磁驅(qū)動(dòng)微型泵的制作方法
【專利說(shuō)明】磁驅(qū)動(dòng)微型累
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年9月30日、申請(qǐng)?zhí)枮?00980158664. 8 (PCT/ US2009/059020)、題目為"磁驅(qū)動(dòng)微型累"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003] 本申請(qǐng)要求2009年2月12日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/152, 165的優(yōu)先權(quán)， 其通過(guò)引用全部合并于此。
【背景技術(shù)】
[0004] 本發(fā)明披露內(nèi)容設(shè)及一種用于處理小流體體積的磁驅(qū)動(dòng)微型累。具體地，本披露 內(nèi)容設(shè)及微型累，其包括磁促動(dòng)隔膜W傳送流體。
[0005] 微流體技術(shù)領(lǐng)域一般包括處理在幾個(gè)納米等級(jí)上的非常小的流體體積。在如生命 科學(xué)和化學(xué)分析的領(lǐng)域，微流體技術(shù)具有日益重要的應(yīng)用。微流體技術(shù)設(shè)備，也稱為微機(jī)械 系統(tǒng)（MEMS)，包括用于流體控制、流體測(cè)量、醫(yī)學(xué)試驗(yàn)、DNA和蛋白質(zhì)分析、活性藥物運(yùn)送和 其他生化應(yīng)用的設(shè)備。
[0006] 微型累的典型的流體流速的范圍是從約0. 1微升每分鐘至幾個(gè)巧0-180)毫升每 分鐘。該等級(jí)上的流速在，例如用于化學(xué)和生物分析的可拋棄微型總分析系統(tǒng)（UTA巧或 片上實(shí)驗(yàn)室（L0C)、用于醫(yī)學(xué)診斷測(cè)試的監(jiān)護(hù)測(cè)試點(diǎn)、用于施藥（例如膜島素）的要求精細(xì) 程度的管理和準(zhǔn)確控制的可植入藥物輸送系統(tǒng)、和用于輸血和增壓的屯、臟病學(xué)系統(tǒng)，的應(yīng) 用中有用。
[0007] 由于多數(shù)MEMS處理技術(shù)源自于微電子技術(shù)，在1980年代第一個(gè)娃微型累是基于 薄隔膜的壓電促動(dòng)，主要用于受控膜島素輸送系統(tǒng)。該工作闡述了娃基微型累的可行性和 在娃微型累上的創(chuàng)造性的深遠(yuǎn)的研究。而且，在藥學(xué)和臨床治療領(lǐng)域，多個(gè)商用可植入娃微 型累被報(bào)告用于膜島素輸送和治療劑施藥。
[000引最近，多種聚合材料和新型微細(xì)加工技術(shù)，例如軟平板印刷、微立體光刻技術(shù)、微 模制和聚合表面微機(jī)械加工，已經(jīng)被研究和開(kāi)發(fā)用于不斷增長(zhǎng)的低成本的、集成的和小型 化可拋棄UTAS應(yīng)用。包括塑料和彈性體的許多聚合材料，由于它們優(yōu)良的機(jī)械性能、良好 的化學(xué)耐受性和低制造成本，已經(jīng)被越來(lái)越多地并入到其它微型設(shè)備中作為基底、結(jié)構(gòu)性 構(gòu)件、和功能性構(gòu)件。在最常用的聚合物中，聚二甲娃氧燒（PDM巧已經(jīng)被廣泛地用在微流 體設(shè)備中，該是由于優(yōu)異的生物兼容性、簡(jiǎn)單的制造工藝（模制和可逆結(jié)合）W及光學(xué)透明 性（便于監(jiān)視和查詢）W及彈性（良好的密封和連接性）。
[0009] 基于娃和基于塑料的無(wú)閥微型累被作為實(shí)例使用W與基于聚合物的微型累比較。 基于娃的微型累的制造工藝包括=個(gè)順序的深活性粒子蝕刻值Rffi)步驟和一個(gè)娃-玻璃 陽(yáng)極結(jié)合步驟，同時(shí)LIGA，微注射，或熱壓花模制和多個(gè)薄板通過(guò)粘合劑或螺栓的裝配被 設(shè)及用于塑料累。在另一方面，對(duì)于基于PDMS的微型累，僅需要多層軟平版印刷工藝和 PDMS-PDMS結(jié)合技術(shù)。從制造成本的觀點(diǎn)來(lái)看，基于PDMS的微型累比前兩種類型的微型累 低得多。
[0010] 而且，塑料微型累的主要挑戰(zhàn)是由于薄塑料層的表面粗趟度導(dǎo)致的高流體泄露。 螺栓裝配使得事情更糟，因?yàn)閼?yīng)力集中在層之間的界面上的螺栓連接位置。粘接劑結(jié)合還 傾向于助長(zhǎng)微型結(jié)構(gòu)的阻塞。因此，PDMS是用于微型累的實(shí)用材料（短的處理時(shí)間和低成 本）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 該里披露的微型累的操作原理是，振動(dòng)隔膜導(dǎo)致腔室中的壓力變化，其通過(guò)被動(dòng) 閥的形式來(lái)引導(dǎo)流體管的動(dòng)態(tài)流動(dòng)。通常被動(dòng)閥被并入作為W懸臂活板、橋接隔膜、圓形 球、活動(dòng)結(jié)構(gòu)、噴嘴/擴(kuò)散器或泰斯拉元件形式的往復(fù)微型累的入口和出口中的止回閥。但 是，集成噴嘴/擴(kuò)散器元件的無(wú)閥微型累對(duì)于可拋棄y TAS應(yīng)用具有特別的益處，例如在生 物醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)中，因?yàn)閼腋☆w粒阻塞、磨損和疲勞的移動(dòng)機(jī)械部件的危險(xiǎn)可被降低且 實(shí)際上被消除。而且，噴嘴/擴(kuò)散器的平面特征和簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致用于可拋棄應(yīng)用的微型累 的低成本和小型化。
[0012] 本披露內(nèi)容的無(wú)閥微型累包括噴嘴和擴(kuò)散器元件、流體腔室和振動(dòng)促動(dòng)隔膜。隔 膜被與小塊狀磁體集成，該具有較大的吸引或排斥磁力和隔膜提曲的優(yōu)點(diǎn)。隔膜上的交替 的垂直磁力導(dǎo)致較大的體積行程，其對(duì)于高流速微型累是期望的。此外，磁性促動(dòng)是外部施 加的場(chǎng)，在此情況下微型累受到氣隙的控制。因此，用于在微型累上施加電流或電壓的電連 接器可被避免，其還提供了在UTAS應(yīng)用中的小型化的可能性。
[0013] 本披露內(nèi)容的主題的原理和操作被化OU等人的文章（Fluid Damping Effects on Resonant Frequency of an Electromagnetically-Actuated Valveless Micropump, International Journal of Advanced Manufacturing Technology，April 24,2009)中完 全地解釋，其通過(guò)引用在此全部并入。
[0014] 本披露內(nèi)容的一方面包括用于輸送流體的微型累。該微型累包括累組件，該累組 件具有第一累體，該第一累體限定第一流體流動(dòng)路徑。第一累體包括第一腔室，該第一腔室 包括第一腔室壁和第一側(cè)壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室 流體連通。累組件還包括第二累體，該第二累體限定第二流體流動(dòng)路徑。第二累體包括第 二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁；第二入口和第二出口，其中第二入口和第 二出口與第二腔室流體連通。累組件還包括布置在第一腔室和第二腔室之間的柔性隔膜。 微型累還包括促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與累組件協(xié)作。促動(dòng)器組件包括磁性禪 合至隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)隔膜的位置的傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至隔膜，導(dǎo)致 隔膜提曲，且其中隔膜的該提曲導(dǎo)致第一腔室和第二腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體 流動(dòng)。
[0015] 本披露內(nèi)容的另一方面包括用于從流體儲(chǔ)存器輸送流體的微型累組件，該微型累 組件包括累筒。累筒包括第一累體，該累體限定第一腔室，該第一腔室包括第一腔室壁和第 一側(cè)壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通。累體還包括 第二累殼，該第二累殼限定第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁；第二入口和 第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通，W及布置在該第一腔室和第二 腔室之間的柔性隔膜，其中累筒被構(gòu)造為允許從流體儲(chǔ)存器至第一腔室和第二腔室中的至 少一個(gè)的流體連通。微型累組件還包括殼體，該殼體包封促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造 為與微型累筒協(xié)作。促動(dòng)器組件包括磁性禪合至隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)隔膜的位置 的第一傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至隔膜，導(dǎo)致隔膜提曲，且其中隔膜的該提曲導(dǎo)致第一 腔室和第二腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)。微型累組件還包括控制器，該控制器 聯(lián)接至驅(qū)動(dòng)器且被構(gòu)造為通過(guò)接收來(lái)自第一傳感器的信號(hào)和調(diào)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器施加的磁力來(lái) 控制隔膜位置。微型累組件還包括電源，該電源被構(gòu)造為給驅(qū)動(dòng)器和控制器通電，其中殼體 被構(gòu)造為使得微型累筒可被插入且保持在促動(dòng)器組件中。
[0016] 本披露內(nèi)容的另一方面包括制造微型累的方法。該方法包括步驟；由聚合物材料 制造柔性隔膜，包括步驟；在娃晶片上旋涂第一聚合物層和允許第一聚合物層固化，將磁 性材料布置在第一聚合物層上，在磁性材料周?chē)┘拥诙酆衔飳雍驮试S第二聚合物層固 化，和施加第=聚合物層和允許第=聚合物層固化；通過(guò)將液體聚合物材料誘入模具來(lái)制 造剛性累體，該模具被構(gòu)造為形成流體腔室、入口通道和出口通道，W及允許液體聚合物固 化；將柔性隔膜與剛性累體對(duì)齊；和將柔性聚合物隔膜結(jié)合至剛性累體。
[0017] 本披露內(nèi)容的另一方面是用于輸送流體的微型累。該微型累包括累組件，該累組 件具有第一累體，該第一累體限定第一腔室。第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁、第一入 口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通，W及布置在第一腔室上的 與第一腔室壁相對(duì)的第一柔性隔膜。累組件具有第二累體，該第二累體限定第二腔室，該第 二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁、第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第 二腔室流體連通，W及布置在第二腔室上與第二腔室壁相對(duì)的第二柔性隔膜。累組件還包 括布置在第一累體和第二累體之間的至少第=累體。第=累體限定第=腔室，第=腔室包 括第=側(cè)壁，第=入口和第=出口，其中第=入口和第=出口與第=腔室流體連通，其中該 至少第=腔室與第二隔膜和第二隔膜相鄰。微型累還包括促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu) 造為與累組件協(xié)作。促動(dòng)器組件包括磁性禪合至第一隔膜和第二隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為 檢測(cè)第一隔膜和第二隔膜的位置的至少一個(gè)傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至第一隔膜和第 二隔膜，導(dǎo)致第一隔膜和第二隔膜提曲，且其中第一隔膜和第二的該提曲導(dǎo)致第一腔室、第 二腔室和第=腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)。本發(fā)明包括如下方案：
[0018] 1. 一種用于輸送流體的微型累，該微型累包括：
[0019] 累組件，該累組件包括：
[0020] 第一累體，該第一累體限定第一流體流動(dòng)路徑，該第一累體包括：
[0021] 第一腔室，該第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁，
[0022] 第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通，
[0023] 第二累體，該第二累體限定第二流體流動(dòng)路徑，第二累體包括：
[0024] 第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁，
[0025] 第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通，
[0026] 柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之間；W及
[0027] 促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與累組件協(xié)作，該促動(dòng)器組件包括：
[002引磁性禪合至隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和
[0029] 構(gòu)造為檢測(cè)隔膜的位置的傳感器，
[0030] 其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至隔膜，導(dǎo)致隔膜提曲，且其中隔膜的該提曲導(dǎo)致第一腔室 和第二腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)；W及
[0031] 至少一個(gè)閥，該閥與第一腔室和第二腔室中的每個(gè)流體連通，其中該至少一個(gè)閥 被構(gòu)造為沿預(yù)定方向引導(dǎo)流體流動(dòng)。
[0032] 2.如方案1所述的微型累，其中所