用于微流体用途的低弹性膜制造技术

提供了一种例如微型阀、微型泵或者微型通风口这样的微流体回路元件，所述微流体回路元件由微型腔形成，隔膜网将微型腔分成由第一内壁界定的第一子腔和由第二内壁界定的第二子腔，其中，隔膜网的特征在于它是一种薄膜，具有接触第一内壁的第一状态和接触第二内壁的第二状态并且在第一状态和第二状态之间运动的过程中表现为基本没有弹性，在使用之前或者使用期间薄膜网已经被拉伸为超过其屈服点。所公开的元件使隔膜能够更快和更高效地在微型腔中循环运动并且增加了隔膜的表面积。在优选的实施例中，所述微流体回路元件被气动地驱动并且控制微型分析装置中的流体运动。

Low elastic membrane for use in microfluidics

【技术实现步骤摘要】
用于微流体用途的低弹性膜本申请是专利技术名称为“用于微流体用途的低弹性膜”、国际申请日为2013年12月20日、国际申请号为PCT/US2013/077269、国家申请号为201380072973.X的专利技术专利申请的分案申请。
本公开整体涉及用于在微型分析装置中使用的微型阀、微型泵和其它气动流体元件所用的隔膜技术，并且涉及它们的制造方法。
技术介绍
微型分析盒已经越来越多地被用作诊断分析装置。Wilding名下的美国专利US5304487描述的装置包括形成在可重复使用的硅衬底上的“中等尺度”的通道和腔室，在其中加注有来自于盒外注射泵的流体试剂。对于机载流体的操纵和控制考虑得很少。然而，实际的商业应用已经在朝着“可消耗的”盒也就是用后可弃、一次性使用的“采样-反馈(sample-to-answer)”盒的方向发展，这种盒是自成一体(self-contained)的，以便用于特定的分析装置或分析仪器所需的所有试剂。用于操纵流体的微型装置包括例如活塞驱动装置这样的机械液压系统、例如电动泵和阀装置这样的电动液压系统以及气动液压系统。在这些系统中，具有气动致动器和控制表面的系统已被证实在控制微小尺度的流体流动方面尤为实用。由受让人Micronics有限公司(华盛顿州Redmond市)制造的具有气动接口的流体装置就是一种公知的类型。利用系统的气动控制器实现微流体通道中的流体流动的控制，所述气动控制器根据可编程的阀逻辑操作塑料盒中的微型阀。隔膜分隔盒的气动侧和液压侧；即，阀隔膜是用于将气动控制脉冲转换成使流体开始流动和停止流动的转换元件。通过逐层装配层压件而形成盒，其中，通道和腔室被密封在覆盖的叠层之间。以这种方式，形成复杂的流体回路。为了通过常规的制造方法形成流体回路，将弹性材料层作为层压件夹持在本体层之间，并且气动和液压的通道和腔室在弹性层的任一侧上形成在并置层中，以使得由隔膜层分隔盒的气动工作区和液压工作区。对于这种方法而言，由聚氨酯、聚酰亚胺和PDMS(聚二甲基硅氧烷)形成的隔膜尤为优选。例如需要用微型泵元件实现流体微型回路技术的最大利益，所述流体微型回路技术例如在诊断以及更一般地在生命科学中获得了大量应用。由隔膜驱动的泵因为缺少了机械密封件和润滑剂及其清洁的特性而是有利的。尽管Wilding(例如在美国专利US5304487和US5498392中)一般性地提示了微型泵，但是自身公开的内容不足以实现流体微型回路式的泵和阀。Wilding引用了VanLintel[1988，“APiezoelectricMicropumpBasedonMicromachiningofSilicon”，SensorsandActuators，15:153-167]，其中涉及基于硅的微电子机械(MEMS)结构。然而，硅已知具有非常高的杨氏模量(约100GPa)；因此，硅隔膜泵通常具有非常低的压缩比ε，所述压缩比ε由以下的公式定义：ε＝(ΔV+V0)/V0其中，ΔV是冲程容积且V0是死区容积也就是在喷射冲程期间不能从增压室置换的流体的体积。因此，不利地，这些装置在用于液体时可能无法在操作中自吸。关于硅质隔膜泵的代表性技术包括美国专利US5759014、US6390791和US7749444。对于美国专利US7832429中的刚性聚合物隔膜构件而言并且更一般地在隔膜构件因机械强度而抵抗变形的情况下会出现类似的问题。因为弹性体隔膜材料的更大的置换量以及在流体操作中提供了自吸优点的更高的压缩比，所以弹性体隔膜材料获得了更多的关注。例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)和硅树脂可以用作隔膜材料。也已经在使用乳胶橡胶和非晶态聚氨酯。遵循胡克定律(Hooke’sLaw)的弹性体材料的优点在于隔膜在松弛状态下会恢复其原始形状，但是这仅对某些应用有利，并且可能与降低的耐化学性和增加的渗透性有关。关于微型阀的代表性技术包括美国专利US4304257(′257阀)，其中，柔软的具有弹性的聚氨酯片材被夹持在形成于硬质丙烯酸树脂本体中的流动通道上。通过致动活塞打开和关闭两个非连续的流动通道之间的流体路径，所述活塞使片材的一部分机械屈曲。片材上的遮盖动作与阀的打开相关联；阀的关闭与弹簧使具有弹性的片材返回到关闭位置相关联。片材通过螺线管操作的杆而在两个位置之间机械屈曲，所述螺线管操作的杆在阀座上具有附接到片材的嵌入式附接件，以使得在关闭时片材接触阀座并且将片材拉入到阀座上的孔中以打开阀。根据美国专利US4848722的教导，′257阀具有若干缺点。除了机械螺线管操作的精度以及需要微调之外，膜承受大的应力且存在永久拉伸的风险(即，永久变形或者超过其屈服点)。凭借用于膜的凹形接触表面，最大化密封区域，但是不利地，必须在流体开始流动之前填充阀腔的非零且有效的容积。在过期的美国专利US484722(′722阀)中，压力源或真空源用于将挠性片材(例如双轴向取向的聚对苯二甲酸乙二酯(BoPET))推送到停流位置和打开位置，在所述停流位置，由阀座中的通道(3，4)形成的孔闭合，在所述打开位置，孔用于使流体汇合。当阀关闭时，片材(8)接触阀座的阶梯面(图9:62)。片材被粘合到阀的气动侧。美国专利US4869282描述了一种微型机械阀，所述微型机械阀具有夹在形成阀腔的两个刚性层之间的隔膜层。隔膜层由聚酰亚胺形成并且通过在控制回路中施加的气动压力而挠曲，以关闭阀。隔膜的运动是受限的，由此避免过分拉紧聚酰亚胺层。过期的美国专利US5660370(′370阀)描述了一种阀(图1:1)，所述阀具有挠性隔膜(2)和由刚性层形成的平坦阀座，在所述平坦阀座中形成有两个孔，每个孔均限定了开向下方的层中的流体通道(3、4)的开口，其中，各个孔由阀底梁(valvesill)分隔开。隔膜由聚氨酯或硅树脂制成。通过气动地操作隔膜而打开阀(5)。为了避免片材被拉伸超过其屈服点的趋势，使用平坦的阀座来最小化隔膜运动的所需范围。这也减小了阀的死区体积。YSI有限公司名下的美国专利US5932799中可见类似结构，该专利教导的流体微型回路分析仪具有：多个聚酰亚胺层，其优选地为无需使用粘合剂而直接接合在一起的膜；和气动致动的挠性隔膜构件，其用于控制流体流动。2002年10月17日公开的Micronics有限公司名下的PCT专利公报WO2002/081934描述了一种层压阀，所述层压阀具有弹性体隔膜。这些被称作“花生管(peanutvalve)”的阀允许流体在负压作用下流过阀底梁并且当施以正压时关闭。有利地，阀腔由波纹状的腰部形成，以便最小化死区容积。Mathies名下的美国专利US7445926描述了一种层压件，其中，挠性隔膜层夹在硬质衬底之间。气动通道和流体通道形成在隔膜层的相对侧上(参见本专利文献的附图1)，以使隔膜是主动阀构件。公开的隔膜材料是254微米的PDMS膜。阀体通常是例如玻璃这样的固体。Montagu名下的美国专利申请US2006/027852和US2011/0207621描述了一种用于生物测定分析的流体盒。所述盒包括限定了流动通道的模制本体。示出了乳胶隔膜和密封隔膜泵(参见本专利文献的附图5)。“回转弹性隔膜泵”的构件(3)作为预成形的子组件被插入到盒中并且可购得(ThomasPu本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型泵，所述微型泵包括腔，所述腔具有：i)第一子腔，所述第一子腔构造成用以接收流体；ii)第二子腔，所述第二子腔构造成用以被可逆地加压；iii)隔膜，所述隔膜插置在所述第一子腔和所述第二子腔之间并将所述第一子腔与所述第二子腔分隔开；并且其中，所述隔膜是聚合物薄膜网，所述薄膜网具有屈服点并且其特征在于所述薄膜网的永久性过度拉伸变形。

【技术特征摘要】
2012.12.21 US 61/745,3401.一种微型泵，所述微型泵包括腔，所述腔具有：i)第一子腔，所述第一子腔构造成用以接收流体；ii)第二子腔，所述第二子腔构造成用以被可逆地加压；iii)隔膜，所述隔膜插置在所述第一子腔和所述第二子腔之间并将所述第一子腔与所述第二子腔分隔开；并且其中，所述隔膜是聚合物薄膜网，所述薄膜网具有屈服点并且其特征在于所述薄膜网的永久性过度拉伸变形。2.根据权利要求1所述的微型泵，其中，所述薄膜网是低密度聚乙烯/乙烯醋酸乙烯酯/聚偏二氯乙烯/乙烯醋酸乙烯酯共聚物/低密度聚乙烯的共层压膜。3.根据权利要求1所述的微型泵，其中，所述薄膜由聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚烯烃或者其复合物或共层压物构成。4.根据权利要求1所述的微型泵，其中，所述薄膜网是高密度聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚酯或者其共层压物或复合物。5.根据权利要求1所述的微型泵，其中，所述薄膜网是拉伸包装膜。6.根据权利要求1所述的微型泵，其中，所述薄膜网是耐化学性聚合物。7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的微型泵，其中，所述微型泵为自吸式。8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的微型泵，其中，通过在施加到所述薄膜的力的作用下局部地过度...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·斯普拉格，J·L·凯，M·S·布拉格德，C·F·巴特雷尔，
申请(专利权)人：精密公司，
类型：发明
国别省市：美国,US