도 2는 다양한 유형의 유체 공학 요소들을 형성하도록 혼합된 다이아프램 물질의 사용을 도시하는 개략도.
도 3은 다이아프램 물질들이 각 회로 요소 또는 서브 형태에 따라서 독립적으로 선택된, 공압으로 작동된 다이아프램 부재들을 포함하는 다수의 회로 요소 서브 형태를 가지는 유체 공학 카트리지를 제조하기 위한 공정을 도시하는 블록도.
도 4는 카트리지 기판 상으로 다이아프램 부재들의 가장자리 결합 레이저 데쿠파주를 위한 조립 공정의 개략도.
도 5a 내지 도 5l은 레이저 데쿠파주를 사용하여 4개의 본체층들을 갖는 카트리지를 만드는 공정에서의 단계들을 도시한 도면.
도 6은 각각 별개의 유사하지 않은 다이아프램 물질들을 특징으로 하는 다수의 회로 요소 서브 형태를 갖는 유체 공학 카트리지를 제조하기 위한 공정의 블록도.
도 7a 내지 도 7l은 기계식 데쿠파주를 사용하여 4개의 본체층들을 갖는 카트리지를 만드는 공정의 단계들을 도시한 도면.
도 8a는 적층에 의해 쌓인 카트리지 본체를 도시하며; 도 8b는 몰딩된 특징부들을 가지는 4-층 카트리지를 도시한다. 유체 공학 요소는 유체 로딩을 위하여 통기성 다이아프램을 갖는 막다른 채널을 예시한다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 3배 확대된 통기성의 미소공성 폴리우레탄의 미세 구조를 도시하는 도표.
도 10a 및 도 10b는 박막을 스트레칭하는 공정에 의해 스트레칭된 다이아프램 부재를 도시한다. 공정은 탄성(즉, 회복 가능한) 또는 비탄성(즉, 물질의 항복점을 초과하는 것에 의해 영구 변형을 유발하는)이다. 탄성 물질과 달리, 항복된 다이아프램 서브 형태는 탄성적으로 회복하지 못하지만, 대신 오버스트레칭된 웨브를 갖는 버플 또는 기포(blister) 형상을 형성한다.
도 11은 적층된 본체에서 공압으로 구동된 마이크로펌프의 절개도.
도 12a 및 도 12b는 지름이 수 밀리미터인 마이크로펌프를 위한 성형 준비 다이아프램 부재의 평면도 및 정면도. 펌프 다이아프램 부재는 탄성중합체, 미소공성 폴리머, 스트레칭성 폴리머로부터 가장자리 결합 데쿠파주의 공정에 의해 원위치에서 형성될 수 있으며, 선택적으로 예를 들어 본 출원에 따라서 비탄성 변형의 공정이 이어질 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 항복점을 지난 스트레치 전(PRE) 및 후(POST)의 오버스트레칭성 폴리머 막의 펌프 방출 스트로크 용적을 도시한 도면. 데이터는 2개의 다이아프램 지름을 위해 나타난다.
도 14a 및 도 14b는 밸브 다이아프램의 "ON" 및 "OFF" 공압 제어를 도시하는, 마이크로밸브의 단면도. 밸브 다이아프램 부재는 가장자리 결합 데쿠파주의 공정에 의해 탄성중합체, 미소공성 중합체, 스트레칭성 중합체로 성형 준비될 수 있으며, 선택적으로 예를 들어 유체 공학 회로의 디자인에 따라서 비탄성 변형의 공정이 이어질 수 있다.
도 15는 몰딩된 본체 특징부들을 구비한 4층 본체에 있는 마이크로밸브의 절개도.
도 16a 및 도 16b는 탄성적으로 회복 가능하거나 또는 비탄성적으로 붕괴 가능한 기포 형상을 하는 밸브 다이아프램의 평면도 및 정면도.
도 17은 다이아프램을 갖는 마이크로밸브의 4층 본체 구조의 분해도.
도 18a 및 도 18b는 4층 카트리지 본체에 있는 마이크로밸브의 대안적인 실시예의 작동도. 밸브는 압력 해제될 때 개방하고 압축될 때 폐쇄된다. 탄성중합 다이아프램이 사용될 때, 밸브는 압축 해제될 때 수동적으로 개방한다. 성형 준비 다이아프램이 사용될 때, 밸브는 진공이 공압 캐비티에 적용될 때까지 폐쇄된다.
도 19는 탄성적으로 또는 비탄성적으로 형성될 수 있는 것으로서 기포형 다이아프램의 사시도. 한 실시예에서, 밸브는 가장자리 결합 데쿠파주의 공정에 의해 형성될 수 있고, 예를 들어 도 5 또는 도 7에서 개략적으로 도시된 바와 같이 비탄성 변형이 이어진다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들, 및 이점들은 본 발명의 바람직한 실시예들이 예의 방식에 의해 예시된 첨부 도면과 관련하여 취해진, 다음의 본 발명의 상세한 설명을 고려하여 보다 용이하게 이해될 것이다. 그러나, 도면들이 단지 예시 및 설명을 위한 것이고, 본 발명의 제한의 한정으로서 의도되지 않는 것을 명확히 이해할 것이다. 본 발명을 특징화하는 다양한 신규성의 특징부들은 본 개시물에 첨부되고 부분을 형성하는 청구항들에 있는 사항들에 의해 판명된다. 본 발명은 단독으로 취해진 이러한 특징부들 중 임의의 하나에 반드시 있기 보다는 명시된 기능을 위한 그 모든 구조의 특정 조합에 있다.
다음의 상세한 설명 전반의 특정 용어들은 특정 특징부들, 단계들 또는 부품들을 지칭하도록 사용되고, 설명의 용어들로서 사용되며 한정의 용어로서 사용되지 않는다. 당업자에게 자명할 것으로서, 다른 사람들은 상이한 명칭으로 동일한 특징부들, 단계 또는 부품을 지칭할 수 있다. 명칭에서 상이하지만 기능 또는 작용에서 상이하지 않은 부품들, 단계들 또는 특징부들은 동등한 것으로서 고려되고 구별할 수 없으며, 본 발명으로부터 벗어남이 없이 구성될 수 있다. 특정 의미들은 본 발명자들에 의해 의도된 것으로서 정의되고, 즉 이것들은 고유 의미이다. 본 명세서에서 사용된 다른 단어 및 어구들은 당업자에게 자명한 바와 같은 용법과 일치하는 것으로서 그 의미를 취한다.
정의:
"기판"은 챔버들과 채널들을 형성하는 캐비티들이 부조되거나 또는 몰딩되는 대체로 평면인 페이스를 가지는 본체층 또는 부재를 지칭한다.
"마이크로 유체"는 관례에 의해 500 ㎛ 미만인 적어도 하나의 평단 치수(critical dimension)를 가지는 유압 특징부들을 지칭한다. 평단 치수의 협소는 유체 유동에 관한 규정에서의 근본적인 변화를 유발한다. 유체 공학 마이크로펌프 유동 체제는 포이쉴리(Poiseuille) 또는 "층상" 유동을 특징으로 한다.
디바이스의 "유압 부품" : 분석의 과정에서 샘플 또는 액체 시약에 의해 습윤되도록 의도된 상호 연통 채널들과 챔버들의 네트워크 또는 네트워크들을 포함한다. 유압 네트워크들은 분석의 단계들을 수행하기 위한 유체 공학 서브회로로 구성된다.
디바이스의 "공압 부품" : 디바이스의 유압식 기계를 작동시키고 제어하는데 유용한 공압 작동 밸브들, 펌프들 및 다이아프램들 및 상호 연결 회로 및 매니폴드들의 네트워크 또는 네트워크들을 포함한다. 카트리지 디바이스의 공압 부품은 호스트 설비 상의 정압 및 부압원과, 밸브들, 다이아프램들, 펌프들과 유압 부품에서 액체를 제어하고 구동하는 다른 공압으로 작동되는 요소들과 접속한다.
디바이스의 공압 부품들이 바람직하게 공기 또는 질소와 같은 가스로 작동되는 것으로 말할 수 있지만, 동등한 "공압" 회로들이 보다 일반적으로 유체로 작동될 수 있다는 것이 예상되며, 유체는 가스 또는 실리콘 오일, 식물성 오일, 탄화플루오르 액체 등과 같은 액체를 포함하는 액체로부터 선택된다. 그러므로, 본 발명의 하나의 변형예에서, 공압 부품은 액체의 특징을 가지는 "유체"로 작동되고, 디바이스의 작동은 그렇지 않으면 당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이 동등하다.
디바이스의 "유체 공학 부품(fluidic works)" : 분석의 과정에서 습윤된 내부 채널들과 챔버들의 네트워크 또는 네트워크들로 형성된 유압 부품과, 공압 인터페이스를 통해 호스트 설비로부터 유래된 정압 및 부압원에 의해 작동 가능한 제어 및 펌프 구동 회로로 형성된 공압 부품을 포함한다.
유체 공학 부품은 유체 공학 서브회로들로 분할될 수 있으며, 각 서브회로는 액체 샘플 또는 시약에서의 특정 기능을 수행하기 위한 채널들과 챔버들을 포함한다. 유체 공학 서브회로들은 직렬 서브회로들(핵산 타겟 또는 타겟들의 추출, 확대 및 검출을 위한 것과 같은)과, 샘플을 분열시키는 것에 의해 단일 샘플 상의 다중 타겟들을 위한 동시 분석을 위한 것과 같은 병렬 서브회로들 및 네트워크로 조직될 수 있다. "마이크로스케일" 및 "유체 공학 요소"는 밀리미터 또는 서브 밀리미터 특징부들을 가진 디바이스를 지칭한다.
"응력"은 응력 변형과 관련된 단위 면적당 내부 또는 복원력이며, 파스칼 또는 메가파스칼(Pascals 또는 megaPascals)의 단위를 가진다.
"응력 변형"은 외부적으로 적용된 응력에 응답하여 본래의 길이 만큼 나누어진 길이에서의 변화의 비(ΔL/L0)이며, 단위가 없고, 때때로 백분율로 주어진다.
"항복점"은 곡선이 방향을 바꾸거나 또는 수평을 유지하고 소성 변형이 시작하는 응력-변형률 곡선 상의 지점이며, 그러므로, 물질의 "탄성 한계"에 일치한다. 항복점에 앞서, 물질은 적용된 응력이 제거될 때 그 본래의 형상으로 탄성적으로 복귀한다. 항복점이 지나치면, 이러한 변형의 일부 부분은 영구적이며 비가역적이다.
"항복 강도"와 "항복점"은 ASTM Standard Test Method D882-10("882 테스트 방법")에 규정된 바와 같은 재생력을 위한 표준 기술에 의해 측정된다. 일관성을 위하여, 대체로 1 mil 막이 바람직한 기판이다. 항복 강도는 비가역 변형을 유발함이 없이 물질에서 전개될 수 있는 최대 응력의 지표이다. 항복점은 비가역 변형을 유발함이 없이 물질에서 전개될 수 있는 최대 응력 변형의 지표이다. 실시 이유 때문에, 항복 강도, 응력 변형, 탄성 한계 및 탄성 모듈의 측정치는 응력-변형률 다이아그램으로부터 실험적으로 한정된다.
옵셋 항복 강도(offset yield Strength)는 옵센 라인(탄성 변형 범위를 통한 응력-변형률 곡선의 초기 경사에 평행하게 그려진)과 응력-변형률 곡선의 교차점에서 다이아그램으로부터 읽혀진 응력이며, 옵셋 라인은 선택된 값만큼 옵셋된다. 플라스틱에 대한 옵셋은 종래에 2%만큼 취해진다. 선택적으로, 항복은 때때로 예를 들어 공동 적층 막(co-laminated film)들의 경우에 들에서 일정 범위로서 도시된다.
"탄성"은 변형을 유발하는 부하가 제거될 때 그 본래의 형상으로 복귀하는 물질의 능력을 지칭한다. 탄성은 대체로 탄성의 후크의 법치에 의해 규정된 바와 같이 스프링형 샘플 반응으로 에너지를 저장하고 방면하는 능력이다. 응력 변형이 적용된 응력을 증가시키는 것으로 선형으로 증가할 때, 물질은 순수하게 탄성이지만, 점탄성 특성을 보이는 물질과 같은 일부 물질에서, 응력-변형률 관계는 선형이 아니며, 샘플 반응은 부하 적용의 시간 및 비율에 크게 의존한다.
또한 "탄성 모듈(Elastic Modulus)"로서 지칭되는 "탄성 모듈(Elastic modulus)"(E)은 응력-변형률 곡선의 탄성 변형 영역에서 측정된 경사이며, 응력 변형은 완전히 가역성이다. "탄성 모듈"은 응력-변형률 곡선에서 측정된 초기 경사이며, 물질의 경도의 지표이다. 탄성 모듈은 완전히 가역성인 스트레치 또는 변형의 범위 내에 있는 상수이며, 그러므로 후크의 법칙의 스프링 상수와 동등하다.
"영구 변형" 또는 "비탄성 변형"은 길이 치수에서의 증가이며 본래의 길이 치수의 백분율로서 표현되고, 이에 의해, 물질은 신장 응력(elongation stress)을 받은 후에 그 본래의 길이로 복귀하는데 실패한다. 막의 항복 강도 또는 탄성 한계보다 큰 응력을 받을 때, 박막의 영구 변형이 일어날 수 있다. 예를 들어, 캐비티 또는 프레임의 한쪽으로부터 다른 쪽으로 웨브 주간 거리(web span length)를 가지는 박막 다이아프램이 압력에 의해 스트레칭되고 그런 다음 이완된 상태로 다시 붕괴될 때, 웨브 주간 거리는 다이아프램이 그 항복점을 초과하는 오버스트레치의 양에 따라서 영구적으로 신장될 수 있다. "오버스트레치(Overstretch)"는 간단히 물질이 그 항복점을 지나서 스트레칭된 것을 지시한다.
물질의 "인성(toughness)"은 균열 또는 파열없이 에너지를 흡수하고 소성적으로 변형하는 물질의 능력이며, 다음의 적분에 따라서 응력-변형률 곡선 하에서 파괴점까지 전체 영역에 관련될 수 있으며,
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여기에서, ε는 응력 변형이며, εf는 실패 시의 응력 변형이며, σ는 응력이다. K의 단위는 단위 체적당 에너지이다. 본 발명의 목적을 위하여, 인성은 특히 길이에서 50%까지의 응력 변형을 겪고 이에 의해 영구적으로 변형되는 물질의 능력을 나타낸다. 이러한 특성은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 성형 준비 공정에 의해 공압 요소의 제조에 필요하다.
상이한 물질의 항복 강도의 상대적 규모, 궁극적인 인장 강도 및 신장률의 비교는 그 상대적인 인성의 양호한 지표를 또한 줄 수 있다.
교차하는 추선(plumb line)에 직교하는 것으로 취해진 "지평면"과 같은 기준의 특정 프레임의 기준이 만들어질 때; "상부", "저부", "위쪽", "아래쪽", "상부", "하부", "위에", "밑에", "위로", "아래로", "보다 상위", "플로어", "지붕", "볼록", "오목" 등은 상대적 위치의 지시이며 절대적 위치 또는 관점이 아니다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 "방법"은 설명된 목적을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 작용을 지칭한다. 단계들 또는 작용들의 특정 순서가 실시예의 적절한 작동을 위해 요구되지 않으면, 단계들 및/또는 작용들의 순서 및/또는 사용은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 변경될 수 있다.
"종래"는 본 발명이 관련하는 기술에서 공지되고 통상적으로 이해되는 것을 지시하는 용어 또는 방법에 관계한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 카트리지(100)의 분해도이다. 카트리지는 상부로부터 저부로, 제1 캡핑층(101), 공압 몰딩 플레이트 층(102), 유체 공학(유압) 몰딩 플레이트 층, 및 제2 캡핑층(103)의 4개의 층들로 형성된다. 2개의 몰딩된 플레이트들 사이에는 다중의 다이아프램 서브 형태(105, 106, 107, 108, 109)들이 있으며; 다이아프램들은 그 조성 및 기능에 따라서 서브 형태로 형성된다. 유체 공학 회로 요소(펌프들, 밸브들, 통기공들 등과 같은)들의 각 유형은 특정 기능 특성을 가지는 특정 물질로 형성될 수 있다. 유압 플레이트 층에 있는 대응 캐비티(106a, 107a, 및 108a)들은 다이아프램 구조들이 어떻게 기능 회로 요소에 통합되는지의 지시로서 도시된다. 예를 들어, 요소(108)는 밸브 트리(valve tree)를 형성하는 밸브들의 제방(bank)을 나타낼 수 있다. 요소(109)는 폐기물 챔버 등을 나타낼 수 있다. 샘플 입구(105)는 본체에 있는 유체 공학 채널들, 비아(via)들, 및 연결부들의 상세가 도시되지 않았을지라도 다른 유체 공학 특징부들을 나타낸다.
카트리지는 마이크로스케일 채널들, 캐비티들, 및 챔버들을 포함하는 유압 부품과 공압 부품을 포함한다. 샘플과 시약 액체는 카트리지 또는 카드의 유압 네트워크에서 운반되고; 유체 유동은 선택된 합류점들, 채널들 및 챔버들의 끝을 연결하는 다이아프램들에서 유압 기기와 접속하는 공압 네트워크에 의해 제어되고 구동된다. 전형적으로, 카트리지 또는 카드의 본체는 가요성 플라스틱으로 만들어지고, 적층, 몰딩 또는 그 조합에 의해 형성될 수 있다. 본체 플라스틱은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 환상 폴리올레핀, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리이미드, 폴리실리콘, 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 그레파이트 및 블록 공중합체, 및 그 복합재를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 바람직한 카트리지는 롤스톡(rollstock)으로 만들어지고, 그 위에 인쇄된 건식 시약을 포함한다. 다른 이러한 카트리지들은 몰딩된 본체 요소를 포함할 수 있다.
카트리지(100)는 도 2에 개략적으로 도시되어 있으며, 다양한 유형의 회로 요소들이 형성되고, 각 유형의 회로 요소들은 별개의 유사하지 않은 다이아프램 물질(설명문 참조)로 형성된다. 밸브(205)들, 시약 저장소(206)들, 제1 펌프 형태(207), 제2 펌프 형태(208), 폐기물 저장소(209) 등의 5가지 유형의 회로 요소(205, 206, 207, 208, 209)들이 도시된다.
한 실시예에서, 능동형 펌프 다이아프램들은 비탄성 스트레칭이 조립 또는 사용 동안 일어나는 항복점을 가지는 중합체로 형성될 수 있는데 반하여, 유체 동역학을 위해 사용될 수 있는 에너지를 저장하도록 탄성적으로 스트레칭되는 수동형 펌프 다이아프램들은 탄성중합체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 펌프 형태(207)는 오버스트레칭된 다이아프램으로 형성될 수 있고, 제2 펌프 형태(208)는 미소공성 탄성중합체로 형성될 수 있고, 제1 펌프 형태는 공압 작동 라인에 의해 구동되며, 제2 펌프 형태는 수동적으로 작동되어서, 펌프(207)로부터 펌프(208)까지 능동적으로 구동되는 유체는 2-구역 열순환처리를 갖는 PCR과 같은 진단 적용에서 유용함으로써 다이아프램(208)의 탄성 이완에 의해 수동적으로 복귀된다.
다이아프램들은 대체로 박막들로 형성되는 한편, 선택적으로 주조 준비되지만, 바람직한 방법은 도 3을 참조하여 설명되는 바와 같이 가장자리 결합 데쿠파주에 의해 다이아프램들을 인쇄 준비시키는 것이다. 다양한 박막들이 다이아프램들에 적합하고, 공정의 장점 중 하나는 다중의 다이아프램 물질들을 사용하는 것이며, - 각 개별적인 다이아프램은 특정 회로 요소, 회로 요소의 유형, 또는 서브 형태의 요구에 가장 적합한 막 물질로 제조된다. 예를 들어, 펌프 요소로서 제조된 다이아프램들의 서브 세트가 있을 수 있고, 밸브 요소들로서 제조된 다이아프램의 제2 서브 세트가 있을 수 있다. 일부 펌프들은 탄성 다이아프램들을 사용할 수 있고, 다른 펌프들은 다음에 설명되는 바와 같이 스트로크 용적을 증가시키도록 비탄성적으로 오버스트레칭된 다이아프램들을 사용할 수 있다. 많은 예에서, 펌프와 밸브 제조를 위해 선택된 다이아프램 물질들은 다를 것이다. 펌프들 또는 밸브들의 서브 세트는 내열성, 탄성, 내화학성, 투과성 등, 동일 회로에서 다른 유체 공학 요소들에서 유용하지 않을 수 있는 물질 특성을 위해 선택된 특별한 물질들을 요구할 수 있다.
다이아프램 물질들은 예를 들어 일정 범위의 폴리우레탄(등록상표 FABTEX® 하에 판매되는 미소공성 폴리우레탄을 포함하는), 저밀도 폴리에틸렌/에틸렌 비닐 아세테이트/폴리염화비닐리덴/에틸렌 비닐 아세테이트 및 저밀도 폴리에틸렌 적층판(등록상표 SARANEX® 하에 판매되는 것과 같은), 등록상표 MUPOR® 하에 판매되는 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 막, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 이축연신 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐리덴, 폴리이미드, 및 폴리올레핀을 포함한다. 하나의 서브 형태는 요구된 범위의 변형에 걸쳐서 완전히 탄성이며; 다른 서브 형태는 성형 준비 다이아프램 요소를 만드는데 초과된 항복점을 가진다. 특정 부재들은 항복점이 너무 낮기 때문에 또는 세로 탄성계수가 너무 높기 때문에 탄성중합 다이아프램들로서 유용하는데 충분한 탄성이 아니다. 여전히 또 다른 서브 형태는 미소공성 및 통기성이다. 일부 다이아프램들은 친수성이며, 다른 다이아프램들은 소수성이다. 특정 적용을 위하여 파열 민감성 또는 내파열성 박막(나일론 보강 또는 공동-적층판을 가진 것들과 같은)들이 사용된다. 마이크로회로에서 각 종류의 유체 공학 요소를 위해 최적화된 다이아프램 물질을 선택하는 것에 의해, 회로망의 개선되고 놀라운 특성들이 실현된다.
본체 플레이트 부재 또는 층(101, 102, 103, 104)들을 형성하기 위한 물질들은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(가장 바람직하게 MYLAR®로서 판매되는 2축 스트레칭된 PET), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 및 실리콘 러버를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
다이아프램 부재들은 본체 부재들의 양쪽면들 상의 대응 캐비티들과 정합하여(정합 마크(210) 또는 종래에 공지된 다른 기준들을 사용하여) 유체 공학 플레이트와 공압 플레이트 사이에 배열된다. 다이아프램들은 공압층에 대해 막의 시트를 접촉시키고 각 아우트라인을 절단하는 한편, 기판 상에 물질을 용접하는 것에 의해 조립될 수 있으며, 공정은 "절단-용접"으로 지칭된다. 다이아프램의 형상은 대체로 위에 놓인 캐비티의 아우트라인에 의해 결정된다. 여분의 물질의 앞치마(bib) 또는 에이프런은 캐비티가 밀봉되도록 각 형상 주위에서 절단된다. 컷아웃들 사이의 여분의 물질은 그런 다음 예를 들어 정전기 픽업 롤러 또는 에어 나이프를 사용하여 벗겨진다.
도 3은 단일 카트리지에서 다이아프램 형태의 혼합된 모음을 형성하기 위한 공정의 블록도이다. 조립에서의 제1 스테이지는 공압 플레이트에 다이아프램 부재들을 접합 또는 용접하는 가장자리 결합 데쿠파주의 공정을 채택한다. 제조의 제2 스테이지에서, 선택된 다이아프램들은 성형 준비될 수 있다. 제1 스테이지와 제2 스테이지는 분리하여 고려될 것이다.
조립의 제1 스테이지는 개념적으로 여러 단계들로 나누어질 수 있다. 한 쌍의 몰딩된 플레이트들이 제조되고, 유체 공학 회로의 유압 부품을 한정하는 캐비티 및 채널 특징부들은 제1 플레이트 또는 하우징 내로 부조되거나, 몰딩되거나, 또는 적층되며, 공압 회로의 공압 부품들을 한정하는 캐비티 및 채널 특징부들은 제2 제조된 플레이트 또는 하우징 내로 부조되거나, 몰딩되거나, 또는 적층된다.
다음 단계에서, 공압 플레이트(101)는 위를 향한 공압 페이스(pneumatic face)와 함께 자동화 공정으로 공급된다. 도 4에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 제1 다이아프램 막 물질(스테이션 A에서)의 시트는 공압 페이스 상에 접촉되고, 로보틱 레이저는 다이아프램들의 제1 서브 세트를 절단 용접하도록 사용된다. 형성될 제1 회로 요소들은 예를 들어 모든 다이아프램들을 포함할 수 있었다. 레이저 절단은 플라스틱 기판에 다이아프램 부재들을 접합 또는 용접하는 효과를 가진다. 다이아프램들에 의해 덮여지는 공압 캐비티 또는 특징부의 외부 립(ilp)을 지나서 연장하는 각 다이아프램 부재 주위에 여분의 여백 또는 에이프런을 허용하는 각 절단이 만들어진다. 이러한 단계는 "레이저 가장자리 결합 데쿠파주", "레이저 가장자리 용접 데쿠파주", 또는 간단히 "레이저 데쿠파주"로 지칭된다.
제4 단계에서, 공압 페이스와 로보틱 레이저 상에 접촉된 제2 다이아프램 물질의 시트(스테이션 B에서)는 다이아프램들의 제2 시트를 절단하도록 사용된다. 이러한 것들은 예를 들어 탄성 다이아프램들을 가지는 유체 공학 요소의 제2 서브 세트를 포함할 수 있었다.
레이저 데쿠파주 단계는 유체 공학 회로에 필요함으로써 다이아프램 물질의 많은 시트 또는 롤들에 의해 반복될 수 있으며, 각 시트 또는 롤은 특정 유형의 다이아프램 형태를 위해 사용될 별개의 물질이다.
끝으로, 유체 공학 플레이트(카트리지에 수용될 임의의 건식 시약으로 스폿팅되거나(spotted) 또는 인쇄된)는 공압 플레이트에 대해 면대면으로 끼워맞춤되고, 각 플레이트에 있는 다양한 캐비티들을 둘러싸는 대응 립 표면들 사이에서 다이아프램 부재들의 에이프런들을 샌드위치하고, 융합 또는 결합 공정은 2개의 플레이트들이 서로 밀봉되도록 적용된다.
2개의 기판들의 융합은 예를 들어 초음파 용접에 의해, 용제 용접에 의해, 아교 접착에 의해, 또는 레이저 지원 열 융합에 의해 완성된다. 양면 아교 접착층의 사용은 기판들 중 하나에 공유 원자가로(covalently) 묶인 표면 에폭시드 그룹(surface epoxide group)들의 UV-활성화와 조합하여 플레이트들을 압력 처리하는 것에 의해 방지될 수 있다.
이러한 단계는 그 밸브 캐비티 및 펌프 캐비티 내에서 캡슐화된 가동 밸브 및 펌프 다이아프램 조립체들을 유발한다. 2개의 플레이트들을 서로 결합 또는 융합하는 공정에서, 다이아프램 부재들의 에이프런들은 다이아프램이 회로의 공압측 및 유체 공학측을 물리적으로 분리하도록 밸브 캐비티 및 펌프 캐비티의 외부벽 경계를 이루는 곳에서 밀봉된다.
조립은 추가의 단계들을 수반할 수 있다. 회로 특징부들이 융합된 플레이트들의 외부면 상으로 발휘된 경우에, 캡핑층은 그 특징부들을 봉입하도록 카트리지 본체의 대측성 면(contralateral face)들 상에 도포된다.
디바이스는 유체측과 공압측 상의 연속성 및 누설에 대해 테스트될 수 있다. 유체측 상에 과압을 적용하는 것에 의해, 다이아프램들은 위에 놓인 공압 캐비티의 형상과 일치하도록 스트레칭 준비될 수 있다. 이러한 다이아프램들은 이완될 때 버플처럼 벌려둔(tented) 외관을 가지게 된다. 이러한 것은 다음에 더욱 상세히 기술될 것으로서 "성형 준비" 다이아프램 공정을 정의한다.
도 4는 다이아프램들의 가장자리 결합 데쿠파주를 위한 조립 라인 공정의 부분을 도시한다. 이러한 개략도에 도시된 바와 같이, 조립 라인 벨트는 막 층이 제1 작업 스테이션(스테이션 A)에서 기판의 노출된 표면 상에 밀접하게 접촉될 수 있도록 롤러 조립체들 아래에서 공압 카트리지 본체(101) 부재들을 운반하도록 사용된다. 로보틱 레이저는 기판 상의 대응 캐비티들과 밀접한 정합으로 다이아프램들의 형상을 절단하도록 사용되고, 몰딩된 부분들 사이에서 다이아프램들을 가장자리 밀봉하도록 사용될 여백(본 명세서에서 "에이프런"으로 지칭됨) 주위의 과잉을 허용한다. 본 발명자들이 발견한 바와 같이, 파장 및 파워 출력을 포함하는 레이저 절단 공정의 상세는 다이아프램의 컷아웃들이 적소에서 취해질 수 있도록, 또는 폴리우레탄 탄성중합체 또는 폴리염화비닐리덴의 경우에서와 같이, 기판에 용접되도록 선택될 수 있다. 잉여 물질은 예를 들어 필요하면 에어 나이프의 도움으로 테이크업 롤러 상으로 제거된다. 카트리지 조립체는 다음의 작업 스테이션(스테이션 B)으로 진행하고, 제2 다이아프램 물질이 도포된다. 이러한 방식으로, 다수의 물질적으로 별개인 다이아프램들의 서브 세트를 가지는 제품이 연속으로 인쇄 준비될 수 있다.
도면에 도시되지 않은 다음의 작업에서, 공압 기판 플레이트는 유압 기판 플레이트와 면대면으로 짝을 이루고, 2개는 서로 융합 또는 결합되며, 그러므로 완성된 제품 내에서 다이아프램들을 캡슐화한다. 다이아프램들은 공압 캐비티로부터, 또는 대기 통기공으로부터 유압 캐비티를 분리한다.
시운전 및 에러에 의해, 선택된 물질은 레이저에 의한 형상을 절단하는 공정에서 플라스틱 기판 상으로 용접 또는 접합하는 것이 알려졌다. 절단 용접은 전형적으로 C02 레이저, Nd:YAG 레이저, Holmium 레이저와 같은 레이저, 가장 바람직하게 1.7 - 10 미크론 범위에 있는 출력을 가지는 레이저로 달성되며, 가장자리 결합 데쿠파주에서의 적용을 알았다. C02 레이저는 약 2㎛ 출력을 가진다. 2㎛ 출력을 가지는 섬유 레이저(툴리움(Tm) 도핑 및 홀뮴(Ho) 도핑 이중 피복 섬유를 채택하는 것들과 같은)는, 출력이 미세하게 초점이 맞추어지고, C02 레이저보다 큰 깊이까지 중합 물질과 강렬하게 상호 작용하고 용접될 표면들 상에서 개선제를 흡수할 필요성이 없는 대역에 있기 때문에 특히 바람직하다. 타겟 출력은 대체로 100 W 미만이다.
대부분의 플라스틱들은 UV 또는 근-IR 레이저로부터 연장하는 영역에서 레이저 방사를 흡수하지 못한다. 레이저 용접(열로의 레이저 방사의 변환)은 염료 또는 부속물 흡수층의 추가와 같은 중합체 감작(sensitization)에 의해 약 2 ㎛ 아래의 파장에서 수행될 수 있다. 그러나, 약 1.7 ㎛에서, 플라스틱의 고유 흡수성은 진동 자극으로 인하여 증가한다. 본 발명자들은 레이저 가장자리 결합 데쿠파주를 위하여 바람직한 레이저 출력 주파수가 1.7 내지 10 ㎛의 범위에 있다는 것을 알았다. 2 ㎛ 출력을 가지는 섬유 레이저의 이점은 보다 높은 파워 및 빔 품질; 보다 높은 효율 및 가장 작은 크기; 고속 로봇 작업 스테이션들을 위한 가요성 섬유 빔 전달, 및 광범위한 중합체 이상의 효율을 포함한다. 일부 적용에서, 절단 속도는 초당 수미터에 육박한다. 필요하면, 상이한 레이저들이 상이한 다이아프램 물질을 절단 및 가장자리 결합을 위해 사용될 수 있다.
핫 닙 롤러(Hot nip roller)들이 또한 가장자리 결합 데쿠파주를 위해 유용하며 롤러의 예리한 가장자리는 기판 상에 막을 절단 및 용접 모두를 만들도록 기여하는 것이 알려졌다. 그러나, 레이저 절단은 절단의 보다 미세한 상세와 품질 때문에 바람직하고, 이는 보다 밀접한 유체 공학 회로 요소 패킹 및 증가된 소형화를 허용한다.
보다 작은 다이아프램 요소들은 밸브와 펌프 어레이들의 보다 밀접한 이격을 허용하고, 이는 때때로 다중 분석 패널들을 병렬로 진행시키기 위하여 병렬로 작동되는 분기 회로들로 형성된다. 보다 큰 다이아프램 요소들은 예를 들어 공통의 폐기물 용기 위의 또는 시약의 공압 분배를 위한 다이아프램들을 가지는 시약 팩들 위의 커버로서 필요로 한다. 특별화된 다이아프램 요소들은 통기공들로서 및 광학 큐벳들로서 또한 사용된다.
거의 편의상 공압 기판 부재(101)에 다이아프램 층들을 부착하며, 시약들이 전형적으로 유압 기판 상에 인쇄되기 때문에 바람직하다. 그러나, 이러한 것은 개별적인 선택의 문제이고, 본 발명의 실시를 제한하지 않는다.
도 5a 내지 도 5l은 4개의 본체층들을 가지는 카트리지를 만드는 공정에서의 단계들의 도면이다. 4-층 카트리지 공정은 다양한 다이아프램 형태의 레이저 데쿠파주를 위한 공정과, 도시된 특정 밸브와 펌프 다이아프램들을 오버스트레칭하기 위한 공정을 선택적으로 포함할 수 있다.
도 5a에서, 단일의 몰딩된 본체 부재가 도시된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 도시된 본체 부재는 유압 본체 부재이며, 습윤성 밸브들과 펌프들을 형성하기 위한 유체 공학 특징부들을 포함한다. 도 5b는 상부에 박층을 추가한다. 도 5c에서, 레이저 절단 용접 공정이 수행되고, 잉여 물질은 정돈된다. 도 5d에서, 기계식 핑거는 그 항복점 때문에 선택되는 다이아프램 물질을 오버스트레칭하도록 사용되며, 도 5f에서 기포형 외관을 유발한다. 도 5g에서, 제2 박층은 제1 본체 부재의 상부면 위에 도포된다. 끝이 막힌 챔버를 위해 선택된 다이아프램 물질은 미소공성 탄성중합체이다. 잉여 물질은 다시 도 5h 및 5j에 도시된 절단 및 용접의 공정에 의해 제거된다. 공압 본체층은 그런 다음 적소에 결합되고, 2개의 본체 부재들 사이에서 다이아프램을 고정적으로 샌드위칭한다. 도 5k에서, 캡핑층은 공압층 위에 배치된다. 이러한 캡핑층은 그렇지 않으면 공압층에 포함될 수 있는 공압 작동 채널들을 포함한다. 끝으로, 도 5l에서, 제2 캡핑층은 유압 본체 부재 밑에 배치된다. 특징부들을 구비한 몰딩된 유압 및 공압 본체 부재들을 양측부 상에 형성하는 것에 의해, 캡핑층은 유익하게 평탄 플레이트이며 그 제조를 간략화한다.
유체 공학 및 공압 플레이트 본체 부재들(대체로 압축 가스를 수용하기 위해 의도된 특징부들을 가지는 적어도 하나의 공압 기판과, 사용 동안 습윤을 위해 의도된 유체 공학 특징부들을 가지는 적어도 하나의 유압 기판을 포함하는)은 몰딩 공정에 의해 형성될 수 있으며, 서로 접속될 때 유체 공학 회로를 형성하는 유체 공학 또는 공압 챔버들 또는 채널들로서 기여하는 캐비티들이 적어도 하나의 표면 상에 스탬핑 또는 몰딩된다. 유압 플레이트 부재의 유체 공학 페이스는 공압 플레이트 부재의 공압 페이스와 접속되도록 설계된다. 개별적인 펌프 캐비티는 하우징의 유체 공학측 및 공압측 상의 짝을 이룬 캐비티들로 이루어지고, 클램셀(clamshell) 공정에서 조립된다. 건식 시약과 비드들은 캐비티가 그 다이아프램 아래에서 밀봉되기 전에 유체 공학 캐비티들 내로 스폿팅되거나 또는 인쇄된다. 완전히 조립될 때, 각 다이아프램은 유체 공학 챔버 또는 채널 및 공압 챔버 또는 채널 사이에서 접속되고, 일반적으로 마이크로프로세서의 솔레노이드 작동 제어 하에 있는 공압 인터페이스에 의해 공급된 공압 펄스의 제어 하에 유체 공학 회로를 통해 유체를 움직이도록 사용된다. 유체 공학 및 공압 본체 부재들은 예를 들어 도 7 및 도 11에 도시되는 바와 같이 적층에 의해 또한 형성될 수 있다.
유익하게, 유체 공학 및 공압 특징부들은 플레이트 기판들을 통해 또한 연장할 수 있어서, 추가의 회로 특징부들은 한쪽 또는 양쪽 플레이트들의 외부 페이스에 위치될 수 있으며: 즉, 서로 융합 또는 결합될 페이스들에 대해 대측성이다. 이러한 채널들과 챔버들은 또한 밀봉되어야만 하고, 이러한 것을 일반적으로 "캡핑층"으로 행해진다. 캡핑층들은 아교 접착에 의해 또는 다른 결합 기술에 의해 도포될 수 있으며, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 환상 폴리올레핀으로 구성된다. 본체층들을 결합 및 융합하는 것은 부분들 사이에 중간 아교 또는 ACA(접착제-코어-접착제) 층을 도포하는 것에 의해 달성되지만, 바람직한 방법은 가능한 경우에 용제, 열, 분자, 레이저 또는 초음파 결합을 포함한다. 레이저 결합에서의 최근의 진전은 본질적으로 서로 접한 부분들 사이에 무이음매 융합을 유발한다.
이 스테이지에서, 제조는 완료될 수 있거나, 또는 선택된 다이아프램들을 형상화하도록 압력 구동 "성형 준비" 공정이 사용될 수 있다. 부정 제거(negative relief)로 회로 특징부들을 가진 임의의 외부면에 캡핑층들을 추가하는 것은 공정의 임의의 스테이지에서 완료될 수 있다.
도 6은 각각 별개의 유사하지 않은 다이아프램 물질을 특징으로 하는 다수의 회로 요소 서브 형태를 가지는 유체 공학 카트리지를 제조하기 위한 공정의 블록도이다.
도 7a 내지 도 7l은 4개의 본체층들을 가진 카트리지를 만드는 공정에서의 단계들의 도면이다. 4-층 카트리지 공정은 다양한 다이아프램 형태의 기계식 데쿠파주를 위한 공정과, 도시된 바와 같이 특정 밸브 및 펌프 다이아프램들을 오버스트레칭하기 위한 공정을 선택적으로 포함할 수 있다.
도 7a에서, 단일의 몰딩된 본체 부재가 도시된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 도시된 본체 부재는 유압 본체 부재이며, 습윤성 밸브들과 펌프들을 형성하기 위한 유체 공학 특징부들을 포함한다. 도 7b는 상부에 박층을 추가한다. 도 7c에서, 절단 공정이 수행되고, 잉여 물질은 정돈된다. 절단 공정은 또한 열 결합에 의한 것과 같이 본체 부재에 2개의 다이아프램들을 용접 또는 접합한다. 도 7d에서, 기계식 핑거는 그 항복점 때문에 선택된 다이아프램 물질을 오버스트레칭하도록 사용되며, 도 7f에 도시된 기포형 외관을 유발한다. 도 7g에서, 제2 박층은 제1 본체 부재의 상부면 위에 도포된다. 끝이 막힌 챔버를 위해 선택된 다이아프램 물질은 미소공성 탄성중합체이다. 잉여 물질은 도 7h 및 도 7j에 도시된 바와 같은 절단 및 용접의 공정에 의해 다시 제거된다. 공압 본체층은 그런 다음 적소에 결합되고, 2개의 본체 부재들 사이에서 다이아프램을 고정적으로 샌드위칭한다. 도 7k에서, 캡핑층은 공압층 위에 배치된다. 이러한 캡핑층은 그렇지 않으면 공압층에 포함될 수 있는 공압 작동 채널들을 포함한다. 끝으로, 도 7l에서, 제2 캡핑층은 유압 본체 부재 밑에 배치된다. 특징부들을 구비한 몰딩된 유압 및 공압 본체 부재들을 양측부 상에 형성하는 것에 의해, 캡핑층은 유익하게 평탄 플레이트이며 그 제조를 간략화한다.
유체 공학 및 공압 플레이트 본체 부재들(대체로 압축 가스를 수용하기 위해 의도된 특징부들을 가지는 적어도 하나의 공압 기판과, 사용 동안 습윤을 위해 의도된 유체 공학 특징부들을 가지는 적어도 하나의 유압 기판을 포함하는)은 몰딩 공정에 의해 형성될 수 있으며, 서로 접속될 때 유체 공학 회로를 형성하는 유체 공학 또는 공압 챔버들 또는 채널들로서 기여하는 캐비티들이 적어도 하나의 표면 상에 스탬핑 또는 몰딩된다. 유체 공학 플레이트 부재의 유체 공학 페이스는 공압 플레이트 부재의 공압 페이스와 접속되도록 설계된다. 개별적인 펌프 캐비티는 하우징의 유체 공학측 및 공압측 상의 짝을 이룬 캐비티들로 이루어지고, 클램셀(clamshell) 공정에서 조립된다. 건식 시약과 비드들은 캐비티가 그 다이아프램 아래에서 밀봉되기 전에 유체 공학 캐비티들 내로 스폿팅되거나 또는 인쇄된다. 완전히 조립될 때, 각 다이아프램은 유체 공학 챔버 또는 채널 및 공압 챔버 또는 채널 사이에서 접속되고, 일반적으로 마이크로프로세서의 솔레노이드 작동 제어 하에 있는 공압 인터페이스에 의해 공급된 공압 펄스의 제어 하에 유체 공학 회로를 통해 유체를 움직이도록 사용된다. 유체 공학 및 공압 본체 부재들은 적층에 의해 또한 형성될 수 있다.
유익하게, 유체 공학 및 공압 특징부들은 플레이트 기판을 통해 또한 연장할 수 있어서, 추가의 회로 특징부들은 한쪽 또는 양쪽 플레이트들의 외부 페이스에 위치될 수 있으며: 즉, 서로 융합 또는 결합될 페이스들에 대해 대측성이다. 이러한 채널들과 챔버들은 또한 밀봉되어야만 하고, 이러한 것을 일반적으로 "캡핑층"으로 행해진다. 캡핑층들은 아교 접착에 의해 또는 다른 접착 기술에 의해 도포될 수 있으며, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 환상 폴리올레핀으로 구성된다. 본체층들을 결합 및 융합하는 것은 부분들 사이에 중간 아교 또는 ACA(접착제-코어-접착제) 층을 도포하는 것에 의해 달성되지만, 바람직한 방법은 가능한 경우에 용제, 열, 분자, 레이저 또는 초음파 접착을 포함한다. 레이저 접착에서의 최근의 진전은 본질적으로 서로 접한 부분들 사이에 무이음매 융합을 유발한다.
이러한 단계에서, 제조는 완료될 수 있거나, 또는 선택된 다이아프램들을 형상화하도록 압력 구동 "성형 준비" 공정이 사용될 수 있다. 부정 제거(negative relief)로 회로 특징부들을 가진 임의의 외부면에 캡핑층들을 추가하는 것은 공정의 임의의 스테이지에서 완료될 수 있다.
도 8a는 적층에 의해 만들어진 카트리지 본체(700)를 도시하며; 도 8b는 몰딩된 특징부들을 가지는 4-층 카트리지 본체(710)를 도시한다. 유체 공학 요소는 유체 로딩을 위하여 통기성 다이아프램을 갖는 막다른 채널을 예시하고, 회로는 출구가 없는 챔버에서 종료한다. 유체는 입구(701, 711)를 통해 여기에 도시된 챔버에 들어가지만, 가스는 종래의 다이아프램들을 가지는 이러한 형태의 챔버들에서 나갈 수 없다. 그러나, 탄성중합체인 미소공성 폴리우레탄의 다이아프램을 제공하는 것에 의해, 챔버에 있는 가스는 도시된 바와 같은 다이아프램을 통해 통기되고, 통기공(707, 717)들을 빠져나간다. 습윤되면, 다이아프램은 상류측 압력 하에서 진입한 유체에 의해 팽창하고, 상류측 압력이 제거되면 수동적으로 유체를 방출하게 되며, 그러므로 수동형 펌핑 시스템으로서 거동한다.
이러한 종류의 챔버들은 건식 시약이 챔버에 저장된 경우에 시약 첨가제를 위해, 예를 들어 한쌍의 펌프들이 연동되어서, 하나는 공압으로 작동되고 두번째 것은 압력 하에 충전되고(한편 가스는 다이아프램을 통해 통기하며) 그 스프링력으로 인하여 상류측 유체를 수동적으로 복귀시키는 막다른 챔버인 경우에 열순환을 위해 사용될 수 있다.
도 8b의 디바이스는 예를 들어 유압 조립체(718)를 먼저 제조하고, 그런 다음 클램셀에서 유압 서브조립체와 제2 서브조립체(719) 사이에서 다이아프램을 샌드위칭하는 것에 의해 만들어질 수 있다. 다이아프램은 필요하면 예를 들어 블로우 몰딩 또는 진공 성형의 공정에 의한 별도의 공정으로 만들어지고, 그런 다음 적소에서 조립될 수 있다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 3배 확대된 통기성 미소공성 폴리우레탄 막의 미세 구조를 도시하는 도표이다. 다공성의 균열 세포 구조는 스캐닝 전자 현미경에 의해 배율을 증가시키는 것으로 용이하게 볼 수 있다. 미소공성 폴리우레탄은 "PORELLE®" 멤브레인으로서 판매되는 막들을 포함한다(PIL Membranes Ltd, Kings Lynn, Norfolk UK). 이러한 폴리우레탄들은 바람직하게 소수성이지만, 친수성 막 또한 유용할 수 있다. 하나의 예는 Porelle 355이다. 이러한 다이아프램 부재들은 필요하면 탄성중합체인 막들로부터 선택될 수 있다.
다른 미소공성 중합체들이 또한 공지되고 유사하게 기능한다. 등록상표 MUPOR®(Porex, Fairburn GA) 하에 판매되는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 미소공성 형태는 유압력을 사용하여 용이하게 항복 준비된다. 결과적인 다이아프램들은 가스에 대해 양호한 투과성을 가지며, 통기공으로서 사용될 수 있으며, 소수성은 필요하면 물 누설의 선택적인 차단을 유발한다. 기술적 문제에 대한 예상하지 못한 해결책에서, 그러므로, 미소공성 폴리우레탄 막들은 끝이 막힌 채널들에서 다이아프램 부재들을 형성하도록 사용될 수 있으며, 터미널 챔버 내로의 액체의 진입은 오직 투과성 다이아프램을 통한 잔류 공기를 직접 통기시키는 것에 의해서만 가능하다. 일부 적용에서, 이러한 다이아프램들은 초기에 공기를 방출하지만, 습윤될 때, 공기에 대한 투과성은 상당히 감소되고, 그러므로, 제로-공기 부존(zero-air entrapment)에 대한 다이아프램, 끝이 막힌 단부 채널들을 위한 자흡수 펌프(self-priming pump)이며, 유익하게 펌프는 라인에 있는 모든 공기가 통기되고 막이 습윤되면 능동형 공압 마이크로펌프가 된다.
도 10a 및 도 10b는 박막을 스트레칭하는 공정에 의해 스트레칭된 다이아프램 부재(900)를 도시한다. 공정은 탄성(즉, 회복 가능한) 또는 비탄성(즉, 물질의 항복점을 초과하는 것에 의해 영구 변형을 유발하는)이다. 탄성 물질과 달리, 항복된 다이아프램 서브 형태는 탄성적으로 회복하지 못하지만, 대신 탈압될 때 붕괴할 수 있는 버플 또는 기포 형상(902, 도 10b에 도시된)을 형성한다.
이러한 경우에, 간략화된 공압 기판은 그 위에 도포된 원형의 다이아프램 컷아웃과 함께 도시된다. 컷아웃은 그 위에 다이아프램이 도포되는 캐비티의 주변 외측에 중첩하여 연장하는 명확히 한정된 에이프런(901)을 포함한다. 에이프런의 외부 가장자리는 하측 기판에 결합되어서, 다이아프램은 입구(903)를 통해 가압될 수 있다.
압력이 캐비티(여기에서 절개도로 도시된) 내로부터 적용될 때, 다이아프램 막은 그 세로 탄성계수에 따라서 스트레칭될 것이다. 탄성 물질은 압력이 제거될 때 튀어오르게 되지만, 적용된 힘에 의해 초과되는 항복점을 가지는 유형의 물질에 대하여, 물질은 영구적으로 스트레칭되어 변형되게 된다. 이러한 것은 "성형 준비" 다이아프램 공정의 기초이며, 이는 개선된 대기 시간(latency time)을 가지는 "성형 준비" 펌프들과 밸브들을 만들도록 적용될 수 있으며, 폐쇄되어 접합할 가능성이 적다. 하나의 공정에서, 다이아프램 물질은 다이아프램 물질이 그 안으로 강제되는 캐비티의 암형 형상을 취하도록 스트레칭되고 암형 형상에 일치한다. 그러므로, 박막 물질의 항복점을 초과하는 공정에 대하여, 도면은 다이아프램 펌프가 어떻게 플라스틱 막을 항복시키는 성형 준비 공정에 의해 형성될 수 있는지를 도시한다. 스트레칭된(하부) 및 스트레칭되지 않은(상부) 다이아프램 사이에 봉입된 용적에서의 차이는 펌프의 방출 스트로크 용적이다. 그러므로, 제조 공정은 펌핑의 공정처럼 보이고, 일정한 스트로크 용적을 보장한다. 이러한 것은 먼저 탄성중합체가 아니지만 내화학성을 위해 선택된 막들로 기술되었다. 이러한 유형에서 특정 막은 폴리에틸렌의 층들 사이에 배치된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 염화비닐리덴 샌드위치의 공동 적층판이었으며, 이는 그 내화학성을 위하여 가치가 있다. 이러한 물질은 등록상표 SARANEX® 하에 판매된다. 본 발명자들은 순수한 막(virgin film)의 제1 방출 스트로크가 사용의 정상적인 상태 하에서 스트레칭되어 성형 준비된 막의 제2 또는 제3 방출 스트로크보다 상당히 작다는 것을 알았다.
도 11은 마이크로펌프(1100)의 절개도이다. 에이프런(1101)을 갖는 다이아프램은 오목 "버플형" 또는 기포형 외관(1110)을 가지는 것으로 보여진다. 기포는 탄성의 오버스트레칭된 다이아프램들의 경우에 붕괴 가능한 기포형이며, 탄성 다이아프램의 경우에 탄성 기포형이다. 공압 하우징 부재(상부층)들과 유압 하우징 부재(하부층)들 사이에서 다이아프램을 밀봉하도록 사용되는 에이프런(1101)이 도면에 또한 도시된다. 이 예에서, 에이프런은 적층된 구조로 나타낸 바와 같이, 디바이스의 공압 페이스에 유체 공학 페이스를 결합하는 아교층(1102)에 의해 접촉된다. 그러나, 몰딩 부분들의 적층이 또한 고려되며, 그러므로, 혼합된 다이아프램 디바이스들을 만드는데 사용된 구성 상세는 변경될 수 있으며, 적층 또는 몰딩만이 아니다.
도 12a 및 도 12b는 다이아프램에서 수 밀리미터인 마이크로펌프를 위한 성형 준비 다이아프램 부재의 평면도 및 정면도이다. 펌프 다이아프램 부재는 가장자리 결합 데쿠파주의 공정에 의해 탄성중합체, 미소공성 중합체, 스트레칭성 중합체로 성형 준비될 수 있으며, 선택적으로 예를 들어 본 출원에 따라서 비탄성 변형의 공정이 이어질 수 있다.
스트로크 용적 성숙(stroke volume maturation)이 도 13a 및 도 13b에 도시된다. 항복점을 지난 스트레칭성 플라스틱 막 전(PRE) 및 후(POST) 스트레칭의 방출 스트로크 용적은 스트로크 용적에서 이득을 유발하도록 도시된다. 품질 제어 및 작업의 재현성의 문제로서, 제품의 방출 전에 이러한 스트레칭 공정을 수행하거나 또는 이러한 다이아프램들을 가지는 유체 공학 카트리지의 사용 전에 실제로 "웜업" 작업을 하는 것이 유익한 것으로 입증되었다. 유익하게, 한번 완료되면, 스트레칭된 다이아프램들은 종래의 펌프들과 밸브들이 갖는 문제였던 막의 탄성에 의해 더이상 댐핑되지 않는 고정 스트로크 용적으로 작동한다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 약 1.08 cm의 지름을 가지는 SARANEX® 다이아프램에 대한 방출 스트로크 용적은 스트레칭에 의해 약 90㎕(PRE)로부터 약 150㎕(POST)로 증가한다는 것이 알려졌다. 펌핑 챔버의 정상적인 크기는 추가의 스트레칭을 제한하고, 제조된 제품에서 높은 레벨의 일관성을 보장한다.
유사하게, 도 13b에 도시된 바와 같이, 약 0.88 cm의 지름을 가지는 다이아프램은 스트레칭 전에 50㎕(PRE)의 방출 스트로크 용적을, 스트레칭 후에 약 90㎕(POST)을 가지는 것이 알려졌다. 다시, 막은 펌프 챔버의 크기에 의해 추가의 스트레칭으로부터 제한되었다. 스트레칭된 막들은 이완될 때 펌프 챔버의 형상을 취하였으며, 추가의 변형없이 이러한 방식으로 저장될 수 있었다.
도 14a 및 도 14b는 밸브 다이아프램의 "ON" 및 "OFF" 공압 제어를 도시하는, 마이크로밸브(1300) 구조의 단면도이다. 밸브 다이아프램 부재는 가장자리 결합 데쿠파주의 공정에 의해 예를 들어 탄성중합체, 미소공성 중합체, 스트레칭성 중합체로 형성될 수 있다.
밸브 본체는, 2개의 외부 캡핑층들, 공압 플레이트 부재와 유체 공학 플레이트 부재의 융합에 의해 형성된 몰딩 코어를 포함하는 4개의 층들로 형성된다. 캡핑층들은 서브조립체의 부분으로서 도시되며, 유압 본체 부재와 저부 캡핑층은 제1 서브조립체(1310)를 형성하고, 공압 본체 부재와 상부 캡핑층은 제2 서브조립체(1311)를 형성한다. 다이아프램은 2개의 플레이트들 사이에 샌드위치되고, 밸브 시트 상에 기댄다. 밸브 시트에 있는 2중 포트들을 통해 밸브 캐비티로 들어가는 2개의 유체 공학 채널들이 도시되며; 포트들은 밸브 문틀에 의해 분리된다. 폐쇄 위치에서, 밸브 다이아프램은 밸브 문틀 상에 착좌되고, 하나의 채널로부터 다른 채널로 유체의 유동에 저항하도록 가압된다(공압 작동 포트(1305)). 개방 위치(도 14a)에서, 다이아프램은 밸브 캐비티로 후퇴되고, 유체는 밸브 문틀을 가로질러 자유롭게 유동한다.
마이크로밸브는 여기에서 도시된 4개의 층들을 가지는 플라스틱 본체에 형성된다. 마이크로밸브는, 밸브 캐비티로서, 상기 밸브 캐비티가 그 사이에 밸브 캐비티를 봉입하는 제1 표면과 제2 표면에 의해 한정되며, 제1 표면이 밸브 시트를 한정하고, 제2 표면이 캐비티의 경계를 정하는 립에서 제1 표면을 덧붙이는, 상기 밸브 캐비티; 그 주위에서 주변으로 한정된 에이프런을 가지며, 상기 에이프런이 상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면을 분리하도록 상기 립 아래에서 상기 본체 내로 밀봉적으로 삽입되는 다이아프램 부재; 제 1 포트에서 상기 밸브 시트를 통해 상기 밸브 캐비티 내로 들어가는 제1 유체 공학 채널; 제2 포트에서 상기 밸브 시트를 통해 상기 밸브 캐비티로 들어가는 제2 유체 공학 채널; 상기 제1 포트와 상기 제2 포트 사이의 상기 제1 표면 상에 한정된 밸브 문틀을 포함하고; 상기 다이아프램 부재는 상기 밸브 문틀에 대해 가역으로 편향되어 이로부터 후퇴되고, 이에 의해 상기 제1 채널과 상기 제2 채널 사이에서 유체의 유동을 허용하거나 또는 허용하지 않는 "ON" 위치와 "OFF" 위치를 가진다.
마이크로밸브는 거기에서 캡슐화되는 다이아프램 부재의 종류(species)들을 추가로 특징으로 할 수 있다. 다이아프램 부재는 예를 들어, 이에 한정되지 않지만, 밸브의 제1 작동이 캐비티 표면의 암형 외형에 적소에서 합치하도록 막을 영구적으로 변형시키는 항복강도를 갖는 공동 적층 플라스틱 막; 폴리에틸렌의 층들 사이에 배치되고 등록상표 SARANEX® 하에서 판매되는 폴리염화비닐리덴 중합체 층을 가지는 막; 저밀도 폴리에틸렌/에틸렌 비닐 아세테이트/폴리염화비닐리덴/에틸렌 비닐 아세테이트 및 저밀도 폴리에틸렌을 포함하는 막; 습윤될 때에도 공압에 응답하여 가스가 양방향으로 투과되는 통기성 플라스틱 막; 소수성, 미소공성, 가스 투과성 폴리우레탄으로 구성된 막; 또는 FABTEX®으로 구성된 막일 수 있다. 예를 들어, SARANEX®, 염화폴리비니리덴 에틸렌 비닐 아세테이트는 그 성형 준비 특성을 위하여; FABTEX®는 그 탄성을 위하여; FABTEX®의 등급들은 소수성 액체 불투과성/가스 투과성 장벽막, 통기공 및 통기성 다이아프램들을 만드는데 그 통기성을 위하여 선택된다. 다이아프램 물질들로서 적용을 위한 관심 대상은 선형 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 이축연신 폴리프로필렌, 폴리염화비닐리덴, 미소공성 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 및 폴리올레핀이다.
도 15는 몰딩된 본체 특징부들을 갖는 4-층 본체에 있는 마이크로밸브의 절개도이다. 비록 입구와 출구의 도면부호가 임의적일지라도, 입구(1401), 출구(1402), 및 공압 작동 포트(1403)가 도시된다. 한 실시예에서, 항복된 다이아프램을 가지는 밸브 다이아프램은 탈압 후에 그 스트레칭된 형상을 보유하고, 그러므로, "OPEN" 위치에서 사용하기 위해 제공된다. 공압 제어 라인을 통한 압력의 적용은 밸브 시트로 다이아프램을 붕괴시키고, 급속히 밸브 "OFF"로 복귀한다.
에이프런(1405)을 갖는 밸브 다이아프램과 대체로 "땅콩" 형상을 가지는 탄성적으로 회복 가능하거나 또는 비탄성으로 붕괴 가능한 기포 형상부(140)에 있는 다이아프램 웨브의 평면도 및 정면도가 도시된다. 땅콩 형상은 도 16a에 보다 명확히 도시될 수 있다. 도 16b는 유체 공학 마이크로밸브를 위한 성형 준비 다이아프램 부재의 정면도/사시도이다.
도 17은 마이크로밸브(1600)의 절단 사시도이다. 이 예에서, 밸브의 풋프린트는 밸브 문틀의 경계를 정하는 명백한 허리부를 갖는 대략 땅콩 형상을 가진다. 밸브 본체는, 상부 캡핑층(1601), 공압층(1602), 밸브 시트(1603)를 갖는 유압층, 및 입구 채널(1605)과 출구 채널(1606)을 갖는 것으로 도시된 저부 캡핑층(1604)의 4개의 본체층들로 형성된다. 공압 캐비티(1607)와 작동 포트(1608)가 또한 도시된다. 다이아프램(1610)은 확대될 때 특징적인 기포형 외관을 가진다. 다이아프램은, 기포가 흡입이 흡입 포트(1608)을 통해 적용될 때 드러나고 이완될 때 밸브 시트 상의 평탄부에 기도록 탄성중합체일 수 있다. 대안적으로, 다이아프램은 그 탄성 한계를 지나서 이것을 스트레칭하는 목적에 의해 항복된 중합체일 수 있다. 방법은 구성에 따른 유체 공학 회로의 특성에 따라서 다이아프램 물질의 선택을 허용한다.
도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 유체 공학적으로 "OPEN" 또는 운반될 때 유체 공학적으로 "OFF"인 0 사각 공간을 가지는 마이크로밸브들을 삽입하도록 사용될 수 있다. 유체측에 압력 펄스(및 선택적으로 0 또는 공압측의 흡입 압력)의 적용은 밸브가 용이하게 개방하는 것을 허용한다(도 18a). "OFF" 밸브 구성은 도 18b에 도시된 바와 같다.
밸브들은 도면에 도시된 바와 같이 몰딩된 본체 부분들의 적층 또는 융합에 의해 구성될 수 있다. 상부 캡핑층(1702), 다이아프램(1701), 공압 본체층(1703), 유압층(1704a, 1704b)들, 및 저부 캡핑층(1705)들이 여기에 도시된다. 또한 밸브 시트(1707), 공압 캐비티(1708), 유압 캐비티(1709), 제1 유체 공학 채널(1710), 제2 유체 공학 채널(1711), 및 공압 작동 회로(1712)가 또한 도시된다. 흑색 화살표는 밸브가 "OPEN" 위치에 있을 때 유체 유동을 나타낸다(도 18a). 이중 화살표는 "OPEN" 위치로부터 "OFF" 위치로의 이행을 나타내며, 유체 유동은 밸브 시트(1707) 상의 확장된 다이아프램에 의해 차단된다(도 18b). 간단히, 밸브들은 종래에서 발전하여 수동적으로 개방하도록 작동될 수 있다.
도 19는 디바이스(1700)의 본체 내에 성형 준비될 수 있는 바와 같은 항복 준비된(yielded-in-place), 이열편으로(bilobately) 스트레칭된 다이아프램 또는 "기포"의 도면이며, 마이크로밸브의 유압 캐비티와 공압 캐비티를 밀봉적으로 분리하도록 가장자리들 주위의 본체층들 사이에 핀칭된 것과 같은 에이프런(1721)에 의해 둘러싸인다.
도 18을 참조하여, 마이크로밸브를 형성하는 4-층 본체가 도시된다. 다이아프램 층은 공압 본체 부재와 유압 본체 부재 사이에 샌드위치되고, 이 둘은 몰딩된 부분들이다. 상부 및 저부 상의 캡핑층들은 본체 코어(중앙의 2개 층들)의 외부면 상의 보조 회로들을 밀봉하는데 필요하다. 그러므로, 중간의 ACA 아교 층들없이 선택적으로 조립될 수 있는 4-층 디바이스가 실현된다. 다이아프램은 탄성중합체일 수 있거나, 또는 그 항복 강도를 지나 항복된, 오버스트레칭된 중합체일 수 있다.
참조에 의한 통합
U.S. Patent Application No. 61/745,335를 포함하지만 이에 한정되지 않는 본 명세서 및 관련 출원 데이터 시트에서 인용된 모든 U.S. 특허, U.S. 출원 공개, U.S. 출원, 외국 특허, 외국 특허 공개 및 비특허 간행물은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 통합된다.
달리 요구하지 않으면, 명세서 및 다음의 청구항에서, 용어 "포함하다" 와 "포함하는"과 같은 그 변형은 "포함하지만 이에 한정되지 않는"으로서 개방된 넓은 의미로 해석된다. 청구항에서 사용된 단수 표현은 다수를 배제하지 않는다.
첨부된 청구항들은 제한이 구문 "~하기 위한 수단"을 사용하여 주어진 청구항에서 명시적으로 인용되지 않으면 기능 수단 제한(means-plus-function limitations)을 포함하는 것으로서 해석되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예의 전체적이고 완전한 개시가 본 명세서에 제공되었지만, 정확한 구성, 치수 관계, 및 도시되고 설명된 작동 특징부들로 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 않다. 다양한 변형, 대안적인 구조, 변경 및 등가물은 당업자에게 자명하며, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 적절한 것으로서 채택될 수 있다. 이러한 변경은 대안적인 구성요소, 구조적 배열, 크기, 형상, 형태, 기능, 작동 특징부 등을 포함할 수 있다.
일반적으로, 다음의 청구항에서, 상세한 설명에서 사용된 용어들은 본 명세서에서 예시를 위해 사용된 특정 실시예로 청구항들을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 하고, 이러한 청구항들이 명명된 등가물의 전체 범위와 함께 특정 및 포괄적인 모든 가능한 실시예들을 포함하는 것으로 고려되어야 한다. 따라서, 청구항들은 상세한 설명에 의해 한정되지 않는다.

Claims (48)

  1. 제1 본체층; 제2 본체층; 제3 본체층; 및 제4 본체층의 4개의 본체층의 적층을 포함하는 본체를 포함하고, 상기 본체가 유체를 움직이기 위한 유압 마이크로회로를 봉입하는 유체 공학 디바이스로서,
    i) 다수의 다이아프램 부재들이 상기 제2 본체층과 상기 제3 본체층 사이에 밀봉적으로 샌드위치되고;
    ⅱ) 상기 다수의 다이아프램 부재들은 다수의 박막 물질들을 포함하며;
    ⅲ) 상기 다수의 박막 물질들은 비가역적으로 스트레칭 가능한 박막 및 탄성중합 통기성 박막을 포함하는 이종 물질(dissimilar material)들이며;
    ⅳ) 상기 유체 공학 디바이스는 상기 유압 마이크로회로에서 상기 유체의 움직임이 상기 유압 마이크로회로에 작동적으로 링크된 공압 마이크로회로의 적어도 하나의 다이아프램 부재에 의해 구동되고 제어되도록 구성되는 유체 공학 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적층의 상기 유압 마이크로회로는 상기 적층의 상기 제2 본체층에 형성되고, 상기 적층의 상기 공압 마이크로회로는 상기 적층의 상기 제3 본체층에 형성되는 유체 공학 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다이아프램 부재는 상기 제2 본체층과 상기 제3 본체층 사이에 밀봉적으로 샌드위치되는 유체 공학 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 본체층과 상기 제4 본체층들은 캡핑층(capping layer)들인 유체 공학 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 본체층과 상기 제3 본체층은 몰딩된 부재들인 유체 공학 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 본체층과 상기 제3 본체층은 적층된 부재들인 유체 공학 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다이아프램 부재는 가장자리 결합 데쿠파주(edge-bonded decoupage)에 의해 형성되는 유체 공학 디바이스.
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