流体回路及相关的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及流体装置，例如微流体装置，并且涉及用于制造和使用流体装置 的方法。
【背景技术】
[0002] 流体微回路是本领域中已知的，并且包括诸如活塞驱动装置的机械系统、诸如动 电泵和阀装置的电动液压系统、以及气动液压系统。具有气动式致动器和控制表面的这些 系统已经证明在控制微量流体流方面是最实用的。
[0003] 具有气动式接口的一类流体装置由Micronics有限公司（华盛顿州雷德蒙德）制 造。利用MICROFLOW?系统气动式控制器来实现微流体通道中的流体流的控制， 该控制器根据可编程阀逻辑在塑料滤筒中操作毫米大小的阀。微型隔膜将滤筒的气动侧和 液压侧分隔开；即阀隔膜是用于将气动控制脉冲转换为开始和停止流体流的接口元件。滤 筒通过逐层层合构建而成，其中封堵层之间密封有通道和腔室。所有的隔膜由单个层形成。 这样，形成复杂的流体回路。气动和液压通道和腔室形成为使得滤筒的气动工作和液压工 作由弹性体隔膜层分隔开。由聚氨酯和PDMS形成的隔膜有利于这种方法。一个未解决的 问题是制造回路的能力，其中隔膜材料可能根据回路元件的类型或子类型而变化（例如可 透气的、耐化学腐蚀的、可破裂的、弹性体的、非弹性的，等等）。
[0004] 第二个未解决的问题涉及具有毫米和亚毫米印迹的微回路的可制造性。微型化已 经证明是装置的有利发展，每单位面积具有较高的密度，但是当前的生产方法很难获得毫 米或亚毫米大小的阀和隔膜。
[0005] 微泵
[0006] 例如，需要微型隔膜泵元件来获得流体微回路技术的最完全的优点，流体微回路 技术可以用于多种应用，例如通常可以用于诊断学和生命科学。隔膜驱动的泵是有利的，原 因在于它们的卫生特征结构，包括不具有机械密封件和润滑剂。
[0007] 尽管Wilding(例如在美国专利No. 5304487和No. 5498392中）一般性地公开了微 型泵，但是公开本身不足以完全能够形成微回路泵和阀。Wilding引用了VanLintel[1988， 〃APiezoelectricMicropumpBasedonMicromachiningofSilicon，"Sensorsand Actuators，15:153-167]，该文献涉及由硅微加工而成的泵。硅基微电子机械（MEMS)结构 通常与现代塑料装置是不相容的。
[0008] 对弹性体隔膜材料存在较大的兴趣，原因是较高的压缩比和较大的置换体积，这 在流体操作中提供自灌注的优点。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS)和硅树脂总体上易于形成 薄片或铰链块，并且用作隔膜材料。还使用过胶乳橡胶和非晶态聚氨酯。遵循胡克定律弹 性体材料具有的优点在于，隔膜在松弛状态中返回到其初始形状，但是这仅仅对于某些应 用而言是有利的，并且相关地可能缺少耐化学品性。
[0009] 微阀
[0010] 代表性的技术涉及包括美国专利No. 4304257 (' 257阀）的阀，其中软的、弹性的、 聚氨酯片材夹持在形成于硬丙烯酸本体内的流动通道上。两个不连续的流体通道之间的流 体路径通过致动活塞而打开和关闭，活塞使片材的一部分机械地挠曲。片材上的帐蓬状覆 盖动作与阀打开相关联；阀关闭与弹性片材弹簧回复到关闭位置相关联。片材通过螺线管 操作的杆在两个位置之间机械地挠曲，该杆嵌入在阀座上附接到片材，使得在关闭时片材 接触阀座，并且片材被拉入到上覆阀座的孔口中以打开阀。
[0011] 根据美国专利No. 4848722的教导，' 257阀具有若干缺陷。除了机械螺线管操作 的敏感性和需要精细调节之外，膜经受大的应力而具有永久拉伸的风险（即永久性变形或 紧缩超过其屈服点）。借助于用于隔膜的凹形接触表面，密封面积被最大化，但是不利的是， 必须在流体开始流动之前填充非零的且较大体积的阀腔体。
[0012] 在过期的美国专利No. 4848722 (' 722阀）中，压力或真空源用来将诸如双轴取向 的聚对苯二甲酸乙二醇酯（boPET)的柔性片材推压到停止流动位置和打开位置中，在停止 流动位置中，由阀座中的通道（3、4)形成的孔口关闭，在打开位置中，孔口流体地汇合。当 阀关闭时，阀座的阶地（图9 :62)与片材（8)接触。片材胶粘到阀的气动侧。
[0013] 美国专利No. 4869282描述了一种微加工阀，具有隔膜层，隔膜层夹在两个刚性层 之间，以形成阀腔体。隔膜层由聚酰亚胺形成，在控制回路中通过施加的气动压力而偏转， 以关闭阀。隔膜运动受到限制，以避免聚酰亚胺层产生过应力。
[0014] 迄今为止，美国专利No. 5660370 ('370阀）描述了一种阀（图1 :1)，其具有柔性 隔膜（2)和由刚性层形成的平坦阀座，阀座中形成有两个孔，每个孔限定了通向底部层中 的流体通道（3、4)的开口，其中孔由阀盘分隔开。隔膜由聚氨酯或硅树脂制成。阀（5)通 过气动地使隔膜运动而打开。为了避免片材的应力超过其屈服点的趋势，平坦阀座用来使 所需的隔膜运动范围最小化。这也减小了阀的死空间体积。
[0015] YSI有限公司的美国专利No. 5932799中公开了类似的结构，其教导了一种流体微 回路分析器，该分析器具有多个聚酰亚胺层，优选地为KAPTON?膜，不利用粘合剂而 直接粘接在一起，并且该分析器具有柔性的气动致动的隔膜构件，以用于控制流体流。
[0016] Micronics有限公司的国际公布W02002/081934公开于2002年10月17日，描述 了一种具有弹性体隔膜的层合阀。这些阀（被称为"花生阀"）允许流体在负压下横穿阀 盘，并且在正压下关闭。有利地，阀腔体形成有轮廓化腰部，以使得死空间体积最小化。
[0017] Mathies的美国专利No. 7445926描述了一种层合体，其具有夹在硬基底之间的柔 性隔膜层。气动通道和流体通道形成在隔膜层的相对侧上（参见参考文献的图1)，从而隔 膜是主动阀构件。所公开的隔膜材料是254微米PDMS隔膜。阀本体通常是固体，例如玻璃。
[0018] Montagu的美国专利申请No. 2006/0275852 和No. 2011/0207621 描述了用于生物 测定的流体滤筒。滤筒包括限定了流动通道的模制本体。示出了胶乳隔膜和罐装隔膜泵 (参见参考文献的图5)。"滚动弹性隔膜泵"构件（3)作为预成形的子组件插入到滤筒中， 并且是可商购获得的（托马斯泵，型号1101的微型压缩机，希博伊根，Wis. 53081)。利用步 进马达机械地致动阀。因此，阀具有的缺陷在于，正确的操作需要敏感且精细的调节。
[0019] 其它弹性体阀和泵构造是已知的。硅树脂阀构造的例子包括美国专利 No. 5443890、No. 6793753、No. 6951632和No. 8104514,所有这些专利都示出了用于形成阀 和泵的软光刻处理（参见美国专利No. 7695683和No. 8104497)。PDMS可以用来形成隔膜 和泵本体。胶乳橡胶和非晶态聚氨酯也用作隔膜材料，但是对于某些应用而言耐化学品性 可能是不够的。
[0020] 虽然没有限制，但是具有还没有充分用于气动液压回路的特性的隔膜材料的例子 包括在润湿之后可透气体而不可透液体的构件。弹性的且可透气的隔膜构件在流体微回路
技术领域中不是已知的。具有溶剂抗性且能够成形为现场成型隔膜的隔膜构件不是已知 的。其它可能的隔膜材料还没有被考虑，原因是针对各类流体元件（例如阀、泵、贮存器等） 独立地选择隔膜材料的手段不是已知的。
[0021] 有利地，在润湿之后保持透气性的可透气体的隔膜将允许在端部封闭的流体回路 中使用隔膜。有利地，用以形成预成形隔膜构件的溶剂抗性隔膜可应用于泵送颗粒悬浮液 的阀，并且用于替换在暴露于腐蚀剂、离液剂或溶剂时泄漏的聚氨酯隔膜，由此允许使用例 如乙醇、甲酰胺和二甲基亚砜的溶剂，以用于降低在PCR期间的温度要求，虽然并不限于这 样的要求。
[0022] 适合于一种这样的应用的材料可能不适合于另一种应用。作为第一个例子，阀隔 膜在由微孔可透气体膜制成的情况下可能不能够工作，但是通气需要微孔性。相似地，需要 弹性的隔膜可能不易于由具有低屈服点的隔膜取代。用于特定种类流体元件的材料的优化 仅仅在各类流体元件能够独立优化的情况下才能够提供优点。在没有如下制造方法的情况 下不能够实现本发明的所选实施例，这些制造方法选择性地将先进的隔膜材料的分类或混 合控制板结合到泵、阀、过滤器、通风口和单独滤筒的小槽膜中，其中各类流体元件由不同 的和相异的隔膜材料表示。各种隔膜材料通常由薄膜制成。
[0023] 阀和泵隔膜的工程设计可能得益于如下的制造方法，即该制造方法允许利用可选 自材料列表的薄膜来组装流体装置。常规的胶粘就位方法不能很好地适于大规模生产，并 且在进一步微型化和增大回路元件密度方面存在技术障碍。考虑到本文公开的组合的独特 优点，需要制造流体回路的方法，在该流体回路中，根据每个单独回路元件的功能要求，流 体回路的每个隔膜构件独立地选自多种可获得的材料。当前可获得的方法不允许由单个 滤筒上的多个隔膜材料构成的装置以满足流体装置使用的期望市场增长所需的制造规模 (例如用于诊断测定）进行大规模生产。
[0024] 虽然已经有了进步，但是本领域中仍然需要改进的流体装置，例如微流体装置，本 发明提供这种和相关的优点。
【发明内容】
[0025] 本发明公开了一种流体装置，其具有各种类型的多个气动液压隔膜，使得隔膜构 件不是形成为单个片材，而是每个都单独地设置，从而隔膜的材料可以根据形成的回路元 件的类型而变化。每个滤筒包括回路元件（例如阀、泵、通风口、过滤器），这些回路元件组 成具有不同隔膜材料的子组和组合。另外，本发明还公开了通过隔膜印刷过程制造这些系 统的方法，该隔膜印刷过程可以被称为"边缘粘接剪贴工艺"，其适用于大批量制造。
[0026] 隔膜还可以通过将隔膜拉伸超过其屈服点而经受"现场成型"处理。在松弛之后， 这些隔膜保持腔体的形状，其中隔膜在该腔体中被拉伸。该过程在流体系统初始组装和壳 体封闭之后进行，并且有利地还用作质量控制步骤，以用于识别具有连续性或泄露缺陷的 产品。过拉伸的隔膜也可以机械地形成，例如通过轧制或压制处理。预拉伸的隔膜具有改 善的响应时间、增大的行程体积稠度、降低的流动阻力，以这种方式制造的阀具有较小的内 部体积和较小的印迹。
[0027] 作为引导，以举例的方式示出若干实施例。在每个实施例中，多个各类隔膜子类型 组装在装置中，每个隔膜子类型在流体回路中由具有独特的重要特性（例如弹性、非弹性、 透气性、不可渗透性、耐化学品性、破裂敏感性，等）的特定材料形成，由此任何一个隔膜子 类型不适合于所有期望的流体回路元件。这些子组合示出了流体回路的一般性概念，流体 回路具有"印刷就位"的各类专门的隔膜，并且这些子组合并非限制性的，也就是，图示的子 组合可以形成为较大的组合，并且通过实施这些教导之后的原理，可以容易地获得其它子 组合和组合。
[0028] 利用本发明的过程，具有独特地适用于特定流体或气动功能的特性的隔膜子类型 易于并排地结合具有相异特性的其它隔膜子组。容易理解，具有个体化隔膜材料的回路元 件的可能子组合的所有列表将是数量巨大的，本发明的原理从本文的公开中将变得明显， 但并不限于这些公开。
[0029] 流体滤筒/流体回路