TWI658985B - 慣性泵 - Google Patents

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Abstract

本揭示內容涉及慣性泵。一種慣性泵可包括一微流體通道，位在該微流體通道中的一流體致動器，與位在該微流體通道中的一止回閥。該止回閥可包括一可動閥元件，位在該可動閥元件上游的一窄化通道區段，與在該可動閥元件之下游形成於該微流體通道中的一阻擋元件。該窄化通道區段可具有小於該可動閥元件之寬度的寬度使得在該可動閥元件位於該窄化通道區段中時，該可動閥元件可阻擋流體流動通過該止回閥。該阻擋元件可經組配為該阻擋元件可約束該可動閥元件於該止回閥內，同時在該可動閥元件抵著該阻擋元件定位時也允許流體流動。

Description

慣性泵
本發明係有關於慣性泵。
微流體係有關於幾何局限於小尺寸(通常是從次毫米向下到數微米)之流體的行為、精確控制及操縱。許多應用可受益於流體流動控制技術，例如泵浦、閥等等。由於微流體系統的小尺寸，這些組件可能難以設計且常涉及複雜度、尺寸、成本及有效性的取捨。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種慣性泵，其包含一微射流通道，與位在該微射流通道中的一流體致動器及一止回閥。該止回閥包含一可動閥元件、位在該可動閥元件上游的一窄化通道區段、以及在該可動閥元件之下游形成於該微流體通道中的一阻擋元件。該窄化通道區段有小於該可動閥元件之寬度的寬度，致使在該可動閥元件位於該窄化通道區段中時，該可動閥元件阻擋流體流動通過該止回閥。該阻擋元件經組配為可約束該可動閥元件於該止回閥內，同時在該可動閥元件抵著該阻擋元件定位時也允許流體流動。
本揭示內容涉及慣性泵與包括慣性泵的微流體裝置。在一實施例中，一種慣性泵可包括一微流體通道，位在該微流體通道中的一流體致動器，與位在該微流體通道中的一止回閥。該止回閥可包括一可動閥元件，位在該可動閥元件上游的一窄化通道區段，與在該可動閥元件之下游形成於該微流體通道中的一阻擋元件。該窄化通道區段可具有小於該可動閥元件之寬度的寬度使得在該可動閥元件位於該窄化通道區段中時，該可動閥元件阻擋流體流動通過該止回閥。該阻擋元件可經組配為該阻擋元件可約束該可動閥元件於該止回閥內，同時在該可動閥元件抵著該阻擋元件定位時也允許流體流動。
在某些實施例中，該流體致動器可為一電阻器，其經組配為可產生汽泡(vapor bubbles)以推移(displace)在該微流體通道中之流體。在一特別實施例中，該微流體通道及該止回閥可用微影技術(photolithography)製造。在有些情形下，該可動閥元件的形式可為圓柱或六角形塊體。
在更多的實施例中，該阻擋元件與該窄化通道區段的距離可為該可動閥元件之寬度的1.1至5倍。又在更多的實施例中，該慣性泵可包括在該可動閥元件與該微流體通道之頂板(ceiling)及底板(floor)之間的間隙。該等間隙可具有約0.05微米至約4微米的高度。在另一實施例中，該止回閥的位置可遠離該流體致動器1微米至10微米。
在某些實施例中，該止回閥可位在該流體致動器的下游。在特別的實施例中，該慣性泵也可包括位在該流體致動器之上游的第二止回閥。
本揭示內容也可擴展到結合慣性泵的微流體裝置。在一實施例中，一種微流體裝置可包括一流體貯器，與該流體貯器連通的一微流體通道，位在該微流體通道中的一流體致動器，與位在該微流體通道中的一止回閥。該止回閥可包括一可動閥元件，位在該可動閥元件上游的一窄化通道區段，與在該可動閥元件之下游形成於該微流體通道中的一阻擋元件。該窄化通道區段可具有小於該可動閥元件之寬度的寬度使得在該可動閥元件位於該窄化通道區段中時，該可動閥元件阻擋流體流動通過該止回閥。該阻擋元件可經組配為該阻擋元件可約束該可動閥元件於該止回閥內，同時在該可動閥元件抵著該阻擋元件定位時也允許流體流動。
在某些實施例中，該止回閥可經組配為允許流體流動遠離該流體貯器。在更一實施例中，該微流體裝置也可包括與該微流體通道連通的一第二流體貯器。該止回閥可沿著該微流體通道位在該第一流體貯器與該第二流體貯器之間。該第二流體貯器可具有高於或低於該第一流體貯器的壓力。
在另一實施例中，微流體裝置可包括微流體混合通道，第一流體貯器，流體連接於第一流體貯器與微流體混合通道之間以從第一流體貯器泵送第一流體至微流體混合通道中的第一慣性泵，第二流體貯器，以及流體連接於第二流體貯器與微流體混合通道之間以從第二流體貯器泵送第二流體至微流體混合通道中的第二慣性泵。第一及第二慣性泵中之一者或兩者可包括一微流體通道，位在該微流體通道中的一流體致動器，以及位在該微流體通道中的一止回閥。該止回閥可包括一可動閥元件，位在該可動閥元件上游的一窄化通道區段，與在該可動閥元件之下游形成於該微流體通道中的一阻擋元件。該窄化通道區段可具有小於該可動閥元件之寬度的寬度使得在該可動閥元件位於該窄化通道區段中時，該可動閥元件阻擋流體流動通過該止回閥。該阻擋元件可經組配為該阻擋元件可約束該可動閥元件於該止回閥內，同時在該可動閥元件抵著該阻擋元件定位時也允許流體流動。
在某些實施例中，該微流體裝置也可包括流體連接於第一流體貯器與微流體通道之間的一或多個附加第一慣性泵，以及流體連接於第二流體貯器與微流體混合通道之間的一或多個附加第二慣性泵。在更一實施例中，該微流體混合通道可通向反應器。
許多微流體應用涉及流體流動通過小微流體通道的控制。例如，這些通道可能常有小於100微米的寬度。因此，用於控制流體在微流體通道中之流動的組件常有極小的尺寸。以此刻度來構造泵及閥極具挑戰性。先前解決方案的一些實施例包括動態閥、臘閥(wax valve)、毛細管截止閥(capillary break valve)、微機電(MEMS)閥、壓電閥。這些解決方案有各種缺點，例如高成本、複雜度、閥無法使用一次以上、閥的有效性低、無力反抗壓力頭(pressure head)、以及響應時間緩慢。
另外，已想出使用例如電阻器或壓電元件之流體致動器以推移在微通道中之流體的數種慣性泵。該流體致動器可在微通道上相對於微通道長度是不對稱的一點處。當流體致動器重覆地推移流體時，例如藉由在流體中重覆形成汽泡或致動壓電元件，可實現流體在一方向的淨流動，因為微通道中的流體有慣性力而可乘虛而入以取代被泡泡或壓電元件推移的流體。此類慣性泵可在微流體系統中產生流體流動。不過，這些泵的缺點是無力反抗相當大的壓力頭。
因此，本揭示內容提供有集成止回閥的慣性泵。該等止回閥可減少或實質防止流體朝向慣性泵之流體致動器的回流，甚至反抗相當大的壓力頭。使用用來形成微流體通道本身的相同技術，也可輕易製造該等止回閥。另外，該等止回閥可以大約數毫秒的響應時間響應，亦即，打開及關閉以響應流體流動方向的變化。因此，描述於本文具有集成止回閥的慣性泵可解決在控制微流體流動領域先前所面對的許多問題。在有些應用中，描述於本文的慣性泵可用來從多個貯器泵送不同流體進入單一通道或反應器，同時止回閥可防止由於流體從一貯器進入其他貯器引起的交叉污染。在一特別實施例中，這在例如DNA化驗的某些生物化驗中可能很有用，在此測試可受益於在泵進反應器之前保持分離且未被污染的反應劑。
圖1A至圖1D圖示根據本發明技術的慣性泵100。圖1A為慣性泵的俯視示意圖，其包括微流體通道110、位在該微流體通道中的流體致動器120，與位在該微流體通道中的止回閥130。該止回閥包括可動閥元件140、窄化通道區段150及阻擋元件160。如本文所使用的，「止回閥」係指從窄化通道區段到阻擋元件用元件符號130標示的結構(在其他圖中是230、330、430等等)。在其他圖中，該止回閥以類似的方式編號。
圖1B圖示慣性泵100的側面示意圖。如此圖所示，該流體致動器可形成為在微流體通道之底板上的襯墊。在某些實施例中，該流體致動器可為熱電阻器或壓電元件。窄化通道區段150可形成為微流體通道之牆體的集成部份。在此實施例中，該窄化通道區段形成為從微流體通道之牆體向內突出的方形突出物。可動閥元件140可脫離微流體通道的底板及頂板，如圖1B所示。因此，該可動閥元件在止回閥中可自由與流體流動一起移動。在此實施例中，阻擋元件160形成為從微流體通道之頂板延伸到底板的方形柱體。在其他的實施例中，該阻擋元件可形成為具有可有效束縛可動閥元件於止回閥中，同時也允許流體流動經過的不同形狀。該阻擋元件可固定在原位使得該阻擋元件不會與流體流動一起移動。
圖1C的俯視示意圖圖示當止回閥130處於關閉位置時的慣性泵100。可動閥元件140位在由窄化通道區段形成的間隙中。該可動閥實質阻擋或大部份阻擋窄化通道區段藉此實質停止或減少通過窄化通道區段的流體流動。取決於可動閥元件的高度與在可動閥元件上面及下面的間隙，在可動閥元件上面及下面仍可能出現少量的流體流動。例如，當流體致動器120不起作用且在止回閥下游的微流體通道中有較高壓力時，該止回閥可處於此位置。因此，該止回閥可防止或減少由下游之壓力頭引起而通過慣性泵的回流。
圖1D的俯視示意圖圖示處於開啟位置的慣性泵100。可動閥元件140抵著阻擋元件160定位。該阻擋元件經組配為該阻擋元件可束縛可動閥元件在止回閥130中，同時仍然允許流體流動通過。具體言之，在此實施例中，該阻擋元件安置在微流體通道的中央且大小經製作成阻擋元件與微流體通道之牆體的間隙對於可動閥元件是太小而不能穿過。當流體在下游方向流動時，該可動閥元件與流動一起移動且嵌在阻擋元件的一側。在阻擋元件之另一側的間隙開放以允許流體流動通過。
在某些實施例中，該慣性泵的流體致動器可為電阻器，其經組配為可產生汽泡以推移微流體通道中的流體。具體言之，該電阻器可通電以迅速加熱通過電阻器的流體到流體的沸點以上。這可產生膨脹迫使微通道中之周圍流體遠離電阻器的泡泡。在周圍流體被迫遠離電阻器時，該止回閥可處於開啟位置以允許流體在下游方向流過去。泡泡可能隨後瓦解。當泡泡瓦解時，周圍流體可快速涌回以填滿被泡泡佔用的容積。在此時，電阻器的流體下游可輕易朝向電阻器移回。不過，該可動閥元件可與移回的流體一起移動且迅速關閉該閥使得在該閥下游的流體被阻擋而不能回流通過。然後，藉由從電阻器上游吸引更多的流體來填滿被瓦解泡泡佔用的其他容積。以此方式，可增加在下游方向由慣性泵產生的淨流率。
在其他的實施例中，該流體致動器可為壓電元件。這些實施例可跟包括熱電阻器的實施例一樣地運行，除了替代形成泡泡以推移流體的電阻器以外，可施加電流至壓電元件以造成壓電元件改變形狀且推移微流體通道中的流體。在通到壓電元件的電流被關掉，壓電元件可回到它的原始形狀。來自壓電元件上游的流體可填滿被壓電元件佔用的容積，且止回閥可關閉以防下游的流體朝向壓電元件回流。
如本文所使用的，「下游」通常指慣性泵經組配為在慣性泵起作用時可產生之流體流動的方向。在有些實施例中，該止回閥可位在流體致動器的下游。當慣性泵起作用時，該流體致動器可重覆點火，使流體移向下游，且止回閥可重覆打開以在流體致動器在點火時允許下游流體流動且隨後關閉以防在流體致動器的點火之間的回流。在替代實施例中，該流體致動器可位在止回閥的下游。在此情形下，該止回閥在流體致動器點火時可關閉，防止流體致動器推移流體後退通過止回閥。在流體致動器的點火之間，該止回閥可打開以允許流體在下游方向流動以取代被流體致動器推移的流體。如本文所使用的，「上游」指與下游相反的方向。通常用止回閥防止或減緩在上游方向的流體流動。
在有些實施例中，可選擇可動閥元件、窄化通道區段及阻擋元件的形狀及尺寸以允許止回閥考慮到在下游方向的高流體流率，實質阻擋或減少在上游方向的流體流動，且提供快速的響應時間。在某些實施例中，阻擋元件與窄化通道區段在止回閥中的間隔可影響在下游方向的流體流率與止回閥的響應時間。較小的間隔可減少止回閥的響應時間，同時較大的間隔可增加供流體流過止回閥的空間從而增加下游的流體流率。在一實施例中，阻擋元件與窄化通道區段的距離可為可動閥元件之寬度的1.1至5倍。在更多的實施例中，阻擋元件與窄化通道區段的距離可為約1微米至約500微米。
在許多實施例中，該可動閥元件的形狀可製作成為圓柱。在此類實施例中，該可動閥元件的「寬度」可指圓柱的直徑。在其他的實施例中，該可動閥元件的「寬度」可指橫越該可動閥元件的最短尺寸，亦即，與可動閥元件的高度正交。在某些實施例中，該可動閥元件的形狀可製作成為六角形塊體。此一可動閥元件的寬度可為六角形的相對平行邊之間的距離。在更多的實施例中，該可動閥元件可具有方形、矩形、三角形或各種其他形狀。在各個實施例中，該寬度可為橫越該可動閥元件的最短尺寸。因此，使用寬度小於可動閥元件之寬度的窄化通道區段可確保可動閥元件不會鑽過窄化通道區段。在各種實施例中，該可動閥元件可具有約1微米至約100微米的寬度。
可動閥元件的頂端與微流體通道頂板之間的間隙距離，以及可動閥元件的底部與微流體通道底板的間隙，可能影響慣性泵的效率以及慣性泵反抗壓力頭的能力。在有些實施例中，可最大化該可動閥元件的高度以在止回閥關閉時提供最好的密封可能。不過，較大的間隙距離有益於確保可動閥元件可在打開、關閉閥位置之間可迅速地移動。因此，可選擇該間隙距離以給出在閥關閉時的良好密封與快速的響應時間。該間隙距離也可能被慣性泵的製造可行性影響。在有些實施例中，製造該可動閥元件可藉由沉積釋放層於微流體通道底板上，形成可動閥元件於釋放層上，形成另一釋放層於可動閥元件頂端，沉積微流體通道頂板，然後移除釋放層以從微流體通道的底板及頂板釋放可動閥元件。在此類實施例中，可用釋放層的厚度來控制該間隙距離。在其他的實施例中，有更多「漏洞」而允許更多回流的泵浦可能是可取的。在這些實施例中，較大的間隙距離可用來調整所欲回流的數量。在有些實施例中，可動閥元件與微流體通道之頂板及底板之間的間隙可具有約0.05微米至約4微米的間隙高度。在其他的實施例中，該可動閥元件的高度可為微流體通道之高度的約75%至約99.9%。
在其他的實施例中，該可動閥元件的形狀可為球形。在一些此類實施例中，該微流體通道與該止回閥中除球形可動閥元件以外的元件可用微影技術形成。在某些實施例中，該微流體通道及止回閥元件可由環氧樹脂基光阻形成，例如SU-8或SU-8 2000光阻。該球形可動閥元件可為由與止回閥之組件相同或不同的材料製成的球形。在有些情形下，該球形可動閥元件的材料可具有接近流動通過微流體通道之流體的密度，使得該球形可動閥元件可跟隨流動通過微流體通道的流體。在一實施例中，在形成微流體通道之牆體及底板後但是在藉由安置頂層於微流體通道上面來形成微流體通道之頂板前，可安置該球形可動閥元件於微流體通道中。
在某些實施例中，該止回閥的位置可遠離該流體致動器約1微米至約100微米。又在更多的實施例中，該止回閥的位置可遠離該流體致動器約1微米至約10微米。
除了圖示於圖1A至圖1D的示範止回閥以外，可使用止回閥的各種其他設計。圖2至圖7圖示各種附加止回閥設計。
圖2圖示有止回閥230的示範微流體通道210，止回閥230包括由通道牆體之兩個突出物252形成的窄化通道區段250。阻擋元件260位在出自通道牆體的兩個附加突出物262之間。可動閥元件240可嵌在阻擋元件與突出物之間的一間隙中，同時流體可流動通過在阻擋元件之另一側的間隙。
圖3圖示有止回閥330的示範微流體通道310，止回閥330包括由出自通道牆體之兩個突出物352形成的窄化通道區段350。在此實施例中，安置鄰近弧形通道牆體區段362的阻擋元件360。該等弧形通道牆體區段可讓流體在止回閥打開時更自由地流動通過止回閥。阻擋元件與通道牆體之間的間隙可小於阻擋元件340的寬度。
圖4圖示有止回閥430的示範微流體通道410，止回閥430包括由出自通道牆體之兩個突出物452形成的窄化通道區段450。在此實施例中，阻擋元件460為旋轉矩形柱體。在閥打開時，該柱體的旋轉形狀可促進可動閥元件440嵌在柱體的一特定側，同時流體可流過阻擋元件的另一側。
圖5圖示有止回閥530的示範微流體通道510，止回閥530包括由收歛牆體區段562與單一突出物552形成的窄化通道區段550。此實施例也有形塑為方形柱體的阻擋元件560與圓柱形可動閥元件540。
圖6圖示有止回閥630的示範微流體通道610，止回閥630包括由沒有任何突出物之收歛牆體區段662形成的窄化通道區段650。此實施例也有形塑為方形柱體的阻擋元件660與圓柱形可動閥元件640。
圖7圖示有止回閥730的示範微流體通道710，止回閥730包括由有收歛斜面之兩個造形突出物752形成的窄化通道區段750。阻擋元件760的形狀為三角形塊體。可動閥元件740為圓柱。可想到各種其他設計用於目前所描述的止回閥。
在有些實施例中，描述於本文的慣性泵可使用微影技術製造。該微流體通道及止回閥結構可由多個層製成，且藉由顯影光阻材料可形成微流體通道及止回閥特徵的造形。在某一實施例中，該等層可由環氧樹脂基光阻形成。在一實施例中，該等層可由SU-8或SU-8 2000光阻形成，彼等為環氧樹脂基負光阻。具體言之，SU-8與SU-8 200為雙酚A酚醛環氧樹脂基光阻，它可從各種來源取得，包括MicroChem Corp公司。這些材料可暴露於紫外光以變成交聯型，同時未曝光的部份在溶劑中仍然可溶且洗掉以留下空洞。
圖8的示範橫截面圖圖示由多個層形成的慣性泵800。施塗底塗層(primer layer)804至基板802。然後，可沉積流體致動器820於底塗層上。在其他的實施例中，在施塗底塗層之前，可形成該流體致動器於基板上，且隨後可從流體致動器的頂部移除底塗層。替換地，在有些實施例中，可施塗底塗層於流體致動器上面且允許它仍然覆蓋流體致動器。
然後，可沉積微流體層於底塗層上面。該微流體層可包括界定包括突出物852以形成窄化通道區段之微流體通道810的微流體通道牆體，以及阻擋元件860。在可動閥元件840的位置中，可首先沉積釋放層842於底塗層上。然後，在釋放層上面可形成該可動閥元件。可沉積第二釋放層於可動閥元件上面。然後，可施塗頂層806於微流體層上面。在形成這些層後，可移除釋放層以使可動閥元件脫離微流體通道頂板及底板。
在另一實施例中，藉由沉積膜層於基板上，沉積電阻器於該膜上，然後沉積底塗層於該膜上，可形成慣性泵。然後，可沉積下可動閥元件釋放層(lower moveable valve element release layer)於底塗層的一部份上。可沉積牆體於底塗層上以形成微流體通道。可沉積可動閥元件於在微流體通道內的下可動閥元件釋放層上面。在可動閥元件的上游可沉積窄化通道區段。在可動閥元件的下游可沉積阻擋元件。可沉積上可動閥元件釋放層(upper moveable valve element release layer)於可動閥元件上。可沉積頂層於牆體、上可動閥元件釋放層、窄化通道區段及阻擋元件上面以形成微流體通道的頂板。最後，可移除下及上可動閥元件釋放層以允許可動閥元件在窄化通道區段、阻擋元件之間自由移動。
在有些實施例中，該基板可由矽材料形成。例如，該基板可由單晶矽、多晶矽、砷化鎵、玻璃、矽土、陶瓷或半導體材料形成。在一特別實施例中，該基板可具有約50微米至約1200微米的厚度。
在更多的實施例中，該底塗層可為厚度約2微米至約100微米的一層光阻材料，例如SU-8。
形成該微流體層可藉由曝光有界定數個有頂流體進給槽(covered fluid feed slot)及微流體通道之牆體圖案的一層光阻，然後洗掉未曝光的光阻。形成此層可藉由旋塗液體光阻於底塗層上然後顯影該層，藉由貼合光阻乾膜，或這兩種技術的組合。在有些實施例中，該微流體層可具有約2微米至100微米的厚度。可形成寬度有約2微米至約100微米，約10微米至約50微米，或約20微米至約30微米的微流體通道。
在某些實施例中，藉由貼合乾膜光阻(dry film photoresist)於微流體層上面且用紫外線圖案曝光該乾膜光阻以形成微流體通道的頂板，可形成該頂層。在有些實施例中，該頂層可具有約2微米至約200微米的厚度。
本發明技術也擴展到結合上述慣性泵的微流體裝置。圖9圖示示範微流體裝置900，其包括第一流體貯器902、第二流體貯器904、連接該等流體貯器的微流體通道910、在該微流體通道中的流體致動器920、與在該微流體通道中的止回閥930。該止回閥由窄化通道區段950、阻擋元件960及可動閥元件940組成。在此實施例中，該止回閥經組配為允許從第一流體貯器朝向第二流體貯器的流動。另外，在此實施例中，該止回閥位在流體致動器的下游。在該止回閥面向此方向下，由流體致動器及止回閥組成的慣性泵可從第一流體貯器泵送流體至第二流體貯器，即使第二流體貯器中的壓力大於第一流體貯器中的壓力。
圖10至圖13圖示在不同位置有相同組件的其他示範微流體裝置900。這些實施例各自經組配為可從第一流體貯器902泵送流體至第二流體貯器904。在圖10中，流體致動器920與止回閥930在第一流體貯器附近，且該止回閥在流體致動器的下游。在圖11中，該流體致動器靠近第一貯器且止回閥靠近第二貯器。在圖12中，止回閥及流體致動器都靠近第一貯器，且流體致動器在止回閥的下游。在圖13中，止回閥在第一貯器附近且流體致動器在第二貯器附近。圖14圖示包括兩個止回閥的示範微流體裝置。一個止回閥在流體致動器的上游而另一個止回閥在流體致動器的下游。所有這些實施例可產生從第一貯器進入第二貯器的流體流動。也可想到其他設計用於描述於本文的微流體裝置。另外，微流體裝置可包括兩個以上的貯器，附加慣性泵，多個流體致動器與多個止回閥的其他組合，等等。
在更多的實施例中，描述於本文的慣性泵可使用於將多種流體混合在一起的微流體裝置。此類裝置可混合用於各種目的的流體，例如流體的稀釋或反應。在一實施例中，微流體裝置可包括測試流體(test fluid)的貯器與稀釋3流體的貯器。慣性泵可用來泵送這些兩個流體進入公共微流體通道或室以稀釋測試流體。在另一實施例中，微流體裝置可包括兩個或多個反應劑貯器。慣性泵可用來使反應劑在反應器中混合在一起以進行化學反應。
在各種實施例中，可由該慣性泵泵送的流體可包括水、水性流體，例如水性溶液與分散液、乙醇、矽油、有機液體及其他。在某些實施例中，測試流體可包括生物流體或生物分子的水性溶液。在更多的實施例中，稀釋流體可包括水、乙醇或水性溶液，例如含鹽溶液。反應劑流體可包括任何液體反應劑，溶解反應劑的溶液，固體反應劑的分散液，等等。在有些實施例中，該流體可包括粒徑小到足以鑽過所使用之微流體通道及止回閥的分散固體粒子。
圖15圖示示範微流體裝置1000，其包括微流體混合通道1011、第一流體貯器1002、第二流體貯器1004、以及反應器1006。第一慣性泵由第一流體致動器1020與第一止回閥1030組成。該第一慣性泵連接在第一貯器、微流體混合通道之間。第二慣性泵由第二流體致動器1021與第二止回閥1031組成。該第二慣性泵連接在第二貯器、微流體混合通道之間。
圖示於圖15的微流體裝置可用來混合反應劑或稀釋流體。在一實施例中，第一及第二反應器可包含不同的反應劑。在另一實施例中，第一貯器可包含要被稀釋的流體，且第二貯器可包含稀釋流體。由在此裝置中之慣性泵提供的一優點是止回閥可實質防止兩個不同流體在該等貯器中混合。例如，可能不合意地使兩種反應劑在第一或者是第二流體貯器內混合。第一及/或第二慣性泵中的止回閥可防止來自第一貯器的反應劑進入第二貯器，反之亦然。
在一特別實施例中，如本文所述的微流體裝置可使用於DNA化驗。在此實施例中，第一流體貯器可包含與溶解緩衝液(lysis buffer)混合的感興趣生物細胞。如本文所述的第一慣性泵可從第一流體貯器泵送第一流體進入反應室。第二流體貯器可包括清洗緩衝液。在生物細胞與溶解緩衝液已在反應室中反應後，可用第二慣性泵泵送清洗緩衝液進入反應室以清洗反應室。第一及第二慣性泵中的止回閥可防止生物細胞及溶解緩衝液進入第二流體貯器並且也防止清洗緩衝液進入第一流體貯器。
在更多的實施例中，3個或多個貯器可連接至在單一交叉點會合的微流體通道。各個貯器可具有有在各個微流體通道中之止回閥的相關慣性泵。此一裝置可用來使多種不同材料混合在一起或順序泵送多種不同材料，而不使材料在該等貯器中之任一者中混合。
由該慣性泵提供的另一優點是能夠控制第一及第二貯器中之流體的混合比率。在有些實施例中，藉由控制第一及第二流體致動器的點火頻率，可控制來自該等貯器之流體的流率。例如，如果第一流體致動器的點火頻率兩倍於第二流體致動器，則來自第一貯器之流體的流率可約兩倍於來自第二貯器之流體的流率。調整流體致動器的相對點火率(relative firing rate)可精細地控制流率比率。因此，在有些實施例中，可用該微流體裝置執行需要數種反應劑之特定比率的反應。在其他的實施例中，藉由控制流體的流率與來自各個貯器的稀釋流體，該微流體裝置可提供流體的特定稀釋。這些微流體裝置用於以特別的順序將反應劑添入反應器也可能有用，因為可用任何所欲順序激活與各個貯器關聯的慣性泵。
在更一實施例中，可製作有從第一及/或第二貯器通往混合通道之多個平行慣性泵的微流體裝置。包括附加慣性泵可增加可實現之流率比的範圍。附加慣性泵也可改善控制流率的精度，因為可獨立控制各個慣性泵的點火率以精確控制流率。
應瞭解，本揭示內容不受限於揭露於本文的特定製程步驟及材料，因為此類製程步驟及材料可能稍有不同。也應瞭解，本文所用的術語只是為了用於描述特定的實施例。該等用語非旨在限制，因為本揭示內容的範疇旨在只受限於隨附請求項及其等效陳述。
應注意，如本專利說明書及隨附請求項中所使用的，單數形式「一(a/an)」及「該(the)」包括複數個指示物，除非上下文另有明示。
如本文所使用的，用語「實質」或「實質上」在被用來引用材料或是其特定特性的數量或量時係指足以提供該材料或特性打算提供之效應的數量。容許偏離的確切程度在有些情形下可能取決於特定上下文。
如本文所使用的，用語「約」用來提供數值範圍端點的可變通性，其係藉由假定給定值可「略高於」或「略低於」端點。此用語的可變通程度可取決於特定變數且可基於本文的相關說明來確定。
如本文所使用的，為了便利，可在一共同列表中出現複數個項目、結構元件、成分元件、及/或材料。然而，應將這些列表詮釋為猶如該列表之每一成員被識別為一獨立的及唯一的成員。因此，不應在沒有相反指示下只根據該列表的任何個別成員及相同列表的任何其他成員出現在一共同組中，就將該個別成員視為該任何其他成員之事實上的等效物。
可以一範圍格式表示或呈現濃度、數量、及其他數值資料。應瞭解，只是為了便利及簡潔而使用該範圍格式，且因而應彈性地詮釋為不只是包括被明確地陳述為該範圍的界限之數值，而且也包括該範圍內包含的所有個別數值或子範圍，猶如每一數值及子範圍被明確陳述一般。舉例而言，應將「約1重量%至約5重量%」的數值範圍詮釋為：不只是包括約1重量%至約5重量%之被明確陳述的值，而且也包括該所示範圍內之個別數值及子範圍。因此，該數值範圍中包括諸如2、3.5、及4等的個別值、以及諸如自1至3、自2至4、及自3至5等的子範圍。相同的原則適用於只陳述一個數值的範圍。此外，不論被描述之範圍或特性的寬度有多大，都應適用此一詮釋。 實施例
以下圖解說明本揭示內容的一實施例。不過，應瞭解，以下只是圖解說明本揭示內容之原理的應用。可想出許多修改及替代合成、方法和系統而不脫離本揭示內容的精神及範疇。隨附請求項旨在涵蓋此類修改及配置。 實施例1–微流體止回閥模擬
使用圖示於圖16之示範微流體系統的幾何來執行電腦模擬。此圖以俯視圖圖示幾何尺寸。通道的高度設定為20微米且圓柱形可動閥元件的高度為15微米。執行流體動態模擬以用來自通道A的流動來模擬水通過這些微流體通道的流動。該模擬顯示，圓柱形可動閥元件被流動流體移動且在約10微秒後接觸窄化通道區段。一旦該閥關閉，流進通道B的流體約為通道C的三倍。
然後，改變流動方向使得流動起源於通道B及C兩者。圓柱形可動閥元件移到阻擋元件的一側，且流體流動繞過阻擋元件的另一側且進入通道A。發現從通道C進入通道A的容積流率小於從通道B進入通道A的容積流率，因為通道B沒有干涉流動的止回閥。該等模擬表明止回閥可有效減少通過處於關閉位置之止回閥的流體流動，同時在處於開啟位置時允許流體流動。該止回閥也有10微秒的快速響應時間。
儘管已參考一些實施例來描述本發明技術，然而可做出各種修改、變更、省略及取代而不脫離本揭示內容的精神。因此，本揭示內容旨在只受限於下列請求項的範疇。
100‧‧‧慣性泵
110‧‧‧微流體通道
120‧‧‧流體致動器
130‧‧‧止回閥
140‧‧‧可動閥元件
150‧‧‧窄化通道區段
160‧‧‧阻擋元件
210‧‧‧示範微流體通道
230‧‧‧止回閥
240‧‧‧可動閥元件
250‧‧‧窄化通道區段
252‧‧‧突出物
260‧‧‧阻擋元件
262‧‧‧附加突出物
310‧‧‧示範微流體通道
330‧‧‧止回閥
340‧‧‧阻擋元件
350‧‧‧窄化通道區段
352‧‧‧突出物
360‧‧‧阻擋元件
362‧‧‧弧形通道牆體區段
410‧‧‧示範微流體通道
430‧‧‧止回閥
440‧‧‧可動閥元件
450‧‧‧窄化通道區段
452‧‧‧突出物
460‧‧‧阻擋元件
510‧‧‧示範微流體通道
530‧‧‧止回閥
540‧‧‧圓柱形可動閥元件
550‧‧‧窄化通道區段
552‧‧‧單一突出物
560‧‧‧阻擋元件
562‧‧‧收歛牆體區段
610‧‧‧示範微流體通道
630‧‧‧止回閥
640‧‧‧圓柱形可動閥元件
650‧‧‧窄化通道區段
660‧‧‧阻擋元件
662‧‧‧收歛牆體區段
710‧‧‧示範微流體通道
730‧‧‧止回閥
740‧‧‧可動閥
750‧‧‧窄化通道區段
752‧‧‧造形突出物
760‧‧‧阻擋元件
800‧‧‧慣性泵
802‧‧‧基板
804‧‧‧底塗層
806‧‧‧頂層
810‧‧‧微流體通道
820‧‧‧流體致動器
840‧‧‧可動閥元件
842‧‧‧釋放層
852‧‧‧突出物
860‧‧‧阻擋元件
900‧‧‧示範微流體裝置
902‧‧‧第一流體貯器
904‧‧‧第二流體貯器
910‧‧‧微流體通道
920‧‧‧流體致動器
930‧‧‧止回閥
940‧‧‧可動閥元件
950‧‧‧窄化通道區段
960‧‧‧阻擋元件
1000‧‧‧示範微流體裝置
1002‧‧‧第一流體貯器
1004‧‧‧第二流體貯器
1006‧‧‧反應器
1011‧‧‧微流體混合通道
1020‧‧‧第一流體致動器
1021‧‧‧第二流體致動器
1030‧‧‧第一止回閥
1031‧‧‧第二止回閥
由以下詳細說明和一起舉例圖示本發明技術之特徵的附圖可明白本揭示內容的附加特徵及優點。
圖1A根據本揭示內容圖示一示範慣性泵的俯視示意圖；
圖1B的側面示意圖根據本揭示內容圖示有開啟止回閥的示範慣性泵；
圖1C的俯視示意圖根據本揭示內容圖示有關閉止回閥的示範慣性泵；
圖1D的俯視示意圖根據本揭示內容圖示有開啟止回閥的示範慣性泵；
圖2根據本揭示內容圖示一示範止回閥的俯視示意圖；
圖3根據本揭示內容圖示一示範止回閥的俯視示意圖；
圖4根據本揭示內容圖示一示範止回閥的俯視示意圖；
圖5根據本揭示內容圖示一示範止回閥的俯視示意圖；
圖6根據本揭示內容圖示一示範止回閥的俯視示意圖；
圖7根據本揭示內容圖示一示範止回閥的俯視示意圖；
圖8根據本揭示內容圖示一示範慣性泵的側面剖視圖；
圖9根據本揭示內容圖示一示範微流體裝置的俯視示意圖；
圖10根據本揭示內容圖示一示範微流體裝置的俯視示意圖；
圖11根據本揭示內容圖示一示範微流體裝置的俯視示意圖；
圖12根據本揭示內容圖示一示範微流體裝置的俯視示意圖；
圖13根據本揭示內容圖示一示範微流體裝置的俯視示意圖；
圖14根據本揭示內容圖示一示範微流體裝置的俯視示意圖；
圖15根據本揭示內容圖示一示範微流體裝置的俯視示意圖；與
圖16的俯視示意圖根據本揭示內容圖示使用於止回閥之流體動態模擬的幾何。
此時引用圖示於本文的數個實施例，且特定語言在此會用來描述它們。然而，應瞭解，這並非藉此意圖限制本揭示內容的範疇。

Claims (15)

  1. 一種慣性泵，其包含： 一微流體通道； 位在該微流體通道中的一流體致動器；與 位在該微流體通道中的一止回閥，該止回閥包含： 一可動閥元件， 位在該可動閥元件上游的一窄化通道區段，該窄化通道區段有小於該可動閥元件之寬度的寬度，致使在該可動閥元件位於該窄化通道區段中時，該可動閥元件阻擋流體流動通過該止回閥，與 一阻擋元件，其在該可動閥元件之下游形成於該微流體通道中且經組配為該阻擋元件可約束該可動閥元件於該止回閥內，同時在該可動閥元件抵著該阻擋元件定位時也允許流體流動。
  2. 如請求項1之慣性泵，其中，該流體致動器為一電阻器，其經組配為可產生汽泡以推移在該微流體通道中之流體。
  3. 如請求項1之慣性泵，其中，該微流體通道及該止回閥係用微影技術製造。
  4. 如請求項1之慣性泵，其中，該阻擋元件與該窄化通道區段的距離為該可動閥元件之寬度的1.1至5倍。
  5. 如請求項1之慣性泵，其中，該可動閥元件的形式為圓柱或六角形塊體。
  6. 如請求項1之慣性泵，其進一步包含在該可動閥元件與該微流體通道之頂板及底板之間的數個間隙，其中，該等間隙有約0.05微米至約4微米的高度。
  7. 如請求項1之慣性泵，其中，該止回閥的位置遠離該流體致動器1微米至100微米。
  8. 如請求項1之慣性泵，其中，該止回閥位在該流體致動器的下游。
  9. 如請求項8之慣性泵，其進一步包含位在該流體致動器之上游的一第二止回閥。
  10. 一種微流體裝置，其包含： 一流體貯器； 與該流體貯器連通的一微流體通道； 位在該微流體通道中的一流體致動器；與 位在該微流體通道中的一止回閥，該止回閥包含： 一可動閥元件， 位在該可動閥元件上游的一窄化通道區段，該窄化通道區段有小於該可動閥元件之寬度的寬度，致使在該可動閥元件位於該窄化通道區段中時，該可動閥元件阻擋流體流動通過該止回閥，與 一阻擋元件，其在該可動閥元件之下游形成於該微流體通道中且經組配為該阻擋元件可約束該可動閥元件於該止回閥內，同時在該可動閥元件抵著該阻擋元件定位時也允許流體流動。
  11. 如請求項10之微流體裝置，其中，該止回閥經組配為允許流體流動遠離該流體貯器。
  12. 如請求項11之微流體裝置，其進一步包含與該微流體通道連通的一第二流體貯器，其中，該止回閥沿著該微流體通道位在該第一流體貯器與該第二流體貯器之間，且其中，該第二流體貯器有高於該第一流體貯器的壓力。
  13. 一種微流體裝置，其包含： 一微流體混合通道； 一第一流體貯器； 一第一慣性泵，其流體連接於該第一流體貯器與該微流體混合通道之間以從該第一流體貯器泵送一第一流體進入該微流體混合通道； 一第二流體貯器；與 一第二慣性泵，其流體連接於該第二流體貯器與該微流體混合通道之間以從該第二流體貯器泵送一第二流體進入該微流體混合通道； 其中，該第一及第二慣性泵中之一者或兩者包含： 一微流體通道， 位在該微流體通道中的一流體致動器，與 位在該微流體通道中的一止回閥，該止回閥包含： 一可動閥元件； 位在該可動閥元件之上游的一窄化通道區段，該窄化通道區段有小於該可動閥元件之寬度的寬度，致使在該可動閥元件位於該窄化通道區段中時，該可動閥元件阻擋流體流動通過該止回閥；與 一阻擋元件，其在該可動閥元件之下游形成於該微流體通道中且經組配為該阻擋元件可約束該可動閥元件於該止回閥內，同時在該可動閥元件抵著該阻擋元件定位時也允許流體流動。
  14. 如請求項13之微流體裝置，其進一步包含流體連接於該第一流體貯器與該微流體混合通道之間的一或多個附加第一慣性泵，以及流體連接於該第二流體貯器與該微流體混合通道之間的一或多個附加第二慣性泵。
  15. 如請求項13之微流體裝置，其中，該微流體混合通道通向一反應器。
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