磁驱动微型泵的制作方法
【专利说明】磁驱动微型累
[0001] 本申请是申请日为2009年9月30日、申请号为200980158664. 8 (PCT/ US2009/059020)、题目为"磁驱动微型累"的发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2009年2月12日提交的美国临时专利申请No. 61/152, 165的优先权， 其通过引用全部合并于此。
【背景技术】
[0004] 本发明披露内容设及一种用于处理小流体体积的磁驱动微型累。具体地，本披露 内容设及微型累，其包括磁促动隔膜W传送流体。
[0005] 微流体技术领域一般包括处理在几个纳米等级上的非常小的流体体积。在如生命 科学和化学分析的领域，微流体技术具有日益重要的应用。微流体技术设备，也称为微机械 系统（MEMS)，包括用于流体控制、流体测量、医学试验、DNA和蛋白质分析、活性药物运送和 其他生化应用的设备。
[0006] 微型累的典型的流体流速的范围是从约0. 1微升每分钟至几个巧0-180)毫升每 分钟。该等级上的流速在，例如用于化学和生物分析的可抛弃微型总分析系统（UTA巧或 片上实验室（L0C)、用于医学诊断测试的监护测试点、用于施药（例如膜岛素）的要求精细 程度的管理和准确控制的可植入药物输送系统、和用于输血和增压的屯、脏病学系统，的应 用中有用。
[0007] 由于多数MEMS处理技术源自于微电子技术，在1980年代第一个娃微型累是基于 薄隔膜的压电促动，主要用于受控膜岛素输送系统。该工作阐述了娃基微型累的可行性和 在娃微型累上的创造性的深远的研究。而且，在药学和临床治疗领域，多个商用可植入娃微 型累被报告用于膜岛素输送和治疗剂施药。
[000引最近，多种聚合材料和新型微细加工技术，例如软平板印刷、微立体光刻技术、微 模制和聚合表面微机械加工，已经被研究和开发用于不断增长的低成本的、集成的和小型 化可抛弃UTAS应用。包括塑料和弹性体的许多聚合材料，由于它们优良的机械性能、良好 的化学耐受性和低制造成本，已经被越来越多地并入到其它微型设备中作为基底、结构性 构件、和功能性构件。在最常用的聚合物中，聚二甲娃氧烧（PDM巧已经被广泛地用在微流 体设备中，该是由于优异的生物兼容性、简单的制造工艺（模制和可逆结合）W及光学透明 性（便于监视和查询）W及弹性（良好的密封和连接性）。
[0009] 基于娃和基于塑料的无阀微型累被作为实例使用W与基于聚合物的微型累比较。 基于娃的微型累的制造工艺包括=个顺序的深活性粒子蚀刻值Rffi)步骤和一个娃-玻璃 阳极结合步骤，同时LIGA，微注射，或热压花模制和多个薄板通过粘合剂或螺栓的装配被 设及用于塑料累。在另一方面，对于基于PDMS的微型累，仅需要多层软平版印刷工艺和 PDMS-PDMS结合技术。从制造成本的观点来看，基于PDMS的微型累比前两种类型的微型累 低得多。
[0010] 而且，塑料微型累的主要挑战是由于薄塑料层的表面粗趟度导致的高流体泄露。 螺栓装配使得事情更糟，因为应力集中在层之间的界面上的螺栓连接位置。粘接剂结合还 倾向于助长微型结构的阻塞。因此，PDMS是用于微型累的实用材料（短的处理时间和低成 本）。
【发明内容】
[0011] 该里披露的微型累的操作原理是，振动隔膜导致腔室中的压力变化，其通过被动 阀的形式来引导流体管的动态流动。通常被动阀被并入作为W悬臂活板、桥接隔膜、圆形 球、活动结构、喷嘴/扩散器或泰斯拉元件形式的往复微型累的入口和出口中的止回阀。但 是，集成喷嘴/扩散器元件的无阀微型累对于可抛弃y TAS应用具有特别的益处，例如在生 物医学和生物化学中，因为悬浮颗粒阻塞、磨损和疲劳的移动机械部件的危险可被降低且 实际上被消除。而且，喷嘴/扩散器的平面特征和简单实现导致用于可抛弃应用的微型累 的低成本和小型化。
[0012] 本披露内容的无阀微型累包括喷嘴和扩散器元件、流体腔室和振动促动隔膜。隔 膜被与小块状磁体集成，该具有较大的吸引或排斥磁力和隔膜提曲的优点。隔膜上的交替 的垂直磁力导致较大的体积行程，其对于高流速微型累是期望的。此外，磁性促动是外部施 加的场，在此情况下微型累受到气隙的控制。因此，用于在微型累上施加电流或电压的电连 接器可被避免，其还提供了在UTAS应用中的小型化的可能性。
[0013] 本披露内容的主题的原理和操作被化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 全地解释，其通过引用在此全部并入。
[0014] 本披露内容的一方面包括用于输送流体的微型累。该微型累包括累组件，该累组 件具有第一累体，该第一累体限定第一流体流动路径。第一累体包括第一腔室，该第一腔室 包括第一腔室壁和第一侧壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室 流体连通。累组件还包括第二累体，该第二累体限定第二流体流动路径。第二累体包括第 二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁；第二入口和第二出口，其中第二入口和第 二出口与第二腔室流体连通。累组件还包括布置在第一腔室和第二腔室之间的柔性隔膜。 微型累还包括促动器组件，该促动器组件被构造为与累组件协作。促动器组件包括磁性禪 合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置的传感器，其中驱动器施加磁力至隔膜，导致 隔膜提曲，且其中隔膜的该提曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体 流动。
[0015] 本披露内容的另一方面包括用于从流体储存器输送流体的微型累组件，该微型累 组件包括累筒。累筒包括第一累体，该累体限定第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第 一侧壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通。累体还包括 第二累壳，该第二累壳限定第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁；第二入口和 第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，W及布置在该第一腔室和第二 腔室之间的柔性隔膜，其中累筒被构造为允许从流体储存器至第一腔室和第二腔室中的至 少一个的流体连通。微型累组件还包括壳体，该壳体包封促动器组件，该促动器组件被构造 为与微型累筒协作。促动器组件包括磁性禪合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置 的第一传感器，其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜提曲，且其中隔膜的该提曲导致第一 腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。微型累组件还包括控制器，该控制器 联接至驱动器且被构造为通过接收来自第一传感器的信号和调节由驱动器施加的磁力来 控制隔膜位置。微型累组件还包括电源，该电源被构造为给驱动器和控制器通电，其中壳体 被构造为使得微型累筒可被插入且保持在促动器组件中。
[0016] 本披露内容的另一方面包括制造微型累的方法。该方法包括步骤；由聚合物材料 制造柔性隔膜，包括步骤；在娃晶片上旋涂第一聚合物层和允许第一聚合物层固化，将磁 性材料布置在第一聚合物层上，在磁性材料周围施加第二聚合物层和允许第二聚合物层固 化，和施加第=聚合物层和允许第=聚合物层固化；通过将液体聚合物材料诱入模具来制 造刚性累体，该模具被构造为形成流体腔室、入口通道和出口通道，W及允许液体聚合物固 化；将柔性隔膜与刚性累体对齐；和将柔性聚合物隔膜结合至刚性累体。
[0017] 本披露内容的另一方面是用于输送流体的微型累。该微型累包括累组件，该累组 件具有第一累体，该第一累体限定第一腔室。第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁、第一入 口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，W及布置在第一腔室上的 与第一腔室壁相对的第一柔性隔膜。累组件具有第二累体，该第二累体限定第二腔室，该第 二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁、第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第 二腔室流体连通，W及布置在第二腔室上与第二腔室壁相对的第二柔性隔膜。累组件还包 括布置在第一累体和第二累体之间的至少第=累体。第=累体限定第=腔室，第=腔室包 括第=侧壁，第=入口和第=出口，其中第=入口和第=出口与第=腔室流体连通，其中该 至少第=腔室与第二隔膜和第二隔膜相邻。微型累还包括促动器组件，该促动器组件被构 造为与累组件协作。促动器组件包括磁性禪合至第一隔膜和第二隔膜的驱动器，和构造为 检测第一隔膜和第二隔膜的位置的至少一个传感器，其中驱动器施加磁力至第一隔膜和第 二隔膜，导致第一隔膜和第二隔膜提曲，且其中第一隔膜和第二的该提曲导致第一腔室、第 二腔室和第=腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。本发明包括如下方案：
[0018] 1. 一种用于输送流体的微型累，该微型累包括：
[0019] 累组件，该累组件包括：
[0020] 第一累体，该第一累体限定第一流体流动路径，该第一累体包括：
[0021] 第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，
[0022] 第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，
[0023] 第二累体，该第二累体限定第二流体流动路径，第二累体包括：
[0024] 第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，
[0025] 第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，
[0026] 柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；W及
[0027] 促动器组件，该促动器组件被构造为与累组件协作，该促动器组件包括：
[002引磁性禪合至隔膜的驱动器，和
[0029] 构造为检测隔膜的位置的传感器，
[0030] 其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜提曲，且其中隔膜的该提曲导致第一腔室 和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动；W及
[0031] 至少一个阀，该阀与第一腔室和第二腔室中的每个流体连通，其中该至少一个阀 被构造为沿预定方向引导流体流动。
[0032] 2.如方案1所述的微型累，其中所