TWI408001B - 使用形狀記憶材料之微流道開關閥及混合器 - Google Patents

Description

使用形狀記憶材料之微流道開關閥及混合器

本發明係有關微流道的流體流動控制與混合裝置，其可應用於生醫流體之檢測或流體之混合。

近年來生物晶片、化學分析晶片的持續研發已經帶動微流道裝置相關的研究工作，小於1mm甚至是500微米以下的裝置微小化與整合，使得如信用卡大小的檢測裝置具有減少分析時間、減少樣品體積、降低檢驗成本及增加檢驗速率等特點。但檢驗的成功與否卻因為在此尺度下的擴散係數不高，常與控制流體的流動與混合有極大的關係。

在微尺度下流體間的快速混合常因雷諾數太低、擴散係數太小而顯得困難，尤其是流體中混有大分子量之溶質。一般而言，流體的黏滯力造成在微尺度下為層流流動，主要的混合機制為擴散，流體在微尺度下的混合所需的時間需在數十秒之譜。換句話說，低雷諾數下常使紊流混合難以進行，但快速混合又是在生化檢測技術上不可缺少之要素，這些困難對生化晶片而言是一項極大的挑戰。

基於上述問題，陸陸續續有不同之混合器設計裝置被提出。根據應用之需求與設計原理，一般微混合器可分為主動式(active)與被動式(passive)，一般被動式微混合器利用流道幾何形狀的設計去增加流體間之混合接觸介面，提升混合效果。被動式混合器可分為面上式(in-plane)與面外式(out-of-plane)兩種，其中面上式是所有流道都在同一平面上(如美國專利申請案0263485A1號所揭露之雙渦流流道設計)，而面外式(或稱層化式)則是使用3D立體流道之幾何設計(如美國專利6241379B1號所揭露之立體層化流道設計)。

另外，如美國專利6213151B1號所提出之層化混合器是一種將不同流體作層化交疊，以增加擴散之介面積及降低擴散之路徑長度，提升混合效果。但此種層化混合器之設計，牽涉到3D立體空間流道之交疊，所佔空間大、所需之微製程相當複雜且成本相當高。另外，經由噴嘴將不同流體噴入混合的設計(如美國專利申請案0043570A1號所揭露之彎管噴流設計)，也因為較均勻的混合需要設置較多的噴嘴，而增加噴嘴數也勢必增加製作的困難度。

主動式微混合器主要是設計有作動機件或如壓力、電場力等外力所驅動之裝置。有作動機件之混合器在製造上一般難度相當高，目前也僅限於半導體矽製程。而部分使用電場產生電泳、電滲透驅動之混合裝置，也可有效增加流體間之介面積、加強混合效果(如美國專利7070681B2號所揭露之交流電場驅動混合設計)。

前述習用設計中，被動式設計使用時雖不需外加驅動能源，但混合效果一般較主動式為差，且若有操作中變換混合方式之需求，則無法提供控制之彈性。具有運動件之主動式微混合器設計，雖然混合效果較佳，但如前所述目前僅限於以半導體製程製作，材料材質受到限制，且製作上複雜程度也高。因此，一種具有主動式混合器之作動件，可達到增加混合效果，但相對可以較簡單之製程完成製作，且控制簡單的微混合器設計就可以顯現其優點。

另外，形狀記憶材料(shape memory materials)係一類可隨溫度、磁場等控制因素而產生相變化之材料，在不同相時的元件結構可以經由訓練等方式而做成不同形狀，因此在不同控制條件下可作形狀上之切換。Zhang等人於2006年之Applied Physics Letters期刊上揭露「Shape memory surfaces」是以壓痕方式在形狀記憶合金表面製作具有雙向形狀記憶之表面凹凸構形。

因此，為解決上述習用裝置之缺點，本發明之目的在於揭露一設計、製作過程簡單、容易控制、且可動件不會有摩擦損耗問題之微混合器設計。

為達上述目的，本發明之使用形狀記憶材料之微流道開關及混合器，係採用形狀記憶材料製作之流道管壁，並於管壁上訓練材料具有設計之形狀，此形狀特徵可為凸柱或凹陷，並藉由材料之雙向形狀記憶(two-way shape memory)效應，在控制訊號之操控下，作不同壁面幾何特徵之切換，以改變流體流動之局部流場，達到調控流體阻力或混合之效果。

本發明所稱之形狀記憶材料，包含形狀記憶合金(shape memory alloy)、形狀記憶高分子材料(shape memory polymer)、形狀記憶陶瓷材料(shape memory ceramics)等，其形狀可藉由溫度、電場或磁場等之控制變換而產生改變。

綜此，本發明之目的在於提供一簡單可靠之微流道開關閥及混合器設計，藉由流道壁面之形狀記憶材料在不同操控參數下的形狀切換，調整管道截面之尺寸及形狀，控制流體在管道內之流動，達到調整流量與流體間混合之功能。

本發明之另一目的在於簡化習用主動式微流體混合器之可動件設計，降低製作之複雜度及避免零件間運動所造成之摩擦，增加設計之壽命、提升裝置之可靠度。

又本發明之另一目的在於提供一控制方式簡單的主動式微流體混合器，可藉由接觸或非接觸之訊號，迅速控制系統之操作狀態。

為瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後。

第一圖所示為本發明之一微流道混合器之實施例。微流道主要由下底板(1)、右側壁板(2)、左側壁板(3)及上蓋板(4)所環繞而成，不同流體係由右側流道(100)及左側流道(200)藉由外部動力源驅動流入，兩流體經由流道導引匯流後，由出口(300)流出。微混合器去除部分上蓋板後之視圖如第二圖所示，而微混合器流道於AA的截面如第三圖所示，在壁面形狀記憶材料不受驅動情形下，壁面維持平整，流體層流之流動使不同流體之混合效果差，即流體不積極進行混合。

流道壁面之形狀記憶材料在組裝構成微流道前，先以壓痕器沿設定的位置進行壓痕之製作，然後再將產生壓痕後之壁面進行拋光，形成平整之壁面，其壓痕之位置如11a、21a、31a等所示。此一平整之壁面當受到控制訊號之驅動，如溫度改變、磁場、電場強度變化等，將使壁面形成隆起之凸塊。而且由於壁面材料具有雙向形狀記憶之效應，此一凸塊之隆起在控制訊號消失後，會再回到原先之平坦之表面形狀。

上述壁面表面形貌調變之作法也可以不同之方式達成。如完成壓痕製作之壁面在研磨時，僅作部分厚度磨平，磨完後之壁面仍留有部分凹痕。當壁面受到控制訊號驅動時，仍會產生形狀回復之效果而形成凸塊，因此，壁面在調變控制時會在凹陷與突出間進行變換。當形成壓痕之壁面不做任何研磨時，在不同調變控制時，壁面就會在不同凹陷程度下進行幾何形狀變換。以形狀記憶材料之特性而言，不同控制訊號大小也可控制形狀回復的程度，形成連續可調變壁面形狀之微流道混合器。

第四圖為微流道截面受控制訊號驅動後之視圖。流道壁面之凸塊(11a、21a、31a、41a等)突出後，縮小流道之截面積，且上下壁面之凸塊係呈錯位設置，左、右側壁面凸塊也是錯位配置，使流體在管路內形成三維之流場，增加流體間之擴散介面，加強流體間之混合。

當凸塊之設計為驅動後，各方向壁面凸塊會相互接觸，甚或關閉流道之斷面，則可阻斷流體之流動，形成流道開關閥之功能。第五圖所示為本發明之第二實施例。流體由入口(600)受外側驅動源驅動流入此微流道裝置，並經由一分歧流道由右側出口(700)及左側出口(800)流出。每一分歧流道之入口處都設有一形狀記憶材料管壁之微流道開關閥。在形狀記憶材料不受驅動下，其流道斷面如第六圖所示，為一平整壁面，流道面積大，流體可按原先設計之流道流動。如第七圖所示，當右側流道(700)壁面受到控制訊號驅動，下壁面(6)形成凸塊(61a)與上壁面(9)形成凸塊(91a)相互接觸，阻斷大部分流道(700)之截面，形成流動阻力大增，而限制流體之流動，形成微流道開關閥，大部分流體導向左側流道(800)。第八圖所示為當左側流道(800)壁面受到控制訊號驅動，下壁面(6)形成凸塊(61b)與上壁面(9)形成凸塊(91b)相互接觸，阻斷大部分流道(800)之截面，形成流動阻力大增，而限制流體之流動，形成微流道開關閥，大部分流體導向右側流道(700)。因此，可藉由控制左右兩側開關的閉合與開啟，而控制流體流向右側出口(70())或左側出口(800)。

雖本發明以一較佳實施例揭露如上，但並非用以限定本發明實施之範圍。任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，即凡依本發明所做的均等變化與修飾，應為本發明專利範圍所涵蓋，其界定應以申請專利範圍為準。

1．．．微流道混合器之下底板

2．．．微流道混合器之右側板

3．．．微流道混合器之左側板

4．．．微流道混合器之上蓋板

100．．．微流道混合器之右側流道入口

200．．．微流道混合器之左側流道入口

300．．．微流道混合器之流道出口

11a．．．流道下壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

21a．．．流道右壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

31a．．．流道左壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

41a．．．流道上壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

6．．．微流道開關閥之下底板

7．．．微流道開關閥之右側板

8．．．微流道開關閥之左側板

9．．．微流道開關閥之上蓋板

600．．．微流道開關閥之流道入口

700．．．微流道開關閥之右側流道出口

800．．．微流道開關閥之左側流道出口

61a．．．開關閥右流道下壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

91a．．．開關閥右流道上壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

61b．．．開關閥左流道下壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

91b．．．開關閥左流道上壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

第一圖　微流體混合器之實施例示意圖

第二圖　微流體混合器移除部分上蓋後之示意圖

第三圖　微流體混合器之實施例於壁面材料不驅動時之剖面圖

第四圖　微流體混合器之實施例於壁面材料驅動時之剖面圖

第五圖　微流體開關閥之實施例示意圖

第六圖　微流體開關閥之實施例於壁面材料不驅動時之剖面圖

第七圖　微流體開關閥之實施例於右側流道壁面材料驅動時之剖面圖

第八圖　微流體開關閥之實施例於左側流道壁面材料驅動時之剖面圖

1‧‧‧微流道混合器之下底板

2‧‧‧微流道混合器之右側板

3‧‧‧微流道混合器之左側板

4‧‧‧微流道混合器之上蓋板

100‧‧‧微流道混合器之右側流道入口

200‧‧‧微流道混合器之左側流道入口

300‧‧‧微流道混合器之流道出口

11a‧‧‧流道下壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

31a‧‧‧流道左壁面之形狀記憶材料驅動後之凸塊

Claims (11)

1. 一種「使用形狀記憶材料之微流道混合器」裝置，其特徵在於：具有複數個不同流體匯入之流道入口、部分以形狀記憶材料構成之雙向形狀記憶壁面之混合部流道及流體流出之出口流道，當外部控制訊號驅動形狀記憶材料管壁時，可控制混合部流道壁面的表面凹凸形狀輪廓，改變流道內流體之流場，增加不同流體間之交混界面，提升流體間之混合效果。
2. 如申請專利範圍第1項所述之「使用形狀記憶材料之微流道混合器」裝置，其形狀記憶材料構成之壁面的雙向形狀記憶效應係以壓痕器局部壓印而成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之「使用形狀記憶材料之微流道混合器」裝置，其形狀記憶材料構成之壁面的雙向形狀記憶效應係以壓痕器局部壓印並經研磨拋光而成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之「使用形狀記憶材料之微流道混合器」裝置，其構成壁面之形狀記憶材料係為以溫度控制驅動之形狀記憶合金。
5. 如申請專利範圍第1項所述之「使用形狀記憶材料之微流道混合器」裝置，其構成壁面之形狀記憶材料係為以溫度控制驅動之形狀記憶高分子材料。
6. 如申請專利範圍第1項所述之「使用形狀記憶材料之微流道混合器」裝置，其構成壁面之形狀記憶材料係為以磁場控制驅動之形狀記憶材料。
7. 一種「使用形狀記憶材料之微流道開關閥」裝置，其特徵在於：具有入口流道、複數個流體流出之出口流道及部分以形狀記憶材料構成之雙向形狀記憶之流道壁面，當外部控制訊號驅動形狀記憶材料管壁時，可控制開關閥流道壁面的表面凹凸形狀輪廓，形成流道截面之限縮，進而增加流體流動之阻斷效果，達到控制流體流動之功能。
8. 如申請專利範圍第7項所述之「使用形狀記憶材料之微流道開關閥」裝置，其形狀記憶材料構成之壁面的雙向形狀記憶效應係以壓痕器局部壓印並經研磨拋光而成。
9. 如申請專利範圍第7項所述之「使用形狀記憶材料之微流道開關閥」裝置，其構成壁面之形狀記憶材料係為以溫度控制驅動之形狀記憶合金。
10. 如申請專利範圍第7項所述之「使用形狀記憶材料之微流道開關閥」裝置，其構成壁面之形狀記憶材料係為以溫度控制驅動之形狀記憶高分子材料。
11. 如申請專利範圍第7項所述之「使用形狀記憶材料之微流道開關閥」裝置，其構成壁面之形狀記憶材料係為以磁場控制驅動之形狀記憶材料。