微流体混合装置的制造方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]以微尺度混合流体的能力对于诸如食品工业、生物工业、制药业和化学工业的各个行业是有价值的。微尺度流体混合的一个发展领域涉及微流体混合装置。微流体混合装置在这些工业中用于诸如生物医学诊断、药物开发、DNA复制等的用途。微流体混合装置提供有利于非常小的样本体积的混合的小型环境。微细加工技术使得能够在芯片上制造小型的微流体混合装置。提高此类微流体混合装置的效率有益于增加吞吐量和减少诸如芯片实验室系统的各种微流体系统的成本。因此，人们正在不断地努力改善混合性能和减小微流体混合装置的尺寸。
【附图说明】
[0002]现在将以举例方式参照附图描述本发明的实施例，在附图中:
图1示出根据一个实施例的适合实施微流体混合装置和控制器实施的混合方法的微流体混合系统；
图2示出根据一个实施例的适合在微流体混合系统内使用的微流体混合装置的示例；图3-15示出根据实施例的微流体混合通道的各种具体实施，其包括轴线不对称的混合致动器和泵致动器的不同构型；
图16示出根据一个实施例的示例性微流体混合方法。
【具体实施方式】
[0003]概述
如上所述，微流体混合装置在诸如食品工业、生物工业、制药业和化学工业的各个行业中扮演重要角色。因此，此前已经开发了许多微流体混合装置，其总体目标是改善混合性能，同时减小用来实现混合结果的空间。然而，由于微流体混合装置在层流流态下操作，大多数装置依赖于扩散物类混合。扩散混合是缓慢的并且依赖于混合组分的非零扩散率，并且通常需要长的混合周期和大的流体路径及体积。
[0004]例如，被动混合装置通常提供在被混合组分之间的增加的接触面积和接触时间。大多数被动混合器具有复杂的三维几何形状，占用微流体系统的大量面积，难以制造，并且具有横跨混合元件和微流体系统的大的相关联的压力损失。此类混合器通常也使用大量的混合流体，这导致在微流体系统内相当大的死体积/寄生体积。
[0005]主动混合装置通过提供加速被混合组分之间的扩散过程的力来改善混合性能。主动混合装置通常采用搅拌流体组分的机械换能器来改善混合。在主动混合器中使用的换能器的一些示例包括声或超声换能器、电泳换能器、动电时间脉冲换能器、压力扰动换能器和磁换能器。通常，实施此类换能器的主动混合装置可能是昂贵且难以制造的。
[0006]本公开的实施例提供了用于微流体混合系统的主动微流体混合装置和控制器实施的混合方法，该系统能够实现与通过扩散进行的常规微流体混合相比混合效率的显著增加。绕流体通道的中心轴线不对称地定位(即，轴向不对称地定位在流体通道内)的一个或多个惯性泵可被启用，以便在流体经过(多个)泵时使流体转向。一个惯性泵的启用或多个惯性泵的交替启用中断通道内的正常流体流动路径并且使流体沿着摆动的路径移动，这在流体流过通道时显著地增加了流体的混合。微流体混合装置包括具有一个或多个流体输入和至少一个惯性泵致动器(例如，热电阻)的流体混合通道，该惯性泵致动器轴向不对称地定位在通道内以形成中断的摆动的流体流。微流体混合装置可包括一对轴线不对称致动器，其被置于距通道输入一致的距离处，或被置于距通道输入交错的距离处。微流体混合装置可包括奇数个轴线不对称致动器，其被置于距通道输入一致的和/或交错的距离处。在一个或多个轴线不对称致动器中，微流体混合装置可包括泵致动器，该泵致动器绕流体通道的中心轴线对称地定位以将流体泵送通过通道。控制器控制微流体混合装置中所有致动器的启用顺序和定时以实现高效的流体混合和/或流体泵送。
[0007]在一个具体实施中，微流体混合装置包括:混合通道；流体入口室，其用于将流体通入混合通道内；轴线不对称的混合致动器，其被集成(integrate)在通道内以在流体流过通道时造成使流体混合的流体移位；以及出口室，其用于接纳已混合的流体。
[0008]在另一个具体实施中，微流体混合系统包括微流体混合装置，该装置包括流体混合通道。该系统包括流体泵以将流体泵送通过通道。在不同的具体实施中，流体泵为外部泵和/或集成在流体混合通道内的惯性泵。该系统还包括集成在通道内的轴线不对称的混合致动器，以在流体流过通道时使流体混合。
[0009]在另一个具体实施中，非暂态处理器可读介质存储指令，所述指令在由处理器执行时使处理器启用(activate)泵，该泵将至少两种不同的流体泵送通过微流体混合通道。所述指令还使处理器交替地启用微流体混合通道内的至少一个轴线不对称的混合致动器，以在流体流过微流体混合通道时造成使所述至少两种不同的流体混合的流体移位。
[0010]示例性实施例
图1示出了根据本公开的一个实施例的适合实施微流体混合装置和控制器实施的混合方法的微流体混合系统100，大体如本文所公开那样。示例性的微流体混合系统100包括微流体混合装置102和外部流体贮存器104，外部流体贮存器104用于将流体组分/样本和/或溶液供应至混合装置102以进行混合。在一些具体实施中，微流体混合系统100可包括作为外部流体贮存器104的一部分或作为独立式泵105的外部泵105。微流体混合装置102可以实施为基于芯片的混合装置，该装置包括微流体混合通道106，以用于在两种或更多种流体流过通道106时混合它们，和/或用于在单一主流体流过通道106时混合该流体内的颜料或颗粒。通常，基于芯片的微流体混合装置102的结构和部件可使用常规集成电路微细加工技术制造，例如，电铸、激光烧蚀、各向异性蚀刻、溅镀、干式和湿式蚀刻、光刻、浇铸、模制、压印、机加工、旋涂、层合等。
[0011]微流体混合系统100也包括电子控制器108，以控制系统100的各种部件和功能，例如，微流体混合装置102、(多个)外部流体贮存器104和外部泵105。在一个示例中，控制器108控制微流体混合装置102的各种功能，这些功能包括用于混合装置102内的致动器的启用的顺序和定时以在混合装置102内混合流体并使流体移动通过混合装置102。控制器108通常包括:处理器(CPU) 110 ;一个或多个存储器部件112，其包括易失性和非易失性存储器部件；存储在存储器112中的固件和/或软件组件，其包括可由处理器110读取和执行的指令；以及其它电子器件，其用于与微流体混合系统100的微流体混合装置102、(多个)外部流体贮存器104、外部泵105和其它部件的部件和功能通信并控制这些部件和功能。因此，电子控制器108包括可编程的装置，该装置包括以例如一个或多个软件模块的形式存储在诸如存储器112的非暂态处理器/计算机可读介质上的机器可读指令，所述指令可在处理器110上执行以控制微流体混合装置102上的混合和泵送过程。此类模块可包括例如致动器顺序和定时指令模块114，如在图1的示例性实施中所示。
[0012]在一些具体实施中，电子控制器108可从诸如计算机的主机系统接收数据116，并且将数据116临时存储在存储器112中。通常，数据116沿着电子、红外、光学或其它信息传递路径发送至微流体混合系统100。数据116表示例如可执行指令和/或参数，用于单独地或结合存储在电子控制器108的存储器112中的软件/固件模块中的其它可执行指令使用，以控制在微流体混合装置102内的流体流、流体混合和与流体混合有关的其它功能。例如，可在控制器108的处理器110上执行的各种软件和数据116能够通过精确控制由致动器产生的流体移位的顺序、定时、频率和持续时间来实现微流体混合装置102内的微型惯性致动器的选择性和受控启用。通过可在处理器110上执行的数据116和/或致动器顺序/定时指令114对此类致动器的方便修改的(S卩，可编程的)控制使得任何数量的不同混合过程方案能够在微流体混合系统100内的微流体混合装置102的不同具体实施上执行。混合方案可以是对于给定的微流体混合装置102来说易于调整的、动态的。
[0013]微流体混合系统100通常还包括一个或多个功率源118，以将功率提供给微流体混合装置102、电子控制器108、外部流体贮存器104、外部泵105、以及可以是系统100的一部分的其它电气部件。
[0014]图2示出了根据一个实施例的适合在微流体混合系统100内使用的微流体混合装置102的示例。如上所述，微流体混合装置102包括微流体混合通道106，用于在流体流过通道106时混合流体(例如，两种或更多种流体、或在单一主流体中的颜料和/或颗粒