技术领域
[0001] 本
发明涉及在诸如
芯片实验室和化学微反应器的微型器件中的流体控制领域。即时诊断已经是近400亿美元的业务，并且其年增长率约为20％。然而，由于缺少可集成在芯片实验室中的
泵和其他流体处理装置，阻碍了发展。当前，这些组件中的大多数是放置在微流体芯片外部的单独的设备。本发明涉及一种流体处理装置，例如泵、
压缩机、
推土机、
阀、
歧管或混合器，其可以是独立的装置或者被集成在微流体芯片中。本发明极大地简化了例如在
生物医学、
电子学和化学应用中使用的微流体装置。
背景技术
[0002] 由于小规模处理流体的许多优点，微流体学领域近年来发展迅速。这些优点包括减少样品和
试剂的使用、更高的灵敏度、更短的处理时间和纳升体积的精确计量。MEMS技术及其制造方法的先进性是这种发展的驱动
力。重要的微流体市场是即时诊断、生物医学研究、芯片实验室测试、化学微反应器和电子元件
热管理。
[0003] 为了解决微流体中流体处理的关键挑战，已经进行了重大研究，该研究已被确定为相对不发达的微流体组件。当前的研究主要集中在利用压电
驱动器的位移微型泵和利用
电流体动力或
电渗透流体传输的动态微型泵。理想的流体处理解决方案应具有以下特征：a)其应是坚固且性能可靠的。b)其应该很简单，外部连接最少。c)其应该使整个设备的尺寸最小化。前述技术各自具有其自身的缺点，例如，压力产生不足、被动止回阀、高压需求、
对流体特性的依赖、或者复杂的设计和制造。传统的泵送技术中发现的机械部件，例如止回阀和柔性隔膜，显著地增加了微型泵的复杂性，并且使得将这些泵送技术集成到芯片实验室装置中变得更加困难。
[0004]
磁性形状记忆(MSM)
合金Ni-Mn-Ga具有多种特性，使其成为用于微器件制造的合适材料。通过称为孪晶的过程，MSM合金的
晶体结构可以通过转换来自所施加
磁场的
能量而重新定向。足够强度的磁场使单位晶格的易结晶轴c沿磁场方向对齐，从而增加了c轴沿磁场方向对齐的孪晶变体的比例。MSM材料能够从磁场感生
应力中产生较大(高达10％)的应变，该应变可以被精确地控制；并且其具有较短的致动时间。被施加到MSM元件的一部分的磁场使元件中产生局部收缩。该场可以由
永磁体产生。如果磁体绕其对称轴旋转，则收缩沿元件行进。由于该技术由磁场驱动，因此该装置可以是无
接触的。在
专利US 9,091,251 B1(2015年7月)以及出版物Ullakko等人的“Smart Mater.Struct.21(2012)115020(10pp)”和Baker等人的“Journal of Medical Devices,Vol.10,December 2016,DOI:10.1115/1.4034576”中描述了在通过永磁体的旋转而形成的MSM元件的收缩中携带流体的微型泵。
在现有的MSM微型泵中，MSM元件与泵送流体接触。现有泵的一个缺点是MSM元件的表面永远无法是完全平坦的，这不利于密封。即使奥氏体MSM元件的表面最初被制成平坦和光滑的，但是在
马氏体中该表面还是会发生扭结，因为在10M、14M或非层状马氏体的不同变体之间分别存在3.5、6或约10度的
角。在图1的插图中示出了扭结。本MSM泵解决方案的第二个缺点是，由于MSM元件表面的平移运动小，扭结角抵靠泵的
底板的锐线接触导致在泵操作期间元件的局部磨损和
变形。这导致对孪晶边界运动的阻塞，从而导致泵送流量逐渐减小，并最终导致停止运行。磨损是设备长期运行中的主要问题。为了使泵正常运行并获得足够的密封，接触表面应光滑，并且MSM元件表面不应接触底板，以防止磨损和变形。在当前的泵解决方案中，制造具有小的公差的高平面表面的MSM元件是困难且昂贵的。
发明内容
[0005] 本发明涉及流体处理微型装置，其取决于应用可以用作微型泵、压缩机、推土机、阀、歧管或混合器。根据本发明的微流体装置可以是独立的装置，或者它们可以集成在芯片实验室或其他装置中。这些装置的操作基于使用放置在微流体装置外部的磁场源的磁性形状记忆(MSM)材料的磁场感生形状变化。放置在微流体装置外部的磁场源可以是具有至少两个磁极的旋转永磁体系统，或者是由至少两个被依次供电的线圈组成的电磁体，如图17所示。电磁供电使得在根据本发明的装置中利用超快致动成为可能。在当前的MSM微型泵中，尚未使用电磁致动。
[0006] 本发明的基本特征在于，MSM元件完全嵌入弹性材料中，或者MSM元件的至少一个表面通过具有适当弹性常数的弹性材料的合适形状与流体分开。弹性材料用作
密封件，或者其也可以形成用于流体流的腔室或通道，或者是该腔室或通道的一部分。与目前的设计相比，根据本发明的弹性材料结构的使用使装置简单且易于制造。
[0007] 弹性材料层完美地密封装置，并且防止流体
泄漏以及防止流体流到元件的另一侧。弹性层使MSM材料的扭结表面变得光滑，并可以提供完全平坦和光滑的密封表面。如图1d所示，由于扭结角不与底板直接接触，因此还可以防止MSM元件的表面磨损。弹性材料层还在通过保持孪晶狭窄而控制MSM元件的收缩形状方面具有重要作用，这对于装置的适当操作是必要的。弹性材料防止流体与MSM元件直接接触，MSM元件是Ni-Mn-Ga或Ni-Mn-Ga基合金。在当前的MSM泵中，可能是
反应性化学物质或包含活细胞的流体与Ni-Mn-Ga元件接触。对于某些物质，Ni-Mn-Ga是有害的。MSM元件上的弹性材料可以减少密封表面上的摩擦，从而降低操作该装置所需的磁场强度。在某些应用中，弹性材料提供弹力以恢复MSM元件的应变。弹性材料还可以实现根据本发明的装置的新特征，例如，通过将元件压在底板上来控制泵送体积。弹性材料在制造中具有优势：弹性层易于例如通过
铸造或模制而被制成光滑或平坦的。结果，可以降低对MSM元件的表面
质量或粗糙度和制造公差的要求。实际上，MSM元件的表面轻微粗糙对于附接弹性材料是有利的。另外，使用弹性材料能够制造弹性材料在其所有侧面都与底板接触的装置结构，如图1所示。侧面甚至可以粘在底板上。这使得密封完全气密。
[0008] 将MSM元件的至少一个表面与流体分离的弹性材料，例如弹性体，使得根据本发明的装置理想地集成到通常由
聚合物(诸如弹性PDMS等)制成的芯片实验室或
即时检验装置中。用于密封泵送元件的弹性材料可以是芯片实验室的组成部分。在一次性芯片实验室中，集成的流体处理装置必须简单且成本低廉。由于完全气密的密封，根据本发明的泵产生高压，这使其非常适合在微流体装置的微小的微通道中输送流体。由根据本发明的装置产生的压力被测量为几巴，比具性的压电和动态微型泵产生的压力高两个数量级。根据本发明的装置不具有机械部件；通过弹性材料与流体分离的MSM元件是用作流体控制机构的主要组件。由于装置是磁供电的，因此集成在芯片实验室中的流体装置中没有
电触点。
附图说明
[0009] 图1a示意性地示出了流体处理元件FHE11。磁场H被沿着基本垂直的方向施加到元件的一部分，从而在FHE 11中产生收缩。约束力或收缩力被标记为矢量F。图1b和图1c中分别示出了横截面图A-A和B-B。FHE 11由用作致动元件的磁性形状记忆(MSM)元件(由1表示)组成，由磁性形状记忆(MSM)材料和弹性材料2制成。图1d所示的插图示出了收缩区域中的孪晶结构。黑色条纹是具有垂直对齐的短晶轴c的孪晶变体，白色条纹是在
水平方向上具有短晶轴c的孪晶变体。图1e示出了具有扭结的MSM元件1的锯齿状表面。尖锐的扭结角由13表示。
[0010] 图2示意性地示出了FHE 11的MSM元件1和弹性材料2的不同形状。图2b-2c示意性地示出了包含MSM元件1的
选定形状的FHE 11的底视图，并且图2e-2j示出了FHE 11的横截面图的示例。由磁性形状记忆(MSM)材料制成的致动元件由1表示，弹性体结构由2表示，并且收缩由3表示。
[0011] 图3a示意性地示出了微流体装置的横截面图，其中，由嵌入弹性材料2中的磁性形状记忆元件1组成并包含收缩3的FHE 11被附接在微流体通道6的入口孔和出口孔上。用力F按
压实心盖板7。图3b示出了装置的截面A-A。
[0012] 图4a示意性地示出了一种微流体装置，其中，由嵌入弹性材料2中的磁性形状记忆元件1组成且包含收缩3的FHE 11被放置在壳体7中，并且被附接到微流体通道6的入口孔和出口孔上。底板由5表示。图4b示出了装置的横截面A-A。
[0013] 图5a示意性地示出了一种微流体装置，其中，由嵌入弹性材料2中的磁性形状记忆元件1构成并且包含收缩3的FHE 11被放置在底板5的空腔中。流体通道6和其他空腔在装置的底板5中。图5b示出了装置的横截面A-A。
[0014] 图6a示意性地示出了一种微流体装置，其中由嵌入弹性材料2中的磁性形状记忆元件1构成并且包含收缩3的FHE 11被放置在底板5的空腔中。流体通道6和其他空腔在装置的盖板4中。图6b示出了装置的横截面A-A。
[0015] 图7a示意性地示出了具有包含流体通道6的底板5的微流体装置的细节，由嵌入弹性材料2中的磁性形状记忆元件1组成并且包含收缩3的FHE 11位于该底板5上。MSM元件1位于底板5的表面上方。弹性材料2在收缩行进的长度中填充流体通道。图7b示出了该装置的横截面A-A。
[0016] 图8a示意性地示出了一种微流体装置，其中，由嵌入弹性材料2中的磁性形状记忆元件1组成并且包含收缩3的FHE 11被放置在底板5的凹穴中，底板5还包含流体通道6和用于流体的其他腔。图8b示出了装置的横截面A-A。附接到底板的盖板由4表示。FHE 11的作用平面基本上平行于板4和5的平面。FHE11的厚度向右减小。
[0017] 图9a示意性地示出了一种微流体装置，其中，由嵌入弹性材料2中的磁性形状记忆元件1组成并且包含收缩3的FHE 11被放置在中间板10的孔中，该中间板10还包括流体通道6和其他用于流体的腔。图9b示出了装置的横截面A-A。附接在底板上的盖板由4表示，底板由5表示。FHE11的作用平面基本上平行于板4、5和10的平面。
[0018] 图10a示意性地示出了由三个泵组成的微流体装置，所述三个泵包含由旋转的永磁体系统驱动的磁性形状记忆元件1和弹性材料2。流体通道6并联连接。图10b示意性地示出了由三个泵组成的微流体装置，所述三个泵包含由旋转的永磁体系统驱动的磁性形状记忆元件1和弹性材料2。流体通道6
串联连接。
[0019] 图11a示意性地示出了一种微流体装置，其中，由
覆盖有弹性材料2的磁性形状记忆元件1组成并且包含收缩3的FHE 11被放置在基本上圆柱对称的盖8中。该图还示出了本发明的一个
实施例，该实施例使用三个可依次供电的同轴线圈9来致动FHE 11。图11b示出了装置的横截面A-A。
[0020] 图12a示意性地示出了作为歧管的微流体装置。FHE 11由嵌入弹性材料2中的磁性形状记忆元件1组成。收缩由3表示。入口流体通道标记为6，出口通道被标记为6'。装置的底板由5表示，盖板由4表示。图12b示出了装置的横截面A-A。
[0021] 图13示出了测试泵的泵送特性。图13a示出了泵送
频率和流量随时间的变化。图13b的上部曲线示出了在将水泵入包含空气的密闭腔室中时的压力。图13b中的下部曲线示出了在压力下同时测量的流量。
[0022] 图14示出了测试泵的三个泵送步骤的快照。快照示出了用虚线矩形限制的部分芯片。流体通道由6(入口)和6'(出口)标记。FHE的11是芯片中间的黑色区域。首先将有色水滴放在入口通道6的开口上。步骤1、2和3分别示出了在开始泵送后的10、20和40秒中拍摄的快照。
[0023] 图15示出了水流随压力F的变化关系。
[0024] 图16示出了代表歧管操作的四个步骤的快照。示出了每个步骤的流动路径。截面A-A示出了所有步骤的装置的横截面图。步骤1和步骤2表示水从入口通道6流到出口-2 6'时的情况。在步骤2和步骤3之间，通过在MSM元件1的位于出口-1 6'通道下方的部分上施加局部磁场，将收缩3从出口-2 6'的
位置移动到出口-1 6'的位置。
[0025] 图17示意性地示出了由磁路23和两个线圈20和21组成的电磁体。
[0026] 图18示意性地示出了在由电磁体驱动的泵的工作循环期间的五个阶段。该五个循环如图18a-e所示。
[0027] 图19a和图19b示意性地示出了由包含三个线圈14-16的电磁体供电的泵的两个实施例，所述线圈以三相驱动。图19c示出了相电流i1，i2和i3的对应时序图。
具体实施方式
[0028] 本发明涉及一种流体处理装置，其根据应用可以例如用作微型泵、压缩机、推土机、阀、歧管或混合器。根据本发明的微流体装置可以是独立装置，或者可以集成在芯片实验室或其他设备中。本发明的基本特征在于，MSM元件1完全嵌入弹性材料2中，或者MSM元件1的至少一个表面通过具有适当弹性常数的弹性材料2的合适形状与流体分开。通过弹性材料2与所处理的流体分开的MSM元件1的表面被定义为作用表面12。弹性材料2被置于其
基座和作用表面之间。底板5用作基座。
[0029] 弹性材料2用作密封件，或者其也可以形成用于流体流的腔室或通道，或者是那些腔室或通道的一部分。取决于应用，弹性材料2可以是体积可压缩的或非体积可压缩的。体积可压缩弹性材料2可以包含气泡。包含MSM元件1的弹性材料2被定义为流体处理元件FHE 11。FHE 11包含至少一种例如由10M或14M马氏体Ni-Mn-Ga或Ni-Mn-Ga基合金制成的磁性形状记忆(MSM)元件1。MSM元件1的孪晶边界可以是I型或II型。10M马氏体中II型孪晶边界的优势在于，它们在比I型边界更低的磁场强度下移动，并且孪晶应力基本上与
温度无关，这意味着如果装置的温度发生变化，收缩体积将保持不变。
[0030] 图1a示意性地示出了FHE 11，其中在垂直方向上的局部磁场H产生收缩。MSM元件1和弹性材料2分别显示在图1b和图1c中。收缩用3表示，约束力或收缩力用F表示。作用平面是由短结晶轴c和长轴a的方向确定的平面，其中
易磁化轴通过外部磁场改变方向。以这样的方式将三维笛卡尔
坐标系固定在MSM元件1中：将长度定义为X方向，将宽度定义为Y方向，并且将高度定义为Z方向。优选地，高度(Z)短于宽度(Y)，并且优选地，宽度短于长度(X)。坐标系如图1所示。在图1中，作用平面为平面A-A。磁场H和力F位于活动平面中。约束力防止元件的端部移动，而收缩力减少元件的长度。在图1a中，将纵向方向定义为垂直于平面B-B的方向，将垂直方向定义为垂直于平面A-A的方向。根据应用，MSM元件1全部或部分地嵌入弹性材料2中。根据满足为FHE 11所设定的要求的应用来确定弹性材料2的厚度。厚度可以沿着元件而变化。
[0031] 选择弹性材料2，使得其弹性常数对于应用而言是最佳的，同时要考虑到弹性材料2的厚度。如果弹性常数太高且层太厚，则MSM元件1的磁场感生应变不足以产生收缩。如果弹性常数太低且层厚度太高，则FHE 11的表面收缩不会跟随MSM元件1的收缩。图1b示出了FHE 11的横截面图(截面A-A)。图1d示出了MSM元件1的孪晶结构。孪晶变体由平行的黑色和白色条纹表示。MSM元件1的锯齿状表面如图1e所示。孪晶变体之间的MSM元件1的倾斜表面的尖锐的角由13表示。由于扭结角13不与底板直接接触，因此弹性材料2防止了MSM元件1的表面的
磨料磨损，尤其是表面上的尖锐的扭结角13的变形。由于磨损而引起的表面变形将阻止孪晶边界的移动，这将降低收缩的活动性，甚至使装置停止工作。图1c示出了FHE 11的截面B-B。收缩深度朝FHE 11的侧面减小。要强调的是，图1示出的是FHE 11的示例。MSM元件
1和弹性材料2的形状可以根据应用而变化。
[0032] 为了使MSM元件1更牢固地附接至弹性材料2，可以使用
基层处理剂来处理MSM元件1的表面，或者可以
修改MSM元件1的表面，使得MSM元件1也机械地附接到弹性材料2。这种表面修改可以是空腔。MSM元件1还可以包含穿过元件的孔或狭缝，以在两侧之间形成弹性体的桥。MSM元件1也可以由至少两个单独的MSM元件1组成。使用至少两个较窄的元件而不是一个较宽的元件也有利于减少
涡流损耗、MSM元件1的磁场感生倾斜以及也降低开裂的
风险：如果一个元件破裂，则还有其他元件正常工作。弹性材料2也是
支撑物质，其连接作为一个MSM元件1一起工作的分离元件。
[0033] 对于流体控制的准确性和可重复性，重要的是在操作过程中收缩体积保持不变。只有在孪晶结构良好即孪晶狭窄的情况下，MSM元件1中的收缩平滑地弯曲，并且收缩腔的形状才会在操作中才保持可重复。如果孪晶较宽，则收缩的形状将呈锯齿状，并且收缩体积将无法得到很好的控制。这将导致抽泵送特性失控，并且MSM元件1的疲劳寿命短。良好的孪晶结构还可以防止元件破裂，并延长其疲劳寿命。附接到MSM元件1的弹性材料2降低了扭结的影响并且减小了孪晶的宽度。通过在将MSM元件1的至少一侧附接到弹性材料2之前对其进行
喷丸处理，可以增强效果。示例1至4中所示的装置中使用的MSM元件1通过苏打
喷砂进行喷丸处理。即使经过十亿次应变循环，经苏打喷砂的元件也不会受到损坏，这远高于大多数微流体装置所设定的要求。
[0034] 施加到装置的MSM元件1上的磁场是使用磁场源生成的，该磁场源可以是电磁体、具有至少两个磁极的旋转永磁体系统或永磁体的平移。永磁体系统可以由多个永磁体组成，这些永磁体会产生两个以上的磁极。多极磁体系统的优点在于磁场可以集中在MSM元件1的较小区域中，可以使用较小的转速，并且杂散场较低。较低的杂散场可减少其他MSM泵与其他装置之间的干扰。电磁体可至少放置在FHE 11的一侧。电磁体由至少两个依次供电的线圈20、21组成，如图17所示。示例6示出了泵，其原理与图4和图5中所示的泵相似，由包含三个线圈的电磁体供电。下面的示例1至3示出了使用具有两个磁极的旋转永磁体系统驱动的泵的实施例，示例5示出了由电磁体以及旋转永磁体系统驱动的歧管。使用电磁致动可以充分利用MSM元件1的超高速致动，这是使用基于旋转永磁体系统的磁场源无法实现的。结果表明，当短磁场脉冲作用于较小的MSM元件1时，MSM元件1的致动速度可达5m/s，并且
加速度可达1000000m/s2。预期根据本发明的装置的超高速致动将在生物医学和化学工业中产生一些新的应用。例如，根据本发明的装置可以通过细胞壁发射药物或从细胞中吸取RNA。
[0035] 根据应用选择流体处理元件FHE 11的形状。形状示例如图2所示。图2b-2c示意性地示出了包含MSM元件1的选定形状的FHE 11的底视图，图2e-2j示出了FHE 11的横截面示例。具有如图2a所示的横截面A-A和如图2e所示的横截面B-B的FHE 11可以用于泵、阀、推土机和歧管或混合器。如图2c和2d所示，因为当收缩沿FHE 11移动时收缩体积会减小，所以横截面为A-A的FHE 11适用于压缩流体。使用根据示例2d的MSM元件1，在元件上部的压缩效果较高，并且当收缩进一步移动时，压缩效果逐渐变小。图2e示出了本发明的重要特征，即弹性材料2比MSM元件1更宽并且使收缩向下弯曲到其侧面上的底板。这完全防止了流体流到FHE 11的背面。如图2f所示的MSM元件1的横截面在某些应用中是有益的，因为它比图2e所示MSM元件1产生更平缓的收缩斜度。这是因为，由于MSM元件1的厚度朝向侧面减小，因此收缩朝向侧面逐渐减小。图2f中所示的横截面形状还集中了磁通线，其可在某些应用中使用。FHE 11的横截面为椭圆形或圆形，没有尖锐的角，可以减少弹性材料2中的局部应力，并使收缩非常平滑。MSM元件1中没有角也可以延长该元件的疲劳寿命。图2e-2g示出了示例，其中由于弹性材料2的结构固定在周围表面，因此弹性材料2的结构不会在侧面变形。弹性材料2的结构也可以在侧面上是不受约束的，但是弹性材料2在其侧面上也略微变形。图2所示的结构还可以显示更大的装置的细节。图2h和图2i所示的示例涉及一种情况，其中弹性材料2随着MSM元件1的形状变化而不在侧面弯曲。图2h中所示的FHE 11包含MSM元件1，该MSM元件1在除了未被覆盖的一侧之外的所有其他侧面上都被弹性材料2覆盖。图2i示出了仅将弹性体材料2放置在MSM元件1的作用表面上的情况。图2j示出了其中弹性材料2附接在MSM元件1的一侧上的FHE 11。该FHE 11的横截面形成扁平环。这种类型的FHE 11是
蠕动泵，收缩腔在其中输送流体。图2j中所示的FHE 11示出了本发明的重要特征，即MSM元件1与适当设计的弹性材料2相结合形成了可以操纵流体的微流体装置。要强调的是，图2中示出的FHE
11仅选择为示例。形状也可以与这些示例不同，例如，MSM元件1可以以这样的方式切割，即，作用表面12是弯曲的，并且MSM元件1的角可以是圆形的。
[0036] 流体处理元件FHE 11(例如，泵送元件)可以被放置在装置(例如芯片实验室或化学微反应器)的微流体通道6的入口孔和出口孔上。这样的示例如图3所示。用力F按压盖板7减小了收缩体积。增大的力会减小收缩体积，甚至超过两个数量级。示例3示出了具有可控泵送流量的这种类型的泵的示例。图4中示出了可以附接到流体通道6的入口孔和出口孔上的流体装置的另一图示。FHE 11被放置在附接到设备5的表面上的刚性壳体7中。附接到装置5的表面上的壳体7形成围绕FHE 11的刚性
外壳。该外壳的刚性在装置运行期间确保收缩体积保持恒定。示例1示出了这种类型的泵的实施例。刚性盖4也可以由
铁磁材料制成，以防止磁场的杂散场。这种铁磁材料必须具有低涡流损耗。一种这样的材料是
铁磁性铁
氧体或包含铁磁粉末的
复合材料。
[0037] 图5示出了包括盖板4和底板5的微流体装置的示例。FHE 11被放置在底板5中形成的凹穴中。微流体通道6形成在底板中。要强调的是，图5仅示出了装置的包含流体处理设备的部分。整个装置可以是例如芯片实验室、化学微反应器等。图5还示出了装置的FHE 11的横截面图A-A。示例2示出了图5中所示的泵的实施例。图6示出了微流体装置，其中在装置的盖板4中形成有流体通道6和其他流体腔。当使用卷对卷技术由例如PDMS聚合物等制成盖板4时，这种设计是最佳的。底板5也可以通过卷对卷技术制成，并结合有FHE 11，例如通过胶合、化学工艺、紫外线或激光技术附接在盖板4上。结合有流体通道6和其他腔体的盖板4和底板5也可以使用模具铸造、
注塑成型、热模压、
铣削、雕刻或
激光烧蚀来制造。流体通道6和用于流体的其他腔也可以部分地形成在盖板4中并且部分地形成在底板5中。要强调的是，在所有附图中示出的装置仅用于说明本发明的选定特征，但不限于此。例如，流体通道6可以沿与图中所示不同的方向连接到装置。而且，在根据本发明的某些装置中，不需要分开的底板和盖板。图4中所示的盖7可能不需要由某种刚性材料制成，但是可以通过化学硬化弹性体的表面或使
用例如紫外线由弹性体盖制成。
[0038] 在许多微流体装置中，尤其是芯片实验室，微流体通道可能非常小，其深度和宽度只有几微米。由于通道尺寸小，因此将微型泵连接到这些通道具有挑战性。图7示意性地示出了一种用于微型泵的解决方案，该微型泵可以集成在超小型微流体装置中。在图7中，仅示出了对于泵送必要的那些部件。装置的其他部分(如盖板)未在图7中示出。FHE 11被放置在微通道上，以使FHE 11的弹性材料2填充流体通道6的横截面，除了在收缩部分3所在的通道部分。MSM元件1位于通道上方。因此，MSM元件1的宽度可以比微流体通道的宽度大得多，这使得制造更容易、公差更大并且成本更低。使用FHE 11的弹性材料2填充流体通道可以通过几种方式来执行，例如，通过在装置操作期间通过外力在通道中浇铸、模制或
挤压弹性体。示例3示出了本发明的实施方式，其中FHE11的初始平坦弹性材料2以如此高的垂直力而被抵靠开放微流体通道按压，以使得弹性材料2局部填充该通道。通过增加力，MSM元件1的收缩减小，从而导致较小的泵送流量。结果表明，通过所施加的力可以将泵送流量控制两个数量级以上。实验以恒定的泵送频率进行。另外，泵送流量的
稳定性和可重复性被证明是极好的。
[0039] 芯片实验室通常是薄板。在根据本发明的某些装置中，FHE 11的作用平面平行于芯片实验室的板，即，FHE 11的尺寸可以在平面方向上较大，但在垂直于板的平面的方向上较小。例如，如果垂直于平面的FHE11的尺寸为0.2mm，则平行于平面的尺寸可以是2mm。优点是收缩的深度大，因为收缩位于FHE 11的与芯片实验室的平面垂直的薄侧。图8a示出了芯片实验室，其中FHE 11的作用平面平行于芯片平面。FHE 11被放置在底板5的凹穴中。流体通道6和其他用于流体的腔形成在底板5中。盖板4密封FHE 11和流体通道6。侧视截面图B-B(图8B)示出了在该示例性装置中FHE11是楔形的。要强调的是，除了锥形FHE 11以外，其他形状也可以用作示例。如果从左向右泵送流体，则流体的压力会增加。微流体芯片的该示例是压缩机。这种情况表明，也可以使用厚度沿元件减小的FHE 11进行压缩。图2示出了宽度可变的流体压缩FHE 11的示例。最大的压缩效果发生在FHE 11中，其中宽度和厚度均沿FHE 11减小。
[0040] 图9示意性地示出了微流体装置，其中FHE 11被放置在中间板10的孔中，该中间板10还包括流体通道6和该装置所需的其他空腔。附接到底板上的盖板用4表示。FHE 11的作用平面基本上平行于板4和5的平面。该实施例适合于使用卷对卷技术来制造。
中间层可以是PDMS弹性体，而盖板可以是例如
丙烯酸。
[0041] 根据本发明的微型泵的特征在于流体是脉动的。一个泵送循环传递一个收缩体积的流体。可以使用流体通道中的储存器使流量脉冲平稳。微型泵还可以利用位于FHE 11两侧的收缩来进行泵送。然而，由于拉动元件的静磁力，MSM元件1面对磁体的那一侧的收缩较小。也可以通过在不同的泵送阶段并联运行的至少两个微型泵来减少脉冲。图10a示出了由三个泵组成的泵送系统的示例，该泵由FCE 11、盖板4、底板5和流体通道6组成，该三个泵被围绕旋转的永磁体系统放置在圆周上。流体通道6并联连接。并联连接的泵的数量可以是两个、三个或更多，以进一步使流量平稳。可替代地，可以使用一组放置在同一板中(或同一板上)的至少两个平行的泵，并且每个泵具有在同一轴上旋转的其自身的角度偏移的永磁体系统。如果前述泵串联连接，则流体压力成倍增加，出口处压力变化较小。图10b示出了一个示例，其中三个泵串联连接。
[0042] 如图11示意性所示，根据本发明的装置也可以是轴向对称的。圆柱形的FHE11被放置在基本上圆柱形对称的盖8内。可以使用电磁体或旋转的永磁体系统来致动MSM元件1。如图11所示，电磁体可以包含三个连续被供电的同轴线圈9。因为电磁致动快速电流脉冲可能是超快的，因此设备可以以很高的速度将流体从装置中喷出。预期以高
精度计量少量药物或化学品是该装置的重要应用领域。该装置还可以高加速度和高速度抽吸流体，这可以用于例如抽吸生物细胞的内容物。
[0043] 与用于泵送类似的流体处理元件FHE11也可以用于歧管，如图12所示。在歧管的情况下，流体通过收缩3而流过FHE11。在FHE11的一侧上具有流体6的入口，在FHE11的另一侧上具有至少两个出口通道6'。当将收缩放置在一个出口通道6'的前方时，流体从入口通道6流至该出口通道6'。如果将收缩放置在任何出口通道6'的外部，则该装置用作关闭阀。使用电磁致动并考虑到FHE 11中的收缩的超快运动，根据本发明的歧管即使在微秒内也可以将流体流从一个出口通道6'切换到另一出口通道。电磁致动使得可以以任意顺序打开和关闭通道，并且两个或多个通道也可以同时打开。不仅可以开/关切换，而且也可以通过在出口通道6'的前方部分地移动收缩而逐渐地进行
开关。根据本发明的歧管被认为在诸如生物医学、化学、微型
机器人和微型操纵的若干工业领域中具有巨大的应用潜力。在下面的示例5中示出了歧管的实施例。
[0044] 根据本发明的装置具有多种应用，特别是在生物医学、化学和电子工业中。它们甚至在泵送或计量非常少量的流体时也非常精确。该特征与超快
给药速度相结合，对于例如神经和分子生物学应用而言非常重要。这些微型泵不与流体接触，这是许多生物学和化学应用中的必要特征。泵在两个方向上传输流体，并且还可以充当用于关闭和打开流通道的阀。泵也可以用作
真空泵。市场上需要微型
真空泵。由于结构简单、成本低廉和无线磁场感应致动，因此集成微型泵是低成本一次性芯片实验室的理想解决方案。泵、阀、歧管和混合器为各种芯片实验室或化学应用提供了解决方案。使用这些装置可以处理多种气体和液体。该泵还适用于输送液体，以冷却电子部件，例如
微处理器。还可以使用根据本发明的压缩机来制造微型
冰箱。这些冰箱在生物医学应用以及电子工业(例如处理器冷却)中显示出巨大的商业潜力。
[0045] 示例1：附接在微流体芯片(例如芯片实验室)上的微型泵
[0046] 微型泵的制造原理如图4所示，并使用水作为泵送流体对该微型泵进行了测试。包含流体通道6的底板5由丙烯酸制成。FHE 11包含厚度为1mm、宽度为2mm、长度为8mm的Ni-Mn-Ga MSM元件1，，被嵌入弹性材料2中并覆盖有刚性塑料盖7。在将MSM元件1嵌入到弹性材料2中之前，先对MSM元件1进行苏打喷砂，以制成薄孪晶结构，并因此在元件中产生平滑弯2
曲的收缩。将包含FHE 11的刚性盖在底板5上附接在横截面为200×400μm的流体通道6的入口孔和出口孔上。具有两个直径为6mm的磁极的永磁体系统在底板5下方旋转。图13a示出了泵送频率(由于磁体的两个磁极，因此其为磁体旋转频率的两倍)和流量随时间的变化。
频率从0到250Hz逐步增加，然后降回至零。图中示出了流量逐步增加至600mL/min，然后降至零。结果表明，可以通过泵送频率精确控制流量。泵在两个方向上均表现为自吸和泵送。
图13b揭示了其中将水泵送到含有空气的密闭腔室中的实验结果。上部曲线显示压力逐渐增加到2.2巴。在对抗增加的压力的泵送期间，流量保持恒定直到2巴。泵的密封将压力限制为2.2巴。通过更好的密封，根据本发明的泵甚至可以泵送接近30巴，这是为Ni-Mn-Ga材料的最大磁场感生应力设定的极限。在一些实验中，达到了10巴的压力。对于微流体应用，泵能够达到高压且流量不依赖于压力是非常重要的。与许多有竞争性的泵相比，本发明的微型泵产生更高的压力。该测试泵被示出为产生低压。从测试腔室中泵出空气，并达到小于1毫巴的压力。该实验表明，根据本发明的泵也是小型真空泵。使用良好的密封，可以预期泵达到远低于1毫巴的压力。
[0047] 示例2：集成在芯片内部的泵
[0048] 如图5示意性所示的微型泵由丙烯酸制成。芯片包含高度为250μm和宽度为2mm的微流体通道。Ni-Mn-Ga MSM元件的尺寸为500μm(厚度)、1mm(宽度)和8mm(长度)。在将元件嵌入弹性材料2中之前对元件进行苏打喷砂。FHE 11中的收缩体积经测量为约20nL。泵送频率为100Hz，并且流量为2nL/s。图14示出了通过芯片的丙烯酸盖板4采取的三个泵送步骤的快照照片。快照示出了用虚线矩形限制的芯片的一部分。流体通道由6(入口)和6'(出口)表示。FHE 11是芯片中间的黑色区域。首先将有色水滴放置在入口通道6的开口上。步骤1、2和3分别示出了开始泵送后10、20和40秒的快照。该泵被示出为是自吸的和双向的，例如，能够在两个方向上泵送。
[0049] 示例3：放置在微流体通道上的微型泵
[0050] 制作了原理如图7所示的微型泵，并对该微型泵的性能进行了测试。该泵是尺寸为1mm(厚度)×2mm(宽度)和8mm(长度)的MSM元件1嵌入高3mm、宽10mm、长15mm的弹性板的中间。弹性体板的顶表面和底表面(宽度×长度)是平坦且光滑的。该板对应于图7中用2表示的弹性材料。将
钢盖板放置在弹性板上。用不同的力按压盖板，并同时测量盖板和在图7中用5表示的底板之间的距离(Δ)。以60Hz的频率操作泵。泵送流量是使用流量计随距离Δ的变化而测量的。图15a示出了泵送流量与Δ的关系。在该实验之前，弹性体材料2被按压以填充流体通道。图15a显示，当盖板移动70μm时，流量从12μL降至约400nL。流量随着力的减小而减小，因为该力减小了FHE 11的收缩体积。结果表明，外力可以在较大范围内控制泵送流量。根据本发明的微型泵的优点是通过施加到盖板上的力可在较大范围内控制流量，并具有使用相当大尺寸的MSM元件1泵送非常小的体积的能力。大的MSM元件1比非常小的元件更容易以合理的公差制造。
[0051] 继续以增加的力按压盖板。由于泵送流量超出了流量计的
分辨率，因此通过光学
跟踪流量的运动进行光学检测来测量流量。图15b示出了光学检测的泵送流量随位移Δ的变化。图15b显示，当位移从70μm增加到86μm时，流量继续从约400nL/min减少到4nL/min。根据本发明的微型泵具有出色的泵送特性：流量在12mL至4nL之间变化，超过三个数量级。此外，如果泵送频率从60Hz降低到0.6Hz，则流量可以在五个数量级上变化。
[0052] 光学检测是一种用于检测根据本发明的微型泵中的流量的方法。该信息可以用于控制流量。一种可能性是使用
机器视觉来检测一些随流一起移动的物体。
[0053] 例4：小元件的泵送流量
[0054] 为了泵送极少量的流体，制造了各种尺寸的小MSM元件1并研究了它们的泵送特性。下表示出了元件的尺寸(厚度×宽度×长度)、与FHE 11的收缩体积相同的泵送体积/循环以及在100Hz的测试频率下的泵送流量。结果表明，根据本发明的泵适用于精确地泵送和配量非常少量的药物。
[0055]
[0056] 示例5：歧管
[0057] 制作了具有一个入口通道6和两个出口通道6'的歧管，并对其性能进行了测试。歧管由两个丙烯酸板制成：底板5，其中铣削有用于FHE 11的腔体；以及盖板4，其包含宽度为500μm和深度为200μm的流体通道(用于入口通道的6和用于两个出口的6')。盖板4被附接在底板5上。将有色水泵送通过歧管。图16a示出了代表四个操作步骤的快照。在图16a中，示出了步骤1至步骤4中每个步骤的流动路径。截面A-A示出了用于所有步骤的装置的横截面图。
步骤1和步骤2示出了水从入口通道6流至出口-2 6'的情况。在步骤2和步骤3之间，通过在MSM元件1的出口-1通道6'下方的截面上施加局部磁场，将收缩3从出口-2 6'的位置移动到出口-1 6'的位置。同时，收缩从出口-2 6'的位置消失，因为MSM元件1在其端部受到约束，并且使得两个孪晶变体的部分保持恒定。步骤3和步骤4表示水从入口通道流向出口-1 6'的情况。从入口6到出口6'的箭头表示流动路径。如果在出口-1 6'和出口-2 6'之间设置了收缩，则两个出口通道6'可以同时关闭。使用电磁体和具有两个磁极的旋转式永磁系统为歧管供电。还示出了在FHE11下方滑动永磁体以沿FHE11移动收缩并示出在出口之间切换流动。
[0058] 要强调的是，本文中示出的所有示例都用于说明本发明的一些特征，并且本发明不仅限于那些示例。
[0059] 示例6：使用电磁体驱动的装置
[0060] 设计并制造了用于移动根据本发明的装置的收缩腔3的多相线圈磁系统(MMS)。在该设计中，MMS被放置在微流体装置的上方，如图18a-18e所示。这种装置有两种可能的操作模式。在第一操作模式中，位于底板5和盖板4之间的磁处理元件(MHE)在其端部不受约束。在第二模式中，通过刚性或弹性(例如，
弹簧)限制器17和18限制FHE 11在长度方向上的伸长。完全或部分覆盖MSM元件1的弹性材料2也可以提供所需的弹力。
[0061] 第一操作模式：
[0062] 在图18a-18e中示出了用于三相MMS的具有自由FHE11的第一操作模式。三个磁芯14、15和16通过其自身的绕组产生三种不同的磁场。对于多相情况，芯15可以在附加的相部分上分裂。包含有FHE 11的泵位于磁芯(14-16)的三个部分下方。放置限制器17和18以使它们允许FHE 11自由应变。
[0063] 操作周期包括以下阶段：
[0064] 首先，如图18a所示，由芯14产生的磁场指向下方。场的垂直分量在FHE11的入口部分中产生收缩腔并打开入口。由于静磁应力，FHE 11的上侧中的收缩腔3的体积小于FHE 11的下侧中的腔3的体积。同时，场的沿FHE 11的长尺寸对准的纵向分量在芯14和15之间的区域中产生FHE 11的部分收缩。因此，芯14与芯15之间的流动通道被封闭。
[0065] 图18b示出了当由芯15产生的磁场被添加时的情况。该场的垂直分量开始伸长FHE11的一部分，并增加芯15下的收缩体积3。由于在该区域中磁场的纵向分量消失，芯14和15之间的流体通道6打开，并且芯14和15下的区域以及它们之间的区域将仅受到磁场的垂直分量的作用。同时，磁场的纵向分量在FHE11中在芯15和16之间的区域中产生收缩。因此，芯15和16之间的通道将被关闭。在这个阶段，因为芯14和16之间的通道的体积增加，所以泵从入口通道抽吸。
[0066] 在图18c中，前一阶段结束并且芯14的磁场被去除。由芯15产生的磁场的垂直分量使芯15下方的中央腔室保持打开，并且纵向分量使芯14和15之间的通道关闭。芯15下方的腔室被流体填充。
[0067] 在图18d中，通过增加芯16的磁场来继续前一阶段。因此，在芯15和16下方的区域以及它们之间的FHE 11仅受到垂直磁场的作用。芯15和16之间的腔室打开，并且流体可以在芯16下方的通道中流动。
[0068] 在图18e中，芯15的磁场被去除。因此，芯15和16之间的通道被芯17所产生的磁场的纵向分量关闭。芯17下方的通道的总体积将减少，液体将流出，并且新的操作周期可以开始。
[0069] 第二操作模式：
[0070] 第二操作模式与第一模式的不同之处在于，在第二模式中，放置在FHE 11两侧的伸长限制器18在操作期间保持FHE 11的长度不变。第二模式的主要优点在于，与第一模式中的改变相比，通道中的体积改变更高。因此，泵送流量和泵送压力可以更高。然而，第二操作模式需要更强的磁场，这导致在加热线圈的磁路的线圈中具有更高的损耗。更高的磁场要求的原因是在有源磁相期间伸长FHE 11和在无源相期间收缩FHE 11所需的双重力。
[0071] 基于上述装置的操作原理，可以做出几个实施例。在图19中，示出了泵的两个实施例。在图19a中，泵的设计类似于图5示意性示出的泵。FHE11被放置在由底板5和盖板4组成的流体腔室内。腔室必须是非磁性的。该结构包含：限制器17和18；具有三相线圈20、21和22的上部磁路23；下部无源磁路26；以及偏置永磁体24和25。根据应用，磁体的数量可以从两个磁体到几个磁体变化。可以通过使用特殊形状的铁磁部件19改变FHE 11内部的磁场分布来提高装置的性能。该部件的目的是加宽施加到FHE 11上的磁通量。偏置永磁体24和25还减小线圈的磁通势和线圈中的损耗。这种设计适用于可能的应用，例如芯片实验室，因为磁路23和26的两个部件之间的间隙是分开的。
[0072] 图19b示出了一种装置，其中流体通道6被放置在装置5的底部中，并且FHE 11被盖部7覆盖。在图4中示意性地示出了这种类型的设计的一个实施例。在图19b中示出的装置中，流体通道6必须穿过下部磁场路径26。可替代地，可以从装置的侧面在上下磁路部分之间引导流体通道。间隔器27可以放置在上磁路部分23和下磁路部分26之间。根据应用，间隔器可以是磁性的或非磁性的。
[0073] 图19c示出了
相位线圈电流i1、i2和i3的时序图。电流i1、i2和i3分别是指线圈20、21和22的电流。
[0074] 包含线圈20、21和22的两个磁路23也可以彼此相对放置。根据本发明的微流体装置被放置在磁路之间的间隙中。在该实施例中，间隙中的场强高于仅使用一个具有线圈的磁路。线圈中的电流可以更小，并且可以减少其发热。不需要永久偏置磁体。
[0075] 制造了上述泵，并通过泵送水和空气测试了上述泵的性能。泵被示出为能够在大范围的频率下输送流体。上述电磁体也已在歧管中成功测试。
[0076] 对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不限于上述示例，而是可以在以下提出的
权利要求的范围内进行改变。
[0077] 对于本领域技术人员显而易见的是，附图并不总是示出整个设备或装置，而是它们可以仅示出其选定部分。同样显而易见的是，附图不一定是按比例的，并且有可能以不同的方式连接不同附图中呈现的示例和实施例。
