TWI670499B

TWI670499B - 微流體裝置

Info

Publication number: TWI670499B
Application number: TW107111736A
Authority: TW
Inventors: 亞歷山大戈弗亞迪諾夫; 亞當希金斯; 帕維爾柯爾尼羅維西
Original assignee: 美商惠普研發公司
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2019-09-01
Also published as: US20200406258A1; TW201842337A; WO2018186880A1; EP3583228A4; US11110453B2; EP3583228A1

Abstract

本發明係針對微流體裝置。在一個實例中，一種微流體裝置可包括一微流體通道。一排氣室可與該微流體通道流體連通。一毛細管斷口可位於該微流體通道與該排氣室之間。該毛細管斷口可包括一漸縮部分及一變窄開口，該變窄開口具有比該微流體通道之寬度小的一寬度。一排氣口可將氣體自該排氣室排出。該排氣口可位於遠離該毛細管斷口一距離處，以使得該毛細管斷口中之一流體不會穿過該排氣口逸出。

Description

微流體裝置

本發明係關於一種微流體裝置，以及一種微流體核酸測試裝置。

微流體係關於流體之行為、精確控制及操縱，該等流體幾何上受限於小的(通常次毫米)尺度。眾多應用程序採用被動流體控制技術，例如毛細管力。在一些應用中，外部致動技術用於定向輸送流體。存在多種微流體應用，各種應用需要對流體流動、混合、溫度、蒸發等進行不同控制。

本發明係針對微流體裝置。本文中描述之微流體裝置可包括微流體通道，與微流體通道流體連通之排氣室、微流體通道與排氣室之間的毛細管斷口以及將氣體自排氣室排出之排氣口。毛細管斷口可包括漸縮部分及具有比微流體通道之寬度小的寬度的變窄開口。排氣口可位於遠離毛細管斷口一定距離處，以使得毛細管斷口中之流體不會穿過排氣口逸出。

在特定實例中，毛細管斷口可具有自約2 μm至約20 μm之窄開口寬度。在進一步實例中，毛細管斷口可為在微流體通道與排氣室之間串列連接的複數個毛細管斷口中之一者。在一個此類實例中，微流體通道可藉由串列連接的三個或多於三個毛細管斷口與排氣室分開。在另一實例中，毛細管斷口可具有沿朝向排氣室方向減少的不同變窄開口寬度。

在進一步實例中，微流體通道可為複數個微流體通道中之一者。多個微流體通道可為經由複數個毛細管斷口與排氣室流體連通。

在另一實例中，微流體裝置還可包括將排氣口與排氣室分開的排氣管道。排氣管道可具有小於微流體通道之寬度的寬度。在又另一實例中，排氣管道可包括一或多個轉彎部。在特定實例中，排氣口可具有自大約2 μm至約20 μm的直徑。

在其他實例中，微流體通道可形成為具有轉彎部之迴路，其中毛細管斷口在轉彎部處將微流體通道連接至排氣室。

在額外實例中，微流體核酸測試裝置可包括流體饋入開口、與流體饋入開口流體連通之微流體通道，與微流體通道流體連通之排氣室、位於微流體通道附近之加熱電阻器、微流體通道與排氣室之間的毛細管斷口以及將氣體自排氣室排出之排氣口。毛細管斷口可包括漸縮部分及具有比微流體通道之寬度小的寬度的變窄開口。排氣口可位於遠離毛細管斷口一定距離處，以使得毛細管斷口中之流體不會穿過排氣口逸出。加熱電阻器可能夠加熱微流體通道中之流體。

在又一實例中，微流體核酸測試裝置還可包含位於微流體通道附近之溫度感測器。溫度感測器可能夠量測微流體通道中之流體的溫度。在另一實例中，微流體通道可能夠通過毛細管力自灌注。

在額外實例中，微流體裝置可包括經覆蓋流體饋入槽、形成為在兩端連接至經覆蓋流體饋入槽之迴路的複數個微流體通道、微流體通道中之慣性泵、與複數個微流體通道微流體通道之排氣室、複數個微流體通道與排氣室之間的複數個毛細管斷口以及將氣體自排氣室排出之排氣口。毛細管斷口可包括漸縮部分及寬度小於微流體通道寬度的變窄開口。排氣口可位於遠離毛細管斷口一定距離處，以使得毛細管斷口中之流體不會穿過排氣口逸出。經覆蓋流體饋入槽可包含用於將流體填充至經覆蓋流體饋入槽中之流體饋入孔。流體饋入孔可具有比經覆蓋流體饋入槽小之面積。慣性泵可使流體循環通過微流體通道。在特定實例中，每一微流體通道可藉由串列連接之三個或多於三個毛細管斷口與排氣室分開。

本文中所描述之微流體裝置可提供微流體通道中之流體之減少蒸發，消除在微流體通道中捕獲之氣泡並改善微流體裝置中之微流體通道之灌注。核酸測試為此等特徵可用於之區域的一個實例。核酸測試，例如核酸擴增測試，聚合酶鏈式反應（PCR）測試及其他核酸測試通常可用少量樣品液執行。因此，本文中所描述之微流體裝置具有小的內部流體體積，可用於測試此等小的樣品體積。由微流體裝置提供之減少的蒸發對於確保樣品在完成測試之前不會蒸發得太快特別有用。另外，某些類型之核酸測試涉及將樣品流體加熱至高溫。若微流體通道中存在氣泡，則加熱可導致氣泡膨脹，從而可能自微流體通道中吹出樣品流體，甚至損壞微流體裝置。本文中所描述之裝置可減少微流體通道中氣泡之發生。此可使裝置對於許多應用更可靠，且特別是對於涉及加熱樣本流體之應用。

在進一步實例中，本文中所描述之微流體裝置可用於測試各種生物化學靶材。在某些實例中，微流體裝置可包括多個相鄰微流體通道以同時測試多種流體。在一些狀況下，可使用毗鄰微流體通道來測試微流體通道中之樣品及毗鄰微流體通道中之參考反應。例如，針對靶材化合物進行測試的樣品流體可與試劑在一個微流體通道中起反應，而已知不含有靶材化合物之控制流體，或「安慰劑」可在毗鄰微流體通道中與相同試劑混合。可將每一微流體通道中發生之反應進行比較以確定樣品流體是否含有靶材。例如，若樣品流體含有靶材化合物，則第一微流體通道可產生正信號，而與對照流體毗鄰之微流體不產生信號。此可降低測試中之信噪比並提高測試靈敏度。在另一實例中，可將樣本流體與具有已知濃度靶材化合物之參考流體進行比較。在一些實例中，該裝置可具有多個微流體通道，其可載滿多個測試樣品、不含任何靶材化合物的對照流體及含有已知濃度之靶材化合物的參考流體。此可提供具有減少的偽陽性及偽陰性可能性的穩健測試。

可使用本文中所描述之微流體裝置執行的測試之非限制性實例可包括酶聯免疫吸附測定（ELISA）免疫測定測試，使用聚合酶鏈反應（PCR）之核酸擴增測試（NAAT），等溫擴增，例如多重置換擴增（MDA）、環媒介等溫擴增（LAMP）、滾環擴增（RCA）、依賴解旋酶擴增（HAD）、重組酶聚合酶擴增（RPA）、基於核酸序列擴增（NASBA）、血液學測試，等等。多種其他生物化學及非生物化學測試亦可受益於由本文中所描述之微流體裝置提供之微流體通道之減少的蒸發及增強灌注。

圖1展示根據本發明之微流體裝置100的實例。該裝置可包括微流體通道110及與微流體通道流體連通之排氣室120。毛細管斷口130可位於微流體通道與排氣室之間。毛細管斷口可包括漸縮部分及具有比微流體通道之寬度小之寬度的變窄開口。排氣口140可將氣體自排氣室排出。排氣口可將氣體自排氣室排出，且排氣口可位於遠離毛細管斷口一定距離處，使得毛細管斷口中之流體不會穿過排氣口逸出。流體饋入開口150可用於將流體饋入至微流體通道中。儘管在圖1中未展示，但在一些實例中，微流體通道、毛細管斷口及排氣室可為在固體材料內形成之敞開體積。排氣口及流體饋入開口可為固體材料中之允許流體或氣體進出裝置的開口。本文中所描述之裝置可藉由下文更詳細描述之各種方法製造。

根據本技術之微流體裝置可包括微流體通道與排氣室之間的毛細管斷口，以阻止微流體通道中之流體到達排氣口。如本文中所使用，「毛細管斷口」係指微流體結構，其包括漸縮部分及變窄開口，其中固持變窄開口中之流體的毛細管力相對於微流體通道中之毛細管力可增加。因此，毛細管斷口可漸縮至具有比微流體通道之寬度小的寬度的變窄開口。

圖2展示可用於本發明微流體裝置中之毛細管斷口230之一個實例。毛細管斷口可包括漸縮部分234及變窄開口236。在此例子中，毛細管斷口可在微流體通道210之寬度處開始並漸縮至變窄開口。變窄開口可延伸至排氣室220中。當微流體通道用流體灌注時，流體可流入至毛細管斷口之變窄開口並形成彎月面。變窄開口可具有比微流體通道小之寬度，且與排氣室之內部相比亦具有更小寬度。此可能導致變窄開口中之毛細管力最大，此可傾向於將流體保留在變窄開口中。藉由在排氣室中之縮窄開口與外部漸縮部分之間使用銳角，亦可以增加破壞彎月面及力流體流過毛細管斷口所需之力的量。在此實例中，內部錐角238及外部錐角239以虛線展示。在一些實例中，內部漸縮角及外部漸縮角可獨立地自約5°至約45°。在其他實例中，變窄開口可具有為微流體通道之寬度的1%至90%的寬度。在更具體實例中，變窄開口可具有微流體通道寬度之2%至60%或5%至40%的寬度。在一個實例中，變窄開口可具有自約2 μm至約20 μm的寬度。如此圖中所展示，可在固體材料205中形成微流體通道、毛細管斷口及排氣室。固體材料可形成微流體通道及排氣室之壁以及毛細管斷口之漸縮部分。毛細管斷口的變窄開口可以是毛細管斷口任一側上漸縮部分的固體材料之間的空隙空間。

在某些其他實例中，可在微流體通道與排氣室之間串列使用多個毛細管斷口。在一些狀況下，可串列放置三個或多於三個毛細管斷口。圖3展示串列放置在微流體通道310與排氣室320之間的三個毛細管斷口330a、330b、330c的實例。毛細管斷口可包括漸縮部分334a、334b、334c及變窄開口336a、336b、336c。微流體通道及排氣室之壁以及毛細管斷口之漸縮部分可由固體材料305形成。

在各種實例中，多個毛細管斷口之變窄開口可具有相同變窄開口寬度或不同變窄開口寬度。在某些實例中，毛細管斷口之變窄開口可具有在朝向排氣室之方向上減小的變窄開口寬度。串列使用多個毛細管斷口，無論是相同抑或不同變窄開口寬度都可提高微流體裝置之可靠性。如上文所提及，在一些實例中，毛細管斷口可防止流體通過毛細管斷口流入至排氣室。串列使用多重毛細管斷口可減少由於毛細管斷口失敗而導致將發生不需要流體流入排氣室之可能性。在一些實例中，由於毛細管斷口之製造缺陷，導致彎月面斷裂之毛細管斷口上游的過度壓力，或彎月面在毛細斷口中無法形成之一些其他原因，毛細管斷口可能無法阻止流體流動。當可串列使用多個毛細管斷口時，可減少所有毛細管斷口不能阻止流體流動的可能性。應理解，本文中所描述之任何實例可採用單個毛細管斷口或串列之多個毛細管斷口，無論在圖中具體描述或顯示單個抑或多個毛細管斷口。

在本技術之進一步實例中，微流體通道可通向可與排氣口流體連接的排氣室。當流體進入微流體通道時，排氣孔可通過允許微流體通道中之空氣逸出而促進微流體通道的灌注。在各種實例中，排氣口之尺寸及數量可最小化以減少流體穿過排氣口之蒸發。

在某些實例中，排氣口可具有比微流體通道之寬度小的寬度。例如，排氣口可在一些狀況下可具有1 μm至50 μm、2 μm至30 μm或5 μm至20 μm的寬度。在進一步實例中，排氣口可具有微流體通道的寬度自1%至99%、微流體通道的寬度的5%至50%，或微流體通道的寬度的5%至25%的寬度。排氣口的形狀沒有特別限制。在一些實例中，排氣口可為圓形、正方形、矩形或另一形狀。

可藉由將多個微流體通道連接至具有單個排氣口之單個排氣室，可減少包含在微流體裝置中之排氣口的數量。以此方式，多個微流體通道可灌注充滿流體，從而允許微流體通道中之空氣穿過排氣口逸出。然後，可減少微流體通道中之蒸發，因為只有單個排氣口可用作蒸發通道。與其中每一微流體通道具有其自己排氣口之裝置相比，此微流體裝置可減少蒸發。

在另一實例中，可藉由在長微流體通道之末端使用排氣口來減少排氣口之數目。在某些實例中，使用具有複數個轉彎部之蛇形微流體通道可允許長微流體通道佔據小面積。在一個實例中，可在長蛇形微流體通道的末端形成單個排氣口。

在進一步實例中，微流體裝置中之排氣口之數目與微流體通道中之流體的總體積的比率可為自每1nL 1個排氣口至每100 nL 1個排氣口。在某些實例中，微流體裝置可每流體饋入開口具有低達一個排氣口。

圖4展示包括額外特徵之微流體裝置400的另一實例。此特定實例可包括具有第一流體饋入孔452及第二流體饋入孔453之第一經覆蓋流體饋入槽450及第二經覆蓋流體饋入槽451形式之兩個流體饋入開口以將流體引入至經覆蓋流體饋入槽。此實例還可包括第一微流體通道410及第二微流體通道411。第一及第二微流體通道可導致第一毛細管斷口430及第二毛細管斷口431。毛細管斷口可防止流體進入第一排氣室420及第二排氣室421且穿過第一排氣口440及第二排氣口441逸出。為了進一步闡明經覆蓋流體饋入槽及流體饋入孔之結構，沿著虛線401切割之該裝置的剖面視圖在圖5中展示。

在一些實例中，微流體裝置可包括兩個微流體通道，如圖4中所展示。第一微流體通道可經形成鄰近於第二微流體通道但不與第二微流體通道流體連通。微流體通道中之每一者可與具有用於將流體引入至經覆蓋流體饋入槽中之流體饋入孔的經覆蓋流體饋入槽流體連通。在一些狀況下，自上方觀察，流體饋入孔可具有比經覆蓋流體饋入槽小之面積。

在一些實例中，微流體裝置可包括基板（圖4中未展示），在該基板上可定位經覆蓋流體饋入槽及微流體通道。在某些實例中，流體饋入孔可為基板中之開口。使用基板中之此等開口，流體可自裝置下方引入至經覆蓋流體饋入槽中。經覆蓋流體饋入槽之大部分可由基板自下方覆蓋。因此，在一些實例中，經過基板發生之蒸發量可減少，因為蒸發僅經過較小流體饋入孔發生。

微流體裝置還可以包括從上方覆蓋微流體通道及經覆蓋流體饋入槽的頂層（圖4中未示出）。在進一步實例中，流體饋入孔可為此頂層中之開口，從而允許流體被填充至經覆蓋流體饋入槽中。由於大部分經覆蓋流體饋入槽可被頂層覆蓋，因此自經覆蓋流體饋入槽蒸發只能穿過流體饋入孔發生。穿過毛細管斷口、排氣室及排氣口可能會發生其他蒸發，但上述情形亦可藉由使用可為少量的小排氣口減至最少。因此，使用面積小於經覆蓋流體饋入槽之流體饋入孔可大大減少與在頂部開口之流體饋入槽相比的蒸發量。因此，可在頂層及/或基板中形成流體饋入孔，頂層及基板分別在上方及下方覆蓋經覆蓋流體饋入槽。特定而言，在一些實例中，除了流體饋入孔之外，經覆蓋流體饋入槽之整個區域可覆蓋在上方及下方。

儘管上面已將例示性流體饋入孔描述為具有小於經覆蓋流體饋入槽之面積的面積，但在一些實例中流體饋入孔可具有與經覆蓋流體饋入槽相同之面積。換言之，在一些實例中，整個經覆蓋流體饋入槽可穿過基板或頂層開口。在某些實例中，微流體裝置可為較大系統之部分，該較大系統包括將流體遞送至流體饋入孔之流體遞送系統。在此等實例中，流體遞送系統可與流體饋入孔形成密封，使得流體饋入孔處之蒸發可能並非問題。在進一步實例中，流體遞送系統可經設計以減少流體遞送系統中其他地方之蒸發。在更進一步實例中，甚至當與此密封流體遞送系統一起使用時，可使用較小流體饋入孔。雖然較小流體饋入孔可能不會影響此等實例中之蒸發，但較小流體饋入孔亦可提供沿著經覆蓋流體饋入槽均勻地且順序地灌注微流體通道之優點。在此等實例中，流體可在流體饋入孔處進入經覆蓋流體饋入槽。流體然後可沿著經覆蓋流體饋入槽流動，當流體到達通道時順序地灌注每一微流體通道。

為了闡明經覆蓋流體饋入槽及流體饋入孔之結構，圖5展示圖4中所展示例示性裝置400之側視剖面圖，將裝置視為沿著平面401切割穿過第一經覆蓋流體饋入槽之中心。在此特定實例中，裝置可形成有基板402、底層403、限定經覆蓋流體饋入槽及微流體通道之壁的微流體層404以及覆蓋微流體層之頂層406。第一流體饋入孔452可為穿過基板及底層之開口。圖5展示由頂層覆蓋之第一經覆蓋流體饋入槽450。第一經覆蓋流體饋入槽之側壁中之開口可通向第一微流體通道410。

所描述之微流體裝置不限於由任何特定工藝形成。然而，在一些實例中，本文中所描述之微流體裝置中之任一者可由多層形成，如圖5所展示。在某些實例中，可使用光阻劑以光微影方式形成一或多個層。在一個此類實例中，該等層可由基於環氧樹脂之光阻劑形成，例如SU-8或SU-8 2000光阻劑，其為基於環氧樹脂之負性光阻劑。具體而言，SU-8及SU-8200為可自各種來源獲得之雙酚A酚醛清漆型環氧基光阻劑，包括MicroChem Corp。此等材料可暴露於UV光以變得交聯，而未暴露之部分可保持可溶在溶劑中且可被沖走而留下空隙。

在一些實例中，基板可由矽材料形成。例如，基板可由單晶矽、多晶矽、砷化鎵、玻璃、矽石、陶瓷或半導體材料形成。在特定實例中，基板可具有自約500 μm至約1200 μm之厚度。在某些實例中，可藉由雷射加工及/或化學蝕刻在矽基板中形成流體饋入孔。

在進一步實例中，底層可為光阻劑材料(諸如SU-8)層，其厚度為約2 μm至約100 μm。

在某些實例中，微流體層可藉由用壁圖案暴露光阻劑層來形成，以限定經覆蓋流體饋入槽及微流體通道，且然後沖走未曝光光阻劑。在一些實例中，微流體層可具有自約2 μm至100 μm之厚度。微流體通道可經形成具有自2 μm至約100 μm、自約10 μm至約50 μm，或自約20 μm至約35 μm之寬度。

在某些實例中，頂層藉由在微流體層上方層壓乾膜光阻劑且用限定流體饋入孔之UV圖案曝光乾膜光阻劑來形成。在其他實例中，流體饋入孔可為基板中之開口，且頂層可為基本上是實心，而無用於流體饋入孔之任何開口。定層可具有自約2 μm至約200 μm之厚度。在更進一步實例中，排氣口可為頂層中之開口。在替代實例中，排氣口可為基板中之開口。

在一些狀況下，使用層壓乾光阻劑層以形成裝置之頂層可允許使用具有多個微流體通道或如上所描述之非常長之微流體通道的單個排氣口。形成頂層之一些其他方法（例如使用脫蠟法）可能需要在頂層中增加額外口。例如，在脫蠟法中，微流體通道可在施加頂層之前用蠟填充。然後可將蠟自微流體通道中移除。然而，在某些狀況下，可將蠟移除僅直至遠離距口有限距離。因此，可使用頂層中之多個口，以使得可去除所有蠟。然而，此等口在使用裝置時亦可增加流體蒸發量。通過層壓乾光阻劑層作為頂層，可以消除從微流體通道去除蠟的需求。因此，可以在長的微流體通道的末端使用單個排氣口，或者可以將多個微流體通道連接至單個排氣口。

在一些實例中，微流體通道可具有蛇形形狀，如圖1及4中所展示。蛇形通道可具有多個轉彎部以允許很長微流體通道佔據小區域。在一些狀況下，轉彎部可如圖1及4中所展示為圓形。在其他實例中，轉彎部可具有尖角，諸如90°角、45°角等等。

根據本技術之微流體裝置亦可具有其他佈局。圖6展示具有不同佈局之微流體裝置600之另一實例。此裝置可包括具有第一流體饋入孔652及第二流體饋入孔653之第一經覆蓋流體饋入槽650及第二經覆蓋流體饋入槽651。經覆蓋流體饋入槽可連接至第一複數個平行微流體通道610及第二複數個平行微流體通道611。每一微流體通道可導致毛細管斷口630、毛細管斷口630將微流體通道與第一排氣室620及第二排氣室621分開。毛細管斷口可防止流體通過第一排氣口640及第二排氣口641逸出。

圖7展示微流體裝置700之額外實例。此裝置可包括具有第一流體饋入孔752及第二流體饋入孔753之第一經覆蓋流體饋入槽750及第二經覆蓋流體饋入槽751。經覆蓋流體饋入槽可連接至第一複數個平行微流體通道710及第二複數個平行微流體通道711。每一微流體通道可導致毛細管斷口730，其將微流體通道與第一排氣室720及第二排氣室721分開。毛細管斷口可防止流體穿過第一排氣口740及第二排氣口741逸出。藉由第一排氣管道725及第二排氣管道726將排氣室與排氣口分開，第一排氣管道725及第二排氣管道726自排氣室通向排氣口。如此圖中所展示，在一些實例中，排氣管道可在排氣室與排氣口之間具有一或多個轉彎部。另外，在一些實例中，排氣管道可具有比微流體通道之寬度小的寬度。例如，排氣管道可具有自2 μm至約20 μm的寬度。在某些情況下，使用可為長且窄的排氣管道（具有一或多個轉彎部）可減少蒸氣穿過排氣管道之擴散，且藉由增加蒸氣離開設備所經過的擴散長度而減少排氣口的擴散。此可幫助減少裝置中流體之蒸發。

在一些實例中，微流體裝置可經設計以僅藉由毛細管力使流體移動穿過微流體通道。例如，經覆蓋流體饋入槽及微流體通道可以設計成使得微流體通道可以通過毛細管力自灌注。在一個實例中，微流體通道可具有足夠小的寬度，以使得流體可藉由毛細管力被吸入至微流體通道中。如上文所闡釋，微流體通道可經由毛細管斷口連接至排氣室及排氣口，使得由流體置換之空氣可穿過排氣口逸出，但流體將在毛細管斷口處停止。

然而，在其他實例中，微流體裝置可以包括慣性泵以主動地移動流體通過微流體通道。慣性泵可包括流體致動器，諸如壓電元件或熱敏電阻。流體致動器可藉由移動壓電元件或使流體沸騰以形成蒸氣泡來置換流體。流體致動器可放置在相對於微流體通道之長度可為不對稱之位置中之微流體通道中。當流體致動器重複排出流體時，可在一個方向上產生淨流量。例如，流體致動器可經放置在靠近微流體通道及經覆蓋流體饋入槽之間的連接處，以產生流出經覆蓋流體饋入槽並進入微流體通道之流體之淨流量。

圖8展示具有額外特徵之微流體裝置800之又另一實例。裝置可包括具有第一體饋入孔852及第二流體饋入孔853之第一經覆蓋流體饋入槽850及第二經覆蓋流體饋入槽851。第一複數個微流體通道810可形成為在兩端處連接至第一經覆蓋流體饋入槽之迴路。第二複數個微流體通道811亦可形成為在兩端連接至第二經覆蓋流體饋入槽之迴路。微流體通道亦可經由毛細管斷口830連接至第一排氣室820及第二排氣室821。排氣室可與第一排氣口840及第二排氣口841流體連通。

如圖8中所展示之實例亦包括微流體通道中之電阻器812。電阻器可形成氣泡以置換微流體通道中之流體。由於電阻器可相對於微流體通道之長度不對稱地定位，電阻器可在一個方向上形成淨流體流動且充當慣性泵。在此實例中，電阻器可使流體循環通過微流體通道之迴路。

圖8中所展示之實例亦可包括形成於經覆蓋流體饋入槽810、820中之支柱814。此等支柱可由固體材料形成為微流體層之部分。支柱可為經覆蓋流體饋入槽上之頂層提供額外支撐。當通過層壓乾光阻劑層而不是使用脫蠟法來形成頂層時，支柱可在層壓期間幫助支撐乾光阻劑層以防止頂層之下垂或斷口。

圖9展示微流體裝置900之類似實例。裝置可包括具有第一流體饋入孔952及第二流體饋入孔953的第一經覆蓋流體饋入槽950及第二經覆蓋流體饋入槽951。經覆蓋流體饋入槽可包括支柱914以支撐頂部層。第一複數個微流體通道910可形成為在兩端連接至第一經覆蓋流體饋入槽的迴路。第二複數個微流體通道911亦可形成為在兩端處連接至第二經覆蓋流體饋入槽的迴路。微流體通道可包括電阻器912以充當慣性泵。微流體通道亦可經由毛細管斷口930連接至第一排氣室920及第二排氣室921。排氣室可連接至通向第一排氣口940及第二排氣口941之排氣管道925、926。在此實例中，排氣室可具有大於微流體通道之寬度的寬度，而排氣管道可具有小於微流體通道之寬度的寬度。

在某些實例中，微流體通道可經由多個平行毛細管斷口連接至排氣室。圖10展示微流體裝置1000之實例，該微流體裝置可包括具有第一流體饋入孔1052及第二流體饋入孔1053的第一經覆蓋流體饋入槽1050及第二經覆蓋流體饋入槽1051。經覆蓋流體饋入槽可包括支柱1014以支撐頂層。第一複數個微流體通道1010可形成為在兩端連接至第一經覆蓋流體饋入槽之迴路。第二複數個微流體通道1011亦可形成為在兩端處連接至第二經覆蓋流體饋入槽之迴路。微流體通道可包括電阻器1012以充當慣性泵。微流體通道亦可通過毛細管斷口1030連接至第一排氣室1020及第二排氣室1021。在此實例中，每一迴路形微流體通道可經由三個平行毛細管破裂連接至排氣室。排氣室可連接至通向第一排氣口1040及第二排氣口1041之排氣管道1025、1026

圖11展示根據本技術之微流體裝置1100之另一實例。該裝置可包括具有第一流體饋入孔1152及第二流體饋入孔1153之第一經覆蓋流體饋入槽1150及第二經覆蓋流體饋入槽1151。第一複數個微流體通道1110可形成為在兩端處連接至第一經覆流體饋入槽之迴路。第二複數個微流體通道1111亦可形成為在兩端處連接至第二經覆蓋流體饋入槽之迴路。微流體通道亦可經由毛細管斷口1130連接至第一排氣室1120及第二排氣室1121。排氣室可連接至通向第一排氣口1140及第二排氣口1141的排氣管道1125、1126。

在其他實例中，上文所描述之設計中之任一者可適用於不同長度之經覆蓋流體饋入槽。例如，更長經覆蓋流體饋入槽可與沿著經覆蓋流體饋入槽之長度連接之多個微流體通道設計一起使用。在此等實例中，單個流體饋入孔可位於長經覆蓋流體饋入槽之一端處。替代地，可使用兩個流體饋入孔，一個位於長覆蓋流體饋入槽之每一端部處。若需要，可視情況沿著經覆蓋流體饋入槽之長度添加額外流體饋入孔。

在各種實例中，經覆蓋流體饋入槽之長度範圍可在自約100 μm至50000 μm或更長。在其他實例中，經覆蓋流體饋入槽可具有自30 μ m至1,000 μm之範圍內的寬度。較短的經覆蓋流體饋入槽可連接至一或幾個微流體通道。較長經覆蓋流體饋入槽可連接至更多微流體通道。在一些情況下，使用具有單個流體饋入孔之較長經覆蓋流體饋入槽可改良蒸發，此係因為相對於經覆蓋流體饋入槽中且連接微流體通道之較大體積流體僅小量流體自單個流體饋送孔蒸發。在某些實例中，流體饋入孔之面積與經覆蓋流體饋入槽之面積之比可在1:10至1：10,000的範圍內。在進一步實例中，流體饋入孔可具有約20 μm至約10,000 μm及自約20 μm至約1,000 μm的寬度。在更特定實例中，流體饋入孔可具有約20 μm至約110 μm之長度。流體饋入孔亦可形成各種形狀，例如正方形、矩形或圓形。

本文中所描述之微流體裝置可用於各種應用。在某些實例中，微流體裝置可為核酸測試裝置。圖12展示微流體核酸測試裝置1200之實例。該裝置可包括具有第一流體饋入孔1252及第二流體饋入孔1253之第一經覆蓋流體饋入槽1250及第二經覆蓋流體饋入槽1251。經覆蓋流體饋入槽可包括支柱1214以支撐頂層。第一複數個微流體通道1210可形成為在兩端處連接至第一經覆蓋流體饋入槽之迴路。第二複數個微流體通道1211亦可形成為在兩端處連接至第二經覆蓋流體饋入槽的迴路。微流體通道可包括電阻器1212以充當慣性泵以使流體循環通過迴路。微流體通道亦可經由毛細管斷口1230連接至第一排氣室1220及第二排氣室1221。排氣室可與第一排氣口1240及第二排氣口1241流體連通以允許空氣在微流體通道灌注期間逸出。

圖12中所展示之微流體核酸測試裝置亦可包括位於第一複數個微流體通道1210及第二複數個微流體通道1211附近之第一電阻加熱器1222及第二電阻加熱器1224。在此實例中，電阻加熱器可形成於微流體通道下方之基板或底層上。在其他實例中，電阻加熱器亦可形成於整合至微流體通道之側壁中的微流體通道上方，或位於微流體通道附近的另一位置，足以加熱微流體通道中之流體。圖12中所展示之實例亦可包括位於微流體通道附近之溫度感測器1232。溫度感測器可量測微流體通道中之流體溫度。溫度感測器之位置可為足以量測微流體通道中之流體溫度的任何位置。在此實例中，溫度感測器可形成於微流體通道內部以與流體直接接觸。

電阻加熱器及溫度感測器可用於涉及升高溫度的核酸測試。在一些實例中，電阻加熱器及溫度感測器可電連接至處理器以控制微流體通道中之流體的溫度。在一個實例中，微流體核酸測試裝置可包含連接至電阻加熱器及溫度感測器之電觸點，使得電腦可穿過接口為電阻加熱器及溫度感測器供電及控制。電腦亦可控制慣性泵電阻，使流體流過微流體通道。

當執行核酸測試時，在一些實例中，測試流體可被填充至第一經覆蓋流體饋入槽中且控制流體可被填充至第二經覆蓋流體饋入槽中。測試流體可為可能含有特定目標DNA序列之流體，且對照流體可為不期望含有靶才序列的流體。測試流體可為例如穿過任何合適DNA提取方法獲得之DNA水溶液，例如細胞裂解或生物生物體樣品的研磨。測試流體及對照流體可在第一及第二微流體通道中經受相同條件。因為第一及第二微流體通道可彼此毗鄰，因此其可容易地比較對照流體及測試流體的測試結果。例如，在一些測試中，可使用光學感測器來檢測被測流體中之變化。單個光學感測器可同時捕獲測試流體及控制流體的視圖，使得可進行直接比較。

在其他實例中，微流體裝置亦可用於多工測試，其中針對多個不同目標測試單個樣本流體。在涉及核酸測試之實例中，第一微流體通道可裝載有與第一組DNA引體混合之樣品流體，且鄰近通道可裝載有與第二組DNA引體混合之樣品流體。此可在額外通道中用任意數目之額外DNA引體組重複進行，以同時測試樣品液體以獲得諸多不同靶材序列。

應理解，本發明不限於本文中所揭示之特定工藝步驟及材料，此係因為此等工藝步驟及材料可稍微變化。亦應理解，本文中所使用之術語僅用於描述特定實例的目的。該等術語並不意欲為限制性，此係因為本發明的範圍旨在僅由所附申請專利範圍及其等效物限制。

注意，如在本說明書及所附申請專利範圍中所使用，除非上下文另外明確指出，否則單數形式「一」、「一」及「該」包括複數指示物。

如本文中所使用，當提及材料之數量或量或其特定特徵時使用的術語「基本上」或「基本上」係指足以提供材料或特性為意欲提供之效應。確切的允許偏差程度在某些狀況下可能取決於具體情況。

如本文中所使用，術語「約」用於藉由提饋入定值可能在端點「稍高」或「稍低」而為數值範圍端點提供靈活性。此術語之靈活程度可由特定變量規定且基於本文中相關描述來確定。

如本文中所使用，為了方便起見，可在共同列表中呈現複數個項目、結構元素、組成元素及/或材料。然而，此等列表應被解釋為列表中之每個成員單獨識別為獨立且唯一的成員。因此，此清單之任何個別成員都不應僅僅基於其在共同群組中之呈現而沒有相反的表示而解釋為事實上等同於同一清單中任何其他成員。

濃度、數量及其他數字資料可在本文中以範圍格式表達或呈現。應理解，此範圍格式僅出於便利及簡潔起見而使用且因此應靈活地理解為包含明確規定為範圍的限制的數值，而且亦包括彼範圍內囊括的個別數值或子範圍，猶如每一數值及子範圍為明確規定。作為說明，「約1 wt%至約5 wt%」之數值範圍應被解釋為不僅包括約1 wt%至約5 wt%的明確列舉的值，但亦包括個別值及指定範圍內之子範圍。因此，包括在此數值範圍內的為諸如2、3.5及4的單獨值以及諸如自1至3，自2至4及自3至5等的子範圍。此相同原理適用於僅描述一個數值的範圍。此外，無論範圍之廣度或所描述之特徵如何，都應適用此解釋。實例

以下說明本發明之實例。然而，應理解，以下僅為本發明原理之應用的說明。在不脫離本發明之精神及範圍的情況下可設計出許多修改及替代組合物，方法及系統。所附申請專利範圍旨在覆蓋重疊修改及配置。實例1-微流核酸測試裝置

根據圖12中所展示的設計構建微流核酸測試裝置。在矽基板上形成慣性泵電阻、電阻加熱器及溫度感測器。然後將SU-8光阻劑之底層旋塗在基板上，厚度約4 μm。微流體層分兩步形成於底層上。在第一步驟中，將17 μm厚之SU-8層旋塗至底層上。在第二步驟中，將14 μm厚之乾光阻劑層層壓至前一層上。將乾燥層暴露於圖12中所展示之微流體特徵之UV圖案且藉由溶解未曝光部分而顯影。在塗佈底層之前在基板上形成之溫度感測器經定位使得溫度感測器可量測微流體通道中之流體的溫度。頂部層然後藉由將14 μm厚乾光阻劑層層壓在微流體層上來形成。頂層暴露於限定排氣口之UV光圖案。然後藉由溶解未曝光部分來顯影頂層。

例示性裝置中之微流體特徵之尺寸及形狀如下。微流體通道具有30 μm之寬度。微流體通道經間隔開，使得在通道之間的最小壁厚度為12 μm。經覆蓋液體饋入槽經形成有110 μm之寬度及1000 μm之長度。流體饋入孔為110 μm ×110 μm。支撐柱形成於經覆蓋流體饋入槽中，尺寸為30 μm×30 μm。毛細管斷口具有10 μm之窄開口寬度。毛細管斷口之外錐角為30°且內部錐角為15°。排氣孔具有10 μm之直徑。

在另外實例中，微流體核酸酸測試裝置由上文所描述之同一程序構造但具有22,200 μm之長度的經覆蓋流體饋入槽及具有900 μm × 110 μm尺寸之流體饋入孔。圖12中所展示的微流體通道的圖案沿著經覆蓋流體饋入槽之長度重複。

雖然已參考某些實例描述了本技術，但熟習此項技術者將瞭解，可在不脫離本發明之精神的情況下做出各種修改、改變、省略及替換。因此，意圖僅僅藉由以下申請專利範圍之範圍來限制本發明。

100‧‧‧微流體裝置

110‧‧‧微流體通道

120‧‧‧排氣室

130‧‧‧毛細管斷口

140‧‧‧排氣口

150‧‧‧流體饋入開口

205‧‧‧固體材料

210‧‧‧微流體通道

220‧‧‧排氣室

230‧‧‧毛細管斷口

234‧‧‧漸縮部分

236‧‧‧變窄開口

238‧‧‧內部錐角

239‧‧‧外部錐角

305‧‧‧固體材料

310‧‧‧微流體通道

320‧‧‧排氣室

330a‧‧‧毛細管斷口

330b‧‧‧毛細管斷口

330c‧‧‧毛細管斷口

334a‧‧‧漸縮部分

334b‧‧‧漸縮部分

334c‧‧‧漸縮部分

336a‧‧‧變窄開口

336b‧‧‧變窄開口

336c‧‧‧變窄開口

400‧‧‧微流體裝置

401‧‧‧虛線

402‧‧‧基板

403‧‧‧底層

404‧‧‧微流體層

406‧‧‧頂層

410‧‧‧第一微流體通道

411‧‧‧第二微流體通道

420‧‧‧第一排氣室

421‧‧‧第二排氣室

430‧‧‧第一毛細管斷口

431‧‧‧第二毛細管斷口

440‧‧‧第一排氣口

441‧‧‧第二排氣口

450‧‧‧第一經覆蓋流體饋入槽

451‧‧‧第二經覆蓋流體饋入槽

452‧‧‧第一流體饋入孔

453‧‧‧第二流體饋入孔

600‧‧‧微流體裝置

610‧‧‧微流體通道

611‧‧‧微流體通道

620‧‧‧第一排氣室

621‧‧‧第二排氣室

630‧‧‧毛細管斷口

640‧‧‧第一排氣口

641‧‧‧第二排氣口

650‧‧‧第一經覆蓋流體饋入槽

651‧‧‧第二經覆蓋流體饋入槽

652‧‧‧第一流體饋入孔

653‧‧‧第二流體饋入孔

700‧‧‧微流體裝置

710‧‧‧微流體通道

711‧‧‧微流體通道

720‧‧‧第一排氣室

721‧‧‧第二排氣室

725‧‧‧第一排氣管道

726‧‧‧第二排氣管道

730‧‧‧毛細管斷口

740‧‧‧第一排氣口

741‧‧‧第二排氣口

750‧‧‧第一經覆蓋流體饋入槽

751‧‧‧第二經覆蓋流體饋入槽

752‧‧‧第一流體饋入孔

753‧‧‧第二流體饋入孔

800‧‧‧微流體裝置

810‧‧‧微流體通道

811‧‧‧微流體通道

812‧‧‧電阻器

814‧‧‧支柱

820‧‧‧第一排氣室

821‧‧‧第二排氣室

830‧‧‧毛細管斷口

840‧‧‧第一排氣口

841‧‧‧第二排氣口

850‧‧‧第一經覆蓋流體饋入槽

851‧‧‧第二經覆蓋流體饋入槽

852‧‧‧第一流體饋入孔

853‧‧‧第二流體饋入孔

900‧‧‧微流體裝置

910‧‧‧微流體通道

911‧‧‧微流體通道

912‧‧‧電阻器

914‧‧‧支柱

920‧‧‧第一排氣室

921‧‧‧第二排氣室

925‧‧‧排氣管道

930‧‧‧毛細管斷口

940‧‧‧第一排氣口

941‧‧‧第二排氣口

950‧‧‧第一經覆蓋流體饋入槽

951‧‧‧第二經覆蓋流體饋入槽

952‧‧‧第一流體饋入孔

953‧‧‧第二流體饋入孔

1000‧‧‧微流體裝置

1010‧‧‧微流體通道

1011‧‧‧微流體通道

1012‧‧‧電阻器

1014‧‧‧支柱

1020‧‧‧第一排氣室

1021‧‧‧第二排氣室

1025‧‧‧排氣管道

1026‧‧‧排氣管道

1030‧‧‧毛細管斷口

1040‧‧‧第一排氣口

1041‧‧‧第二排氣口

1050‧‧‧第一經覆蓋流體饋入槽

1051‧‧‧第二經覆蓋流體饋入槽

1052‧‧‧第一流體饋入孔

1053‧‧‧第二流體饋入孔

1100‧‧‧微流體裝置

1110‧‧‧微流體通道

1111‧‧‧微流體通道

1120‧‧‧第一排氣室

1121‧‧‧第二排氣室

1125‧‧‧排氣管道

1126‧‧‧排氣管道

1130‧‧‧毛細管斷口

1140‧‧‧第一排氣口

1141‧‧‧第二排氣口

1150‧‧‧第一經覆蓋流體饋入槽

1151‧‧‧第二經覆蓋流體饋入槽

1152‧‧‧第一流體饋入孔

1153‧‧‧第二流體饋入孔

1200‧‧‧微流體核酸測試裝置

1210‧‧‧微流體通道

1211‧‧‧微流體通道

1212‧‧‧電阻器

1214‧‧‧支柱

1220‧‧‧第一排氣室

1221‧‧‧第二排氣室

1222‧‧‧第一電阻加熱器

1224‧‧‧第二電阻加熱器

1230‧‧‧毛細管斷口

1232‧‧‧溫度感測器

1240‧‧‧第一排氣口

1241‧‧‧第二排氣口

1250‧‧‧第一經覆蓋流體饋入槽

1251‧‧‧第二經覆蓋流體饋入槽

1252‧‧‧第一流體饋入孔

1253‧‧‧第二流體饋入孔

本發明的額外特徵及優點將從以下結合附圖進行之詳細描述中變得顯而易見，附圖以實例方式一起說明本技術的特徵。圖1為根據本發明之例示性微流體裝置的示意圖；圖2為根據本發明之毛細管斷口的俯視剖面圖; 圖3為根據本發明之一系列毛細管斷口的俯視剖面圖; 圖4為根據本發明之例示性微流體裝置的示意圖；圖5為圖4之例示性微流體裝置的側視剖面圖；圖6為根據本發明之例示性微流體裝置的示意圖；圖7為根據本發明之例示性微流體裝置的示意圖；圖8為根據本發明之例示性微流體裝置的示意圖；圖9為根據本發明之例示性微流體裝置的示意圖；圖10為根據本發明之例示性微流體裝置的示意圖；圖11為根據本發明之例示性微流體裝置的示意圖；圖12為根據本發明之例示性微流控核酸測試裝置的示意圖。現在將參考本文中所說明之幾個實例，且將在本文中使用特定語言來描述其。然而，應理解，由此並不意欲限制本發明之範圍。

Claims

一種微流體裝置，其包含：一微流體通道；一排氣室，其與該微流體通道相通；一毛細管斷口，其在該微流體通道與該排氣室之間，其中該毛細管斷口包含一漸縮部分及一變窄開口，該變窄開口之寬度小於該微流體通道之寬度；及一排氣口，其用以將氣體自該排氣室排出，其中該排氣口位於遠離該毛細管斷口一距離處，使得該毛細管斷口中之一流體不會穿過該排氣口逸出。
如請求項1所述之微流體裝置，其中該毛細管斷口具有自約2μm至約20μm的一變窄開口寬度。
如請求項1所述之微流體裝置，其中該毛細管斷口為串列連接於該微流體通道與該排氣室之間的複數個毛細管斷口中之一者。
如請求項3所述之微流體裝置，其中該微流體通道藉由串列連接之三個或多於三個毛細管斷口與該排氣室分開。
如請求項4所述之微流體裝置，其中該等毛細管斷口具有在朝向該排氣室之方向上減小的不同的變窄開口寬度。
如請求項1所述之微流體裝置，其中該微流體通道為複數個微流體通道中之一者，且其中該複數個微流體通道經由複數個毛細管斷口與該排氣室流體連通。
如請求項1所述之微流體裝置，其進一步包含將該排氣口與該排氣室分開之一排氣管道，其中該排氣管道具有小於該微流體通道之寬度的一寬度。
如請求項7所述之微流體裝置，其中該排氣管道包括一或多個轉彎部。
如請求項1所述之微流體裝置，其中該排氣口具有自約2μm至約20μm的一直徑。
如請求項1所述之微流體裝置，其中該微流體通道形成為具有一轉彎部的一迴路，其中該毛細管斷口在該轉彎部處將該微流體通道連接至該排氣室。
一種微流體核酸測試裝置，其包含：一流體饋入開口；一微流體通道，其與該流體饋入開口流體連通；一排氣室，其與該微流體通道流體連通；一加熱電阻器，其位於該微流體通道附近，該加熱電阻器能夠加熱該微流體通道中之一流體；一毛細管斷口，其在該微流體通道與該排氣室之間，其中該毛細管斷口包含一漸縮部分及一變窄開口，該變窄開口具有小於該微流體通道之寬度的一寬度；及一排氣口，其用以將氣體自該排氣室排出，其中該排氣口位於遠離該毛細管斷口一距離處，使得該毛細管斷口中之該流體不會穿過該排氣口逸出。
如請求項11所述之微流體核酸測試裝置，其進一步包含位於該微流體通道附近之一溫度感測器，該溫度感測器能夠量測該微流體通道中之該流體的一溫度。
如請求項11所述之微流體核酸測試裝置，其中該微流體通道能夠藉由毛細管力自吸。
一種微流體裝置，其包含：一經覆蓋流體饋入槽，其包括用於將一流體填充至該經覆蓋流體饋入槽中之一流體饋入孔，該流體饋入孔具有小於該經覆蓋流體饋入槽之一面積；複數個微流體通道，其形成為在兩端處連接至該經覆蓋流體饋入槽之迴路；慣性泵，其在該等微流體通道中以使流體循環通過該等微流體通道；一排氣室，其與該複數個微流體通道流體連通；複數個毛細管斷口，其在該複數個微流體通道與該排氣室之間，其中該等毛細管斷口包含一漸縮部分及一變窄開口，該變窄開口具有小於該等微流體通道之寬度的一寬度；及一排氣口，其用以將氣體自該排氣室排出，其中該排氣口位於遠離該等毛細管斷口一距離處，使得該等毛細管斷口中之該流體不會穿過該排氣口逸出。
如請求項14所述之微流體裝置，其中每一微流體通道藉由串列連接之三個或多於三個毛細管斷口與該排氣室分開。