有关用于操控微小体积流体、例如生物和化学流体的系统和方法 的技术在广义上被称作微流体。微流体的已经实现的应用和潜在应用 包括疾病诊断，生命科学研究，以及生物和/或化学传感器研制。
微流体结构(microfiuidic structure)包括基板，其具有一或多个 微流体通道或路径，以及盖板或第二或更多的基板，其具有可以互连 也可以不互连的流体路径，这种微流体结构可以统称作微流体芯片 (microfiuidic chip)。高度集成的微流体芯片有时称作“芯片实验室 (Lab-on-a-chip)”。具有由玻璃、石英或硅制成的基板的无机微流体 芯片具有有益的有机溶剂相容性，高度的热和尺寸稳定性，以及优异 的特征精度。这些芯片典型地利用为了半导体工业的研制而已经良好 建立的微制造技术制造。然而，无机芯片的材料和制造成本可能不可 避免地高，特别是当流体路径要求很大面积或者芯片必须是一次性的 时。此外，许多已建立的生物化验设备是利用聚合基板的表面性能研 制的。在无机表面上构建这样的化验设备所需的研究工作要耗费很长 的时间和资金投入。
作为无机微流体结构(例如前面刚刚描述的那些)的替代，微流 体结构或装置也可以由聚合材料制成。聚合微流体结构有益地具有低 材料成本和批量生产的潜力。
在这一点上，科学家和工程师们越来越多地关注低价和完全集成 的微流体系统的前景。然而，仍存在障碍。为了使这些系统实用且有 效，它们必须提供实施化验和其它感兴趣的操作所需的部件和结构。 这些部件包括泵、阀和通道，以及更为复杂的结构，例如混合装置和 传感器。尽管用于制造微流体装置的材料成本越来越低，但除非这些 部件的制造成本也被降低，否则这些装置的实际成本不能降低到适于 批量使用的足够低成本。
然而，制造聚合微流体芯片还面临着各种挑战，并且与这些挑战 并存的还有低产量和高成本。举例来说，微流体芯片可能包含密封的 微结构。它们可以通过用薄盖板或用一或多个附加基板封罩具有预制 流体路径或其它微观特征(microfeatures)的基板而形成，以产生三维 流体网络。路径或其它微结构的典型尺寸在几微米至几毫米的范围内。 这种多层微流体结构通过各种传统技术被集成或结合在一起。这些技 术包括热力、超声波和溶剂粘合。遗憾的是，这些技术通常会显著改 变配合表面并且产生扭曲或完全阻塞的微流体路径，举例来说，这是 因为聚合材料在上述粘合条件下的尺寸刚度(维持能力)低。一旦装 置被组装，通道中的任何阻塞或障碍都难以或不可能排除。其结果是， 装置被废弃并且生产率低。
即使废品率可被接受，制造过程也通常是高成本的，这是由于每 个装置必须为每个应用独立设计。此外，每个部件，不论是阀、泵， 还是混合器，都典型地为每个应用专门设计。为了避免设计这些主动 特征(active features)，许多微流体系统使用外部注射器、隔膜或蠕动 泵以引导流体流经在微流体网络中流动。这些系统的体积通常远大于 它们连接的微流体系统，从而引起流动控制解析度和精度的问题。在 阀的情况下，它们通常远大于它们所控制的系统的占用体积(量级为 10倍或以上)。这会引起分离、混合和其它微流体功能方面的极大难 度。一些公司，如Upchurch Scientific(美国华盛顿州Oak Harbor)， 已经投入了相当大的资源来研制部件，以减轻这种体积不一致性所造 成的影响。然而，仍需要有具有微泵、阀以及具有相当尺寸级别并且 与微流体系统其余部分无缝集成的主动部件(active components)。
许多这样的主动微流体部件已被研制出来。然而，它们很少能满 足集成到复合微流体系统中所要求的条件。大多数需要非常复杂的制 造顺序；制造主动部件是一种灵敏度高且错综复杂的过程，仅留下非 常小窗口来集成微流体系统的其余部分。其中一个问题就是没有有效 的方式将精致的泵或阀连接或组合到微流体系统中。通常对于一次性 装置而言，基板和工艺不可避免地昂贵。最后，制造泵所需的材料可 能干涉或不相容于微流体系统预期执行的过程。这会导致产品研发中 存在显著的不可逆的工程成本，并且增加产品成本。
考虑到前述问题，本发明人意识到需要有简单、可重复和高产出 量的方法来封罩聚合微结构，以及形成这些结构的部件，特别是阀和 泵系统，该方法应容易实现制造集成化。因此，本领域中需要有这样 的微流体结构和制造方法，其能够克服现有技术水平中已经发现的缺 点，并且能够提供本领域技术人员可以理解的其它优点和益处。

这里描述的系统和方法包括微流体(microfluidic)结构，其具有 实质上刚性的隔膜，所述隔膜可在隔膜支靠于基板的表面上的松弛状 态和隔膜由基板移开的致动状态之间致动。如本说明书中所描述，形 成有这种隔膜的微流体结构提供了容易制造且耐用的系统，以及容易 制造诸如阀和泵等部件。
在一个特定实施方式中，在聚合微流体结构中，实质上刚性的塑 料膜片通过用作粘合剂的弱有机溶剂被固定粘合或层合至基本平面的 刚性塑料基板。在一个特定方面，基板包括微观特征(microfeatures)， 装置包括在可变形膜片和基本平面基板表面之间由粘合区域围绕和限 定的非粘合部分，以产生阀结构。在一些实施方式中，第二基板结合 于膜片的上表面上并且包括室，所述室可以用于施加气动压力至膜片。 根据本发明所使用的方法，气动压力或力通过所述室施加以使膜片变 形，因此致动阀。在一些实施方式中，泵包括通过微通道互连的多个 阀结构。阀、泵和微流体贮存器可以与微通道互连，以形成循环器、 混合器或与微流体处理和分析功能性相关的其它结构。
特别地，这里描述的系统和方法包括微流体装置(器件)，包括第 一刚性塑料基板，其具有上下表面，以及
实质上刚性的塑料膜片，其与第一基板的上表面接触并结合，并 且具有松弛状态，其中塑料膜片实质上抵靠着第一基板的上表面，和 致动状态，其中膜片移动离开第一基板的上表面。第一刚性塑料基板 可以具有形成于基板中的微观特征，并且实质上刚性的塑料膜片通常 布置在至少一个微观特征上面。实质上刚性的塑料膜片的杨氏模量可 以在大约2GPa和大约4GPa之间，并且其厚度或宽度被选择为允许 通过施加适宜的机械力而变形。膜片的厚度可以为大约10μm和大约 150μm之间，更具体而言，在大约15μm和大约75μm之间。
使膜片做出响应的机械压力可以是正压，其被施加以将膜片朝向 基板变形，并且可以小于大约50psi，例如可以在大约3psi和大约25 psi之间。作为替代，可选地作为附加，机械压力可以是负压，所述负 压被施加，以使膜片变形离开基板，并且其量值小于大约14psi，例 如其量值可以在大约3psi和大约14psi之间。
典型地，膜片和第一基板由实质上相同的材料制成，并且典型地， 膜片和第一基板中的至少一个为热塑性材料或线性聚合材料，并且可 以由聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和丙烯酸类材料之一制 成。
实质上刚性的塑料膜片典型地具有非粘合区域，其未连接于第一 基板。通常，膜片的非粘合区域至少部分地覆盖第一通道以及非相交 于第一通道的第二通道，这两个通道布置于第一基板中。在松弛状态， 膜片在第一和第二通道之间形成密封。可选地，膜片的非粘合区域至 少部分地覆盖形成于第一基板中的阀座，所述阀座不相连于第一和第 二通道，并且实质上位于第一和第二通道之间。阀座可以包括脊，其 实质上垂直于第一和第二通道的纵向轴线。此外，膜片的非粘合区域 可以至少部分地覆盖第一通道，并且非相交于第一通道的第二通道。 这两个通道可以布置于第一基板中，并且在致动状态，膜片与第一基 板的上表面分开，以提供适合于使流体在第一和第二通道之间流动的 空腔。可选地，也可以设有通孔，其从第一基板的上表面延伸至第一 基板的下表面。非粘合区域可以具有任何适宜的几何形状，当然所述 几何形状的选择要取决于预期的应用场合。在某些实施方式中，非粘 合区域可以是圆形的，实质上椭圆形的，带有圆角的实质上矩形的， 或适合于应用场合的任何几何形状。
在某些实施方式中，装置包括第二刚性塑料基板，其与膜片的上 表面接触并结合，并且可选地，第一基板、第二基板和膜片由实质上 相同的材料制成，例如聚苯乙烯。第二基板可以包括室，其实质上设 置在膜片的非粘合区域上方，并且其尺寸被设置为使得膜片的非粘合 区域可以移动离开第一基板的上表面，并且保持实质上由所述室套装。
装置可以具有泵，其包括一对或一组不相连的非粘合区域，每个 非粘合区域形成可独立致动的阀结构，所述法结构典型地通过微通道 或一些类型的流体通道串联连接。微通道可以具有各不相同的流体流 动阻力，并且为此可以具有不同的尺寸、几何形状和约束。进一步可 选地，装置可以包括特征，例如通道，其几何形状有利于流体沿一个 特定流动方向流动。
在一种实施方式中，多个泵可以具有共用阀结构，特别地，泵可 以具有共用阀结构，其包括布置在三个或更多微通道上方的膜片，以 提供与所述共用阀相连的多个流体端口。可以设置贮存器，其能够存 储流体材料，流体材料可以是：液体，气体，实质上溶解于流体材料 的固体，浆料材料，乳剂材料，或其中悬浮有颗粒的流体材料。贮存 器可以实质上竖直并且可以与液体抽取装置连接，所述液体抽取装置 用于在或靠近限定的竖直位置从贮存器中抽取液体。贮存器也可以被 布置成实质上竖直，并且包含流体和颗粒。泵可以连接至贮存器，以 使流体以下述方式循环通过装置，即防止颗粒聚集在贮存器的顶部或 底部。贮存器可以连接在第一和第二可独立致动的阀结构之间，多个 贮存器可以通过泵互连。泵可以包括或连接到共用阀结构，允许泵由 所述多个贮存器传送流体。
在进一步实施方式中，装置可以具有泵，泵具有一个非粘合区域， 形成可从外部致动的隔膜结构，所述非粘合区域通过微通道与两个非 粘合区域互连，以形成可被流经泵的流体致动的被动阀(passive valve) 结构。在另一实施方式中，泵可以具有多个不相连的非粘合区域，每 个非粘合区域形成可独立致动的隔膜结构，每个隔膜结构部分地重叠 至少一个其它隔膜结构。
可选地，装置可以包括止动机构，例如机械止挡，其布置在膜片 上方，并且其尺寸、形状和位置被设置成可防止膜片从第一基板移动 超出一定距离。
在另一方面，这里描述的系统和方法可以理解为微流体装置，包 括第一聚苯乙烯基板，其具有上下表面以及形成在其中的微观特征， 和聚苯乙烯膜片，其通过溶剂粘合于第一基板的上表面，并且具有松 弛状态，其中聚苯乙烯膜片实质上抵靠着第一基板的上表面，和致动 状态，其中聚苯乙烯膜片移动离开第一基板的上表面。
装置可以连接至控制器，其能够顺序致动阀以操作形成在基板上 的泵。这样可以允许在装置中混合材料。举例来说，控制器可以操作 贮存器泵室和两个其它泵室，由此材料可以被抽入贮存器泵室，然后 被部分地抽入两个泵室中相应的一个，并且部分地抽入两个泵室之一 中的材料可以随后返回到贮存器泵室。所述材料可以包括任何适宜材 料，并且在一些实践和应用场合，包括生物材料，例如酶、蛋白质、 示踪剂、RNA、DNA或其它生物材料的水溶液。
本发明实施方式的前述以及其它目的、特征和益处可以更清楚地 展现在下面对附图所示优选实施方式的详细描述中。

图1A示出了微流体结构，其包括结合于刚性塑料基板的实质上 刚性的膜片。膜片处在松弛状态。
图1B-1C显示了图1A中的装置的其它视图。
图2A示出了微流体结构，其包括结合于刚性塑料基板的实质上 刚性的塑料膜片。膜片处在致动状态。
图2B-2C显示了图2A中的装置的其它视图。
图3A和3C示出了微流体阀的两个视图，包括实质上刚性的塑料 膜片和具有微观特征的刚性塑料基板。
图3B显示了图3A中的装置，其中膜片处在致动状态。
图4A和4C显示了三维阀，其中基板包括阀座和通孔。
图4B显示了图4A中的装置，其中膜片处在致动状态。
图5显示了微流体阀，其包括具有内置室的第二基板，内置室可 以用于施加压力至膜片以便致动阀。
图6A-6B显示了包括三个微流体阀结构的微流体泵。
图7A-7F示出了一种方式，其中图6中的泵可以以蠕动式周期操 作。
图8显示了布置成平行配置的三个泵。
图9显示了共用阀结构的多个泵。
图10显示了共用驱动阀的多个泵。
图11显示了与微流体贮存器互连的微流体泵。
图12显示了与多个微流体贮存器互连的微流体泵。
图13示出了图11中的泵和贮存器，其中贮存器竖直设置并且具 有非均质内含物。
图14显示了泵，其连接着两个贮存器，所述贮存器彼此互连。
图15A-D显示了微流体混合装置，并且示出了操作微流体混合装 置的方法。
图16显示了通过微通道互连的阀和贮存器的一种配置。
图17A-C显示了包括被动单向阀的泵结构。
图18显示了可以用作阀的微通道，其具有流体流动的低阻力方向 和高阻力方向。
图19显示了一种泵，其中阀包括实质上不移动部分。
图20A-F示出了根据本发明的各种阀和阀座实施方式。
图21显示了在驱动室中变形的实质上非支撑的被致动的膜片。
图22显示了驱动室，其尺寸和形状被设置成通过致动而支撑膜 片。
图23A-E显示了没有微通道的泵。

这里使用的术语“微结构”整体上表示位于微流体基板部件上的 结构特征，微流体基板部件的壁的至少一维尺寸在大约0.1微米至大 约1000微米的范围内。这些特征可以是，但不局限于，微通道、微流 体路径、微贮存器、微阀或微过滤器。术语“聚合”总体上指的是微 分子结构或材料，其分子量显著高于成分单体，其可以，但不是必须， 通过聚合反应制成。所有那些通常并且在这里也被称作“塑料”材料 的材料包括聚合材料。术语“丙烯酸类材料”指的是这样的材料，包 括Acrylite、Plexiglas、PMMA和采用其它商标名的聚甲基丙烯酸 甲酯。“线性聚合材料”通常包括聚合材料，其中分子形成长链，而没 有支链或交联结构。“二维微流体网络”指的是共存于部件所在平面内 的至少两个微流体路径或通道的流体连通性。“三维微流体网络”指的 是至少三个微流体路径或通道的流体连通性，其中三个通道以下述方 式布置，即三个通道中的至少一个位于部件所在平面之外。这里所用 的术语“弱溶剂(weak solvent)”指的是这样的有机溶剂，其能够在 适宜的温度(即由于加热)和力(即，由于压力、真空和/或重量)条 件下在两个配合表面之间形成粘合界面，但在其它条件下很少有或基 本上没有结合效果，例如在室温和外界力条件下。术语“惰性溶剂” 总体上指的是这样的溶剂，其可溶合于弱溶剂，但在单独时不具有粘 合能力。术语“溶剂粘合”总体上指的是一种粘合过程，其中溶剂被 用于将两个表面物理粘合在一起。术语“弱溶剂粘合”总体上指的是 一种溶剂粘合过程，其中弱溶剂被使用。
一些本发明的实施方式是基于下述事实，即发明人惊讶地发现当 弱溶剂粘合剂被用作层合溶剂在温和条件下结合非弹性体聚合物例如 聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸类材料或其它线性聚合物时，布置在基 板上的微结构不会受到负面影响。这一发现使得实际且经济地制造样 机以及生产层合的聚合微流体结构成为可能。进一步认识到，某些塑 料材料，例如，但不局限于，聚苯乙烯，是相当刚性的，但在一些特 定应用中能够提供可被用于流体部件例如泵或阀中的可变形隔膜。
根据一个方面，弱溶剂粘合剂可以化学定义为：

其中，R1＝H、OH或R，其中R＝烷基，或不存在，R2＝H、 OH或R，其中R＝烷基，或不存在，并且R3＝H、OH或R，其中R ＝烷基，或不存在。
或者，弱溶剂可以具有下述化学分子式：

其中，R1＝H、OH或R，其中R＝烷基，或不存在，并且R2＝H、 OH或R，其中R＝烷基，或不存在。
或者，弱溶剂可以具有下述化学分子式：

其中，R1＝H、OH或R，其中R＝烷基，或不存在。
在一个特定方面，弱溶剂粘合剂为乙腈(acetonitrile)。乙腈为通 用型溶剂，其广泛用于分析化学和其它应用场合。其100％可溶合于水， 并且具有优异的光学性能。乙腈具有理想的介电常数、溶解度参数和 低氢结合能力，从而可以作为蛋白质和DNA序列的有用溶剂。然而， 乙腈并不是用于有机合成的典型溶剂选择，因为其对于许多有机分子 而言溶解性有限。相比于许多酮类、卤化碳氢化合物、乙醚或芳香族 分子，可以理解乙腈的膨胀聚合材料的能力非常有限。在这一点上， 乙腈在这里被称作弱溶剂。由于其在下面描述的本发明的各种实施方 式中被用作粘合剂，因此其作为用于层合聚合微流体结构的代表性弱 溶剂粘合剂。因此，乙腈溶解塑料表面的弱能力使得其非常适合于层 合聚合材料例如聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸类材料和其它线性聚合 物。举例来说，布置在聚苯乙烯基板上的微结构在室温下用乙腈处理 至少几分钟，也不会呈现出可被觉察的特征损坏。丙烯酸类材料和聚 碳酸酯已被观察到比聚苯乙烯更容易受到乙腈的作用，但这种增大的 易受性可以通过在更低的温度施加乙腈或者通过使用乙腈与其它惰性 溶剂的组合而得以控制。
乙腈层合体的一个明显的独特特征是这种弱溶剂在被用于根据本 发明的实施方式的微流体结构的聚合部件时，在不同的温度下具有显 著不同的溶解强度。尽管众所周知的是大多数无机或有机物质的溶解 度随着所施加的溶剂的温度升高而增加，但利用在不同温度下的溶解 度差异来控制微流体结构溶剂层合体需要精细的操作窗口。基板必须 能够在室温下承受溶剂处理，同时在升高的温度和压力下使其溶解度 充分增加。用作层合微流体结构粘合剂的乙腈提供了所需的操作范围， 这不同于通常用于溶剂层合体的所有目前已知的强有机溶剂。
乙腈粘合的层合体的一个有益方面在于，根据本发明的一个实施 方式的过程允许在包含利用盖板和底板构成的多部件层或流体网络的 结构中实现基板对正。不同于传统强溶剂层合体(其趋向于在几秒钟 的溶剂涂布中侵蚀性地渗入聚合基板表面并且产生粘滞粘合表面)，乙 腈被涂布时在室温下呈现出非常弱的软化基板的能力。当乙腈存在于 配合表面之间时，在热激活之前的低温下，其功能类似于润滑剂并且 允许相邻接触表面彼此抵靠着自由滑动。通过热激活乙腈并且施加压 力，配合表面形成实质上不可逆的粘合。
形成三维流体网络对于许多微流体应用场合是重要的。类似于二 维印刷电路板(PCB)的情况，其中“印刷”的布线不能在没有电连 通性的情况下彼此交叉，流体通道或路径也通常不能在没有流体连通 性的情况下彼此交叉。为了在微流体芯片中建立简单的交迭结构，流 体通道典型地在交迭区布置在不同的层，并且通过竖直流体路径连接， 以完成流体网络。溶剂粘合提供了层之间的结合，其不会阻碍流体穿 过竖直连接结构流出。
在部件中的微结构较小的情况下，例如，深度的量级为大约5μm 或以下，并且图案的平面宽度较大，例如，1mm或以上，此外，封罩 部件为厚度在大约200μm或以下的薄膜，施加于部件对的层合力可能 引起上侧部件碰撞并且粘合至下侧部件，从而引起路径堵塞。一种防 止上述问题的途径是控制粘合剂在微结构中的存在。如果所施加的粘 合剂在热激活过程中不存在于路径中，则上侧部件就不会粘合至下侧 部件的路径。在返回到室温后，上侧部件将抬升回到其预期位置。
有多种途径可操纵乙腈粘合剂，以允许层合两个部件，而不会导 致封罩的微结构变形。当包含微结构的基层部件被带到与覆盖部件相 接触时，这两个部件之间的间隔可能典型地在大约50至100nm的量 级，其远小于微结构深度，即大约1μm或以上。众所周知的是，液体 的毛细力与液体充填的间隙的宽度成反比。因此，被粘合的区域中的 毛细力高于微结构中的毛细力。这种现象可被利用，即可以只在结构 的预期被粘合的区域包含弱溶剂。如前所述，两个基板可被喷洒溶剂 并且随后相接触。溶剂通常会完全充填基板之间的空隙，包括微结构。 溶剂可以随后被从微结构吸取，以使得溶剂只存在于基板之间的预期 实现粘合的区域中。或者，如果对置的基板表面在溶剂显露之前相接 触，则溶剂可以被引入相接触部件的暴露边缘。溶剂将通过毛细作用 被吸入部件相接触的区域，而微结构保持无溶剂。
如前面所揭示，乙腈粘合剂可能需要被热激活以便在聚合部件之 间产生粘合。加热可以通过多种途径提供。当通过将部件安置在热源 上而将热量施加于部件时，热量必须通过部件传导至粘合界面。这种 方法尽管具有简单的优点，但可能不能用于基板庞大或者具有在热激 活条件下对溶剂处理敏感的精细结构的应用场合。另一种方法在粘合 界面提供了所需的能量，而不显著加热基板部件，这种方法在这里称 作溶剂相关的微波粘合。在该方法中，基板部件如前所述被制备成用 于粘合。然而，不是如传统那样通过接触高温源来加热块体结构，而 是将组装的部件对暴露于微波能量。微波能量大部分由极化溶剂分子 吸收，而不影响块体塑料部件结构，因此可加热粘合界面，而不大范 围加热基板。这种方法特别适用于加热区域需要被表面约束的情况。 或者，将通过弱溶剂粘合剂被粘合或层合的结构可以在涂布弱溶剂之 前被冷却。具体而言，乙腈溶剂层合和粘合可被用于制造能够被用作 阀和泵结构的隔膜。
现在转到图1-2，图中示出了可被用于制作微流体泵和阀的结构和 制造方法。图1A显示了微流体结构10，其具有实质上刚性的膜片50 和刚性基板52。膜片50被结合于基板上并且处在松弛状态，其中膜 片50实质上抵靠着第一基板的上表面。膜片50在这种松弛状态下支 靠于基板52的上表面。在这些实施方式中，基板52和膜片50中的一 个或两个由塑料材料制成。适宜材料的例子包括线性聚合塑料和热塑 性材料。热塑性材料包括这样的材料，其在被加热时变软，并且在被 冷却时变为刚性或实质上刚性的。典型地，膜片50和基板52中的一 个或两个由聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸类材料 或它们的一些组合制成。在一个特定实施方式中，膜片50和基板52 二者均由聚苯乙烯制成。之所以希望采用聚苯乙烯，是因为，至少部 分地，聚苯乙烯所具有的公知特性，包括机械性能和与生物反应相关 的性能。
膜片50可以是实质上刚性的，即它是实质上非弹性的，但是在适 宜的压力或力的作用下可以变形。举例来说，膜片的杨氏模量可以在 大约2GPa和大约4GPa之间，尽管在其它应用场合杨氏模量可以不 同。特别地，所述材料可以被选择或制成为使其杨氏模量适合于特定 应用和/或被研制的装置。举例来说，材料可以被选择为具有适宜的杨 氏模量，这可能取决于存在于膜片50下面的微观特征的尺寸或其它装 置性能。膜片50可以的厚度可以适合于在被施加机械力或压力时变 形。可以通过物理接触膜片50并将其朝向基板52推压或将其拉离基 板52而施加机械压力/力。或者，可以通过气动压力或液压压力将膜 片朝向基板52推压或将其拉离基板52来施加机械压力。所使用的力 或压力的大小可能取决于特定应用和被研制的装置。变形包括将膜片 50的形状由实质上平面形态改变为任何实质上非平面形态。膜片50 可以具有的厚度为大约10μm和大约150μm之间。在优选实施方式 中，膜片50的厚度为大约15μm和大约75μm之间。基板的厚度可 以大于膜片的厚度。或者，基板的厚度可以实质上类似于膜片的厚度。 膜片50的尺寸可以被设置为使得其可以通过施加大约-14psi和50psi 之间的压力而变形，或在施加大约-3psi和大约-14psi之间的负压时变 形，或在施加大约3psi和大约25psi之间的正压时变形。在所揭示的 实施方式中，负压被施加在膜片上面以使膜片变形离开基板，但是正 压也可以被施加在膜片上面以朝向基板变形或推压膜片。
通过选择性地粘合两片材料之间的界面的特定区域20，留下膜片 或隔膜的非粘合区域15，如显示于图1B，制造出结构。非粘合区域 15被显示为实质上是圆形的，但是在替代性实施方式中，可以是椭圆 形的，矩形的，带圆角的矩形的，或其它形状的。基板52被选择性地 在区域20中粘合于膜片50。这种选择性粘合可以通过在层合过程中 物理分开膜片50的覆盖着非粘合区域15的部分而完成，可通过在非 粘合区域15在所述层52和50中的一个或两个上施加防粘合层或通过 在非粘合区域15改造层52和50的表面等而实现物理分开。图1C显 示了结构10的其它视图。
如示出于图2，如果隔膜/膜片50的非粘合区域15被垂直于平面 基板52牵拉，其将移动离开基板，或向上弯曲，形成气泡体59。如 果膜片50的非粘合区域15被垂直于平面基板10推压，其将在顶部和 底部平面层50和52之间的界面区域15处产生形状符合的接触。这种 结构和制造方法可被用于制作阀和泵结构。如示出于图2，膜片50与 基板52的上侧结合，并且在被致动时由基板移开。在其它实施方式中， 膜片可以与基板52的底侧结合。基板52可以具有与其上侧结合的第 一膜片和与其下侧结合的第二膜片。两个膜片可以同时致动，其中两 个膜片均移动离开结合它们的基板相应侧面。
图3A显示了两层主动平面阀结构61处于闭合/松弛位置，图3B 显示了阀结构61处在打开/致动位置，其中膜片移动离开第一基板的 上表面。结构包括第一基板60。两个不相连的微通道62和64形成于 第一基板60中。在优选实施方式中，微通道通过压印、模制或铣削形 成于基板60中。或者，微通道可以通过蚀刻形成。形成于基板60中 的微通道和其它微观特征优选被配置成适合于流体材料的流动。它们 也可以适合于气体材料、实质上溶解于流体材料例如溶液中的固体材 料、其中悬浮有颗粒的流体材料、浆料或乳剂。浆料总体上指的是实 质上不可溶物质的流体混合物。基板60还可以包括其它内置微观特 征，或形成于基板上的适合于操纵、储存和/或输送下述材料的特征： 流体材料，气体材料，液体材料，实质上溶解于流体材料例如溶液的 固体材料，其中悬浮有颗粒的流体材料，浆料和/或乳剂。微观特征可 以包括，但不局限于，其它微通道，微流体贮存器，微流体井，微流 体端口，和阀座。
膜片66被选择性地在位于非粘合隔膜区域68之外的实质上整个 区域74结合于基板60。当压力或力垂直于基板60的表面施加于膜片 66以将膜片朝向基板推压时，膜片66以形状符合的方式接触阀座区 域72，以有效地封闭两个微通道62和64之间的连通，从而密封微通 道62和64。或者，膜片不需要被推压以形成密封。事实上，当膜片 处在松弛状态时，其重量和刚度可能足以在两个微通道62和64之间 形成有效密封。如显示于图3A，膜片68的非粘合区域至少部分地覆 盖第一通道62以及非相交于第一通道的第二通道64，这两个通道布 置于第一基板中60中，并且在松弛/闭合状态在第一和第二通道之间 形成密封。
如果膜片66在阀座区域72上方被驱动离开基板60，膜片可以变 形到致动状态，在非粘合隔膜区域68上方形成气泡体70并且因此在 两个微通道62和64之间形成开放腔，从而允许流体从一个微通道流 动至另一个。如示出于图3B，膜片68的非粘合区域至少部分地覆盖 第一通道62以及非相交于第一通道的第二通道64，这两个通道布置 于第一基板中60中，并且在致动状态由第一基板60的上表面分开， 以在气泡体70内提供空腔，其适合于流体在第一通道62和第二通道 64之间流动。
这种阀结构被描述为平面的，因为阀座区域72实质上与限定非粘 合隔膜区域68的粘合界面74共面。这种供应产生了一种阀结构，其 能非常简单地制造并且集成于更为复杂的微流体系统中。然而，使用 其它层合工艺非常难以制造它们。举例来说，如果期望采用粘合剂层 合过程，则结构会存在两个困难。粘合剂会具有一定厚度。如果其被 夹在膜片层66和基板60之间，其会将膜片66粘附至阀座72，导致 不能工作的阀。如果粘合剂被选择性地由阀座区域72去除，缝隙会引 起泄露。唯一的可能性是在阀座72区域中用另一材料替代粘合剂，所 述另一材料匹配于(或略微超过)粘合剂的厚度。这是难以实现的工 艺。
乙腈层合体不会受到这种限制。只需要确保膜片66不粘合至阀座 72。对于主动阀(active valve)，这可以这样实现，即通过将膜片从粘 合平面物理分开。或者，膜片66或阀座72的表面可以被处理以防止 粘合。这种类型的预处理可以防止阀结构在层合过程中密封闭合。
图4A和4B显示了不同的方面的通孔主动平面阀结构79。在这 种情况下，第一基板80被设置。不相连的微通道82和84与阀座86 一起形成于所述基板80中。通孔88设置于所述阀座86的中心。膜片 层90然后被选择性地在区域92中结合于基板80，产生隔膜结构94。 当阀处在闭合位置时，隔膜94可以接触区域86(阀座)和位于隔膜 94下面的区域，以有效地阻止流体在微观特征82和84之间流动以及 流体流经通孔88。在其它实施方式中，微通道84没有形成于基板80 中。有多种重要特征可由这种结构提供。第一，通孔88允许连通至那 些可以设于基板80的下侧96的微观特征。其次，由于膜片90具有一 定的结构刚度，因此当封闭力大于可能试图通过通孔88流动以打开阀 的流体的力时，一些机械益处可以获得。这种结构受益于通孔和隔膜 上侧面之间的面积差异。由于压力正比于力、反比于面积，通孔中非 常高的压力可以有效地被隔膜上方的中度压力抵消。隔膜的刚度可实 现这种现象。
图5A-B显示了三个多层主动平面阀结构99，其可以利用乙腈辅 助粘合而被形成。阀结构包括具有内置微通道101和103的第一基板 100。膜片层104被选择性地在区域106中结合于第一基板100，因此 产生隔膜结构108。第二基板102结合于膜片104。第二基板包括驱动 室110。这种结构不同于前面显示的那些之处在于，驱动室110套装 隔膜108。当向下的正压力通过驱动室110施加于隔膜108时，膜片 108在两个微观特征103和101之间接触阀座112，有效地防止在它们 之间传输任何流体。或者，如果向上的负压力施加于驱动室，则膜片 108将被抬离阀座112，并且流体可以自由地流通于微观特征101和 103之间。压力可以通过驱动室110以气动方式施加，或通过驱动室 实现物理接触膜片，并且将其向上拉起或向下按压。
在图5A-B中的实施方式中，当膜片108向上弯曲时，容腔114 产生在膜片108下面。这不但允许微通道101和103之间流体连通， 而且还引起微通道101和103中的一些流体移动到容腔114中。这种 流体传输使得能够由多阀结构形成泵。
现在讨论基于所描述的系统和方法的微流体泵结构。微流体泵总 体上指的是任何结构或结构组，其能够施加压力至流体和/或便于流体 在微流体装置中沿一或多个期望方向的流动。多种阀结构202可以串 联布置，并且可以通过微通道互连，以形成微隔膜泵200，如显示于 图6A-B。泵200可以以蠕动式周期操作。在以正确顺序致动时，流体 将被强制流过泵结构。图6A描绘了构成泵200的三个阀结构202a、 202b和202c，但是其它泵实施方式可以包含两个或更多的阀结构。在 图6所示代表性实施方式中，内侧阀结构202b的隔膜区域(面积)204b 大于两个外侧阀结构的隔膜区域(面积)204a和204c。在其它实施方 式中，泵200可以包括具有实质上相同尺寸的阀结构，或尺寸显著不 同的阀结构。
图7A-7F示出了一种方法，用于泵送流体通过泵结构300，类似 于图6中的泵结构200。所述方法包括使泵结构循环经过六个顺序致 动的状态，以产生泵送效果。泵包括引入阀302、驱动阀304和排出 阀306。
在图7A，引入阀302被打开，并且流体由引入微通道312被吸入 膜片308和第一基板310之间的容腔302a。在图7B，驱动阀304被 打开，向泵系统中抽入更多的流体。在图7C，引入阀302闭合。在图 7D，排出阀306被打开。在图7E，驱动阀304闭合，迫使流体通过排 出阀306流出到排出微通道318中。排出阀306然后闭合。所述六个 状态完成一个泵周期，使一定体积的流体移动通过泵。如果所述周期 被倒置，则微通道318用作引入微通道，微通道312用作排出微通道， 并且流体可以由引入微通道318抽入到排出微通道312。因此，泵是 双向的。阀结构302、304和306是可独立致动的，因为任何一个阀结 构可被致动，而对其它阀结构的状态的影响很小或基本上没有影响。
本领域技术人员可以认识到，这些状态的替代性顺序可以产生泵 送效果。替代性的代表性泵送顺序，有时被称作蠕动顺序，如下所述： 引入阀302被打开，驱动阀304被打开，排出阀306被打开，引入阀 302闭合，驱动阀304闭合，排出阀306闭合。驱动阀306可以在引 入阀302闭合的基本上相同的时间打开。
在图7所示实施方式中，微通道312、314、316和318具有实质 上相似的尺寸。在基于本发明的泵结构的替代性实施方式中，通道可 以具有各不相同的尺寸，包括各不相同的长度、高度和宽度。具有变 尺寸的通道可以具有各不相同的流体流动阻力。举例来说，增加微通 道的高度和/或宽度可以减小其对流体流动的阻力。在一些实施方式 中，具有各不相同的流体流动阻力的微通道可以用于便于流体流动处 于期望流动方向和/或防止流体沿非期望流动方向流动。举例来说，在 前面描述的泵周期中，可以有一段时间，其中引入阀302和驱动阀304 均处于打开状态。流体可以流经容腔302a进入微通道312。为了减小 流入微通道312的流体量，微通道312可以形成为具有高于微通道314 的流体流动阻力。如前面所讨论，替代性泵实施方式可以采用两个阀 结构，它们事实上是图6和7中描绘的三个阀结构泵中的。在这种实 施方式中，两个阀双向泵结构可以包括连接至第一阀结构的引入/排出 微通道，连接至第二阀结构的引入/排出微通道和将第一和第二阀结构 互连的微通道。引入/排出微通道可以形成为具有比互连微通道高的流 体流动阻力，从而当两个阀结构处在打开位置时，流入引入/排出微通 道的流体量可以减小。两个阀泵的操作顺序类似于图7所示的顺序， 特别是针对阀结构302和304描述的顺序。
图8示出了微流体装置400，具有布置成平行配置的多个泵 402a-c。这种实施方式允许由多个入口404a-c抽入流体并且使流体移 动进入一个出口406。如果每个入口包含不同的流体，则当所述多个 泵402a-c泵送流体进入排出通道406时，排出通道406中的流体可以 包含储存于入口404中的不同流体类型的梯度分布。举例来说，排出 通道408a的上部可以包含更高浓度的由引入通道404a流入的流体类 型，排出通道408c的下部可以包含更高浓度的由引入通道404c流入 的流体类型。因此，这种实施方式可以用于在排出通道406中产生化 学梯度。
并非所有的泵结构需要具有独立限定的引入阀、驱动阀和排出阀 结构。多各泵可以共用一或多个阀。共用阀指的是阀被设置成使得其 可以用于由多于一个的泵结构执行泵送过程。图9示出了微流体装置 500，其包括三个泵结构。一个泵结构包括引入阀502a、驱动阀504a 和排出阀506。第二泵结构包括引入阀502b、驱动阀504b和排出阀 506。第三泵包括引入阀502c、驱动阀504c和排出阀506。因此，这 三个泵共用排出阀506。或者，阀506可以用作共用引入阀，阀502a-c 用作排出阀。这种实施方式可以是一种高效的措施，其通过消除多余 结构而使整个系统的复杂性最小化。
图10示出了泵送结构600，其包括贮存器或流体端口602、引入/ 排出阀604和共用驱动阀606。流体端口通常是指微流体结构，例如 贮存器，其可以用作可被泵送通过泵结构的流体的入口或出口，或更 一般地讲，用作用于存储流体材料的贮存器。在这种实施方式中，通 过利用驱动阀606以适宜的顺序选择性地操作六个引入/排出阀602， 流体可以由任何一个贮存器602移动至任何其它一个贮存器602。在 这种情况下，使用者可以获得三十个不同的流动路径。使用完全独立 的阀结构实现这种相同功能需要采用十五个不同泵系统。
图11-14描绘了与贮存器相连的泵结构。图11示出了微流体系统 700，其包括泵702，所述泵与贮存器704一起集成为循环器。泵可以 沿顺时针方向706或逆时针方向708方向由贮存器704取出和移动流 体。在基于本发明的实施方式中，贮存器704可以是流体储存装置， 细胞培养室，或反应室。贮存器可以被密封，打开，或部分地打开。
转到图12，多个贮存器可以连接着集成泵送系统。微流体系统800 包括顶部贮存器802和底部贮存器804。泵系统，包括共用驱动阀806 和引入/排出阀808、810和812，可以使流体循环通过顶部贮存器802， 同时将流体传送至底部贮存器804或将流体由底部贮存器804排出。
如果贮存器特征足够大，举例来说，高度、长度和宽度分别大于 大约0.5mm，则重力可能在系统的流体力学中扮演重要角色。图13 示出了一种微流体系统900，其贮存器902的高度大于大约1mm，并 且被布置成使其纵向轴线904实质上竖直。在系统的使用过程中，重 力可以将贮存器902中的流体牵引到贮存器902的底部。取决于微通 道906沿着贮存器902的侧面的位置，流体可被用于以高于泵送流体 的密度操纵颗粒908。每个颗粒可以是小量或微量的实质上固体材料。 举例来说，如果玻璃球粒908存在于贮存器902中，并且微通道906 被靠近贮存器902的顶部连接至贮存器902，则流体可以由泵909带 动着沿逆时针方向910循环，以将球粒从贮存器902的底部抬高。然 而，由于球粒908具有下沉的趋势，因此它们不能足够靠近第二微通 道906以便被由贮存器902去除并且循环通过泵系统900。
或者，颗粒908可以具有浮力，并且具有升高或漂浮于贮存器902 中的趋势。流体可以由泵909带动着沿顺时针方向911循环，以将颗 粒908由贮存器902的顶部推下。
在基于本发明的其它实施方式中，贮存器902可以连接至流体抽 取装置，用于在沿纵向轴线904的不同竖直位置抽取流体。举例来说， 流体抽取装置可以包括多个微通道，每个微通道分别位于沿纵向轴线 904的不同竖直位置。微通道可以连接到微流体抽取贮存器或抽取端 口，由此流体可以被抽取。可选地，每个微通道可以与泵结构互连， 以便于流体由贮存器902流动到抽取贮存器。如果多种不混溶流体被 储存于贮存器902中，梯度可以产生在贮存器中，所述多种流体中的 每种在沿纵向轴线904的不同竖直位置具有不同的浓度。多个流体抽 取装置在各不相同的竖直位置连接至贮存器，可以提供由贮存器902 中的分层抽取期望浓度级别的流体样品的装置。
图14示出了微流体系统1000，其类似于图12-13中的实施方式。 然而，微流体系统1000包括通过溢流管1006互连的两个贮存器1002 和1004，流体在循环过程中必须被引导通过它们才能重新进入泵 1008。
图15描绘了一种四阀结构，其可以用作微流体混合器。贮存器 1100和1102分别包含第一和第二流体样品。根据基于本发明的混合 过程，来自贮存器1100和1102的流体被移入由两个沿对角线对置的 阀结构或贮存器泵室1104组成的第一组中。这些泵室是闭合的，同时 沿对角线对置的泵室1106被打开。每个第一流体样品和第二流体样品 的一部分可以被传送进入这些相邻室1106中，从而部分地混合。流体 然后可以被顺次传送回到第一组沿对角线对置的泵室1104中，并且这 种过程可以重复进行，直至两个流体样品被实质上混合。应当指出， 连接通道1108被维持非常短，以使结构的无用容腔最小化。由于一些 流体留在这种无用容腔中，因此最小化无用容腔可以产生整体上更高 效的系统。或者，通过设置重叠的阀结构1104和1106，如示出于图 23，如后文中讨论，可以形成不带连接通道1108的微流体混合器，从 而导致实质上没有无用容腔的微流体混合器。
混合器可以连接至控制器，其能够顺序致动贮存器泵室/阀结构 1104和1106。控制器可以包括这样的装置，其用于单独或集中致动任 何规定的泵室组合，而留下其它泵室处在闭合或非致动位置。控制器 可以物理接触混合器装置，定位在混合器装置上方或定位在其下方。 可以利用这里讨论过的装置通过施加机械力或压力致动泵室/阀结构。
图16显示了一种广义上的阀/泵系统1200的例子。利用任何顺序 的阀结构1203通过适宜顺序的阀1203致动，流体可以由任何一个贮 存器1202移动到任何其它一个贮存器1202。流体可以被混合、培养 或以其它使用者限定的方式反应。由于其广义性质，这种类型的配置 可以可以被用于研制特定应用场合。
前面描述的主动阀具有许多益处。使用者能够独立控制微流体系 统中每个阀的状态，并且因此可以容易地引导流体通过网络或在泵系 统中改变流动方向。另一种可能性是使用被动阀。被动阀要求来自流 体的用于致动的力。图17A-C示出了被动单向阀隔膜泵1300的一个 例子。泵1300包括两个被动单向阀1308和1306，以及一个主动阀隔 膜1304。被动单向阀1308和1306可由流经装置1300的流体致动。 主动阀结构1304可通过外因致动，这是因为其可以通过微流体装置 1300之外的装置施加的压力或力致动。当隔膜1304弯曲打开时，流 体由引入端口1302进入。这种弯曲引起负压，该负压被传输至引入阀 1308和排出阀1306。排出阀1306的细节显示于图17C中。负压引起 阀隔膜1350抵靠着阀座1352向上弯曲。穿过隔膜1350的孔眼1354 被阻隔而不与流体通道1356相通。因此来自排出通道1358的流体不 能流经孔眼1354和进入流体通道1356。引入阀1308以正相反的方式 动作。流体流经它并且充填到由驱动隔膜1304封闭的室中。当隔膜 1304由其弯曲位置被驱动回来后，俘获在由隔膜1304封闭的室中的 流体不能通过引入阀1308流回，从而正压产生于流体通道1356中。 这种压力可致动阀膜片1350并且将膜片1350推离阀座1352，以允许 流体流经孔眼1354并且流出到排出通道1358。在正确操作时，所描 述的这种双止回泵可以具有非常少的回流。
图18A-B显示了具有实质上不移动部分的两个阀的例子。图18A 中的结构揭示于Nicola Tesla的美国专利No.1,329,559中。图18B中 的结构已知为“扩散阀”设计。在图18A和18B中，流体沿第一方向 1400具有高流动阻力，沿第二方向1402具有低流动阻力。这种沿流 动方向的差异可以被用于产生净流量。图18A-B中的实施方式可以用 作微通道，以在微流体特征之间提供实质上单向流体连接。
图19显示了泵系统1500，其具有两个扩散阀1502和1504。当流 体沿着实质上沿系统1500的纵向轴线1506的方向振荡时，存在经过 泵的明显前后“冲洗”，但是净流量的流体会由入口1508移动到出口 1510。
所描述的主动阀被显示为简单的圆形隔膜，具有圆形阀座。然而， 这里描述的系统和方法并不局限于此。图20A-F示出了一些其它阀实 施方式。在这些图中，阀座被布置在微通道1602和1604之间。总体 而言，阀座指的是基板上的任何区域或形成在基板中的任何特征，膜 片的非粘合部分可以支靠在其上或上方。图20A显示了阀座1606a， 类似于图3中的阀座，其实质上与基板的上表面共面。图20B-20F包 括阀座1606b-f，其可以是基板中的压下结构。阀座可以通过压印、铣 削、模制或蚀刻形成。在基于图20B的本发明的优选实施方式中，阀 座包括两个压印部分，具有脊1608，所述脊的上表面实质上与设有其 的基板的上表面共面，并且布置成实质上垂直于微通道1602和1604 的纵向轴线。脊1608可以有助于在阀处在闭合或松弛位置时防止流体 流经微通道1602和1604之间。这些阀座配置可以用于在阀处在松弛/ 闭合位置时在微通道1604和1602之间提供紧密的流体密封。基于本 发明的可行阀配置可以用于减小阀座面积，或增加阀入口和出口之间 离散阀室的数量。阀并非必须是圆形的。在一些实施方式中，它们可 以是实质上椭圆形的，实质上正方形的，实质上矩形的，或任何其它 多边形形状。
图21显示了阀结构的进一步替代性实施方式。阀结构1700包括 驱动室1702，用于施加力或压力以致动膜片1704。图21显示了膜片 处在致动状态。膜片在区域1708和1710中是实质上非支撑的，在此 其不接触基板1712。这可能会由于压力差、膜片不一致性、层合状态 变化中的一或多个原因引起拉伸和/或变形。
图22A-B示出了阀结构1800，其中室1802的尺寸和形状被设置 成通过致动而物理支撑膜片1804。图22B显示了受致动膜片1804实 质上与基板1806的上表面平齐。这可以导致恒定可重复的膜片变形， 并且因此导致恒定可重复的泵性能。或者，驱动室可以用作机械止挡， 因为可以将其尺寸和形状设置成限制膜片在其致动状态的变形。这可 以有助于控制包含在阀结构1800中的流体容腔1802，从而使得所形 成的泵的性能具有更高的重复性。
图23示出了泵结构1900，用于由入口1906至出口1908泵送流 体。泵结构包括上侧膜片层1911、下侧膜片层1910、上侧基板层1914 和下侧基板层1912。泵结构包括引入微通道1906和排出微通道1908。 在图23所示实施方式中，引入和排出微通道1906和1908被形成为延 伸穿过上侧膜片层1911的实质上整个厚度和/或上侧基板1914的厚度 的一部分，如示出于图23D中的放大图。在一种基于本发明的用于制 造结构1900的可行方法中，可以包括下述步骤：将上侧基板1914层 合在上侧膜片1911上，并且在所形成的层合体中形成微通道1906和 1908。在替代性实施方式中，引入和排出微通道1906和1908不需要 延伸进入基板层1914。它们可以完全形成在上侧膜片层1911中，如 示出于图23E中的放大图。用于制造这种泵结构的代表性方法可以包 括在上侧膜片层1911中形成/切割出微通道，并且在相继的加工步骤 中将上侧膜片层1911层合在上侧基板1914上。
膜片层1910包括两个独立且可致动的隔膜结构1916和1920。膜 片层1911包括独立且可致动的隔膜结构1911。其它实施方式可以包 括两个或更多的可致动隔膜结构。需要指出，泵结构不需要包括互连 三个可致动隔膜结构的微通道。每个隔膜1916b、1918b和1920b可以 通过相应的驱动室1916a、1918a和1920a被致动。在图23A-B中，每 个隔膜结构被显示为处在打开状态。每个隔膜1916b、1918b或1920b 也可以处在闭合状态，其中压力可以分别通过驱动室1916a、1918a或 1920施加，以抵靠着对置的基板层1914或1912推压隔膜，视具体情 况而定。代表性的泵送周期过程如下所述：所有隔膜初始处于闭合状 态。隔膜1916b被打开，并且流体由入口1906流入容腔1916c。隔膜 1918b被打开，允许流体流入容腔1918c。隔膜1916b闭合，并且隔膜 1920b被打开，允许流体进入容腔1920c。隔膜1918b闭合，导致流体 流入容腔1920c。隔膜1920b闭合，导致流体流入出口1908。
前面对本发明的优选实施方式所做描述仅仅是解释和说明的目 的。不能认为本发明局限于所公开的具体形式。在说明书的启示下， 可以做出各种修改和变化。应当认为本发明的范围不由这种详细的描 述来限定，而是由权利要求限定。