引起流体流动通过通道包括微流体通道(microfluidic channel) (即通道的至少一个尺度处于微米范围(小于1毫米))的系统有许多 用途。例如，有许多用于在包括极小的流体通道和小的反应/分析室的 化学“芯片”上分析极小量的样品和试剂的系统例子。目前正在发展用 于基因分析、临床诊断、药物筛选和环境监测的小型系统。这些系统 必须处理极小规模的液体或气体样品，并且必须与基于芯片的基质相 容。微流体技术(microfluidics)，即在极小规模系统中流体流动行为， 因此是这些系统发展的中心。许多这样的系统也需要使用电路。在传 统装置中，微流体组件与导电通路和组件是分立的结构，这些结构可 能很难一起组合和整合在单一装置中。
已经建立了一些制造三维金属微结构的技术。电镀和无电沉积是 构建具有几纳米到几微米厚的金属层的二维或三维微结构的标准方法 (Schlesinger，M.and M.Paunovic，eds.，Modern Electroplating，New York，John Wiley，2000)。此方法已被用于电化学连接手动装配的二维 组件(Jackman，R.J.B.，S.T.；Whitesides，G.M.，Fabrication of Three-Dimensional Microstructures by Electrochemically Welding Structures Formed by Microcontact Printing on Planar and Curved Substrates.Journal of Microelectromechanical Systems 1998，7，(2)， 261-266)。此方法还被用于光掩膜的快速原型设计(Wang，W.H.，HoIl， M.R.，Schwartz，D.T.Rapid prototyping of masks for through-mask electrodeposition of thick metallic components.J.Electrochem.Soc. 2001，148(5)：C363-C368)。微接触印刷也已经与电镀结合(Jackman，R. J.；Brittain，S.T.；Adams，A.；Prentiss，M.G.；Whitesides，G.M.， Design and fabrication of topologically complex，three-dimensional microstruetures.Science 1998，280，(5372)，2089-2091 and Jackman，R. J.；Brittain，S.T.；Adams，A.；Wu，H.K.；Prentiss，M.G.；Whitesides， S.；Whitesides，G.M.，Three-dimensional metallic microstructures fabricated by soft lithography and microelectrodeposition.Langmuir 1999，15，(3)，826-836)或与无电沉积结合(Wu，H.K.；Whitesides，S.； Whitesides，G.M.，Fabrication of micro-chain mail by simultaneous， patterned electrodeposition on a plane and multiple cylinders. Angewandte Chemie-International Edition 2001，40，(11)，2059-2060 and Wu，H.；Brittain，S.；Anderson，J.；Grzybowski，B.；Whitesides，S.； Whitesides，G.M.，Fabrication of topologically complex three-dimensional microstructures：Metallic microknots.Journal of the American Chemical Society 2000，122，(51)，12691-12699)，以在毛 细管表面上形成金属图案。这种技术被用于制造独立式的三维金属笼。 图案化的金属层也已从二维模板释放出来以产生可折叠的金属结构和 独立的对象(Brittain，S.T.；Schueller，O.J.A.；Wu，H.K.；Whitesides， S.；Whitesides，G.M.，Microorigami：Fabrication of small， three-dimensional，metallic structures.Journal of Physical Chemistry B 2001，105，(2)，347-350)。金属也通过在微流体通道中利用电解液处 理而沉积在平坦的非传导表面上(Yan，J.D.，Y.；Liu，J.；Cao，W.；Sun， X.；Zhou，W.；Yang，X.；Wang，E.，Fabrication of Integrated Microelecrodes for Electrochemical Detection on Electrophoresis Microchip by Electroless Deposition and Micromolding in Capillary Technique.Analytical Chemistry 2003，75，5406-5412)。相关的技术已 经用于在弯曲表面上形成金属图案(LaVan，D.A.G.，P.M.；Langer，R.， Simple，Three-Dimensional Microfabrication of Electrodeposited Structures.Angewandte Chemie-International Edition 2003，42，(11)， 1262-1265)。很明显，所有的这些方法都专门地用于图案化光滑表面。
为产生三维对象的固体复制品，一些研究者已经使用一种称为“微 铸造”的技术(Piotter，V.；Benzler，T.；Gietzelt，T.；Ruprecht，R.； Hausselt，J.，Micro powder injection molding.Advanced Engineering Materials 2000，2，(10)，639-642 and Chung，S.；Park，S.；Lee，I.；Jeong， H.；Cho，D.，Replication techniques for a metal microcomponent having real 3D shape by microcasting process.Microsystem Technologies-Micro-andNanosystems-Information Storage and Processing Systems 2005，11，(6)，424-428)。基于LIGA(光刻、电镀 和成型(Lithographie，Galvanoformung und Abformung))的技术 可以通过在三维模制的聚合物模板上沉积金属来生产金属对象，该模 板随后被移走以产生开放结构(例如蜂窝状排列的开孔)(Arias，F.； Oliver，S.R.J.；Xu，B.；Holmlin，R.E.；Whitesides，G.M.，Fabrication of metallic heat exchangers using sacrificial polymer mandrills. Journal of Microelectromechanical Systems 2001，10，(1)，107-112 and Harris，C；Kelly，K.；Wang，T.；McCandless，A.；Motakef，S.， Fabrication，modeling，and testing of micro-cross-flow heat exchangers.Journal of Microelectromechanical Systems 2002，11，(6)， 726-735)。然而，LIGA和其它传统注射成型技术需要昂贵的设备(包 括金属模具)和诸如金的金属，而高压(对于低压粉末注射成型为3～ 5MPa；对于其它技术则更高)可导致模制金属在冷却时发生不期望 的收缩(典型地为15～22％)。
对柔性显示器不断增长的兴趣加速了聚合物-金属复合物和其它 材料的发展。这些最传统的方法和复合物需要以层层叠加的方式制造 层叠材料，并且基于纳米颗粒的方法需要在高达200℃的温度下退火。
另外，磁性组件已经用于芯片上实验室系统(lab-on-a-chip system)。磁体已经形成微流体泵、混合器和阀的基础，并已经整合在 微流体系统中以捕获和移动顺磁性颗粒(Deng，T.；Whitesides，G，M.； Radhakrishnan，M.；Zabow，G.；Prentiss，M.Manipulation of magnetic microbeads in suspension using micromagnetic systems fabricated with soft lithography.App.Phys.Lett.2001，78，1775-1777 and Lee，C.S.；Lee，H.；Westervelt，R.M.Microelectromagnets for the control of magnetic nanoparticles.App.Phys.Lett.2001，79， 3308-3310)和引导颗粒自组装成结构(Hayes，M.A.；Poison，N.A.； Garcia，A.A.Active Control of Dynamic Supraparticle Structures in Microchannels.Langmuir 2001，17，2866-2871)。在一些生物相关的应 用中，磁场可用于包括例如免疫测定、加速DNA和RNA的杂合、蛋 白质消化和分选生物分子的应用。在细胞生物学中，磁体已被用于从 全血中分离细胞、从细胞中提取基因组DNA以及移动趋磁性细菌。 微流体系统中磁性材料的用途最近已被回顾(Pamme，N.Magnetism and microfluidics.Lab Chip 2006，6，24-38)。
电磁体可能具有优于永磁体的某些优点，因为电磁体可以利用电 信号快速地通/断，并且其磁场强度可以调节。电磁体已经包括在微流 体系统中用于操控超顺磁性磁珠。例如，通过在镍-铁核周围电镀铜线 来围绕微流体室制造电磁体，并已用于捕捉通道中的超顺磁性磁珠 (Ahn，C.H.；Allen，M.G.；Trimmer，W.；Jun，Y.；Erramilli，S.A fully integrated micromachined magnetic particle separator.J. Microelectromech.Syst.1996，5，151-158)。其它研究者已经利用其它 方法将电磁体和微流体技术结合(Deng，T.；Whitesides，G，M.； Radhakrishnan，M.；Zabow，G.；Prentiss，M.Manipulation of magnetic microbeads in suspension using micromagnetic systems fabricated with soft lithography.App.Phys.Lett.2001，78，1775-1777； Lee，C.S.；Lee，H.；Westervelt，R.M.Microelectromagnets for the control of magnetic nanoparticles.App.Phys.Lett.2001，79， 3308-3310；Wirix-Speetjens，R.；Fyen，W.；Xu，K.；De Boeck，J.； Borghs，G.A force study of on-chip magnetic particle transport based on trapped conductors.IEEE Trans.Mag.2005，41，4128-4133； Smistrup，K.；Hansen，O.；Bruus，H.；Hansen，M.F.Magnetic separation in microfluidic systems using microfabricated electromagnets-experiments and simulations.J.Mag.Mag.Mat.2005， 293，597-604)；Choi，J.；Ahn，C.H.；Bhansali，S.；Henderson，H.T.A new magnetic bead-based，filterless bio-separator with planar electromagnet surfaces for integrated bio-detection systems.Sens.& Act.B 2000，B68，34-39 and Lee，H.；Purdon，A.M.；Westervelt，R.M. Manipulation of biological cells using a microelectromagnet matrix. App.Phys.Lett.2004，85，1063-1065)。
虽然这些例子描述了一些有用的装置和技术，但是现在仍然需要 其它类型的包括传导通路、电路、电磁体等的微流体装置。

本发明在此公开了多种微流体装置和固体，代表性地是可利用该 装置作为模具而形成的导电装置。在某些实施方案中，形成的装置包 括通过使一个和多个微流体通道中的液体金属凝固而形成的传导通路 (这样的设备下文中称为“微固体(microsolidic)”装置)。在某些这 样的装置中，在微流体结构中的各区域间可以形成和/或重新形成电连 接；在一些情况下，形成的装置/电路可以是柔性的和/或包括柔性的 电组件。在某些实施方案中，在微流体通道中形成的固体金属线/传导 通路可保持包含在微流体结构中。在某些这样的实施方案中，形成的 传导通路可以位于容纳流动流体的结构的其它微流体通道附近，使得 传导通路能够产生能量(例如电磁能和/或热能)，该能量相互作用于 和/或影响其中包含的或由其容纳的流动流体和/或组件。在其它的实 施方案中，微固体结构可以从微流体模具中移出以形成独立结构。在 某些实施方案中，形成的固体金属结构可以与入射在结构上的光能相 互作用或者可以用于制造轻型电极。本发明的另一方面涉及形成可以 包括导电通路/连接的自组装结构。在一些情形中，本发明的主题包括 相互关联的产品、特定问题的替代解决方案、和/或一个或多个系统和 /或制品的多种不同的用途。
本发明的某些方面涉及在微流体系统中制造导电通路的方法。在 某些实施方案中，该方法包括提供限定微流体系统的结构的过程，该 微流体系统包括至少一个基本封闭的微流体通道。该方法还包括使液 体金属流入基本封闭的微流体通道的至少一部分中。液体金属随后在 基本封闭的微流体通道中冷却至低于其熔点的温度，由此导致金属变 为固体。凝固的金属在微流体系统中形成导电通路。
在某些这样的实施方案中，限定微流体系统的结构包括至少一层， 其具有沿第一方向测量的层长度、沿垂直于第一方向的第二方向测量 的层宽度以及沿垂直于第一和第二方向的第三方向测量的层厚度。所 述层厚度小于所述层宽度和所述层长度。基本封闭的微流体通道布置 在层内但并不穿透和横穿该层的整个厚度。在某些这样的实施方案中， 基本封闭的微流体通道位于由层的构造限定的平面或曲面中。
在某些实践该方法的实施方案中，处理该微流体通道的壁的至少 一部分以使该壁能更容易地被液体金属所润湿。这样的处理可以包括， 例如化学改变壁的至少一部分。多种材料可以用于实现该目的，如可 以涂覆壁的一部分，例如通过金属沉积薄层的金或其它能改善对诸如 钎料的低温熔融金属的润湿性的金属。在其它的实施方案中，可以使 用诸如烷硫醇或硅烷的化学物质。在一个特定的例子中，用于处理微 流体通道壁的至少一部分以改善润湿性的化学物质包括3-巯基丙基三 甲氧基硅烷。在某些实施方案中，微流体通道的某些部分可以不如此 处理，以使液体金属优先润湿和充满通道结构的某些部分而不是其它 部分。
本文使用的“微流体通道”指具有至少一个小于约1毫米的截面尺 寸的通道。在某些实施方案中，微流体通道具有至少一个小于约100 微米的截面尺寸，在其它一些实施方案中小于约30微米，在其它另一 些实施方案中小于约10微米，在其它又一些实施方案中小于约3微米， 并在其它再一些实施方案中小于约1微米。在某些典型的实施方案中， 微流体通道将具有至少一个在约1微米和约100微米之间的截面尺寸。
在该方法的某些实施方案中，可以在结构中包含诸如电阻、发光 二极管(LED)、电极、电容器、电感、集成电路芯片等电组件，并 且该方法还可以包括在微流体系统中在一个或多个这样的电组件和凝 固的液体金属的至少一部分之间形成电连接。
在某些实施方案中，微流体系统可包括多个基本封闭的微流体通 道以在液体金属凝固后提供多个传导通路，使得可在多个电组件和多 个传导通路之间形成多个电连接，由此形成电路装置。这样的电路装 置可包括，例如用于“芯片上实验室”装置、变压器、电磁体、天线、 计算机、收音机等的集成电路。在某些这样的电路装置中、由本方法 形成的传导通路可以保持嵌入在微流体结构中。在某些情形中，限定 微流体系统的结构由柔性材料形成，例如诸如弹性体的聚合物材料。 在某些实施方案中，该柔性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在某 些情形中，包括用于模制成型导电通路的微流体系统的结构是电绝缘 的并且任选地是热绝缘的。
在另一组实施方案中，本发明涉及在微流体系统的第一区域和第 二区域之间形成电连接的方法。在某些实施方案中，这样的方法包括 提供限定微流体系统的结构的过程，该微流体系统包括至少第一导电 区域和未与第一区域电连接的第二导电区域，其中第一区域包括导电 金属。该方法还包括加热包含导电金属的第一区域至高于该金属熔点 的温度，由此使金属变成液体。液体金属然后流入微流体系统中，从 而接触第二导电区域的至少一部分。液体金属然后在微流体系统中冷 却至低于该金属熔点的温度，因此再凝周该金属。
在某些实施方案中，第一导电区域和第二导电区域中的至少一个 包含钎料或钎料合金。在某些实施方案中，液体金属可包括锡、铟、 银、铅、铋、镉、锌和锑中的一个或多个。在某些实施方案中，该金 属将具有低于约900℃的熔点，在其它实施方案中低于约400℃，在其 它的实施方案中低于约100℃，在其它的实施方案中低于约40℃。在 某些情况下，该金属将具有约40℃～400℃的熔点。在某些实施方案 中，第一导电区域可以通过加热限定微流体系统的结构而被间接加热。
在某些实施方案中，第一和第二导电区域中的至少一个与电极电 连接。在某些这样的方法实施方案中，该方法还可以包括对第一和第 二导电区域施加电势，例如用以产生电流。
为了使液体金属流入微流体系统，在某些实施方案中使用压力差， 例如通过使用注射器、泵等注射液体金属或者通过在通道的出口施加 真空造成的压力差，其中通道的入口与液体金属源流体连通。在某些 实施方案中，通过诸如弯曲、扭曲、压缩、拉伸等使结构的至少一部 分变形以使液体金属流入微流体系统。在其它的实施方案中，结构可 以经超声波处理以促进液体金属在该结构中的流动。
在另一方面，本发明涉及一种微流体结构。在某些实施方案中， 该微流体结构包括限定第一微流体通道的第一结构部分、限定第二微 流体通道的第二结构部分、包含具有低于约900℃熔点的容纳于第一 微流体通道的至少一部分中的金属的第一导电区域、包含具有低于约 900℃熔点的容纳于第二微流体通道的至少一部分中的金属的第二导 电区域、电连接第一微流体通道的第一电极、和电连接第二微流体通 道的第二电极。此外，可构建和布置该结构使得第一结构部分可以移 入第二结构部分附近的位置处。
在其它的实施方案中，本发明提供一种电装置的自组装方法。某 些这样的方法包括提供包括第一导电区域的电装置的第一结构部分； 提供包括第二导电区域的第二结构部分；不使第一或第二部分与使其 相互接触的第一和第二部分的外部设备接触；使第一和第二结构部分 彼此相对移动以及在至少第一结构在移动过程中显著变形的条件下在 第一和第二导电区之间形成电连接。
在另一组实施方案中，提供一种形成自组装结构的方法，其包括 提供包含结构元件的组件；允许包含结构元件的组件在第一结构元件 处于更柔性的第一状态的条件下从第一形状显著变形到第二形状；不 使该该组件与迫使该组件进入第二形状的外部设备接触；以及使结构 元件转变为更刚性的第二状态，由此通过结构元件使组件至少部分保 持第二状态。
另一种自组装电装置的方法包括提供包含第一导电区域的第一结 构部分；提供包含第二导电区域的第二结构部分；以及不使第一或第 二部分与使其相互接触的第一和第二部分的外部设备接触；允许第一 和第二结构部分彼此相对移动，以在至少第一结构部分和第一导电区 域在移动过程中显著变形并且第一导电区域处于更柔性的第一状态的 条件下在从第一构型移动至限定第一和第二导电区域之间的电连接的 第二构型。该方法还包括使第一导电区域转变为第二构型中的更刚性 的第二状态。
在另一组实施方案中，本发明涉及一种包括以下过程的方法：提 供限定微流体通道的结构，该微流体通道包括第一导电区域和不与该 第一区域电连接的第二导电区域，其中每个区域均包含金属；以及加 热该导电区域的至少一部分至高于该金属熔点的温度。在某些这样的 实施方案中，该方法包括使被加热的金属流动并形成在第一导电区域 和第二导电区域之间的电连接。
在又一组实施方案中，本发明涉及一种包括以下过程的方法：提 供限定基本封闭的无液体金属的微流体通道的结构，以及使液体金属 流入该通道的至少一部分中。在某些实施方案中，该方法还包括，在 使液体金属流入该通道的至少一部分中后，使该液体金属凝固以形成 固体导电通路的过程。在某些实施方案中，该结构是柔性的并且初始 为具有限定的厚度和基本平面构型的层；该方法还包括使该层变形为 基本非平面构型的过程。在某些实施方案中，该层在金属流入通道前 变形；在其它实施方案中，该层的变形发生在金属凝固之后。在某些 这样的实施方案中，使该结构变形包括将该结构螺旋扭曲成例如拔塞 器形状的螺旋结构。
在再一组实施方案中，本发明涉及一种包括以下过程的方法：提 供限定第一基本封闭的微流体通道和第二基本封闭的微流体通道的结 构，每个微流体通道包含具有低于约900℃的熔点的金属，其中第一 和第二通道没有相互电连接；和将第一和第二通道电连接。
本发明的另一方面涉及一种包含至少一个导电通路的装置。在某 些实施方案中，该装置包括限定包含至少一个微流体通道的微流体系 统的柔性结构，其中该微流体通道的至少一部分的整个截面填充有熔 点低于约900℃的金属。
在又一方面，本发明涉及一种包括至少一个导电通路的装置，该 装置包括限定包含至少两个微流体通道的微流体系统的结构，其中第 一微流体通道的至少一部分的整个截面填充有熔点低于约900℃的金 属，并且其中第二微流体通道的至少一部分的整个截面包含不是液体 金属的流动流体。在某些这样的实施方案中，第一微流体通道包括基 本封闭的微流体通道。在某些该装置的实施方案中，第一微流体通道 位于充分接近第二微流体通道的位置处，使得当电流通过该金属时， 产生的电场和/或磁场和/或热能能够基本上影响在第二微流体通道中 的流动流体或悬浮于该流动流体中的颗粒的性质。在某些这样的实施 方案中，第一微流体通道位于充分接近该第二微流体通道的位置处， 使得当电流通过该金属时，产生的电场和/或磁场能够改变悬浮在该流 动流体中的颗粒的轨迹。在某些实施方案中，该悬浮颗粒可以是磁性 颗粒、非磁性金属颗粒、聚合物颗粒、生物细胞、或以上颗粒的混合 物。
在某些上述装置的实施方案中，限定微流体系统的结构包括具有 限定的厚度和基本平面构型的层。在某些这样的实施方案中，第一微 流体通道和第二微流体通道均位于该结构的单一层面上并且处于平面 中，该平面基本上共平面于基本上与该层共平面的平面。在某些这样 的实施方案中，第一微流体通道和第二微流体通道在它们的大部分长 度上基本相互平行。
在某些实施方案中，本发明涉及一种装置，其中第一微流体流路 形成螺旋状构型的流路的至少一部分并且包含金属。在某些这样的实 施方案中，第二微流体通道的至少一部分被这种螺旋状流路所围绕。 在一个这样的实施方案中，第一微流体流路的至少一部分位于充分接 近第二微流体通道的位置处，使得当电流通过该金属时，产生充足的 热能，以能够加热在第二微流体通道中的流动流体。
在另一组实施方案中，本发明涉及一种包括至少一个导电通路的 装置。在某些这样的实施方案中，该装置包括包含具有限定的厚度和 基本平面构型的层的结构。该结构限定包括至少两个微流体通道的微 流体系统，其中第一微流体通道的至少一部分的整个截面包含金属， 并且其中第二微流体通道的至少一部分的整个截面包含不是液体金属 的流动流体。第一微流体通道和第二微流体通道均位于该结构的单一 层面上并且处于平面中，该平面基本上共平面于基本上与该层共平面 的平面。
本发明其它的优点和新特征将通过以下结合附图对各个本发明的 非限定实施方案的详细描述中显而易见。所有本文引用的参考文献， 无论专利、专利申请或者技术文献出版物均通过引用并入本文。当本 说明书与引用并入的文件存在抵触和/或不一致的内容时，应以本说明 书为准。如果两个或多个引用并入的文件相互之间存在抵触和/或不一 致之处时，应以有效日期靠后的文件为准。

本发明的非限定实施方案将通过参照附图的实施例的方式描述， 这些附图是示意性的并且没有根据比例绘制。在附图中，所示的每个 相同或几乎相同的组件通常用一个附图标记表示。为清楚起见，并未 在每个附图中标明每个组件，也没有在本领域技术人员无需图解也能 理解本发明的地方显示本发明每个实施方案的每个组件。在附图中：
图1A示出包括具有第一和第二导电区域的微流体通道的结构；
图1B示出包括具有第一和第二导电区域的微流体通道的结构， 其中第一导电区域的一部分是熔融的；
图1C示出包括具有第一导电区域的微流体通道的结构，其中第 一导电区与第二导电区域电连接；
图2A示出包括第一和第二基本封闭的微流体通道的结构；
图2B示出包括第一和第二基本封闭的微流体通道的结构，每个 微流体通道都填充有导电金属；
图2C示出包括与第一通道中的第一导电金属和第二通道中的第 二导电金属电连接的电子装置的结构；
图3A示出包括基本封闭的微流体通道的结构；
图3B示出基本封闭的微流体通道的壁，其上沉积有化学物质， 使得该壁可被液体金属润湿；
图3C示出包括填充有金属的基本封闭的微流体通道的结构；
图4A是多层微流体网络结构的示意性图解的透视图，该结构具 有布置成“蓝状编织”(“basket weave”)构型的一系列相互连通的通 道，其中某些通道填充有金属；
图4B是五层微流体网络的示意性图解的透视图，该网络包括被 填充有金属的卷绕的流体流路所围绕的布置在中心的直通道；
图5示出图解通过将液体钎料注射入微流体通道中而制造柔性金 属微结构的方法的一系列示意性截面图；
图6是示出用于某些实施方案以处理微流体通道的PDMS表面的 硅烷的化学结构和该硅烷化学键合至微流体通道表面上时的结构的示 意图；
图7A-7F是根据本发明的某些实施方案的各种嵌入PDMS微流 体结构中的柔性金属线的影像的复印件；
图8A-8D是显示根据本发明的某些实施方案生产的嵌入PDMS 中的柔性金属格栅的影像的复印件；
图9示出说明涉及多层蓝状编织的微流体通道图案的微流体或微 固体制造方法步骤的示意性截面图；
图10A-10E是显示根据本发明的某些实施方案制造的多种金属 微结构的影像的复印件；
图11A-11D是显示根据本发明的某些实施方案的恢复钎料微结 构的过程的影像的复印件；
图12A是显示根据本发明的某些实施方案生产的嵌入PDMS中的 高频微型变压器的放大图像的照片复印件；
图12B是示出图12A的变压器的频率响应的图；
图12C是显示穿过图12A的微型变压器的初级螺线管和次级螺线 管的特征波形的图；
图13A是显示根据本发明的某些实施方案制造的嵌入PDMS中的 线圈式微加热器的照片复印件；
图13B是显示图13A的线圈式微加热器的微流体通道内的温度作 为通过该微加热器线圈的电流的函数的图；
图14A是图示根据本发明的某些实施方案在PDMS中制造电磁体 的示意性截面图；
图14B是根据图14A所示步骤制造的电磁体装置截面影像的复印 件；
图15是用于驱动图14B的电磁体的电磁体对的电子电路的示意 图；
图16A是图14B的电磁体部分的示意图，示出产生的磁场和作用 于微通道中的顺磁性磁珠上的力；
图16B是显示图14B的电磁体产生的磁场作为与微流体通道中的 该电磁体距离的函数的图；
图16C是对应于图16B的图，示出作用于在微通道中的顺磁性磁 珠上的力；
图17A、图17B和图17C分别是显示根据公式1、3和11计算的 最大电流、磁场和作用于磁殊上的力的图；
图18A-18C是图14B的电磁体装置微流体通道的影像的复印件， 显示无电流施加在电磁体上时(图18A)、电流施加在顶部电磁体后(图 18B)和电流施加在底部电磁体后(图18C)，顺磁性磁珠在通道内的 流动；
图18D是显示激活图14B的电磁体后捕获磁珠所需要的响应时间 的图；和
图18E-18G是示出在图14B的电磁体装置的微流体通道内分拣 顺磁性磁珠的影像的复印件。

本发明在此公开的是多种微流体装置和固体，典型的是利用该装 置作为模具形成的导电装置。在某些实施方案中，形成的装置包括通 过将液体金属凝固在一个和多个微流体通道中而形成的传导通路(这 样的装置和结构在下文中称为“微固体(microsolidic)”装置和结构)。 在某些这样的装置中，在微流体结构中的各区域间可以形成和/或重新 形成电连接；在一些情况中，形成的装置/电路可以是柔性的和/或包 括柔性的电、光、机械等组件。
如以下实施例所示，本发明用于形成微固体结构的技术可用于制 造在两、三或更多平面水平中的柔性或刚性金属结构，以便相对简便 和低成本地制造多种有用的结构和电路。在某些实施方案中，该方法 包括在微流体系统或网络中制造微流体通道和至少部分地在全部或某 些通道的一部分中填充熔融的金属以及冷却该网络以使该金属凝固， 由此形成固体结构。然而，如下所述，可以利用很多种材料和方法形 成微流体通道和网络，在某些优选的实施方案中，在可固化的聚合物 材料中制造该网络，在某些实施方案中该聚合物材料在固化后可以是 柔性的，如弹性体(例如聚二甲基硅氧烷——PDMS)。当使用例如 PDMS时，微流体结构可以采用下述本领域已知的柔性光刻技术相对 简单地形成。使用这样的方法，具有多层面特征的复杂微固体结构可 以通过使用多层微流体网络结构而制造，该微流体网络结构利用多层 光刻术生产(例如，参见美国专利No.6,645,432)。或者，对于其中形 成微流体网络结构的材料是柔性的或可变形的实施方案，可以通过在 金属插入和凝固在其通道中之前、期间或之后使该微流体结构变形而 制造三维结构。这样的变形可以包括例如对微流体结构的弯曲、扭曲、 卷绕等。在该结构基本上在液体金属凝固后变形的某些实施方案中， 优选使用能够在固体状态下实质性变形而不破裂的液体金属，例如某 些钎料。例如，某些含铟钎料具有这一性质。
在某些实施方案中，根据本发明形成的固体结构可以提供多个导 电通路以在多种电装置或组件之间提供电互连，所述装置或组件也可 对含有金属填充通道的微流体结构进行关联、包含、附着等。在某些 这样的实施方案中，该结构可以包括复杂的柔性电路和电子装置，例 如“芯片上实验室”装置、诸如柔性收音机、计算机、变压器、加热器、 电磁体装置等的柔性电子装置。
在某些实施方案中，本发明提供一种在微流体网络结构中制造固 体导电通路的方法，该微流体网络结构还包含配置成允许流体从中流 过的通道和流路。在某些实施方案中，导电通路可以配置和安排成使 其能够影响在微流体网络结构的通道中包含或流动的流体的一些性质 或在该装置微流体通道的流体中包含或流动的试剂和颗粒的性质。例 如，如以下实施例13中所讨论的，本发明的某些技术可以用于形成线 圈式微加热器，其能够加热在微流体装置的通道中流动的流体。在实 施例14所详细描述的另一个实施方案中，利用本发明技术生产电磁体 系统，其可以用于对微流体通道内悬浮在流动流中的磁性颗粒进行捕 获、分拣、转向等。事实上，可利用本发明技术制造的各种装置基本 上是无限的。以下给出一些利用本文公开的本发明技术构建的装置， 但其并非是包括性的或甚至是完全代表性的例子。这些例子包括上述 线圈式微加热器和电磁体，以及射频变压器(实施例12)和柔性FM 收音机(实施例11)。除此之外，本文公开的技术也能用于形成复杂 的极小尺度的三维天线设计，对其应用传统技术制造是困难和异常昂 贵的。
如以下所详述，在某些优选的实施方案中，特别是那些微流体网 络由不能经受极高温度的聚合物材料构造的实施方案中，用于形成传 导通路和固体结构的金属可以是一种或多种具有相对低熔融温度的金 属，例如钎料或钎料合金。在某些这样的实施方案中，根据本发明提 供的微流体结构的导电通路和导电区域之间的电连接可以选择性地形 成、不形成和在破坏时可以是“可修复的”。例如，可以加热根据本发 明的包含两个均含有低熔融温度金属的区域的微流体网络，或者作为 选择，可以加热该结构接近包含传导金属的区域之一的部分，以熔融 包含在至少一个区域中的金属，以使该金属能够流动或使其流动通过 一个或多个微流体通道以接触和形成与另一导电区域的电连接。在这 种方式中，通过选择性地施加足够的热而在特定位置和特定时间熔融 包含在微流体网络中的低熔融温度金属，可以形成电连接，并且可以 制造或破坏特定电路以提供对整个装置的构造和性能的多种实时控 制。例如，在以下对于图1和2以及实施例1和10中的说明中详细讨 论。
除了用于形成电连接和电路，本发明的方法也用于形成多种其它 微固体结构。例如，由于金属和钎料是不透明的并且通常是反射性的， 因此根据本发明生产的微固体装置可以配置和利用作为衍射光栅、干 涉滤光器、或其它光学组件。例如，在某些实施方案中，本发明的技 术可以用于制造柔性格栅、网格等，其可用于光学目的。或者，这样 的格栅也可以在过滤应用或高表面积的轻量型电极或催化基质的制造 方面找到用途。以下讨论的实施例5示出这种微流体结构中的格栅的 制造。
然而，在某些实施方案中，允许被制造的微结构保持嵌入在微流 体网络结构的通道中是有利的，特别当这样的结构是柔性的时，也可 以根据本发明通过从用作模板结构的微流体网络中移除凝固的金属以 形成固体金属结构来生产独立结构。在这样的实施方案中，所述结构 可以从该微流体网络中通过机械方式移除(例如，参见实施例7)和/ 或通过使用可溶解微流体结构的化学物质来移除，该微流体结构包围 包含在该微流体结构中的模制凝固金属结构(例如，参见实施例8)。 在某些实施方案中，在从微流体系统中移除模制的微结构后，移除的 微流体结构可以用其它金属涂覆(例如，通过电镀、无电沉积等)。在 某些这样的实施方案中，在涂覆后，该微结构可以被加热到超过模制 在微流体网络中的低温金属的熔点的温度，但并不超过用于涂覆从微 流体网络中释放出来的微结构的金属的熔点。在这样的实施方案中， 可以移除低熔融温度金属组分以留下独立的中空金属结构，该金属结 构仅包括涂覆在微结构上的金属(例如，参见实施例9)。这种技术可 以有利地用于形成由金、镍、铜或其它相对高熔融温度金属制造的量 轻型高表面积电极或其它结构。
由于本文描述的微流体网络结构可潜在地通过传统的光刻术、微 组装、或微机械加工方法，例如以下详述的立体光刻术、激光化学三 维写入方法或模块组装方法来制造，在某些实施方案中，如下所述， 微流体网络结构通过包括用于生产单个层的复制成型技术的方法形 成，该单个层包括该结构的一个或多个层面。如下所详述，这样的层 可以利用在其表面上具有用于生成该结构通道的不同特征的母模来模 制成型。在一些实施方案中，该特征通过光刻术形成，或其自身可以 包括这种表面的模制复制物。
某些可用于实施本文所描述的本发明方法的微流体网络结构可以 基本上由包括固体材料的任意材料形成，该固体材料包括可硬化液体 的凝固形式，以及在某些实施方案中，该结构可以注射成型或浇铸成 型。可硬化液体可以包括聚合物或聚合物前体，其在模制生产聚合物 结构时硬化或在此期间被诱导硬化。某些可用于实施本发明形成微流 体网络的聚合物材料可以包括弹性体材料。
在某些实施方案中，根据本发明提供的微流体网络包括至少一个 不连续的聚合物材料层，而在其它实施方案中包括至少两个、三个或 更多不连续的聚合物材料层。本文所使用的材料的“不连续层”或“层” 指分开形成的总微流体结构的子组件结构，该层可以包括和/或包含该 微流体结构的总通道网络的一个、两个或三个或更多的层面。如下所 详述和解释，如果需要，该结构的不连续层可以堆叠在一起以形成三 维的多层面网络或多个三维网络，并且在一些实施方案中该结构的不 连续层也可以置于一个或多个支持层或基底层之间以便封闭或流体密 封该微流体结构的上下层面的通道(例如，参见图4A、4B、9和10A -10E以及实施例6)。
潜在地可用于形成微流体网络结构的可硬化液体可以基本上包括 本领域技术人员已知的任意液体，该液体可被诱导凝固或自发凝固成 能够容纳和输送预期用在该微流体网络结构中且与该微流体网络结构 一起使用的流体(例如熔融的钎料)的固体。在某些实施方案中，可 硬化液体包括聚合物液体或液体聚合物前体(即“预聚物”)。合适的聚 合物液体可包括，例如加热至其熔点以上的热塑性聚合物、热固性聚 合物或这些聚合物的混合物；或者一种或多种聚合物在合适溶剂中的 溶液，该溶液在去除溶剂(例如通过蒸发)后形成固体聚合物材料。 本领域技术人员熟知这种可从例如熔融状态凝固或通过溶剂蒸发凝固 的聚合物材料。
在某些实施方案中，可硬化液体包括液体聚合物前体。当可硬化 液体包括预聚物前体时，可以例如通过施加热而热聚合形成固体聚合 物结构；或在其它实施方案中，可以光聚合。也可以通过自由基聚合 进行固化和凝固。这些和其它形式的聚合已为本领域技术人员所公知 并无需过多实验即可用于本发明的技术中。所有类型的聚合，包括阳 离子聚合、阴离子聚合、共聚、链共聚、交联等都可使用，并且基本 上任何类型的可从液体前体成形的聚合物或共聚物可以包括根据本发 明的可硬化液体。潜在适用的聚合物的示例性非限制性列表包括聚氨 酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚芳基化合物、聚乙炔和聚二乙炔、聚膦腈、 聚硅氧烷、聚烯烃、聚酯、聚醚、聚醚酮、聚碱性氧化物(poly(alkaline oxide))、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、及 以上物质的衍生物和嵌段、无规、星形、线型或遥爪嵌段(teleblock) 共聚物、诸如蛋白质材料的可交联材料和/或共混物。当从母模中移出 时其尺寸稳定性足以维持结构完整性的凝胶是合适的。由单体的丙烯 酸烷基酯、甲基丙烯酸烷基酯、α-甲基苯乙烯、氯乙烯和其它含卤素 单体、马来酸酐、丙烯酸、丙烯腈等形成的聚合物也是合适的。可以 使用单一单体或不同单体的混合物来形成均聚物和共聚物。本领域普 通技术人员可利用易得的信息和常规测试和实验来选择特定的聚合 物、共聚物、共混物或凝胶，从而定制适合多种潜在应用中任一项的 特定材料。在微流体通道中加入液体金属的实施方案中所考虑的一个 因素是用于形成微流体网络结构的聚合物应当在熔融金属加入该结构 的通道时的温度下保持为固体，优选保持化学和尺寸稳定性。
根据本发明的一些实施方案，可硬化液体包括流体预聚合前体， 其在固化和凝固时形成弹性体聚合物。多种弹性聚合材料适合于这样 的制造。这样的聚合物的例子的非限制性列表包括通常类别的聚合物， 如硅氧烷聚合物、环氧聚合物和丙烯酸酯聚合物。环氧聚合物的特征 在于存在三元环醚基团，通常称为环氧基，1，2-环氧化物或氧杂环丙 烷。例如，可以使用双酚A的二缩水甘油醚，以及基于芳香胺、三嗪 和脂环族主链的化合物。另一个例子包括公知的酚醛树脂聚合物。适 合根据本发明用途的硅氧烷弹性体的例子包括由包括氯硅烷例如甲基 氯硅烷、乙基氯硅烷和苯基氯硅烷等前体所形成的那些。优选的硅氧 烷弹性体是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。示例性的聚二甲基硅氧烷聚合 物包括以商标名Sylgard(Dow Chemical Co.，Midland，MI)销售的那 些，特别是Sylgard 182、Sylgard 184和Sylgard 186。
硅氧烷聚合物，例如PDMS优选用于本发明的某些实施方案，因 为它们具有一些期望的有利特性，用于简化本文所述的微流体网络结 构的制造。第一，这样的材料不贵且易得，并能通过热固化由预聚物 液体凝固。例如，PDMS典型地可通过将预聚物液体置于约例如65℃ 到约75℃下约例如1小时而固化。第二，诸如PDMS的硅氧烷聚合 物是弹性的并且由弹性材料形成的微流体网络具有提供柔性和顺从的 结构的优点，并且还可以更容易地被制造以在其中包括活动元件，例 如集成的阀和泵元件，这些元件可利用材料的柔性和弹性来提高其性 能。
由诸如PDMS的硅氧烷聚合物形成微流体网络的另一优点是这种 聚合物可例如通过暴露于诸如空气等离子体的含氧等离子体中而被氧 化的能力，使得被氧化的结构在其表面包含能够与其它氧化的硅氧烷 聚合物表面或与各种其它聚合物和非聚合物材料的氧化表面交联的化 学基团。因此，利用诸如PDMS的硅氧烷聚合物生产的微流体结构可 被氧化并基本上不可逆地密封在其它硅氧烷聚合物表面或其它与该氧 化的硅氧烷聚合物表面反应的基底表面，并且不需要单独的粘合剂或 其它密封手段。另外，由氧化的硅氧烷聚合物形成的微流体结构可以 包括具有由氧化的硅氧烷聚合物形成的表面的通道，该表面可以比典 型弹性体聚合物表面更亲水并与诸如可用于实施本发明某些实施方案 的某些硅烷的某些表面处理剂的反应性更强。因此，与包括典型的未 氧化弹性体聚合物或其它疏水性材料的结构相比，这样的亲水通道表 面可以更容易地被水溶液填充和润湿。
除了能不可逆地自身密封，氧化的PDMS也能不可逆地密封于除 其自身之外的许多被氧化的材料，这些材料包括例如玻璃、硅、氧化 硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯乙烯、玻璃碳和环氧聚合物，它们 可用类似于氧化PDMS表面的方式氧化(例如，通过暴露于含氧等离 子体)。用于本发明上下文中的氧化和密封方法在下文中和在Duffy et al.Rapid Prototyping of Microfluidic Systems and Polydimethylsiloxane， Analytical Chemistry，Vol.70，pages 474-480，1998(通过引用并入本 文)中有更详细的描述。
在某些实施方案中，本发明提供通过向微流体通道中注射诸如钎 料的液体金属并使该金属冷却和凝固来制造三维(在一个、两个、三 个或多个平面层面中)复杂金属微结构的方法。在某些实施方案中， 制造后的金属结构可以挠曲、弯曲或扭曲而不折断。在某些实施方案 中，本文也称作“微固体技术”的这一制造方法利用已知在可模制/固化 聚合物(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS))中制造微流体通道特别是制 造单个和多个层面/多层PDMS微流体网络的方法。如下所详述，在 某些实施方案中，利用合适的表面化学方法处理该微流体网络的通道 以控制金属-聚合物界面的界面自由能。在某些实施方案中，这一创 造性的方法可以建构柔性电子电路或电路间的连接、复杂的嵌入或独 立的三维金属微结构、三维电子元组件和混合电子-微流体装置。
在某些实施方案中，本发明提供通过向PDMS制造的微流体通道 网络中注射熔融钎料而在三维空间中制造金属微结构的技术(例如， 参见图5)。这一技术可用于例如制造具有极小截面尺寸的金属结构： 例如50μm的直径和10μm～1mm的厚度。在一组实施方案中(例如， 参见实施例5)，本发明的过程包括至少以下五个步骤：(i)用软光刻 术和快速原型制作法，在PDMS微流体网络结构中制造微流体通道； (ii)氧化和涂覆一个或多个微流体通道的至少一部分的内表面(例 如，使用沉积的金属、烷硫醇或诸如3-巯基丙基三甲氧基硅烷的硅烷) 以减少其自由表面能以及使其更易被金属润湿；(iii)通过压力注射、 泵送来向通道中导入熔融钎料，或施加真空把金属引入通道—表面经 处理的通道壁可被液体钎料快速地润湿而未处理的通道壁则可不被润 湿，由此在结构中留下空白；(iv)冷却通道以形成固体金属微结构； 和(v)通过使微流体网络结构弯曲、扭曲、卷绕等以使钎料填充的通 道系统形成非平面形态(如果希望的话)(这种改变形状的技术尤其适 用于金属被相对薄(50～200微米)的PDMS层包封的情况)。将金 属结构包封在PDMS层中的有用的特征是该金属结构中的任何断裂 和缺陷—例如由弯曲该结构引起的那些—可以通过将该通道加热到高 于该钎料合金的熔融温度以上然后冷却来修复。如果希望，则PDMS 基体可在任意时间用合适的溶剂(例如氟化四丁基铵(TBAF))溶解 以产生独立的三维金属结构，该结构可通过电镀或其它技术进行进一 步的修饰(例如，参见实施例7～9)。
制造金属微结构的本发明方法可以是快速、简单、可重现的以及 需要最少的设备。与其中金属通常在刚性基底上一层一层地形成图案 的典型传统微加工技术(例如蒸发或电镀)相比，本发明的微固体结 构中使用的金属可一步注入微流体通道的网络中，例如嵌入在柔性的 PDMS模具中。这一方法可使得用其它方法很难或很费时地制造的结 构的制造成为可能。可根据本发明制造的微固体结构的示例性和非限 制性的列表包括可在三维空间内弯曲、扭曲、卷绕、打结、卷绕或编 织而不折断的柔性微流体网络中的平面金属结构，和嵌入在具有三维 多层面拓扑结构(例如蓝状编织图案或卷绕在微流体通道上的线圈) 的柔性微流体网络中的复杂金属结构(参见图4A和4B以及实施例 6)。这样的复杂结构具有例如电子学方面的应用。例如，在实施例部 分详细描述了根据本发明制造的几种嵌入PDMS中的电子装置：柔性 FM收音机、射频变压器、用于微流体通道的线圈式加热器、和用于 捕获、释放和转向顺磁性颗粒的电磁体。作为一个说明本发明许多能 力中的一些能力的例子，可以制造包括8-针DIP处理器、电阻、电容 器、外部9V电池和外部耳机的FM收音机。装置的连接导线由根据 本文所述的过程注入微流体通道的金属钎料组成。该收音机可以弯曲 和扭曲并仍然成功地接收和放大从87.9FM到107.9FM的FM无线电 台。
在某些实施方案中，还可在操控材料的形状后通过改变导线/传导 通路的截面区域以控制嵌入的导线/传导通路的最终形状。该导线/传 导通路的机械特性也可以通过增加包括围绕在导线/传导通路周围的 微流体模具结构的材料的厚度或者调节注入微流体通道的金属合金的 组成加以操控。
在某些例子中，本发明提供的技术可以提供优于现有技术中典型 微铸造技术的某些优点。例如，本发明的钎料微结构可以简单地制造 并在已经用于传统快速原型制作微流体系统的典型设备之外需要最少 的设备(例如，热板和注射器/泵/真空源)。另外，本发明的钎料微结 构可以快速制造—例如加热PDMS模具、往微流体通道内注射液体钎 料以及冷却该结构到25℃的过程可根据结构尺寸而在少于5分钟内完 成。而且，在某些本发明的实施方案中，微流体通道和金属特征可以 仅使用一个光刻掩模制造—微固体结构的形状可以是任意的并利用光 刻术来限定。此外，在某些实施方案中，本发明的技术可用于以单一 步骤制造接近(例如＜10μm、＜5μm、＜3μm、＜2μm或＜1μm)微流体 通道的金属结构—例如导线、电极和电磁体。如前所述，本发明的金 属微固体结构可用于许多用途，例如加热在微流体通道中流动的液体 和/或产生电场或磁场。在某些使用绝缘材料形成微流体模具结构的实 施方案中，形成的传导通路通过绝缘材料(例如PDMS)薄层与微流 体通道绝缘。
此外，在某些实施方案中，本发明的技术并不局限于在光滑平面 上的图案化金属结构。在某些实施方案中，可以通过使用本发明的技 术，制造具有数十或数百微米厚度的金属结构，并且在制造中并不需 要昂贵的镀覆溶液、LIGA设备、或漫长的蒸发步骤。在某些实施方 案中，有利的是用本发明技术产生的金属线可以具有高电导率(例如 ≥20％的银电导率)。而且，当使用诸如钎料的低熔融温度金属时，本 发明的微固体结构可以被“修复”：即装置中的钎料可以重新熔融和重 新流动以修复影响钎料线连续性的任何裂缝和缺陷。在本发明的某些 实施方案中，本发明技术可用于制造具有复杂拓扑结构的多层面/多层 金属结构，而该结构用典型的现有技术方法生产是困难的和耗时的。 在某些实施方案中，本发明微固体结构中的金属在微流体通道制造后 一步模制成型。例如，在某些实施方案中，金属特征可横贯微流体通 道的多层(在1至＞16层之间(例如，参见实施例6和图10C))，并 可制造为≤10μm至＞100μm厚。在某些实施方案中，可操控单个层结 构以制造具有三维拓扑结构/方向性的柔性金属线，例如通过使用能被 弯曲/扭曲/卷绕的柔性结构以形成通过操控例如该金属的厚度，围绕 该金属的微流体模具结构的厚度和/或组成，和/或注入通道的金属的 特性中的一个或多个来保持其形状的结构。
本发明的某些实施方案提供制造嵌入微流体网络中的复杂三维金 属线和微结构以及复杂独立金属微结构的新方法。这样的线和微结构 可用于制造柔性电子电路/三维电子元件以及混合的电子-微流体装 置。本发明技术的各种应用可包括但不限于制造射频或微波天线或天 线阵列、柔性或微尺寸电池的正极、在微尺寸或轻量型电池中的催化 表面、磁场发生器、在三维微系统中的控光材料、不用导线接合的集 成电路等。
本发明制造混合电子/微流体结构的一个特别应用包括电磁体系 统的制造。这一应用在以下实施例14中详细描述，示例性的装置示于 图14～18。在某些实施方案中，本发明提供制造在微流体网络中接近 微流体通道(例如距离≤10μm)的具有微米尺寸的电磁体的方法。通 过使电流流经导线，可以在微流体通道附近产生磁场和磁场梯度。在 某些实施方案中，本发明的某些实施方案中的微固体电磁体可用于快 速地(例如＜1秒)捕获和释放超顺磁性磁殊或其它悬浮在微流体通道 附近的流体中的磁性颗粒(图18A～18C)。某些电磁体还可以用于分 拣经通道在接合处流入一个或两个微流体通道的诸如超顺磁性磁珠的 颗粒的悬浮液(图18E～18G)。本发明的电磁体装置可构建和配置(见 图16)为当电流通过装置导线以在微流体通道附近产生磁场和磁场梯 度时，这些磁场和梯度基本上与导线中的电流方向正交。磁场强度和 磁场梯度可通过调节通过导线的电流大小加以控制。
在微流体通道附近制造电磁体的本发明方法可以是快速、简单、 可重现的以及需要最少的设备。流体通道和电磁体也可有利地在同一 平面上和在单一步骤中制造。此外，由于这一方法能够使利用一个光 刻掩模且不需对准而制造在微流体系统中的多个电磁体成为可能。本 发明技术不需硅微加工即可生产电磁体。
与永磁体不同，在某些实施方案中，用本发明技术制造的电磁体 可以用电气开关接通/断开。通过电磁体的电流可以具有各种波形，并 由此产生具有复杂时间依赖性的电磁场。
在某些实施方案中，能够根据本发明生产的电磁体可以具有 ＞4000μm2的截面积并能经受＞1A的电流和＞22kA/cm2的电流密度。这 些特性可使得在接近电磁体的微流体通道中产生＞2.8mT的电磁场和 ＞40T/m的磁场梯度成为可能。这些磁场梯度对超顺磁性磁珠施加 ＞3pN的力。
本发明电磁体系统可以为微系统工程师提供用于微流体技术和集 成功能的新元件，为应用物理学家提供在微系统中产生电控磁场的手 段，为化学家和生物技术人员提供在微系统中操控利用生物分子功能 化的磁珠和/或修饰有磁性磁珠或颗粒的细胞的方法。在一个示例性的 应用系列中，本发明的电磁体系统可用于使细胞与表面接触，或通过 使功能化的磁珠与微流体通道的功能化的壁接触而在磁珠表面上进行 反应。
在某些实施方案中，可以在单个微流体装置中构建多个电磁体以 产生数个局部磁场。每个电磁体都可以利用独立的电信号独立地激活。 除了产生磁场之外，还可以使用电磁体加热微流体通道和施加跨越微 流体通道的电场。
本发明的一个方面提供一种微流体通道，其包括未相互电连接的 第一和第二导电区域；导电区域可以例如包含金属，并且第一导电区 域中的金属可以熔融，液体金属可以流入通道以形成与第二导电区域 的电连接。在一组实施方案中，金属包括钎料并且微流体通道可以包 含诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的柔性材料。
本发明的另一个方面涉及组件之间连接的形成；这些连接可以通 过自组装过程形成。在一组实施方案中，包括金属线的柔性组件可以 被加热以熔融该金属线，并且可以进一步操控该组件以形成具有与操 控前不同的构造(confirmation)或形状的结构或其它组件机构；包 括该线的组件可以被冷却并可用于形成三维电路。
本发明的一个方面提供配置用于在诸如微流体系统的结构中的第 一区域和第二区域之间导致形成电连接的系统和方法，例如图1中所 示实施方案。在图1A中，示出流体装置1-1，其可以是例如微流体装 置。装置1-1可以由一种或多种诸如PDMS的聚合物材料1-100形成。 其它合适的材料已在/将在上文和下文中描述。在图1A的实施方案中， 装置1-1显示为由两个一般平面组件或层1-105和1-110形成；然而， 在另一个实施方案中，装置1-1可以由更多或更少的材料层形成。在 装置1-1中，孔1-2和1-3可以是例如出口和/或入口。孔1-2和1-3 通过微流体通道1-11流体连通。在图1A所示的实施方案中，孔1-2 和1-3通过单一通道1-11连接。在所示的实施方案中，通道1-11包括 基本封闭的微流体通道，限定如下，其处于该结构同一层面上，并在 基本上共平面于基本上与层1-105和1-110共平面的平面的平面中(即 与其纵轴对齐)。在其它实施方案中，装置1-1可以包括孔1-2和1-3 之外的另外的孔，和/或另外的微流体通道，其均可以与微流体通道 1-11流体连通和/或独立于微流体通道1-11。在其它配置中，仅提供一 个或多个通道而不提供孔。
如图1A所示，微流体通道1-11包括第一导电区域1-5和第二导 电区域1-15。如图所示，这些导电区域并未相互电连接(这些导电区 域可以就这样形成，或者是连接断开或以其它方式分开的结果)。导电 区域1-5和1-15中的一个或二者可以包括诸如金属的导电材料。在某 些情况中，如下所进一步讨论的，该金属具有相对低的熔点。例如， 第一导电区域1-5可以包含低熔点钎料1-10，第二导电区域1-15可以 包含另一低熔点钎料1-20。
图1A还示出了热源1-50。热源1-50可以是例如加热元件、热 灯等，如下所进一步讨论的，并且热源1-50可以定位为加热微流体通 道1-11和/或通道内容物的全部或部分。如图1A所示，热源1-50定 位为能够加热导电区域1-5的至少一部分。区域1-5中钎料1-10的一 部分被加热至高于该钎料熔点的温度，由此使钎料1-12的一部分变成 液体(图1B)。该液体钎料可流入微流体系统以使其与第二导电区域 1-15的至少一部分接触并产生与第二导电区域的电连接1-60(图1C)。 当金属1-10和1-20中的一个或二者是液体时，可以形成电连接。然 而，该液体钎料可以在微流体系统中冷却至低于该钎料熔点的温度， 由此重新凝固该钎料并在第一和第二导电区域之间形成固体电连接 1-60。
在一些情形中，电连接的再形成可以发生在后续步骤中。例如， 如果类似于图1C的第一导电区域1-5和第二导电区域1-15之间的电 连接1-60断开，则可以在断开的连接附近加热以使第一或第二导电区 域中的金属熔融并重新形成电连接1-60。该过程可根据需要重复进行。
电连接的形成和/或再形成可以根据本发明自动执行。例如，在 某些实施方案中，微流体网络可以包括一个或多个相互电连接并在沿 通道的不同区域嵌入聚合物中的传感器(未示出)和加热元件。该传 感器和加热元件可以与通道内的金属建立负反馈环路。例如，传感器 可以检测到在该传感器所处通道区域内金属的消失并向一个或多个加 热元件发送信号，以使该加热元件局部加热该通道区域。来自加热元 件的热可使该区域内的钎料熔融并流入该通道(图1B)，由此填充该 通道并关闭来自该传感器的信号。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种通过电组件连接结 构内两个导电区域的方法，如图2所示。在这个特定实施例中，装置 2-1包括微流体结构2-100，其可以是聚合物或其它材料的并且包括第 一基本封闭的微流体通道2-5和初始未与该第一通道电连接的第二基 本封闭的微流体通道2-50(图2A)。如图2A所示，该第一通道可以 具有第一入口2-10、第一入口附近的第一电极2-15、和第一终点2-20 (可以是出口)。第二通道2-50可以具有第二入口2-55、第二入口附 近的第二电极2-60、和第二终点或出口2-65。如图2B所示，第一通 道2-5填充有第一导电金属2-30，其电连接至第一电极2-15。第二通 道2-50填充有第二导电金属2-70，其可以与金属2-30相同或不同。 在图2C中，诸如LED的电组件2-200可以例如通过桥接这两个出口 而位于第一通道2-5的第一出口2-20和第二通道2-50的第二出口2-65 之间。电组件2-200可用于在第一导电金属2-30和第二导电金属2-70 之间形成电连接，例如如下所述。可以是在该装置内部或外部的任意 能量源的热源2-300可以定位为对该系统施加充分的能量以如下所述 形成电连接(例如，定位在出口2-20和2-65附近)，并可对此区域提 供热量以熔融在出口2-20和2-65中的导电金属。该液体金属然后可 以接触LED以建立与在第一导电金属2-30和第二导电金属2-70之间 的装置的电连接。当然，在第一导电金属2-30和第二导电金属2-70 之间可以有其它电连接。例如，第一电极2-15和第二电极2-60可以 通过电源2-90相互电连接。
在本发明的另一实施方案中，描述了一种制造在微流体系统中 包含金属的电连接的方法，如图3所示。该方法包括提供限定微流体 系统的结构3-1的过程。在某些情形中，该微流体系统包含基本封闭 的微流体通道3-5。例如，该微流体系统可以是嵌入PDMS 3-100中的 微流体通道3-5。该微流体通道可以具有孔3-2和3-3，其可以是能使 液体流入和流出通道3-5的入口和/或出口。微流体通道3-5可以部分 地或基本上充满金属，或者如图3A所示，微流体通道3-5可以不含 金属。微流体通道3-50的壁任选地通过诸如在金属加入通道3-5之前 在通道壁上沉积化学物质层3-70的过程来处理，如图3B所示。如下 进一步所详述，这一过程允许通道更容易地被润湿并使诸如液体金属 3-80的液体流入通道而不自发反润湿该通道。在某些情形中，液体金 属仅部分地填充通道3-5，或者如图3C所示，液体金属3-80填充通 道3-5的整个截面和长度。
当然，上述方案的替代方案也包括在本发明的范围内。例如， 本发明可用于如下系统的情形中，其中系统本身并没有具有入口和出 口的通道，但是该系统以其它方式限定通过如上所述断开和重新形成 或如上所述形成的微流体结构的导电通路。例如，可将导线嵌入结构 中并使其通过如上所述的导电通路相互连接。
在本发明的另一方面中，定位金属以使其在熔融时可以流入通 道。例如，第一电极和第二电极各自可以与基本封闭的微流体通道电 连接。定位金属以使其在熔融时可以流入通道并且在熔融时与第一电 极和第二电极接触。金属可以置于通道附近的任意位置以其在熔融或 在进行操控装置的过程一起熔融时可以流入期望的通道。
在一个实施方案中，大量的固体钎料可以位于使其在熔融时能 够流入通道的位置处，例如微流体通道的入口附近。可以通过使用加 热元件加热例如局部加热钎料附近区域，以使温度高于所用钎料的熔 点，使钎料流入基本封闭的微流体通道的至少一部分中。通过毛细管 力或通过对通道施加压力或真空或通过其它手段，液体钎料可以充满 通道。在液体钎料进入通道后的任何时间，可以使其在基本封闭的微 流体通道中冷却至低于该金属熔点的温度，由此使该金属变成固体。 也可以执行使该钎料再熔融和/或再冷却的后续步骤。
在另一个实施方案中，装置可以包含微流体系统，该微流体系 统包括与第二通道和第三通道流体连通的第一通道。第二通道可以包 括第一出口和位于第一出口中的第一电极。第三通道可以包括第二出 口和位于第二出口中的第二电极。第一通道可以包含金属。可以使用 加热元件将金属加热至高于该金属熔点的温度，使该金属熔融进入第 二通道和第三通道中。在第二和第三通道中的金属可以与第一电极和 第二电极形成电连接。电极可以是在装置内的完整电路。
在另一个实施方案中，金属可以位于在通道附近并通过阀或隔 离物与该通道分开的腔室中。操控该装置的过程包括转动该阀或加热 该隔离物以熔融该隔离物，从而在该腔室和该通道之间建立流体连通。
本发明的另一个方面提供一种自组装电装置的方法。自组装装 置是通过“自组装”过程形成的装置，“自组装”在本文中限定为实体(或 多个实体)的多个区域自发结合成结构聚集体，其中实体的至少两个 区域(或代表多个实体的至少两个区域)能够相对移动并彼此接触， 而无需实体(或多个实体)的任意区域与实体(或多个实体)外部的 设备物理接触。以下描述自组装、自发结合的例子。
在一个实施方案中，形成自组装电装置的方法包括以下过程： 提供包含第一导电区域的第一结构部分，以及提供包含第二导电区域 的第二结构部分。如上所述，导电区域可以包含导电金属、以及导线、 导电垫、电极等。如果通过任何无需外部设备与第一或第二部分接触 以使它们彼此接触的方法使得第一和第二部分从第一构型相互相对移 动到第二构型，则第一和第二结构部分自发结合。第一和第二结构部 分可以是一个整体，即单个结构的两个部分或以其它方式相互连接， 或在自组装之前可以分开且不连接的组件。在某些情形中，第二自发 结合的构型可以限定第一和第二导电区域之间的电连接。
例如，如果该第一和第二结构部分各自包含磁性元件，则产生 磁场的外部设备可用于使第一和第二部分的磁性元件相互吸引。该第 一和第二部分的磁性元件的相互吸引能够使该第一和第二部分相互接 触。这一过程是自发结合的例子，因为用来使该第一和第二部分接触 的磁场，而不是与这两个部分之一或二者物理接触的设备。其它自发 结合的例子包括通过毛细管力、范德华力、静电力、亲水/疏水力等的 相互吸引。第一和第二部分可在以下条件下自发地结合，其中至少第 一结构部分和第一导电区域在移动过程中明显变形，并且在一些实施 方案中，处于更柔性的第一状态的第一导电区域转变为在第二构型中 的更刚性的第二状态(反之亦然)。变形的例子包括弯曲、拉伸、压缩、 延展等。本文中，“明显变形”是指人通过肉眼或通过显微镜等可容易 确定的变形。例如，结构部分的一个区域的明显变形可包括例如基本 线性部分的变形，使得初始线性部分的至少一部分与该初始线性部分 的另一部分限定至少2°、5°、10°、15°、20°、30°的角度或者更大的 角度。或者，区域的明显变形可以包括诱导的弯曲、拉伸或伸长、或 收缩或压缩，使得至少一部分以肉眼可容易地确定的方式变长或缩短 例如至少2％、5％、10％、15％、20％或更大的量。在某些情形中， 第一导电区域改变了相态，例如从第一状态的液体转变为第二状态的 固体，使得该区域在第一状态比在第二状态更柔软。
现在提供各种定义以帮助理解本发明。以下不时使用这些定义 进一步披露了包括将更充分地描述本发明的其它方面和实施方案。本 文使用的“微流体通道系统”是指包括至少一个具有至少一个小于 1mm截面尺寸的通道的装置、设备或系统。
本文使用的“非流体互连”的流体流路是指各自包括一个通道或 多个流体互连的通道的流体流路，其中不同流路的通道在结构中并不 相交而且在物理上相互分离以使它们相互之间不能通过流体流的体积 混合而相互流体连通。
本文使用的“流体流路”是指一个通道或两个或更多的一系列互 连的通道，其在微流体结构内提供能够包含流体或凝固的流体或使流 体能通过其连续地流动的空间。该结构的每个流体流路可包括至少一 个能够处于与微流体结构以外环境流体连通位置的开口，并且一些流 体流路的实施方案包括至少两个能够处于与微流体结构以外环境流体 连通位置的开口，由此提供入口和出口。
本文使用的“通道”是指流路或流路的连续段，其位于微流体网 络的一个或多个层面内和/或穿透微流体网络结构一个或多个层面。本 文使用的“互连通道”是指在结构中的两个或多个能够在相互之间和通 过彼此连通流体的通道。本文使用的“基本封闭的”通道是指任何基本 上被壁所包括和围绕的流体通道，只是基本封闭的通道可以包括入口、 出口、暴露的接触区域等。本文使用的“非线性”流路和/或通道是指其 纵轴偏离沿其长度的直线超过等于该通道或流路最小截面尺寸的量的 流路或通道。本文使用的通道或流路的“纵轴”是指沿此通道或流路整 个长度布置的轴，该轴与任意整体流体方向的几何中心线同时延伸并 由其限定，该整体流体将流过该通道或流路，而该通道或流路应配置 为使流体从中流过。例如，线性或“直”通道趋向于具有基本线性的纵 轴，而包括一系列这样的直通道的流体互连的流体流路可以具有的纵 轴包括形成流体流路的互连的个体通道的互连“非线性”纵轴。本文提 及的“位于”或“置于”、“处于”、“包含于”微流体结构的一个或多个层 面或层“中”或“内”的通道是指这样的通道，该通道的纵轴与表面轮廓 共平面，或在由弯曲表面限定层面或层的情形中沿着表面轮廓布置， 其中该通道是位于或被置于或包含于其中的层面/层的通道。本文提及 的“穿透”、“贯穿”或“横贯”结构的一个或多个层面/层的通道是指这样 的通道，该通道的纵轴不与表面轮廓共平面或在由弯曲表面限定层面 的情形中不沿表面轮廓布置，使得该通道的纵轴不与可位于该层面中 的任何线平行。
本文使用的“多层面微流体网络”或“多层面微流体网络结构”是 指一种能够包含可凝固的流体和/或提供在其中流动的流体的结构，其 中包括至少三个通道并可包括更多；此外，该结构包括至少三个通道， 此三个通道排列成彼此之间不存在包含处于其中的该三个通道的纵轴 的单个平面或弯曲平坦表面。因其结构上的三维性，这样的多层面微 流体网络能够例如在结构中提供具有沿空间的x、y和z三个方向分量 对齐的纵轴的通道(该纵轴限定为与通道中整体流体流动方向平行对 齐的通道的轴中心线)。这样的结构图示于图4A、4B、9、10A～10F 和13A中。生产具有排列在多层面网络中的通道的微流体结构的能力， 使得系统可包括提供一个或多个独立流体流路的多个通道，该通道和 流路可以布置在任意复杂的几何网络中，因为该结构的通道具有在结 构中相互从上方和/或下方交叉的能力。
为了使多层面微流体网络避免通道在平面投影的交叉点处相 交，一般在结构中提供至少三个可辨识的“层面”：“低”层面包含的置 于其中的通道穿过“高”层面的“下方”，而“高”层面包含的置于其中的 通道穿过包含在底层中的通道的“上方”，并且中间层面分隔低和高层 面的通道并包含贯穿其中的连接通道，该连接通道使低层面中的通道 和高层面中的通道流体连接以形成由一系列互连通道组成的流体流 路。应当理解，在本文中，术语“低”和“高”仅仅旨在指出该结构各个 层面的相对位置，并不意味着暗示该结构在空间中的任何特别的取向。 例如，该结构可以在空间中翻转、旋转等，使得“低”层面位于“高”层 面之上或者这些层面可以并排放置等。在涉及柔性结构的其它实施方 案中，该结构可以扭曲或弯曲从而使平面层面变形为空间中的弯曲层 面，使得该结构的“高”和“低”层面可以相互不同地安置在整个结构中 不同的位置。为了生产具有任意复杂通道网络的微流体网络，一般不 需要附加的层面，因为在投影中并不需要三次或更高次的点以使结构 中的通道可相互从上方或下方交叉并由此在空间中彼此交叉而没有 “交叉”通道在结构中的物理相交。美国专利US6,645,432详细公开了 对于多层面微流体网络及其制造方法的其它讨论，其并入本文作为参 考。
本文使用的结构的“层面”是指在结构中的平面或曲面，其一般 平行于该结构的顶部表面和底部表面，该结构可以具有置于其中和/ 或贯穿其中的通道或一系列通道。应当理解在讨论和附图中微流体网 络结构经常显示为具有平面表面以使结构中的层面为平面，但是许多 所述结构由柔性和/或弹性材料制造并能够经弯曲、扭曲或变形而偏离 图示的平面构造。对于这样的实施方案，结构中的“层面”将包括平行 于该结构的变形平面表面的曲面，而且本文的任何关于该结构的讨论 都应当理解为包括这样的曲面以及图示的平面。在本文中使用的比较 空间中两个平面的拓扑结构的“平行”具有其通常的数学意义，即是指 两个表面相互之间在各处等距间隔。
如上所述，本发明的结构或装置也可以包括一个或多个端口， 例如能接受和/或输出流体并与在该结构或装置中的一个或多个通道 流体连接的入口和/或出口。在一个实施方案中，诸如电极的导电区域 可以延伸通过入口和/或出口。在另外的情形中，入口和/或出口可以 包括上述的组合或全部。本质上，该装置可以具有从一个到数十个或 数百个的任何数量的入口和/或出口，其能够与一个或多个导电区域和 /或组件流体连通。
用于本发明各个实施方案中的微流体通道系统可以包括一个或 多个通道或流体流路和/或一系列通道，其中的一些或全部可以是封闭 的并且一些或全部通道可以是相互连接的。通道可以位于同一普通平 面内作为该结构的一个或多个层面，和/或可以位于相交的平面中。流 路不必是直的，而是可以沿着诸如弯曲路径、曲折路径或其它路径的 非线性路径前进。在一些情形中，通道可以具有至少一个小于约1mm 的截面尺寸，而在其它情形中，该截面尺寸小于约500微米、小于约 300微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约30微米、小于 约10微米、小于约3微米、或小于约1微米。在某些情形中，一个或 多个通道具有至少一个在约1微米和约100微米之间的截面尺寸。应 当认识到每个通道的形状、纵横比和/或截面尺寸可以随流体和应用而 变化。通道可以具有任何合适的允许流体输送的截面形状。例如，方 形通道、圆通道、圆形通道、矩形通道(例如具有任意纵横比)、三角 形通道、不规则通道等。例如，在一个实施方案中，微流体通道系统 包括至少一个具有一定长度、宽度和厚度的层，其中该层的厚度小于 该层的宽度和该层的长度，该微流体通道系统包括厚度大于宽度的高 且窄的通道(例如，具有约80微米的厚度和约50微米的宽度的通道)。 类似地，在某些实施方案中，这样的微流体通道系统可以包括至少一 个其厚度和/或宽度超过其高度的通道。当然，通道的数量、通道的形 状或几何尺寸、和通道在系统中的布置可以由本领域普通技术人员确 定。微流体通道系统可以通过本领域技术人员已知的任何方法制造。 例子包括但不限于诸如模制、压花、快速原型制造法、掩模技术或其 组合的方法。例如，微流体通道系统可以根据美国专利6,719,868、 6,645,432和6,686,184中描述的方法制造，这些专利并入本文作为参 考。在以下的实施例中也更详细地描述了制造微流体通道的方法。
如上所述，本发明的一些结构和装置使用可包括至少一个置于 该结构第一层面的第一通道和至少一个置于该结构第二层面的第二通 道的微流体网络。可以通过本领域技术人员已知的任何前述方法制造 该微流体网络。在一个特定的实施方案中，可以通过本文所述的自组 装形成包括置于超过一个层面的微流体通道的装置。
图4a示出一个示例性的基本无限数量的多层面微流体网络结 构的实施方案，该结构可用于模制成型根据本发明的三维微固体结构。 微流体网络结构100包括一系列相互连接的通道以提供七个非流体互 连的流体流路。这些通道布置成“蓝状编织”排列。所示的通道系统100 包括排列在平行于y-z坐标平面的平面内的三个非流体互连的流体流 路102、104和106，和排列在平行于x-z坐标平面的平面内的四个非 流体互连的流体流路108、110、112和114。该结构的每个流体流路 包括一系列相互连接的通道(例如，流体流路102包括在结构100中 的相互连接的通道113、124、126、116、118、120、128、122和123)。 在图示的实施方案中，流路102、104和106已填充有已凝固的液体金 属以便形成多层面三维微固体导线。
例如，流路102包括位于结构100第一下层面内的两个通道116 和122和位于该结构第二上层面内的两个通道120和124。流路102 还包括横穿该结构第三中间层面的多个连接通道例如118、126和128 以及包含在该结构第一下层面和第二上层面中的互连通道。结构100 提供的微流体网络不能由包含一系列位于单一平面内的互连通道的二 维结构或者该结构的任意堆叠或排列来制造。换言之，网络100包括 与位于该结构第二上层面内的通道(例如，流体流路102的通道116 与流体流路110的通道130)不平行的位于该结构第一下层面内的通 道。
微流体网络100的流体流路102通过与底表面134流体连通的 入口136和与上表面132流体连通的出口138与外部环境连通。该网 络的其它流体流路具有图示的类似入口和出口。
根据本发明提供的微流体网络的通道具有至少一个不超过约 1mm的截面尺寸，在其它的实施方案中不超过约500微米，在其它的 实施方案中不超过约250微米，在其它的实施方案中不超过约100微 米，在其它的实施方案中不超过约50微米，在其它的实施方案中不超 过约20微米，在其它的实施方案中不超过约10微米，在其它的实施 方案中不超过约5微米，在其它的实施方案中不超过约1微米。上文 中使用的“截面尺寸”是指垂直于通道纵轴的通道截面上最小的截面尺 寸。在某些实施方案中，至少一些通道将具有基本上超过它们最小截 面尺寸的长度；例如至少为约10、50、100、500、1000、5000或10000 倍或更多倍。虽然网络100的通道具有相互之间基本相等的截面尺寸， 但在其它实施方案中，通道可以具有不相等的截面尺寸并且一些通道 可以在结构中具有足够大的深度以使它们处于该结构的两个或所有三 个层面中而不是仅位于如图所示的单一层面中。另外，虽然网络100 中的通道是直的或线性的，但在其它实施方案中通道在其所处的层面 中可以是弯曲的。
图4B示出多层面微流体结构的一个实施方案，其用于形成根据 本发明微固体结构模制成型的线圈式加热器(参见实施例13)，其中 包括具有位于其中的通道的三个层面，使得它们的纵轴与每个层面共 平面，并总共有五个层面。结构220包括包含排列成围绕第二流体流 路224的线圈的流体流路222的微流体网络。这样的排列可能在特定 微流体应用中特别有用，该应用包括例如在包含在流体流路222和224 内的组件之间传热或传质，或者期望各自流路中的材料之间有电、磁、 光或其它环境相互作用的实施方案。在图示的实施方案中，卷绕的流 路222已填充有已凝固的液体金属以形成多层面三维微固体线圈。
结构220的第一下层面包括位于其中的线圈流路222的通道 226、228、230和232。来自结构220底部的第二层面包括从中布置的 流体流路222的连接通道236、238、240、242、244、246和248的最 下区234。来自结构220底部的第三层面包括位于其中的流体流路224 的通道250并且也包括连接通道的中间区251。来自结构220底部的 第四层面包括横穿其中的连接通道的上区252，并且结构220的最上 层面包括位于其中的流路222的通道254、256、258和260。
用于支持通道的结构可以包括根据本发明适合的任意形状或材 料。例如，结构可以是块状、膜状、管状等。在本发明的一个实施方 案中使用聚合物结构。在另一个实施方案中使用柔性结构。在又一个 实施方案中使用包括弹性结构的微流体通道系统。在一个特定的实施 方案中，弹性结构包括PDMS。在某些情形中，该结构包括热绝缘或 电绝缘材料。在其它情形中，该结构包括热稳定材料，例如当与导电 材料接触时，当加热结构以熔融该导电材料时，和/或当对该导电材料 施加电流时，基本不熔融、分解或变形的材料。结构也可以包括具有 组合的或全部这些性质的任意材料。
包括诸如微流体通道的一个或多个通道的结构可以通过物理和 /或化学手段图案化以使在通道中流动的诸如导电金属的材料和通道 壁之间界面的表面自由能最小化，其中导电金属被描述为在本文公开 的通道中的材料，应当理解可以用其它材料替代而且这一术语仅为用 于说明的目的。通道的壁可以用任何允许导电金属流入和/或流过该通 道的技术来图案化并且该壁可以防止通道自发的反润湿。在某些情形 中，这样的技术可包括在结构的壁上沉积一种或多种与制造该结构的 化学物质不同的化学物质。也可以应用能改变通道壁的化学或物理特 性的技术。应当注意可根据流入通道的金属的化学和/或物理特性以及 通道壁的化学和/或物理特性使用不同的润湿通道的化学物质和/或方 法。例如，在一个实施方案中，包括PDMS的结构中的微流体通道通 过向该通道中流入烷硫醇溶液例如十八烷硫醇的乙醇溶液而改变，由 此在该通道壁上沉积一层烷硫醇。基于所用的技术，烷硫醇可以共价 键合于或物理吸附于通道壁上。可以使用任何能充分涂覆通道的化学 物质。烷硫醇也可以沿通道连续地涂覆，或者不连续地涂覆在通道的 一些离散部分上。类似地，在某些实施方案中，可以在通道表面上沉 积替代烷硫醇的或附加至烷硫醇上的薄金属层，例如金。在某些优选 的实施方案中，表面用硅烷如3-巯基丙基三甲氧基硅烷涂覆(参见实 施例3和图6)。
优先润湿金属的区域在此称为“润湿区”；不优先润湿金属的区 域称为“非润湿区”。也可以在通道中沉积超过一种的化学物质以使第 一化学物质比第二化学物质更优先地润湿金属。这些化学物质的沉积 可以使通道的某些部分比其它部分更优先地润湿金属。
如上所述，在本发明的一个实施方案中，可以在本发明结构的 通道中提供导电材料，该导电材料可以选择为能在某些条件下流动而 在其它条件下凝固的材料。例如，在第一较高温度下流动而在第二较 低温度下呈固态的材料。在一些实施方案中，这种材料包括室温下为 固体但在容易达到的高温下为液体的金属(即，“低熔点”金属)。本文 使用的“低熔点金属”一般是指熔点在约30摄氏度(℃)和约900摄氏 度(℃)之间的金属；在某些情形中，低熔点金属的熔点在约30摄氏 度(℃)和约700摄氏度(℃)之间；在其它情形中，该金属的熔点 在约30摄氏度(℃)和约500摄氏度(℃)之间；在某些情形中，该 金属的熔点在约30摄氏度(℃)和约400摄氏度(℃)之间；在某些 情形中，该金属的熔点在约30摄氏度(℃)和约330摄氏度(℃)之 间；以及在某些情形中，该金属的熔点在约50摄氏度(℃)和约200 摄氏度(℃)之间。在其它实施方案中，导电金属可以包括作为低熔 点金属的第一金属和不是低熔点金属的第二金属，只要当第一金属是 液体时，该第一金属的至少一部分能流入微流体通道系统中的流体流 路的至少一部分中即可。
在一些例子中，导电金属包括诸如钎料或钎料合金的低熔点金 属。例如，在一个实施方案中，低熔点金属可包括铟(In)、锡(Sn)、 银(Ag)、铅(Pb)、铋(Bi)、镉(Cd)、锌(Zn)或锑(Sb)中的 一种。在另一个实施方案中，低熔点金属可以包括以上列出的金属中 的两种或多种的组合。例如，该金属可以包括以下非限制性的具有任 意百分比组成的金属组合之一：锡和铟；铟和银；锡、铅和银；锡和 银；锡和铅；以及铟和铅。钎料的例子包括但不限于诸如各种锡-铅合 金的钎料，例如，50％Sn/50％Pb，60％Sn/40％Pb等。其它钎料可以 包括锡和/或铅以外的其它金属，例如铋、镉、锡、铟、锌、锑、铜、 银、金等。钎料的特定非限制性的例子包括45％Bi/23％Pb/8％Sn/ 5％Cd 9％In(熔点为约47℃)、50％Bi/25％Pb/12.5％Sn/12.5％Cd(熔 点约为70℃)、48％Sn/52％In(熔点约为118℃)、42％Sn/58％Bi(熔 点约为138℃)、63％Sn/37％Pb(熔点约为183℃)、91％Sn/9％Zn(熔 点约为199℃)、93.5％Sn/3％Sb/2％Bi/1.5％Cu(熔点为约218℃)、 95.5％Sn/3.5％Ag/1％Zn(熔点为约218℃～约221℃)、99.3％Sn/ 0.7％Cu(熔点为约227℃)、95％Sn/5％Sb(熔点为约232℃-240℃)、 65％Sn/25％Ag/10％Sb(熔点为约233℃)、97％Sn/2％Cu/0.8％Sb/ 0.2％Ag(熔点为约226℃～228℃)、77.2％Sn/20％In/2.8％Ag(熔点 约为187℃)、84.5％Sn/7.5％Bi/5％Cu/2％Ag(熔点为约212℃)、 81％Sn/9％Zn/10％In(熔点为约178℃)、96.2％Sn/2.5％Ag/0.8％Cu/ 0.5％Sb(熔点为约215℃)、93.6％Sn/4.7％Ag/1.7％Cu(熔点为约 217℃)、或LMA-117(熔点为约45℃)。某些优选的钎料组合物列于 下表2中。低熔点金属也可以由具有关于熔点和共熔特性等知识的本 领域普通技术人员选择，以具有例如能够流入微流体通道的合适熔融 温度。
因而，导电材料可在本发明过程中的某些时间以液体形式存在。 本文使用的“液体”由能流动的特性限定并可包括处于液体状态(即， 不是固体或气体)的材料，以及颗粒和/或处于固体状态但能够流动的 颗粒。例如，当温度高于固体金属本体的熔点时，在所用金属被用于 涂覆金属时或在仅对该金属的一部分加热时，该金属的全部或仅一部 分可以熔化，但一些熔点可高于施加的温度的金属中的颗粒、团粒、 杂质、其它实体或金属的其它部分可以保持固体形式。只要导电金属 的至少一部分能流入微流体通道的至少一部分中，该导电金属就可以 认为是“液体”并可根据本发明使用。
诸如在微流体通道系统中的导电材料例如金属可以至少部分限 定导电区域。在一些例子中，用作导线的金属可以限定导电区域。在 另一个实施方案中，微流体通道系统包括至少第一导电区域和电连接 第一导电区域的第二导电区域。在一些例子中，两个区域的至少第一 区域包括低熔点金属。第二导电区域可以包括与第一区域金属相同或 不同的低熔点金属，或第二导电区域可以包括非低熔点金属。导电的 非低熔点金属的非限定性例子包括铜(Cu)、铂(Pt)、钯(Pd)、金 (Au)、镍(Ni)等。在另一个实施方案中，微流体通道系统可以包 括多个导电区域，其中至少一个区域包括低熔点金属。例如，通道可 以包括三个或四个导电区域，其中至少一个包括低熔点金属。在另一 个实施方案中，通道可以包括五个或六个导电区域，其中至少一个包 括低熔点金属。在另一个实施方案中，通道可以包括数十个、数百个 或甚至数千个导电区域，其中至少一个包括低熔点金属。
具有“电连接”的两个导电区域是指电流能从第一区域传递到第 二区域而没有电流强度的实质性下降(即与两个导电区域的较高电阻 率相比具有可以忽略的附加电阻率)。如此，对于没有与第二导电区域 电连接的第一导电区域，第一电流在第一区域内流动，第二电流可在 第二区域内流动，但电流不能从第一区域传递到第二区域。
在某些情形中，可以通过熔融在第一导电区域中的低熔点金属 的至少一部分而在导电区域之间形成电连接；该金属可以流动并接触 包含或不包含低熔点金属的第二导电区域。使诸如液体金属的流体流 动的方法描述如下。在第一和第二导电区域接触时，在第一和第二导 电区域之间形成电连接。在一些实施方案中，导电区域存在于微流体 通道系统中。第一导电区域的至少一部分可以与第二导电区域的至少 一部分形成电连接；即，通道的整个截面不必为形成两个区域之间的 电连接而充满导电金属。例如，当金属形成电连接时，金属可以在通 道内具有各种形状和/或构造，例如金属可以仅填充至少该通道的一部 分的截面。在另一个例子中，金属可以流动并与通道的形状相符。在 某些情形中，金属可通过某种方式被保持或限制在通道中或通道的一 部分中，例如利用表面张力(即，使得金属被保持在通道中的弯月面 内，例如凹或凸的弯月面内)。在其它情形中，金属可仅沿通道的一部 分连续流动，例如沿通道的一个壁流动，以使该通道仅被部分填充。 金属可以填充通道至任意程度。例如，金属可以基本填充通道使得超 过50％，超过70％或超过90％的通道容积被填充。金属甚至可以完 全填充通道。在其它的例子中，金属可仅填充通道的一部分，使得少 于50％，少于30％，或少于10％的通道容积被填充。
例如，如果在通道的离散部分或片段中沉积诸如润湿剂的化学 物质，则金属可以优先地润湿那些包含该化学物质的片段，由此在通 道中形成金属塞。因此，可以在通道内形成例如金属/非金属/金属/非 金属的片段。这可以是一种在通道内形成独特导电区域的方法。可以 在通道内沉积超过一种的化学物质，使得第一化学物质比第二化学物 质更优先地润湿金属。可以沉积这些化学物质使得通道的某些部分比 通道的其它部分更优先地润湿金属。例如，第一化学物质可以在连接 处和沿“Y”形流路的第一区域沉积；第二化学物质可以在连接处和沿 通道的第二区域沉积。当金属流入流路时，其可比第二化学物质更优 先地润湿第一化学物质，因此流入包含第一化学物质的第一区域。当 第一区域被填充并施加更大的压力使液体金属流动时，第二区域也可 被填充。
引起流体流动的方法有很多。例如，将金属从固体熔为液体， 或将熔化金属和操控装置的过程相结合都可以引起液体金属流动。操 控过程包括施加于系统的任何能量或力，其帮助金属从第一位置流到 第二位置。在一个实施方案中，通过推动流体金属通过通道使流体金 属流动。利用例如重力、泵、注射器、增压容器或任意其它压力源对 包含流体金属的通道施加压力可以推动流体。在另一个实施方案中， 可由于施加于含金属的通道的诸如出口的端口的真空或减压使金属流 动。真空可以通过能提供低于金属上游存在的压力条件的任意源提供。 这样的源包括真空泵、文丘里管、注射器、被抽空的容器等。在另一 个实施方案中，可改变机械结构以引起金属流动。例如，在一个特定 的实施方案中，可以通过均匀地或非均匀地下压包含通道的结构以对 其施加压力。在另一个实施方案中，弯曲或折叠结构的过程可以改变 通道被弯曲或折叠的位置处通道的形状并导致通道截面在该处收缩。 这会造成在通道中的流体流出高压区并流入低压区。也可以应用操控 过程的组合以使液体金属流动并形成电连接。在其它的实施方案中， 结构可经超声波处理以利于液体金属流入通道。
在本发明的一个方面，可以通过通道外部的连接使通道内的导 电区域之间形成电连接。例如，在一个实施方案中，微流体通道系统 包括接近但不与第二微流体通道流体连通的第一微流体通道。第一通 道可以包括第一入口、第一出口和在入口和出口之间的第一导电金属。 第二通道可以包括第二入口、第二出口以及出口和入口之间的第二导 电金属。可以是具有任意尺寸、形状或组成的任意导体的第一电极， 只要其能够形成连接导电区域的电连接，就可以与第一入口中的第一 金属电连接；第二电极可以与第二入口中的第二金属电连接。第一和 第二电极可以通过例如各自与电源的连接在例如装置以外相互电连 接。当然，电极可以位于与各个导电材料电连通的任何位置并且这并 不是入口情形所独有的。可以在第一通道的第一出口附近施加高于第 一金属熔点的第一温度，由此使第一金属在该区域中熔融。可以在第 一通道的第二出口附近施加高于第二金属熔点的第二温度，由此使第 二金属在该区域中熔融。可以通过在第一和第二出口之间放置电组件 使得在第一出口中的第一液体金属与第二出口中的第二液体金属之间 形成电连接，从而其与第一和第二金属形成电连接。电组件也可以与 结构的多于两个的通道一起形成多于两个的电连接。在一个实施方案 中，可以通过对整个包含多个含有金属的通道的结构施加高于金属熔 点的温度以形成多个并联的连接。电组件的例子包括LED、晶体管、 二极管等。
在某些实施方案中，在第一和第二导电区域之间的电连接可能 出现断点，以致于该断点引起电流强度实质性的降低(甚至包括电流 信号的消失)，其中该电流强度响应施加在两个区域之间的电势而从第 一区域传导到第二区域。可能出现电连接断点的原因很多，包括对包 含第一和第二导电区域的装置的正常使用、或者是否对装置施加过大 的力、或者是否该装置掉落、弯曲或通过其它手段变形。电连接断点 可根据本发明的以下方法修复。断点两侧的区域可以指定为第一和第 二区域。可以通过熔融第一区域的金属和/或第二区域的金属修复该断 点，其中该金属是如上所述的低熔点金属。如以下更详细的讨论，可 以施加高于第一区域低熔点金属熔点的温度使金属熔融；熔融可以使 至少部分金属流向第二区域。该金属可以与第二区域的至少一部分接 触并重建与第二区域的电连接。该金属可以被冷却至低于该金属熔点 的温度。重建的电连接可以具有与区域间断点发生前电流相似的从第 一区域传导至第二区域的电流强度。
可以通过本领域普通技术人员已知的任何方法熔融金属。例如， 可以通过加热金属直至该金属温度高于该金属熔点以熔融该金属。在 一个实施方案中，可以在导电区域附近局部施加热。在一个特定的实 施方案中，可以直接加热金属。在第二个特定的实施方案中，可以通 过在第一导电区域附近位置加热包含金属的结构来间接加热金属。在 一些例子中，间接加热第一导电区域附近的结构使热量传递到第一金 属。如果传到第一金属的热能够将该金属加热到高于第一金属的第一 熔点的温度，则第一金属可以完全地或不完全地熔融。可以通过各种 方法间接加热结构，例如将热源置于第一导电区域附近但不接触该区 域的位置。例如，在一个实施方案中，焊枪在接近第一导电区域处与 结构接触。焊枪加热结构和第一导电区域中的金属，并熔融第一导电 区域中的至少部分金属。在另一个实施方案中，通过加热包含微流体 通道系统的整个结构以熔融金属。也可以通过各种方法间接加热结构， 例如通过将该结构置于炉中、热板上、热流体浴中、热灯或光下、或 通过其它方法。在另一个装置中，可通过使电流流过区域来加热一个 或多个区域。例如，在存在相对低电阻率的电流路中由于断裂或其它 原因使其电阻率上升但仍然可以流过一些电流的地方，使电流通过该 流路可以加热该流路，特别是其中因部分或全部断开而具有升高的电 阻率的区域，特别是在部分断裂部分。这可使诸如金属的导电材料流 动并重新形成连接以降低电阻率和修复装置。作为选择，可以在包含 导电区域的一个或多个通道的区域附近的结构中嵌入加热元件。直接 或间接加热第一区域/通道可使金属熔融；根据加热元件的尺寸/间距/ 能量输出，施加同样的热可以或不可以使在其它区域/通道中的金属熔 融。根据装置的用途和应用，金属可被熔融至不同程度。例如，在一 个实施方案中金属可完全熔融，即直至金属完全成为液体；在另一个 实施方案中，金属可以不完全熔融，即直至仅部分金属成为液体。
在另一个实施方案中，包含微流体通道系统的结构包括至少含 有具有第一熔点的第一金属的第一导电区域和含有具有第二熔点的第 二金属的第二导电区域。第一熔点可以比第二熔点低；因此，如果对 整个结构施加在第一和第二熔点之间的温度，则仅第一导电区域中的 第一金属会熔融。可以通过各种方法间接加热该结构，例如通过将该 结构置于炉中、热板上或通过其它方法。
如本文所述，可以通过许多技术熔融金属。在一些例子中，加 热金属、熔融金属并使金属流入通道可能是有用的。可能需要在通道 外的导电区域(例如电极)和通道内的导电区域之间形成电连接。在 其它例子中，加热通道外的金属，熔融该金属并使该金属流入该通道 内可能是有用的。有时需要在通道内的第一和第二导电区域之间形成 电连接。在其它情形中，可能需要加热金属，熔融该金属并使该金属 流出通道。这可能在形成与包含微流体通道系统的结构之外的电组件 或其它实体的电连接的应用中有用。
在一些例子中，需要通过间接地加热通道中金属的一端来熔融 金属并使该金属从第一通道的第一部分引导至第一通道的第二部分、 至第二通道、和/或通过出口至第一或第二通道的外部。例如，在一个 实施方案中，可以用热源间接加热通道第一部分中的金属的第一端。 由于局部加热，仅该端的金属可以流动。只要热源加热该金属的附近 就可以使该金属流动，即如果移去热，则该金属可以凝固。因此，可 以通过沿连接通道的第一部分和第二部分的通路加热金属的离散部分 使该金属被引导至第一通道的第二部分；在一些例子中，可通过这一 方法形成电连接。
在一个实施方案中，结构可以包括在通道中含有至少第一导电 区域和第二导电区域的微流体通道或流路，其中该第一和第二导电区 域并未彼此电连通，并且其中至少第一区包括第一导电金属。一系列 的传感器和加热元件可以彼此电连通，并置于结构中沿通道的不同区 域中。该传感器和加热元件可以与该通道中的金属一起建立负反馈回 路。例如，传感器可以检测通道中该传感器所在区域中的金属缺失并 向一个或多个加热元件发送信号，使该加热元件局部加热该通道的该 区域。来自加热元件的热量可以使该区域中的钎料熔化并流入该通道， 由此填充该通道并关闭来自该传感器的信号。类似地，一系列的传感 器和冷却元件可以彼此电连通并置于结构中沿通道的不同区域中。该 传感器和冷却元件可以与该通道中的金属一起建立负反馈回路。例如， 传感器可以检测通道中该传感器所在区域的高温并向一个或多个冷却 元件发送信号，使该冷却元件局部冷却该通道的该区域。这样的冷却 可以使在该通道区域中的至少部分金属凝固。在该同一区域检测到特 定低温可以使得传感器关闭其冷却信号。因此，加热第一导电金属并 使该金属流动和形成与第二导电区域之间的电连接可以通过使用连接 至该装置的一系列传感器和加热和/或冷却元件自动地执行。换言之， 电连接的形成和重新形成可以根据本发明自动地进行。
在一些例子中，单独熔化金属不能使其在微流体网络结构的通 道中流动，但通过对结构施加附加能量可以使金属流动。例如，在一 个实施方案中，包括微流体通道系统的结构可以包括含有具有第一熔 点的第一金属的至少第一导电区域和含有具有第二熔点的第二金属的 第二导电区域。第一和第二导电区可以与在润湿金属的通道壁上的区 域(润湿区)对齐。第一和第二导电区域可以被通道中的间隙分开； 该间隙可以与在不润湿金属的通道壁上的区域(非润湿区)对齐。加 热至高于第一和第二金属的熔点的温度可以使第一和第二金属熔融。 由于润湿区有利的表面自由能，金属可以不流入该间隙。如果施加大 于金属/间隙界面能的能量，则第一或第二金属可以流入间隙的至少一 部分中。这种能量可以是变形能量形式，例如弯曲通道结构可压缩该 通道的一部分并可使该通道内的第一或第二液体金属流入间隙的至少 一部分中。该能量可以是磁能形式，例如，如果磁性颗粒悬浮在第一 液体金属中，则对第一金属施加磁场可以使第一金属流入该间隙的至 少一部分中。该能量可以是振动能或声能(例如超声波能)形式。当 然，本领域普通技术人员可以确定其它合适的对系统施加能量的方法 以克服金属/间隙界面的表面自由能。
在本发明的某些实施方案中，金属可置于可使其在熔融时能流 入第一微流体通道的位置。金属可置于可使其在熔融时或者熔融并同 时进行操控微流体结构的过程时能流入第一微流体通道的第一通道附 近的任何位置。也可以使用操控过程的组合。操控过程包括施加于系 统的任何能量和力，其帮助金属从第一位置流到第二位置。该第一和/ 或第二位置并不限于通道内。例如，在一个实施方案中，金属可以位 于第一通道外。结构外的管可以充满金属；金属可以在管内时熔融， 管可以插入第一通道的入口，并且可以对管施加压力以使金属流入第 一通道。在另一个实施方案中，金属可以位于包括第一通道的结构的 顶部，并接近第一通道的入口。该金属可以位于该入口的顶部上。熔 融该金属可使其在重力作用下通过入口流入第一通道。对第一通道的 出口施加真空可以帮助金属流入通道。
在以上的例子中，微流体结构可以具有在金属熔融时帮助该金 属流入结构的通道的任意构造。例如，该结构可以具有通向入口的斜 面以使该金属在熔融时在重力作用下流入该入口。该入口可以包括具 有远大于通道直径的开口直径以使该金属能容易地进入该入口。可以 用优先润湿该金属的化学物质图案化该结构的一部分以使该金属在熔 融时沿着图案化的区域流动并进入该通道。在所有情形中，根据装置 的用途，通道可以全部或部分地填充。
液体金属可以在任何一点通过将该金属置于低于该金属温度的 温度下冷却以凝固该金属。根据装置预期的用途，金属可以完全凝固， 即金属完全是固体，或金属可以不完全凝固，即仅部分金属是固体。 金属可以直接或间接冷却。本领域普通技术人员可以确定将金属温度 降至低于该金属熔点的任何方法。这些熔融/冷却/熔融/冷却的步骤等 也可以实施任意次。
本发明的另一个方面提供形成自组装结构的方法。该方法可以 包括以下步骤：提供包含结构元件的组件，和允许该包含结构元件的 组件在第一结构元件处于第一更柔性状态的条件下显著地从第一形状 变形至第二形状。“显著变形”或“显著地变形”限定如上。组件可以是 作为最终组装结构一部分的任何单元。“结构元件”可以是提供最终组 装结构的结构整体的至少一部分的任何单元。在一个实施方案中，结 构元件可以包含在组件中。例如，结构元件可以是嵌入柔性平面组件 中的导线。
组件和结构单元都可以显著变形；然而，它们可以通过相似或 不相似的方式显著变形。变形的例子包括弯曲、拉伸、压缩、拉伸等。 在一个实施方案中，该结构元件可以从第一态到第二态改变相态(例 如，从液态变为固态)，使其在第一态下比在第二态下更柔软。组件从 第一形状到第二形状的变形可以在该组件没有物理接触外部设备以促 使该组件变为第二形状的情况下进行。换言之，变形可以在外部设备 的帮助下进行，只要该外部设备本身不物理接触该组件。例如，不与 该组件物理接触的外部设备可以是对该组件施加磁场的设备、或提高 围绕该装置区域温度的热源。利用包括但不限于磁力、毛细作用力、 疏水/亲水力、范德华力或静电力等的力，变形可通过多个组件或组件 的多个部分的自发结合进行。
最终组装装置的至少一部分可以比未组装的组件更刚性。例如， 在一个实施方案中，组件或组件的部分可以在未组装状态下比组装状 态下具有更多的运动自由度。
在一些例子中，组装的装置比未组装的组件包括更多的功能性。 例如，在一个实施方案中，自组装后可以出现组件间的电连接，例如 电连接可以在组件组装时形成。如前述本发明的一个实施方案中所述， 电连接可以形成在第一组件和第二组件之间，该第一组件包括作为包 含第一导电区域的第一微流体通道的第一结构元件，该第二组件包括 作为包含第二导电区域的第二微流体通道的第二结构元件。该第一或 第二组件可包括诸如PDMS的柔性材料。第一和第二导电区域的至少 一部分在第一未组装状态下可以包括诸如钎料的液体金属使得该结构 元件呈柔性。在第二已组装状态下，该装配可以被冷却至低于该液体 金属熔点的温度以凝固该金属。凝固该金属也可使得在组装的各元件 间形成电连接。如果该装置的电连接被破坏，则可以通过熔化该金属 重新形成电连接以及冷却该金属来修复该连接。
在另一个方案中，自组装技术包括在没有接触组件的外部刺激 的情况下，通过软化该组件的照射一部分，使该部分变形，然后硬化 该组件中已知有新的电连接形成的地方，从而连接原先未连接的组件 和/或将组件从第一形状向第二形状变形。在形成新的电连接的实施方 案中，自组装后得到的装置可以是电路的一部分，或可以限定包括电 源、电路和基于电刺激而移动和/或在电刺激下发射诸如光或声信号的 功能性电装置，或其它与已知的或先进的电路相关的功能。
在另一个实施方案中，结构可以包括包含第一结构元件的组件。 该第一结构元件可以包括在微流体通道中的第一导电区域的至少一部 分。该结构可以是平面层形式，并可以包括诸如PDMS的柔性材料。 该平面层可以通过诸如折叠、扭曲、弯曲、卷绕等变形成三维结构。 可以在第一和第二通道间形成电连接，其可构成例如三维电网络。如 果该装置的电连接断裂，其可如上所述通过熔融该金属、重新形成该 电连接和冷却该金属而修复。
现在描述一个在结构中制造微流体通道过程的例子。应当理解， 这仅作为例子，而本领域技术人员将知道其它适合形成微流体结构的 技术，例如美国专利6,719,868、6,686,184和6,645,432中所述，这些 专利各自并入本文作为参考。在一个实施方案中，微流体通道可以通 过应用针对适当母模的标准模制品而制造。例如，微通道可以通过在 由光刻术产生的图案化光刻胶表面浮雕(母模)上浇铸PDMS预聚物 (Sylgard 184，Dow Corning)而由PDMS制造。光刻胶图案可以包 括具有期望尺寸的通道。在65℃下固化1小时后，可以从母模中移走 聚合物以得到具有表面浮雕微通道的独立的PDMS模制品。可以贯穿 PDMS板的厚度切出入口和/或出口。为形成基本封闭的微通道，该微 流体通道可以通过以下方式密封。首先，PDMS模具和PDMS平板(或 其它合适的材料，例如玻璃片)可以放入等离子体氧化室中并氧化1分 钟。然后可将PDMS结构放在PDMS板/玻璃片上，并使其表面浮雕 与该板接触。通过在两个基材间桥接硅氧烷键(Si-O-Si)的形成而导 致不可逆的密封，该键是等离子体氧化后存在于两个表面上的硅醇 (SiOH)基团间缩合反应的结果。这样的过程将在以下实施例3和6 中更详细地描述。
以下实施例旨在说明本发明的某些实施方案，而非例示本发明 的全部范围。
实施例1-制造使用PDMS微流体结构的LED装置
通过使用PDMS制造包括彼此未电连接的第一和第二微流体通 道的结构。在该通道中充有0.01mM的十八烷硫醇(HS(CH2)17CH3) 溶液；然后从该通道中移走该溶液，导致在该通道壁上沉积十八烷硫 醇层。该十八烷硫醇层使该通道壁可在后续步骤中被液体金属润湿。 LED放在两个通道的出口之间以使LED的接线端桥接该两个通道。 该通道然后填充洁净的低温熔融钎料合金(例如，LMA-117；该钎料 未被氧化并在使用前一直保持在pH1的水中)。一旦进入该通道，就 通过热烙铁将其熔融以在外部操控该钎料。用烙铁移动并重定向在通 道中的钎料。用烙铁柔和地对钎料施加热和/或压力，使得小滴钎料离 开通道并与LED接线端接触，以在LED和通道导电区域之间形成电 连接。使该钎料冷却并形成固体。然后使第一电极与第一通道中的钎 料电连接，使第二电极与第二通道中的钎料电连接。该第一和第二电 极然后与电源连接。当电源接通时，点亮LED。
该结构然后机械弯曲，折断在第一通道中的一个钎料区，由此 断开该装置的电连接。然后，当第一和第二电极与电源连接时，LED 不能被点亮。将烙铁放在结构的断裂处，加热以重新熔融该钎料。一 旦该钎料被重新熔融，就重新形成第一导电区域中的电连接，熔接该 断裂并使LED能重新点亮。
实施例2-使用烷硫醇改善液体金属(钎料)对PDMS微流体通道的 润湿
本实施例显示根据制造通道的材料和/或图案化通道壁的化学 物质，液体金属(例如低温熔融钎料)润湿不同通道壁的程度。在用 乙醇中的10mM十八烷硫醇洗涤表面后，测量10微升(μL)低温熔 融钎料合金LMA-117(Small Parts，Inc.)液滴在干PDMS和玻璃上 的接触角(度)。每个接触角测量两次：一次在表面放置液滴后立即测 量，另一次在暂时重新熔融液滴(～70摄氏度，1分钟)并使其回到 室温后测量。
表1.低温熔融钎料合金LMA-117在干PDMS和玻璃上的接 触角(度)
  玻璃(洁净)   PDMS   硫醇   新鲜   再加热   新鲜   再加热   无   十六烷硫醇   l-巯基-十一酸   145   140   140   139   131   135   133   119   90   123   119   88
实施例3-用于在微流体结构中制造传导通路的技术
在PDMS中制造微流体通道和用钎料填充通道以形成“微固体 结构”
根据图5所示过程制造微固体结构。在步骤A中，使用之前描 述的程序在硅晶片501(浅浮雕)上的SU-8光刻胶(Microchem，Inc.) 502中制造微流体通道的下层和上层母模500，这些程序描述于美国专 利6,645,432和Xia，Y.；Whitesides，G.M.Soft Lithography.Angew. Chem.Intl.Ed.1998，37，550-575；以及Duffy，D.C；McDonald，J.C； Schueller，O.J.A.；Whitesides，G.M.Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane).Anal.Chem.1998，70， 4974-4984中。用(十三氟-1，1，2，2-四氢辛基)-1-三氯硅烷将晶片硅烷化 过夜。在步骤B中，在母模上旋涂厚度为200μm的新鲜制备的PDMS (Sylgard 184，Dow Corning，Inc)，热固化(70℃，8小时)以形成 固体层504，并剥离。在包含非封闭通道508的PDMS层504上用针 (16.5Ga)冲制入口和出口孔506。
在硅烷化的硅晶片(未示出)上旋涂厚度为100μm的第二层 PDMS并热固化(70℃，8小时)以形成固体PDMS基底510。将两 层PDMS(504和510)暴露于氧等离子体中1分钟，并相互接触以 形成永久密封。为了易于把持装置，将未图案化的基底层510留在硅 晶片(未示出)上。
在步骤C中，为增加钎料润湿通道的能力，硅烷化通道壁。在 使用上述氧等离子体的15分钟内将3-巯基丙基三甲氧基硅烷的乙腈 溶液(1∶1000浓度)导入微流体通道网络中以完全填充通道。刚刚(＜15 分钟)暴露于氧等离子体的PDMS通过在表面上形成羟基而呈现亲水 性。3-巯基丙基三甲氧基硅烷溶液与该表面反应以形成具有硫醇基团 的表面(参见图6)；该硫醇改变PDMS的表面能并使其能被液体钎 料润湿。该装置然后充入硅烷在22摄氏度下存放1小时；1小时后， 将所有溶液都从通道中蒸发掉。这一过程在现已封闭的微流体通道 512的内表面上涂覆硅烷层514，其降低了注射液体钎料的自由能势 垒。
在步骤D中，将液体钎料注射入微流体通道中。经测试的8种 钎料合金(AIM Specialty Solders，Inc.的In100、In97/Ag3、 In80/Pbl5/Ag5、In52/Sn48；和Small Parts，Inc的LMA-117、LMA-158、 LMA-255、LMA-288)的组成和物理性能列于表2。微流体装置置于 热板上，将熔融的钎料滴(～1克)放在微流体通道的每个入口处； 热板比该钎料的熔融温度高20℃。用红外照相机(Inframetrics Inc.) 观察装置中的温度分布；PDMS的温度是近似均匀的，具有低于15％ 的热板温度的最大偏差。在微流体通道的出口处使用负压源(120托)； 钎料被快速牵引通过微流体通道(＜1秒)。
表2：用于形成导线和结构的钎料的性质。
In100、In97/Ag3、In52/Sn48和In80/Pb15/Ag5的值来自供应商(AIM Specialty Inc.)和Hwang，J.S.，Modern Solder Technology for Competitive Electronics Manufacturing.McGraw Hill：Boston，1996。 LMA钎料的值来自供应商(Small Parts，Inc.)。
  钎科     熔点     (℃)     导电率     (Ω·m)-1     布氏硬度     (MPa)                                          组成                                          (％总重)   零售价     (美元/克)   In   Ag   Bi   Pb   Sn   Cd     In100     In97/Ag3     In80/Pb15/Ag5     In52/Sn48     LMA-117   LMA-158   LMA-255   LMA-288   158     146     146     118     47     70   124   138   12×106     n.p.     ～5×106     6.8×106     2.3×106     2.3×106   2.3×106   2.8×106   8.83     n.p.     ～15     11.1     12.0     9.2   10.2   22   1.50     1.50     1.50     1.50     0.49     0.04   0.05   0.07   100     97.0     80.0     52.0     19.1     0.0   0.0   0.0   0.0     3.0     5.0     0.0     0.0     0.0   0.0   0.0   0.0     0.0     0.0     0.0     44.7     50.0   55.5   58.0   0.0     0.0     15.0     0.0     22.6     26.7   44.4   0.0   0.0     0.0     0.0     48.0     8.3     13.3   0.0   42.0   0.0     0.0     0.0     0.0     5.3     10.0   0.0   0.0
用钎料填充通道后，装置516从热板上移开并冷却至25℃；在 ＜5分钟的时间内，钎料在微流体通道/室中冷却并凝固成固体金属结 构。从该硅基片上剥离(步骤E)该聚合物装置以生产嵌入PDMS(～ 300微米厚)中的具有约50微米最小截面厚度的柔性金属结构。图7A 表示示例性的完成装置的照片。
实施例4-制造在微流体结构中的柔性导线
使用如上实施例3中描述的过程制造嵌入PDMS中的柔性金属 导线。图7A示出嵌入PDMS层702中的导线700(长度＝5厘米，宽 度＝50微米，高度＝80微米)，该导线是未改变的(顶部)、卷绕的(8 匝-中间)和超卷绕的(16匝-底部)。图7B示出类似的嵌入在PDMS 706中的导线704(长度＝5厘米，宽度＝200微米，高度＝80微米)， 其中通道包含小的PDMS柱708(直径50微米)。在后的例子表明这 种技术可以用于制造用其它方法不易制造的导线和其它具有复杂图案 化特征的结构。嵌入PDMS中的未图案化的和图案化的导线都用鳄嘴 夹保持卷曲形状-当该夹松开时，PDMS中的张力使该导线展开回到 它们原来的形状。已观察到具有大截面积(20000μm2)的导线比具有 小截面积(100900μm2)的导线在操控形状下保持更长时间。
用本技术制造的导线可以手工弯曲成各种形状，例如：它们可 以包在毛细管周围(图7C)，打成结(图7D)，卷成“果冻卷结构”(图 7E)，和用于制造复杂的编织结构(图7F)。为形成图7F的编织结构， 三个图案化导线的末端被编成三维编织结构。
实施例5-制造在微流体结构中的柔性格栅
本发明的“微流体”技术可用于制造复杂的柔性金属格栅(图 8A～8D)。将以上实施例3中描述的制造过程用于图案化在PDMS微 流体通道中的钎料(长度＝2厘米，宽度＝5毫米，高度＝80微米)， 该通道包含具有基本圆形(图8C)、正方形(图8A(对齐的)和8D (偏移的))或菱形(图8B)截面的PDMS柱800(直径50～100微 米)。在微流体通道的出口施加真空，快速(＜1秒)用钎料填充该通 道并生产具有独特图案的金属栅格和网。冷却后，钎料填充的PDMS 结构轴向地扭曲一圈半。该栅格的形状在缓慢松弛前保持＞1小时。也 可将该栅格弯曲成其它形状(未示出图像)。右侧的图像显示用光学显 微镜放大的图案以从后方示出该栅格；金属层呈黑色。在每个情形中， 金属结构都是5毫米宽，2厘米长和100微米厚；PDMS的厚度为300 微米。该栅格用镊子802轴向扭曲一圈半。在右边的图像中，用金属 镊子使对象保持原位。
实施例6-制造多层面三维微流体结构中的微固体结构
根据图9所示的过程制造多层面微固体结构(参见美国专利 6,645,432和Anderson，J.R.；Chiu，D.T.；Jackman，R.J.； Cherniavskaya，O.；McDonald，J.C，Wu，H.；Whitesides，S.H.； Whitesides，G.M.Fabrication of Topologically Complex Three-Dimensional Microfluidic Systems in PDMS by Rapid Prototyping.Anal.Chem.，2000，72，3158-3164)。如以上实施例3中所 述，在硅晶片904上的光刻胶902中制造微流体通道网络的上下层母 模900，并硅烷化。将PDMS(Sylgard 184，Dow Corning，Inc)倒在 母模上，热固化以形成固体PDMS层906，并剥离。使用针(分别为 22Ga和16.5Ga)在PDMS的下层906和上层912中分别冲制通孔908 和入口孔910。使用XYZ台将PDMS的顶层912对齐下层906，并将 两层PDMS暴露于氧等离子体中1分钟。两层结合在一起形成永久密 封。该两层/两层面装置用第二氧等离子体处理并密封至作为基底的第 三未图案化的PDMS层914。在应用氧等离子体的15分钟内，使3- 巯基丙基三甲氧基硅烷的乙腈溶液(0.1M)流入该微流体通道网络， 并将该装置在22摄氏度下存放1小时，如以上实施例3中所述。用液 体钎料填充微流体通道并冷却以形成嵌入PDMS中的固体金属结构 916，如以上实施例3所述。蛇状的封闭流路918代表在图案中的单个 “编织样式”。整个微流体结构具有如上图4中所示的结构。图6A示 出完整装置的照片。
如本实施例所显见，本发明的“微固体”技术使得通过多层光刻 术制造三维多层面装置成为可能(图9)。应用本实施例的技术制造图 10A-10E的装置。图10A表示图4蓝状编织图案中的钎料微结构的 放大图像。
图10B示出围绕中心微流体通道制造的钎料线圈，该微流体通 道具有基本类似于以上图5所示的结构。通过对齐和结合四个PDMS 层构造该线圈，这些层中的三个包含微流体通道。密封后，将钎料一 步注入该线圈。
图10C示出使用微固体制造来生产横贯多个三维层的结构。该 图示出由16个PDMS层组成的装置；每层包含通过本实施例技术制 造的特征-两个平行的微流体通道。当这些层对齐和结合在一起后， 如上所述，将钎料一步注入通过所有16个PDMS层，冷却和凝固该 金属以形成连续固体钎料线。
实施例7-从微流体结构中机械释放钎料结构以生产独立的金属结构
为了从微流体通道中释放独立结构，对其中具有未封闭微流体 通道的PDMS层进行氧等离子体处理，并使其与玻璃载片(未被氧化) 贴合接触，以将其粘附于玻璃上并以如上实施例3所述方式形成封闭 通道，只是用玻璃载片替代未特征化的PDMS底层。如上所述，硅烷 化该通道，填充钎料，并冷却。通过从玻璃载片上剥离PDMS层来释 放金属结构。固体金属结构保留在玻璃载片上，并用剃刀切割钎料和 玻璃间的界面以将该结构从载片上移走。
实施例8-从微流体结构中化学释放钎料结构以生产独立的金属结构
在本实施例中，通过在25摄氏度无搅动的情况下用1.0M氟化 四丁基铵(TBAF)的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液溶解聚合物48 小时，以从PDMS中释放微固体金属结构。这一过程在从多层面微流 体网络中释放不能通过剥离PDMS而释放的金属结构时特别有用。释 放后，该金属结构用镊子从溶液中移出并用环氧树脂将其安装在玻璃 载片上，以利用光学显微方法对其成像。图10D示出嵌入PDMS中 的具有蓝状编织的金属结构(参见图6和图10A)。图10E示出使用 上述化学释放过程从聚合物中释放的同一结构。
实施例9-用其它金属涂覆独立微结构
在如实施例8所述释放微结构后，通过电镀或无电沉积用其它 金属层涂覆该钎料微结构。根据制造商的使用说明书，使用无电镀铜 EC50溶液A和B(Technic，Inc.，Cranston，RI)在释放的微固体结构 上无电镀铜。钎料涂覆铜后(约浸渍1小时，用轨道混合器轻柔搅拌)， 电镀其它金属，包括1微米金(Technic Gold 25；Technic，Inc.； Cranston，RI)和2微米镍(Nickel Plating Solution SN10 Type； Transene；Danvers，MA)。
实施例10-“愈合”钎料微结构
钎料微结构中的破裂或缺陷可以修补或“愈合”(参见图 11A-11D)。如上实施例3所述，在两层PDMS之间制造钎料合金 (In100)的金属线1100(高度＝80微米，宽度＝500微米，长度＝5 毫米)(图11A-破裂区1102，在图11B-11D中放大显示)。未破裂 时，导线的电阻率为0.40Ω(图11B)。将PDMS结构弯曲180°以折 断嵌入的导线。弯曲的导线的电阻率为无限大(图11C)。该装置然后 在100℃加热5分钟然后放入超声波浴中1秒钟。在这一过程之后， 钎料导线的电阻率又为0.40Ω(图11D)。作为用于促进“痊愈”的超声 波浴的替代，可以使用超声波探头，可以在导线接线端施加高电压， 或在熔融导线附近挤压该PDMS结构。
预言的实施例11-制造柔性微固体FM收音机
本发明的微固体技术使得制造用于界面连接和相互连接的电子 元组件以形成功能性电路和设备的柔性导线网络成为可能。为说明这 一能力，制造嵌入PDMS中的调频(FM)收音机。该FM收音机包 括8-针DIP处理器、电阻、电容器、外部9V电池和外部耳机。设备 中的连接线包括根据上述过程注入微流体通道的金属钎料。该收音机 可被弯曲和扭曲并成功地接收和放大从87.9FM到107.9FM的FM无 线电台。
实施例12-制造“微固体”射频变压器
本发明方法使得在多层面微流体结构中制造复杂电子装置和电 路成为可能。图12A示出嵌入PDMS结构中的高频变压器1200的照 片。该变压器包含用于引导磁场的充入空气的核1202(高度＝80微米， 宽度＝2.5毫米，长度＝31毫米)、包含第一螺线管1204的螺旋状导 线和包含第二螺线管1206的螺旋状导线(二者都由In100形成，高度 ＝80微米，宽度＝800微米)，各自缠绕在中心核1202两侧周围。该 变压器用类似于实施例6所述的过程制造。三个包括微流体通道的 PDMS层对齐并结合在一起，在通道中注入用于第一和第二螺线管的 钎料，冷却以形成固体导线，如上所述。对于图像中显示的变压器， 第一螺线管的匝数与第二螺线管的匝数的比(匝数比)为1/4。
为表征该变压器，通过该装置输入端(第一螺线管1204)施加 来自高频函数发生器的振幅为48mV(峰到峰)的周期性信号。为获 得电连接，在钎料仍然是液体时，将铜导线(Digikey Inc，直径200 微米)插入钎料通道的入口孔。当钎料冷却时，该导线被固定在适当 位置。将MicrograbberTM鳄嘴夹(Pomona Inc)连接该铜导线以连接 外部电线和嵌入在PDMS中的钎料结构网络。该变压器的输入和输出 端(第二螺线管1206)信号用高频示波器测量。增加通过该变压器输 入的波形频率以确定该装置的频率响应(参见图12B)。在输出端测量， 观察到在30.8MHz处的最高共振频率。图12C示出该示波器测量到 的在该共振频率下(30.8MHz)通过该变压器输入端(第一螺线管 1204)和输出端(第二螺线管1206)的特征波形。输入信号的振幅为 48mV(峰到峰，5mV误差)。输出信号的振幅为188mV(峰到峰， 5mV误差)，产生的电压变换因数为3.92，效率为98％。
实施例13-制造线圈微加热器
本发明提供用于制造混合电子-微流体系统的技术。这样的装 置的一个例子示于图13A。图13A示出嵌入PDMS中的线圈微加热 器1300。该装置包含围绕中心微流体通道1304(高度＝80微米，宽 度＝800微米，长度＝3厘米)轴对称定位(为清楚起见，在图13A 中加黑了该中心微流体通道的外壁)的钎料线圈1302(In100，高度 ＝80微米，宽度＝800微米，长度＝12厘米)。该结构的整个构造类 似于以上在图4B和10B中所示的。线圈1302缠绕(10次)在该微 流体通道1304的一部分的周围，该部分的长度为1.6厘米。该装置用 类似于实施例6所述的过程制造。包含微流体通道的三个PDMS层对 齐后结合在一起。如以上所述，用于线圈的钎料被注入通道，冷却以 形成固体导电通路。
为表征该微加热器，一系列电流(I＝0-600mA，100mA间隔) 通过该线圈，同时使去离子水流过中心通道(流量Q＝100μL/min)。 为获得电连接，当钎料仍然为液体时，在钎料通道的入口孔中插入铜 导线(Digikey Inc，直径200μm)。当钎料冷却时，该导线被固定在 适当位置。将MicrograbberTM鳄嘴夹(Pomona Inc)连接该铜导线以 连接外部电线和嵌入在PDMS中的钎料结构网络。由于焦耳热，通过 微流体通道的流体的温度随着通过钎料线圈的电流强度成比例地增加 (图13B)。在测量水温之前，对线圈施加电流并使流体连续流过微流 体通道5分钟(为了平衡)。用红外照相机(Inframetrics，Inc.)记 录微流体通道中处于稳定状态的水温。
实施例14-制造混合微流体电磁体装置并使用该装置捕获和释放在 微流体通道中流动的超顺磁性磁珠
在这个实施例中，在包含微流体通道的PDMS结构中制造电磁 体，其中使用类似于以上实施例3和7中描述的以及以下所述的过程 将该结构与玻璃载片结合。该过程描述于图14A中。在这些装置中， 参考图14B，如上所述用钎料填充两个出口通道1404和1406以形成 电磁体1408和1410。中心通道1402用于流体。我们使用电子线路控 制施加在两个电磁体上的电流(参见图15)。
对由电磁体产生的磁场建模
不被任何特定的操作本发明微流体电磁体系统的理论所限制， 提供以下讨论以指导本领域技术人员在形成根据本发明的电磁体系统 时考虑建造和操作方面的某些参数和细节。参考图16A，当电流通过 导线时，其产生磁场B。公式1描述该磁场强度作为与无限长的柱线 轴心距离的函数。在此，Iwire是通过导线的电流(安培(A))，x是离 开导线中心的距离(m)，μ0是自由空间的渗透率(1.26×10-6H/m)：
$\left|B\right|={\mu }_0\frac{I_{\mathrm{wire}}}{2\mathrm{\pi x}}---\left(1\right)$
通过导线的电流在正交于电流方向的方向上产生正比于1/x的 磁场强度。图16B包含说明由通过导线的电流产生的磁场强度作为在 微流体通道中距离x函数的图。
磁场梯度在场强增加的方向上产生作用于顺磁性磁珠的力。公 式2是计算该力的公式，其是以下四个参数的函数：磁场梯度的平方 B2(T2/m)，磁珠体积V(m3)，磁珠的磁化系数χ(无量纲)，和自由空 间渗透率μ0(Lee，H.；Purdon，A.M.；Westervelt，R.M.Manipulation of biological cells using a microelectromagnet matrix.App.Phys.Lett. 2004，85，1063-1065)：
$F=\frac{V_{\chi }}{{\mu }_0}{▿B}^2---\left(2\right)$
结合公式1和2得到用于计算在导线中通过直流电流时在x方 向上施加在超顺磁磁珠上的力的公式3(Eq.3)。图16C包含描述作为 x的函数的该力的图。
$F_x=-{\mathrm{V\chi \mu }}_0\frac{{I_{\mathrm{wire}}}^2}{2{\pi }^2{x}^3}---\left(3\right)$
图16A显示了部分该电磁体的图解模型，其对应于磁场作图(图 16B)和通过位于距微流体通道1402 10微米处的电磁体1408的电流 施加在超顺磁磁珠上的力(图16C)。磁场B由正交于该电磁体钎料 导线方向的场线描述；微流体通道中的水平线表示力场；x表示距导 线中心的距离。在模型中假定无限长度的钎料导线和均匀的电流密度。 为了图16C的目的，也假定磁珠是完全球形的具有磁化系数0.165和 直径5.9μm的磁珠。对于250mA、500mA、700mA和1000mA的电 流，峰值磁场强度(和峰值力)分别确定为0.714mT(0.206pN)、1.43mT (0.823pN)、2.14mT(1.85pN)和2.86mT(3.29pN)。
在微通道中作用于超顺磁性磁珠的力有两个：磁力Fx(公式3) 和斯托克力(Stokes force)Fs，其由悬浮液体的粘性拖曳施加(公式 4)。在公式4中，η是悬浮介质的动力学粘度(10-3kg/m.s)，v是超顺 磁性磁珠的速度(m/s)，R是颗粒的半径(m)：
$F_s=-6\mathrm{\pi \eta \upsilon R}---\left(4\right)$
结合公式3和4，推导出(参见以下推导细节)用于将超顺磁 性颗粒从微通道的一个侧壁移动到对侧壁的时间T的公式(公式5)。 在此，a是从电磁体中心到微流体通道侧壁的距离(m)，b是从电磁 体中心到超顺磁性颗粒初始位置的距离(m)；我们假设横跨通道的初 始颗粒分布是均匀的，并且忽略颗粒的惯性。图18D中的虚线显示模 型的结果(证明非常适合观测到的捕获时间数据-如以下详述获得)。
$T=\frac{9}{4}\frac{{\pi }^2\eta }{\chi {\mu }_0{R}^2}·\frac{(b^4-a^4)}{{I_{\mathrm{wire}}}^2}---\left(5\right)$
对超顺磁性磁珠移动穿过微流体通道的时间的推导
在微通道中作用于超顺磁性颗粒的力的平衡式为：
$\mathrm{ma}=F_s+F_x---\left(6\right)$
忽略磁珠的惯性(ma＝0)并用对应的公式替代磁力Fx(公式 3)和斯托克力Fs(公式4)生成以下表达式：
$0=6\mathrm{\pi \eta \upsilon R}-\mathrm{V\chi }{\mu }_0\frac{{I_{\mathrm{wire}}}^2}{2{\pi }^2{x}^3}---\left(7\right)$
对于在负x方向上移动的超顺磁性磁珠(向着电磁体)，公式7 简化为以下公式：
$\mathrm{V\chi }{\mu }_0\frac{{I_{\mathrm{wire}}}^2}{2{\pi }^2{x}^3}=6\mathrm{\pi \eta R}(-\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}})---\left(8\right)$
分离公式8中的独立变量并用颗粒的半径表示其体积得到以下 表达式：
$\frac{1}{9}\frac{{\mathrm{\chi \mu }}_0}{{\pi }^2\eta }{R}^2{I_{\mathrm{wire}}}^2·\mathrm{dt}=-x^3·\mathrm{dx}---\left(9\right)$
从超顺磁性颗粒的初始位置b到微流体通道侧壁的位置a积分 公式9得到以下表达式：
$\frac{1}{9}\frac{\chi {\mu }_0}{{\pi }^2\eta }{R}^2{I_{\mathrm{wire}}}^2·{\int }_0^T\mathrm{dt}=-{\int }_b^a{x}^3\mathrm{dx}---\left(10\right)$
对T求解公式10得到用于移动磁珠穿过微流体通道所需时间的 公式5。
$T=\frac{9}{4}\frac{{\pi }^2\eta }{\chi {\mu }_0{R}^2}·\frac{(b^4-a^4)}{{I_{\mathrm{wire}}}^2}---\left(5\right)$
电磁体的温度特征
电流通过金属导线产生焦耳热，使导线温度上升。导线的温升 可用公式11计算：
$T_{\max }-T_{\mathrm{ref}}=\frac{x{I}^2}{\mathrm{\sigma kt}{w}^2}---\left(11\right)$
此处，Tmax是导线的最大温度(°K)，Tref是玻璃基底的温度(°K)， x是基底的厚度(m)，σ是导线的电导率(m/Ω)，k是基底的热传导 率(W/m·°K)，t是导线的厚度(m)，w是导线的宽度(m)。
基于公式3和11推导出模型以确定导线的宽度，该导线将产生 作用于超顺磁性磁珠的最大的力而不会超过最高的稳态温度。使用平 均磁珠直径5.9μm，χ＝0.165，r＝30μm，x＝700μm，σ＝ 1.20×107mhos/m，k＝1.12W/(m·°K)，t＝40μm，基底温度Tref＝22℃， 和最高稳态温度Tmax＝50℃，确定了对于约120μm宽的导线，最大的 力为1.71pN(图17A-17C)。在本实施例中所用的电磁体都使用具有 该最优宽度的导线构造。
图17A～17C示出根据作为磁体宽度函数的公式(1)、(3)和 (12)计算的最大电流(图17A)、磁场(图17B)和作用于磁珠上的 力(图17C)的模型计算。假设以下参数：磁珠直径＝5.9μm，χ＝0.165， r＝30μm，x＝700μm，σ＝1.20×107mhos/m，k＝1.12W/(°K m)，t＝ 100μm，底层温度Tref＝22℃，以及最高稳态温度Tmax＝50℃。使用 这些参数，对于约120μm宽的导线，确定最大的力为1.71pN。
制造微流体通道
根据图14A图示的过程制造微流体结构。如实施例3所述，在 硅晶片1403上的光刻胶SU-8(MicroChem，Inc)中制造微流体通道 的母模1401。用(十三氟-1，1，2，2-四氢辛基)-1-三氯硅烷将晶片硅烷化过 夜。将PDMS(Sylgard 184，Dow Corning，Inc)倒在母模上，热固 化，并剥离。在通道层中用针(22Ga)冲制入口和出口孔。
PDMS和玻璃底层暴露于氧等离子体中1分钟，并使PDMS与 玻璃接触以形成永久密封。在应用氧等离子体的15分钟内，使3-巯 基丙基三甲氧基硅烷的乙腈溶液(0.1M)流入该微流体通道网络中， 装置在22摄氏度下存放(～1小时)直至溶液蒸发出该微流体通道。 该过程在微流体通道的内表面涂覆硅烷，硅烷减小表面自由能并有利 于液体金属润湿微流体通道的壁。
注射液体金属
用硅氧烷加热带(Daigger Inc)包裹玻璃注射器(10mL， MicroMate Inc)加热至～200℃，并充入液体钎料合金(5g，99.99％In， AIM Solders Inc)。将具有微流体通道的装置置于设定在200℃的热板 上。将注射器的尖端插入微流体通道的一个入口并对注射器加压使钎 料注入该装置的微流体通道中。液体钎料快速充满该通道(＜1秒)。
冷却钎料形成电导线
当钎料仍然是液体时，将铜导线1412(Digikey Inc，直径200μm) 插入钎料通道的入口和出口孔中(图14A，底部)。该装置然后从热板 上移走并在玻璃板上冷却至25℃。该钎料凝固成微流体通道的形状。 该过程也在通道的入口和出口处固定铜导线在适当位置。为加固电导 线，在电导线和钎料的接触点处涂覆并固化可光固化聚氨酯1414 (NOA81，Norland Products，Inc)(图14A，底部)。在铜导线上附 着NanograbberTM鳄嘴夹(Pomona Inc)以连接外部导线和嵌入在 PDMS中的钎料结构网络。
电子学设置
图15示出用于驱动电磁体装置的电路的示意图。10V电源(BK Precision，Inc)和双6V、10V电源(Agilent，Inc)(同为1502)连 接电路。使用函数发生器1504(Agilent，Inc)对电路施加可变幅度 和频率的信号。信号幅度的增加增强了通过电磁体的电流并增强了磁 场强度。
分拣在微流体通道中流动的超顺磁性磁珠
以上描述的微固体电磁体装置可用于构建开关以将在微流体通 道1402流动的超顺磁性磁珠流分拣入两个下游微流体通道1802和 1804中的一个(图18E-18F)。简要地，如以下所详述，当两个电磁 体都断开时，超顺磁性磁珠悬浮体将在接合处流入左右两个微流体通 道(图18E)。当激活左电磁体(右电磁体断开)时，磁珠被拉向通道 的左壁面并随后导入左微流体通道(图18F)。当右电磁体激活(左电 磁体断开)时，磁珠被拉向通道的右壁面并随后导入右微流体通道(图 18G)。
使用来自函数发生器1504的可编程信号来开/关位于中心微流 体通道1402两侧的电磁体1408和1410，可在微流体通道的任一侧捕 获和释放超顺磁性磁珠(直径5.9μm，χ＝0.165)，在0.5Hz的频率下 可达超过100个循环(图18A-18C)-磁珠悬浮在缓冲液中(2％牛 血清蛋白，0.05％Tween20，0.1％NaN3，按体积计)，加入通道前的浓 度约为每毫升5×108个磁珠。磁珠悬浮体用注射器注入微流体通道； 在实验开始前磁珠是静止的并均匀分散在通道各处。
在微流体通道中的缓冲液中捕获超顺磁性磁珠群所需的时间绘 制在图18D中。为得到数据，将超顺磁性磁珠悬浮体注入通道1402， 使其停止流动，并对包含20个磁珠的通道片段成像。在临近的电磁体 中通入电流，记录“捕获”90％磁珠的时间，亦即，将磁珠从微流体通 道内移动直至接触壁的时间。在施加于导线的80mA和1080mA之间 的各种电流下测量“捕获时间”。
图18A～18C是示出在微流体通道1402中在两个电磁体1408 和1410(黑色)附近处捕获和释放超顺磁性磁珠1806(直径5.9μm) 的图像的照片，该电磁体位于图中微流体通道上和下。在3秒时间期 间获得一系列图像。图18A示出没有电流施加于电磁体的微流体通道。 图18B示出对顶部电磁体1408施加电流(1A，箭头方向)1秒后的 微流体通道；电流产生指向页面平面内的磁场，其最大强度在微流体 通道的顶部表面。磁场梯度对磁珠施加力。通/断电流使得从微流体通 道的表面捕获和释放磁珠成为可能。图18C示出断开顶部电磁体1408 中的电流并且在底部电磁体1410中通入1A电流1秒钟后的微流体通 道。该过程可以重复超过100次并具有类似结果。图18D给出模型结 果和实验测量的激活电磁体后磁珠反应时间的数据。数据点代表在五 次实验中测得的捕获(即与壁接触)90％超顺磁性磁珠群的平均时间。 误差柱代表测量值的范围。捕获磁珠的时间与电流呈逆幂关系(公式 5)。
图18E～18G示出在微流体通道中流动的液体中分拣超顺磁性 磁珠的结果。磁珠悬浮体以～10微升/小时的流量流过微流体通道 1402。在微流体通道的两侧距接合处1801上游1厘米处制造电磁体 1408和1410。电磁体用于使磁殊转向以在接合处流过顶部1802或底 部通道1804。图18E示出当两个电磁体都断开时的接合处图像。图 18F示出底部电磁体1410被激活1秒后(顶部电磁体1408断开)的 接合处图像。图18G显示顶部电磁体1408被激活1秒后(底部电磁 体1410断开)的接合处图像。对于所有的实验，超顺磁性磁珠悬浮在 缓冲液中，在注入微流体通道前其浓度为每毫升5×108个磁珠。通道 1402的高度和宽度为40μm。每个电磁体与通道的距离为10μm。
当在此描述和说明本发明的数个实施方案后，本领域技术人员 将容易设想各种其它手段和/或结构以执行功能和/或获得结果和/或本 文描述的一个或多个优点，并且每个这样的变化和/或改变都被认为是 在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易认识到本文描 述的所有参数、尺寸、材料和构造都是示例性的，并且实际参数、尺 寸、材料和/或构造将取决于使用本发明教导的特定应用。通过使用不 超过常规的实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文描述的本 发明实施方案的许多等价方式。所以，应当理解前述实施方案仅提供 作为实例，在所附权利要求和其等同方式的范围内，本发明可以采用 如具体描述和要求保护的方式以外的其它方式实施。本发明涉及本文 描述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件、和/或方法。另外， 如果这样的的特征、系统、物品、材料、套件、和/或方法并非相互不 一致，则两个或多个这样的特征、系统、物品、材料、套件、和/或方 法的任何组合都包括在本发明的范围内。
如本文所限定和使用的所有定义都应理解为优于被定义术语的 字典定义、通过引用而并入的文件中的定义，和/或通常的含义。
在说明书和权利要求中使用的不定冠词“a”和“an”，除非清楚地 另有说明，应当被理解为“至少一个”。
在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应当被理解为如此 联系在一起的各要素的“任一个或二者”，即在某些情形中关联地给出 的要素和在其它情形中非关联地给出的要素。用“和/或”列出的多个要 素应当以相同的方式解释，即“一个或多个”如此联系在一起的各要素。 除了由“和/或”从句特别指明的要素，无论与那些特别指定的要素相关 或不相关，其它要素可以任选地给出。因此，作为非限定性的例子， 当与诸如“包括”的开放式表述一起使用时，提及“A和/或B”可以指， 在一个实施方案中，仅为A(任选包括除B之外的要素)；在另一个 实施方案中，仅为B(任选包括除A之外的要素)；在又另一个实施 方案中，为A和B(任选包括其它要素)；等。
在说明书和权利要求中使用的“或”应当理解为具有与上述“和/ 或”相同的意思。例如，当分隔列表中各要素时，“和”或“和/或”应当 被理解为是包含的，即包含多个要素中的至少一个，但也可以包含多 于一个要素，以及任选地，包含其它未列出的要素。仅当术语清楚地 表明相反的意思，例如“仅一个”或“正好一个”，在权利要求中使用的 “由…组成”是指包含多个要素中的正好一个要素。一般地，当之前有 排除性术语例如“任一”、“一个”、“仅一个”或“正好一个”时，在此使 用的术语“或”应当被理解为指示排除选项(即“一个或另一个但不是二 者”)。当“基本上由…组成”用于权利要求时，应当具有其在专利法领 域使用的普通含义。
在说明书和权利要求中使用的短语“至少一个”在涉及一个要素 或多个要素的列表时应当被理解为至少一个选自该要素列表的任何一 个或多个要素，但并非必须包括至少一个在该要素列表中特别列出的 各自或每个要素并且也不排除该要素列表中要素的任何组合。这一定 义也允许任选地给出除短语“至少一个”涉及的要素列表中特别指明的 要素之外的要素，无论与那些特别指明的要素相关或不相关。如此， 作为非限定性的例子，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B 中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指，在 一个实施方案中，至少一个，任选包括多于一个，A，而不包括B(以 及任选包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，至少一个，任 选包括多于一个，B，而不包括A(以及任选包括除A之外的要素)； 在又一个实施方案中，至少一个，任选包括多于一个，A，和至少一 个，任选包括多于一个，B(以及任选包括其它要素)；等。
也应当理解，除非清楚地指明相反，在此要求的任何包括多于 一个步骤或过程的方法中，该方法的步骤或过程的次序无须限定为在 该方法中表述的步骤或方法的次序。
在权利要求和上述说明书中，所有的连接词例如“包含”、“包 括”、“带有”、“具有”、“包含有”、“涉及”、“持有”、“由…构成”等等 应当理解为开放式的，即意指包括但不限于。只有连接词“由…组成” 和“基本由…组成”应当各自被理解为封闭或半封闭式连接词。
联邦资助的研究
本发明的各个方面由美国国家健康学会(NIH)(批准号： GM065364和GM067445)、美国国防部高级研究计划署(DARPA)、 美国海军研究室和美国国家科学基金会(批准号：DMR-0213805)资 助。美国政府可能拥有本发明的某些权利。