微流體裝置，微流體系統和用於輸送流體的方法

2023-05-20 14:23:06 2

專利名稱：微流體裝置，微流體系統和用於輸送流體的方法
技術領域：
本發明涉及一種微流體裝置、一種微流體系統、一種用於輸送流體的方法以及一種應用。
現有技術微流體裝置特別是被用於控制流體。專業出版物M. Unger et al Science 2000的第288頁的第113至116段例如公開了一種微流體擠壓閥(Quetschventil)形式的微流體裝置，所述擠壓閥由聚二甲基矽氧烷製成。 此外，文獻WO 2009/149986 Al進一步公開了一種微流體擠壓閥及其製造方法。所述擠壓閥在此包括三個基片，其中，第三基片布置在第一和第二基片之間，並且由彈性材料構成。此外，第一基片與第三基片鄰接，並且在與第三基片鄰接的一側上具有至少一個第一空隙。第二基片也與第三基片鄰接、並且在與第三基片鄰接的一側上具有第二空隙。所述第一和第二空隙在此至少部分相對地布置。文獻US 2010/0018584 Al公開了一種微流體系統，其包括壓電執行器，利用所述執行器可對導流通道的壁施加壓力。如果操作壓電執行器，微流體通道的壁就會發生變形，並且可監控或者說可影響流體的流動。文獻US 2005/0205816 Al公開了一種在形成層流的流體塑料結構中應用的可氣動操作的微流體閥。所述微流體閥具有輸入通道和輸出通道，所述通道可利用一個共用的薄膜封閉。此外，所述薄膜可偏移到一個空隙中，並且藉助另一通道可為該空隙提供壓力。如果當前在輸入通道中的流體壓力大於在空隙中的壓力，所述薄膜向空隙偏移，並且液體可從輸入通道流入到輸出通道中。如果如此地提高空隙中的壓力，從而時該壓力超過輸入通道中的流體的壓力，那麼薄膜封閉輸入通道和輸出通道，並且再沒有流體可從輸入通道流入到輸出通道中。最後文獻US 2009/0166203 Al公開了用於毛細管的電泳的微晶片。所述微晶片在此包括輸入通道和分離通道。設計所述通道用於容納通過試樣源提供的試樣。試樣源布置在分離通道的一個端部上。輸入通道和分離通道在此形成T形交叉部。此外，微晶片還包括與T形交叉部鄰接布置的第一閥、分離通道和第二閥，所述第二閥布置在T形交叉部上。第二閥在此是一種二通閥。如果第二閥沿垂直方向被關閉，那麼分離通道的第一端部和第二端部就不處於直接的流體連接中。如果第二閥沿水平方向被關閉，那麼在分離通道的第一端部/第二端部與輸入通道之間就不存在流體連接。然而在輸入通道的第一端部和分離通道的第一端部之間卻存在流體連接。類似地在輸入通道的第一端部和分離通道的第二端部之間也存在流體連接。

發明內容
在權利要求I中定義了一種微流體裝置，其包括第一輸入通道和第一輸出通道，它們通過第一閥可相互流體連接；其還包括第二輸入通道和第二輸出通道，它們通過第二閥可相互流體連接；並且其中，第一通道的至少一個通道通過T形閥與第二通道中的至少一個通道可流體連接；並且其包括用於控制這些閥的控制機構，其中，如此設計所述控制機構，即第一通道中的一個通道中的第一流體以及第二通道中的一個通道中的第二流體可藉助操作這些閥在第一或者第二通道的一個通道中平行地形成層流。在權利要求13中定義了一種用於輸送流體的方法，其特別適合用於按照權利要求I至9中至少一項所述的微流體裝置，和/或適合用於按照權利要求10至12中至少一項所述的微流體系統，所述方法包括下述步驟關閉第一輸入通道或輸出通道與第二輸入通道或者輸出通道之間的T形閥；打開第一輸入通道和第一輸出通道之間的第一閥，並且打開第二輸入通道和第二輸出通道之間的第二閥，其中，第一閥或者第二閥布置在T形閥的下遊；為第一通道提供第一流體並且為第二通道提供第二流體；關閉第一和第二閥；打開T形閥；進一步為輸入通道中的一個通道提供相應的第一或者第二流體，其中，提供了流體的輸入通道是這樣一種輸入通道，即在該輸入通道中T形閥布置在相應的第一或者第二閥的上遊；平行地形成層流並且通過第一或者第二輸出通道輸出這兩種流體。在權利要求14中定義了一種按照權利要求I至9中至少一項所述的微流體裝置的T形閥作為泵的應用。關於輸入通道和輸出通道的名稱在說明書中，特別是在權利要求書中不僅可分別理解為單獨的通道，而且也可以理解為單個通道的一些不同的區段。其中，無論是輸入通道還是輸出通道不僅適用於輸入流體，而且也適用於輸出流體。本發明的其中一個優點在於，能夠提供一種可控制的微流體T形交叉部形式的微流體裝置，所述T形交叉部需要儘可能小的流體容積。另一個優點是，例如為了在微流體系統中利用第二流體對第一流體進行分析，所需流體的總量較少。此外，在為微流體系統提供流體時可在很大程度上避免在微流體系統中形成或者出現氣泡。最後，能夠以簡單和可靠的方式為微流體裝置和微流體系統提供流體；同時要儘可能少地保持輸入通道和輸出通道的數量以及附加的閥的數量。在從屬權利要求中對本發明的其它的有利的改進方案進行了說明。根據本發明的一個有利的改進方案，所述閥中的至少一個閥設計為可氣動地操作。由此得到的優點是，因此能夠以簡單和可靠的方式控制所述閥。根據本發明的另一種有利的改進方案，在T形閥的區域中，第一和第二通道中的至少一個通道具有特別是60°和130°之間的，優選75°和115°之間的，特別適合地是85°和95°之間的彎曲部。按照這種方式可達到輸入通道和輸出通道的對流動特別有利的布置方式，這樣就能使這兩種流體的平行的層流更加可靠。根據本發明的另一種有利的改進方案，將第一閥布置在第一輸入通道中並且將第二閥布置在第二輸出通道中，或者將第一閥布置在第一輸出通道中並且將第二閥布置在第二輸入通道中。按照這種方式可達到微流體裝置的高的靈活性，因為這兩種閥能夠相應地以所期望的要求進行布置，並且同時可將閥和通道的數量限制到最少。根據本發明的另一種有利的改進方案，第一和第二通道通過隔片分流地布置在T形閥的區域中。按照這種方式可簡單地並且同時可靠地允許隔開第一和第二通道。根據本發明的另一種有利的改進方案，隔片具有50 μ m與500 μ m之間的、特別是100 μ m和300 μ m之間的、優選在150 μ m和250 μ m之間的、合適地基本上為200 μ m的寬度和/或高度。在此除了儘可能小的結構空間之外還能實現第一和第二通道的極為可靠的分流。根據本發明的另一種有利的改進方案,第一和/或第二通道具有50 μ m和1000 μ m之間的、特別是200 μ m和600 μ m之間的、優選450 μ m和550 μ m之間的、合適地基本上為400 μ m的寬度。由此得到的優點是，結構空間因此一方面儘可能地小，然而同時在第一和第二通道中能有足夠的流體流。根據本發明的另一種有利的改進方案，第一和/或第二通道具有小於寬度的75%的、特別是小於寬度的66. 7%的、優選小於寬度的60%的，特別是基本上為寬度的50%的深 度。由此得到的優點是，結構空間因此一方面儘可能地小，然而同時在第一和第二通道中能有足夠的流體流。根據本發明的另一種有利的改進方案，所述閥中的至少一個閥設計為擠壓閥。因此，至少一個閥可極為成本低廉地製造，並且可簡單地進行操作。根據按照權利要求10所述的微流體系統的另一種有利的改進方案，將T形閥設計為泵。按照這種方式例如T形閥不僅能混合流體，而且也能藉助T形閥抽吸流體，這就節省了具有其它閥的通道，並且因此降低了微流體系統的製造成本。根據微流體系統的另一種有利的改進方案，布置至少兩個塑料層，並且在它們之間布置彈性薄膜，並且至少所述微流體裝置的通道構造在至少兩個塑料層中。按照這種方式可極為成本低廉地和緊湊地製造微流體系統。


由下面藉助附圖對實施例的說明中得出本發明的其它特徵和優點。其中特別是以示意性的形式示出了
圖Ia是根據本發明的第一實施方式的微流體裝置；
圖Ib是根據本發明的第二實施方式的微流體裝置；
圖2a_2c是圖Ia所示的實施方式的細節示 圖3a_3b是根據本發明的第一實施方式的微流體裝置的閥的俯視圖或者說橫截面圖； 圖3c_3d是根據本發明的第二實施方式的微流體裝置的閥的俯視圖或者說橫截面圖； 圖4是本發明的第三實施方式的微流體系統的三維示圖。
具體實施例方式圖Ia示出了根據本發明的第一實施方式的微流體裝置。圖Ia示出了一種微流體裝置M。其中，微流體裝置M包括第一輸入通道1，所述第一輸入通道通過第一閥6可與第一輸出通道2流體連接。第一閥6通過第一氣動輸入管道5』可氣動地操作。此外，根據圖la，微流體裝置M還包括第二輸入通道3。所述第二輸入通道通過第二閥7可與第二輸出通道4流體連接。第二閥7通過第二氣動輸入管道5』 』也可氣動地操作。在圖Ia中，第一輸入通道I具有基本為90°的第一彎曲部12a。第二輸出通道4也具有基本為90°的第二彎曲部12b。總之，第一輸入通道I和第二輸出通道4在根據圖I的俯視圖中為交叉形布置，其中，T形閥8布置在「交叉」的中心點的區域中。第一輸入通道I和第二輸入通道4通過T形閥8的隔片11分開。T形閥8通過第三氣動輸入管道5』』』也可氣動地操作。為了在其中不包圍有氣泡的情況下將第一通道1、2中的第一流體41和第二通道3、4中的第二流體42平行地形成層流，首先同時地或者替代地依次地為相應的第一或者第二輸入通道1、3提供第一流體41或者第二流體42。其中，通過以下方式打開第一閥6和第二閥7並且關閉T形閥8，即藉助相應的氣動輸入管道5為T形閥8提供壓力。在T形閥8的區域中，兩個引導流體的第一和第二通道1、2、3、4通過T形閥8的隔片11被分開，也就是說在相應的第一和第二通道1、2、3、4中的兩種流體41、42到目前為止沒有混合。在第一和第二通道1、2、3、4中也不存在氣泡。緊接著現在通過第一氣動輸入管道5』和第二氣動輸入管道5』 』為第一閥6和第二閥7提供壓力，並且由此關閉這些閥。T形閥8通過第三氣動管道5』 』 』卸掉壓力從而被打開。通過第一輸入通道I為第一流體 41提供壓力進而通過T形閥8與第二流體42接觸，而在第一和第二這兩種流體41、42之間沒有氣泡或者不能形成氣泡。然後能夠通過第二輸出通道4將第一和第二這兩種流體41、42輸出到另外的、例如用於在分析裝置中進行分析的處理裝置。通過這一措施能夠使第一流體41和第二流體42相互平行地對準，並且儘管如此仍然保持相互分開。在這種做法中，第一流體41和第二流體42可以說依次地形成層流。也就是說,第一流體41和第二流體42平滑地相互貼靠，而不會導致渦流、不會形成氣泡或者出現第一流體41與第二流體42基本上混合的情況。通過輸出通道如此進行輸出，從而第一流體41和第二流體42通過在第一流體41和第二流體42之間的無氣泡的接觸面基本上無充分混合併且相互平行地流動，也就是說，第一流體41和第二流體42平行地形成層流。替代地，第二閥7可以保持打開，並且通過第二輸入通道3可將第二流體42沿T形閥8方向向後推。如前所述，第一和第二流體41、42由此在T形閥8的區域中平行地形成層流，並且能夠通過第二輸出通道4輸出到另外的處理裝置中。其中，也可相反地通過第一輸出通道2或者通過第二輸出通道4在與相應的T形閥8鄰接的通道I或者說4中提供相應的第一或者第二流體41、42。與之相應地，在第一和第二這兩個流體41、42平行地形成層流之後通過相應的另外的通道2、3將平行地形成層流的流體41、42輸出到另外的處理裝置中。在圖Ib中基本上示出的是圖Ia中的微流體裝置。與圖Ia的不同之處是，現在將第二閥6布置在T形閥8的下遊。再次通過打開第一閥6和第二閥7為T形閥8或者相應地鄰接的第一和第二通道2、4提供流體。為了使第一和第二這兩個流體41、42平行地形成層流，再次關閉第一閥6和第二閥7並且打開T形閥8。然後第二流體42通過第二輸出通道4朝向T形閥8向後推(nachschieben),並且在T形閥8的區域中與第一流體41接觸。然後第一和第二流體41、42通過第一輸出通道2輸出到另外的處理裝置中。替代地，第一閥6可以保持打開,從而第一流體41通過第一輸入通道1，第二流體通過第二輸出通道4向後推。然後，第一和第二流體41、42在T形閥8的區域中平行地形成層流，並且然後能夠通過第一輸出通道2輸出到另外的處理裝置中。圖2示出了圖la、lb的實施方式的細節示圖。
在圖2a中基本上示出了第一輸入通道I和第二輸出通道4的結構的俯視圖。其中，第一輸入通道I相對於第二輸出通道4成直角布置，並且通過T形閥8與隔片11以寬度10間隔距離地並且流體地隔開，但是通過操作T形閥8可流體連接地布置。T形閥8又通過第三氣動輸入管道5』 』』可氣動地操作。其中，第一輸入通道I具有預先設定的寬度9。在圖2b中，第一輸入通道I具有基本上為90°的第二彎曲部12b。T形閥8和為T形閥8設置的第三氣動輸入管道5』 』』布置在第二彎曲部12b的區域中。第二輸出通道4通過隔片11與第一輸入通道I隔開布置。然後，藉助T形閥8在第二輸出通道4中的第二流體42可從第二輸出通道4溢出到具有第一流體41的第一輸入通道I中，從而使得第一和第二這兩種流體41、42平行地形成層流。圖2c基本上示出了根據圖2b的輸入和輸出通道。與圖2b的不同之處在於，第一輸入通道I與第一輸出通道2通過可氣動地操作的第一閥6隔開地布置。圖3a至3d示出了根據本發明的第一和第二實施方式的微流體裝置的閥的俯視圖和橫截面圖。圖3a和圖3b示出了第一閥6的結構的俯視圖以及沿A-A切割線的橫截面圖。在圖3a中示出了第一閥6的俯視圖。第一輸入通道I和第二輸出通道4通過隔片11隔開地布置以進行識別。通道1、4也像隔片11那樣構造在第一聚合物層21中。在所述第一聚合物層上面設置薄膜形式的膜(Folie)22 (參見圖3b)，所述膜被第二聚合物層23覆蓋。在第二聚合物層23中布置有具有氣動輸入管道的圓形空隙5a。通過所述氣動輸入管道5可為空隙提供壓力，從而在相應高的壓力時將薄膜22從圖3b中升起的位置平面地貼靠在隔片11上，並且因此這兩個通道1、4相互流體地隔開。圖3a和3d不出了第一閥6的另一實施方式的俯視圖和沿切割線A-A的橫截面圖。與圖3a、3b的不同之處在於，在圖3c和圖3d中布置有第三聚合物層24。第二聚合物層23在此完全包圍住空隙5a，藉助在橫截面中更小的氣動輸入管道5可氣動地為所述空隙提供壓力。根據圖3c和3d的第一閥6的功能原理在此基本上與圖3a和3b的功能原理相同。可通過氣動輸入管道5為第二聚合物層23中的空隙5a提供壓力。如果為空隙5a提供壓力，只要在第一輸入通道I中的流體的壓力小於空隙5a中的壓力，那麼薄膜22就被壓靠到隔片11上。然後，薄膜22就流體地將第一輸入通道I與第二輸出通道4隔開。如果進一步地提高第一輸入通道I中的流體壓力，直到該壓力大於空隙5a中的壓力，那麼薄膜22就會升起，並且第一輸入通道I與第二輸出通道4處於流體連接之中，從而流體就可從第一輸入通道I流入到第二輸出通道4中。圖4示出了本發明的第三實施方式的微流體系統的三維圖。在圖4中基本上示出了與圖Ia和Ib相類似的微流體裝置M的另一種實施方式的等軸視圖。在圖4的中間可以看到T形閥8，所述T形閥一方面與第一輸出通道2連接，所述第一輸出通道通過第一閥6與第一輸入通道I連接；並且所述T形閥另一方面與第二輸出通道4連接，所述第二輸出通道通過第二閥7與第二輸入通道3連接。分別通過第一、第二和第三氣動輸入管道5』、5』 』、5』 』 』為第一、第二和T形閥6、7、8提供壓力。此外，第一輸出通道2和第二輸出通道4在T形閥8的區域中分別具有基本上為90度的第一和第二彎曲部12a、12b，並且在俯視圖中形成類似於圖Ia的「交叉」。為了使第一輸入通道I中的第一流體41和第二輸入通道2的第二流體42平行地形成層流，首先打開第一和第二閥6和7並且關閉T形閥8。按照這種方式也為第一和第二輸出通道2和4相應地提供第一和第二流體41、42。緊接著關閉第一和第二閥6、7並且打開T形閥8。如果現在通過第二輸入通道3進一步向後推第二流體42，那麼第二流體42通過T形閥8溢出到第一輸出通道2中，並且和第一流體41接觸。然後第一和第二流體41、42平行地形成層流、也就是說相互平行對準地利用基本上無充分混合的接觸面、並且在流動速度相同的情況下、並且基本上無氣泡或者空氣雜質地通過第一輸出通道2離開微流體裝置M。替代地，以相反的方式使第一閥6保持打開，其中，通過第一輸入通道I向後推第一流體41，並且通過第二輸出通道4向後推第二流體42。然後在T形閥8區域中第一和第二流體41、42平行地形成層流，並且通過第一輸出通道2離開微流體裝置M。雖然前面藉助優選的實施例對本發明進行了說明，但是本發明並不局限於此，而是可以多種方式進行修改。例如可以這樣的方式代替閥，即為了避免回流只可沿一個方向流過相應的通道。此外，也可以不僅僅氣動地，而且替代地也可以電動地，例如藉助壓元件、特別是壓電元件
操作閥。
權利要求
1.微流體裝置(M)，其包括 第一輸入通道(I)和第一輸出通道(2)，它們通過第一閥(6)能夠相互流體連接； 第二輸入通道(3)和第二輸出通道(4)，它們通過第二閥(7)能夠相互流體連接； 並且其中，第一通道(1、2)中的至少一個通道通過T形閥(8)能夠與第二通道(3、4)中的至少一個通道流體連接；並且 用於控制所述閥(6、7、8)的控制機構(S)，其中，如此設計所述控制機構(S)，從而在第一通道(I、2)的一個通道中的第一流體(41)和在第二通道(3、4)的一個通道中的第二流體(42)藉助操作閥(6、7、8)能夠在所述第一或者第二通道(1、2、3、4)中的一個通道中平行地形成層流。
2.按照權利要求I所述的微流體裝置(M)，其中，所述閥(6、7、8)中的至少一個閥設計成能夠氣動地操作的。
3.按照權利要求I和2中至少一項所述的微流體裝置(M)，其中，在T形閥(8)的區域中，所述第一和第二通道(1、2、3、4)中的至少一個通道具有特別是60度和130度之間的、優選75度和115度之間的、特別合適地是85度和95度之間的彎曲部(12a、12b)。
4.按照權利要求I至3中至少一項所述的微流體裝置(M)，其中，所述第一閥(6)布置在所述第一輸入通道(I)中，並且所述第二閥(7 )布置在所述第二輸出通道(4)中，或者所述第一閥(6)布置在所述第一輸出通道(2)中，並且所述第二閥(7)布置在所述第二輸入通道(3)中。
5.按照權利要求I至4中至少一項所述的微流體裝置(M)，其中，所述第一和第二通道(1、2、3、4)通過隔片(11)流體隔開地布置在所述T形閥(8)的區域中。
6.按照權利要求5所述的微流體裝置(M)，其中，所述隔片(11)具有50微米與500微米之間的、特別是100微米與300微米之間的、優選150微米與250微米之間的、合適地基本上為200微米的寬度(IOa)和/或高度(10b)。
7.按照權利要求I至6中至少一項所述的微流體裝置(M)，其中，所述第一和/或第二通道(I、2、3、4 )具有50微米與1000微米之間的，特別是200微米與600微米之間的，優選450微米與550微米之間的，合適地基本上為400微米的寬度(9a)。
8.按照權利要求7所述的微流體裝置(M)，其中，所述第一和/或第二通道(1、2、3、4)具有小於寬度(9a)的75%的、特別是小於寬度(9a)的66. 7%的、優選小於寬度(9a)的60%的、特別是基本上為寬度(9a)的50%的深度(％)。
9.按照權利要求I至8中至少一項所述的微流體裝置(M)，其中，所述閥(6、7、8)中的至少一個閥設計為擠壓閥。
10.微流體系統，其包括 按照權利要求I至9中至少一項所述的微流體裝置(M)以及一種混合裝置。
11.按照權利要求10所述的微流體系統，其中，所述T形閥(8)設計為泵。
12.按照權利要求10至11中任一項所述的微流體系統，其中，布置有至少兩個塑料層(21、22、23)以及一個布置在它們之間的彈性薄膜(22)，並且其中至少所述微流體裝置(M)的通道(1、2、3、4)構造在至少兩個塑料層(21、23)中。
13.用於輸送流體的方法，其特別是適合用於實施按照權利要求I至9中至少一項所述的微流體裝置(M)和/或用於實施按照權利要求10至12中至少一項所述的微流體系統的方法，所述方法包括下述步驟 -關閉第一輸入通道(I)或輸出通道(2)與第二輸入通道(3)或輸出通道(4)之間的T形閥(8)； -打開所述第一輸入通道(I)與所述第一輸出通道(2)之間的第一閥(6)，並且打開所述第二輸入通道(3)與所述第二輸出通道(4)之間的第二閥(7)，其中，所述第一閥(6)或者第二閥(7 )布置在所述T形閥(8 )的下遊； -為所述第一通道(1、2)提供第一流體(41)，並且為所述第二通道(3、4)提供第二流體(42)； -關閉所述第一和第二閥(6、7); -打開所述T形閥(8); -進一步為所述輸入通道(1、3)中的至少一個通道提供相應的第一或者第二流體(41、42)，其中，提供了所述第一或者第二流體(41、42)的輸入通道是這樣一種輸入通道，SP在所述輸入通道中所述T形閥布置在相應的第一或者第二閥(6、7)的上遊，並且 -平行地形成層流，並且通過所述第一或者第二輸出通道(2、4)輸出所述兩種第一和第二流體(41、42)。
14.將根據權利要求I至9中至少一項所述的微流體裝置(M)的T形閥(8)作為泵的應用。
全文摘要
本發明涉及一種微流體裝置，其包括第一輸入通道和第一輸出通道，它們通過第一閥能夠相互流體連接；第二輸入通道和第二輸出通道，它們通過第二閥能夠相互流體連接；並且其中，第一通道中的至少一個通道通過T形閥能夠與第二通道中的至少一個通道流體連接；並且用於控制所述閥的控制機構，其中，如此設計所述控制機構，從而在第一通道的一個通道中的第一流體和在第二通道的一個通道中的第二流體藉助操作閥能夠在所述第一或者第二通道中的一個通道中平行地形成層流。本發明也涉及一種微流體系統、一種用於輸送流體的方法及其一種應用。
文檔編號B81B1/00GK102862944SQ20121023310
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月6日 優先權日2011年7月7日
發明者C.多雷爾, J.魯普 申請人:羅伯特·博世有限公司