RU2261393C2 - Microprocessed elastomeric valve and pump systems - Google Patents

Microprocessed elastomeric valve and pump systems Download PDF

Info

Publication number
RU2261393C2
RU2261393C2 RU2002101924/06A RU2002101924A RU2261393C2 RU 2261393 C2 RU2261393 C2 RU 2261393C2 RU 2002101924/06 A RU2002101924/06 A RU 2002101924/06A RU 2002101924 A RU2002101924 A RU 2002101924A RU 2261393 C2 RU2261393 C2 RU 2261393C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
elastomeric
channel
microprocessed
membrane
recess
Prior art date
Application number
RU2002101924/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002101924A (en
Inventor
Марк А. АНДЖЕР (US)
Марк А. АНДЖЕР
Хоу-Пу ЧОУ (US)
Хоу-Пу ЧОУ
Тодд А. ТОРСЕН (US)
Тодд А. ТОРСЕН
Аксель ШЕРЕР (US)
Аксель ШЕРЕР
Стефен Р. КВЭЙК (US)
Стефен Р. КВЭЙК
Original Assignee
Кэлифорниа Инститьют Оф Текнолоджи
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Кэлифорниа Инститьют Оф Текнолоджи filed Critical Кэлифорниа Инститьют Оф Текнолоджи
Publication of RU2002101924A publication Critical patent/RU2002101924A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2261393C2 publication Critical patent/RU2261393C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: microprocessed structures and methods for their manufacture.
SUBSTANCE: a method for manufacture of elastomeric structure is found, it includes formation of the first elastomeric layer from above the first microprocessed structure. The first microprocessed structure has the first shoulder, which forms the first recess stretching along the lower surface of the first elastomeric layer. Formation of the second elastomeric layer is accomplished from above the second microprocessed structure. The second microprocessed structure has the second shoulder, which forms the second recess stretching along the lower surface of the second elastomeric layer. The lower surface of the second elastomeric layer is connected to the upper surface of the first elastomeric layer so as to form a control channel in the second recess between the first and second elastomeric layers, and position the first elastomeric layer from above the planar base so as to form a channel in the first recess between the first elastomeric layer and the planar base. The methods of manufacture of the microprocessed structure are described.
EFFECT: enhanced reliability of the microprocessed structure.
36 cl, 49 dwg

Description

Ссылка на заявки, которые относятся к изобретениюLink to applications related to the invention

Эта заявка претендует на приоритет по следующим ранее поданным предварительным заявкам на патент: предварительная заявка на патент США № 60/141503 от 28 июня 1999 года, предварительная заявка на патент США № 60/147199 от 3 августа 1999 года и предварительная заявка на патент США № 60/186856 от 3 марта 2000 года. Текст этих предыдущих предварительных заявок на патенты включен здесь в качестве ссылки.This application claims priority over the following previously filed provisional patent applications: provisional application for US patent No. 60/141503 of June 28, 1999, provisional application for US patent No. 60/147199 of August 3, 1999 and provisional application for US patent No. 60/186856 dated March 3, 2000. The text of these previous provisional patent applications is incorporated herein by reference.

Права на изобретения, созданные в результате проведения научно-исследовательских работ, финансируемых из федеральных источниковRights to inventions created as a result of research projects funded from federal sources

Правительство США имеет лицензию на это изобретение и право, в ограниченных случаях, требовать от патентообладателя лицензирования других на приемлемых условиях, предусмотренных условиями Гранта № HG-01642-02, присужденного Национальным институтом здоровья.The US government is licensed for this invention and has the right, in limited cases, to require the patent holder to license others on acceptable terms provided by Grant No. HG-01642-02 awarded by the National Institutes of Health.

Область изобретенияField of Invention

Настоящее изобретение относится к микрообработанным структурам и способам изготовления микрообработанных структур, а также к микрообработанным системам для регулировки потока текучей среды.The present invention relates to microprocessor structures and methods for manufacturing microprocessor structures, as well as microprocessor systems for controlling fluid flow.

Предшествующий уровень техникиState of the art

В настоящее время при разработке микроструйных насосов и клапанов используются различные подходы. К сожалению, каждый из этих подходов имеет свои недостатки.Currently, the development of micro-jet pumps and valves uses various approaches. Unfortunately, each of these approaches has its drawbacks.

Два наиболее общих способа изготовления микроэлектромеханических структур (МЭМС), таких как насосы и клапаны, представляют собой объемную механическую микрообработку монолитной кремнийсодержащей подложки (которая является субтрактивным способом изготовления, посредством чего на монокристаллический кремний наносят рисунок литографическим способом и затем травят для формирования трехмерных структур), и поверхностную механическую микрообработку (которая является аддитивным способом, где слои материалов полупроводникового типа, такие как поликристаллический кремний, нитрид кремния, диоксид кремния и различные металлы, наносят последовательно и формируют рисунок для создания трехмерной структуры).The two most common methods for manufacturing microelectromechanical structures (MEMS), such as pumps and valves, are volumetric mechanical microprocessing of a monolithic silicon-containing substrate (which is a subtractive manufacturing method, whereby a lithographic pattern is applied to monocrystalline silicon and then etched to form three-dimensional structures), and surface mechanical microprocessing (which is an additive method, where the layers of semiconductor type materials are like polycrystalline silicon, silicon nitride, silicon dioxide and various metals, are applied sequentially and form a pattern to create a three-dimensional structure).

Ограничение первого подхода механической микрообработки кремнийсодержащей подложки заключается в том, что жесткость используемых полупроводниковых материалов требует высоких усилий воздействия, которые в свою очередь приводят к большим и сложным конструкциям. Фактически способы объемной и поверхностной механической микрообработки ограничены жесткостью используемых материалов. Кроме того, проблемой также является адгезия между различными слоями изготовленного устройства. Например, при объемной механической микрообработке необходимо использовать методы присоединения полупроводниковых пластин для создания многослойных структур. С другой стороны, при поверхностной механической микрообработке тепловые напряжения между различными слоями устройства ограничивают общую толщину устройства, часто приблизительно до 20 микрон. При использовании любого из вышеописанных способов требуются чистые производственные помещения и тщательный контроль качества.A limitation of the first approach for mechanical microprocessing of a silicon-containing substrate is that the stiffness of the semiconductor materials used requires high impact forces, which in turn lead to large and complex structures. In fact, the methods of volumetric and surface mechanical microprocessing are limited by the rigidity of the materials used. In addition, adhesion between the different layers of the fabricated device is also a problem. For example, in volumetric mechanical microprocessing, it is necessary to use the methods of joining semiconductor wafers to create multilayer structures. On the other hand, in surface mechanical microprocessing, thermal stresses between different layers of the device limit the overall thickness of the device, often to about 20 microns. When using any of the above methods, clean production facilities and careful quality control are required.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к системам для изготовления и эксплуатации микрообработанных структур, таких как двухпозиционные клапаны, переключательные клапаны и насосы, например, изготовленные из различных слоев эластомера, соединенных вместе. Представленные структуры и способы идеально подходят для управления и каналырования потока текучей среды, но этим не ограничены.The present invention relates to systems for the manufacture and operation of micro-machined structures, such as on-off valves, switch valves and pumps, for example, made from various layers of elastomer bonded together. The present structures and methods are ideally suited for controlling and channeling a fluid stream, but are not limited thereto.

Согласно предпочтительному аспекту настоящее изобретение использует многослойный процесс мягкой литографии для изготовления интегральных (т.е. монолитных) микрообработанных эластомерных структур.According to a preferred aspect, the present invention uses a multi-layer soft lithography process for the manufacture of integral (i.e., monolithic) microprocessed elastomeric structures.

Преимуществом изготовления представленных структур путем присоединения вместе слоев мягких эластомерных материалов является тот факт, что получающиеся в результате устройства более чем на два порядка меньше по размеру устройств на основе кремния. Кроме того, достигаются и другие преимущества, такие как быстрое изготовление опытного образца, легкость изготовления и биосовместимость.An advantage of manufacturing the structures presented by joining together layers of soft elastomeric materials is the fact that the resulting devices are more than two orders of magnitude smaller in size on the basis of silicon-based devices. In addition, other advantages are achieved, such as the rapid manufacture of the prototype, ease of manufacture and biocompatibility.

В предпочтительных аспектах изобретения, отдельные эластомерные слои изготавливают сверху микрообработанных форм так, что углубления формируются в каждом из различных эластомерных слоев. При присоединении этих различных эластомерных слоев вместе углубления, простирающиеся вдоль различных эластомерных слоев, образуют каналы и линии управления через полученную в результате монолитную, интегральную эластомерную структуру. В различных аспектах изобретения эти каналы и линии управления, сформированные в эластомерной структуре, можно привести в действие так, чтобы они выполняли функции микронасосов и микроклапанов (как будет объяснено ниже).In preferred aspects of the invention, individual elastomeric layers are made on top of the microprocessed molds so that depressions are formed in each of the various elastomeric layers. When these different elastomeric layers are joined together, recesses extending along the various elastomeric layers form channels and control lines through the resulting monolithic, integral elastomeric structure. In various aspects of the invention, these channels and control lines formed in an elastomeric structure can be actuated to function as micropumps and micro valves (as will be explained below).

В других дополнительных аспектах настоящего изобретения монолитную эластомерную структуру наносят в качестве герметизирующего слоя на планарную подложку, при этом каналы формируются между поверхностью планарной подложки и углублениями, которые простираются вдоль нижней поверхности эластомерной структуры.In other further aspects of the present invention, a monolithic elastomeric structure is applied as a sealing layer to a planar substrate, wherein channels are formed between the surface of the planar substrate and recesses that extend along the bottom surface of the elastomeric structure.

В одном предпочтительном аспекте изобретения представленные монолитные эластомерные структуры создают путем присоединения вместе двух отдельных слоев эластомера, при этом каждый слой сначала отдельно отливают из микрообработанной формы. Предпочтительно, чтобы используемый эластомер был двухкомпонентным материалом с присоединительной вулканизацией, в котором нижняя часть эластомерного слоя имеет избыток одного компонента, тогда как верхняя часть эластомерного слоя имеет избыток другого компонента. В приведенном в качестве примера варианте осуществления изобретения в качестве эластомера используется силиконовая резина. Два слоя эластомера вулканизируют отдельно. Каждый слой отдельно вулканизируют перед размещением верхнего слоя на нижнем слое. Затем два слоя присоединяют вместе. Каждый слой, предпочтительно, имеет избыток одного из двух компонентов, так что химически реактивные молекулы остаются на границе раздела между слоями. Верхний слой накладывают сверху нижнего слоя и нагревают. Два слоя присоединяют окончательно так, чтобы прочность стыка была приблизительно или равна прочности объемного эластомера. В результате образуется монолитная трехмерная структура с профилем, состоящая из двух слоев, присоединенного вместе эластомера. Дополнительные слои можно наносить путем простого повторения процесса, в котором новые слои, каждый из которых имеет слой противоположной "полярности", вулканизируют и таким образом присоединяют вместе.In one preferred aspect of the invention, the present monolithic elastomeric structures are created by joining together two separate layers of elastomer, wherein each layer is first separately cast from the microprocessed mold. Preferably, the elastomer used is a bicomponent curing material in which the lower part of the elastomeric layer has an excess of one component, while the upper part of the elastomeric layer has an excess of the other component. In an exemplary embodiment, silicone rubber is used as an elastomer. Two layers of elastomer are vulcanized separately. Each layer is separately vulcanized before placing the upper layer on the lower layer. Then two layers are attached together. Each layer preferably has an excess of one of the two components, so that the chemically reactive molecules remain at the interface between the layers. The upper layer is applied on top of the lower layer and heated. Two layers are finally attached so that the joint strength is approximately or equal to the strength of the bulk elastomer. As a result, a monolithic three-dimensional structure with a profile is formed, consisting of two layers joined together by an elastomer. Additional layers can be applied by simply repeating the process in which new layers, each of which has a layer of opposite "polarity", are cured and thus bonded together.

Во втором предпочтительном аспекте первый слой фоторезиста наносят сверху первого эластомерного слоя. На первый слой фоторезиста затем наносят рисунок для того, чтобы оставить линию или картину линий фоторезиста на верхней поверхности первого эластомерного слоя. Затем наносят и вулканизируют другой слой эластомера, герметизируя при этом линию или картину линий фоторезиста. После этого наносят второй слой фоторезиста и формируют рисунок, и наносят и вулканизируют другой слой эластомера, оставляя линию и набор линий фоторезиста, герметизированных в монолитной эластомерной структуре. Этот процесс можно повторить с добавлением герметизированных картин и эластомерных слоев. После этого, фоторезист удаляют, оставляя канал(и) и линию(и) управления в промежутках, которые были заняты фоторезистом. Этот процесс можно повторить для создания эластомерных структур, имеющих множество слоев.In a second preferred aspect, the first photoresist layer is applied on top of the first elastomeric layer. A pattern is then applied to the first layer of the photoresist in order to leave a line or pattern of lines of the photoresist on the upper surface of the first elastomeric layer. Then another layer of elastomer is applied and vulcanized, sealing the line or pattern of the lines of the photoresist. After that, a second layer of photoresist is applied and a pattern is formed, and another layer of elastomer is applied and vulcanized, leaving a line and a set of lines of photoresist sealed in a monolithic elastomeric structure. This process can be repeated with the addition of sealed patterns and elastomeric layers. After that, the photoresist is removed, leaving the channel (s) and control line (s) in the gaps that were occupied by the photoresist. This process can be repeated to create elastomeric structures having multiple layers.

Преимущество формирования рисунка с элементами средних размеров (≥10 микрон) при использовании способа фотолитографии заключается в том, что прозрачную пленку с высоким разрешением можно использовать в качестве контактной маски. Это позволяет одному исследователю разрабатывать, выполнять литографию, формировать рисунок формы и создавать новый набор литых эластомерных устройств обычно в течение 24 часов.The advantage of forming a pattern with medium-sized elements (≥10 microns) when using the photolithography method is that a high-resolution transparent film can be used as a contact mask. This allows one researcher to develop, perform lithography, form a mold, and create a new set of cast elastomeric devices, usually within 24 hours.

Другое преимущество вышеописанного варианта осуществления настоящего изобретения заключается в том, что благодаря своей монолитной или интегральной природе (то есть все слои состоят из одного и того же материала) можно полностью избежать нарушений межслоевой адгезии и проблем, связанных с температурными напряжениями.Another advantage of the above-described embodiment of the present invention is that due to its monolithic or integral nature (that is, all layers are made of the same material), violations of interlayer adhesion and problems associated with thermal stresses can be completely avoided.

Другие преимущества предпочтительного использования, согласно настоящему изобретению, силиконовой резины или эластомера, такого как RTV (клей холодного охлаждения) 615, производимый компанией Джэнерал Электрик (General Electric), заключаются в том, что он является прозрачным для видимого света и делает возможным применение многослойных оптических систем, таким образом позволяя проводить оптический опрос различных каналов или отсеков в микроструйном устройстве. Так как слои эластомера, имеющие соответствующую форму, могут служить в качестве линз и оптических элементов, соединение слоев позволяет создавать многослойные оптические системы. Кроме того, эластомер GE RTV 615 является биосовместимым. Будучи мягкими, закрытые клапаны обеспечивают хорошую герметизацию, даже если в канале находятся маленькие частицы. Силиконовая резина является также биосовместимой и недорогой, особенно по сравнению с монокристаллическим кремнием.Other advantages of the preferred use, according to the present invention, of silicone rubber or an elastomer, such as RTV (cold cooling glue) 615, manufactured by General Electric, are transparent to visible light and make it possible to use multilayer optical systems, thus allowing optical interrogation of various channels or compartments in a micro-jet device. Since elastomer layers having an appropriate shape can serve as lenses and optical elements, the connection of the layers allows the creation of multilayer optical systems. In addition, the GE RTV 615 elastomer is biocompatible. Being soft, closed valves provide good sealing, even if small particles are in the channel. Silicone rubber is also biocompatible and inexpensive, especially when compared to monocrystalline silicon.

В монолитных эластомерных клапанах и насосах также отсутствует ряд возникающих на практике проблем, затрагивающих проточные системы, основанные на электроосматическом потоке. Электроосматические проточные системы страдают обычно от образования пузырьков вокруг электродов, и поток сильно зависит от состава среды потока. Образование пузырьков серьезно ограничивает использование электроосматического потока в микроструйных устройствах, что затрудняет создание функционирующих интегральных устройств. Величина потока и даже его направление обычно зависит сложным способом от количества и типа ионов, наличия поверхностно-активных веществ и заряда на стенках канала. Кроме того, т.к. электролиз происходит непрерывно, можно также добиться того, чтобы конечная пропускная способность буфера препятствовала бы изменениям рН. Кроме того, электроосматический поток всегда происходит при конкуренции с электрофорезом. Так как различные молекулы могут иметь различную электрофоретическую подвижность, в электроосматическом потоке может происходить нежелательное электрофоретическое разделение. И наконец, электроосматический поток нельзя без труда использовать для того, чтобы остановить поток, остановить диффузию или уравновесить разность давлений.Monolithic elastomeric valves and pumps also lack a number of practical problems affecting flow systems based on electroosmotic flow. Electroosmotic flow systems usually suffer from the formation of bubbles around the electrodes, and the flow is highly dependent on the composition of the flow medium. The formation of bubbles severely limits the use of electroosmotic flow in micro-jet devices, which makes it difficult to create functioning integrated devices. The magnitude of the flow and even its direction usually depends in a complicated way on the quantity and type of ions, the presence of surface-active substances and the charge on the channel walls. In addition, since electrolysis occurs continuously; it is also possible to ensure that the final buffer capacity prevents pH changes. In addition, electroosmotic flow always occurs when competing with electrophoresis. Since different molecules may have different electrophoretic mobility, undesired electrophoretic separation may occur in the electroosmotic flow. Finally, the electroosmotic flow cannot be used without difficulty to stop the flow, stop diffusion, or balance the pressure difference.

Другое преимущество представленных монолитных эластомерных клапанных и насосных структур заключается в том, что они могут работать с очень высоким быстродействием. Например, получено время срабатывания клапана при использовании водного раствора порядка одной миллисекунды, то есть клапан открывается и закрывается с частотой приблизительно 100 Гц. В частности, не исключающий перечень диапазонов циклического быстродействия открытия и закрытия клапанной структуры включает значения в пределах приблизительно 0,001 и 10000 мс, в пределах приблизительно 0,01 и 1000 мс, в пределах приблизительно 0,1 и 100 мс и в пределах приблизительно 1 и 10 мс. Циклическое быстродействие зависит от состава и структуры клапана, используемого для специфического применения и способа возбуждения, и таким образом значения циклического быстродействия вне перечисленных диапазонов также находятся в пределах объема настоящего изобретения.Another advantage of the presented monolithic elastomeric valve and pump structures is that they can operate with very high speed. For example, the valve response time was obtained using an aqueous solution of the order of one millisecond, that is, the valve opens and closes at a frequency of approximately 100 Hz. In particular, a non-exclusive list of ranges of cyclic speed of opening and closing of the valve structure includes values in the range of about 0.001 and 10,000 ms, in the range of about 0.01 and 1000 ms, in the range of about 0.1 and 100 ms, and in the range of about 1 and 10 ms Cyclic performance depends on the composition and structure of the valve used for the specific application and excitation method, and thus, cyclic performance values outside the above ranges are also within the scope of the present invention.

Другие преимущества представленных насосов и клапанов заключаются в том, что их маленькие размеры делают их быстродействующими, а их гибкость - долговечными. Кроме того, т.к. они закрываются по линейному закону при перепаде подаваемого давления, эта линейная связь позволяет измерять скорость потока и закрывать клапан несмотря на высокие обратные давления.Other advantages of the pumps and valves presented are that their small size makes them quick-acting and their flexibility durable. In addition, since they close linearly when the pressure drops, this linear connection allows the flow rate to be measured and the valve to close despite high back pressure.

В различных аспектах изобретения множество каналов проходит через эластомерную структуру со вторым каналом, простирающимся поперек и выше первого канала. В этом аспекте изобретения тонкая мембрана эластомера разделяет первый и второй каналы. Как будет показано ниже, перемещение вниз этой мембраны (из-за того, что второй канал находится под давлением, или, с другой стороны, мембрана приводится в действие) будет отсекать поток, проходящий через нижний канал.In various aspects of the invention, a plurality of channels pass through an elastomeric structure with a second channel extending across and above the first channel. In this aspect of the invention, a thin elastomer membrane separates the first and second channels. As will be shown below, the downward movement of this membrane (due to the fact that the second channel is under pressure, or, on the other hand, the membrane is activated) will cut off the flow passing through the lower channel.

В дополнительных предпочтительных аспектах представленных систем множество индивидуально адресуемых клапанов формируют соединенными вместе в эластомерной структуре и затем активируют в такой последовательности, чтобы достигнуть перистальтической прокачки. Кроме того, описаны более сложные системы, включающие в себя сетевые или мультиплексированные системы управления, выборочно адресуемые клапаны, расположенные в виде решетки клапанов, сетевые или мультиплексированные системы реакционных камер и системы для синтеза биополимеров.In further preferred aspects of the present systems, a plurality of individually addressable valves are formed joined together in an elastomeric structure and then activated in such a sequence as to achieve peristaltic pumping. In addition, more complex systems are described, including network or multiplexed control systems, selectively addressable valves located in the form of a valve array, network or multiplexed reaction chamber systems, and systems for synthesizing biopolymers.

Один вариант осуществления микрообработанной эластомерной структуры согласно настоящему изобретению содержит эластомерный блок, сформированный с помощью первого и второго микрообработанных углублений, расположенных в нем, причем часть эластомерного блока отклоняется тогда, когда эта часть приводится в действие.One embodiment of a microprocessed elastomeric structure according to the present invention comprises an elastomeric block formed by first and second microprocessed recesses located therein, wherein a portion of the elastomeric block is deflected when this portion is actuated.

Один вариант осуществления способа микрообработки эластомерной структуры содержит этапы микрообработки первого эластомерного слоя, микрообработки второго эластомерного слоя, размещения второго эластомерного слоя сверху первого эластомерного слоя и присоединения нижней поверхности второго эластомерного слоя к верхней поверхности первого эластомерного слоя.One embodiment of a method of microprocessing an elastomeric structure comprises the steps of microprocessing a first elastomeric layer, microprocessing a second elastomeric layer, placing the second elastomeric layer on top of the first elastomeric layer, and attaching the lower surface of the second elastomeric layer to the upper surface of the first elastomeric layer.

Первый альтернативный вариант осуществления способа микрообработки эластомерной структуры содержит этапы формирования первого эластомерного слоя сверху первой микрообработанной формы, причем первая микрообработанная форма имеет по меньшей мере один первый выступ, который образует по меньшей мере один первый канал на нижней поверхности первого эластомерного слоя. Второй эластомерный слой формируют сверху второй микрообработанной формы, причем вторая микрообработанная форма имеет по меньшей мере один второй выступ, который формирует по меньшей мере один второй канал в нижней поверхности второго эластомерного слоя. Нижнюю поверхность второго эластомерного слоя присоединяют к верхней поверхности первого эластомерного слоя так, что по меньшей мере один второй канал размещается между первым и вторым эластомерными слоями.A first alternative embodiment of a method of microprocessing an elastomeric structure comprises the steps of forming a first elastomeric layer on top of a first microprocessed mold, the first microprocessed mold having at least one first protrusion that forms at least one first channel on the lower surface of the first elastomeric layer. A second elastomeric layer is formed on top of the second microprocessed mold, wherein the second microprocessed mold has at least one second protrusion that forms at least one second channel in the lower surface of the second elastomeric layer. The lower surface of the second elastomeric layer is attached to the upper surface of the first elastomeric layer so that at least one second channel is located between the first and second elastomeric layers.

Второй альтернативный вариант осуществления способа микрообработки эластомерной структуры согласно настоящему изобретению содержит этапы формирования первого эластомерного слоя сверху подложки, вулканизации первого эластомерного слоя и осаждения первого защитного слоя на верхнюю поверхность первого эластомерного слоя. Часть первого защитного слоя удаляют так, чтобы первый рисунок защитного материала оставался на верхней поверхности первого эластомерного слоя. Второй эластомерный слой формируют над первым эластомерным слоем, таким образом герметизируя первый рисунок защитного материала между первым и вторым эластомерными слоями. Вулканизируют второй эластомерный слой и затем удаляют защитный материал, таким образом формируя по меньшей мере одно первое углубление между первым и вторым слоями эластомера.A second alternative embodiment of the method of microprocessing an elastomeric structure according to the present invention comprises the steps of forming a first elastomeric layer on top of the substrate, curing the first elastomeric layer, and depositing the first protective layer on the upper surface of the first elastomeric layer. Part of the first protective layer is removed so that the first pattern of the protective material remains on the upper surface of the first elastomeric layer. A second elastomeric layer is formed above the first elastomeric layer, thereby sealing the first pattern of protective material between the first and second elastomeric layers. The second elastomeric layer is vulcanized and then the protective material is removed, thus forming at least one first recess between the first and second layers of the elastomer.

Вариант осуществления способа активизирования эластомерной структуры согласно настоящему изобретению содержит этапы выполнения эластомерного блока, сформированного с первым и вторым микрообработанными углублениями в нем, причем первое и второе микрообработанные углубления разделены частью структуры, которая отклоняется в первое или во второе углубления тогда, когда часть приводится в действие. В одном из углублений создается избыточное давление так, чтобы часть эластомерной структуры, отделяющей второе углубление от первого углубления, отклонялась в другое из двух углублений.An embodiment of a method for activating an elastomeric structure according to the present invention comprises the steps of executing an elastomeric block formed with first and second micro-machined recesses therein, the first and second micro-machined recesses being separated by a part of the structure that deflects into the first or second recesses when the part is actuated . Overpressure is created in one of the recesses so that a part of the elastomeric structure separating the second recess from the first recess deviates into the other of the two recesses.

В других дополнительных предпочтительных аспектах можно наносить магнитные или токопроводящие материалы для создания эластомерных слоев с магнитной или электрической проводимостью, таким образом позволяя создавать различные эластомерные электромагнитные устройства.In other further preferred aspects, magnetic or conductive materials can be applied to create elastomeric layers with magnetic or electrical conductivity, thereby allowing the creation of various elastomeric electromagnetic devices.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Часть I - Фиг.1-7А изображают последовательные этапы первого способа изготовления настоящего изобретения:Part I - Fig.1-7A depict the sequential steps of the first manufacturing method of the present invention:

Фиг.1 изображает первый эластомерный слой, сформированный сверху микрообработанной формы.Figure 1 depicts a first elastomeric layer formed on top of a microprocessed mold.

Фиг.2 изображает второй эластомерный слой, сформированный сверху микрообработанной формы.Figure 2 depicts a second elastomeric layer formed on top of a microprocessed mold.

Фиг.3 изображает эластомерный слой (Фиг.2), удаленный с микрообработанной формы и размещенный над верхней частью эластомерного слоя (Фиг.1).Figure 3 depicts the elastomeric layer (Figure 2), removed from the micro-machined form and placed above the upper part of the elastomeric layer (Figure 1).

Фиг.4 - вид, соответствующий Фиг.3, но показывающий второй эластомерный слой, установленный сверху первого эластомерного слоя.Figure 4 is a view corresponding to Figure 3, but showing a second elastomeric layer mounted on top of the first elastomeric layer.

Фиг.5 - вид, соответствующий Фиг.4, но показывающий первый и второй эластомерные слои, соединенные вместе.Figure 5 is a view corresponding to Figure 4, but showing the first and second elastomeric layers joined together.

Фиг.6 - вид, соответствующий Фиг.5, но показывающий первую микрообработанную форму, удаленную на свое место, и планарную подложку, установленную на своем месте.FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 5, but showing a first micro-machined mold removed in its place and a planar substrate mounted in its place.

Фиг.7А - вид, соответствующий Фиг.6, но показывающий эластомерную структуру, расположенную на планарной подложке.7A is a view corresponding to FIG. 6 but showing an elastomeric structure located on a planar substrate.

Фиг.7В изображает фронтальный разрез, соответствующий Фиг.7А и показывающий открытый канал.Figv depicts a frontal section corresponding to Figa and showing the open channel.

Фиг.7C-7G - виды, показывающие этапы способа формирования эластомерной структуры, имеющей мембрану, сформированную из отдельного эластомерного слоя.7C-7G are views showing the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from a separate elastomeric layer.

Часть II - Фиг.7Н изображает закрытие первого канала путем повышения давления во втором канале:Part II - Fig.7H depicts the closure of the first channel by increasing the pressure in the second channel:

Фиг.7Н соответствует Фиг.7А, но изображает первый канал, закрытый за счет повышения давления во втором канале.Fig. 7H corresponds to Fig. 7A, but depicts a first channel closed by increasing pressure in the second channel.

Часть III - Фиг.8-18 изображают последовательные этапы второго способа изготовления настоящего изобретения:Part III - Figs. 18-18 depict sequential steps of a second manufacturing method of the present invention:

Фиг.8 изображает первый эластомерный слой, нанесенный на планарную подложку.Fig. 8 shows a first elastomeric layer deposited on a planar substrate.

Фиг.9 - вид, показывающий первый слой фоторезиста, нанесенный сверху первого эластомерного слоя (Фиг.8).Fig.9 is a view showing the first layer of photoresist deposited on top of the first elastomeric layer (Fig.8).

Фиг.10 - вид, показывающий систему по Фиг.9, но с частью первого слоя фоторезиста, после удаления которого остается только первая линия фоторезиста.Fig. 10 is a view showing the system of Fig. 9, but with a portion of the first photoresist layer, after removal of which only the first photoresist line remains.

Фиг.11 - вид, показывающий второй эластомерный слой, нанесенный сверху первого эластомерного слоя над первой линией фоторезиста (Фиг.10), таким образом полностью закрывая фоторезист между первым и вторым эластомерными слоями.11 is a view showing a second elastomeric layer deposited on top of the first elastomeric layer above the first line of the photoresist (FIG. 10), thereby completely covering the photoresist between the first and second elastomeric layers.

Фиг.12 соответствует Фиг.11, но изображает выполненную за одно целое монолитную структуру, полученную после первого и второго эластомерных слоев, соединенных вместе.Fig. 12 corresponds to Fig. 11, but depicts a monolithic structure made in one piece obtained after the first and second elastomeric layers joined together.

Фиг.13 - вид, показывающий второй слой фоторезиста, нанесенный сверху интегральной эластомерной структуры (Фиг.12).Fig. 13 is a view showing a second photoresist layer deposited on top of an integral elastomeric structure (Fig. 12).

Фиг.14 - вид, показывающий систему (Фиг.13), но с частью второго слоя фоторезиста, после удаления которого остается только вторая линия фоторезиста.Fig. 14 is a view showing a system (Fig. 13), but with a part of the second layer of the photoresist, after removal of which only the second line of the photoresist remains.

Фиг.15 - вид, показывающий третий эластомерный слой, нанесенный сверху второго эластомерного слоя и над второй линией фоторезиста (Фиг.14), таким образом полностью закрывая вторую линию фоторезиста между эластомерной структурой (Фиг.12) и третьим эластомерным слоем.Fig. 15 is a view showing a third elastomeric layer deposited on top of the second elastomeric layer and above the second photoresist line (Fig. 14), thereby completely covering the second photoresist line between the elastomeric structure (Fig. 12) and the third elastomeric layer.

Фиг.16 соответствует Фиг.15, но изображает третий эластомерный слой, который вулканизируют для присоединения к монолитной структуре, состоящей из ранее присоединенных первого и второго эластомерных слоев.Fig. 16 corresponds to Fig. 15, but depicts a third elastomeric layer that is vulcanized to adhere to a monolithic structure consisting of the first and second elastomeric layers previously joined.

Фиг.17 соответствует Фиг.16, но изображает первый и второй линии фоторезиста, удаленные для того, чтобы обеспечить два перпендикулярных перекрестия, но без пересечения каналов, проходящих через интегральную эластомерную структуру.Fig. 17 corresponds to Fig. 16, but depicts the first and second lines of the photoresist, removed in order to provide two perpendicular crosshairs, but without crossing the channels passing through the integral elastomeric structure.

Фиг.18 - вид, показывающий систему по Фиг.17, но с удаленной под ней планарной подложкой.Fig. 18 is a view showing the system of Fig. 17, but with the planar substrate removed beneath it.

Часть IV - Фиг.19 и 20 изображают дополнительные подробности различных поперечных сечений каналов:Part IV - Fig.19 and 20 depict additional details of various cross-sections of channels:

Фиг.19 изображает прямоугольное поперечное сечение первого канала.Fig.19 depicts a rectangular cross section of the first channel.

Фиг.20 изображает поперечное сечение канала, имеющего изогнутую верхнюю поверхность.Fig.20 depicts a cross section of a channel having a curved upper surface.

Часть V - Фиг.21-24 изображают экспериментальные результаты, полученные с помощью предпочтительных вариантов осуществления представленного микрообработанного клапана:Part V - Fig.21-24 depict experimental results obtained using the preferred embodiments of the presented microprocessed valve:

Фиг.21 изображает клапан, открывающийся при приложении давления для различных каналов.21 shows a valve opening upon application of pressure to various channels.

Фиг.22 изображает временную характеристику микроклапана RTV с размером 100 мкм × 100 мкм × 10 мкм.Fig. 22 shows a temporal response of an RTV microvalve with a size of 100 μm × 100 μm × 10 μm.

Часть VI - Фиг.23А-33 изображают различные микрообработанные структуры, объединенные в сеть, согласно аспектам настоящего изобретения:Part VI - FIGS. 23A-33 depict various micro-machined structures networked in accordance with aspects of the present invention:

Фиг.23А схематически изображает вид сверху двухпозиционного клапана.Figa schematically depicts a top view of a two-position valve.

Фиг.23В изображает в увеличенном виде разрез вдоль линии 23В-23В на Фиг.23А.Figv depicts an enlarged view of a section along the line 23B-23B in Fig.23A.

Фиг.24А схематически изображает вид сверху перистальтической насосной системы.Figa schematically depicts a top view of the peristaltic pump system.

Фиг.24В изображает в увеличенном виде разрез вдоль линии 24В- 24В на Фиг.24А.Figv depicts an enlarged view of a section along the line 24B-24B in Fig.24A.

Фиг.25 изображает график, показывающий экспериментально достигнутые скорости прокачки в зависимости от частоты для варианта осуществления перистальтической насосной системы по Фиг.24.FIG. 25 is a graph showing experimentally achieved pumping speeds versus frequency for the embodiment of the peristaltic pumping system of FIG. 24.

Фиг.26А схематически изображает вид сверху одной линии управления, приводящей в действие одновременно многочисленные проточные линии.26A schematically depicts a top view of one control line driving simultaneously multiple flow lines.

Фиг.26В изображает в увеличенном виде разрез вдоль линии 26В-26В на Фиг.26А.Fig. 26B is an enlarged sectional view taken along line 26B-26B of Fig. 26A.

Фиг.27 - схематический вид мультиплексированной системы, адаптированной так, чтобы обеспечить протекание через различные каналы.Fig. 27 is a schematic view of a multiplexed system adapted to allow flow through various channels.

Фиг.28А изображает горизонтальную проекцию проточного слоя со структурой активизируемой реакционной камеры.Figa depicts a horizontal projection of the flow layer with the structure of the activated reaction chamber.

Фиг.28В изображает вид снизу слоя канала управления со структурой активизируемой реакционной камеры.Figv depicts a bottom view of the layer of the control channel with the structure of the activated reaction chamber.

Фиг.28С изображает вид в изометрии в разобранном виде структуры активизируемой реакционной камеры, сформированной путем соединения слоя канала управления (Фиг.28В) с верхней частью проточного слоя (Фиг.28А).Fig. 28C is an exploded perspective view of the structure of an activated reaction chamber formed by connecting a layer of a control channel (Fig. 28B) to the upper part of the flow layer (Fig. 28A).

Фиг.28D изображает в увеличенном виде, соответствующем Фиг.28С, разрез вдоль линии 28D-28D (Фиг.28С).Fig. 28D is an enlarged view corresponding to Fig. 28C, a section along the line 28D-28D (Fig. 28C).

Фиг.29 схематически изображает систему, адаптированную для выборочного направления потока текучей среды в любой из матрицы реакционных колодцев.29 schematically depicts a system adapted to selectively direct fluid flow into any of the reaction well matrix.

Фиг.30 схематически изображает систему, адаптированную для выборочного бокового потока между параллельными каналами.30 schematically depicts a system adapted for selective side flow between parallel channels.

Фиг.31А изображает вид снизу первого слоя (т.е. проточного слоя) эластомера переключаемой проточной матрицы.Fig. 31A is a bottom view of a first layer (i.e., a flow layer) of an elastomer of a switchable flow matrix.

Фиг.31В изображает вид снизу слоя канала управления переключаемой проточной матрицы.Figv depicts a bottom view of the layer of the control channel switchable flow matrix.

Фиг.31С изображает выравнивание первого слоя эластомера (Фиг.31А) с одним набором каналов управления во втором слое эластомера (Фиг.31В).Fig. 31C depicts the alignment of the first elastomer layer (Fig. 31A) with one set of control channels in the second elastomer layer (Fig. 31B).

Фиг.31D также изображает выравнивание первого слоя эластомера (Фиг.31А) с другим набором каналов управления во втором слое эластомера (Фиг.31В).Fig.31D also depicts the alignment of the first layer of elastomer (Fig.31A) with another set of control channels in the second layer of elastomer (Fig.31B).

Фиг.32 схематически изображает интегрированную систему для синтеза биополимеров.32 schematically depicts an integrated system for the synthesis of biopolymers.

Фиг.33 схематически изображает другую интегрированную систему для синтеза биополимеров.33 schematically depicts another integrated system for the synthesis of biopolymers.

Фиг.34 изображает оптический микроснимок участка контрольной структуры, имеющей семь слоев эластомера, соединенных вместе.Fig. 34 is an optical micrograph of a portion of a control structure having seven elastomer layers joined together.

Фиг.35A-35D показывают этапы одного варианта осуществления способа изготовления слоя эластомера, имеющего вертикальное сквозное отверстие, сформированное в нем.35A-35D show the steps of one embodiment of a method for manufacturing an elastomer layer having a vertical through hole formed therein.

Фиг.36 изображает один вариант осуществления устройства сортировки, согласно настоящему изобретению.Fig. 36 depicts one embodiment of a sorting device according to the present invention.

Фиг.37 изображает вариант осуществления устройства для прокачки технологических газов над полупроводниковой пластиной, согласно настоящему изобретению.Fig. 37 shows an embodiment of a device for pumping process gases over a semiconductor wafer according to the present invention.

Фиг.38 изображает в разобранном виде один вариант осуществления структуры микрозеркальной решетки, согласно настоящему изобретению.Fig. 38 is an exploded view of one embodiment of a micro-mirror array structure according to the present invention.

Фиг.39 изображает вид в изометрии первого варианта осуществления устройства преломления, согласно настоящему изобретению.Fig. 39 is an isometric view of a first embodiment of a refractive device according to the present invention.

Фиг.40 изображает вид в изометрии второго варианта осуществления устройства преломления, согласно настоящему изобретению.40 is an isometric view of a second embodiment of a refractive device according to the present invention.

Фиг.41 изображает вид в изометрии третьего варианта осуществления устройства преломления, согласно настоящему изобретению.Fig. 41 is an isometric view of a third embodiment of a refractive device according to the present invention.

Фиг.42A-42J показывают виды одного варианта осуществления нормально закрытой клапанной структуры, согласно настоящему изобретению.42A-42J show views of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention.

Фиг.43 показывает вид сверху одного варианта осуществления устройства для выполнения сепарации, согласно настоящему изобретению.Fig. 43 shows a top view of one embodiment of a device for performing separation according to the present invention.

Фиг.44A-44D показывают виды сверху, иллюстрирующие работу одного варианта осуществления структуры пера ячейки, согласно настоящему изобретению.FIGS. 44A-44D show plan views illustrating the operation of one embodiment of a pen structure of a cell according to the present invention.

Фиг.45А-45В показывают виды сверху, иллюстрирующие работу одного варианта осуществления структуры камеры для клеток, согласно настоящему изобретению.45A-45B show plan views illustrating the operation of one embodiment of a cell chamber structure according to the present invention.

Фиг.46А-46В показывают виды в поперечном сечении, иллюстрирующие работу одного варианта осуществления структуры дробилки клеток, согласно настоящему изобретению.46A-46B show cross-sectional views illustrating the operation of one embodiment of a cell crusher structure according to the present invention.

Фиг.47 изображает вид сверху одного варианта осуществления структуры генератора давления, согласно настоящему изобретению.Fig. 47 is a plan view of one embodiment of a pressure generator structure according to the present invention.

Фиг.48А и 48В показывают вид сверху, иллюстрирующие работу одного из вариантов осуществления структуры клапана с боковым возбуждением, согласно настоящему изобретению.48A and 48B show a plan view illustrating the operation of one embodiment of a lateral excitation valve structure according to the present invention.

Фиг.49 изображает график зависимости модуля Юнга от разбавления в процентном отношении эластомера GB RTV 615 силиконовой текучей средой GE SF96-50.Fig. 49 is a graph of Young's modulus versus dilution as a percentage of the GB RTV 615 elastomer with GE SF96-50 silicone fluid.

Подробное описание настоящего изобретенияDetailed description of the present invention

Настоящее изобретение содержит ряд микрообработанных эластомерных структур, которые можно использовать в качестве насосов или клапанов. Кроме того, изложены способы изготовления предпочтительных эластомерных структур.The present invention contains a number of microprocessed elastomeric structures that can be used as pumps or valves. In addition, methods are described for manufacturing preferred elastomeric structures.

Способы изготовления настоящего изобретенияMethods of manufacturing the present invention

Два взятых в качестве примера способа изготовления настоящего изобретения представлены ниже. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено изготовлением с помощью одного или другого из этих способов. Напротив, рассмотрены и другие подходящие способы изготовления представленных микроструктур, включающие модификации представленных способов.Two exemplary manufacturing methods of the present invention are presented below. It should be understood that the present invention is not limited to manufacturing using one or the other of these methods. On the contrary, other suitable methods of manufacturing the presented microstructures are considered, including modifications of the presented methods.

На Фиг.1-7В изображены последовательные этапы первого предпочтительного способа изготовления представленной микроструктуры (которую можно использовать в качестве насоса или клапана). На Фиг.8-18 изображены последовательные этапы второго предпочтительного способа изготовления представленной микроструктуры (которую можно также использовать в качестве насоса или клапана).Figure 1-7B shows the sequential steps of the first preferred method of manufacturing the presented microstructure (which can be used as a pump or valve). On Fig-18 depicts the sequential steps of the second preferred method of manufacturing the presented microstructure (which can also be used as a pump or valve).

Как будет показано ниже, предпочтительный способ по Фиг.1-7В включает использование предварительно вулканизированных слоев эластомера, которые собирают и соединяют. Напротив, предпочтительный способ по Фиг.8-18 включает вулканизацию каждого слоя эластомера "на месте". В следующем ниже описании "канал" относится к углублению в эластомерной структуре, которое может содержать поток текучей среды или газа.As will be shown below, the preferred method of FIGS. 1-7B involves the use of pre-vulcanized layers of elastomer that are assembled and joined. In contrast, the preferred method of FIGS. 8-18 involves "in-situ" vulcanization of each elastomer layer. In the following description, “channel” refers to a recess in an elastomeric structure that may contain a fluid or gas stream.

Первый взятый в качестве примера способThe first method taken as an example

На Фиг.1 изображена первая микрообработанная форма 10. Микрообработанную форму 10 можно изготовить при помощи ряда известных способов обработки кремния, включающих (но не ограниченных ими) фотолитографию, ионное травление и электронно-лучевую литографию.1 shows a first microprocessed mold 10. A microprocessed mold 10 can be manufactured using a number of known methods for processing silicon, including (but not limited to) photolithography, ion etching, and electron beam lithography.

Как показано на Фиг.1, микрообработанная форма 10 имеет выступающую линию или выступ 11, простирающийся вдоль нее. Первый эластомерный слой 20 отливается сверху формы 10 так, чтобы первое углубление 21 было сформировано на нижней поверхности эластомерного слоя 20 (углубление 21, как показано, соответствует по размеру выступу 11).As shown in FIG. 1, the microprocessed mold 10 has a protruding line or protrusion 11 extending along it. The first elastomeric layer 20 is cast on top of the mold 10 so that the first recess 21 is formed on the bottom surface of the elastomeric layer 20 (the recess 21, as shown, corresponds to the size of the protrusion 11).

На Фиг.2 выполнена вторая микрообработанная форма 12, имеющая выступ 13, простирающийся вдоль нее. Как показано на чертеже, второй эластомерный слой 22 отливается сверху формы 12 так, чтобы углубление 23 было сформировано на ее нижней поверхности, соответствующей размерам выступа 13.2, a second microprocessed mold 12 is made having a protrusion 13 extending along it. As shown in the drawing, the second elastomeric layer 22 is cast on top of the mold 12 so that a recess 23 is formed on its lower surface corresponding to the dimensions of the protrusion 13.

Как показано на последовательных этапах, изображенных на Фиг.3 и 4, второй эластомерный слой 22 затем удаляют с формы 12 и помещают сверху первого эластомерного слоя 20. Как можно заметить, углубление 23, простирающееся вдоль нижней поверхности второго эластомерного слоя 22, формирует канал 32.As shown in the successive steps shown in FIGS. 3 and 4, the second elastomeric layer 22 is then removed from the mold 12 and placed on top of the first elastomeric layer 20. As you can see, a recess 23 extending along the lower surface of the second elastomeric layer 22 forms a channel 32 .

Как показано на Фиг.5, отдельные первый и второй эластомерные слои 20 и 22 (Фиг.4) затем соединяют вместе для формирования интегральной (то есть монолитной) эластомерной структуры 24.As shown in FIG. 5, the individual first and second elastomeric layers 20 and 22 (FIG. 4) are then joined together to form an integral (i.e., monolithic) elastomeric structure 24.

Как можно увидеть на следующем этапе на Фиг.6 и 7А, эластомерную структуру 24 затем удаляют из формы 10 и устанавливают сверху планарной подложки 14. Как видно на Фиг.7А и 7 В, при герметичном соединении эластомерной структуры 24 на своей нижней поверхности с планарной подложкой 14, углубление 21 образует канал 30.As can be seen in the next step in FIGS. 6 and 7A, the elastomeric structure 24 is then removed from the mold 10 and mounted on top of the planar substrate 14. As can be seen in FIGS. 7A and 7B, when the elastomeric structure 24 is sealed on its lower surface with the planar substrate 14, the recess 21 forms a channel 30.

Представленные эластомерные структуры образуют обратимое герметичное соединение почти с любой гладкой планарной подложкой. Преимущество формирования герметичного соединения таким способом заключается в том, что эластомерные структуры можно снимать, промывать и использовать повторно. В предпочтительных аспектах планарная подложка 14 является стеклянной. Другое преимущество использования стекла заключается в том, что стекло является прозрачным, позволяя при этом проводить оптический опрос эластомерных каналов и резервуаров. С другой стороны, эластомерную структуру можно присоединить к плоскому слою эластомера тем же самым способом, который описан выше, с образованием стойкого и высокопрочного соединения. Это особенно выгодно при использовании повышенного обратного давления.The presented elastomeric structures form a reversible tight connection with almost any smooth planar substrate. The advantage of forming an airtight joint in this way is that the elastomeric structures can be removed, washed and reused. In preferred aspects, the planar substrate 14 is glass. Another advantage of using glass is that the glass is transparent, while allowing optical interrogation of elastomeric channels and reservoirs. Alternatively, the elastomeric structure can be attached to the flat layer of the elastomer in the same manner as described above to form a stable and high strength joint. This is especially beneficial when using increased back pressure.

Как можно заметить на Фиг.7А и 7В, каналы 30 и 32 предпочтительно расположены под углом друг к другу с маленькой мембраной 25 (мембранной частью) у подложки 24, разделяющей верхнюю часть канала 30 от нижней части канала 32.As can be seen in FIGS. 7A and 7B, the channels 30 and 32 are preferably arranged at an angle to each other with a small membrane 25 (membrane part) at the substrate 24 separating the upper part of the channel 30 from the lower part of the channel 32.

В предпочтительных аспектах планарная подложка 14 является стеклянной. Преимущество использования стекла заключается в том, что представленные эластомерные структуры можно снимать, промывать и использовать повторно. Другое преимущество использования стекла заключается в том, что можно использовать оптическое восприятие. С другой стороны, планарная подложка 14 может быть, собственно, эластомером, который проявляет свои преимущества при использовании повышенного обратного давления.In preferred aspects, the planar substrate 14 is glass. The advantage of using glass is that the presented elastomeric structures can be removed, washed and reused. Another advantage of using glass is that optical perception can be used. On the other hand, the planar substrate 14 can be, in fact, an elastomer, which shows its advantages when using increased back pressure.

Только что описанный способ изготовления может быть изменен с тем, чтобы сформировать структуру, имеющую мембрану, состоящую из эластомерного материала, отличающегося от того, который образует стенки каналов устройства. Этот измененный способ изготовления изображен на Фиг.7C-7G.The manufacturing method just described can be modified in order to form a structure having a membrane consisting of an elastomeric material different from that which forms the channel walls of the device. This modified manufacturing method is depicted in FIGS. 7C-7G.

На Фиг.7С показана первая микрообработанная форма 10. Микрообработанная форма 10 имеет выступающую линию или выступ 11, простирающийся вдоль нее. На Фиг.7D первый эластомерный слой 20 отливают сверху первой микрообработанной формы 10 так, что верхняя часть первого эластомерного слоя 20 расположена заподлицо с верхней частью выступающей линии или выступа 11. Это можно выполнить при тщательном управлении объемом эластомерного материала, сформованного на форме 10 относительно известной высоты выступающей линии 11. С другой стороны, желательную форму можно сформировать путем литья под давлением.FIG. 7C shows a first micro-machined mold 10. The micro-machined mold 10 has a protruding line or protrusion 11 extending along it. In Fig. 7D, the first elastomeric layer 20 is cast on top of the first micro-machined mold 10 so that the upper part of the first elastomeric layer 20 is flush with the upper part of the protruding line or protrusion 11. This can be done by carefully controlling the volume of the elastomeric material formed on the mold 10 relative to the known the height of the protruding line 11. Alternatively, the desired shape can be formed by injection molding.

На Фиг.7Е изображен вид второй микрообработанной формы 12 с выступом 13, простирающимся вдоль нее. Как показано на чертеже, второй эластомерный слой 22 отливается сверху второй формы 12 так, чтобы углубление 23 было сформировано на своей нижней поверхности, соответствующей размерам выступа 13.FIG. 7E shows a view of a second microprocessed mold 12 with a protrusion 13 extending along it. As shown in the drawing, the second elastomeric layer 22 is cast on top of the second mold 12 so that a recess 23 is formed on its lower surface corresponding to the dimensions of the protrusion 13.

На Фиг.7F второй эластомерный слой 22 удаляют из формы 12 и размещают сверху третьего эластомерного слоя 222. Второй эластомерный слой 22 присоединяется к третьему эластомерному слою 20 для формирования интегрального эластомерного блока 224 с использованием методов, подробно описанных ниже. На этой стадии процесса углубление 23, занимаемое ранее выступающей линией 13, образует канал 23.7F, the second elastomeric layer 22 is removed from the mold 12 and placed on top of the third elastomeric layer 222. The second elastomeric layer 22 is attached to the third elastomeric layer 20 to form an integral elastomeric block 224 using the methods described in detail below. At this stage of the process, the recess 23, previously occupied by the protruding line 13, forms a channel 23.

На Фиг.7G эластомерный блок 224 размещают на верхней части первой микрообработанной формы 10 и первого эластомерного слоя 20. Эластомерный блок и первый эластомерный слой 20 затем соединяют вместе для формирования интегральной (то есть монолитной) эластомерной структуры 24, имеющей мембрану, состоящую из отдельного эластомерного слоя 222.In FIG. 7G, an elastomeric block 224 is placed on top of the first micro-machined mold 10 and the first elastomeric layer 20. The elastomeric block and the first elastomeric layer 20 are then joined together to form an integral (i.e., monolithic) elastomeric structure 24 having a membrane consisting of a separate elastomeric layer 222.

После герметичного соединения структуры 24 на своей нижней поверхности с планарной подложкой способом, описанным выше (Фиг.7А), углубление, ранее занимаемое выступающей линией 11, образует канал 30.After the structure 24 is sealed on its lower surface with a planar substrate in the manner described above (Fig. 7A), the recess previously occupied by the protruding line 11 forms a channel 30.

Различные способы изготовления, изображенные выше на Фиг.7C-7G, имеют преимущество в том, что мембранная часть может состоять из материала, который отличается от эластомерного материала с прежней структурой. Это важно, т.к. толщина и упругие свойства мембраны играют решающую роль при работе устройства. Кроме того, этот способ позволяет легко кондиционировать отдельный слой эластомера перед внедрением в структуру эластомера. Как обсуждено подробно ниже, примеры потенциально возможного кондиционирования включают введение магнито- или электропроводных частиц для активизирования мембраны и/или введение примеси в мембрану для того, чтобы менять ее эластичность.The various manufacturing methods depicted above in FIGS. 7C-7G have the advantage that the membrane part may consist of a material that is different from the elastomeric material with the previous structure. This is important because the thickness and elastic properties of the membrane play a decisive role in the operation of the device. In addition, this method makes it easy to condition a separate layer of elastomer before incorporation into the structure of the elastomer. As discussed in detail below, examples of potential conditioning include introducing magnetically or electrically conductive particles to activate the membrane and / or introducing impurities into the membrane in order to change its elasticity.

Хотя вышеупомянутый способ изображен совместно с формированием различных профилированных эластомерных слоев, сформированных путем повторения формы сверху микрообработанной формы, настоящее изобретение не ограничено этим методом. Другие методы можно использовать для формирования индивидуальных слоев из профилированного эластомерного материала, которые необходимо в дальнейшем соединять вместе. Например, профилированный слой эластомерного материала можно сформировать путем лазерной резки или литья под давлением или с помощью способов, использующих химическое травление и/или защитных материалов, как обсуждено ниже во втором взятом в качестве примера способе.Although the aforementioned method is depicted in conjunction with the formation of various profiled elastomeric layers formed by repeating the form on top of the microprocessed form, the present invention is not limited to this method. Other methods can be used to form individual layers of profiled elastomeric material, which must then be joined together. For example, a profiled layer of elastomeric material can be formed by laser cutting or injection molding or by methods using chemical etching and / or protective materials, as discussed below in the second example method.

Второй взятый в качестве примера способThe second method taken as an example

Второй взятый в качестве примера способ изготовления эластомерной структуры, который можно использовать в качестве насоса или клапана, изложен поэтапно со ссылкой на Фиг.8-18.A second example method for manufacturing an elastomeric structure that can be used as a pump or valve is described in stages with reference to FIGS. 8-18.

В этом аспекте изобретения каналы и каналы управления определяются с помощью первого фоторезиста для формирования рисунка на поверхности эластомерного слоя (или на другой подложке, которая может включать в себя стекло), оставляя выступающую линию фоторезиста, где должен быть канал. Затем сверху наносят второй слой эластомера, и второй фоторезист наносится с рисунком на второй слой эластомера, оставляя выступающую линию фоторезиста, где должен быть канал. Сверху наносят третий слой эластомера. И наконец, с эластомера удаляют фоторезист путем его растворения соответствующим растворителем, при этом пустоты, образовавшиеся после удаления фоторезиста, становятся каналами, проходящими через подложку.In this aspect of the invention, the control channels and channels are determined using the first photoresist to form a pattern on the surface of the elastomeric layer (or on another substrate, which may include glass), leaving a protruding line of the photoresist where the channel should be. Then a second layer of elastomer is applied from above, and a second photoresist is applied with a pattern to the second layer of elastomer, leaving the protruding line of the photoresist where the channel should be. A third layer of elastomer is applied on top. Finally, the photoresist is removed from the elastomer by dissolving it with an appropriate solvent, and the voids formed after removal of the photoresist become channels passing through the substrate.

На Фиг.8 показана планарная подложка 40. Затем на нее наносят первый эластомерный слой 42 и вулканизируют сверху планарной подложки 40. Как показано на Фиг.9, первый слой 44А фоторезиста затем наносят на верхнюю часть эластомерного слоя 42. Как показано на Фиг.10, часть слоя 44А фоторезиста удаляют так, чтобы оставалась только первая линия фоторезиста 44В. Как показано на Фиг.11, второй эластомерный слой 46 затем наносят сверху верхнюю часть первого эластомерного слоя 42 и сверху первой линии фоторезиста 44В, таким образом полностью закрывая первую линию фоторезиста 44В между первым эластомерным слоем 42 и вторым эластомерным слоем 46. Как показано на Фиг.12, эластомерные слои 46 затем вулканизируют на слое 42 для того, чтобы присоединить слои вместе для образования монолитной эластомерной подложки 45.FIG. 8 shows a planar substrate 40. Then, a first elastomeric layer 42 is applied thereon and cured on top of the planar substrate 40. As shown in FIG. 9, a first photoresist layer 44A is then applied to the top of the elastomeric layer 42. As shown in FIG. 10 , part of the photoresist layer 44A is removed so that only the first line of the photoresist 44B remains. As shown in FIG. 11, the second elastomeric layer 46 is then applied on top of the top of the first elastomeric layer 42 and on top of the first line of the photoresist 44B, thereby completely covering the first line of the photoresist 44B between the first elastomeric layer 42 and the second elastomeric layer 46. As shown in FIG. .12, the elastomeric layers 46 are then vulcanized on the layer 42 in order to attach the layers together to form a monolithic elastomeric substrate 45.

Как показано на Фиг.13, второй слой 48А фоторезиста затем наносят сверху эластомерной структуры 45. Как показано на Фиг.14, удаляют часть второго слоя 48А фоторезиста, оставляя только вторую линию 48В фоторезиста на верхней части эластомерной структуры 45. Как показано на Фиг.15, третий эластомерный слой 50 затем наносят сверху верхней части эластомерной структуры 45 (состоящей из второго эластомерного слоя 42 и первой линии фоторезиста 44В) и второй линии 48В фоторезиста, таким образом полностью закрывая вторую линию фоторезиста 48В между эластомерной структурой 45 и третьим эластомерным слоем 50.As shown in FIG. 13, the second photoresist layer 48A is then applied on top of the elastomeric structure 45. As shown in FIG. 14, part of the second photoresist layer 48A is removed, leaving only the second photoresist line 48B on the top of the elastomeric structure 45. As shown in FIG. 15, the third elastomeric layer 50 is then applied on top of the upper part of the elastomeric structure 45 (consisting of the second elastomeric layer 42 and the first line of the photoresist 44B) and the second line of the photoresist 48B, thereby completely covering the second line of the photoresist 48B between the elastomeric structure 45 and a third elastomeric layer 50.

Как показано на Фиг.16, третий эластомерный слой 50 и эластомерная структура 45 (содержащая первый эластомерный слой 42 и второй эластомерный слой 46, соединенные вместе) затем соединяют вместе для образования монолитной эластомерной структуры 47, имеющей линии 44В и 48В фоторезиста, проходящие через нее. Как показано на Фиг.17, линии 44В, 48В фоторезиста затем удаляют (например, с помощью растворителя) так, чтобы были выполнены первый канал 60 и второй канал 62 на своих местах, проходящие через эластомерную структуру 47. И наконец, как показано на Фиг.18, планарную подложку 40 можно удалить с нижней части интегральной монолитной структуры.As shown in FIG. 16, the third elastomeric layer 50 and the elastomeric structure 45 (containing the first elastomeric layer 42 and the second elastomeric layer 46 connected together) are then joined together to form a monolithic elastomeric structure 47 having photoresist lines 44B and 48B passing through it . As shown in FIG. 17, the photoresist lines 44B, 48B are then removed (for example, using a solvent) so that the first channel 60 and the second channel 62 are formed in their places passing through the elastomeric structure 47. Finally, as shown in FIG. .18, planar substrate 40 can be removed from the bottom of the integral monolithic structure.

Способ по Фиг.8-18 позволяет изготовить эластомерную структуру с рисунком с использованием проявления фоторезиста, заключенного внутри эластомерного материала. Однако способы, согласно настоящему изобретению, не ограничены использованием фоторезиста. Другие материалы, такие как металлы, могут также служить в качестве защитных материалов, которые в дальнейшем будут удалять и которые избирательны к окружающему эластомерному материалу, и способ будет находиться в пределах объема защиты настоящего изобретения. Например, как подробно описано ниже со ссылкой на Фиг.35A-35D, золото можно травить выборочно для эластомера RTV 615 с использованием соответствующей химической смеси.The method of FIGS. 8-18 allows to fabricate an elastomeric structure with a pattern using the manifestation of a photoresist enclosed within an elastomeric material. However, the methods of the present invention are not limited to the use of photoresist. Other materials, such as metals, can also serve as protective materials that will subsequently be removed and which are selective for the surrounding elastomeric material, and the method will be within the protection scope of the present invention. For example, as described in detail below with reference to FIGS. 35A-35D, gold can be pickled selectively for RTV 615 elastomer using an appropriate chemical mixture.

Предпочтительный слой и размеры каналаPreferred layer and channel dimensions

Микрообработанная структура определяется характерным размером эластомерной структуры, изготовленной согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В общем, изменением по меньшей мере одного размера микрообработанных структур управляют на микронном уровне, причем по меньшей мере один размер является микроскопическим (т.е. менее 1000 мкм). Микрообработка обычно включает методы изготовления полупроводников или MEMS, такие как фотолитография и центрифигурирование, которые разработаны для получения характерных размеров на микроскопическом уровне, при этом по меньшей мере для некоторых размеров микрообработанной структуры требуются микроскоп для приемлемого разрешения/ изображения структуры.The microprocessed structure is determined by the characteristic size of the elastomeric structure made according to an embodiment of the present invention. In general, the change in at least one size of the microprocessed structures is controlled at the micron level, with at least one size being microscopic (i.e., less than 1000 microns). Microprocessing typically includes semiconductor fabrication methods or MEMS, such as photolithography and centrifugation, which are designed to obtain characteristic sizes at the microscopic level, with at least some sizes of the microprocessed structure requiring a microscope for acceptable resolution / image of the structure.

В предпочтительных аспектах каналы 30, 32, 60 и 62 предпочтительно имеют отношения ширины к глубине приблизительно 10:1. Неисключительный список других диапазонов отношений ширины к глубине, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, составляет 0,1:1-100:1, более предпочтительно 1:1-50:1, более предпочтительно 2:1-20:1 и наиболее предпочтительно 3:1-15:1. Во взятом в качестве примера аспекте каналы 30, 32, 60 и 62 имеют ширину приблизительно 1-1000 микрон. Неисключительный список других диапазонов ширины каналов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, составляет 0,01-1000 микрон, более предпочтительно 0,05-1000 микрон, более предпочтительно 0,2-500 микрон, более предпочтительно 1-250 микрон и наиболее предпочтительно 10-200 микрон. Взятые в качестве примера значения ширины канала включают 0,1 мкм, 1 мкм, 2 мкм, 5 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм, 40 мкм, 50 мкм, 60 мкм, 70 мкм, 80 мкм, 90 мкм, 100 мкм, 110 мкм, 120 мкм, 130 мкм, 140 мкм, 150 мкм, 160 мкм, 170 мкм, 180 мкм, 190 мкм, 200 мкм, 210 мкм, 220 мкм, 230 мкм, 240 мкм и 250 мкм.In preferred aspects, the channels 30, 32, 60, and 62 preferably have a width to depth ratio of about 10: 1. A non-exclusive list of other width to depth ratios according to embodiments of the present invention is 0.1: 1-100: 1, more preferably 1: 1-50: 1, more preferably 2: 1-20: 1 and most preferably 3: 1-15: 1. In an exemplary aspect, channels 30, 32, 60, and 62 have a width of about 1-1000 microns. A non-exclusive list of other channel width ranges according to embodiments of the present invention is 0.01-1000 microns, more preferably 0.05-1000 microns, more preferably 0.2-500 microns, more preferably 1-250 microns and most preferably 10- 200 microns. Exemplary channel widths include 0.1 μm, 1 μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 60 μm, 70 μm, 80 μm, 90 μm, 100 μm, 110 μm, 120 μm, 130 μm, 140 μm, 150 μm, 160 μm, 170 μm, 180 μm, 190 μm, 200 μm, 210 μm, 220 μm, 230 μm, 240 μm and 250 μm.

Каналы 30, 32, 60 и 62 имеют глубину приблизительно 1-100 микрон. Неисключительный список других диапазонов глубины каналов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, составляет 0,01-1000 микрон, более предпочтительно 0,05-500 микрон, более предпочтительно 0,2-250 микрон, более предпочтительно 1-100 микрон, более предпочтительно 2-20 микрон и наиболее предпочтительно 5-10 микрон. Взятые в качестве примера значения глубины канала включают в себя 0,01 мкм, 0,02 мкм, 0,05 мкм, 0,1 мкм, 0,2 мкм, 0,5 мкм, 1 мкм, 2 мкм, 3 мкм, 4 мкм, 5 мкм, 7,5 мкм, 10 мкм, 12,5 мкм, 15 мкм, 17,5 мкм, 20 мкм, 22,5 мкм, 25 мкм, 30 мкм, 40 мкм, 50 мкм, 75 мкм, 100 мкм, 150 мкм, 200 мкм и 250 мкм.Channels 30, 32, 60, and 62 have a depth of about 1-100 microns. A non-exclusive list of other channel depth ranges according to embodiments of the present invention is 0.01-1000 microns, more preferably 0.05-500 microns, more preferably 0.2-250 microns, more preferably 1-100 microns, more preferably 2- 20 microns and most preferably 5-10 microns. The channel depths taken as an example include 0.01 μm, 0.02 μm, 0.05 μm, 0.1 μm, 0.2 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, 5 μm, 7.5 μm, 10 μm, 12.5 μm, 15 μm, 17.5 μm, 20 μm, 22.5 μm, 25 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm and 250 μm.

Каналы не ограничены этими специфическими диапазонами размеров и примерами, представленными выше, и могут изменяться по ширине, влияя на величину усилия, требуемого для отклонения мембраны, как подробно обсуждено ниже со ссылкой на Фиг.27. Например, чрезвычайно узкие каналы, имеющие ширину порядка 0,01 мкм, могут найти применение в оптических и других приложениях, как будет подробно обсуждено ниже. В настоящем изобретении также рассмотрены эластомерные структуры, которые включают части, имеющие каналы даже с большей шириной, чем описано выше, и примеры применения таких более широких каналов включают резервуары для текучей среды и смесительные структуры канала.The channels are not limited to these specific size ranges and examples presented above, and may vary in width, affecting the amount of force required to deflect the membrane, as discussed in detail below with reference to FIG. For example, extremely narrow channels having a width of the order of 0.01 μm can find application in optical and other applications, as will be discussed in detail below. The present invention also contemplates elastomeric structures that include parts having channels even wider than described above, and examples of applications of such wider channels include fluid reservoirs and mixing channel structures.

Эластомерный слой 22 можно отлить толстым для обеспечения механической стабильности. Во взятом в качестве примера варианте осуществления слой 22 составляет от 50 микрон до нескольких сантиметров по толщине и более предпочтительно приблизительно 4 мм по толщине. Неисключительный список диапазонов толщины слоя эластомера, согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения, составляет в пределах приблизительно 0,1 микрон - 10 см, 1 микрон - 5 см, 10 микрон - 2 см и 100 микрон - 10 мм.The elastomeric layer 22 can be molded thick to provide mechanical stability. In an exemplary embodiment, layer 22 is from 50 microns to several centimeters in thickness, and more preferably about 4 mm in thickness. A non-exclusive list of elastomer layer thickness ranges according to other embodiments of the present invention is in the range of about 0.1 microns to 10 cm, 1 microns to 5 cm, 10 microns to 2 cm and 100 microns to 10 mm.

Соответственно, мембрана 25 на Фиг.7В, разделяющая каналы 30 и 32, имеет типичную толщину в пределах приблизительно 0,01 и 1000 микрон, более предпочтительно 0,05-500 микрон, более предпочтительно 0,2-250, более предпочтительно 1-100 микрон, более предпочтительно 2 к 50 микрон и наиболее предпочтительно 5-40 микрон. Как таковая, толщина эластомерного слоя 22 приблизительно в 100 раз больше толщины эластомерного слоя 20. Взятые в качестве примера значения толщины мембраны включают 0,01 мкм, 0,02 мкм, 0,03 мкм, 0,05 мкм, 0,1 мкм, 0,2 мкм, 0,3 мкм, 0,5 мкм, 1 мкм, 2 мкм, 3 мкм, 5 мкм, 7,5 мкм, 10 мкм, 12,5 мкм, 15 мкм, 17,5 мкм, 20 мкм, 22,5 мкм, 25 мкм, 30 мкм, 40 мкм, 50 мкм, 75 мкм, 100 мкм, 150 мкм, 200 мкм, 250 мкм, 300 мкм, 400 мкм, 500 мкм, 750 мкм и 1000 мкм.Accordingly, the membrane 25 in FIG. 7B separating the channels 30 and 32 has a typical thickness in the range of about 0.01 and 1000 microns, more preferably 0.05-500 microns, more preferably 0.2-250, more preferably 1-100 microns, more preferably 2 to 50 microns, and most preferably 5-40 microns. As such, the thickness of the elastomeric layer 22 is approximately 100 times greater than the thickness of the elastomeric layer 20. The membrane thicknesses taken as an example include 0.01 μm, 0.02 μm, 0.03 μm, 0.05 μm, 0.1 μm, 0.2 μm, 0.3 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 5 μm, 7.5 μm, 10 μm, 12.5 μm, 15 μm, 17.5 μm, 20 μm , 22.5 microns, 25 microns, 30 microns, 40 microns, 50 microns, 75 microns, 100 microns, 150 microns, 200 microns, 250 microns, 300 microns, 400 microns, 500 microns, 750 microns and 1000 microns.

Аналогично, первый эластомерный слой 42 может иметь предпочтительную толщину приблизительно равную толщине эластомерного слоя 20 или 22, второй эластомерный слой 46 может иметь предпочтительную толщину приблизительно равную толщине эластомерного слоя 20, и третий эластомерный слой 50 может иметь предпочтительную толщину приблизительно равную толщине эластомерного слоя 22.Similarly, the first elastomeric layer 42 may have a preferred thickness approximately equal to the thickness of the elastomeric layer 20 or 22, the second elastomeric layer 46 may have a preferred thickness approximately equal to the thickness of the elastomeric layer 20, and the third elastomeric layer 50 may have a preferred thickness approximately equal to the thickness of the elastomeric layer 22.

Методы и материалы для многослойной эластичной литографической структурыMethods and materials for multilayer elastic lithographic structure

Мягкое литографическое соединениеSoft lithographic compound

Предпочтительно, эластомерные слои 20 и 22 (или эластомерные слои 42, 46 и 50) соединяются вместе химическим способом при использовании химического состава, присущего полимерам, содержащим эластомерные слои с рисунком. Соединение, наиболее предпочтительно, содержит двухкомпонентное соединение с "присоединительной вулканизацией".Preferably, the elastomeric layers 20 and 22 (or the elastomeric layers 42, 46 and 50) are joined together chemically using the chemical composition inherent in polymers containing elastomeric layers with a pattern. The compound most preferably comprises a bicomponent compound with “post vulcanization”.

В предпочтительном аспекте различные слои эластомера соединяют вместе в виде гетерогенного соединения, в котором слои имеют различный химический состав. С другой стороны, можно использовать гомогенное соединение, в котором все слои будут иметь одинаковый химический состав. В третьем аспекте соответствующие эластомерные слои можно дополнительно склеить вместе с помощью клея. В четвертом аспекте эластомерные слои могут быть термореактивными эластомерами, которые соединяются вместе при помощи нагревания.In a preferred aspect, the various layers of the elastomer are joined together as a heterogeneous compound in which the layers have different chemical compositions. Alternatively, a homogeneous compound can be used in which all layers will have the same chemical composition. In a third aspect, the corresponding elastomeric layers can be further bonded together with glue. In a fourth aspect, the elastomeric layers may be thermosetting elastomers that are joined together by heating.

В одном аспекте гомогенного соединения эластомерные слои состоят из одного и того же материала эластомера, причем тот же самый химический объект в одном слое реагирует с тем же самым химическим объектом в другом слое для соединения слоев вместе. В одном варианте осуществления изобретения связь между полимерными цепями подобных слоев эластомера может возникать в результате активации агента с поперечной связью за счет освещения, нагревания или химической реакции с отдельными химическими частицами.In one aspect of the homogeneous bonding, the elastomeric layers are composed of the same elastomer material, wherein the same chemical entity in one layer reacts with the same chemical entity in another layer to bond the layers together. In one embodiment of the invention, the bond between the polymer chains of such elastomer layers may result from the activation of the crosslinked agent by illumination, heating or chemical reaction with individual chemical particles.

С другой стороны, в гетерогенном аспекте эластомерные слои состоят из различных эластомерных материалов, при этом первый химический объект в одном слое реагирует со вторым химическим объектом в другом слое. В одном взятом в качестве примера гетерогенном аспекте процесс соединения, используемый для соединения соответствующих эластомерных слоев вместе может содержать соединение вместе двух слоев кремния RTV 615. Кремний RTV 615 является силиконовой резиной с присоединительной вулканизацией, состоящей из двух частей. Часть А содержит винильные группы и катализатор; часть В содержит группы гидрида кремния (Si-H). Стандартная пропорция для RTV 615 равна 10А:1В. Для присоединения один слой можно сделать с пропорцией 30А:1В (т.е. с избытком винильных групп), а другой с 3А:1В (т.е. с избытком групп Si-H). Каждый слой вулканизируется отдельно. Когда два слоя входят в контакт и нагреваются при повышенной температуре, они соединяются необратимо образуя монолитную эластомерную подложку.On the other hand, in a heterogeneous aspect, the elastomeric layers are composed of various elastomeric materials, wherein the first chemical object in one layer reacts with the second chemical object in another layer. In one exemplary heterogeneous aspect, the bonding process used to bond the corresponding elastomeric layers together may comprise bonding two layers of silicon RTV 615 together. Silicon RTV 615 is a two-part bonded vulcanization silicone rubber. Part A contains vinyl groups and a catalyst; Part B contains silicon hydride groups (Si-H). The standard proportion for the RTV 615 is 10A: 1V. For attachment, one layer can be made with a proportion of 30A: 1B (i.e., with an excess of vinyl groups), and the other with 3A: 1B (i.e., with an excess of Si-H groups). Each layer is vulcanized separately. When two layers come into contact and heat at an elevated temperature, they join irreversibly to form a monolithic elastomeric substrate.

Во взятом в качестве примера аспекте настоящего изобретения, эластомерные структуры формируют с использованием Sylgard 182, 184 или 186, или алифатических уретановых диакрилатов, таких как (но не ограниченных этим) Ebecryl 270 или Irr 245, поставляемой компанией ЮСиБи Кемикл (UCB Chemical).In an exemplary aspect of the present invention, elastomeric structures are formed using Sylgard 182, 184 or 186, or aliphatic urethane diacrylates, such as (but not limited to) Ebecryl 270 or Irr 245, supplied by UCB Chemical.

В одном варианте осуществления изобретения, согласно настоящему изобретению, двухслойные эластомерные структуры были изготовлены из чистого акрилового уретана Urethane Ebe 270. Тонкий нижний слой наносили центрифугированием со скоростью 8000 оборотов в минуту в течение 15 секунд при температуре 170°С. Верхний и нижний слои первоначально вулканизировали при воздействии ультрафиолетовым светом в течение 10 минут в атмосфере азота, используя при этом устройство Модель ELC 500, произведенное корпорацией Электролайт (Electrolite). Собранные слои затем дополнительно вулканизировали в течение 30 минут. Реакция катализировалась с помощью смеси 0,5% по объему Иргакьюрэ (Irgacure) 500, произведенной компанией Сиба-Гейджи Кемикалс (Ciba-Geigy Chemicals). Полученный в результате эластомерный материал имел умеренную эластичность и адгезию к стеклу.In one embodiment of the invention, according to the present invention, the bilayer elastomeric structures were made of pure acrylic urethane Urethane Ebe 270. A thin lower layer was applied by centrifugation at a speed of 8000 rpm for 15 seconds at a temperature of 170 ° C. The upper and lower layers were initially cured by exposure to ultraviolet light for 10 minutes in a nitrogen atmosphere using the Model ELC 500 device manufactured by Electrolite Corporation. The collected layers were then further vulcanized for 30 minutes. The reaction was catalyzed using a mixture of 0.5% by volume of Irgacure 500 produced by Ciba-Geigy Chemicals. The resulting elastomeric material had moderate elasticity and adhesion to glass.

В другом варианте осуществления, согласно настоящему изобретению, двухслойные эластомерные структуры были изготовлены из соединения 25% Ebe 270 / 50% Irr 245 / 25% изопропилового спирта для тонкого нижнего слоя и чистого акрилатного уретана Urethane Ebe 270 для верхнего слоя. Тонкий нижний слой первоначально вулканизировали в течение 5 минут, и верхний слой первоначально вулканизировали в течение 10 минут под воздействием ультрафиолетового света в атмосфере азота, используя при этом устройство Модель ELC 500, произведенное корпорацией Электролайт (Electrolite). Собранные слои затем дополнительно вулканизировали в течение 30 минут. Реакция катализировалась с помощью смеси 0,5% по объему Иргакьюрэ (Irgacure) 500, произведенной компанией Сиба-Гейджи Кемикалс (Ciba-Geigy Chemicals). Полученный в результате эластомерный материал имел умеренную эластичность и адгезию к стеклу.In another embodiment, according to the present invention, the bilayer elastomeric structures were made from a compound of 25% Ebe 270/50% Irr 245/25% isopropyl alcohol for a thin lower layer and pure acrylate urethane Urethane Ebe 270 for the upper layer. The thin lower layer was initially vulcanized for 5 minutes, and the upper layer was initially vulcanized for 10 minutes under the influence of ultraviolet light in a nitrogen atmosphere, using an Electrolite Model ELC 500 device. The collected layers were then further vulcanized for 30 minutes. The reaction was catalyzed using a mixture of 0.5% by volume of Irgacure 500 produced by Ciba-Geigy Chemicals. The resulting elastomeric material had moderate elasticity and adhesion to glass.

Альтернативно, можно использовать и другие способы присоединения, включающие активирование эластомерной поверхности, например, с помощью плазменного воздействия, для того, чтобы эластомерные слои/подложка соединялись при вхождении в контакт. Например, один возможный подход соединения вместе слоев эластомера, которые состоят из одного и того же материала, изложен в работе Даффи и других "Быстрое изготовление опытного образца микроструйных систем в поликристаллическом кремнии (диметилсилоксан)", Аналитическая Химия (1998), 70, 4974-4984 (Duffy et al, "Rapid Prototyping Mkrluidic Systems in Poly (dimethylsiloxane)", Analytical Chemistry (1998), 70, 4974-4984), которая включена в настоящее описание в качестве ссылки. В этой статье показано, что воздействие кислородной плазмы на полидиметилсилоксан (ПДМС) слои приводит к окислению поверхности, причем необратимое присоединение происходит тогда, когда два оксидированных слоя входят в контакт.Alternatively, other attachment methods may be used, including activating the elastomeric surface, for example, by plasma exposure, so that the elastomeric layers / substrate are joined upon contact. For example, one possible approach for joining together elastomer layers that are made of the same material is described in Duffy et al., “Fast Production of a Prototype Microjet Systems in Polycrystalline Silicon (Dimethylsiloxane),” Analytical Chemistry (1998), 70, 4974- 4984 (Duffy et al, Rapid Prototyping Mkrluidic Systems in Poly (dimethylsiloxane), Analytical Chemistry (1998), 70, 4974-4984), which is incorporated herein by reference. This article shows that the action of oxygen plasma on polydimethylsiloxane (PDMS) layers leads to surface oxidation, and irreversible addition occurs when two oxidized layers come into contact.

В другом подходе соединения вместо последовательных слоев эластомера используются адгезионные свойства невулканизированного эластомера. В частности, тонкий слой невулканизированного эластомера, такого как RTV 615, наносится сверху первого вулканизированного эластомерного слоя. Затем второй вулканизированный эластомерный слой размещают сверху невулканизированного эластомерного слоя. Тонкий средний слой невулканизированного эластомера затем вулканизируют для того, чтобы получить монолитную эластомерную структуру. Альтернативно, невулканизированный эластомер можно наносить на нижнюю часть первого вулканизированного слоя эластомера, при этом первый вулканизированный слой эластомера размещают сверху второго вулканизированного слоя эластомера. Вулканизация среднего тонкого слоя эластомера снова приводит к образованию монолитной эластомерной структуры.In another connection approach, instead of successive layers of elastomer, the adhesive properties of the unvulcanized elastomer are used. In particular, a thin layer of an unvulcanized elastomer, such as RTV 615, is applied on top of the first vulcanized elastomeric layer. Then, the second vulcanized elastomeric layer is placed on top of the unvulcanized elastomeric layer. The thin middle layer of the unvulcanized elastomer is then vulcanized in order to obtain a monolithic elastomeric structure. Alternatively, an unvulcanized elastomer may be applied to the bottom of the first vulcanized elastomer layer, with the first vulcanized elastomer layer being placed on top of the second vulcanized elastomer layer. Vulcanization of the middle thin layer of elastomer again leads to the formation of a monolithic elastomeric structure.

Там, где герметизация защитных слоев используется для изготовления структуры эластомера, которая описана выше на Фиг.8-18, соединение последовательных эластомерных слоев можно выполнить путем заливки невулканизированного эластомера на ранее вулканизированный эластомерный слой и после этого на любой защитный материал со сформированным рисунком. Соединение между слоями эластомера происходит благодаря взаимному проникновению и реакции полимерных цепей невулканизированного слоя эластомера с полимерными цепями вулканизированного слоя эластомера. Последующая вулканизация эластомерного слоя приведет к образованию связи между эластомерными слоями и образованию монолитной эластомерной структуры.Where sealing of the protective layers is used to make the elastomer structure described above in Figs. The connection between the elastomer layers occurs due to the mutual penetration and reaction of the polymer chains of the unvulcanized elastomer layer with the polymer chains of the vulcanized elastomer layer. Subsequent vulcanization of the elastomeric layer will lead to the formation of bonds between the elastomeric layers and the formation of a monolithic elastomeric structure.

Как показано в первом способе на Фиг.1-7В, первый эластомерный слой 20 можно создать с помощью центрифугирования смеси RTV на микрообработанной форме 12 при скорости вращения 2000 оборотов в минуту в течение 30 секунд, получая в результате толщину приблизительно 40 микрон. Второй эластомерный слой 22 можно создать с помощью центрифугирования смеси RTV на микрообработанной форме 11. Оба слоя 20 и 22 можно по отдельности отверждать или вулканизировать при температуре приблизительно 80°С в течение 1,5 час. Второй эластомерный слой 22 можно соединять с первым эластомерным слоем 20 при температуре приблизительно 80°С в течение приблизительно 1,5 час.As shown in the first method of FIGS. 1-7B, the first elastomeric layer 20 can be created by centrifuging the RTV mixture on microprocessed mold 12 at a speed of 2000 rpm for 30 seconds, resulting in a thickness of approximately 40 microns. The second elastomeric layer 22 can be created by centrifuging the RTV mixture on microprocessed mold 11. Both layers 20 and 22 can be individually cured or vulcanized at a temperature of approximately 80 ° C for 1.5 hours. The second elastomeric layer 22 can be connected to the first elastomeric layer 20 at a temperature of about 80 ° C for about 1.5 hours.

Микрообработанные формы 10 и 12 могут представлять собой структурированный фоторезист, нанесенный на кремниевые полупроводниковые пластины. Во взятом в качестве примера аспекте, рисунок фоторезиста Шиплей (Shipley) SJR 5740, нанесенного методом центрифигурирования со скоростью вращения 2000 оборотов в минуту, формировали с помощью прозрачной пленки с высоким разрешением в качестве маски и затем проявляли, получая в результате обратный канал высотой приблизительно 10 микрон. При вулканизации при температуре приблизительно 200°С в течение приблизительно 30 мин фоторезист оплавляется и обратные каналы становятся округленными. В предпочтительных аспектах, формы можно обрабатывать с помощью пара триметилхлоросилана (ТМХС) в течение приблизительно минуты перед каждым использованием для того, чтобы предотвратить прилипание силиконовой резины.Microprocessing forms 10 and 12 may be a structured photoresist deposited on silicon semiconductor wafers. In an exemplary aspect, a shipley SJR 5740 photoresist pattern, centrifuged at 2,000 rpm, was formed using a high-resolution transparent film as a mask and then developed, resulting in a return channel of approximately 10 height micron. When vulcanized at a temperature of approximately 200 ° C for approximately 30 minutes, the photoresist melts and the return channels become rounded. In preferred aspects, the molds can be treated with trimethylchlorosilane steam (TMXC) for about a minute before each use in order to prevent silicone rubber from sticking.

При использовании различных методов мягкой литографии для получения многослойных структур и материалов, представленных здесь, были экспериментально получены сети каналов, содержащих до семи отдельных эластомерных слоев, при этом каждый слой имел приблизительно толщину 40 мкм. Предполагается, что можно разработать устройства, содержащие более семи отдельных эластомерных слоев, связанных вместе.Using various methods of soft lithography to obtain the multilayer structures and materials presented here, networks of channels containing up to seven separate elastomeric layers were experimentally obtained, with each layer having an approximate thickness of 40 μm. It is contemplated that devices can be developed containing more than seven separate elastomeric layers bonded together.

Подходящие эластомерные материалыSuitable elastomeric materials

В книге Алкока и других "Современная химия полимеров", 2-ое издание (Allcock et al. Contemporary Polymer Chemistry 2nd Ed.) эластомеры описаны в общем как полимеры, существующие при температуре в пределах своей температуры стеклования и температуры сжижения. Эластомерные материалы проявляют упругие свойства, т.к. полимерные цепи можно легко подвергать крутящему движению, которое позволяет разматывать основные цепи макромолекул в результате прикладывания усилия, причем при отсутствии усилия основные цепи макромолекул сматываются, принимая прежнюю форму. В общем, эластомеры деформируются при прикладывании силы и затем принимают свою первоначальную форму при снятии усилия. Эластичность, которую проявляют эластомерные материалы, можно характеризовать модулем Юнга. Согласно настоящему изобретению используются эластомерные материалы, имеющие модуль Юнга в пределах приблизительно 1 Па-1 ТПа, более предпочтительно в пределах приблизительно 10 Па-100 ГПа, более предпочтительно в пределах приблизительно 20 Па-1 ГПа, более предпочтительно в пределах приблизительно 50 Па-10 МПа и более предпочтительно в пределах приблизительно 100 Па-1 МПа, хотя в зависимости от потребностей конкретного применения можно также использовать эластомерные материалы, имеющие значения модуль Юнга вне этих диапазонов.In Alcock and others, Modern Polymer Chemistry, 2nd Edition (Allcock et al. Contemporary Polymer Chemistry 2 nd Ed.), Elastomers are generally described as polymers that exist at temperatures within their glass transition temperature and liquefaction temperature. Elastomeric materials exhibit elastic properties, as polymer chains can be easily subjected to a torsional movement, which allows unwinding the main chains of macromolecules as a result of applying force, and in the absence of force, the main chains of macromolecules are wound up, taking their previous shape. In general, elastomers deform upon application of force and then assume their original shape upon release of force. The elasticity exhibited by elastomeric materials can be characterized by Young's modulus. According to the present invention, elastomeric materials are used having a Young's modulus in the range of about 1 Pa-1 GPa, more preferably in the range of about 10 Pa-100 GPa, more preferably in the range of about 20 Pa-1 GPa, more preferably in the range of about 50 Pa-10 MPa and more preferably within about 100 Pa-1 MPa, although elastomeric materials having Young's modulus values outside these ranges can also be used depending on the needs of the particular application.

Системы согласно настоящему изобретению могут быть изготовлены из широкого разнообразия эластомеров. Во взятом в качестве примера аспекте эластомерные слои 20, 22, 42, 46 и 50 можно, предпочтительно, изготовить из силиконовой резины. Однако можно также использовать и другие подходящие эластомеры.The systems of the present invention can be made from a wide variety of elastomers. In an exemplary aspect, the elastomeric layers 20, 22, 42, 46 and 50 can preferably be made of silicone rubber. However, other suitable elastomers may also be used.

Во взятом в качестве примера аспекте настоящего изобретения представленные системы изготовлены из эластомерного полимера, такого как кремнийорганический эластомер (семейство) с винилсилановой поперечной связью (тип) GE RTV 615 (состав). Однако представленные системы не ограничены одним этим составом, типом или даже этим семейством полимеров, скорее наоборот, подходящим является практически любой эластомерный полимер. Важным требованием для предпочтительного способа изготовления представленных микроклапанов является способность соединения многочисленных слоев эластомеров вместе. В случае многослойной мягкой литографии слои эластомера вулканизируют отдельно и затем соединяют вместе. Эта схема требует того, чтобы вулканизированные слои обладали достаточной химической активностью для соединения вместе. Любой из слоев может быть одного и того же типа и обладает способностью соединения друг к другу, или они могут быть двумя различными типами и обладает способностью соединения друг к другу. Другие возможности включают использование адгезива между слоями и использование термореактивных эластомеров.In an exemplary aspect of the present invention, the present systems are made of an elastomeric polymer such as an organosilicon elastomer (family) with vinylsilane crosslinking (type) GE RTV 615 (composition). However, the systems presented are not limited to this single composition, type, or even this family of polymers; rather, on the contrary, almost any elastomeric polymer is suitable. An important requirement for a preferred method of manufacturing the present microvalves is the ability to join multiple layers of elastomers together. In the case of multilayer soft lithography, the elastomer layers are vulcanized separately and then joined together. This scheme requires that the vulcanized layers have sufficient reactivity to bond together. Any of the layers can be of the same type and has the ability to connect to each other, or they can be two different types and has the ability to connect to each other. Other options include the use of adhesive between the layers and the use of thermosetting elastomers.

При существующем огромном многообразии химических составов полимеров, предшественников, способов синтезирования, условий реакции и возможных добавок имеется огромное число возможных эластомерных систем, которые могли бы использоваться для изготовления монолитных эластомерных микроклапанов и насосов. Изменения используемых материалов будут вероятно проводиться в зависимости от конкретных свойств материала, т.е. стойкость к действию растворителей, устойчивость структуры, газонепроницаемость и температурная стабильность.Given the enormous variety of chemical compositions of polymers, precursors, synthesis methods, reaction conditions and possible additives, there are a huge number of possible elastomeric systems that could be used for the manufacture of monolithic elastomeric microvalves and pumps. Changes in the materials used will probably be made depending on the specific properties of the material, i.e. solvent resistance, structure stability, gas impermeability and temperature stability.

Существует много типов эластомерных полимеров. Краткое описание наиболее общих классов эластомеров представлено здесь с намерением показать, что даже при использовании относительно "стандартных" полимеров существует много возможных способов присоединения. Вошедшие в широкое применение эластомерные полимеры включают полиизопрен, полибутадиен, полихлоропрен, полиизобутилен, поли(стирол-бутадиен-стирол), полиуретаны и силиконы.There are many types of elastomeric polymers. A brief description of the most common classes of elastomers is presented here with the intention of showing that even when using relatively “standard” polymers, there are many possible attachment methods. Widely used elastomeric polymers include polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, poly (styrene-butadiene-styrene), polyurethanes and silicones.

Полиизопрен, полибутадиен, полихлоропренPolyisoprene, Polybutadiene, Polychloroprene

Полиизопрен, полибутадиен, и полихлоропрен полимеризуются все из диеновых мономеров и, следовательно, имеют одну двойную связь на мономер после полимеризации. Эта двойная связь позволяет преобразовать полимеры в эластомеры с помощью вулканизации (по существу, сера используется для образования поперечных связей между двойными связями при нагревании). Это позволяет легко соединять слои методом гомогенной многослойной мягкой литографии при неполной вулканизации, причем герметизацию фоторезиста можно выполнить с использованием подобного механизма.Polyisoprene, polybutadiene, and polychloroprene all of the diene monomers polymerize and, therefore, have one double bond per monomer after polymerization. This double bond allows polymers to be converted to elastomers by vulcanization (essentially, sulfur is used to form cross bonds between double bonds when heated). This allows you to easily connect the layers by the method of homogeneous multilayer soft lithography with incomplete vulcanization, and the photoresist can be sealed using a similar mechanism.

ПолиизобутиленPolyisobutylene

Чистый полиизобутилен не имеет двойных связей, но имеет поперечную связь, что позволяет использовать его в качестве эластомера посредством добавления малого количества (~1%) изопрена при полимеризации.Pure polyisobutylene does not have double bonds, but has a transverse bond, which allows it to be used as an elastomer by adding a small amount (~ 1%) of isoprene during polymerization.

Изопреновые мономеры дают вертикальные двойные связи на полиизобутиленовой основе, которую можно затем, как описано выше, вулканизировать.Isoprene monomers give vertical double bonds on a polyisobutylene base, which can then be vulcanized, as described above.

Поли(стирол-бутадиен-стирол)Poly (styrene-butadiene-styrene)

Поли(стирол-бутадиен-стирол) получают с помощью "живой" анионной полимеризации (т.е. в ходе реакции отсутствует естественный этап завершения цепи), поэтому концы "живого" полимера могут существовать в вулканизированном полимере. Это делает его естественным кандидатом для представленной системы герметизации фоторезиста (где будет существовать избыток не прореагировавшего мономера в жидком слое, налитого сверху вулканизированного слоя). Неполное отверждение делает возможным гомогенную многослойную мягкую литографию (связь А-А). Химический состав также облегчает создание одного слоя с избытком бутадиена ("А") и связующим агентом и другого слоя ("В") с дефицитом бутадиена (для гетерогенной многослойной мягкой литографии). SBS - это "термореактивный эластомер", который выше некоторой температуры плавится и становится пластичным (а не эластичным), причем при уменьшении температуры он опять становится эластомером. Таким образом, слои можно соединить вместе путем нагревания.Poly (styrene-butadiene-styrene) are produced by living anionic polymerization (ie, during the reaction, there is no natural step to complete the chain), so the ends of the living polymer can exist in the vulcanized polymer. This makes it a natural candidate for the presented photoresist sealing system (where there will be an excess of unreacted monomer in the liquid layer poured on top of the vulcanized layer). Incomplete curing makes possible a homogeneous multilayer soft lithography (bond AA). The chemical composition also facilitates the creation of one layer with an excess of butadiene ("A") and a bonding agent and another layer ("B") with a deficiency of butadiene (for heterogeneous multilayer soft lithography). SBS is a "thermoset elastomer" that melts above a certain temperature and becomes plastic (rather than elastic), and when the temperature decreases, it again becomes an elastomer. Thus, the layers can be joined together by heating.

ПолиуретаныPolyurethanes

Полиуретаны производят из диизоцианатов (А-А) и диалкоголя или диаминов (В-В), т.к. существует большое разнообразие диизоцианатов и диалкоголей/диаминов, число различных типов полиуретана является огромным. Однако свойства А полимеров по сравнению с В полимерами делают их полезными для гетерогенной многослойной мягкой литографии, например, как RTV 615, при использовании с избытком А-А в одном слое и с избытком В-В в другом слое.Polyurethanes are made from diisocyanates (A-A) and dialcohol or diamines (B-B), because There is a wide variety of diisocyanates and dialkols / diamines, the number of different types of polyurethane is huge. However, the properties of A polymers compared to B polymers make them useful for heterogeneous multilayer soft lithography, for example, as RTV 615, when used with excess AA in one layer and with excess BB in another layer.

СиликоныSilicones

Кремнийорганические полимеры вероятно имеют самое большое структурное разнообразие и поэтому имеют самое большое число коммерчески поставляемых составов. Наличие поперечной связи винил-(Si-H), как у RTV 615 (которая делает возможным как гетерогенную многослойную мягкую литографию, так и герметизацию фоторезиста), была уже обсуждена выше, но это только один из нескольких способов создания поперечной связи, используемых в химии кремнийорганических полимеров.Organosilicon polymers probably have the greatest structural diversity and therefore have the largest number of commercially available formulations. The presence of vinyl (Si-H) crosslinking, as in RTV 615 (which makes possible heterogeneous multilayer soft lithography as well as photoresist sealing), has already been discussed above, but this is only one of several ways to create a crosslink used in chemistry organosilicon polymers.

Агенты, обеспечивающие перекрестную связьCross-linking Agents

В дополнение к простым "чистым" полимерам, которые обсуждены выше, можно добавлять агенты, обеспечивающие перекрестную связь. Некоторые агенты (подобно мономерам, несущим вертикальные двойные связи для вулканизации) подходят для обеспечения гомогенной (А-А) многослойной мягкой литографии или герметизации фоторезиста, причем при таком подходе один и тот же агент входит в оба эластомерных слоя. Комплиментарные агенты (т.е. один мономер, несущий вертикальную двойную связь, и другой несущий вертикальную группу Si-H) подходят для гетерогенной (А-В) многослойной мягкой литографии. При этом подходе комплиментарные агенты добавляют в смежные слои.In addition to the simple “pure” polymers discussed above, crosslinking agents can be added. Some agents (like monomers bearing vertical double bonds for vulcanization) are suitable for providing homogeneous (AA) multilayer soft lithography or sealing photoresist, and with this approach, the same agent is included in both elastomeric layers. Complementary agents (i.e., one monomer bearing a vertical double bond and the other bearing a vertical Si-H group) are suitable for heterogeneous (AB) multilayer soft lithography. In this approach, complementary agents are added to adjacent layers.

Другие материалыOther materials

Кроме того, можно также использовать полимеры, включающие в свой состав материалы, такие как хлорсиланы или метил-, этил- и фенилсиланы, и полидиметилсилоксан (ПДМС), такой как Силгард (Sylgard) 182, 184 или 186 корпорации Доу Кемикл (Dow Chemical Corp.), или алифатические уретановые диакрилаты, такие как (но не ограниченные этим) Эбикрил (Ebecryl) 270 или Irr 245, поставляемые компанией ЮЭсБи Кемикл (UCB Chemical).In addition, you can also use polymers that include materials such as chlorosilanes or methyl, ethyl and phenylsilanes, and polydimethylsiloxane (PDMS), such as Sylgard (Sylgard) 182, 184 or 186 of Dow Chemical Corp. .), or aliphatic urethane diacrylates, such as (but not limited to) Ebecryl 270 or Irr 245, supplied by UCB Chemical.

Ниже приводится неисключительный список эластомерных материалов, который можно использовать совместно с настоящим изобретением: полиизопрен, полибутадиен, полихлоропрен, полиизобутилен, поли(стирол-бутадиен-стирол), полиуретаны и кремнийорганические полимеры; или поли(би (фтороалкоксовый) фосфазен) (PNF, Eypel-F), поли(карборан-силоксаны) (Дексил (Dexsil)), поли(акрилонитрил-бутадиен) (нитриловая резина), поли(1-бутен), сополимеры (Kel-F) поли(хлортрифторэтилен-винилиденфторида), поли(этил-виниловый эфир), поли(винилиденфторид), сополимер (Viton) поли(винилиденфторидгексафтор-пропилена), эластомерные композиции из поливинилхлорида (ПВХ), полисульфона, поликарбоната, полиметилметакрилата (ПММК) и политетрафторэтилена (ПТФЭ).The following is a non-exclusive list of elastomeric materials that can be used in conjunction with the present invention: polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, poly (styrene-butadiene-styrene), polyurethanes and organosilicon polymers; or poly (bi (fluoroalkox) phosphazene) (PNF, Eypel-F), poly (carboran-siloxanes) (Dexsil), poly (acrylonitrile-butadiene) (nitrile rubber), poly (1-butene), copolymers ( Kel-F) poly (chlorotrifluoroethylene vinylidene fluoride), poly (ethyl vinyl ether), poly (vinylidene fluoride), copolymer (Viton) poly (vinylidene fluoride hexafluoro-propylene), elastomeric compositions of polyvinyl chloride (PVC), polysulfone, polycarbonate, polymethyl ) and polytetrafluoroethylene (PTFE).

Введение добавок и разбавлениеSupplementation and Dilution

Эластомеры можно также "легировать" (вводить добавки) с помощью полимерных цепей без поперечной связи того же самого класса. Например RTV 615 можно разбавить кремнийорганической текучей средой GE SF96-50. Она служит для уменьшения вязкости невулканизированного эластомера и уменьшает модуль Юнга вулканизированного эластомера. По существу, полимерные цепи, допускающие поперечную связь, простираются далеко друг от друга при добавлении "инертных" полимерных цепей, и поэтому этот процесс называется "разбавлением". RTV 615 затвердевает при разбавлении до 90% со значительным уменьшением модуля Юнга.Elastomers can also be "doped" (to introduce additives) using polymer chains without crosslinking of the same class. For example, RTV 615 can be diluted with GE SF96-50 organosilicon fluid. It serves to reduce the viscosity of the unvulcanized elastomer and reduces the Young's modulus of the vulcanized elastomer. Essentially, cross-linkable polymer chains extend far apart when “inert” polymer chains are added, and therefore this process is called “dilution”. RTV 615 hardens upon dilution to 90% with a significant reduction in Young's modulus.

На Фиг.49 представлен график зависимости модуля Юнга от разбавления в процентном отношении с помощью разбавителя GE SF96-50 эластомера GE RTV 615, имеющего отношение 30:1 А:В. На Фиг.49 изображено, что гибкостью материала эластомера и, следовательно, быстротой срабатывания мембраны клапана на прикладываемое усилие возбуждения можно управлять в процессе изготовления устройства.On Fig presents a graph of the dependence of Young's modulus on dilution in percentage terms using a diluent GE SF96-50 elastomer GE RTV 615, having a ratio of 30: 1 A: B. On Fig shows that the flexibility of the material of the elastomer and, therefore, the speed of response of the valve membrane to the applied excitation force can be controlled during the manufacturing process of the device.

Другие примеры легирования материала эластомера могут включать введение электропроводных или магнитных частиц, как подробно описано ниже совместно с альтернативными способами активизирования мембраны устройства. Легирование тонкодисперсными включениями материала, имеющего другой показатель преломления, чем у эластомерного материала (т.е. кварц, алмаз, сапфир), также может рассматриваться как средство для изменения показателя преломления материала. Сильно поглощающие или непрозрачные частицы можно добавить для того, чтобы сделать эластомер цветным или непрозрачным для падающего излучения. Возможно, это будет полезно в оптически адресуемой системе.Other examples of alloying an elastomer material may include the introduction of electrically conductive or magnetic particles, as described in detail below in conjunction with alternative methods of activating the membrane of the device. Doping with finely divided inclusions of a material having a different refractive index than that of an elastomeric material (i.e., quartz, diamond, sapphire) can also be considered as a means for changing the refractive index of the material. Strongly absorbing or opaque particles can be added in order to make the elastomer colored or opaque to the incident radiation. Perhaps this will be useful in an optically addressable system.

И наконец, при легировании эластомера специфическими химическими изотопами, эти легирующие химические частицы могут присутствовать на поверхности эластомера, таким образом выполняя роль затравки или начальных точек для дальнейшей химической деривизации ("ответвления").And finally, when alloying an elastomer with specific chemical isotopes, these alloying chemical particles can be present on the surface of the elastomer, thus acting as a seed or starting points for further chemical derivation (“branches”).

Предварительная обработка и нанесение покрытия на поверхностьSurface pretreatment and coating

После того, как эластомерный материал был сформован или протравлен до соответствующей формы, следует обязательно предварительно обработать материал для того, чтобы облегчить работу в конкретном приложении.After the elastomeric material has been molded or pickled to the appropriate shape, it is imperative to pre-process the material in order to facilitate operation in a particular application.

Например, одним возможным приложением для эластомерного устройства, согласно настоящему изобретению, является сортировка биологических объектов, таких как клетки или ДНК. В таком приложении гидрофобный характер биологического объекта может вызвать его прилипание к гидрофобному эластомеру стенок канала. Поэтому следует проводить предварительную обработку эластомерной структуры для придания стенкам канала гидрофильного характера. В варианте осуществления настоящего изобретения, использующем эластомер RTV 615 Дженерал Электрик (General Electric), эту операцию можно выполнить путем кипячения сформированного эластомера в кислоте (например, в 0,01% растворе HCl в воде при рН=2,7 и температуре 60°С в течение 40 мин).For example, one possible application for an elastomeric device according to the present invention is the sorting of biological objects such as cells or DNA. In such an application, the hydrophobic nature of the biological object may cause it to adhere to the hydrophobic elastomer of the channel walls. Therefore, pre-treatment of the elastomeric structure should be carried out to give the channel walls a hydrophilic character. In an embodiment of the present invention using a General Electric RTV 615 elastomer, this operation can be performed by boiling the formed elastomer in acid (for example, in a 0.01% HCl solution in water at pH = 2.7 and a temperature of 60 ° C. within 40 minutes).

Другие типы предварительной обработки эластомерного материала также рассмотрены в настоящем изобретении. Например, некоторые части эластомера можно предварительно обработать для создания затравок для поверхностных химических реакций (например, при формировании пептидных цепей), или мест связывания для антител, что выгодно в данном приложении. Другие примеры предварительной обработки эластомерного материала могут включать введение отражающего материала на поверхности эластомера, как подробно описано ниже для приложения, связанного с микрозеркальной решеткой.Other types of pretreatment of the elastomeric material are also contemplated by the present invention. For example, some parts of the elastomer can be pretreated to seed for surface chemical reactions (for example, in the formation of peptide chains), or binding sites for antibodies, which is advantageous in this application. Other examples of pretreatment of the elastomeric material may include introducing reflective material on the surface of the elastomer, as described in detail below for an application associated with a micromirror lattice.

Способы работы настоящего изобретенияThe working methods of the present invention

На Фиг.7В и 7Н показано закрытие первого канала путем повышения давления во втором канале, при этом на Фиг.7В (фронтальный разрез через канал 32, соответствующий Фиг.7А) показан открытый первый канал 30, а на Фиг.7Н показан первый канал 30, закрытый путем повышения давления во втором канале 32.On figv and 7H shows the closure of the first channel by increasing the pressure in the second channel, while on figv (frontal section through the channel 32 corresponding to Figa) shows the open first channel 30, and Fig.7H shows the first channel 30 closed by increasing the pressure in the second channel 32.

На Фиг.7В изображены первый канал 30 и второй канал 32. Мембрана 25 разделяет каналы, образуя при этом верхнюю часть первого канала 30 и нижнюю часть второго канала 32. Видно, что канал 30 остается "открытым".7B shows the first channel 30 and the second channel 32. The membrane 25 separates the channels, forming the upper part of the first channel 30 and the lower part of the second channel 32. It is seen that channel 30 remains "open".

Как показано на Фиг.7Н, повышение давления в канале 32 (за счет введения в него газа или текучей среды) заставляет мембрану 25 отклоняться вниз, таким образом пережимая поток F, проходящий через канал 30. Соответственно, при изменении давления в канале 32, клапанная система, регулируемая по линейному закону, выполнена так, что канал 30 при необходимости можно открыть или закрыть путем перемещения мембраны 25. (Канал 30 на Фиг.7С показан в "частично закрытом" положении, а не в "полностью закрытом" положении только в целях иллюстрации).As shown in FIG. 7H, an increase in pressure in the channel 32 (due to the introduction of gas or fluid into it) causes the membrane 25 to deflect downward, thereby pinching the flow F passing through the channel 30. Accordingly, when the pressure in the channel 32 changes, the valve the linearly adjustable system is such that the channel 30 can be opened or closed, if necessary, by moving the membrane 25. (The channel 30 in Fig. 7C is shown in the "partially closed" position, and not in the "fully closed" position only for illustrations).

Следует понимать, что точно такие же способы открытия и закрытия клапана можно использовать к каналам 60 и 62. Так как такие клапаны приводятся в действие путем перемещения "крыши" самих каналов (т.е. перемещения мембраны 25), клапаны и насосы, изготовленные этим методом, имеют по существу нулевой неиспользуемый объем, и переключательные клапаны, изготовленные этим методом имеют неиспользуемый объем, приблизительно равный активному объему клапана, например приблизительно 100×100×10 мкм=100·10-12 л (100 pL). Такие неиспользуемые объемы и зоны, которые расходуются на перемещение мембраны, приблизительно на два порядка меньше по величине, чем у известных стандартных микроклапанов. Маленькие и большие клапаны и переключательные клапаны рассмотрены в настоящем изобретении, и неисключительный список диапазонов неиспользуемого объема включает 1·10-8-1·10-6 л (1 aL - 1 uL), 100·10-8-100·10-9 л (100 aL - 100 nL), 1·10-15-10·10-9 л (1 fL - 10 nL), 100·10-15-1·10-9 л (100 fL - 1 nL) и 1·1012-100·10-12 л (1 pL - 100 pL).It should be understood that exactly the same methods of opening and closing the valve can be used for channels 60 and 62. Since such valves are actuated by moving the "roof" of the channels themselves (ie moving the membrane 25), valves and pumps made by this by the method have substantially zero unused volume, and the switching valves made by this method have an unused volume approximately equal to the active volume of the valve, for example approximately 100 × 100 × 10 μm = 100 · 10 -12 L (100 pL). Such unused volumes and zones, which are spent on moving the membrane, are approximately two orders of magnitude smaller than conventional standard microvalves. Small and large valves and switch valves are contemplated by the present invention, and a non-exclusive list of ranges of unused volume includes 1 · 10 -8 -1 · 10 -6 L (1 aL - 1 uL), 100 · 10 -8 -100 · 10 -9 L (100 aL - 100 nL), 1 · 10 -15 -10 · 10 -9 L (1 fL - 10 nL), 100 · 10 -15 -1 · 10 -9 L (100 fL - 1 nL) and 1 10 12 -100 10 -12 l (1 pL - 100 pL).

Согласно настоящему изобретению насосы и клапаны, позволяющие подавать крайне маленькие объемы, имеют существенное преимущество. В частности, самые маленькие известные объемы текучей среды, которые можно измерять вручную, составляют приблизительно 0,1·10-6 л. Самые маленькие известные объемы, которые можно измерить с помощью автоматических систем, приблизительно в десять раз больше (1·10-6 л). При использовании насосов и клапанов согласно настоящему изобретению текучие среды объемом 10·10-9 л или меньше можно просто измерить и дозировать. Точное измерение крайне маленьких объемов текучей среды делает настоящее изобретение чрезвычайно ценным для большого числа биологических применений, включая диагностические тесты и количественный анализ.According to the present invention, pumps and valves capable of delivering extremely small volumes have a significant advantage. In particular, the smallest known volumes of fluid that can be measured manually are approximately 0.1 · 10 -6 L. The smallest known volumes that can be measured using automatic systems are approximately ten times larger (1 · 10 -6 L). When using the pumps and valves of the present invention, fluids of 10 · 10 -9 L or less can simply be measured and dosed. Accurate measurement of extremely small volumes of fluid makes the present invention extremely valuable for a large number of biological applications, including diagnostic tests and quantitative analysis.

Уравнение 1 представляет сильно упрощенную математическую модель отклонения прямоугольной, линейной, упругой, изотропной пластины однородной по толщине под действием подаваемого давления:Equation 1 represents a highly simplified mathematical model of the deviation of a rectangular, linear, elastic, isotropic plate uniform in thickness under the action of the applied pressure:

(1) w=(BPb4/(Eh3), где:(1) w = (BPb 4 / (Eh 3 ), where:

w = отклонение пластины,w = plate deflection

В = коэффициент формы (который зависит от длины и ширины и опоры ребер пластины),B = shape factor (which depends on the length and width and support of the ribs of the plate),

Р = подаваемое давление,P = applied pressure

b = ширина пластины,b = plate width

Е = модуль Юнга, иE = Young's modulus, and

h = толщина пластины.h = plate thickness.

Таким образом, даже в этом сильно упрощенном выражении отклонение эластомерной мембраны в ответ на подаваемое давление будет зависеть от длины, ширины и толщины мембраны, гибкости мембраны (модуля Юнга) и прикладываемого усилия срабатывания. Так как согласно настоящему изобретению каждый из этих параметров будет в большой степени зависеть от фактических размеров и физического состава конкретного эластомерного устройства, в настоящем изобретении рассматривается широкий диапазон значений толщины и упругости, ширины канала и усилия срабатывания мембраны.Thus, even in this greatly simplified expression, the deviation of the elastomeric membrane in response to the applied pressure will depend on the length, width and thickness of the membrane, the flexibility of the membrane (Young's modulus) and the applied actuation force. Since, according to the present invention, each of these parameters will largely depend on the actual size and physical composition of a particular elastomeric device, the present invention addresses a wide range of thicknesses and elasticities, channel widths and membrane actuation forces.

Следует понимать, что представленная выше формула является только аппроксимацией, т.к. в общем случае мембрана не имеет одинаковой толщины, толщина мембраны не является обязательно маленькой по сравнению с длиной и шириной, и отклонение не является обязательно маленьким по сравнению с длиной, шириной или толщиной мембраны. Тем не менее уравнение выполняет полезную роль для настройки переменных параметров и достижения желательного эффекта отклонения в зависимости от прикладываемого усилия.It should be understood that the above formula is only an approximation, because in the General case, the membrane does not have the same thickness, the thickness of the membrane is not necessarily small compared to the length and width, and the deviation is not necessarily small compared to the length, width or thickness of the membrane. Nevertheless, the equation plays a useful role in adjusting the variable parameters and achieving the desired deflection effect depending on the applied force.

Фиг.21а и 21b иллюстрируют открытие клапана в зависимости от подаваемого давления для первого канала 30 шириной 100 мкм и второго канала 32 шириной 50 мкм. Мембрана этого устройства, сформированная с помощью слоя Силиконов Дженерал Электрик (General Electric Silicons) RTV 615, имеет толщину приблизительно 30 мкм и модуль Юнга приблизительно 750 кПа. На Фиг.21а и 21b показана степень открытия клапана, по существу линейного во всем диапазоне подаваемых давлений. Однако настоящее изобретение не требует такого линейного поведения срабатывания.Figa and 21b illustrate the opening of the valve depending on the applied pressure for the first channel 30 with a width of 100 μm and the second channel 32 with a width of 50 μm. The membrane of this device, formed using a layer of General Electric Silicons RTV 615, has a thickness of approximately 30 μm and a Young's modulus of approximately 750 kPa. Figures 21a and 21b show the degree of opening of a valve that is substantially linear over the entire applied pressure range. However, the present invention does not require such a linear response behavior.

Давление воздуха подавалось для срабатывания мембраны устройства через участок пластмассовой трубки длиной 10 см, имеющей внешний диаметр 0,064 см (0,025") и подсоединенный к участку гиподермической трубки из нержавеющей стали длиной 25 мм с внешним диаметром 0,064 см (0,025") и внутренним диаметром 0,033 см (0,013"). Эта трубка размещалась в контакте с каналом управления путем вставки в эластомерный блок в направлении, перпендикулярном к каналу управления. Давление воздуха подавалось в гиподермическую трубку из внешнего миниатюрного электромагнитного клапана LHDA, произведенного корпорацией Ли (Lee Co.).Air pressure was supplied to actuate the membrane of the device through a section of a plastic tube 10 cm long having an external diameter of 0.064 cm (0.025 ") and connected to a section of a stainless steel hypodermic tube 25 mm long with an external diameter of 0.064 cm (0.025") and an internal diameter of 0.033 cm (0.013 "). This tube was placed in contact with the control channel by inserting it into the elastomeric block in a direction perpendicular to the control channel. Air pressure was supplied to the hypodermic tube from an external miniature electromagnetic cl LHDA Apana manufactured by Lee Co.

Подсоединение известных микроструйных устройств к внешнему газообразному потоку имеет ряд недостатков, которые можно устранить с помощью только что описанной внешней конфигурации. Одним из таких недостатков является хрупкость этих соединений с внешними устройствами. В частности, известные микроструйные устройства состоят из твердых, негибких материалов (таких как кремний), к которым необходимо подсоединить трубопровод или трубки, которые обеспечивают соединение с внешними элементами. Жесткость известного материала приводит к возникновению значительного механического напряжения в точках контакта с маленьким и хрупкими внешними трубками, что делает известные микроструйные устройства склонными к разрыву и утечке в этих точках контакта.The connection of known micro-jet devices to an external gaseous stream has a number of disadvantages that can be eliminated with the external configuration just described. One of these drawbacks is the fragility of these connections to external devices. In particular, well-known micro-inkjet devices consist of solid, inflexible materials (such as silicon), to which a pipe or tubes must be connected that provide connection to external elements. The rigidity of the known material leads to significant mechanical stress at the points of contact with small and brittle outer tubes, which makes known micro-inkjet devices prone to rupture and leak at these points of contact.

Напротив, эластомер согласно настоящему изобретению является гибким и легко подводимым при внешнем соединении с наружной трубой, изготовленной из твердого материала. Например, в эластомерной структуре, изготовленной с использованием способа, показанного на Фиг.1-7В, отверстие, простирающееся с внешней поверхности структуры в канал управления, можно выполнить с помощью проникновения эластомера с металлической гиподермической трубкой после удаления верхней части эластомера из формы (как показано на Фиг.3) и перед присоединением этой части к нижней части эластомера (как показано на Фиг.4). Между этими этапами покрытие ("крыша") канала управления находится в поле зрения пользователя и доступна для вставки и правильного позиционирования отверстия. После завершения изготовления устройства, металлическая гиподермическая трубка вставляется в отверстие для завершения жидкостного соединения.In contrast, the elastomer according to the present invention is flexible and easy to fit when externally connected to an outer pipe made of a solid material. For example, in an elastomeric structure made using the method shown in FIGS. 1-7B, a hole extending from the outer surface of the structure into the control channel can be made by penetrating the elastomer with a metal hypodermic tube after removing the upper part of the elastomer from the mold (as shown figure 3) and before attaching this part to the bottom of the elastomer (as shown in figure 4). Between these steps, the coating (“roof”) of the control channel is in the user's field of view and is accessible for insertion and proper positioning of the hole. After the manufacture of the device is completed, a metal hypodermic tube is inserted into the hole to complete the fluid connection.

Кроме того, эластомер настоящего изобретения будет изгибаться при возникновении механических напряжений в точке контакта при внешнем подсоединении, что делает внешнее механическое соединение более устойчивым. Эта гибкость существенно уменьшает вероятность протекания или разрыва настоящего устройства.In addition, the elastomer of the present invention will bend when mechanical stresses occur at the contact point with external connection, which makes the external mechanical connection more stable. This flexibility significantly reduces the likelihood of leakage or rupture of the present device.

Другой недостаток известных микроструйных устройств связан с трудностью установления эффективной герметизации между устройством и внешними соединениями. Из-за чрезвычайно узкого диаметра каналов у этих устройств, даже при умеренных скоростях газообразного потока, могут потребоваться чрезвычайно высокие значения давления. Это может привести к нежелательной утечке в месте присоединения устройства к внешним соединительным элементам. Однако гибкость эластомера настоящего устройства также помогает избежать утечки при повышении давления. В частности, гибкий эластомерный материал изгибается, плотно прилегает к вставленной трубке и образует уплотнение, устойчивое к высокому давлению.Another disadvantage of the known microjet devices is associated with the difficulty of establishing effective sealing between the device and external connections. Due to the extremely narrow channel diameters of these devices, even at moderate gaseous flow rates, extremely high pressure values may be required. This can lead to unwanted leakage at the point of attachment of the device to external connecting elements. However, the flexibility of the elastomer of the present device also helps to avoid leakage with increasing pressure. In particular, the flexible elastomeric material bends, fits snugly against the inserted tube and forms a seal that is resistant to high pressure.

Хотя управление потоком материала через устройство было описано выше с использованием давления подаваемого газа, можно использовать и другие жидкие или газообразные среды. Например, воздух сжимается и, таким образом, испытывает некоторое конечное запаздывание между временем подачи давления с помощью внешнего электромагнитного клапана и временем, в течение которого мембрана испытывает это давление. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения давление можно подавать из внешнего источника с несжимаемой текучей средой, такой как вода или масло для гидравлических систем, что приводит в результате к практически мгновенной передаче подаваемого давления к мембране. Однако если вытесненный объем клапана является большим, или канал управления является узким, повышенная вязкость управляющей текучей среды может вносить вклад в задержку при срабатывании. Поэтому оптимальная среда для передачи давления будет зависеть от конкретного приложения и конфигурации устройства, и для применения в настоящем изобретении могут рассматриваться как газообразные, так и жидкие среды.Although controlling the flow of material through the device has been described above using the pressure of the feed gas, other liquid or gaseous media can be used. For example, the air is compressed and thus experiences some finite delay between the time the pressure was applied by means of an external electromagnetic valve and the time during which the membrane experiences this pressure. In an alternative embodiment of the present invention, pressure can be supplied from an external source with an incompressible fluid, such as water or hydraulic oil, resulting in an almost instantaneous transfer of the applied pressure to the membrane. However, if the displaced volume of the valve is large, or the control channel is narrow, the increased viscosity of the control fluid may contribute to the response delay. Therefore, the optimal pressure transmission medium will depend on the particular application and device configuration, and both gaseous and liquid media can be considered for use in the present invention.

Хотя внешнее подаваемое давление, как описано выше, подавалось с помощью системы насос/баллон через регулятор давления и внешний миниатюрный клапан, другие способы подачи внешнего давления также рассмотрены в настоящем изобретении, включая баллоны с газом, компрессоры, поршневые системы и столб жидкости. Кроме того, рассмотрено использование природных источников давления, которые можно, например, найти внутри живых организмов, таких как давление крови, желудочное давление, давление, присутствующее в цереброспинальной жидкости, давление, присутствующее во внутриглазном пространстве, и давление, вызываемое мускулами во время обычного сгибания. Кроме того, рассмотрены и другие способы регулирования внешнего давления, такие как миниатюрные клапаны, насосы, макроскопические перистальтические насосы, пережимные клапаны и другие типы оборудования для регулировки потока газообразных и жидких сред, известных в технике.Although the external supply pressure, as described above, was supplied via a pump / cylinder system through a pressure regulator and an external miniature valve, other methods of supplying external pressure are also described in the present invention, including gas cylinders, compressors, piston systems and a liquid column. In addition, the use of natural pressure sources that can, for example, be found inside living organisms, such as blood pressure, gastric pressure, pressure present in the cerebrospinal fluid, pressure present in the intraocular space, and pressure caused by muscles during normal flexion, is considered . In addition, other methods of controlling external pressure are considered, such as miniature valves, pumps, macroscopic peristaltic pumps, pinch valves and other types of equipment for regulating the flow of gaseous and liquid media known in the art.

Как видно, характеристики клапанов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, полученные экспериментально, остаются практически линейными во всей большой части диапазона рабочего хода с минимальным гистерезисом. Соответственно, представленные клапаны идеально подходят для микроструйных измерений и управления жидкой или газообразной средой. Линейность характеристики клапана показывает, что отдельные клапаны хорошо моделируются пружинами, работающими по закону Гука. Кроме того, высоким значениям давления в канале (т.е. обратное давление) можно противостоять просто путем увеличения давления срабатывания. Экспериментальным путем было достигнуто закрытие клапана при обратных значениях давления 70 кПа, но также рассмотрены и более высокие значения давления. Ниже приводится неисключительный список диапазонов значений давления, обобщенный с помощью настоящего изобретения: 10 Па-25 МПа; 100 Па-10 МПа, 1 кПа-1 МПа, 1 кПа-300 кПа, 5 кПа-200 кПа и 15 кПа-100 кПа.As you can see, the characteristics of the valves, according to the variants of implementation of the present invention, obtained experimentally, remain almost linear in the whole large part of the range of the stroke with minimal hysteresis. Accordingly, the presented valves are ideally suited for micro-jet measurements and control of a liquid or gaseous medium. The linearity of the valve characteristic shows that individual valves are well modeled by springs operating according to Hooke's law. In addition, high channel pressures (i.e. back pressure) can be resisted simply by increasing the set pressure. Experimentally, valve closure was achieved at inverse pressure values of 70 kPa, but higher pressure values were also considered. The following is a non-exclusive list of pressure ranges summarized by the present invention: 10 Pa-25 MPa; 100 Pa-10 MPa, 1 kPa-1 MPa, 1 kPa-300 kPa, 5 kPa-200 kPa and 15 kPa-100 kPa.

Хотя для открытия и закрытия не требуется линейная характеристика срабатывания клапанов и насосов, линейная характеристика позволяет легко использовать клапаны в качестве измерительных устройств. В одном варианте осуществления изобретения открытие клапана используется для управления скоростью потока посредством частичного срабатывания до известной степени закрытия. Линейное срабатывание клапана делает более простым определение величины усилия срабатывания, необходимого для закрытия клапана до желательной степени закрытия. Другое преимущество линейного срабатывания заключается в том, что усилие, требуемое для срабатывания клапана, можно легко определить по давлению в канале. Если срабатывание является линейным, то повышенное давление в канале может оказывать противодействие за счет добавления того же самого давления (усилие на единицу площади) к подвижной части клапана.Although a linear response characteristic for valves and pumps is not required for opening and closing, a linear response makes it easy to use valves as measuring devices. In one embodiment of the invention, valve opening is used to control the flow rate by partially actuating to a known degree of closure. Linear valve actuation makes it easier to determine the amount of actuation force required to close the valve to the desired degree of closure. Another advantage of linear actuation is that the force required to actuate the valve can be easily determined by the pressure in the channel. If the actuation is linear, then increased pressure in the channel can counteract by adding the same pressure (force per unit area) to the moving part of the valve.

Линейность клапана зависит от структуры, состава и способа срабатывания клапанной структуры. Кроме того, является или нет линейность желательной характеристикой для клапана, зависит от области использования. Поэтому в настоящем изобретении рассматриваются клапаны с линейной и нелинейной характеристиками срабатывания, и диапазоны значений давления, сверх которых клапан будет иметь линейную характеристику срабатывания, будут изменятся в зависимости от специфического варианта осуществления.The linearity of the valve depends on the structure, composition and method of operation of the valve structure. In addition, whether or not linearity is a desirable characteristic for a valve depends on the area of use. Therefore, the present invention contemplates valves with linear and non-linear response characteristics, and the pressure ranges over which the valve will have a linear response characteristic will vary depending on the particular embodiment.

На Фиг.22 изображена временная характеристика (т.е. закрытие клапана в зависимости от времени в ответ на изменение подаваемого давления) микроклапана RTV размером 100 мкм × 100 мкм × 10 мкм и длиной пневмопровода 10 см, подсоединенного от кристалла к пневматическому клапану, как описано выше.FIG. 22 shows a time response (i.e., closing a valve versus time in response to a change in supply pressure) of an RTV microvalve of size 100 μm × 100 μm × 10 μm and a length of pneumatic conduit of 10 cm connected from the crystal to the pneumatic valve, as described above.

Два периода цифрового сигнала управления, фактическое давление воздуха в конце трубки и открытие клапана показаны на Фиг.22. Давление, подаваемое на линию управления, составляет 100 кПа, которое существенно выше значения давления ~40 кПа, которое необходимо для закрытия клапана. Таким образом, во время закрытия на клапан действует давление 60 кПа, которое превышает требуемый уровень. Однако при открытии клапан переводится обратно в свое прежнее положение только за счет своего собственного пружинящего действия (≤40 кПа). Таким образом, предполагается, что τзакрытия будет меньше τоткрытия. Имеется также запаздывание между сигналом управления и откликом на управляющее давление из-за ограничений миниатюрного клапана, используемого для управления давлением. Такие запаздывания обозначены временем t и постоянной времени τ по уровню 1/е, которые принимают значения: τоткрытия=3,63 мс, τоткрытия=1,88 мс, τзакрытия=2,15 мс, τзакрытия=0,51 мс. Если каждые 3τ происходит открытие и закрытие, клапан, заполненный водным раствором, нормально работает с частотой 75 Гц.Two periods of the digital control signal, the actual air pressure at the end of the tube and the opening of the valve are shown in FIG. The pressure supplied to the control line is 100 kPa, which is significantly higher than the pressure value of ~ 40 kPa, which is necessary to close the valve. Thus, during closing, a pressure of 60 kPa is applied to the valve, which exceeds the required level. However, when opened, the valve is returned to its previous position only due to its own spring action (≤40 kPa). Thus, it is assumed that the closing τ will be less than the opening τ. There is also a delay between the control signal and the response to the control pressure due to the limitations of the miniature valve used to control the pressure. Such delays are indicated by time t and time constant τ in terms of 1 / e, which take the values: opening τ = 3.63 ms, opening τ = 1.88 ms, closing τ = 2.15 ms, closing τ = 0.51 ms . If opening and closing occurs every 3τ, a valve filled with an aqueous solution normally operates at a frequency of 75 Hz.

Если бы использовался другой способ срабатывания, у которого бы отсутствовало запаздывание при открытии и закрытии, то этот клапан работал бы с частотой ~375 Гц. Следует также отметить, что жесткость пружины можно регулировать путем изменения толщины мембраны, что позволяет оптимизировать быстрое открытие или быстрое закрытие. Жесткость пружины можно также регулировать путем изменения упругости (модуля Юнга) мембраны, например, при введении примеси в мембрану или использовании другого эластомерного материала, который может служить в качестве мембраны (как описано выше со ссылкой на Фиг.7С-7Н.)If another actuation method was used, which would not have delayed opening and closing, then this valve would operate with a frequency of ~ 375 Hz. It should also be noted that the stiffness of the spring can be adjusted by changing the thickness of the membrane, which allows optimizing quick opening or quick closing. The stiffness of the spring can also be adjusted by changing the elasticity (Young's modulus) of the membrane, for example, by introducing impurities into the membrane or using another elastomeric material that can serve as a membrane (as described above with reference to Figs. 7C-7H.)

На Фиг.21 и 22 изображены результаты экспериментальных исследований свойств клапана, в ходе которых открытие клапана измерялось при помощи флюоресценции. В этих экспериментах канал заполняли раствором флуоресцентного изотиоцианата (ФИТЦ) в буферном растворе (рН≥8), и флюоресценцию на площади квадрата, занимающего по центру ~1/3 канала, контролировали на эпифлуоресцентном микроскопе с фотоумножительной трубкой, имеющей ширину полосы 10 к Гц. Давление контролировали с помощью датчика давления на основе моста Уитстона (SenSym SCC15GD2), который находился одновременно под давлением с помощью линии управления через практически идентичные пневматические соединения.On Fig and 22 shows the results of experimental studies of the properties of the valve, during which the opening of the valve was measured using fluorescence. In these experiments, the channel was filled with a solution of fluorescent isothiocyanate (FITC) in a buffer solution (pH≥8), and fluorescence in the square area, which occupies ~ 1/3 of the channel in the center, was monitored on an epifluorescence microscope with a photomultiplier tube having a bandwidth of 10 kHz. The pressure was controlled using a pressure sensor based on the Wheatstone bridge (SenSym SCC15GD2), which was simultaneously under pressure using a control line through almost identical pneumatic connections.

Поперечное сечение каналовChannel cross section

Каналы, согласно настоящему изобретению, можно необязательно выполнить с различными размерами и формами поперечного сечения, обеспечивая различные преимущества в зависимости от их конкретного применения. Например, форма поперечного сечения нижнего канала может иметь изогнутую верхнюю поверхность по всей длине или в области, расположенной под верхним перекрестным каналом. Такая изогнутая верхняя поверхность облегчает (как показано ниже) герметизацию клапана.The channels of the present invention can optionally be made with different sizes and cross-sectional shapes, providing various advantages depending on their particular application. For example, the cross-sectional shape of the lower channel may have a curved upper surface along its entire length or in a region located under the upper cross channel. Such a curved upper surface facilitates (as shown below) the sealing of the valve.

На Фиг.19 изображен вид в поперечном сечении (как и на Фиг.7В) сквозных каналов 30 и 32. Видно, что канал 30 имеет прямоугольную форму в поперечном сечении. В альтернативном предпочтительном аспекте изобретения (Фиг.20) поперечное сечение канала 30 имеет верхнюю изогнутую поверхность.Fig. 19 shows a cross-sectional view (as in Fig. 7B) of the through channels 30 and 32. It can be seen that the channel 30 has a rectangular cross-sectional shape. In an alternative preferred aspect of the invention (FIG. 20), the cross section of the channel 30 has an upper curved surface.

Как показано на Фиг.19, когда канал 32 находится под давлением, часть 25 мембраны эластомерного блока 24, разделяющая каналы 30 и 32, будет перемещаться по направлению вниз в последовательные положения, показанные пунктирными линиями 25А, 25В, 25С, 25D и 25Е. Видно, что неполная герметизация может появиться на краях канала 30, расположенного рядом с планарной подложкой 14.As shown in FIG. 19, when the channel 32 is under pressure, the membrane portion 25 of the elastomeric block 24 separating the channels 30 and 32 will move downward to the successive positions shown by dashed lines 25A, 25B, 25C, 25D and 25E. It is seen that incomplete sealing may appear at the edges of the channel 30 located next to the planar substrate 14.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления изобретения (Фиг.20), канал 30а имеет изогнутую верхнюю стенку 25А. Когда канал 32 находится под давлением, мембранная часть 25 будет перемещаться по направлению вниз в последовательные положения, показанные пунктирными линиями 25А2, 25А3, 25А4 и 25А5, причем краевые части мембраны перемещаются первыми в канал вслед за верхними частями мембраны. Преимущество такой изогнутой верхней поверхности мембраны 25А заключается в том, что обеспечивается более полная герметизация, когда канал 32 находится под давлением. В частности, верхняя стенка канала 30 будет обеспечивать непрерывно контактирующий край, прилегающий к планарной подложке 14, таким образом избегая "области" контакта, которая видна между стенкой 25 и нижней частью канала 30 на Фиг.19.In an alternative preferred embodiment of the invention (FIG. 20), the channel 30a has a curved upper wall 25A. When channel 32 is under pressure, the membrane portion 25 will move downward to successive positions shown by dashed lines 25A2, 25A3, 25A4 and 25A5, with the edge portions of the membrane moving first into the channel following the upper portions of the membrane. The advantage of such a curved upper surface of the membrane 25A is that it provides a more complete seal when the channel 32 is under pressure. In particular, the upper wall of the channel 30 will provide a continuously contacting edge adjacent to the planar substrate 14, thereby avoiding the “contact” region that is visible between the wall 25 and the lower part of the channel 30 in FIG. 19.

Другое преимущество изогнутой верхней поверхности канала у мембраны 25А заключается в том, что мембрана может легко принимать форму и размер канала после срабатывания. В частности, там где используется прямоугольный канал, весь периметр (2 × высота канала плюс ширина канала) должен быть задействован в канале. Однако там где используется изогнутый канал, меньшая часть периметра материала (только полукруглая изогнутая часть) должна быть задействована в канале. Таким образом, для срабатывания мембраны требуется меньшее изменение периметра и, следовательно, большая чувствительность к прикладываемому усилию срабатывания для перекрывания канала.Another advantage of the curved upper surface of the channel at the membrane 25A is that the membrane can easily take the shape and size of the channel after being triggered. In particular, where a rectangular channel is used, the entire perimeter (2 × channel height plus channel width) should be involved in the channel. However, where a curved channel is used, a smaller part of the perimeter of the material (only a semicircular curved part) should be involved in the channel. Thus, for the membrane to operate, a smaller perimeter change is required and, therefore, a greater sensitivity to the applied actuation force to block the channel.

В альтернативном аспекте (не показан) нижняя часть канала 30 закруглена так, чтобы его изогнутая поверхность совмещалась с изогнутой верхней стенкой 25А, как показано на Фиг.20, описанном выше.In an alternative aspect (not shown), the lower portion of the channel 30 is rounded so that its curved surface aligns with the curved upper wall 25A, as shown in FIG. 20, described above.

В итоге фактическое конформационное изменение, испытанное с помощью мембраны на срабатывание, будет зависеть от конфигурации конкретной эластомерной структуры. В частности, конформационное изменение будет зависеть от длины, ширины и профиля толщины мембраны, ее присоединения к оставшейся части структуры, и высоты, ширины и формы проточного и управляющего каналов и свойств используемого материала эластомера. Конформационное изменение может также зависеть от способа срабатывания, т.к. срабатывание мембраны в ответ на поданное давление будет несколько отличаться от срабатывания в ответ на силу магнитного или электростатического поля.As a result, the actual conformational change tested by the membrane for response will depend on the configuration of the particular elastomeric structure. In particular, the conformational change will depend on the length, width and thickness profile of the membrane, its attachment to the remaining part of the structure, and the height, width and shape of the flow and control channels and the properties of the elastomer material used. The conformational change may also depend on the method of activation, since the response of the membrane in response to the applied pressure will be slightly different from the response in response to the strength of the magnetic or electrostatic field.

Кроме того, желательное конформационное изменение мембраны будет также изменяться в зависимости от конкретного приложения эластомерной структуры. В самых простых вариантах осуществления изобретения, описанных выше, клапан может открываться или закрываться с учетом измерения для управления степенью закрытия клапана. Однако в других вариантах осуществления изобретения можно при необходимости менять форму мембраны и/или канала для того, чтобы достигнуть более сложной регулировки потока. Например, канал можно выполнить с выступом внизу мембранной части так, чтобы после срабатывания мембрана закрывала только часть потока, протекающего через канал, при этом часть перекрытого потока не чувствительна к прикладываемому усилию срабатывания.In addition, the desired conformational change in the membrane will also vary depending on the particular application of the elastomeric structure. In the simplest embodiments of the invention described above, the valve may be opened or closed by measurement to control the degree of valve closure. However, in other embodiments, it is possible to change the shape of the membrane and / or channel as necessary in order to achieve more complex flow control. For example, the channel can be made with a protrusion at the bottom of the membrane part so that after actuation the membrane closes only part of the flow flowing through the channel, while part of the blocked flow is not sensitive to the applied actuation force.

В настоящем изобретении рассмотрены многочисленные профили толщины мембраны и поперечные сечения каналов, включающие прямоугольное, трапециидальное, круглое, эллиптическое, параболическое, гиперболическое и многоугольное, а также различные сечения вышеупомянутых форм. Более сложные формы сечения, такие как в варианте осуществления изобретения с выступами, обсужденном только что выше, или в варианте осуществления изобретения с вогнутостями в канале, также входят в объем защиты настоящего изобретения.The present invention contemplates numerous membrane thickness profiles and channel cross-sections, including rectangular, trapezoidal, round, elliptical, parabolic, hyperbolic and polygonal, as well as various sections of the above shapes. More complex cross-sectional shapes, such as in the embodiment with protrusions discussed just above, or in the embodiment with concavities in the channel, are also included in the protection scope of the present invention.

Альтернативные методы активизации клапановAlternative Valve Activation Methods

В дополнение к системам, основанным на срабатывании от давления, описанным выше, ниже рассмотрены нестандартные системы электростатического и магнитного возбуждения.In addition to the pressure-based systems described above, non-standard electrostatic and magnetic excitation systems are discussed below.

Электростатическое возбуждение можно выполнить путем формирования противоположно заряженных электродов (которые будут притягиваться друг к другу при подаче на них напряжения различной полярности) непосредственно в монолитной эластомерной структуре. Например, как показано на Фиг.7В, необязательный первый электрод 70 (показанный штриховой линией) можно установить на (или в) мембрану 25, и необязательный второй электрод 72 (также показанный штриховой линией) можно установить на (или в) планарную подложку 14. Когда на электродах 70 и 72 появляются заряды противоположной полярности, сила притяжения, возникающая между двумя электродами, заставляет мембрану 25 отклоняться по направлению вниз, таким образом закрывая "клапан" (т.е. перекрывая канал 30).Electrostatic excitation can be performed by forming oppositely charged electrodes (which will be attracted to each other when voltage of different polarity is applied to them) directly in a monolithic elastomeric structure. For example, as shown in FIG. 7B, an optional first electrode 70 (shown by a dashed line) can be installed on (or in) the membrane 25, and an optional second electrode 72 (also shown by a dashed line) can be installed on (or in) a planar substrate 14. When charges of opposite polarity appear on the electrodes 70 and 72, the attractive force arising between the two electrodes causes the membrane 25 to deviate downward, thereby closing the “valve” (i.e., blocking the channel 30).

Что касается электрода мембраны, который должен иметь электропроводность, достаточную для поддержания электростатического возбуждения, и быть механически не жестким, чтобы не препятствовать движению клапана, то необходимо выполнить достаточно гибкий электрод в или над мембраной 25. Такой электрод можно выполнить путем использования тонкого слоя металлизации, легирования полимера проводящим материалом или создания поверхностного слоя вне проводящего материала.As for the membrane electrode, which must have a conductivity sufficient to maintain electrostatic excitation, and be mechanically rigid, so as not to impede the movement of the valve, it is necessary to make a sufficiently flexible electrode in or above the membrane 25. Such an electrode can be performed using a thin layer of metallization, doping the polymer with a conductive material or creating a surface layer outside the conductive material.

Во взятом в качестве примера аспекте изобретения электрод, имеющийся на отклоняющей мембране, можно выполнить с помощью тонкого слоя металлизации, который можно нанести, например, с помощью напыления тонкого слоя металла, такого как золото толщиной 20 нм. В дополнение к формированию металлизированной мембраны путем напыления можно использовать и другие способы металлизации, такие как химическая эпитаксия, испарение, гальванопокрытие и нанесение покрытия методом химического восстановления. Кроме того, можно использовать физический перенос металлического слоя на поверхность эластомера, например, путем напыления металла на планарную подложку, с которой он имеет плохую адгезию, и затем размещения эластомера на металле и снятия металла с подложки.In an exemplary aspect of the invention, the electrode on the deflection membrane can be made using a thin layer of metallization, which can be applied, for example, by spraying a thin layer of metal, such as gold, 20 nm thick. In addition to forming a metallized membrane by sputtering, other metallization methods can be used, such as chemical epitaxy, evaporation, electroplating and chemical reduction coating. In addition, you can use the physical transfer of the metal layer to the surface of the elastomer, for example, by spraying the metal on a planar substrate with which it has poor adhesion, and then placing the elastomer on the metal and removing the metal from the substrate.

Проводящий электрод 70 можно также сформировать путем осаждения технического углерода (т.е. Cabot Vulcan XC72R) на поверхности эластомера путем втирания порошка или погружения эластомера в суспензию технического углерода в растворителе, который вызывает разбухание эластомера (такого как хлорированный растворитель в случае ПДМС). Альтернативно, электрод 70 можно сформировать путем построения всего слоя 20 из эластомера, легированного проводящим материалом (т.е. технического углерода или тонко диспергированных частиц металла). Кроме того, альтернативно, электрод можно сформировать с помощью электростатического осаждения или химической реакции, которая приводит к образованию углерода. В проведенных экспериментах проводимость увеличивалась с повышением концентрации технического углерода с 5,6×10-16 до приблизительно 5×10-3 (Ом·см)-1. Нижний электрод 72, который не нужно перемещать, может быть гибким электродом, как описано выше, или известным электродом, таким как электрод с золотым напылением, металлизированный или легированный полупроводниковый электрод.The conductive electrode 70 can also be formed by depositing carbon black (i.e. Cabot Vulcan XC72R) on the surface of the elastomer by rubbing the powder or immersing the elastomer in a suspension of carbon black in a solvent that causes the elastomer to swell (such as chlorinated solvent in the case of PDMS). Alternatively, electrode 70 can be formed by constructing the entire layer 20 of an elastomer doped with a conductive material (i.e., carbon black or finely dispersed metal particles). In addition, alternatively, the electrode can be formed by electrostatic precipitation or a chemical reaction that leads to the formation of carbon. In the conducted experiments, the conductivity increased with increasing concentration of carbon black from 5.6 × 10 -16 to about 5 × 10 -3 (Ohm · cm) -1 . The bottom electrode 72, which does not need to be moved, can be a flexible electrode, as described above, or a known electrode, such as a gold-plated electrode, a metallized or alloyed semiconductor electrode.

Альтернативно, магнитное срабатывание каналов можно достигнуть путем изготовления мембраны, разделяющей каналы, из магнитополяризуемого материала, такого как железо, или постоянно намагниченного материала, такого как поляризованного NdFeB. В проведенных экспериментах магнитный силикон получали путем добавления железного порошка (с размером частиц приблизительно 1 мкм) до 20% железа по весу.Alternatively, magnetic actuation of the channels can be achieved by fabricating the channel separating membrane from a magnetically polarizable material, such as iron, or a permanently magnetized material, such as polarized NdFeB. In the experiments performed, magnetic silicone was obtained by adding iron powder (with a particle size of approximately 1 μm) to 20% iron by weight.

В случае, когда мембрана изготавливается с добавлением магнитополяризуемого материала, мембрана может срабатывать за счет магнитного притяжения после подачи магнитного поля. Там, где мембрана изготавливается с использованием материала, позволяющего поддерживать постоянное намагничивание, материал можно сначала намагнитить по действием достаточно высокого магнитного поля и затем привести в действие за счет притяжения или отталкивания в зависимости от полярности поданного неоднородного магнитного поля.In the case when the membrane is manufactured with the addition of magnetically polarizable material, the membrane can operate due to magnetic attraction after applying a magnetic field. Where the membrane is manufactured using a material that allows constant magnetization to be maintained, the material can first be magnetized by a sufficiently high magnetic field and then activated by attraction or repulsion, depending on the polarity of the applied inhomogeneous magnetic field.

Магнитное поле, вызывающее срабатывания мембраны, можно получить рядом способов. В одном варианте осуществления изобретения магнитное поле вырабатывают с помощью предельно маленькой катушки индуктивности, выполненной в или рядом с эластомерной мембраной. Усилие срабатывания такой магнитной катушки будет локализованным, что обеспечит срабатывание индивидуальных насосных и/или клапанных структур. Альтернативно, магнитное поле можно выработать с помощью большего, более мощного источника, в случае которого срабатывание будет глобальным и приведет в действие одновременно многочисленные насосные и/или клапанные структуры.The magnetic field that triggers the membrane can be obtained in a number of ways. In one embodiment of the invention, a magnetic field is generated using an extremely small inductor made in or adjacent to the elastomeric membrane. The actuation force of such a magnetic coil will be localized, which will ensure the actuation of individual pump and / or valve structures. Alternatively, a magnetic field can be generated using a larger, more powerful source, in the case of which the response will be global and simultaneously trigger multiple pump and / or valve structures.

Кроме того, принудительное срабатывание можно сделать объединенным с использованием электростатического или магнитного возбуждения. В частности, сильфонные структуры, находящиеся в гидравлической связи с углублением, можно привести в действие электростатическим или магнитным способом, изменяя давление в углублении и, таким образом, приводя в действие мембранную структуру, расположенную рядом с углублением.In addition, forced actuation can be made combined using electrostatic or magnetic excitation. In particular, bellows structures that are in fluid communication with the recess can be electrostatically or magnetically actuated by varying the pressure in the recess and thereby actuating the membrane structure adjacent to the recess.

Кроме электрического или магнитного возбуждения, которое описано выше, в настоящем изобретении также рассмотрены дополнительные системы электролитического и электрокинетического возбуждения. Например, срабатывание мембраны из-за повышения давления может возникнуть в результате электролитической реакции в углублении над мембраной. В этом варианте осуществления изобретения на электроды, присутствующие в углублении, подают напряжение через электролит, находящийся в углублении. Эта разность потенциалов вызовет электрохимическую реакцию у электродов и приведет к образованию частиц газа, повышающих перепад давления в углублении.In addition to the electrical or magnetic excitation described above, the present invention also contemplates additional electrolytic and electrokinetic excitation systems. For example, membrane triggering due to increased pressure may result from an electrolytic reaction in a recess above the membrane. In this embodiment, voltage is applied to the electrodes present in the recess through an electrolyte located in the recess. This potential difference will cause an electrochemical reaction at the electrodes and lead to the formation of gas particles that increase the pressure drop in the recess.

Альтернативно, срабатывающее давление на мембрану может возникнуть в результате электрокинетического гидравлического потока в канале управления. В этом варианте осуществления изобретения на электроды, присутствующие на противоположных концах канала управления, подают разность потенциалов через электролит, находящийся в канале управления. Миграция заряженных частиц в электролите к соответствующим электродам может вызывать перепад давления.Alternatively, triggering pressure on the membrane may result from electrokinetic hydraulic flow in the control channel. In this embodiment, the potential difference is supplied to the electrodes present at opposite ends of the control channel through an electrolyte located in the control channel. The migration of charged particles in the electrolyte to the respective electrodes can cause a pressure drop.

И наконец, устройство можно также привести в действие путем образования гидравлического потока в канале управления на основании подачи тепловой энергии, теплового расширения или выработки газа из текучей среды. Аналогично, химические реакции, в ходе которых образуются газообразные продукты, могут привести к увеличению давления, достаточного для срабатывания мембраны.Finally, the device can also be actuated by generating a hydraulic flow in the control channel based on the supply of thermal energy, thermal expansion, or gas generation from the fluid. Similarly, chemical reactions during which gaseous products are formed can lead to an increase in pressure sufficient to trigger the membrane.

Сетевые системыNetwork systems

На Фиг.23А и 23В показаны виды одиночного двухпозиционного клапана, идентичного системам, изложенным выше (например на Фиг.7А). На Фиг.24А и 24В показана перистальтическая насосная система, состоящая из множества одиночных адресуемых двухпозиционных клапанов (Фиг.23), но объединенных вместе в сеть. На Фиг.25 изображен график, показывающий экспериментально достигнутые скорости прокачки в зависимости от частоты для перистальтической насосной системы (Фиг.24). На Фиг.26А и 26В показан схематический вид множества каналов, которыми управляют с помощью одиночной линии управления. Эта система также состоит из множества одиночных адресуемых двухпозиционных клапанов (Фиг.23), мультиплексированных вместе, но размещенных по другому, чем на Фиг.23. На Фиг.27 представлена схематическая иллюстрация системы мультиплексирования, адаптированной для создания гидравлического потока через выбранные каналы, состоящие из множества одиночных двухпозиционных клапанов (Фиг.23), соединенных вместе или объединенных в сеть.On figa and 23B shows the views of a single on-off valve, identical to the systems described above (for example in figa). On Figa and 24B shows a peristaltic pump system, consisting of many single addressable on-off valves (Fig.23), but connected together in a network. Fig. 25 is a graph showing experimentally achieved pumping speeds as a function of frequency for a peristaltic pump system (Fig. 24). 26A and 26B show a schematic view of a plurality of channels that are controlled by a single control line. This system also consists of a plurality of single addressable on / off valves (FIG. 23) multiplexed together but arranged differently than in FIG. 23. On Fig presents a schematic illustration of a multiplexing system adapted to create a hydraulic flow through selected channels, consisting of many single on-off valves (Fig), connected together or networked.

На Фиг.23А и 23В схематически показано расположение каналов 30 и 32. Через канал 30, предпочтительно, проходит поток F текучей среды (или газа). Канал 32 (который пересекает сверху канал 30, как уже объяснено здесь) находится под давлением, так что мембрана 25, разделяющая каналы, может опускаться в канал канала 30, перекрывая таким образом проход потока F, как показано ниже. "Канал" 32, как таковой, можно также называть "линией управления", которая приводит в действие одиночный клапан в канале 30. На Фиг.23- 26 множество таких адресуемых клапанов соединено вместе или объединено в сеть в различных размещениях для получения насосов, позволяющих выполнять перистальтическую прокачку и другие функции струйных логических схем.On figa and 23B schematically shows the location of the channels 30 and 32. Through the channel 30, preferably, the flow F of the fluid (or gas). Channel 32 (which crosses above channel 30, as already explained here) is under pressure, so that the membrane 25 separating the channels can be lowered into the channel of channel 30, thereby blocking the passage of flow F, as shown below. The “channel” 32, as such, can also be called a “control line” that drives a single valve in the channel 30. In FIGS. 23-26, a plurality of such addressable valves are connected together or networked in various locations to provide pumps enabling perform peristaltic pumping and other functions of inkjet logic circuits.

Как показано на Фиг.24А и 24В, система для перистальтической прокачки выполнена следующим образом. Канал 30 как правило имеет множество параллельных каналов (т.е. линий управления) 32А, 32В и 32С, проходящих над ним. При подаче давления в линию 32А управления перекрывается поток F, проходящий через канал 30 под мембраной 25А на пересечении линии 32А управления и канала 30. Аналогично, (не показано) при подаче давления в линию 32В управления перекрывается поток F, проходящий через канал 30 под мембраной 25В на пересечении линии 32В управления и канала 30 и так далее.As shown in Fig.24A and 24B, the system for peristaltic pumping is performed as follows. Channel 30 typically has multiple parallel channels (i.e., control lines) 32A, 32B, and 32C extending above it. When pressure is applied to control line 32A, flow F is blocked through channel 30 below membrane 25A at the intersection of control line 32A and channel 30. Similarly (not shown) when pressure is applied to control line 32B, flow F is blocked through channel 30 below the membrane 25B at the intersection of control line 32B and channel 30, and so on.

Каждая линия 32А, 32В и 32С управления является отдельно адресуемой. Поэтому перистальтику можно приводить в действие следующим образом: сначала одновременно срабатывают линии 32А и 32С, затем линия 32А, одновременно линии 32А и 32В, затем линия 32В, одновременно линии 32В и С и так далее. Это соответствует последовательной комбинации символов "101, 100, 110, 010, 011, 001", где "0" показывает "открытый клапан", и "1" показывает "закрытый клапан". Эта перистальтическая комбинация также известна как 120°-ая комбинация (которая показывает угол фазы срабатывания между тремя клапанами). В равной степени возможны и другие перистальтические комбинации, включая 60°- и 90°-ые комбинации.Each control line 32A, 32B, and 32C is individually addressable. Therefore, peristalsis can be activated as follows: first, lines 32A and 32C are triggered simultaneously, then line 32A, simultaneously lines 32A and 32B, then line 32B, simultaneously lines 32B and C, and so on. This corresponds to a sequential combination of the characters “101, 100, 110, 010, 011, 001”, where “0” indicates “open valve” and “1” indicates “closed valve”. This peristaltic combination is also known as the 120 ° combination (which shows the angle of the actuation phase between the three valves). Other peristaltic combinations are equally possible, including 60 ° and 90 ° combinations.

В проведенных экспериментах скорость прокачки 2,35 hL/c измерялась путем измерения расстояния, которое проходит столб воды в тонкой (с внутренним диаметром 0,5 мм) трубке, с клапанами размером 100×100×10 мкм при давлении срабатывания 40 кПа. Скорость прокачки увеличилась при повышении частоты срабатывания приблизительно до 75 Гц и затем оставалась практически постоянной до более чем 200 Гц. Клапаны и насосы работали также вполне надежно, и ни разу не наблюдался отказ в работе эластомерной мембраны, каналов управления или соединения. В проведенных экспериментах ни один из клапанов в перистальтическом насосе, описанном здесь, не проявил каких-либо признаков износа или усталости после срабатываний более чем 4 миллиона раз. Кроме их долговечности, они также остаются мягкими. Раствор Е. Coli, прокачиваемый через канал и испытанный на устойчивость в условиях эксплуатации, показал коэффициент сохранения работоспособности 94%.In the experiments, the pumping rate of 2.35 hL / s was measured by measuring the distance that the column of water travels in a thin (with an inner diameter of 0.5 mm) tube with valves 100 × 100 × 10 μm in size with a response pressure of 40 kPa. The pumping speed increased with an increase in the response frequency to approximately 75 Hz and then remained almost constant to more than 200 Hz. The valves and pumps also worked quite reliably, and there was never a failure in the operation of the elastomeric membrane, control channels or connections. In the experiments performed, none of the valves in the peristaltic pump described here showed any signs of wear or fatigue after tripping more than 4 million times. Besides their longevity, they also remain soft. A solution of E. Coli, pumped through the channel and tested for stability under operating conditions, showed a performance factor of 94%.

На Фиг.25 изображен график, показывающий экспериментально достигнутые скорости прокачки в зависимости от частоты для перистальтической насосной системы (Фиг.24).Fig. 25 is a graph showing experimentally achieved pumping speeds as a function of frequency for a peristaltic pump system (Fig. 24).

Фиг.26А и 26В изображают другой способ сборки множества адресуемых клапанов (Фиг.21). В частности, выполнено множество параллельных каналов 30А, 30В и 30С. Канал (т.е. линия управления) 32 проходит сверху поперек каналов 30А, 30В и 30С. Повышение давления в линии 32 управления одновременно приводит к закрытию потоков F1, F2 и F3 за счет опускания мембран 25А, 25В и 25С, расположенных на пересечениях линии 32 управления и каналов 30А, 30В и 30С.26A and 26B depict another method of assembling a plurality of addressable valves (FIG. 21). In particular, a plurality of parallel channels 30A, 30B, and 30C are made. A channel (i.e., control line) 32 extends from above across the channels 30A, 30B, and 30C. The increase in pressure in the control line 32 simultaneously closes the flows F1, F2 and F3 by lowering the membranes 25A, 25B and 25C located at the intersections of the control line 32 and channels 30A, 30B and 30C.

Фиг.27 представляет собой схематическую иллюстрацию системы мультиплексирования, приспособленной для того, чтобы текучая среда могла выборочно протекать через выбранные каналы следующим образом. Отклонение по направлению вниз мембран, разделяющих соответствующие каналы от линии управления, проходящей над ними (например, мембраны 25А, 25В и 25С на Фиг.26А и 26В), сильно зависит от размеров мембраны. Соответственно, при изменении ширины линии 32 управления канала (Фиг.26А и 26В), можно иметь канал линии управления, проходящий над многочисленными каналами, который только приводит в действие (т.е. закрывает) требуемые каналы. На Фиг.27 представлено схематическое изображение такой системы, описание которой приводится ниже.Fig. 27 is a schematic illustration of a multiplexing system adapted to allow fluid to selectively flow through selected channels as follows. The downward deviation of the membranes separating the respective channels from the control line passing above them (for example, membranes 25A, 25B and 25C in FIGS. 26A and 26B) is highly dependent on the size of the membrane. Accordingly, when changing the width of the channel control line 32 (Figs. 26A and 26B), it is possible to have a control line channel extending over multiple channels that only drives (i.e. closes) the desired channels. On Fig presents a schematic representation of such a system, the description of which is given below.

Множество параллельных каналов 30А, 30В, 30С, 30D, 30Е и 30F расположено под множеством параллельных линий 32А, 32В, 32С, 32D, 32Е и 32F управления. Каналы 32А, 32В, 32С, 32D, 32Е и 32F управления приспособлены для того, чтобы закрывать потоки F1, F2, F3, F4, F5 и F6 текучей среды, проходящие через параллельные каналы 30А, 30В, 30С, 30D, 30Е и 30F, использующие любой из описанных выше систем со следующей модификацией.A plurality of parallel channels 30A, 30B, 30C, 30D, 30E and 30F are located under the plurality of parallel lines 32A, 32B, 32C, 32D, 32E and 32F. The control channels 32A, 32B, 32C, 32D, 32E, 32F and 32F are adapted to close the fluid flows F1, F2, F3, F4, F5 and F6 passing through the parallel channels 30A, 30B, 30C, 30D, 30E and 30F, using any of the systems described above with the following modification.

Каждая из линий 32А, 32В, 32С, 32D, 32Е и 32F управления имеет широкую и узкую части. Например, линия 32А управления является широкой в местах, расположенных над каналами 30А, 30С и 30Е. Аналогично, линия 32В управления является широкой в местах, расположенных над каналами 30В, 30D и 30F, и линия управления 32С является широкой в местах, расположенных над каналами 30А, 30В, 30Е и 30F.Each of the control lines 32A, 32B, 32C, 32D, 32E, and 32F has a wide and narrow part. For example, control line 32A is wide at locations located above channels 30A, 30C, and 30E. Similarly, the control line 32B is wide in places located above the channels 30B, 30D and 30F, and the control line 32C is wide in places located above the channels 30A, 30B, 30E and 30F.

На участках, где соответствующая линия управления является широкой, повышение давления в ней вызовет значительное опускание в канал мембраны (25), разделяющей канал и линию управления, таким образом перекрывая проход для потока, проходящего через него. И наоборот, в местах, где соответствующая линия управления является узкой, мембрана (25) будет также узкой. Соответственно, одинаковая степень повышения давления не приведет к опусканию мембраны (25) в канал (30). Поэтому проход для текучей среды под ней не будет перекрыт.In areas where the corresponding control line is wide, increasing the pressure in it will cause a significant lowering in the channel of the membrane (25) separating the channel and the control line, thus blocking the passage for the flow passing through it. Conversely, in places where the corresponding control line is narrow, the membrane (25) will also be narrow. Accordingly, the same degree of pressure increase will not lead to the lowering of the membrane (25) in the channel (30). Therefore, the passage for the fluid below it will not be blocked.

Например, при подаче давления в линию 32А управления, будут перекрыты потоки F1, F3 и F5 в каналах 30А, 30С и 30Е. Аналогично, при подаче давления в линию управления 32С, перекроются потоки F1, F2, F5 и F6 в каналах 30А, 30В, 30Е и 30F. Можно оценить, что более одной линии управления можно привести в действие в одно и то же время. Например, в линии 32А и 32С управления можно одновременно подать давление для того, чтобы перекрыть весь поток текучей среды за исключением F4 (с помощью линии 32А перекрывают F1, F3 и F5, и 32С перекрывают F1, F2, F5 и F6).For example, when applying pressure to the control line 32A, flows F1, F3 and F5 in the channels 30A, 30C and 30E will be blocked. Similarly, when pressure is applied to the 32C control line, flows F1, F2, F5 and F6 in channels 30A, 30B, 30E and 30F will overlap. It can be appreciated that more than one control line can be activated at the same time. For example, pressure can be applied simultaneously to control lines 32A and 32C in order to shut off the entire fluid flow with the exception of F4 (using lines 32A, F1, F3 and F5 are closed, and 32C is blocked by F1, F2, F5 and F6).

При выборочной подаче давления в различные линии (32) управления вместе и в различных последовательностях можно достигнуть большой степени управления потоком текучей среды. Кроме того, при расширении настоящей системы до более чем шести параллельных каналов (30) и более чем четырех параллельных линий (32) управления, и при изменении расположения широких и узких областей линий управления, можно изготовить очень сложные системы управления потоком текучей среды. Характерной чертой таких систем является возможность включения какого-либо одного канала из n каналов только при помощи 2(log2n) линий управления.By selectively applying pressure to the various control lines (32) together and in different sequences, a large degree of control of the fluid flow can be achieved. In addition, by expanding the present system to more than six parallel channels (30) and more than four parallel control lines (32), and changing the location of the wide and narrow areas of the control lines, it is possible to manufacture very complex fluid flow control systems. A characteristic feature of such systems is the ability to turn on any one channel of n channels using only 2 (log 2 n) control lines.

Удалось изготовить микроструйные структуры с плотностью 30 устройств/мм2, но можно достигнуть и большей плотности.It was possible to produce micro-jet structures with a density of 30 devices / mm 2 , but a higher density can also be achieved.

Выборочно адресуемые реакционные камеры, расположенные вдоль линий потокаSelectively addressable reaction chambers along flow lines

В другом варианте осуществления изобретения, изображенном на Фиг.28А, 28В, 28С и 28D, выполнена система для выборочного направления потока текучей среды в еще одну из множества реакционных камер, расположенных вдоль линии канала.In another embodiment of the invention shown in FIGS. 28A, 28B, 28C, and 28D, a system is provided for selectively directing fluid flow to yet another of a plurality of reaction chambers along a channel line.

На Фиг.28А изображен вид сверху канала 30, имеющего множество реакционных камер 80А и 80В, расположенных вдоль него. Канал 30 и реакционные камеры 80А и 80В, предпочтительно сформированы вместе в виде углублений на нижней поверхности первого слоя 100 эластомера.FIG. 28A is a plan view of a channel 30 having a plurality of reaction chambers 80A and 80B located along it. The channel 30 and reaction chambers 80A and 80B are preferably formed together in the form of recesses on the lower surface of the first elastomer layer 100.

На Фиг.28В изображен вид снизу другого эластомерного слоя 110 с двумя линиями 32А и 32В управления, каждая из которых является обычно узкой, но имеет широкие простирающиеся части 33А и 33, сформированные в них в виде углубления.FIG. 28B is a bottom view of another elastomeric layer 110 with two control lines 32A and 32B, each of which is usually narrow but has wide extending portions 33A and 33 formed therein as a recess.

Как показано в разобранном виде на Фиг.28С и собранном виде на Фиг.28D, эластомерный слой 110 размещается сверху эластомерного слоя 100. Слои 100 и 110 затем соединяют вместе, и интегральная система работает так, чтобы поток F текучей среды (через канал 30) выборочно направлялся в одну или обе реакционные камеры 80А и 80В следующим образом. При подаче давления в линию 32А управления мембрана 25 (т.е. тонкая часть эластомерного слоя 100, расположенная ниже простирающейся части 33А и над областями 82А реакционной камеры 80А) будет опускаться, таким образом закрывая проход для потока текучей среды в областях 82А, эффективно изолируя реакционную камеру 80 от канала 30. Можно также заметить, что простирающаяся часть 33А шире, чем оставшаяся часть линии 32А управления. Само по себе повышение давления в линии 32А управления не приведет к изоляции линии 32А управления от канала 30.As shown disassembled in Fig. 28C and assembled in Fig. 28D, the elastomeric layer 110 is placed on top of the elastomeric layer 100. The layers 100 and 110 are then joined together and the integrated system operates so that the fluid flow F (through channel 30) selectively sent to one or both of the reaction chambers 80A and 80B as follows. When pressure is applied to the control line 32A, the membrane 25 (i.e., a thin portion of the elastomeric layer 100 located below the extending portion 33A and above the regions 82A of the reaction chamber 80A) will lower, thereby closing the passage for the fluid flow in regions 82A, effectively isolating reaction chamber 80 from channel 30. You can also notice that the extending portion 33A is wider than the remaining portion of the control line 32A. The increase in pressure in the control line 32A itself will not isolate the control line 32A from the channel 30.

Можно оценить, что одна или обе линии 32А и 32В управления могут сработать сразу. При одновременной подаче давления в линии 32А и 32В управления, выборочный поток в канале 30 не будет вводиться ни в одну из реакционных камер 80А или 80В.It can be appreciated that one or both of the control lines 32A and 32B may operate immediately. When pressure is simultaneously applied to control lines 32A and 32B, a selective flow in channel 30 will not be introduced into any of the reaction chambers 80A or 80B.

Концепцию выборочного управления вводом текучей среды в различные адресуемые реакционные камеры, расположенные вдоль линии потока (Фиг.28), можно объединить с концепцией выборочного управления потоком текучей среды через один или более из множества параллельных линий потока (Фиг.27) для того, чтобы получить систему, в которой образец или образцы текучей среды можно направить в любую конкретную реакционную камеру, расположенную в матрице реакционных камер. Пример такой системы показан на Фиг.29, в которой параллельные каналы 32А, 32В и 32С управления с простирающимися частями 34 (все показаны штриховыми линиями) выборочно направляют потоки F1 и F2 текучей среды в любую матрицу реакционных отсеков 80А, 80В, 80С или 80D, как объяснено выше, хотя подача давления в линии 32С и 32D управления выборочно закрывает соответственно потоки F2 и F1.The concept of selectively controlling fluid injection into various addressable reaction chambers along a flow line (FIG. 28) can be combined with the concept of selectively controlling fluid flow through one or more of a plurality of parallel flow lines (FIG. 27) in order to obtain a system in which a sample or fluid samples can be sent to any particular reaction chamber located in the matrix of reaction chambers. An example of such a system is shown in FIG. 29, in which parallel control channels 32A, 32B and 32C with extending portions 34 (all shown by dashed lines) selectively direct fluid flows F1 and F2 to any matrix of reaction compartments 80A, 80B, 80C or 80D, as explained above, although the pressure supply in the control lines 32C and 32D selectively closes the flows F2 and F1, respectively.

В еще одном новом варианте осуществления изобретения, возможен проход для текучей среды между параллельными каналами. Как показано на Фиг.30, в одной или обеих линиях 32А или 32D управления можно понизить давление, позволяя проходить потоку текучей среды через боковой проход 35 (между параллельными каналами 30А и 30В). В этом аспекте изобретения, подача давления в линии 32С и 32D управления приведет к закрытию канала 30А между 35А и 35В, а также к закрытию боковых проходов 35В. Как таковой, поток, который вводится в качестве потока F1, будет последовательно проходить через каналы 30А, 35А и выходить через канал 30В в виде потока F4.In yet another new embodiment of the invention, a passage for fluid between parallel channels is possible. As shown in FIG. 30, pressure can be reduced in one or both of the control lines 32A or 32D, allowing fluid to flow through the side passage 35 (between parallel channels 30A and 30B). In this aspect of the invention, applying pressure to the control lines 32C and 32D will close the channel 30A between 35A and 35B, as well as close the side passages 35B. As such, a stream that is introduced as stream F1 will sequentially pass through channels 30A, 35A and exit through channel 30B as stream F4.

Переключаемые проточные матрицыSwitched Flow Matrices

В еще одном новом варианте осуществления изобретения, проход текучей среды можно выборочно направить так, чтобы текучая среда протекала в любом из двух перпендикулярных направлений. Пример такой системы "переключаемой проточной матрицы" представлен на Фиг.31A-31D. На Фиг.31А изображен вид снизу первого слоя эластомера 90 (или любой другой подходящей подложки (нижний слой)), имеющий нижнюю поверхность с набором углублений, образующим сетку каналов, определенных матрицей твердых опор 92, каждая из которых имеет каналы, проходящие вокруг них.In yet another new embodiment of the invention, the passage of the fluid can be selectively directed so that the fluid flows in either of two perpendicular directions. An example of such a "switched flow matrix" system is shown in Figs. 31A-31D. On Figa shows a bottom view of the first layer of elastomer 90 (or any other suitable substrate (bottom layer)) having a lower surface with a set of recesses forming a network of channels defined by a matrix of solid supports 92, each of which has channels passing around them.

В предпочтительных аспектах изобретения дополнительный слой эластомера связан с верхней поверхностью слоя 90, так что поток текучей среды может выборочно перемещаться в направлении F1 или в перпендикулярном направлении F2. Фиг.31 изображает вид снизу нижней поверхности второго слоя эластомера 95, показывая углубления, сформированные в виде чередующихся "вертикальных" линий 96 управления и "горизонтальных" линий 94 управления. "Вертикальные" линии 96 управления имеют одинаковую ширину по всей длине, тогда как "горизонтальные" линии 94 управления имеют чередующиеся широкие и узкие части, как показано на чертеже.In preferred aspects of the invention, an additional elastomer layer is bonded to the upper surface of the layer 90 so that the fluid flow can selectively move in the F1 direction or in the perpendicular F2 direction. Fig.31 depicts a bottom view of the lower surface of the second layer of elastomer 95, showing the recesses formed in the form of alternating "vertical" control lines 96 and "horizontal" control lines 94. The "vertical" control lines 96 have the same width along the entire length, while the "horizontal" control lines 94 have alternating wide and narrow parts, as shown in the drawing.

Эластомерный слой 95 располагается над верхней частью эластомерного слоя 90 так, что "вертикальные" линии 96 управления располагаются над опорами 92 (Фиг.31С), и "горизонтальные" линии 94 управления располагаются в своих широких частях между опорами 92 (Фиг.31D).The elastomeric layer 95 is located above the upper part of the elastomeric layer 90 so that the "vertical" control lines 96 are located above the supports 92 (Fig.31C), and the "horizontal" control lines 94 are located in their wide parts between the supports 92 (Fig.31D).

Как показано на Фиг.31C, когда в "вертикальные" линии 96 управления подают давление, мембрана интегральной структуры, образованная с помощью эластомерного слоя, первоначально расположенного между слоями 90 и 95 в областях 98, будет отклоняться по направлению вниз над решеткой каналов, так что входной поток может проходить только в направлении F2 потока (т.е. вертикально), как показано на чертеже.As shown in FIG. 31C, when pressure is applied to the “vertical” control lines 96, an integral structure membrane formed by an elastomeric layer originally located between layers 90 and 95 in regions 98 will deflect downward above the channel grating, so that the input stream can only go in the direction F2 of the stream (i.e. vertically), as shown in the drawing.

Как показано на Фиг.31D, когда в "горизонтальные" линии 94 управления подают давление, мембрана интегральной структуры, образованной с помощью эластомерного слоя, первоначально расположенного между слоями 90 и 95 в областях 99, будет отклоняться по направлению вниз над решеткой каналов (но только в самых широких областях), так что входной поток может проходить только в направлении потока F1 (т.е. горизонтально), как показано на чертеже.As shown in FIG. 31D, when pressure is applied to the “horizontal” control lines 94, the membrane of the integral structure formed by the elastomeric layer initially located between layers 90 and 95 in regions 99 will deviate downward above the channel grating (but only in the widest areas), so that the input stream can pass only in the direction of flow F1 (i.e. horizontally), as shown in the drawing.

Конструкция, изображенная на Фиг.31, позволяет выполнить переключаемую проточную матрицу только из двух эластомерных слоев без вертикальных сквозных отверстий, проходящих между линиями управления в различных требуемых эластомерных слоях. Если соединить все вертикальные линии 94, то в них можно повысить давление с одного входа. Это справедливо и для всех горизонтальных линий 96 управления.The design shown in FIG. 31 allows a switchable flow matrix to be made of only two elastomeric layers without vertical through holes extending between control lines in various desired elastomeric layers. If you connect all the vertical lines 94, then they can increase the pressure from one inlet. This is true for all horizontal control lines 96.

Синтез биополимеровSynthesis of Biopolymers

Представленные эластомерные клапанные структуры можно также использовать при синтезе биополимеров, например, при синтезе олигонуклеотидов, протеинов, пептидов, ДНК и так далее. В предпочтительном аспекте изобретения такие системы для синтеза биополимеров могут содержать интегральную систему, содержащую матрицу резервуаров, струйную логику (согласно настоящему изобретению) для выбора потока из конкретного резервуара, матрицу каналов или резервуаров, в котором выполняется синтез, и струйную логику (также согласно настоящему изобретению) для определения того, по каким каналам будет протекать выбранный реагент. Пример такой системы 200 изображен на Фиг.32.The presented elastomeric valve structures can also be used in the synthesis of biopolymers, for example, in the synthesis of oligonucleotides, proteins, peptides, DNA, and so on. In a preferred aspect of the invention, such biopolymer synthesis systems may include an integrated system comprising a reservoir matrix, inkjet logic (according to the present invention) for selecting a stream from a particular reservoir, a channel or reservoir matrix in which the synthesis is performed, and inkjet logic (also according to the present invention ) to determine which channels the selected reagent will flow through. An example of such a system 200 is depicted in FIG. 32.

Четыре резервуара 150А, 150В, 150С и 150D имеют соответственно основания А, С, Т и G, расположенные так, как показано на чертеже. Четыре канала 30А, 30В, 30С и 30D соединены с резервуарами 150А, 150В, 150С и 150D. Четыре линии 32А, 32В, 32С и 32D управления (показанные штриховыми линиями) расположены поперек линий 32А управления, позволяя потоку протекать только через канал 30А (т.е. закрывая каналы 30В, 30С и 30D) в случае, когда линия 32А управления находится под давлением. Аналогично, линия 32В управления позволяет протекать потоку только через канал 30В, когда она находится под давлением. Кроме того, выборочная подача давления в линии 32А, 32В, 32С и 32D управления последовательно выбирает требуемое основание А, С, Т и G из требуемого резервуара 150А, 150В, 150С или 150D. Текучая среда затем проходит через канал 120 в контроллер 125 потоков с мультиплексированием каналов (включающего, например, любую систему (Фиг.26A-31D), который, в свою очередь, направляет поток текучей среды в один или более из множества каналов синтеза или камер 122А, 122В, 122С, 122D или 122Е, в котором можно выполнять синтез в твердой фазе.Four tanks 150A, 150B, 150C and 150D have bases A, C, T and G, respectively, arranged as shown in the drawing. Four channels 30A, 30B, 30C and 30D are connected to tanks 150A, 150B, 150C and 150D. Four control lines 32A, 32B, 32C and 32D (shown by dashed lines) are located across control lines 32A, allowing flow to flow only through channel 30A (i.e., closing channels 30B, 30C and 30D) when control line 32A is under pressure. Similarly, control line 32B only allows flow through channel 30B when it is under pressure. In addition, the selective supply of pressure in the control lines 32A, 32B, 32C, and 32D sequentially selects the desired base A, C, T, and G from the desired reservoir 150A, 150B, 150C, or 150D. The fluid then passes through a channel 120 to a channel multiplexing controller 125 (including, for example, any system (FIGS. 26A-31D), which in turn directs a fluid stream to one or more of a plurality of synthesis channels or chambers 122A , 122B, 122C, 122D or 122E, in which solid phase synthesis can be performed.

Фиг.33 изображает другое развитие этой системы, на которой множество резервуаров R1-R13 (которые могут содержать основания А, Т, С и G, или любые другие реагенты, которые используются в комбинационной химии) подсоединено к системе 200 способом, показанным на Фиг.32. Системы 200 подсоединены к контроллеру 125 потоков с мультиплексированием каналов (включающего, например, любую систему, показанную на Фиг.26A-31D), который, в свою очередь, подсоединен к переключаемой проточной матрице (например, как показано на Фиг.31). Преимуществом этой системы является то, что обоими контроллерами 125 потоков с мультиплексированием каналов и системами 200 выбора текучей среды можно управлять с помощью одинаковых входов 170 и 172 подачи давления при условии, что предусмотрены также "закрытые горизонтальные" и "закрытые вертикальные" линии 160 и 162 управления (которые показаны штриховыми линиями).FIG. 33 depicts another development of this system in which a plurality of tanks R1-R13 (which may contain bases A, T, C, and G, or any other reagents that are used in combination chemistry) are connected to the system 200 in the manner shown in FIG. 32. Systems 200 are connected to a channel multiplexing controller 125 (including, for example, any system shown in FIGS. 26A-31D), which, in turn, is connected to a switchable flow matrix (eg, as shown in FIG. 31). An advantage of this system is that both channel multiplexing controllers 125 and the fluid selection systems 200 can be controlled using the same pressure inputs 170 and 172, provided that “closed horizontal” and “closed vertical” lines 160 and 162 are also provided controls (which are shown by dashed lines).

В других альтернативных аспектах изобретения можно использовать множество контроллеров (таких как 125) потоков с мультиплексированием каналов, причем каждый контроллер потоков первоначально располагается послойно друг над другом на другом эластомерном слое, с вертикальными сквозными отверстиями или межсоединениями между эластомерными слоями (которые можно выполнить путем нанесения рисунка литографическим способом на слой резиста, расположенного на слое эластомера, затем травления эластомера и наконец удаления резиста перед нанесением последнего слоя эластомера).In other alternative aspects of the invention, a plurality of channel controllers (such as 125) can be used with channel multiplexing, with each stream controller initially positioned layer by layer on top of another elastomeric layer, with vertical through holes or interconnections between the elastomeric layers (which can be done by drawing lithographically on the resist layer located on the elastomer layer, then etching the elastomer and finally removing the resist before applying the last layer of elastomer).

Например, вертикальное сквозное отверстие в слое эластомера можно создать путем травления отверстия на выступающей линии, расположенной на микрообработанной форме, и присоединения следующего слоя так, чтобы канал проходил над этим отверстием. В этом аспекте изобретения возможен многократный синтез с множеством контроллеров 125 потоков с мультиплексированием каналов.For example, a vertical through hole in the elastomer layer can be created by etching the hole on a protruding line located on the microprocessed mold, and attaching the next layer so that the channel passes over this hole. In this aspect of the invention, multiple synthesis with multiple channel multiplexing controllers 125 is possible.

Соединение последовательных слоев сформированного эластомера для формирования многослойной структуры изображено на Фиг.34, которая является оптической микрофотографией части контрольной структуры, состоящей из семи слоев эластомера. На Фиг.34 ширина полоски составляет 200 мкм.The connection of successive layers of the formed elastomer to form a multilayer structure is depicted in Fig. 34, which is an optical micrograph of a portion of a control structure consisting of seven layers of elastomer. 34, the strip width is 200 μm.

Один способ изготовления слоя эластомера с особым вертикальным сквозным отверстием, используемым в многослойной структуре, изображен на Фиг.35A-35D. На Фиг.35А изображено формирование слоя 3500 эластомера над микрообработанной формой 3502, включающей выступающую линию 3502а.One method for manufacturing an elastomer layer with a special vertical through hole used in a multilayer structure is depicted in FIGS. 35A-35D. Fig. 35A shows the formation of an elastomer layer 3500 over a microprocessed mold 3502 including a protruding line 3502a.

На Фиг.35В изображено формирование слоя 3504 для защиты от травления металла, расположенного над слоем 3500 эластомера, вслед за этим нанесение рисунка на маску 3506 фоторезиста, расположенную над слоем 3504 для защиты от травления, чтобы закрыть маскируемые области 3508 и оставить открытыми области 3510 без маски. Фиг.35С изображает воздействие растворителя, который удаляет слой 3504 для защиты от травления в областях 3510 без маски.FIG. 35B depicts the formation of an etching layer 3504 of a metal located above the elastomer layer 3500, followed by applying a pattern to a photoresist mask 3506 located above the etching layer 3504 to cover masked areas 3508 and leave open areas 3510 without masks. Fig. 35C depicts the effect of a solvent that removes the etching protection layer 3504 in the maskless regions 3510.

Фиг.35D изображает удаление фоторезиста с нанесенным рисунком после последующего травления лежащего ниже эластомера 3500 в областях 3510 без маски для формирования вертикального сквозного отверстия 3512. После воздействия растворителя удаляют оставшуюся часть слоя 3504 для защиты от травления в маскированных областях 3508, избирательных к окружающему эластомеру 3500 и форме 3502. Этот слой эластомера можно затем включить в структуру эластомера с помощью многослойной мягкой литографии.Fig. 35D depicts the removal of a patterned photoresist after subsequent etching of an underlying elastomer 3500 in areas 3510 without a mask to form a vertical through hole 3512. After exposure to the solvent, the remainder of the layer 3504 is removed to protect against etching in masked areas 3508 selective to the surrounding elastomer 3500 and form 3502. This elastomer layer can then be incorporated into the elastomer structure using multi-layer soft lithography.

Этот ряд этапов можно повторить по мере необходимости для того, чтобы сформировать многослойную структуру, имеющую необходимое число и ориентацию вертикальных сквозных отверстий между каналами последовательных слоев эластомера.This series of steps can be repeated as necessary in order to form a multilayer structure having the required number and orientation of vertical through holes between the channels of successive layers of elastomer.

Было успешно выполнено травление сквозных отверстий через слои GE RTV 615 с использованием раствора фторида тетрабутиламмония в органическом растворе. Золото служит в качестве материала для защиты от травления, при этом золото удаляли избирательно к GE RTV 615, используя смесь KI/I2/H2O.Through hole etching through GE RTV 615 layers was successfully performed using a solution of tetrabutylammonium fluoride in an organic solution. Gold serves as an etch protection material, with gold being selectively removed to GE RTV 615 using a KI / I 2 / H 2 O mixture.

Альтернативно, вертикальные сквозные отверстия между каналами в последовательных слоях эластомера можно сформировать, используя при этом метод негативной маски. В этом подходе на негативную маску из металлической фольги наносили рисунок и затем формирование слоя для защиты от травления останавливали там, где присутствовала металлическая фольга. После нанесения рисунка на материал, блокирующий травление, негативную маску из металлической фольги удаляли, позволяя выборочно травить эластомер так, как описано выше.Alternatively, vertical through holes between channels in successive layers of elastomer can be formed using the negative mask technique. In this approach, a pattern was applied to a negative metal foil mask and then the formation of a layer to protect against etching was stopped where the metal foil was present. After drawing the pattern on the etching blocking material, the negative mask from the metal foil was removed, allowing the elastomer to be selectively etched as described above.

В еще одном подходе вертикальные сквозные отверстия можно сформировать в слое эластомера, используя абляцию эластомерного материала путем облучения лазерным лучом.In yet another approach, vertical through holes can be formed in the elastomer layer using ablation of the elastomeric material by irradiation with a laser beam.

Хотя вышеупомянутый подход описан в связи с синтезом биополимеров, изобретение не ограничено этим применением. Настоящее изобретение может также функционировать в широком разнообразии методов комбинационного химического синтеза.Although the above approach has been described in connection with the synthesis of biopolymers, the invention is not limited to this application. The present invention may also function in a wide variety of Raman synthesis methods.

Другие примененияOther applications

Преимущественные применения представленных монолитных микрообработанных эластомерных клапанов и насосов являются многочисленными. Соответственно, настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным применением или использованием. Далее в предпочтительных аспектах рассматривается использование и применение настоящего изобретения.Advantageous applications of the presented monolithic microprocessed elastomeric valves and pumps are numerous. Accordingly, the present invention is not limited to any particular application or use. Further in preferred aspects, the use and application of the present invention is discussed.

1. Сортировка клеток/ДНК1. Cell / DNA sorting

Представленные микроструйные насосы и клапаны можно также использовать в цитометрах потока для сортировки клеток и сортировки по крупности ДНК. Сортировка объектов по размеру очень полезна во многих технических областях.Presented micro-jet pumps and valves can also be used in flow cytometers to sort cells and sort by DNA size. Sorting objects by size is very useful in many technical areas.

Например, при проведении многочисленных количественных анализов в биологии необходимо определять размер объектов с размером молекул. Особо важным является измерение распределения длин молекул ДНК в неоднородном растворе. Это обычно делают с использованием гель-электрофореза, при котором молекулы разделяются в зависимости от их различной подвижности в гель-матрице в условиях приложенного электрического поля, и их положений, которые обнаруживают в результате поглощения или испускания излучения. О длине молекул ДНК затем судят по их подвижности.For example, when conducting numerous quantitative analyzes in biology, it is necessary to determine the size of objects with the size of molecules. Of particular importance is the measurement of the distribution of lengths of DNA molecules in a heterogeneous solution. This is usually done using gel electrophoresis, in which the molecules are separated depending on their different mobility in the gel matrix under the conditions of an applied electric field, and their positions, which are detected as a result of absorption or emission of radiation. The length of the DNA molecules is then judged by their mobility.

Несмотря на свои большие преимущества, электрофоретические способы имеют и недостатки. Для среды с большим молекулами ДНК разрешающая способность, то есть минимальная разность длин, на которой различные длины молекул могут отличаться, ограничена приблизительно 10% от общей длины. Для очень больших молекул ДНК известная процедура сортировки не выполнима. Кроме того, гель-электрофорез является относительно продолжительной процедурой, и для его выполнения может потребоваться порядка нескольких часов или дней.Despite its great advantages, electrophoretic methods also have disadvantages. For a medium with large DNA molecules, the resolution, that is, the minimum difference in lengths over which different lengths of the molecules may differ, is limited to approximately 10% of the total length. For very large DNA molecules, the known sorting procedure is not feasible. In addition, gel electrophoresis is a relatively lengthy procedure, and it may take about several hours or days to complete it.

Сортировка объектов с размером клеток также является актуальной задачей. Известные устройства сортировки проточных клеток имеют проточную камеру с форсункой и основаны на принципе гидродинамической фокусировки с помощью потока в оболочке. Наиболее известные устройства сортировки объединяют технологию пьезоэлектрической выработки капель и электростатического отклонения для достижения выработки капелек и высоких скоростей сортировки. Однако этот подход имеет некоторые существенные недостатки. Один недостаток заключается в том, что сложность, размеры и высокая стоимость устройства сортировки требуют того, чтобы это устройство было многократного пользования и, следовательно, рентабельным. Многократное использование может привести, в свою очередь, к проблемам с остаточными материалами, которые вызывают загрязнение образцов и турбулентность потока текучей среды.Sorting objects with cell size is also an urgent task. Known flow cell sorting devices have a flow chamber with a nozzle and are based on the principle of hydrodynamic focusing using flow in the membrane. The best-known sorting devices combine piezoelectric droplet generation and electrostatic deflection technology to achieve droplet generation and high sorting speeds. However, this approach has some significant drawbacks. One disadvantage is that the complexity, size and high cost of the sorting device require that this device be reusable and therefore cost-effective. Repeated use can lead, in turn, to problems with residual materials that cause sample contamination and turbulence in the fluid flow.

Поэтому имеется потребность в технологии для простого, недорогого и легко изготавливаемого устройства сортировки, которое основывается на механическом управлении потоком текучей среды, а не на электрических взаимодействиях между частицей и растворенным веществом.Therefore, there is a need for technology for a simple, inexpensive and easily manufactured sorting device, which is based on mechanical control of the fluid flow, and not on the electrical interactions between the particle and the solute.

На Фиг.36 изображен один вариант осуществления устройства сортировки согласно настоящему изобретению. Устройство 3600 сортировки состоит из переключательной клапанной структуры, образованной из каналов, присутствующих в эластомерном блоке. В частности, канал 3602 имеет Т-образную форму со стволом 3602а канала 3602, который имеет жидкостную связь с резервуаром 3604 для образцов, содержащим сортируемые объекты 3606 различных типов, обозначенные квадратами, кругом, треугольником и так далее. Левая ветвь 3602b канала 3602 имеет жидкостную связь с резервуаром 3608 для отходов. Правая ветвь 3602с канала 3602 связана со сборным резервуаром 3610.36 shows one embodiment of a sorting device according to the present invention. The sorting device 3600 consists of a switching valve structure formed of channels present in the elastomeric block. In particular, the channel 3602 has a T-shape with the barrel 3602a of the channel 3602, which is in fluid communication with the reservoir 3604 for samples containing sortable objects 3606 of various types, indicated by squares, circles, triangles, and so on. The left branch 3602b of the channel 3602 is in fluid communication with the waste tank 3608. The right branch 3602c of the channel 3602 is connected to the collection tank 3610.

Каналы 3612а, 3612b и 3612с управления проходят над и разделены от ствола 3602а канала 3602 соответственно эластомерными мембранными частями 3614а, 3614b и 3614с. Ствол 3602а канала 3602 и каналы 3612а, 3612b и 3612с управления образуют вместе первую перистальтическую насосную структуру 3616, подобную той, которая подробно описана выше со ссылкой на Фиг.24а.The control channels 3612a, 3612b and 3612c extend above and are separated from the barrel 3602a of the channel 3602 by the elastomeric membrane parts 3614a, 3614b and 3614c, respectively. The trunk 3602a of the channel 3602 and the control channels 3612a, 3612b and 3612c together form a first peristaltic pumping structure 3616 similar to that described in detail above with reference to FIG. 24a.

Канал 3612d управления проходит над и отделен от правой ветви 3602 с канала 3602 эластомерной мембранной частью 3614d. Правая ветвь 3602с канала 3602 и каналы 3612d управления образуют вместе первую клапанную структуру 3618а. Канал 3612е управления проходит над и отделен от левой ветви 3602с канала 3602 эластомерной мембранной частью 3614е. Левая ветвь 3602с канала 3602 и канала 3612е управления образуют вместе вторую клапанную структуру 3618b.The control channel 3612d extends above and is separated from the right branch 3602 from the channel 3602 of the elastomeric membrane portion 3614d. The right branch 3602c of the channel 3602 and the control channels 3612d together form the first valve structure 3618a. The control channel 3612e extends above and is separated from the left branch 3602c of the channel 3602 by the elastomeric membrane portion 3614e. The left branch 3602c of the channel 3602 and the control channel 3612e form together a second valve structure 3618b.

Как показано на Фиг.36, ствол 3602а канала 3602 значительно сужается при приближении к окну 3620 обнаружения, расположенному рядом с разветвлением ствола 3602а, правой ветви 3602b и левой ветви 3602с. Окно 3620 обнаружения является достаточно широким для того, чтобы обеспечить однородное освещение этой области. В одном варианте осуществления изобретения ширина ствола у окна обнаружения сужается со 100 мкм до 5 мкм. Ширину ствола у окна обнаружения можно точно сформировать с использованием методов изготовления на основе мягкой литографии или покрытия фоторезистом, которые подробно описаны выше, и она будет зависеть от характера и размера сортируемого объекта.As shown in FIG. 36, the trunk 3602a of the channel 3602 narrows significantly when approaching the detection window 3620 located adjacent to the branching of the trunk 3602a, the right branch 3602b and the left branch 3602c. The detection window 3620 is wide enough to provide uniform illumination of this area. In one embodiment, the barrel width at the detection window narrows from 100 μm to 5 μm. The width of the barrel at the detection window can be precisely formed using fabrication methods based on soft lithography or photoresist coating, which are described in detail above, and it will depend on the nature and size of the sorted object.

Ниже приводится описание работы устройства сортировки согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.The following is a description of the operation of the sorting device according to one embodiment of the present invention.

Образец разбавляют до такого уровня, чтобы только один сортируемый объект, предположительно, присутствовал бы в окне обнаружения в любой момент времени. Перистальтический насос 3616 приводится в действие при протекании текучей среды через каналы 3612а-с управления, как описано подробно выше. Кроме того, вторая клапанная структура 3618b закрывается при протекании текучей среды через канал 3612е управления. В результате действия перистальтического насоса 3616 и блокирующего действия второго клапана 3618b текучая среда протекает из резервуара 3604 с образцами через окно 3620 обнаружения в резервуар 3608 для отходов. В результате сужения ствола 3604 сортируемые объекты, представленные в резервуаре 3604 с образцами, переносятся с помощью этого регулярного потока текучей среды, один за раз, через окно 3620 обнаружения.The sample is diluted to such a level that only one sortable object is presumably present in the detection window at any given time. The peristaltic pump 3616 is driven by the flow of fluid through the control channels 3612a-c, as described in detail above. In addition, the second valve structure 3618b closes when fluid flows through the control channel 3612e. As a result of the action of the peristaltic pump 3616 and the blocking action of the second valve 3618b, fluid flows from the sample reservoir 3604 through the detection window 3620 to the waste reservoir 3608. As a result of the narrowing of the barrel 3604, the sortable objects presented in the sample reservoir 3604 are transferred using this regular fluid flow, one at a time, through the detection window 3620.

Излучение 3640 из источника 3642 вводится в окно 3620 обнаружения. Это возможно благодаря прозрачности эластомерного материала. Поглощение или испускание излучения 3640 сортируемым объектом 3606 затем обнаруживают с помощью детектора 3644.Radiation 3640 from source 3642 is inputted to detection window 3620. This is possible due to the transparency of the elastomeric material. Absorption or emission of radiation 3640 by the sortable object 3606 is then detected using detector 3644.

Если сортируемый объект 3606а внутри окна 3620 обнаружения нужно отделить и собрать с помощью устройства 3600 сортировки, приводится в действие первый клапан 3618а, а второй клапан 3618b перестает работать. Это создает эффект втягивания сортируемого объекта 3606а в резервуар 3610 для сбора, и в то же самое время перемещения второго сортируемого объекта 3606b в окно 3620 обнаружения. Если второй сортируемый объект 3602b также идентифицирован для сбора, перистальтический насос 3616 продолжает прокачивать текучую среду через правую ветвь 3602 с канала 3602 в резервуар 3610 для сбора. Однако если второй объект 3606b не будет собираться, первый клапан 3618а открывается, а второй клапан 3618b закрывается, и первый перистальтический насос 3616 продолжает прокачку текучей среды через левую ветвь 3602b канала 3602 в резервуар 3608 для отходов.If the sortable object 3606a inside the detection window 3620 needs to be separated and assembled using the sorting device 3600, the first valve 3618a is activated and the second valve 3618b stops working. This creates the effect of pulling the sortable object 3606a into the collection tank 3610, and at the same time moving the second sortable object 3606b into the detection window 3620. If the second sortable object 3602b is also identified for collection, the peristaltic pump 3616 continues to pump fluid through the right branch 3602 from the channel 3602 into the collection tank 3610. However, if the second object 3606b will not be assembled, the first valve 3618a opens and the second valve 3618b closes, and the first peristaltic pump 3616 continues to pump fluid through the left branch 3602b of the channel 3602 into the waste tank 3608.

Хотя один специфический вариант осуществления устройства сортировки и способ его работы описаны со ссылкой на Фиг.36, настоящее изобретение не ограничено этим вариантом его осуществления. Например, текучая среда не должна протекать через каналы, используя перистальтическую насосную структуру, но вместо этого она может протекать под давлением при помощи эластомерных клапанов, управляя только направленностью потока. В еще одном варианте осуществления изобретения множество структур сортировки можно собрать в ряд для того, чтобы выполнить последовательные операции сортировки, при этом резервуар для отходов (Фиг.36) просто заменяется на ствол следующей структуры сортировки.Although one specific embodiment of the sorting device and the method of its operation are described with reference to FIG. 36, the present invention is not limited to this embodiment. For example, the fluid should not flow through the channels using a peristaltic pump structure, but instead, it can flow under pressure using elastomeric valves, controlling only the direction of flow. In yet another embodiment of the invention, a plurality of sorting structures can be arranged in a row in order to perform sequential sorting operations, wherein the waste tank (FIG. 36) is simply replaced by the barrel of the next sorting structure.

Кроме того, можно использовать высокопроизводительный способ сортировки, в котором непрерывный поток текучей среды из резервуара с образцами через окно и разветвление в резервуар для отходов поддерживается до тех пор, пока объект, который нужно собирать, не обнаружится в окне. После обнаружения объекта, который нужно собирать, направление потока текучей среды с помощью насосной структуры временно меняется на обратный для того, чтобы транспортировать требуемую частицу обратно через разветвление в резервуар для сбора. Таким образом, устройство сортировки можно использовать на более высокой скорости потока, со способностью возвращения после обнаружения требуемого объекта. Такой альтернативный высокопроизводительный метод сортировки можно использовать в случае, когда объект, который необходимо собирать, является редким, и потребность в возвращении происходит не часто.In addition, you can use a high-performance sorting method in which a continuous flow of fluid from the sample tank through the window and branching into the waste tank is maintained until the object to be collected is detected in the window. After detecting the object to be collected, the direction of the fluid flow using the pump structure is temporarily reversed in order to transport the desired particle back through a branch to the collection tank. Thus, the sorting device can be used at a higher flow rate, with the ability to return after detecting the desired object. Such an alternative high-performance sorting method can be used when the object that needs to be collected is rare and the need for return does not occur often.

Сортировка, согласно настоящему изобретению, устраняет недостатки сортировки при использовании известного электрокинетического потока, такие как образование пузырьков, сильная зависимость величины потока и направления от состава раствора и поверхностных химических эффектов, различная подвижность разных химических частиц и пониженная жизнеспособность живых организмов в подвижной среде.Sorting according to the present invention eliminates the disadvantages of sorting using a known electrokinetic flow, such as the formation of bubbles, a strong dependence of the flow value and direction on the composition of the solution and surface chemical effects, different mobility of different chemical particles and reduced viability of living organisms in a mobile environment.

2. Обработка полупроводников2. Semiconductor Processing

Системы для управления потоком полупроводникового газа (особенно для эпитаксиальных приложений, в которых необходимо точно измерять маленькие количества газов) также рассмотрены в настоящем изобретении. Например, во время изготовления полупроводниковых устройств твердый материал наносят на подложку полупроводника методом химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ). Это выполняют путем воздействия на подложку смеси газообразных веществ предшественника так, чтобы эти газы вступали в реакцию и возникающий в результате продукт кристаллизовался на подложке.Systems for controlling the flow of semiconductor gas (especially for epitaxial applications where small amounts of gas need to be accurately measured) are also contemplated by the present invention. For example, during the manufacture of semiconductor devices, solid material is applied to a semiconductor substrate by chemical vapor deposition (CVD). This is accomplished by exposing the substrate to a mixture of the gaseous substances of the precursor so that these gases react and the resulting product crystallizes on the substrate.

Во время таких процессов ХОПФ необходимо тщательно контролировать условия их протекания для того, чтобы обеспечить однородное осаждение вещества, свободного от дефектов, которые могли бы привести к ухудшению работы электрического устройства. Одним возможным источником неоднородности является изменение скорости потока газов реагентов в области, расположенной над подложкой. Недостаточное управление скоростью потока газа может также привести к изменению толщины слоя от изделия к изделию, что является другим источником ошибки. К сожалению, имеется еще одна значительная проблема управления количеством газа, который подается в технологическую камеру, и поддержания стабильных скоростей потоков в известных системах подачи газа.During such CVD processes, it is necessary to carefully monitor the conditions of their flow in order to ensure uniform deposition of a substance free from defects that could lead to a deterioration in the operation of an electrical device. One possible source of heterogeneity is a change in the flow rate of the reactant gases in the region above the substrate. Inadequate control of the gas flow rate can also lead to a change in the layer thickness from product to product, which is another source of error. Unfortunately, there is another significant problem of controlling the amount of gas that is supplied to the process chamber and maintaining stable flow rates in known gas supply systems.

Соответственно, на Фиг.37А изображен один вариант осуществления настоящего изобретения, приспособленный для подачи (с точно управляемой скоростью потока) технологического газа над поверхностью полупроводниковой пластины во время процесса ХОПФ. В частности, полупроводниковая пластина 3700 размещается на основе 3702 полупроводниковой пластины, расположенной внутри камеры ХОПФ. Эластомерная структура 3704, содержащая большое количество равномерно распределенных отверстий 3706, располагается выше поверхности полупроводниковой пластины 3700.Accordingly, FIG. 37A depicts one embodiment of the present invention adapted to supply (with precisely controlled flow rate) process gas above the surface of a semiconductor wafer during a CVD process. In particular, the semiconductor wafer 3700 is placed based on the 3702 semiconductor wafer located inside the CVD camera. The elastomeric structure 3704, containing a large number of uniformly distributed holes 3706, is located above the surface of the semiconductor wafer 3700.

Ряд технологических газов подают с тщательно управляемыми скоростями из резервуаров 3708а и 3708b через каналы в эластомерный блок 3704 и из отверстий 3706. В результате точно управляемого потока технологических газов над полупроводниковой пластиной 3700 осаждается твердый материал 3710, имеющий чрезвычайно однородную структуру.A number of process gases are supplied at carefully controlled speeds from reservoirs 3708a and 3708b through channels to the elastomeric block 3704 and from openings 3706. As a result of the precisely controlled flow of process gases, solid material 3710 having an extremely uniform structure is deposited over the semiconductor wafer 3700.

Точное измерение скоростей потока газа реагента с использованием клапанных и/или насосных структур настоящего изобретения возможно по нескольким причинам. Во-первых, газы можно пропускать через клапаны, которые срабатывают по линейному закону на приложенное давление срабатывания, так как обсуждено выше со ссылкой на Фиг.21А и 21В. Альтернативно или в дополнение к измерению газового потока с использованием клапанов, предсказуемое поведение насосных структур, согласно настоящему изобретению, можно использовать для точного измерения потока технологического газа.Accurate measurement of reagent gas flow rates using the valve and / or pump structures of the present invention is possible for several reasons. Firstly, gases can be passed through valves that operate linearly to the applied response pressure, as discussed above with reference to Figs. 21A and 21B. Alternatively or in addition to measuring gas flow using valves, the predicted behavior of the pump structures of the present invention can be used to accurately measure process gas flow.

Кроме описанных выше процессов химического осаждения из паровой фазы настоящий метод также полезен для управления газовым потоком в методах, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия и реактивное ионное травление.In addition to the chemical vapor deposition processes described above, the present method is also useful for controlling gas flow in methods such as molecular beam epitaxy and reactive ion etching.

3. Микрозеркальные решетки3. Micromirror gratings

Хотя варианты осуществления настоящего изобретения, описанные таким образом, в основном относятся к работе структуры, состоящей полностью из эластомерного материала, настоящее изобретение не ограничено этим типом структуры. В частности, в пределах объема настоящего изобретения находятся структуры, которые совмещают эластомерную структуру с известной полупроводниковой структурой на основе кремния.Although the embodiments of the present invention described in this way mainly relate to the operation of a structure consisting entirely of elastomeric material, the present invention is not limited to this type of structure. In particular, within the scope of the present invention are structures that combine an elastomeric structure with a known silicon-based semiconductor structure.

Например, другим использованием микрообработанных насосов и клапанов могут быть оптические дисплеи, в которых мембрана в эластомерной структуре отражает свет от плоской пленарной или изогнутой поверхности в зависимости от срабатывания мембраны. Мембрана как таковая действует как переключаемый пиксель. Решетку таких переключаемых пикселей с соответствующей схемой управления можно использовать в качестве цифровой или аналоговый микрозеркальной решетки.For example, other uses of microprocessed pumps and valves may be optical displays in which a membrane in an elastomeric structure reflects light from a flat plenary or curved surface depending on the response of the membrane. The membrane as such acts as a switchable pixel. An array of such switchable pixels with an appropriate control circuit can be used as a digital or analog micromirror array.

Соответственно, на Фиг.38 изображена в разобранном виде часть одного варианта осуществления микрозеркальной решетки согласно настоящему изобретению.Accordingly, FIG. 38 shows an exploded view of a portion of one embodiment of a micromirror array according to the present invention.

Микрозеркальная решетка 3800 включает первый слой 3802 эластомера, лежащий над основной полупроводниковой структурой 3804 и разделенный от нее вторым слоем 3806 эластомера. Поверхность 3804а полупроводниковой структуры 3804 несет на себе множество электродов 3810. Электроды 3810 являются индивидуально адресуемыми через проводящие линии строк и столбцов, что известно специалистам.The micromirror grating 3800 includes a first elastomer layer 3802 lying above the main semiconductor structure 3804 and separated from it by a second elastomer layer 3806. The surface 3804a of the semiconductor structure 3804 carries a plurality of electrodes 3810. The electrodes 3810 are individually addressable through conducting lines of rows and columns, as is known to those skilled in the art.

Первый эластомерный слой 3802 включает множество пересекающихся каналов 3822, которые лежат под электропроводной, отражающей частью 3802а эластомерной мембраны. Первый эластомерный слой 3802 выровнен над вторым эластомерным слоем 3806 и основным полупроводниковым устройством 3804 так, что точки пересечения каналов 3822 проходят над электродами 3810.The first elastomeric layer 3802 includes a plurality of intersecting channels 3822 that lie beneath the electrically conductive, reflective portion 3802a of the elastomeric membrane. The first elastomeric layer 3802 is aligned over the second elastomeric layer 3806 and the main semiconductor device 3804 so that the intersection points of the channels 3822 extend over the electrodes 3810.

В одном варианте осуществления способа изготовления, согласно настоящему изобретению, первый эластомерный слой 3822 можно сформировать путем нанесения эластомерного материала методом центрифугирования на формы с рисунком в виде пересекающихся каналов, вулканизации эластомера, удаления профилированного эластомера из формы и введения электропроводящей примеси в приповерхностную область профилированного эластомера. Альтернативно, как описано выше со ссылкой на Фиг.7C-7G, первый эластомерный слой 3822 можно сформировать из двух слоев эластомера путем вставки эластомерного материала в форму, содержащую пересекающиеся каналы так, чтобы эластомерный материал был заподлицо с высотой стенок канала, и затем присоединения отдельного легированного эластомерного слоя к существующему эластомерному материалу для формирования мембраны на верхней поверхности.In one embodiment of the manufacturing method according to the present invention, the first elastomeric layer 3822 can be formed by applying the elastomeric material by centrifugation on intersecting channel shapes, vulcanizing the elastomer, removing the shaped elastomer from the mold and introducing an electrically conductive impurity into the surface region of the shaped elastomer. Alternatively, as described above with reference to FIGS. 7C-7G, the first elastomeric layer 3822 can be formed from two layers of elastomer by inserting the elastomeric material into a mold containing intersecting channels so that the elastomeric material is flush with the height of the channel walls, and then attaching a separate a doped elastomeric layer to an existing elastomeric material to form a membrane on the upper surface.

Альтернативно, первый эластомерный слой 3802 можно получить из электропроводного эластомера, где электропроводность обусловлена легированием или внутренними свойствами материала эластомера.Alternatively, the first elastomeric layer 3802 can be obtained from an electrically conductive elastomer, where the electrical conductivity is due to the doping or internal properties of the elastomer material.

Во время работы отражающей структуры 3800 электрические сигналы передаются по выбранной линии строки и линии столбца на электрод 3810а. При подаче напряжения на электрод 3810а вырабатывается сила притяжения между электродом 3810а и лежащей сверху мембраной 3802а. Эта сила притяжения приводит в действие часть мембраны 3802а, заставляя эту мембранную часть прогибаться вниз в полость, полученную в результате пересечения каналов 3822. В результате отклонения мембраны 3802а от плоского состояния в вогнутое свет отражается по-другому в этой точке поверхности эластомерной структуры 3802, чем от окружающей плоской поверхности мембраны. Таким образом создается изображение пикселя.During operation of the reflective structure 3800, electrical signals are transmitted along the selected row line and column line to the electrode 3810a. When voltage is applied to the electrode 3810a, an attractive force is generated between the electrode 3810a and the membrane 3802a lying on top. This attractive force drives part of the membrane 3802a, causing this membrane part to bend down into the cavity obtained by crossing channels 3822. As a result of the deviation of the membrane 3802a from a flat state into concave light, it is reflected differently at this point on the surface of the elastomeric structure 3802, than from the surrounding flat surface of the membrane. This creates a pixel image.

Вид этого изображения пикселя изменяется, и им можно управлять путем изменения величины напряжения, подаваемого на электрод. Более высокое напряжение, подаваемое на электрод, приведет к увеличению силы притяжения на мембранной части и дополнительной деформации своей формы. Более низкое напряжение, подаваемое на электрод, приведет к уменьшению силы притяжения на мембране и отклонению от плоской формы. Любое из этих изменений будет влиять на вид возникающего в результате изображение пикселя.The appearance of this pixel image changes, and it can be controlled by changing the magnitude of the voltage supplied to the electrode. A higher voltage applied to the electrode will lead to an increase in the attractive force on the membrane part and additional deformation of its shape. A lower voltage applied to the electrode will lead to a decrease in the attractive force on the membrane and a deviation from the flat shape. Any of these changes will affect the appearance of the resulting pixel image.

Структуру микрозеркальной решетки с переменным отражением, как описано, можно использовать в различных применениях, включая отображение изображений. Другим применением для структуры микрозеркальной решетки с переменным отражением, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, будет переключатель с высокой пропускной способностью для системы волоконно-оптической связи, причем каждый пиксель позволяет влиять на отражение и пропускание составляющей падающего светового сигнала.The variable-reflection micromirror lattice structure, as described, can be used in various applications, including image display. Another application for a variable-reflection micromirror lattice structure according to an embodiment of the present invention will be a high-throughput switch for a fiber optic communication system, each pixel being able to influence the reflection and transmission of the component of the incident light signal.

5. Отражательные структуры5. Reflective structures

Только что описанная структура микрозеркальной решетки позволяет управлять коэффициентом отражения падающего света. Однако настоящее изобретение не ограничено управлением коэффициента отражения. Еще один вариант осуществления настоящего изобретения позволяет использовать точное управление коэффициентом отражения падающего свете для того, чтобы создать структуры линз и фильтров.The just described structure of the micromirror lattice allows controlling the reflection coefficient of the incident light. However, the present invention is not limited to reflectance control. Another embodiment of the present invention allows precise control of the reflectance of incident light to be used in order to create lens and filter structures.

На Фиг.39 изображен один вариант осуществления отражательной структуры согласно настоящему изобретению.On Fig shows one embodiment of a reflective structure according to the present invention.

Отражательная структура 3900 включает первый эластомерный слой 3902 и второй эластомерный слой 3904, состоящий из эластомерного материала, который позволяет пропускать падающий свет 3906.Reflective structure 3900 includes a first elastomeric layer 3902 and a second elastomeric layer 3904, consisting of an elastomeric material that allows incident light 3906 to be transmitted.

Первый эластомерный слой 3902 имеет выпуклую часть 3902а, которую можно создать с помощью вулканизации эластомерного материала, сформированного на микрообработанной форме, имеющей вогнутую часть. Второй эластомерный слой 3904 имеет канал 3905, и его можно получить из микрообработанной формы, имеющей выступающую линию, как обсуждено подробно выше.The first elastomeric layer 3902 has a convex portion 3902a, which can be created by curing an elastomeric material formed on a microprocessed mold having a concave portion. The second elastomeric layer 3904 has a channel 3905, and it can be obtained from a microprocessed form having a protruding line, as discussed in detail above.

Первый эластомер слой 3902 соединяют со вторым эластомерным слоем 3904 так, чтобы выпуклая часть 3902а была расположена над каналом 3905. Эта структура может служить для различных целей.The first elastomer layer 3902 is connected to the second elastomeric layer 3904 so that the convex portion 3902a is located above the channel 3905. This structure can serve for various purposes.

Например, свет, падающий на эластомерную структуру 3900, будет фокусироваться на основной ("лежащий снизу") канал, допуская при этом возможное пропускание света через канал. Альтернативно, в одном варианте осуществления эластомерного устройства, согласно настоящему изобретению, флуоресцентная или фосфоресцирующая текучая среда может протекать через канал, причем возникающий из текучей среды свет будет отражаться от изогнутой поверхности, формируя при этом изображение.For example, light incident on an elastomeric structure 3900 will focus on the main (“bottom”) channel, while allowing possible light transmission through the channel. Alternatively, in one embodiment of the elastomeric device according to the present invention, a fluorescent or phosphorescent fluid may flow through the channel, and the light arising from the fluid will be reflected from the curved surface, thereby forming an image.

На Фиг.40 изображен другой вариант осуществления отражательной структуры согласно настоящему изобретению. Отражательная структура 4000 представляет собой многослойный оптический пакет, основанный на конструкции линзы Френеля. В частности, преломляющая структура 4000 состоит из четырех последовательных слоев 4002, 4004, 4006 и 4008 эластомера, соединенных вместе. Верхние поверхности каждого первого, второго и третьего слоя 4002, 4004 и 4006 эластомера имеют одинаковые зубцы 4010, равномерно расположенные на расстоянии X, которое намного больше, чем длина волны падающего света. Зубцы 4010 служат для фокусировки падающего света, и их можно сформировать путем использования микрообработанной формы, как описано подробно выше. Первый, второй и третий эластомерные слои 4002, 4004 и 4006 функционируют как линзы Френеля, что будет понятно специалистам.40 shows another embodiment of a reflective structure according to the present invention. Reflective structure 4000 is a multilayer optical package based on the design of the Fresnel lens. In particular, the refractive structure 4000 consists of four successive elastomer layers 4002, 4004, 4006 and 4008 joined together. The upper surfaces of each of the first, second, and third elastomer layers 4002, 4004, and 4006 have the same teeth 4010 evenly spaced at a distance X, which is much longer than the wavelength of the incident light. The teeth 4010 serve to focus the incident light, and they can be formed using a microprocessed shape, as described in detail above. The first, second, and third elastomeric layers 4002, 4004, and 4006 function as Fresnel lenses, which will be apparent to those skilled in the art.

Четвертый эластомерный слой 4008 несет на себе одинаковые зубцы 4012, имеющие намного меньший размер, чем зубцы лежащих сверху эластомерных слоев. Зубцы 4012 также располагаются отдельно на намного меньшем расстоянии Y, чем зубцы лежащих сверху эластомерных слоев, при этом Y порядка длины волны падающего света, поэтому эластомерный слой 4008 функционирует как дифракционная решетка.The fourth elastomeric layer 4008 carries the same teeth 4012, which are much smaller than the teeth of the elastomeric layers lying on top. The teeth 4012 are also located separately at a much smaller distance Y than the teeth of the elastomeric layers lying on top, while Y is of the order of the incident light wavelength, therefore, the elastomeric layer 4008 functions as a diffraction grating.

На Фиг.41 изображен вариант осуществления отражательной структуры согласно настоящему изобретению, в котором используется разность коэффициентов преломления материалов главным образом для выполнения дифракции. Преломляющая структура 4100 включает нижнюю эластомерную часть 4102, закрытую верхней эластомерной частью 4104. Нижняя эластомерная часть 4102 и верхняя эластомерная часть 4104 состоит из материала, пропускающего падающий свет 4106. Нижняя эластомерная часть 4102 включает множество извилистых каналов 4108, разделенных эластомерными площадками 4110. Каналы 4108 включают текучую среду 4112, имеющую другой коэффициент преломления, чем у эластомерного материала, из которого состоят площадки 4110. Текучая среда 4112 прокачивается через извилистые каналы 4108 в ходе работы насосной структуры 4114, состоящей из параллельных каналов 4116а и 4116b управления, лежащих выше входной части 4108а канала 4108 и разделенных подвижной мембраной 4118.On Fig shows an embodiment of a reflective structure according to the present invention, which uses the difference in the refractive indices of materials mainly to perform diffraction. The refractory structure 4100 includes a lower elastomeric part 4102, covered by the upper elastomeric part 4104. The lower elastomeric part 4102 and the upper elastomeric part 4104 consists of a material that transmits incident light 4106. The lower elastomeric part 4102 includes many tortuous channels 4108, separated by elastomeric pads 4110. Channels 41010 include a fluid 4112 having a different refractive index than that of the elastomeric material that the pads 4110 are composed of. Fluid 4112 is pumped through tortuous channels 4108 during p bots pump structure 4114 consisting of parallel channels 4116a and 4116b controls lying above the channel inlet portion 4108a 4108 and 4118 separated by a movable membrane.

Свет 4106, падающий на преломляющую структуру 4100, наталкивается на ряд эквидистантных заполненных текучей средой каналов 4108, разделенных эластомерными площадками 4110. В результате отличий оптических свойств материала, присутствующего соответственно в этих областях "текучая среда-эластомер", часть падающего света отражается и взаимодействует неравномерно, что приводит к образованию интерференционной картины. Набор преломляющих структур, наподобие только что описанных, позволяет выполнить даже более сложное и специализированное отражение падающего света.Light 4106 incident on the refractive structure 4100 encounters a series of equidistant fluid-filled channels 4108 separated by elastomeric pads 4110. As a result of differences in the optical properties of the material present in these fluid-elastomer regions, part of the incident light is reflected and interacts unevenly , which leads to the formation of an interference pattern. A set of refractive structures, like the ones just described, allows you to perform even more complex and specialized reflection of the incident light.

Только что описанные эластомерные структуры можно использовать в различных целях. Например, эластомерная структура может действовать как фильтр или оптический переключатель, который не пропускает выбранные длины волн падающего света. Кроме того, характеристики преломления структуры можно легко регулировать в зависимости от потребностей конкретного применения.The elastomeric structures just described can be used for various purposes. For example, the elastomeric structure may act as a filter or an optical switch that does not transmit selected wavelengths of incident light. In addition, the refractive characteristics of the structure can be easily adjusted depending on the needs of a particular application.

Например, состав (и, следовательно, коэффициент преломления) текучей среды, протекающей через каналы, можно изменять так, чтобы воздействовать на дифракцию. С другой стороны, или совместно с изменением идентичности протекаемой текучей среды, расстоянием, разделяющим соседние каналы, можно точно управлять в процессе изготовления структуры для того, чтобы вырабатывать оптическую интерференционную картину, имеющую необходимые характеристики.For example, the composition (and therefore the refractive index) of a fluid flowing through channels can be varied so as to affect diffraction. On the other hand, or together with a change in the identity of the flowing fluid, the distance separating adjacent channels can be precisely controlled during the fabrication process in order to produce an optical interference pattern having the necessary characteristics.

6. Нормально закрытая клапанная структура6. Normally closed valve structure

На Фиг.7В и 7Н, представленных выше, изображена структура клапана, в которой эластомерная мембрана перемещается из первого релаксационного положения во второе возбужденное положение, в котором канал перекрыт. Однако настоящее изобретение не ограничено этой специфической конфигурацией клапана.FIGS. 7B and 7H above depict a valve structure in which an elastomeric membrane moves from a first relaxation position to a second excited position in which the channel is closed. However, the present invention is not limited to this specific valve configuration.

На Фиг.42A-42J показан ряд видов структуры с нормально закрытыми клапанами, в которой эластомернная мембрана перемещается из первого релаксационного положения, перекрывающего канал, во второе возбужденное положение, в которой канал остается открытым поде действием отрицательного давления управления.42A-42J show a series of views of a normally-closed valve structure in which the elastomeric membrane moves from the first relaxation position that overlaps the channel to the second excited position, in which the channel remains open under the influence of negative control pressure.

На Фиг.42А изображен вид сверху и на Фиг.42В изображен поперечный разрез вдоль линии 42В-42В' нормально закрытого клапана 4200 в нерабочем состоянии. Канал 4202 и канал 4204 управления сформирован в эластомерной блоке 4206, лежащем выше подложки 4205. Канал 4202 включает первую часть 4202а и вторую часть 4202b, разделенные с помощью разделительной части 4208. Канал 4204 управления проходит над разделительной частью 4208. Как показано на Фиг.42В, в своем релаксационном, нерабочем положении, разделительная часть 4008 остается расположенной между частями 4202а и 4202b канала, перекрывающего канал 4202.FIG. 42A is a plan view and FIG. 42B is a cross-sectional view taken along line 42B-42B ′ of a normally closed valve 4200 inoperative. The channel 4202 and the control channel 4204 are formed in an elastomeric block 4206 lying above the substrate 4205. The channel 4202 includes a first part 4202a and a second part 4202b separated by a separation part 4208. The control channel 4204 extends above the separation part 4208. As shown in FIG. 42B , in its relaxed, inactive position, the dividing part 4008 remains located between the portions 4202a and 4202b of the channel overlapping the channel 4202.

На Фиг.42С изображен вид в поперечном сечении клапана 4200, в котором разделительная часть 4208 находится в рабочем положении. Когда давление внутри канала 4204 управления падает ниже уровня давления в канале (например, с помощью вакуумного насоса), разделительная часть 4208 испытывает усилие срабатывания, которое втягивает ее в канал 4204 управления. В результате действия этого усилия срабатывания мембрана 4208 попадает в канал 4204 управления, таким образом устраняя препятствие для потока материала через канал 4202 и создавая проход 4203. После повышения давления внутри канала 4204 управления разделительная часть 4208 примет свое естественное релаксационное положение и перекроет канал 4202.42C is a cross-sectional view of a valve 4200 in which the spacer portion 4208 is in the operating position. When the pressure inside the control channel 4204 drops below the pressure level in the channel (for example, using a vacuum pump), the separation portion 4208 experiences a response force that draws it into the control channel 4204. As a result of this actuation force, the membrane 4208 enters the control channel 4204, thereby removing the obstruction of material flow through the channel 4202 and creating a passage 4203. After increasing the pressure inside the control channel 4204, the separation part 4208 will assume its natural relaxation position and block the channel 4202.

Поведение мембраны после прикладывания усилия срабатывания можно изменить путем изменения ширины проходящего сверху канала управления. Соответственно, на Фиг.42D-42H показаны вид сверху и вид в поперечном сечении альтернативного варианта осуществления нормально закрытого клапана 4201, в котором канал 4207 управления существенно шире, чем разделительная часть 4208. Как показано на поперечных разрезах (Фиг.42E-F) вдоль линии 42Е-42Е' (Фиг.420), т.к. большая область эластомерного материала требуется для перемещения во время срабатывания, усилие срабатывания, которое необходимо прикладывать, уменьшается.The behavior of the membrane after the actuation force is applied can be changed by changing the width of the control channel passing from above. Accordingly, FIGS. 42D-42H show a top view and a cross-sectional view of an alternative embodiment of a normally closed valve 4201, in which the control channel 4207 is substantially wider than the separation portion 4208. As shown in cross-sections (Fig. 42E-F) along lines 42E-42E '(Fig. 420), because a large area of elastomeric material is required to move during actuation, the actuation force that must be applied is reduced.

На Фиг.42G и Н показаны поперечные разрезы вдоль линии 40G-40G' (Фиг.40D). По сравнению с конфигурацией невозбужденного клапана, показанного на Фиг.42С, на Фиг.42 изображено, что пониженное давление внутри более широкого канала 4207 управления может при определенных условиях привести к нежелательному эффекту вытягивания нижележащего эластомера 4206 от подложки 4205, таким образом создавая нежелательную полость 4212.Fig. 42G and H show cross sections along the line 40G-40G '(Fig. 40D). Compared to the non-actuated valve configuration shown in FIG. 42C, FIG. 42 shows that reduced pressure within the wider control channel 4207 may, under certain conditions, lead to the undesirable effect of pulling the underlying elastomer 4206 from the substrate 4205, thereby creating an unwanted cavity 4212 .

Соответственно, на Фиг.42I изображен вид сверху, и на 42J поперечный разрез вдоль линии 42J-42J' (Фиг.421), структуры 4220 клапана, в которой эта проблема решена путем выполнения линии 4204 управления с минимальной шириной за исключением сегмента 4204а, перекрывающего отдельную часть 4208. Как показано на Фиг.42J, даже при условиях срабатывания более узкое поперечное сечение канала 4204 управления уменьшает силу притяжения на нижележащем эластомерном материале 4206, таким образом защищая этот эластомерный материал от вытягивания из подложки 4205 и образования нежелательной полости.Accordingly, FIG. 42I is a top view, and in 42J, is a cross-sectional view along line 42J-42J ′ (FIG. 421), a valve structure 4220 in which this problem is solved by making control line 4204 with a minimum width except segment 4204a overlapping separate portion 4208. As shown in FIG. 42J, even under actuation conditions, a narrower cross-section of the control channel 4204 reduces the attractive force on the underlying elastomeric material 4206, thereby protecting this elastomeric material from being pulled out of the substrate 4205 and not forming desired cavity.

Хотя структура нормально закрытого клапана, приводимая в действие в результате подачи давления, изображена на Фиг.42А-42J, нормально закрытый клапан, согласно настоящему изобретению, не ограничен этой конфигурацией. Например, разделительной частью, которая затрудняет канал, можно альтернативно управлять с помощью электрических или магнитных полей, как описано подробно выше.Although the structure of the normally closed valve actuated by the pressure supply is depicted in FIGS. 42A-42J, the normally closed valve according to the present invention is not limited to this configuration. For example, the separation part that impedes the channel can alternatively be controlled by electric or magnetic fields, as described in detail above.

7. Разделение материалов7. Separation of materials

В другом применении настоящего изобретения эластомерную структуру можно использовать для выполнения разделения материалов. На Фиг.43 изображен один вариант осуществления такого устройства.In another application of the present invention, an elastomeric structure can be used to perform material separation. FIG. 43 shows one embodiment of such a device.

Разделительное устройство 4300 содержит эластомерный блок 4301, включающий резервуар 4302 для текучей среды, который связан с каналом 4304. Текучая среда закачивается из резервуара 4306 для текучей среды через канал 4308 с помощью перистальтической насосной структуры 4310, образованной с помощью каналов 4312 управления, пролегающих над каналом 4304, как было подробно описано выше. Альтернативно, там где перистальтическая насосная структура, согласно настоящему изобретению, не позволяет обеспечить достаточное обратное давление, текучую среду можно закачивать в эластомерное устройство из резервуара, установленного снаружи эластомерной структуры, используя внешний насос.The separation device 4300 comprises an elastomeric unit 4301 including a fluid reservoir 4302 that is connected to a channel 4304. Fluid is pumped from a fluid reservoir 4306 through a channel 4308 using a peristaltic pump structure 4310 formed by control channels 4312 extending above the channel 4304, as described in detail above. Alternatively, where the peristaltic pumping structure of the present invention does not provide sufficient back pressure, fluid can be pumped into the elastomeric device from a reservoir mounted outside the elastomeric structure using an external pump.

Канал 4304 вводится в разделительную колонну 4314 в виде канала, упакованного разделительной матрицей 4316 позади пористого фритта 4318. Как хорошо известно в технике хроматографии, состав разделительной матрицы 4316 зависит от характера тех материалов, которые нужно разделить и от конкретно используемого метода хроматографии. Эластомерная разделительная структура подходит для использования множества хроматографических методов, включающих, но не ограниченных, гель-эксклюзию, гель-проницание, ионный обмен, обратную фазу, гидрофобное взаимодействие, аффинную хроматографии, хроматографию (ХББЖ (FPLC)) быстродвижущейся белковой жидкости и все форматы хроматографии жидкости, находящейся под высоким давлением (ХЖВД (HPLC)). Высокое давление, используемое для ХЖВД, может потребовать применения уретановых, дициклопентадиеновых или других эластомерных комбинаций.Channel 4304 is introduced into separation column 4314 as a channel packed by separation matrix 4316 behind porous frit 4318. As is well known in the art of chromatography, the composition of separation matrix 4316 depends on the nature of the materials to be separated and on the particular chromatography method used. The elastomeric separation structure is suitable for the use of a variety of chromatographic methods, including, but not limited to, gel exclusion, gel permeation, ion exchange, reverse phase, hydrophobic interaction, affinity chromatography, chromatography (CBC (FPLC)) of fast moving protein liquid and all chromatography formats high pressure fluid (HPLC). The high pressure used for HPLC may require the use of urethane, dicyclopentadiene or other elastomeric combinations.

Образцы вводят в поток текучей среды в разделительной колонне 4314 с использованием канала 4319 загрузки. Текучая среда, закачиваемая из резервуара 4320 с образцами, поступает в канал 4319 загрузки через насос 4321. После открытия клапана 4322 и начала работы насоса 4321 образец течет из канала 4319 загрузки в канал 4304. Затем образец протекает через разделительную колонну 4314 за счет действия насосной структуры 4312. В результате разной подвижности различных компонентов образцов в разделительной матрице 4316 эти компоненты образцов начинают разделяться и элюироваться ("вытесняться") из колонны 4314 в разное время.Samples are introduced into the fluid stream in separation column 4314 using feed channel 4319. The fluid pumped from the sample tank 4320 enters the loading channel 4319 through the pump 4321. After opening the valve 4322 and the pump 4321 is started, the sample flows from the loading channel 4319 into the channel 4304. Then, the sample flows through the separation column 4314 due to the action of the pump structure 4312. As a result of the different mobility of the various components of the samples in the separation matrix 4316, these components of the samples begin to separate and elute (“squeeze out”) from column 4314 at different times.

После элюирования из разделительной колонны 4314 различные компоненты образцов проходят в область 4324 обнаружения. Как хорошо известно в технике хроматографии идентичность материалов, элюированных в область 4324 обнаружения, можно определить, используя ряд методов, включающих, но не ограниченных этим, флюоресценцию, спектроскопию в УФ/видимом/ИК диапазонах, маркировку с помощью радиоактивных изотопов, амперометрическое обнаружение, масс-спектроскопию и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).After elution from separation column 4314, various sample components pass into the detection region 4324. As is well known in the chromatographic technique, the identity of materials eluted in the detection region 4324 can be determined using a number of methods including, but not limited to, fluorescence, UV / visible / IR spectroscopy, radioactive isotope labeling, amperometric detection, mass spectroscopy and nuclear magnetic resonance (NMR).

Преимуществом разделительного устройства, согласно настоящему изобретению, является то, что он имеет предельно маленькие размеры, благодаря которым только маленькие объемы текучей среды и образца расходуются во время разделения. Кроме того, преимуществом устройства является повышенная чувствительность. В известных разделительных устройствах размер петли для образца продлевает инжекцию выборки в колонну, за счет чего потенциально возможно, что элюированные пички по ширине могут перекрывать друг друга. Предельно маленький размер и пропускная способность канала загрузки в общем позволяет избежать проблем, связанных с таким поведением пиковой диффузии.An advantage of the separation device according to the present invention is that it is extremely small in size, due to which only small volumes of fluid and sample are consumed during separation. In addition, an advantage of the device is increased sensitivity. In known separation devices, the size of the loop for the sample extends the injection of the sample into the column, due to which it is potentially possible that the eluted spikes can overlap in width. The extremely small size and throughput of the download channel in general avoids the problems associated with this behavior of peak diffusion.

Разделительная структура, показанная на Фиг.43, представляет собой только один вариант осуществления такого устройства, и в настоящем изобретении рассмотрены другие структуры. Например, хотя разделительное устройство (Фиг.43) состоит из канала, петли загрузки и разделительной колонны, сориентированной в одной плоскости, в настоящем изобретении это не требуется. Один (или более) резервуар с текучей средой, резервуар с образцами, канал, петлю загрузки и разделительную колонну можно сориентировать перпендикулярно друг другу и/или в плоскости эластомерного материала, используя сквозные структуры, формирование которых описано подробно выше со ссылкой на Фиг.35A-D.The separation structure shown in FIG. 43 is only one embodiment of such a device, and other structures are contemplated by the present invention. For example, although the separation device (Fig. 43) consists of a channel, a loading loop and a separation column oriented in the same plane, this is not required in the present invention. One (or more) fluid reservoir, sample reservoir, channel, loading loop and separation column can be oriented perpendicular to each other and / or in the plane of the elastomeric material using through structures, the formation of which is described in detail above with reference to Fig. 35A- D.

8. Ячейка для клеток, камера для клеток и дробилка клеток8. Cell Box, Cell Chamber, and Cell Crusher

В еще одном применении настоящего изобретения эластомерную структуру можно использовать для манипулирования организмами или другим биологическим материалом. На Фиг.44А-44D показаны виды сверху одного варианта осуществления структуры ячеек для клеток согласно настоящему изобретению.In yet another application of the present invention, the elastomeric structure can be used to manipulate organisms or other biological material. On Figa-44D shows a top view of one embodiment of a cell structure for cells according to the present invention.

Матрица 4400 ячеек для клеток характеризуется решеткой ортогонально сориентированных каналов 4402 с расширенной структурой 4404 "ячейки" ("загона") на пересечении чередующихся каналов. Клапан 4406 расположен на входе и выходе каждой структуры 4404 ячейки. Перистальтические насосные структуры 4408 расположены на каждом горизонтальном канале и на вертикальных каналах, где отсутствуют структуры ячеек для клеток.The matrix of 4400 cells for cells is characterized by a lattice of orthogonally oriented channels 4402 with an expanded 4404 “cell” (“corral”) structure at the intersection of alternating channels. Valve 4406 is located at the inlet and outlet of each cell structure 4404. Peristaltic pump structures 4408 are located on each horizontal channel and on vertical channels, where there are no cell structures for cells.

Матрица 4400 ячеек для клеток (Фиг.44А) была загружена клетками А-Н, которые были предварительно отсортированы, возможно с помощью структуры сортировки, описанной выше со ссылкой на Фиг.36. На Фиг.44В-44С показана организация доступа и удаления индивидуально отсортированной клетки С посредством 1) открытия клапанов 4406 на любой стороне смежных ячеек 4404а и 4404b, 2) прокачки горизонтального канала 4402а для перестановки клеток С и G, и затем 3) прокачки вертикального канала 4402b для удаления клетки С. На Фиг.44D показано, что вторая клетка G перемещается обратно на свою прежнюю позицию в матрице 4400 путем изменения направления потока текучей среды через горизонтальный канал 4402а.An array of 4400 cells for cells (Fig. 44A) was loaded with cells A-H that were previously sorted, possibly using the sorting structure described above with reference to Fig. 36. On Figv-44C shows the organization of access and removal of individually sorted cells C by 1) opening valves 4406 on either side of adjacent cells 4404a and 4404b, 2) pumping the horizontal channel 4402a to rearrange cells C and G, and then 3) pumping the vertical channel 4402b to remove cell C. FIG. 44D shows that the second cell G moves back to its previous position in the matrix 4400 by changing the direction of fluid flow through the horizontal channel 4402a.

Матрица 4404 ячеек для клеток, описанная выше, позволяет хранить материалы внутри выбранной, адресуемой позиции для быстрого доступа. Однако живые организмы, такие как клетки, могут потребовать непрерывного потребления пищи и выпуска отходов для поддержания жизнедеятельности. Соответственно на Фиг.45А и 45B показаны соответственно вид сверху и поперечный разрез (вдоль линии 45В-45В') одного варианта осуществления структуры камеры для клеток, согласно настоящему изобретению.The matrix of 4404 cells for cells described above allows you to store materials inside a selected, addressable position for quick access. However, living organisms, such as cells, may require continuous consumption of food and the release of waste to sustain life. Accordingly, FIGS. 45A and 45B respectively show a top view and a cross section (along line 45B-45B ′) of one embodiment of a cell chamber structure according to the present invention.

Камера для клеток 4500 сформирована в виде расширенной части 4500а канала 4501 в эластомерном блоке 4503, который находится в контакте с подложкой 4505. Камера 4500 для клеток подобна отдельной ячейке для клеток, которая описана выше на Фиг.44A-44D, за исключением того, что концы 4500b и 4500 с камеры 4500 для клеток полностью не окружают внутреннюю область 4500а. Более того, концы 4500а и 4500b камеры ("клетки") 4500 сформированы с множеством втягивающихся столбиков 4502. Столбики 4502 могут быть частью мембранной структуры нормально закрытой клапанной структуры, как описано подробно выше со ссылкой на Фиг.42A-42J.The cell chamber 4500 is formed as an enlarged portion 4500a of the channel 4501 in an elastomeric block 4503 that is in contact with the substrate 4505. The cell chamber 4500 is similar to the separate cell cell described above in FIGS. 44A-44D, except that the ends 4500b and 4500 from the cell chamber 4500 do not completely surround the inner region 4500a. Moreover, chamber ends 4500a and 4500b (“cells”) 4500 are formed with a plurality of retractable columns 4502. Columns 4502 may be part of a normally closed valve structure membrane structure, as described in detail above with reference to Figures 42A-42J.

В частности, канал 4504 управления проходит над столбиками 4502. Когда давление в канале 4504 управления падает, эластомерные столбики 4502 выдвигаются вверх в канал управления 4504, таким образом открывая конец 4500b камеры 4500 для клеток и обеспечивая ввод клетки. После повышения давления в канале 4504 управления столбики 4502 втягиваются по направлению вниз от подложки 4505, что препятствует выходу клетки из камеры 4500.In particular, the control channel 4504 extends above the posts 4502. When the pressure in the control channel 4504 drops, the elastomeric posts 4502 extend up into the control channel 4504, thereby opening the end of the chamber 4500 for the cells 45 and allowing cell entry. After increasing the pressure in the control channel 4504, the columns 4502 are retracted downward from the substrate 4505, which prevents the cell from leaving the chamber 4500.

Размер и число эластомерных столбиков 4502 является достаточным для того, чтобы предотвратить перемещение клетки из камеры 4500, кроме того, они также включают промежутки 4508, которые позволяют проходить питательному веществу во внутреннюю часть 4500а камеры для того, чтобы поддерживать в ней клетку(и) в сохранности. Столбики 4502 на противоположном конце 4500с имеют аналогичную конфигурацию внизу второго канала 4506 управления, что позволяет открывать камеру и удалять при необходимости из нее клетки.The size and number of elastomeric columns 4502 is sufficient to prevent the cell from moving from the chamber 4500, in addition, they also include gaps 4508 that allow the nutrient to pass into the interior of the chamber 4500a in order to support the cell (s) in it safety. Columns 4502 at the opposite end of 4500c have a similar configuration at the bottom of the second control channel 4506, which allows you to open the camera and remove cells from it if necessary.

В определенных условиях может потребоваться размельчение/разрушение клеток или других биологических материалов для того, чтобы обеспечить доступ к оставшимся частям.Under certain conditions, it may be necessary to grind / destroy cells or other biological materials in order to provide access to the remaining parts.

Соответственно, на Фиг.46А и 46В показаны соответственно вид сверху и поперечный разрез (вдоль линии 46В-46В') одного варианта осуществления структуры 4600 дробилки клеток, согласно настоящему изобретению. Дробилка 4600 клеток включает систему встречно-штыревых столбиков 4602 внутри канала 4604, который перекрывается сразу после срабатывания интегральной мембраны 4606 с помощью проходящего выше канала 4608 управления. При одновременном закрытии столбики 4602 дробят материал, присутствующий между ними.Accordingly, FIGS. 46A and 46B respectively show a top view and a cross section (along line 46B-46B ′) of one embodiment of a cell crusher structure 4600 according to the present invention. The crusher 4600 cells includes a system of interdigital columns 4602 inside the channel 4604, which is blocked immediately after the actuation of the integral membrane 4606 using the channel 4608 passing above the control. With the simultaneous closure of the columns 4602 crush the material present between them.

Столбики 4602 могут располагаться на интервалах, соответствующих разрушению объектов (клеток) с заданным размером. Для разрушения клеточного материала подходящим является размещение столбиков 4602 с интервалом приблизительно 2 мкм. В альтернативно варианте осуществления структуры дробления клетки, согласно настоящему изобретению, столбики 4602 можно расположить полностью на находящейся выше мембране или полностью на дне канала управления.Columns 4602 can be located at intervals corresponding to the destruction of objects (cells) with a given size. For destruction of the cellular material, placement of columns 4602 with an interval of approximately 2 μm is suitable. In an alternative embodiment of the cell fragmentation structure of the present invention, columns 4602 can be positioned completely on the membrane above or completely on the bottom of the control channel.

9. Генератор давления9. Pressure generator

В другом применении настоящего изобретения эластомерную структуру можно использоваться для создания структуры генератора давления, аналогичной схемам генератора, которые часто используются в области электроники. На Фиг.47 показан вид сверху одного варианта осуществления такой структуры генератора давления.In another application of the present invention, an elastomeric structure can be used to create a pressure generator structure similar to generator circuits that are often used in the field of electronics. On Fig shows a top view of one embodiment of such a structure of a pressure generator.

Генератор 4700 давления содержит эластомерный блок 4702, особенностью которого является сформированный в нем канал 4704. Канал 4704 включает начальную часть 4704а, расположенную рядом с источником 4706 давления, и извилистую часть 4704b, отдаленную от источника 4706 давления. Начальная часть 4704а находится в контакте со сквозным отверстием 4708, обеспечивающим связь для текучей среды с каналом 4710 управления, сформированным в эластомерном блоке 4702, который расположен выше уровня канала 4704. В месте расположения, более отдаленном от источника 4706 давления, чем сквозное отверстие 4708, канал 4710 управления проходит над каналом 4704 и разделен с помощью эластомерной мембраны, таким образом образуя клапан 4712, который описан выше.The pressure generator 4700 contains an elastomeric block 4702, a feature of which is the channel 4704 formed therein. The channel 4704 includes an initial part 4704a located adjacent to the pressure source 4706 and a tortuous part 4704b remote from the pressure source 4706. The initial portion 4704a is in contact with the through hole 4708, providing fluid communication with the control channel 4710 formed in the elastomeric unit 4702, which is located above the level of the channel 4704. At a location farther from the pressure source 4706 than the through hole 4708, control channel 4710 extends above channel 4704 and is separated by an elastomeric membrane, thereby forming valve 4712, which is described above.

Структура 4700 генератора давления функционирует следующим образом. Первоначально источник 4706 давления обеспечивает подачу давления вдоль канала 4704 и канала 4710 управления через сквозное отверстие 4708. Из-за извилистой формы канала 4704b давление в области 4704b будет ниже, чем в канале 4710. В клапане 4712 разность давления между частью 4704b извилистого канала и проходящим выше каналом 4710 управления в конечном счете приводит к тому, что мембрана клапана 4712 будет опускаться вниз в часть 4704b извилистого канала и закрывать клапан 4712. Однако благодаря непрерывной работе источника 4706 давления давление начинает расти в части 4704b извилистого канала позади закрытого клапана 4712. Давление между каналом 4710 управления и частью 4704b извилистого канала в конечном счете выравнивается, и клапан 4712 открывается.The structure 4700 of the pressure generator operates as follows. Initially, the pressure source 4706 provides pressure along the channel 4704 and the control channel 4710 through the through hole 4708. Due to the tortuous shape of the channel 4704b, the pressure in the region 4704b will be lower than in the channel 4710. In valve 4712, the pressure difference between the tortuous channel part 4704b and the passage above the control channel 4710 ultimately causes the membrane of the valve 4712 to go down into the tortuous channel portion 4704b and close the valve 4712. However, due to the continuous operation of the pressure source 4706, the pressure begins to rise per hour the tortuous channel 4704b behind the closed valve 4712. The pressure between the control channel 4710 and the tortuous channel part 4704b ultimately equalizes and the valve 4712 opens.

Данная непрерывная работа источника давления с вышеописанным повышением и понижением давления будет продолжаться неопределенно долго, что приводит в результате к регулярному колебанию давления. Такое устройство колебания давления позволяет выполнить любое число возможных функций, включая, но не ограничивая, синхронизацию.This continuous operation of the pressure source with the pressure increase and decrease described above will continue indefinitely, resulting in regular pressure fluctuations. Such a pressure oscillation device allows you to perform any number of possible functions, including, but not limited to, synchronization.

10. Клапан с боковым срабатыванием10. Side Acting Valve

Хотя вышеупомянутое описание было сфокусировано на микрообработанные эластомерные клапанные структуры, в которых канал управления располагается над и разделяется от проходящего ниже канала с помощью промежуточной эластомерной мембраны, настоящее изобретение не ограничено этой конфигурацией. На Фиг.48А и 48В показаны виды сверху одного варианта осуществления структуры клапана с боковым срабатыванием согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.Although the above description has focused on microprocessed elastomeric valve structures in which the control channel is located above and is separated from the channel below by an intermediate elastomeric membrane, the present invention is not limited to this configuration. FIGS. 48A and 48B show top views of one embodiment of a lateral actuation valve structure according to one embodiment of the present invention.

На Фиг.48А показана структура 4800 клапана с боковым срабатыванием в нерабочем положении. В эластомерном слое 4804 сформирован канал 4802. В эластомерном слое 4804 также сформирован канал 4806 управления, прилегающий к каналу 4802. Канал 4806 управления отделен от канала 4802 с помощью части 4808 эластомерной мембраны. Второй эластомерный слой (не показан) присоединяется сверху к нижнему эластомерному слою 4804, закрывая канал 4802 и канал 4806 управления.On Figa shows the structure 4800 of the valve with lateral actuation in the idle position. A channel 4802 is formed in the elastomeric layer 4804. A control channel 4806 is also formed in the elastomeric layer 4804 adjacent to the channel 4802. The control channel 4806 is separated from the channel 4802 by means of a portion 4808 of the elastomeric membrane. A second elastomeric layer (not shown) is attached from above to the lower elastomeric layer 4804, closing channel 4802 and control channel 4806.

На Фиг.48В показана структура 4800 клапана с боковым срабатыванием в рабочем положении. При повышении давления внутри канала 4806 управления мембрана 4808 отклоняется в канал 4802, закрывая канал 4802. После понижения давления внутри канала 4806 управления мембрана 4808 возвращаться в свое исходное положение в канал 4806 управления и открывает канал 4802.On Figv shows the structure 4800 of the valve with lateral actuation in the working position. As the pressure inside the control channel 4806 increases, the membrane 4808 deviates into the channel 4802, closing the channel 4802. After the pressure inside the control channel 4806 decreases, the membrane 4808 returns to its original position in the control channel 4806 and opens the channel 4802.

Хотя структура клапана с боковым срабатыванием, которая приводится в действие давлением, изображена на Фиг.48А и 48В, клапан с боковым срабатыванием, согласно настоящему изобретению, не ограничивается этой конфигурацией. Например, частью эластомерной мембраны, расположенной между каналом и прилегающим к нему каналом управления, можно альтернативно управлять с помощью электрического или магнитного полей, как описано подробно выше.Although the structure of the lateral actuation valve, which is driven by pressure, is shown in Figs. 48A and 48B, the lateral actuation valve according to the present invention is not limited to this configuration. For example, a portion of an elastomeric membrane located between the channel and an adjacent control channel can alternatively be controlled by electric or magnetic fields, as described in detail above.

11. Дополнительные приложения11. Additional applications

Ниже представлены аспекты настоящего изобретения:The following are aspects of the present invention:

настоящие клапаны и насосы можно использовать для доставки лекарства (например, в имплантируемом устройстве доставки лекарства), и для осуществления выборки биологических жидкостей (например, при хранении образцов последовательно в колонке с пробками из прокладок с текучей средой между ними, где образцы можно перемещать в различные емкости для хранения или пропускать непосредственно к соответствующему датчику(ам)). Такое устройство для выборки текучей среды можно имплантировать в тело пациента.these valves and pumps can be used for drug delivery (for example, in an implantable drug delivery device), and for sampling biological fluids (for example, when storing samples sequentially in a column with plugs from gaskets with fluid in between, where the samples can be moved to various storage containers or pass directly to the appropriate sensor (s)). Such a fluid sampling device can be implanted into a patient’s body.

Представленные системы можно также использовать для устройств, которые уменьшают избыточное давление в организме (in vivo} с использованием микроклапана или насоса. Например, имплантируемый биосовместимый микроклапан можно использовать для понижения избыточного давления в глазе, которое возникает при глаукоме. Другие рассмотренные варианты использования представленных переключаемых микроклапанов включают имплантацию в семенной канал или фаллопиеву трубу, позволяя при этом обратимо, долгосрочно или краткосрочно, ограничивать рождаемость без применения лекарств.The presented systems can also be used for devices that reduce the excessive pressure in the body (in vivo} using a micro valve or pump. For example, an implantable biocompatible micro-valve can be used to reduce the excess pressure in the eye that occurs with glaucoma. Other considered use cases of the presented switched micro valves include implantation in the seminal canal or fallopian tube, while allowing reversible, long-term or short-term, to restrict birth nce without medication.

Другие применения настоящего изобретения включают упорядочивание ДНК, посредством чего ДНК, которая будет упорядочиваться, снабжается полимеразой и праймером, и затем подвергают воздействию один тип основания ДНК (А, С, Т или G) в течение определенного времени для того, чтобы быстро провести анализ состава основания. В такой системе, основания должны втекать в систему, а избыточные основания быстро вымываться. Поток с управляемым давлением, который перекрывается с помощью эластомерных микроклапанов, согласно настоящему изобретению, будет идеально приспособлен к такому быстрому потоку и вымыванию реагентов.Other uses of the present invention include DNA sequencing, whereby the DNA to be sequenced is supplied with a polymerase and a primer, and then exposed to one type of DNA base (A, C, T or G) for a certain amount of time in order to quickly analyze the composition grounds. In such a system, substrates must flow into the system and excess substrates are quickly washed out. A pressure-controlled flow that is shut off by the elastomeric microvalves of the present invention will be ideally suited to such rapid flow and leaching of reagents.

Другие рассмотренные применения представленных микроклапанных и микронасосных систем включают применения элементарных фрагментов ДНК. Например, образец можно ввести в петлевой канал и прокачивать вокруг по петле благодаря перистальтическому действию так, чтобы образец мог многократно проходить над пробами массива ДНК. Такое устройство будет выдавать образец, который будет обычно отбрасываться, находясь над некомплементарными пробами, вместо того, чтобы иметь возможность привязаться к комплементарной пробе. Преимущество такой системы с петлевым потоком заключается в том, что она позволяет уменьшить необходимый объем образцов и, таким образом, увеличить чувствительность анализа.Other contemplated applications of the present microvalve and micropump systems include the use of elementary DNA fragments. For example, a sample can be inserted into the loop channel and pumped around the loop due to peristaltic action so that the sample can repeatedly pass over samples of the DNA array. Such a device will produce a sample that will usually be discarded while being above non-complementary samples, instead of being able to bind to a complementary sample. The advantage of such a loop-flow system is that it allows to reduce the required volume of samples and, thus, increase the sensitivity of the analysis.

Другие приложения связаны с высокопроизводительным отбором, где они могли бы быть полезны при дозировании маленьких объемов текучей среды или при анализе слоев, в котором сверхчувствительное обнаружение существенно улучшит чувствительность анализа.Other applications are related to high-throughput sampling, where they could be useful in dispensing small volumes of fluid or in layer analysis, in which supersensitive detection will significantly improve the sensitivity of the analysis.

Другим рассмотренным приложением является осаждение массива различных химикалий, особенно олигонуклеотидов, которые можно или нельзя было изготовить химическим способом в предыдущей операции устройства перед осаждением в виде картины или матрицы на подложку путем контактной печати через выходы струйного канала, расположенные в эластомерном устройстве в непосредственной близости от желаемой подложки, или с помощью процесса, аналогичного струйной печати.Another application considered is the deposition of an array of various chemicals, especially oligonucleotides, which could or could not have been chemically produced in the previous operation of the device before deposition in the form of a pattern or matrix onto a substrate by contact printing through the exits of the ink channel located in the elastomeric device in close proximity to the desired substrate, or using a process similar to inkjet printing.

Представленные микрообработанные эластомерные клапаны и насосы можно также использовать для построения системы для распределения реагентов смешивания и осуществления реакции для синтеза олигонуклеотидов, пептидов или других биополимеров.Presented microprocessed elastomeric valves and pumps can also be used to build a system for the distribution of mixing reagents and the implementation of the reaction for the synthesis of oligonucleotides, peptides or other biopolymers.

Другие применения настоящего изобретения включают головки струйных принтеров, в которых маленькие отверстия используются для выработки импульса давления, достаточного для выброса капельки. Соответствующим образом приводимый в действие микроклапан, согласно настоящему изобретению, может создавать такой импульс давления. Представленные микроклапаны и насосы можно также использовать для цифрового распределения чернил или пигмента, не обязательно в таких маленьких количествах, как одиночные капельки. Капелька будет входить в контакт со средой, на которой будут производить печать, а не выстреливать через воздушный промежуток.Other applications of the present invention include inkjet printer heads in which small holes are used to generate a pressure pulse sufficient to eject a droplet. A suitably actuated microvalve according to the present invention can generate such a pressure pulse. The presented microvalves and pumps can also be used for digital distribution of ink or pigment, not necessarily in such small quantities as single droplets. The droplet will come in contact with the medium on which they will print, and not shoot through the air gap.

Другими применениями настоящих систем являются струйные логические схемы, которые обладают преимуществами там, где необходима устойчивость к излучению. Другое преимущество таких струйных логических схем заключается в том, что не являясь электронными, такие струйные логические схемы нельзя зондировать с помощью электромагнитных датчиков, таким образом повышая безопасность.Other applications of these systems are inkjet logic circuits, which have advantages where radiation resistance is required. Another advantage of such inkjet logic circuits is that, while not electronic, such inkjet logic circuits cannot be probed with electromagnetic sensors, thereby increasing safety.

Другие применения настоящего изобретения будут иметь преимущество в легком разъединении и повторном присоединении структуры с нижележащей подложкой, такой как стекло, используя стеклянную подложку с нанесенным рисунком со связующим или другим материалом. Это позволяет иметь отдельную конструкцию подложки с нанесенным рисунком и эластомерную структуру. Например, на стеклянной подложке можно нанести рисунок с помощью микроматрицы ДНК, а эластомерную клапанную и насосную структуру разместить сверху матрицы на следующем этапе.Other applications of the present invention will have the advantage of easily detaching and reattaching a structure with an underlying substrate, such as glass, using a patterned glass substrate with a binder or other material. This allows you to have a separate design of the substrate with a printed pattern and an elastomeric structure. For example, on a glass substrate, a pattern can be applied using a DNA microarray, and the elastomeric valve and pump structure can be placed on top of the matrix in the next step.

11. Дополнительные аспекты изобретения11. Additional aspects of the invention

Ниже представлены другие аспекты настоящего изобретения: использование отклоняемой мембраны для управления потоком текучей среды в микрообработанном канале эластомерной структуры, использование эластомерных слоев для изготовления микрообработанного эластомерного устройства, содержащего микрообработанную подвижную часть, и использование эластомерного материала для изготовления микрообработанного клапана или насоса.Other aspects of the present invention are presented below: using a deflectable membrane to control fluid flow in a microprocessed channel of an elastomeric structure, using elastomeric layers to make a microprocessed elastomeric device containing a microprocessed moving part, and using an elastomeric material to make a microprocessed valve or pump.

Микрообработанная эластомерная структура, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, содержит эластомерный блок, сформированный в нем с помощью микрообработанного углубления, при этом часть эластомерного блока отклоняется тогда, когда часть приводится в действие. Углубление содержит первый микрообработанный канал и первое микрообработанное углубление, а часть содержит эластомерную мембрану, которая отклоняется в первый микрообработанный канал тогда, когда мембрана приводится в действие. Углубления имеют ширину в диапазоне от 10 мкм до 200 мкм, и часть имеет толщину в пределах приблизительно 2 мкм и 50 мкм. Микрообработанную эластомерную структуру можно приводить в действие с частотой 100 Гц или более, и она не содержит по существу неиспользуемого объема в случае, когда часть приводится в действие.A microprocessed elastomeric structure, according to one embodiment of the present invention, comprises an elastomeric block formed therein by a microprocessed recess, wherein a portion of the elastomeric block is deflected when the portion is actuated. The recess comprises a first micro-machined channel and a first micro-machined cavity, and the part contains an elastomeric membrane that deflects into the first micro-machined channel when the membrane is actuated. The recesses have a width in the range of 10 μm to 200 μm, and the part has a thickness in the range of about 2 μm and 50 μm. The microprocessed elastomeric structure can be driven at a frequency of 100 Hz or more, and it does not contain a substantially unused volume when the part is driven.

Способ срабатывания эластомерной структуры содержит выполнение эластомерного блока, сформированного в нем с помощью первого и второго микрообработанных углублений, при этом первое и второе микрообработанные углубления разделены с помощью мембранной части эластомерного блока, которая отклоняется в одно из (первое и второе) углублений в ответ на усилие срабатывания, и прикладывание усилия срабатывания к мембранной части с тем, чтобы мембранная часть отклонялась в одно из (первое и второе) углублений.A method for actuating an elastomeric structure comprises performing an elastomeric block formed therein by means of the first and second microprocessed recesses, wherein the first and second microprocessed recesses are separated by the membrane part of the elastomeric block, which deviates into one of the (first and second) recesses in response to the force actuation, and applying the actuation force to the membrane part so that the membrane part deviates into one of the (first and second) recesses.

Способ микрообработки эластомерной структуры, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, содержит формирование первого эластомерного слоя на подложке, вулканизацию первого эластомерного слоя и нанесение рисунка на первый защитный слой, расположенный над первым эластомерным слоем. Второй эластомерный слой формируют над первым эластомерным слоем, таким образом полностью закрывая первый защитный слой с нанесенным рисунком, расположенный между первым и вторым эластомерными слоями, при этом второй эластомерный слой вулканизируют, и первый защитный слой с нанесенным рисунком удаляют избирательно по отношению к первому эластомерному слою и второму эластомерному слою, таким образом формируя по меньшей мере одно первое углубление между первым и вторым слоями эластомера.A method of microprocessing an elastomeric structure, according to one embodiment of the present invention, comprises forming a first elastomeric layer on a substrate, curing the first elastomeric layer and applying a pattern to the first protective layer located above the first elastomeric layer. A second elastomeric layer is formed over the first elastomeric layer, thereby completely covering the first printed protective layer located between the first and second elastomeric layers, the second elastomeric layer being cured, and the first printed protective layer is selectively removed with respect to the first elastomeric layer and a second elastomeric layer, thereby forming at least one first recess between the first and second elastomer layers.

Альтернативный вариант осуществления способа изготовления дополнительно содержит нанесение рисунка на второй защитный слой, расположенный над подложкой, перед формированием первого эластомерного слоя, так что второй защитный слой с нанесенным рисунком удаляют во время удаления первого защитного слоя с нанесенным рисунком для формирования по меньшей мере одного углубления вдоль нижней части первого эластомерного слоя.An alternative embodiment of the manufacturing method further comprises applying a pattern to a second protective layer located above the substrate before forming the first elastomeric layer, so that the second printed protective layer is removed during the removal of the first printed protective layer to form at least one recess along the bottom of the first elastomeric layer.

Микрообработанная эластомерная структура, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, содержит эластомерный блок, первый канал и второй канал, разделенный с помощью разделительной части эластомерной структуры, и микрообработанное углубление в эластомерном блоке находится рядом с разделительной частью так, что разделительная часть может приводиться в действие, отклоняясь в микрообработанное углубление. Отклонение разделительной части открывает проход между первым и вторым каналами.A microprocessed elastomeric structure, according to one embodiment of the present invention, comprises an elastomeric block, a first channel and a second channel separated by a spacer portion of the elastomeric structure, and a microprocessed recess in the elastomeric block is adjacent to the spacer portion so that the spacer portion can be actuated, deviating into a microprocessed groove. The deviation of the separation part opens the passage between the first and second channels.

Способ управления потоком текучей среды или газа, проходящим через эластомерную структуру, содержит выполнение эластомерного блока, при этом эластомерный блок имеет первое, второе и третье микрообработанные углубления, и эластомерный блок имеет первый микрообработанный канал, проходящий через него, причем первое, второе и третье микрообработанные углубления, отделенные от первого канала с помощью соответствующих первой, второй и третьей мембран, отклоняются в первый канал, и отклонение первой, второй и третьей мембран в первый канал в повторяющейся последовательности для перистальтической прокачки потока текучей среды через первый канал.A method for controlling a fluid or gas flow through an elastomeric structure comprises an elastomeric block, wherein the elastomeric block has a first, second and third microprocessed recesses, and the elastomeric block has a first microprocessed channel passing through it, the first, second and third microprocessed recesses separated from the first channel by the corresponding first, second and third membranes are deflected into the first channel, and the deviation of the first, second and third membranes into the first channel in ovtoryayuscheysya sequence for the peristaltic pumping of fluid medium stream through a first channel.

Способ микрообработки эластомерной структуры, содержащий микрообработку первого эластомерного слоя, микрообработку второго эластомерного слоя, позиционирование второго эластомерного слоя, расположенного сверху первого эластомерного слоя, и присоединение нижней поверхности второго эластомерного слоя к верхней поверхности первого эластомерного слоя.A method of microprocessing an elastomeric structure, comprising microprocessing a first elastomeric layer, microprocessing a second elastomeric layer, positioning a second elastomeric layer located on top of the first elastomeric layer, and attaching a lower surface of the second elastomeric layer to an upper surface of the first elastomeric layer.

Хотя настоящее изобретение было описано здесь со ссылкой на конкретные варианты его осуществления, различные другие модификации, изменения и замены подразумеваются в предшествующем раскрытии, при этом в некоторых примерах некоторые особенности изобретения будут использоваться без соответствующего использования других особенностей без отклонения от объема патентных притязаний, как изложено. Поэтому многочисленные модификации можно сделать для того, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал для применения изобретения без отклонения по существу от объема и сущности настоящего изобретения. Предполагается, что изобретение не ограничено конкретным вариантом осуществления, раскрытым как наилучший режим работы, рассмотренный для выполнения настоящего изобретения, и что изобретение будет включать все варианты осуществления и эквиваленты, находящиеся в пределах объема формулы изобретения.Although the present invention has been described here with reference to specific embodiments thereof, various other modifications, changes and substitutions are implied in the foregoing disclosure, while in some examples some features of the invention will be used without the corresponding use of other features without departing from the scope of patent claims, as set forth . Therefore, numerous modifications can be made in order to adapt a specific situation or material for applying the invention without deviating essentially from the scope and essence of the present invention. It is intended that the invention is not limited to the particular embodiment disclosed as the best mode of operation considered to carry out the present invention, and that the invention will include all embodiments and equivalents within the scope of the claims.

Полное содержание приложения А включено здесь в качестве ссылки как часть настоящего описания: Ангер и другие "Монолитные микрообработанные клапаны и насосы, изготовленные с помощью многослойной мягкой литографии". Наука, т. 288, с.113-116 (7 апреля 2000 года), которое необходимо рассматривать как часть представленного описания для всех целей.The full contents of Appendix A are hereby incorporated by reference as part of the present description: Anger and others "Monolithic microprocessed valves and pumps made using multilayer soft lithography." Science, t. 288, p.113-116 (April 7, 2000), which must be considered as part of the description for all purposes.

Claims (36)

1. Эластомерная структура (24), содержащая эластомерный блок, сформированный, по меньшей мере, с первым и вторым микрообработанными углублениями (21, 23) в нем, причем первое и второе микрообработанные углубления разделены мембранной частью (25) эластомерного блока, выполненной с возможностью отклонения при срабатывании мембраны в первое или второе микрообработанные углубления.1. An elastomeric structure (24) containing an elastomeric block formed at least with a first and second microprocessed recesses (21, 23) in it, the first and second microprocessed recesses are separated by a membrane part (25) of the elastomeric block deviations when the membrane is triggered in the first or second microprocessed recesses. 2. Структура по п.1, в которой мембранная часть (25) выполнена с возможностью реагирования, по существу, по линейному закону на приложенное усилие срабатывания.2. The structure according to claim 1, in which the membrane part (25) is configured to respond, essentially according to a linear law, to the applied actuation force. 3. Структура по п.1, в которой первое углубление (21) содержит первый микрообработанный канал (30), а второе углубление (23) содержит второй микрообработанный канал (32), при этом мембранная часть (25) содержит эластомерную мембрану, выполненную с возможностью отклонения в первый или второй микрообработанные каналы при срабатывании мембраны.3. The structure according to claim 1, in which the first recess (21) contains the first microprocessed channel (30), and the second recess (23) contains the second microprocessed channel (32), while the membrane part (25) contains an elastomeric membrane made with the possibility of deviation into the first or second microprocessed channels when the membrane is triggered. 4. Структура по п.1, в которой первое углубление (21) содержит первый микрообработанный канал (30), а мембранная часть (25) содержит эластомерную мембрану, выполненную с возможностью отклонения в первый микрообработанный канал при срабатывании мембраны.4. The structure according to claim 1, in which the first recess (21) contains the first microprocessed channel (30), and the membrane part (25) contains an elastomeric membrane configured to deflect into the first microprocessed channel when the membrane is activated. 5. Структура по п.4, в которой мембрана выполнена с возможностью отклонения в первый канал при подаче давления во второе микрообработанное углубление (23).5. The structure according to claim 4, in which the membrane is configured to deflect into the first channel when pressure is applied to the second microprocessed recess (23). 6. Структура по п.4, в которой второе микрообработанное углубление (23) содержит второй микрообработанный канал (23).6. The structure according to claim 4, in which the second microprocessed recess (23) contains a second microprocessed channel (23). 7. Структура по п.3, содержащая третий и четвертый каналы (32В, 32С), расположенные параллельно второму каналу (32А), где второй, третий и четвертый каналы отделены от первого канала с помощью соответственно первой, второй и третьей мембран (25), отклоняемых в первый канал (30).7. The structure according to claim 3, containing the third and fourth channels (32B, 32C) located parallel to the second channel (32A), where the second, third and fourth channels are separated from the first channel using the first, second and third membranes (25), respectively rejected in the first channel (30). 8. Структура по п.1, которая содержит материал, выбранный из полиизопрена, полибутадиена, полихлоропрена, полиизобутилена, поли(стирол-бутадиен-стирола), полиуретанов, силиконов, алифатических уретановых диакрилатов, поли(бис(фторалкоксил)фосфазена) (ПиЭнЭф, Эйпел-Эф (PNF, Eypel-F)), поли(карборан-силоксанов) (Дексила (Dexsil)), поли(акрилонитрил-бутадиен)(нитриловой резины), поли(1-бутена), сополимеров поли(хлортрифторэтилен-фторида винилидена) (Kel-F), поли(этилвинилэфира), поли(фторида винилидена), сополимера поли(фторида винилиден-гексафтор-пропилена) (Витона (Viton)), эластомерных композиций из поливинилхлорида (ПВХ), полисульфона, поликарбоната, полиметилметакрилата (ПММК) или политетрафторэтилена (Тефлона).8. The structure according to claim 1, which contains a material selected from polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, poly (styrene-butadiene-styrene), polyurethanes, silicones, aliphatic urethane diacrylates, poly (bis (fluoroalkoxyl) phosphazene) (PiEnEf, Eipel-Ef (PNF, Eypel-F)), poly (carboran-siloxanes) (Dexil (Dexsil)), poly (acrylonitrile-butadiene) (nitrile rubber), poly (1-butene), poly (chlorotrifluoroethylene-vinylidene) copolymers ) (Kel-F), poly (ethyl vinyl ether), poly (vinylidene fluoride), copolymer of poly (vinylidene-hexafluoro-propylene fluoride) ( Eaton (Viton)), elastomeric compositions of polyvinylchloride (PVC), polysulfone, polycarbonate, polymethylmethacrylate (PMMA) or polytetrafluoroethylene (Teflon). 9. Структура (24) по п.1, дополнительно содержащая планарную подложку (14), например стекло, причем планарная подложка образует стенку первого или второго микрообработанного углубления (21, 23).9. The structure (24) according to claim 1, further comprising a planar substrate (14), for example glass, wherein the planar substrate forms the wall of the first or second microprocessed recess (21, 23). 10. Способ активизирования эластомерной структуры, в котором выполняют эластомерный блок, сформированный с первым и вторым микрообработанными углублениями (21, 23) в нем, причем первое и второе микрообработанные углубления отделены мембранной частью (25) эластомерного блока, выполненной с возможностью отклонения в первое или второе углубление при приложении усилия срабатывания, и прикладывают усилие срабатывания к мембранной части так, чтобы мембранная часть отклонялась в первое или второе углубление.10. A method of activating an elastomeric structure in which an elastomeric block is formed formed with the first and second microprocessed recesses (21, 23) in it, the first and second microprocessed recesses being separated by a membrane part (25) of the elastomeric block, which can be deflected into the first or the second recess when the actuation force is applied, and the actuation force is applied to the membrane part so that the membrane part deviates into the first or second recess. 11. Способ по п.10, по которому этап прикладывания усилия срабатывания содержит подачу давления во второе микрообработанное углубление (23) для отклонения мембранной части (25) в первое микрообработанное углубление (21).11. The method according to claim 10, wherein the step of applying a response force comprises applying pressure to the second microprocessed recess (23) to deflect the membrane portion (25) into the first microprocessed recess (21). 12. Способ управления потоком текучей среды или газа через эластомерную структуру, в котором выполняют эластомерный блок, имеющий первое, второе и третье микрообработанные углубления (32А, 32В, 32С) и имеющий первый микрообработанный канал (30), проходящий через него, при этом первое, второе и третье микрообработанные углубления отделены от первого канала с помощью соответствующих первой, второй и третьей мембранных частей (25), отклоняемых в первый канал, и отклоняют первую, вторую и третью мембранные части в первый канал в повторяющейся последовательности для прокачивания перистальтическим способом потока текучей среды через первый канал.12. A method of controlling the flow of a fluid or gas through an elastomeric structure in which an elastomeric block is provided having a first, second and third microprocessed recesses (32A, 32B, 32C) and having a first microprocessed channel (30) passing through it, the first , the second and third microprocessed recesses are separated from the first channel by the corresponding first, second and third membrane parts (25) deflected into the first channel, and the first, second and third membrane parts are rejected into the first channel in a repeating sequence atelnosti for peristaltic pumping process fluid through the first flow channel. 13. Способ микрообработки эластомерной структуры, в котором выполняют первую микрообработанную эластомерную структуру (20), имеющую, по меньшей мере, первое углубление (21), выполняют вторую микрообработанную эластомерную структуру (22), имеющую, по меньшей мере, второе углубление (23), и соединяют поверхность первой эластомерной структуры с поверхностью второй эластомерной структуры.13. A method of microprocessing an elastomeric structure in which a first microprocessed elastomeric structure (20) having at least a first recess (21) is performed, a second microprocessed elastomeric structure (22) having at least a second recess (23) is performed and connect the surface of the first elastomeric structure with the surface of the second elastomeric structure. 14. Способ по п.13, в котором размещают вторую эластомерную структуру (22) сверху первой эластомерной структуры (20) так, что первое углубление (21) и второе углубление (23) разделены с помощью мембранной части (25) эластомерной структуры и мембранная часть отклоняема в первое углубление или во второе углубление, и соединяют нижнюю поверхность второй эластомерной структуры с верхней поверхностью первой эластомерной структуры.14. The method according to item 13, in which the second elastomeric structure (22) is placed on top of the first elastomeric structure (20) so that the first recess (21) and the second recess (23) are separated by the membrane part (25) of the elastomeric structure and the membrane the part is deflected into the first depression or into the second depression, and the lower surface of the second elastomeric structure is connected to the upper surface of the first elastomeric structure. 15. Способ по п.14, в котором первую эластомерную структуру (20) изготавливают на первой микрообработанной форме (10), имеющей, по меньшей мере, один первый выступ (11), который формирует, по меньшей мере, первое углубление (21) в нижней части первой эластомерной структуры и вторую эластомерную структуру (22) изготавливают на второй микрообработанной форме (12), имеющей, по меньшей мере, один выступ (13), который формирует, по меньшей мере, второе углубление (23) в нижней части первой эластомерной структуры.15. The method according to 14, in which the first elastomeric structure (20) is made on the first micro-machined form (10) having at least one first protrusion (11), which forms at least the first recess (21) in the lower part of the first elastomeric structure and the second elastomeric structure (22) are made on a second microprocessed mold (12) having at least one protrusion (13) that forms at least a second recess (23) in the lower part of the first elastomeric structure. 16. Способ управления потоком текучей среды в микрообработанном канале (30) эластомерной структуры (24), в котором используют отклоняемую мембрану.16. A method of controlling fluid flow in a microfinished channel (30) of an elastomeric structure (24) in which a deflectable membrane is used. 17. Способ по п.16, в котором управление потоком текучей среды в микрообработанном канале осуществляют с помощью прикладывания усилия срабатывания к мембранной части (25).17. The method according to clause 16, in which the control of the fluid flow in the microprocessed channel is carried out by applying a response force to the membrane part (25). 18. Способ по п.16, в котором используют монолитную микрообработанную эластомерную структуру (24).18. The method according to clause 16, which uses a monolithic microprocessed elastomeric structure (24). 19. Способ по п.16, в котором управление потоком текучей среды в микрообработанном канале (30) осуществляют путем подачи давления во второй микрообработанный канал (32) эластомерной структуры для отклонения мембраны.19. The method according to clause 16, in which the control of the fluid flow in the microfinished channel (30) is carried out by applying pressure to the second microprocessed channel (32) of the elastomeric structure to deflect the membrane. 20. Способ по п.16, в котором эластомерная структура сформирована, по меньшей мере, с первым и вторым микрообработанными углублениями (21, 23) в ней, причем одно из микрообработанных углублений образует микрообработанный канал (30), при этом отклоняемая мембрана (25) разделяет первое и второе микрообработанные углубления и отклоняется в первое или второе микрообработанное углубление при ее срабатывании.20. The method according to clause 16, in which the elastomeric structure is formed with at least the first and second micro-machined recesses (21, 23) in it, and one of the micro-machined recesses forms a micro-machined channel (30), while the deflectable membrane (25 ) separates the first and second microprocessed cavities and deviates into the first or second microprocessed cavities when it is triggered. 21. Способ изготовления эластомерного устройства, содержащий этапы, в соответствии с которыми формируют первый эластомерный слой сверху первой микрообработанной формы, причем первая микрообработанная форма имеет, по меньшей мере, один первый выступ, который формирует, по меньшей мере, одно первое углубление, простирающееся вдоль нижней поверхности первого эластомерного слоя, формируют второй эластомерный слой сверху второй микрообработанной формы, причем вторая микрообработанная форма имеет, по меньшей мере, один второй выступ, который формирует, по меньшей мере, одно второе углубление, простирающееся вдоль нижней поверхности второго эластомерного слоя, присоединяют нижнюю поверхность второго эластомерного слоя к верхней поверхности первого эластомерного слоя с образованием канала управления во втором углублении между первым и вторым эластомерными слоями и размещают первый эластомерный слой сверху планарной подложки для формирования, по меньшей мере, одного канала в первом углублении между первым эластомерным слоем и планарной подложкой.21. A method for manufacturing an elastomeric device, comprising the steps of: forming a first elastomeric layer on top of the first microprocessed mold, the first microprocessed mold having at least one first protrusion that forms at least one first recess extending along the lower surface of the first elastomeric layer, form a second elastomeric layer on top of the second microprocessed form, and the second microprocessed form has at least one second protrusion, which forms at least one second recess extending along the lower surface of the second elastomeric layer, attaches the lower surface of the second elastomeric layer to the upper surface of the first elastomeric layer to form a control channel in the second recess between the first and second elastomeric layers and places the first elastomeric layer on top of the planar substrates for forming at least one channel in the first recess between the first elastomeric layer and the planar substrate. 22. Способ создания микрообработанного жидкостного клапана или микрообработанного перистальтического насоса, в котором используют эластомерный материал, при этом способ содержит формирование эластомерного блока, по меньшей мере, с первым и вторым микрообработанными углублениями (21, 23) в нем, причем первое и второе микрообработанные углубления разделяют мембранной частью (25) эластомерного блока, выполненной с возможностью отклонения при срабатывании мембраны в первое или второе микрообработанные углубления.22. A method of creating a microprocessed fluid valve or microprocessed peristaltic pump using an elastomeric material, the method comprising forming an elastomeric block with at least first and second microprocessed cavities (21, 23) in it, the first and second microprocessed cavities separated by the membrane part (25) of the elastomeric block, configured to deflect upon actuation of the membrane in the first or second microprocessed recesses. 23. Микрообработанная эластомерная структура, содержащая эластомерный блок, сформированный с микрообработанными углублениями, имеющими ширину менее 1000 мкм, причем часть эластомерного блока выполнена отклоняемой в одно из углублений при ее срабатывании.23. A microprocessed elastomeric structure containing an elastomeric block formed with microprocessed recesses having a width of less than 1000 μm, and a part of the elastomeric block is deflected into one of the recesses when it is triggered. 24. Структура по п.23, в которой углубления содержат первый микрообработанный канал и первое микрообработанное углубление, а отклоняемая часть содержит эластомерную мембрану, отклоняемую в первый микрообработанный канал при срабатывании мембраны.24. The structure according to item 23, in which the recesses contain the first microprocessed channel and the first microprocessed cavity, and the deflected part contains an elastomeric membrane deflected into the first microprocessed channel when the membrane is triggered. 25. Структура по п.24, в которой мембрана отклоняется в первый канал при подаче давления в первое микрообработанное углубление.25. The structure according to paragraph 24, in which the membrane deviates into the first channel when pressure is applied to the first microprocessed recess. 26. Структура по п.24, в которой мембрана отклоняется в первый канал при приведении в действие мембраны электростатическим способом.26. The structure according to paragraph 24, in which the membrane is deflected into the first channel when the membrane is activated by an electrostatic method. 27. Структура по п.24, в которой первое микрообработанное углубление содержит второй микрообработанный канал.27. The structure according to paragraph 24, in which the first microprocessed cavity contains a second microprocessed channel. 28. Структура по п.27, в которой первый и второй микрообработанные каналы проходят через эластомерную структуру.28. The structure according to item 27, in which the first and second micro-treated channels pass through an elastomeric structure. 29. Структура по п.27, в которой второй микрообработанный канал проходит через эластомерную структуру и первый микрообработанный канал проходит вдоль поверхности эластомерной структуры.29. The structure according to item 27, in which the second microprocessed channel passes through the elastomeric structure and the first microprocessed channel passes along the surface of the elastomeric structure. 30. Структура по п.29, дополнительно содержащая планарную подложку, расположенную рядом с поверхностью эластомерной структуры, вдоль которой проходит первый микрообработанный канал.30. The structure according to clause 29, additionally containing a planar substrate located next to the surface of the elastomeric structure along which the first microprocessed channel passes. 31. Структура по п.27, в которой первый микрообработанный канал имеет Т-образную форму и включает ствол, имеющий связь по текучей среде с первой ветвью и второй ветвью, при этом эластомерная мембрана проходит над первой ветвью и является отклоняемой в нее, эластомерная структура дополнительно содержит второе углубление, проходящее над второй ветвью так, что вторая эластомерная мембрана является отклоняемой во вторую ветвь при срабатывании мембраны, при этом поток текучей среды в стволе направлен в первую ветвь или вторую ветвь посредством срабатывания соответственно второй эластомерный мембраны или первой эластомерной мембраны.31. The structure according to item 27, in which the first microprocessed channel has a T-shape and includes a barrel that is in fluid communication with the first branch and the second branch, while the elastomeric membrane passes over the first branch and is deflected into it, the elastomeric structure further comprises a second recess extending over the second branch such that the second elastomeric membrane is deflected into the second branch upon actuation of the membrane, wherein the fluid flow in the barrel is directed to the first branch or second branch by Positioning the respectively second elastomeric diaphragm or first elastomeric membrane. 32. Структура по п.27, дополнительно содержащая третий и четвертый каналы, расположенные параллельно второму каналу, в которой второй, третий и четвертый каналы отделены от первого канала соответственно с помощью первой, второй и третьей мембран, отклоняемых в первый канал.32. The structure of claim 27, further comprising a third and fourth channel parallel to the second channel, in which the second, third, and fourth channels are separated from the first channel, respectively, by the first, second, and third membranes deflected into the first channel. 33. Структура по п.23, которая содержит материал, выбранный из группы, состоящей из полиизопрена, полибутадиена, полихлоропрена, полиизобутилена, поли(стирол-бутадиен-стирола), полиуретанов, силиконов, поли(бис(фтороалкоксил)фосфазена) (ПиЭнЭф, Эйпел-Эф (PNF, Eypel-F)), поли(карборан-силоксанов) (Дексила (Dexsil)), поли(акрилонитрил-бутадиен)(нитриловой резины), поли(1-бутена), сополимеров поли(хлортрифторэтилен-фторида винилидена) (Kel-F), поли(этилвинилэфира), поли(фторида винилидена), сополимера поли(фторида винилиден-гексафтор-пропилена) (Витона (Viton)), эластомерных композиций из поливинилхлорида (ПВХ), полисульфона, поликарбоната, полиметилметакрилата (ПММК) или политетрафторэтилена (Тефлона).33. The structure according to item 23, which contains a material selected from the group consisting of polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, poly (styrene-butadiene-styrene), polyurethanes, silicones, poly (bis (fluoroalkoxyl) phosphazene) (PiEnEf, Eipel-Ef (PNF, Eypel-F)), poly (carboran-siloxanes) (Dexil (Dexsil)), poly (acrylonitrile-butadiene) (nitrile rubber), poly (1-butene), poly (chlorotrifluoroethylene-vinylidene) copolymers ) (Kel-F), poly (ethyl vinyl ether), poly (vinylidene fluoride), copolymer of poly (vinylidene-hexafluoro-propylene fluoride) (Viton), elas tomer compositions of polyvinyl chloride (PVC), polysulfone, polycarbonate, polymethyl methacrylate (PMMK) or polytetrafluoroethylene (Teflon). 34. Микрообработанная эластомерная структура, содержащая эластомерный блок, первый канал и второй канал, разделенные с помощью разделительной части эластомерной структуры, и микрообработанное углубление в эластомерном блоке, расположенном рядом с разделительной частью с возможностью срабатывания разделительной части с отклонением в микрообработанное углубление.34. A microprocessed elastomeric structure comprising an elastomeric block, a first channel and a second channel separated by a spacer portion of an elastomeric structure, and a microprocessed recess in an elastomeric block located adjacent to the spacer portion so that the spacer portion can be deflected into the microprocessed recess. 35. Структура по п.34, в которой разделительная часть выполнена с возможностью отклонения в микрообработанное углубление за счет пониженного давления в микрообработанном углублении.35. The structure according to clause 34, in which the dividing part is configured to deflect into the micro-machined recess due to reduced pressure in the micro-machined recess. 36. Структура по п.34, в которой разделительная часть выполнена с возможностью отклонения в микрообработанное углубление за счет приведения разделительной части в действие электростатическим способом.36. The structure according to clause 34, in which the separation part is configured to be deflected into the micro-machined recess by actuating the separation part in an electrostatic manner. Приоритет по пунктам:Priority on points: Приоритет по пп.1-36 - 03.03.2000.Priority according to claims 1-36 - 03.03.2000.
RU2002101924/06A 1999-06-28 2000-06-27 Microprocessed elastomeric valve and pump systems RU2261393C2 (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14150399P 1999-06-28 1999-06-28
US60/141,503 1999-06-28
US14719999P 1999-08-03 1999-08-03
US60/147,199 1999-08-30
US60/186,856 2000-03-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002101924A RU2002101924A (en) 2003-09-10
RU2261393C2 true RU2261393C2 (en) 2005-09-27

Family

ID=35953887

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002101924/06A RU2261393C2 (en) 1999-06-28 2000-06-27 Microprocessed elastomeric valve and pump systems
RU2005115012/06A RU2005115012A (en) 1999-06-28 2005-05-17 MICROWORKED ELASTOMERIC VALVES AND PUMPING SYSTEMS

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005115012/06A RU2005115012A (en) 1999-06-28 2005-05-17 MICROWORKED ELASTOMERIC VALVES AND PUMPING SYSTEMS

Country Status (1)

Country Link
RU (2) RU2261393C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2484851C2 (en) * 2008-10-22 2013-06-20 Дебиотех С.А. Mems fluid pump with integrated pressure sensor for malfunction detection
RU2519757C2 (en) * 2008-06-23 2014-06-20 Кардиобридж Гмбх Catheter pump for supporting blood circulation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DUFFY D.C. et al. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethyisiloxane). Anal. Chem. Vol. 70, 1998, p. 4974-4984, XP002149044. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2519757C2 (en) * 2008-06-23 2014-06-20 Кардиобридж Гмбх Catheter pump for supporting blood circulation
RU2484851C2 (en) * 2008-10-22 2013-06-20 Дебиотех С.А. Mems fluid pump with integrated pressure sensor for malfunction detection

Also Published As

Publication number Publication date
RU2005115012A (en) 2006-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2309130B1 (en) Microfabricated elastomeric valve and pump systems
US6899137B2 (en) Microfabricated elastomeric valve and pump systems
EP1195523B1 (en) Microfabricated elastomeric valve and pump systems
RU2261393C2 (en) Microprocessed elastomeric valve and pump systems
EP1557565B1 (en) Microfabricated elastomeric valve and pump systems
CA2767084C (en) Microfabricated elastomeric valve and pump systems
AU2005202010B2 (en) Microfabricated elastomeric valve and pump systems

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 27-2005 FOR TAG: (30)