基于致动器元件的微流体系统的制作方法

专利名称：基于致动器元件的微流体系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及微流体系统，涉及用于制造这种微流体系统的方法和/
或用于控制或操纵通过这种微流体系统的微通道的流体流(fluid flow)的方法，以及用于控制通过微流体系统的微通道的流体流的控 制器，和在控制方法中供微流体系统使用的软件。微流体系统可用于 例如生物技术和制药应用中以及微电子应用中的微通道冷却系统中. 根据本发明实施例的微流体系统可以是紧凑的、便宜的且易于处理的。
背景技术：
微流体涉及多学科领域，包括物理、化学、工程和生物技术，其 在小于一般液滴数千倍的体积研究流体行为。微流体部件形成所谓的 "片上实验室"设备或生物芯片网络的基础，其可处理微升和纳升体 积的流体且进行高度灵敏的分析测量。用于构造微流体设备的制造技 术是相对廉价的且适于高度精致的多路复用的设备且也适于批量生 产。以类似于微电子学技术的方式，微流体技术使得能够制造高度集 成的设备以用于在同一衬底芯片上执行几种不同的功能。
微流体芯片变成许多当今快速发展的生物技术的关键基础，所述 生物技术诸如快速DNA分离和大小筛分、细胞操纵、细胞分选和分子 检测。基于微流体芯片的技术提供优于它们传统大型对应技术的许多 优点。微流体尤其在基因芯片和蛋白质芯片开发工作中是关键部件。
在所有微流体设备中，存在对控制流体流的基本需要，即，必须 通过微通道系统来传输、混合、分离和导向流体，微通道系统由典型 宽度为大约O.lmm的通道组成。微流体致动中的挑战是设计紧凑且可 靠的微流体系统用来在微通道中调节或操纵具有可变组成(例如，唾 液和全血)的复杂流体的流。已开发了各种致动机构并且在目前已投 入使用，诸如压力驱动机制、微制造机械阀和泵、喷墨型泵、动电控 制的流以及表面声波。
将微机电系统(MEMS)技术应用于微流体设备促进了微型泵的发 展从而以大范围的流率和压力传输多种液体。在专利申请EP05101291.2(尚未公开)中，提出了一种微流体系统， 其基于在一端附连到微通道壁的致动器元件。可通过施加外部刺激来 改变致动器元件的形状从而让致动器元件运动。根据一个实施例，外 部刺激是磁场。因此微流体系统的通道壁被致动器元件覆盖且它们形 状的协调变化(例如，从巻曲形状变成直形状)使存在于通道中的流体运 动。例如可以二维(two-D)阵列方式来覆盖所述壁。通过单独地寻址致 动器元件或者通过寻址致动器元件行，可生成波状移动、其它相关移 动或者不相关的移动，其可有利于传输、混合或形成涡流。
图1示出了致动器元件30的基本原理，在该实例中给出一薄片 (flap),其附连到通道36的内壁35且其是磁致动的。实现致动器元件 30磁致动的一种方法是在致动器元件30中合并超顺磁颗粒。在图1中 给出的实例中，由位于通道36的壁35中的电流线41施加在空间上变 化的磁场。由于电流线41的位置，即在致动器元件30的下方，致动 器元件30经历磁场梯度。该磁场在靠近通道36的壁35处比进一步远 离壁35处更大。例如，在图1中，在位置A的磁场将大于在位置B处 的磁场，且在位置B的磁场将大于位置C处的磁场。磁力在梯度方向 (即，朝向电流线41)起作用。
外部磁场^的施加将在致动器元件30上造成平移力。该平移力 等于
中的致动器元件30,在一方面，所得到的作用于致动器元件30上的力 必须足以使致动器元件30显著弯曲，即，足以克服致动器元件30的 刚度，且另一方面，必须大得足以超过存在于通道36中的周围流体作 用于致动器元件30上的阻力。为了实现这个目的，在致动器元件30 的位置处的磁场梯度必须足够大，特别是在致动器元件30的尖端，在 此，磁力最有效地造成弯曲。
如图1所示，集成于微流体系统的通道36的壁35中的电流线41 的位置可能不是最有效的，因为磁场梯度以1/一快速下降，且作用于 致动器元件30上的力以1/一下降，其中r是致动器元件上的位置(例如，A、 B、 C)与电流线41之间的距离。因此，要发送相当大的电流经过电 流线41以便致动致动器元件30或者得到致动器元件30的充分弯曲以 适合用于如上文所述的微流体系统，取决于应用，这种相当大的电流 在某些情况下可能会高于IOA。

发明内容
本发明的目的在于提供一种良好的微流体系统和/或制造和/或操 作该微流体系统的方法。
根据本发明实施例的微流体系统的优点可为以下优点中的至少一 个紧凑、便宜和易于加工。根据本发明实施例的微流体系统处理起 来也较为经济和简单，同时也是坚固的且紧凑的并适用于复杂的生物 流体，诸如唾液、痰或全血。
根据本发明实施例的微流体系统可相对于现有技术微流体系统以 相等或更低电流提供增强的致动效果，在现有技术微流体系统中通过 位于微通道壁中的电流线所生成的磁场获得磁致动。
鉴于增强的致动效果，根据本发明实施例的微流体系统可展示出 良好的、优选地改进的流生成有效性。而且，鉴于可用于获得相同致 动效果的更低电流，根据本发明实施例的微流体系统可具有低的功率 消耗。
上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
在随附的独立和从属权利要求中陈述了本发明的特定和优选方 面。来自从属权利要求的特征可与独立权利要求的特征以及其它从属 权利要求的特征适当地组合且不只是如权利要求书中明确陈述的。
在第一方面，本发明提供一种微流体系统，其包括具有内壁的至 少一个微通道，该微流体系统还包括
-附连到内壁的多个纤毛致动器元件，每个纤毛致动器元件具有形 状和方位，以及
-磁场发生器，其用于向所述多个纤毛致动器元件施加磁场以造成 它们形状和/或方位的变化，其中用于向所述多个纤毛致动器元件施加 磁场的磁场发生器由存在于该至少一个微通道中的至少一个浮动电流 线形成。
由于使用磁致动，根据本发明的实施例的微流体系统可用于非常复杂的生物流体，诸如唾液、痰或全血。
根据本发明实施例的微流体系统的另外的优点在于其相对于现有 技术微流体系统以相等或更低的电流提供增强的致动效果，在现有技 术微流体系统中，由位于微通道壁中的电流线生成的磁场获得磁致动。
根据本发明的实施例的微流体系统可用于生物技术或生物医学应
用中，诸如生物传感器，快速DNA分离和大小筛分，细胞操纵和分选， 或者制药应用中，特别是在局部混合至关重要的高通量组合测试中。
却系统。
根据本发明的实施例，可向所述多个纤毛致动器元件中的每一个 提供浮动电流线。以此方式，所述多个纤毛致动器元件中的每一个可 被单独寻址。可选地，可向所述多个纤毛致动器元件的子集提供浮动 电流线，在此情况下，在该子集中的纤毛致动器元件可被一起致动， 而纤毛致动器元件的不同子集可被单独致动。
该至少一个浮动电流线可在一端附连到该至少一个微通道。
根据本发明的实施例，该至少一个微通道的内壁可位于平面中且 所述多个纤毛致动器元件可基本上垂直于该至少一个微通道的内壁的 平面定向。浮动电流线可位于每两个随后的纤毛致动器元件之间。
所述多个纤毛致动器元件可具有长度L且该至少一个浮动电流线 可位于距该至少一个微通道的内壁0与2L，优选地L/2与2L，更优选 地L/2与1.5L之间且最优选地L与1.5L之间的距离Lw处。
该至少一个微通道的内壁可位于平面中，且所述多个纤毛致动器 元件可基本上平行于该至少一个微通道的内壁平面定向。该至少一个 浮动电流线可位于纤毛致动器元件的至少部分上方.该至少一个浮动 电流线可示出与纤毛致动器元件的至少部分的重叠，该重叠由该至少 一个浮动电流线按照基本上垂直于该至少一个微通道的内壁平面的方 向到所述多个纤毛致动器元件上的投影来限定。所述多个纤毛致动器 元件与该至少一个浮动电流线之间的距离Lw可在l卩m与lOOOjnm之 间，优选地1 pm与100pm之间，最优选地10/im与100pm之间。
根据本发明的优选实施例，所述多个纤毛致动器元件可为聚合物 致动器元件，因为
-致动器元件应当是柔顺的，即非刚硬的，
8-致动器元件应当是坚韧的，而不是易碎的，以及 画致动器元件应易于利用相对便宜的工艺来处理。
聚合物致动器元件可包括聚合物MEMS。
根据本发明的实施例，所述多个聚合物致动器元件可包括离子聚 合物金属复合物(IPMC)。纤毛致动器元件可包括下述之一均匀的连 续磁性层、图案化的连续磁性层和磁性颗粒。
微流体系统还可包括用于测量所述多个纤毛致动器元件的移动的 至少一个磁传感器。
在另 一方面，本发明还提供根据前述权利要求任一项的微流体系 统在生物技术、制药、电气或电子应用中的用途。
在又一方面，本发明提供一种用于制造包括至少一个微通道的微 流体系统的方法，该方法包括
-向该至少一个微通道的内壁提供多个纤毛致动器元件，以及
-在该至少一个微通道中提供至少一个浮动电流线用于向所述多个 纤毛致动器元件施加刺激。
根据本发明实施例的方法的优点在于其提供一种微流体系统，该 系统相对于电流线位于微通道的壁中的现有技术微流体系统以相等或 更低的电流表现出增强的致动效果。另一优点在于与电流线位于微通 道壁中的现有技术微流体系统相比，其提供功率消耗减小的微流体系 统。
可通过将至少一个电流线引线结合到该至少一个微通道的内壁来 执行在该至少一个微通道中提供至少一个浮动电流线。
根据本发明的实施例，该方法还可包括向纤毛致动器元件提供下 述之一均匀的连续磁性层、图案化的连续磁性层或者磁性颗粒。
在又一方面，本发明提供一种用于控制通过微流体系统的微通道 的流体流的方法，该微通道具有内壁，该微通道的内壁具有多个纤毛 致动器元件，每个纤毛致动器元件都具有形状和方位。该方法包括提 供通过存在于微通道中的至少一个浮动电流线的电流以用于向纤毛致 动器元件施加磁场以便造成至少一个纤毛致动器元件的形状和/或方位 的变化。
由于使用磁致动，根据本发明实施例的用于控制通过微流体系统 的微通道的流体流的方法可用于非常复杂的生物流体，诸如唾液、痰或全血。
可通过提供在O.IA与IOA，优选地O.IA与5A，更优选地0.1A与 1A之间的电流来执行提供通过至少一个浮动电流线的电流。
本发明还提供一种控制器，该控制器用于微流体系统，用于控制 通过根据本发明实施例的微流体系统的微通道的流体流。
根据本发明的实施例，提供一种控制器，其用于控制通过微流体 系统的微通道的流体流。微通道具有内壁，微通道的内壁具有多个纤 毛致动器元件，每个纤毛致动器元件都具有形状和方位。根据本发明 实施例的控制器包括控制单元，其用于控制电流通过存在于微通道中 的至少一个浮动电流线的流动，以便向纤毛致动器元件施加受控的磁 场从而造成至少一个纤毛致动器元件的形状和/或方位的变化。
本发明还提供一种计算机程序产品，其使得处理器能执行如上文 所述的控制通过微流体系统的微通道的流体流的方法。对于该计算机 程序产品，当在计算装置上运行时，执行根据本发明实施例的控制通 过微流体系统的微通道的流体流的方法，该方法至少包括提供通过存 在于微通道中的至少一个浮动电流线的电流来向附连到微通道内壁的 纤毛致动器元件施加磁场以便造成至少一个纤毛致动器元件的形状和/ 或方位的变化。
本发明还涉及储存如上文所述的计算机程序产品的机器可读数据 储存设备和/或这样的计算机程序产品在局域或广域电信网络上的传 输。结合附图，通过下文的具体实施方式
，本发明的上述和其它特征、 特性和优点将变得清楚明白，附图以举例说明的方式示出了本发明的 原理。这些描述仅出于举例说明的目的给出，而不限制本发明的范围。 下文引用的参考图是指附图。


图1示出了根据现有技术的在由电流线感应的非均匀磁场中致动 的超顺磁聚合物薄片。
图2示出了纤毛拍打(beat)周期的实例，显示了有效摆动(stroke) 和恢复性摆动。
图3示出了纤毛波，显示了它们在继时性波(metachronic wave) 中的协调。图4示出了根据本发明的实施例的聚合物致动器元件，其包括连 续磁性层。
图5示意性地示出了根据本发明的实施例的聚合物致动器元件， 其包括磁性颗粒。
图6示意性地示出通过引线结合所获得的浮动电流线。
图7示出了根据本发明的实施例的微流体系统。
图8至图ll示出了在诸如图7的微流体系统之类的系统中的随后 致动器元件的随后致动。
图12示出了根据本发明的另一实施例的微流体系统。
图13至图16示出了在图12的微流体系统中的随后致动器元件的 随后致动。
图17示出了根据本发明的实施例的弯曲聚合物致动器元件和覆盖 有这样的弯曲聚合物致动器元件的响应表面。
图18是根据本发明的实施例的弯曲聚合物致动器元件的示意图
示0
图19示意性地示出了根据本发明的实施例与微流体系统一起使用 的系统控制器。
图20是根据本发明的实施例的可用于执行控制通过微流体系统的 微通道的流体流的方法的处理系统的示意性图示。
在不同的图中，相同的附图标记指代相同或类似元件。
具体实施例方式
现将参考特定实施例和某些附图来描述本发明，但本发明并不限 于此，本发明仅由权利要求书限定。在权利要求书中的任何附图标记 不应被解释为限制本发明的范围。所描述的附图只是示意性的且并非 限制性的。在附图中，出于说明目的，某些元件的大小可能会被放大 而未按照比例绘制。
在本说明书和权利要求中使用术语"包括"的场合，其并不排除 其它元件或步骤。在提及单数名词使用不定冠词或定冠词(例如，一、 该、所述)时，其包括多个这样的名词，除非另有具体声明。
而且，在说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等术语 用于区别类似元件且未必用于描述在时间上、空间上分等级或任何其它方式的序列。应了解这样使用的术语在适当情形下是可互换的且本文所述的本发明的实施例能够以除本文描述或说明之外的其它顺序来操作。
此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述的目的且未必用于描述相对位置。应了解这样使用的术语在适当情形下是可互换的且本文所述的本发明的实施例能够以除本文中描迷或说明之外的其它方位来操作。
在这整个说明书中对"一个实施例"或"实施例"的引用表示结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括于本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置出现的短语"在一个实施例中，，或者"在实施例中，，未必都指相同的实施例，但也可都指相同实施例。而且，特定特征、结构或特性在一个或多个实施例中可以任何合适的方式组合，如本领域普通技术人员通过本公开内容清楚明白的。
同样，应了解在本发明的示范性实施例的描述中，为了使本公开
简单化并辅助理解各种创造性方面的一个或多个方面的目的，本发明的各种特征有时在单个实施例、附图或其描述中被群聚在一起。然而，
本公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比在每个权利要求中明确陈述的特征更多的特征的意图。相反，如下面的权利要求书所反映的，创造性方面存在于比单个前述公开实施例的所有特征少的特征中。因此，在详细描述后面的权利要求书明确地合并到该详细描述内，且每个权利要求作为本发明的单独实施例独立成立。
而且，虽然本文所描述的某些实施例包括某些其它实施例并不包括的其它特征，但不同实施例的特征的组合意欲在本发明的范围内，且形成不同的实施例，如本领域技术人员所理解的那样。举例而言，在下面的权利要求书中，可以任何组合来使用所要求保护的实施例中的任何实施例。
在本文所提供的描述中，陈述了许多具体的细节。但应了解本发明的实施例可在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情形下，未详细示出熟知方法、结构和技术以便不模糊对本说明书的理解。
在第一方面，本发明提供一种微流体系统，其配备有磁致动器，例如，允许通过微流体系统的微通道传输或(局部)混合或导向流体的磁
12致动装置。在第二方面，本发明提供了一种用于制造这样的微流体系统的方法。在第三方面，本发明提供一种用于控制通过微流体系统的微通道的流体流的方法。
根据本发明的实施例的微流体系统处理起来较为经济和筒单，同时也坚固且紧凑并适合于复杂流体。
根据本发明的实施例的微流体系统包括具有内壁的至少 一个微通道。该微流体系统还包括附连到该至少一个微通道的内壁的多个纤毛致动器元件，每个纤毛致动器元件都具有形状和方位。还提供了用于向所述多个纤毛致动器元件施加刺激(即，磁场)的另外的装置以造成纤毛致动器元件的形状和/或方位的变化。根据本发明的实施例，用于向所述多个纤毛致动器元件施加刺激(即，磁场)的装置由存在于该至少一个微通道中的至少一个浮动电流线形成。
根据本发明的微流体系统可用于生物技术应用中，诸如微全分析系统、生物反应器、微流体诊断、微型工厂以及化学或生化微型厂、
生物传感器、快速DNA分离和大小筛分，细胞操纵和分选；用于制药应用中，特别是局部混合至关重要的高通量组合测试；以及，用于微通道冷却系统中，例如用于微电子学应用中。
在本发明的一个方面，预想的致动器元件的工作方式是从大自然获得激发。大自然知道以小尺度，即，1-100微米尺度操纵流体的各种方式。所发现的一种特定机制是由于在诸如草履虫、侧腕水母和蛋白石状的(opaline)这样的微生物的外表面上覆盖拍打纤毛而造成，纤毛游动清除也在哺乳动物的支气管和鼻子中用于移除污染物。纤毛可被看作是小的毛发或柔性杆，其在(例如)原生动物中可具有10Mm的典型长度和0.1pm的典型直径，附连到表面上。除了用于微生物的推进机构外，纤毛的其它功能在于净化菌褶、供养、分泌和繁殖。人的气管例如覆盖有纤毛，其向上运输粘液并从肺中运出。纤毛也用于通过固着生物来产生馈送电流，固着生物通过长茎附连到刚性衬底。纤毛移动与茎的周期性延长和缩短的组合作用引起混沌涡流。这导致周围流体的混沌过滤行为。
上述讨论说明了纤毛可用于在微通道中运输和/或混合流体。数年来，动物学家和流体机械师对纤毛运动和流动的机械学产生了兴趣。单个纤毛的拍打可分成两个不同的阶段，即，当纤毛在希望的方向驱动流体时的快速有效摆动(图2中的曲线1至3)，和当纤毛设法最小化其对所产生的流体运动的影响时的恢复性摆动(图2中的曲线4至7)。在性质上，流体运动由沿着生物体的表面和在该表面上的高浓度的成行纤毛造成。邻近的纤毛在一个方向的移动是异相的，这种现象被称作是继时性。因此，纤毛运动表现为在生物体上传递的波。图3示出了这种纤毛波8，其显示了继时性波中它们的协调。描述由纤毛使流体浮多动的模型由J. Blake在"A model for the micro-structure in ciliatedorganisms" J. Fluid. Mech. 55，第1-23页(1972)中公开。在这篇文章中，描述了通过将纤毛表示为沿着它们中心线的"斯托克斯细流(Stokeslets)"的集合来将纤毛对流体流的影响建模，斯托克斯细流可被视作在流体内的点力。指定了这些斯托克斯细流在时间上的移动，且可计算最后得到的流体流。不仅可计算由单个纤毛造成的流，还可计算由于覆盖单个壁的纤毛集合所造成的流，其中在顶部具有按照继时性波移动的无限流体层。
本发明的优选方面的办法利用这种原理来通过用基于微观致动器元件的"人工纤毛，，覆盖微通道而在微通道中模拟类似纤毛的流体操纵，所述微观致动器元件即响应于所施加的磁场改变它们的形状和/或尺寸的结构。因此，本发明的一个方面提供一种微流体系统或微流体流设备，诸如泵，其具有用于人工纤毛继时性活动的装置。
根据本发明，所有合适的材料(即能通过例如对所施加的磁场做出响应以机械变形而改变它们形状的材料)可用于形成人工纤毛或纤毛致动器元件。
根据本发明最优选的实施例，致动器元件可基于聚合物材料。合适的材料见于书"Electroactive Polymer (EAP) Actuators as ArtificialMuscles"编者Bar-Cohen, SPIE Press, 2004。但是，其它材料也可用于致动器元件。可用于形成根据本发明的致动器元件的材料应使得所形成的致动器元件具有以下特性
-致动器元件应是柔顺的而不是刚硬的，
-致动器元件应是坚韧的而不是易碎的，
-致动器元件应通过弯曲或改变形状对磁场做出响应，以及
-致动器元件应易于利用相对便宜的工艺来处理。
用于形成致动器元件的材料可能必须功能化。考虑到上文总结列表的笫一特性、第二特性和第四特性，聚合物优选地用于致动器的至少一部分。根据本发明可使用大部分类型的聚合物，除了非常易碎的聚合物之外，诸如聚苯乙烯，其并不特别适用于本发明。
由于上述原因，根据本发明，致动器元件可优选地由聚合物材料形成，或者作为其构造的一部分包括聚合物材料。因此，在进一步的描述中，将借助于聚合物致动器元件来描述本发明。但是本领域技术人员应了解当使用除了上文所述的聚合物之外的其它材料形成致动器元件时本发明也可适用。聚合物材料通常是坚韧的，而不是易碎的，
相对便宜、弹性高达大的应变(高达10%)且提供可利用简单的工艺在大
表面积上处理的前景。
根据本发明的实施例，为了获得磁致动，也可使用金属来形成致
动器元件的至少部分，例如在离子聚合物金属复合物(IPMC)中。例如，可使用FeNi或另一磁性材料来形成致动器元件。但金属的缺点在于机械疲劳和加工成本。
根据其他实施例，为了能够通过施加磁场来致动该致动器元件，该致动器元件必须具备磁性。
给聚合物致动器元件IO提供磁性的一种方式是在聚合物致动器元件10内合并连续磁性层11，如图4中表示的不同实施例中所示。具有磁性的致动器元件10在进一步的描述中将被称作磁性致动器元件10或聚合物致动器元件10。连续磁性层11可定位于致动器元件10的顶部(图4的上图)或底部(图4的中部的图)，或者可位于致动器元件10的中部(图4的下图)。连续磁性层11的位置以及其热机械性质决定了磁性致动器元件10的"自然的"、初始或非致动的形状，即，平坦，向上巻曲或向下巻曲。连续磁性层11例如可为电镀坡莫合金(例如，Ni-Fe)且例如可沉积为均匀层。连续磁性层11可具有在0.1 与10Mm之间的厚度。容易磁化的方向可通过沉积过程来确定且在所给出的实例中可为"平面内，，方向。作为均匀层的替代，连续磁性层ll也可被图案化(在附图中未示出)以增加磁性致动器元件10的柔顺性和变形的容易程度。
向聚合物致动器元件10提供磁性的另一方式是在聚合物致动器元件10内合并磁性颗粒12。在这种情况下，聚合物可起到'基体，的作用，其中散布磁性颗粒12，如在图5中所示，且还被称作聚合物基体13。可将磁性颗粒12添加到聚合物溶液中或者可被添加到稍后可被聚合的单体。在随后的步骤中，然后可通过任何合适的方法将聚合物施加至微流体系统的微通道的内壁，例如通过诸如旋涂的湿沉积技术。磁性颗粒12例如可为球形(如在图5中的上两个图中所示)或者可为细长的，例如，杆形(如在图5中的下图所示)。杆形磁性颗粒12可具有以下优点在沉积过程中，它们可通过剪切流自动对准。磁性颗粒12可随机布置于聚合物基体13中，如在图5的上图和下图所示；或者，它们可以以规则图案(例如成行地)在聚合物基体13中布置或对准，如在图5中部的附图中所示。
磁性颗粒12例如可为铁磁或亚铁磁颗粒或者(超)顺磁颗粒，例如包括诸如钴、镍、铁、铁氧体之类的元素。根据本发明的实施例，磁性颗粒12可为超顺磁颗粒，即，当所施加的磁场被关掉后，特别是当与磁场调制相比，聚合物的弹性恢复缓慢时，它们不具有剩余磁场。磁场的长时间关断可节省功率消耗。
在沉积期间，可使用磁场来移动和对准磁性颗粒12，使得净磁化沿磁性致动器元件10的长度方向定向。
在下文的描述中，诸如聚合物致动器元件的致动器元件12也可被称作致动器，例如，聚合物致动器或微聚合物致动器，致动器元件、微聚合物致动器元件或聚合物致动器元件。还应注意的是，当这些术语中的任何术语在进一步的描述中使用时总是表示根据本发明的相同的微观致动器元件。
根据本发明，可通过施加磁场而致动聚合物致动器元件10。可通过发送电流经过在微流体系统的至少一个微通道中存在的至少一个浮动电流线而生成磁场。使用浮动电流线能使电流线更靠近聚合物致动器元件IO的尖端，从而当假定经过根据本发明实施例的微流体系统中的浮动电流线发送的电流与经过根据现有技术的微流体系统的集成电流线发送的电流相似时，相对于电流线集成到系统微通道的壁中的现有技术微流体系统，增大了作用于聚合物致动器元件IO上的有效力。
根据本发明的优选实施例，浮动电流线可通过引线结合而形成。图6示出了使用引线结合的原理。浮动电流线14具有形成浮动电流线14的第一端15a的第一部分，第二部分15b和形成浮动电流线14的第二端15c的第三部分。浮动电流线14的第一部分或第一端15a可附连到衬底16。当衬底16位于平面中时，这个第一部分15a可以在基本上 垂直于村底16的平面的方向上定向或在如图6的坐标系统中示出的Z 方向上定向。可选地，第一部分15a可在基本上平行于衬底16的平面 的方向上定向。浮动电流线14的第二部分15b可在基本上平行于衬底 16的平面的方向上定向，并且距衬底16处于特定的第一距离。浮动电 流线14的第二端15c的第三部分也可基本上平行于村底16的平面定 向，但例如在不同于第一距离的第二距离处。应了解，浮动电流线14
限制本发明。
根据本发明的实施例，该至少一个浮动电流线14可利用其端部之 一 15a附连到微通道，类似于图6所示的浮动电流线14。浮动电流线 14在微流体系统的微通道中的集成和定位可以各种方式完成。图7示 出了根据本发明的实施例。在这个实例中，聚合物致动器元件10a-d 被附连到微流体系统的微通道18的内壁17。根据图7中所示的实施例， 当微通道18的内壁17处于平面中时，聚合物致动器元件10a-d可为基 本上垂直于微通道18的内壁17的平面定位的直薄片。根据本发明最 优选的实施例且如在图7中所给出的实例中所示，可向聚合物致动器 元件10a-d中的每一个提供分开的浮动电流线14a-d。浮动电流线14a-d 可略微位于聚合物致动器元件10a-d(相对于内壁17)上方且略微在其旁 侧(在聚合物致动器元件10a-d和浮动电流线14a-d在内壁17上的垂直 投影上观察)。这样，浮动电流线14a-d可存在于随后的聚合物致动器 元件10a-d之间，任选地处于比聚合物致动器元件10a-d的顶部距内壁 17更远的水平处。根据优选实施例，当浮动电流线14a位于第一聚合 物致动器元件10a与第二聚合物致动器10b之间时(参看图7),第一聚 合物致动器元件10a与第二聚合物致动器元件10b之间的距离由S来 表示，第一浮动电流线14a可位于距第一聚合物致动器元件10a第一 距离S^和距第二聚合物致动器元件10b第二距离Sw处。最优选地， 第一距离S^可不同于笫二距离Sw2。例如且如图7所示，第一距离Swl 可比第二距离Sw更小。在此情况下，浮动电流线14的定位相对于致 动器元件10a-d的定位是不对称的，使得一个单一的聚合物致动器元件 10a-d可主要由单个浮动电流线14a-d来寻址。在图7中所给出的实例 中，S^小于Sw2且因此聚合物致动器元件10a-d将由最靠近该聚合物
17致动器元件lOa-d定位的浮动电流线14a-d来致动，在该实例中在致动 器元件lOa-d的右侧给出浮动电流线14a-d。但是，根据本发明的其它 实施例，Sw2可小于S^。在这种情况下，聚合物致动器元件10a-d将由 定位于其左侧的浮动电流线14a-d来致动。根据其他较不优选的实施 例，S^可等于Sw2。在此情况下，浮动电流线14a-d定位于两个随后的 聚合物致动器元件10a-d之间的中部。举例而言，当电流线14a位于聚 合物致动器元件10a与10b之间的中部且电流被发送经过电流线14a 时，聚合物致动器元件10a和10b两者将同时致动。但是，在此情况 下，作用于聚合物致动器元件10a、 10b上的力将小于仅单个电流线 10a-d用于致动单个聚合物致动器元件10a的情况，因为电流线14a-d 与聚合物致动器元件10a-d之间的距离更高。在此情况下，更高的电流 必须被发送经过电流线14a-d以便相对于上文所述的另外两种情况在 聚合物致动器元件10a-d的位置处获得所生成磁场的相同幅度。
而且，浮动电流线14a-d可位于距微流体系统的微通道18的内壁 17的距离U处。可根据微流体系统的应用来调谐距内壁17的该距离 Lw。当聚合物致动器元件10a-d具有长度L时，在微通道18的内壁17 与电流线14a-d之间的距离Lw可如图7所示高于聚合物致动器元件 10a-d的长度L。但是，根据其它实施例，浮动电流线14a-d也可位于 距离Lw-L/2处或者换言之，浮动电流线14a-d可位于聚合物致动器元 件10a-d的中途(halfway)。才艮据其他较不优选的实施例，浮动电流 线14a-d可位于小于L/2的距离Lw处。在本发明的实施例中，U可在 0与2L之间。
优选地，聚合物致动器元件10a-d可具有在10与200 jLi m之间的 长度L且可通常为100pm，且可具有2pm与30pm之间的宽度，通 常为20jim。聚合物致动器元件10a-d可具有0.1 y m与2jnm之间的 厚度，通常为1 Mm。浮动电流线14a-d可优选地具有lOOpm与10mm 之间，优选地在100Mm与lmm之间的长度，且可具有10pm与100 Mm之间，例如25 Mm的直径。浮动电流线14a-d可位于距微通道18 的内壁17—定距离Lw处，Lw在0与2L之间，优选地在1/2L与2L之 间，更优选地在L/2与1.5L之间且最优选地在L与1.5L之间。
图8至图11示出了如图7所示的微流体系统的聚合物致动器元件 10a-10d的随后致动。这可用于例如移动流体经过微流体系统的该至少一个微通道18。通过发送电流经过浮动电流线14a，生成由图8中场 线19a所示的磁场。该电流可优选地在0.1A与10A之间，优选地在0.1A 与5A之间，更优选地在0.1A与1A之间，以用于生成磁场，磁场的幅 度足以引起致动器元件lOa-d的形状和/或方位的变化。磁场的幅度取 决于被发送经过浮动电流线14a-d的电流和浮动电流线14a-d的半径。 可以使用简化形式的毕奥-萨伐尔定律来计算所生成磁场的幅度B:
" (2) 其中Po是真空磁导率，I是发送经过浮动电流线14a-d的电流且r是浮 动电流线14a-d的半径。
所生成的磁场致动聚合物致动器元件10a且使得它弯曲或更一般 地改变其形状。这是因为聚合物致动器元件10a将经历沿着其长度L 的磁场梯度。进一步远离浮动电流线14a的聚合物致动器元件10a的 部分将经历比更靠近浮动电流线14a的聚合物致动器元件10的部分更 小的磁力。这将会造成聚合物致动器元件10a的"巻曲"运动。随后， 可将电流发送经过浮动电流线14b，从而生成由图9中的场线19b所表 示的磁场，以用于致动聚合物致动器元件10b。然后，可将电流发送经 过浮动电流线14c，从而生成由图10中的场线19c所表示的磁场以便 致动聚合物致动器元件10c。且最后，可将电流发送经过浮动电流线 14d，从而生成由图11的场线19d所表示的磁场以便致动聚合物致动 器元件10d。因此，根据在图8至图11中所给出的实例，聚合物致动 器元件lOa-d被随后致动。
因此，顺序寻址浮动电流线14a-d导致聚合物致动器元件lOa-d的 顺序致动。通过顺序致动聚合物致动器元件10a至10d,存在于微流体 系统的该至少一个微通道中的流体可被推动穿过微通道。例如为了在 微流体系统的微通道18中获得局部混合，可故意使致动器元件lOa-d 的运动不相关，即某些致动器元件10a-d可在一个方向移动，而其它致 动器元件lOa-d可以不相关的方式在相反方向移动以便形成局部混沌 混合。可通过在例如微通道18的内壁17的相对位置上的致动器元件 lOa-d的相对移动形成涡流。
应了解上述讨论只是实例且不打算以任何方式限制本发明。举例
19而言，多于一个聚合物致动器元件10a-d可同时致动。举例而言，聚合 物致动器元件10a和10b可首先被致动，之后为聚合物致动器元件10c 和10d。换言之，首先将电流发送经过浮动电流线14a和14b且然后将 电流发送经过浮动电流线14c和14d。或者，聚合物致动器元件10a和 10c可首先被致动，之后为聚合物致动器元件10b和10d。换言之，首 先将电流发送经过浮动电流线14a和14c且然后将电流发送经过浮动 电流线14b和14d。根据其它实施例，所有聚合物致动器元件10a-d可 同时致动，或者换言之，电流可^皮同时发送经过所有的浮动电流线 14a-d。而且，在图7至图11所给出的实例中，微流体系统包括四个聚 合物致动器元件10a-d和四个浮动电流线14a-d。根据其它实施例，微 流体系统可包括任何其它数目的聚合物致动器元件10a-d和任何数目 的浮动电流线14a-d。最优选地，微流体系统可包括与浮动电流线14a-d 数目相同的聚合物致动器元件10a-d。此外，在图7至图11所给出的 实例中，当聚合物致动器元件10a-d未被致动时，它们具有直薄片的形 状。但是，根据本发明的其它实施例，聚合物致动器元件10a-d的初始 或非致动形状也可为巻曲形状。当然后致动聚合物致动器元件10a-d 时，它们通过拉直而改变它们的形状。
根据本发明的另外实施例，当微通道18的内壁17处于平面中时， 聚合物致动器元件10a-d可基本上平行于该至少一个微通道18的内壁 17的平面定向。这在图12至图16中示出。根据这个实施例，浮动电 流线14a-d可以位于聚合物致动器元件10a-d上方的一定距离Lw处。 根据此实施例，距离Lw可优选地使得当致动聚合物致动器元件10a-d 并朝向浮动电流线14a-d上拉聚合物致动器元件10a-d时，它们并不接 触浮动电流线14a-d。因此，距离U可优选地但并非必须大于聚合物 致动器元件10a-d的长度L,距离Lw可优选地在1 Mm与1000Mm之 间，更优选地在1 y m与100Mm之间，且最优选地在10 m m与100 y m之间。最优选地，浮动电流线14a-d示出与聚合物致动器元件10a-d 的至少部分的重叠"O"，重叠"O"由浮动电流线14a-d按照基本上 垂直于微通道18的内壁17的平面的方向到聚合物致动器元件10a-d上 的投影限定(参看图12)。
图13至图16示出了在图12的微流体系统中聚合物致动器元件 10a-d的随后致动。图13示出了第一聚合物致动器元件10a的致动。因此，在0.1A与IOA之间，优选地在O.IA与5A之间，更优选地在0.1A 与1A之间的电流被发送经过第一浮动电流线14a，从而生成由磁场线 19a所指示的磁场。所生成的磁场的幅度取决于被发送经过浮动电流线 14a-d的电流I和浮动电流线14a-d的半径r且可使用方程式(2)来计算。 由聚合物致动器元件10a上方的电流线14a生成的磁力从微通道18的 内壁17朝向浮动电流线14a向上拉动聚合物致动器10a。同样，图14、 图15和图16分别示出了笫二聚合物致动器元件10b、第三聚合物致动 器元件10c和第四聚合物致动器元件10d的致动。因此，将电流随后 发送经过第二浮动电流线14b、第三浮动电流线14c和第四浮动电流线 14，从而生成分别由磁场线19b、 19c和19d所指示的磁场。
顺序寻址浮动电流线14a-d导致聚合物致动器元件10a-d的顺序致 动。通过顺序致动聚合物致动器元件10a-d，存在于微流体系统的该至 少一个微通道中的流体可被推动穿过微通道。为了例如在微流体系统 的微通道18中获得局部混合，可故意使致动器元件10a-d的运动不相 关，即某些致动器元件10a-d可在一个方向移动，而其它致动器元件 10a-d可以不相关的方式在相反的方向移动以便形成局部混沌混合。可 通过在例如微通道18的内壁17的相对位置上的致动器元件10a-d的相 对移动来形成涡流。
再次，应了解这只是实例且不打算以任何方式限制本发明。例如， 不止一个聚合物致动器元件10a-d可同时致动。例如，聚合物致动器元 件10a和10b可被首先致动，之后为聚合物致动器元件10c和10d。换 言之，首先将电流发送经过浮动电流线14a和14b，且然后将电流发送 经过浮动电流线14c和14d。或者，聚合物致动器元件10a和10c可首 先被致动，之后为聚合物致动器元件10b和10d。换言之，首先将电流 发送经过浮动电流线14a和14c且然后将电流发送经过浮动电流线14b 和14d。根据其它实施例，所有聚合物致动器元件10a-d可同时致动， 或者换言之，电流可被同时发送经过所有浮动电流线14a-d,而且，在 图12至16中所给出的实例中，微流体系统包括四个聚合物致动器元 件10a-d和四个浮动电流线14a-d。根据其它实施例，微流体系统可包 括任何其它数目的聚合物致动器元件10a-d和任何其它数目的浮动电 流线14a-d。优选地，微流体系统可包括与浮动电流线14a-d相同数目 的聚合物致动器元件10a-d。此外，在图12至图16中所给出的实例中，当不致动聚合物致动器元件10a-d时，它们具有直薄片的形状。但是， 根据本发明的其它实施例，聚合物致动器元件lOa-d的初始形状(即当 它们未被致动时的形状)也可向上巻曲。当它们被致动时，它们通过 拉直和因此根据本发明通过向下移动，即朝向微通道18的内壁17移 动，而改变它们的形状。
在上迷实施例中，致动器元件10a-d的移动可通过例如定位于微流 体系统中的一个或多个磁性传感器来测量。这可允许确定微通道18中 的流体的流性质，诸如流速度和/或粘性。而且，也可通过使用不同的 致动频率来测量其它流体细节。举例而言，也可以这种方式来测量流 体的细胞内含物(例如红细胞压积)或流体的凝结性质。
根据本发明实施例的微流体系统的优点在于因为使用磁致动， 它们可用于非常复杂的生物流体，诸如唾液、痰或全血。
根据本发明实施例的微流体系统的另外的优点在于相对于通过 位于微通道壁中的电流线生成的磁场来获得磁致动的现有技术微流体 系统，其以相等或更低的电流提供增强的致动效果。
根据本发明实施例的微流体系统可用于生物技术或生物医学应用 中，诸如生物传感器、快速DNA分离和大小筛分、细胞操纵和分选， 或者在制药应用中，特别是在局部混合至关重要的高通量组合测试中。
却系统中。
举例而言，本发明的微流体系统可用于生物传感器中，例如用于 在诸如唾液、痰、血液、血浆、间质流体或尿液之类的生物流体中检 测诸如蛋白质、抗体、核酸(例如，DNR、 RNA)、肽、寡糖或多糖或糖 的至少一个目标分子。因此，供应小的流体样本(例如，液滴)到该 系统，并通过在微通道系统内操纵流体而使流体到进行实际检测的感 测位置。通过在根据本发明的实施例的微流体系统中使用各种传感器， 可在一次分析运行中检测不同类型的目标分子。
下面将更详细地讨论可用于根据本发明实施例的微流体设备的聚 合物致动器元件10a-d。
图17和图18示出了聚合物致动器元件10的实例。图17的左部代 表致动器元件10，其可通过上下弯曲而对所施加的磁场做出响应。图 17的右部示出了在垂直于覆盖有致动器元件10的微通道18的内壁17的方向上的截面。图17右部的致动器元件10可通过从左向右弯曲而 对所施加的磁场做出响应。
聚合物致动器元件10可包括聚合物微机电系统或聚合物MEMS 20和用于将聚合物MEMS 20附连到微流体系统的微通道18的内壁17 的附连装置21。附连装置21可定位于聚合物MEMS20的第一末端。 聚合物MEMS 20可具有束的形状。但是，本发明并不限于束成形 MEMS,聚合物致动器元件10也可包括具有其它合适形状的聚合物 MEMS 20，优选地为细长形状，诸如杆形。
将在下文中描述如何形成附连到微通道18的内壁17的聚合物致 动器元件IO的实施例。
聚合物致动器元件10可以各种可能的方式固定到微通道18的内 壁17。将聚合物致动器元件10固定到微通道18的内壁17的第一种方 式是例如通过旋转、蒸发或通过另 一合适的沉积技术在牺牲层上沉积 将形成聚合物致动器元件10的材料层。因此，首先可在微通道18的 内壁17上沉积牺牲层。牺牲层可例如由金属(例如，铝)、氧化物(例如， SiOx)、氮化物(例如，SixNy)或聚合物组成。组成牺牲层的材料应使得 其可相对于形成聚合物致动器元件10的材料被选择性地蚀刻且可在合 适长度上沉积于微通道18的内壁17上。根据本发明的实施例，牺牲 层可例如沉积于微通道183的内壁17的整个表面区域上，通常在大约 几厘米的区域上。但是，根据其它实施例，牺牲层可沉积于长度L上， 该长度L则是与致动器元件10a-d的长度相同的长度，其通常在大约 10至lOOinm之间。取决于所用材料，牺牲层可具有0.1与10pm之 间的厚度。
在下一步骤，可将稍后将形成聚合物MEMS 20的聚合物材料层沉 积于牺牲层上且紧邻牺牲层的一侧。随后，可通过蚀刻聚合物MEMS 20 下方的牺牲层来移除该牺牲层。以此方式，在长度L(如在图17中所示 出的)上从内壁17释放聚合物层，这个部分形成聚合物MEMS 20。保 持附连到内壁17的聚合物层的部分形成用于将聚合物MEMS附连到 微通道18，更特别地附连到微通道18的内壁17的附连装置21。
形成可用于本发明的聚合物致动器元件10a-d的另一方式可为在 施加聚合物材料之前使用内壁17的图案化表面能量工程。在此情况下， 上面将附有聚合物致动器元件10a-d的微通道18的内壁17被图案化从而获得具有不同表面能量的区域。这可通过合适的技术进行，诸如光
刻或印刷。因此，沉积并结构化将从其构造聚合物致动器元件10a-d 的材料层，沉积和结构化各利用本领域技术人员已知的合适技术。该 层将强有力地附连到下方的内壁17的某些区域，另外被称作强粘附区 域，且较弱地附连到内壁17的其它区域，另外被称作弱粘附区域。然 后有可能在弱粘附区域获得该层的自发释放，而该层在强粘附区域将 保持固定。然后强粘附区域可以形成附连装置21。以此方式有可能获 得自形成的独立式的聚合物致动器元件10a-d。
如已讨论的那样，这样加工的聚合物致动器元件10a-d不需要在基 本上平行于微通道18的内壁17的平面的方向，如在本申请的图12至 图18所示。聚合物致动器元件10a-d也可在基本上垂直于微通道18的 内壁17的平面的方向，如在图7至图11中所示。
聚合物MEMS21可例如包括丙烯酸酯聚合物、包括共聚物的聚(乙 二醇)聚合物，或者可包括任何其它合适的聚合物。优选地，形成聚合 物MEMS 21的聚合物应是生物兼容的聚合物，使得它们与微通道18 中的流体或者微通道18中流体的组分有最小的(生物)化学相互作用。 可选地，聚合物致动器元件10a-d可被修改以控制非特定吸收性质和可 湿性。聚合物MEMS20可例如包括复合材料。举例而言，其可包括颗 粒填充的基体材料或多层结构。还可提到的是根据本发明，可使用"液 晶聚合物网络材料"
在非致动状态，即当不向聚合物致动器元件10a-d施加磁场时，在 特定实例中可具有束形式的聚合物MEMS 20为弯曲的或直的。施加到 聚合物致动器元件10a-d的磁场使得它们弯曲或拉直或者换言之，使它 们运动。聚合物致动器元件10a-d的形状变化使存在于微流体系统的微 通道18中的周围流体运动。在图17中，聚合物MEMS20的弯曲由箭 头22表示并且在图18中这由虚线表示。由于固定到聚合物致动器元 件10a-d的一个末端的壁17，所获得的移动类似于先前所描述的纤毛 的移动。
根据本发明的上述方面，聚合物MEMS 20可具有在10ym与200 Mm之间的长度L，且可通常为100 pm，且可具有在2 p m与30Mm， 通常为20 M m的宽度w。聚合物MEMS 20可具有0.1 [i m与2 jn m之 间，通常为lpm的厚度t。
24微通道18的内壁17可以覆盖有多个直的或弯曲的聚合物致动器 元件10a-d。聚合物MEMS 20可在施加到致动器元件lOa-d的磁场的 作用下前后移动。致动器元件10a-d可包括聚合物MEMS 20，其可例 如为杆形或者束形形状，且它们的宽度在从图平面出来的方向延伸。
在微通道18的内壁17处的聚合物致动器元件lOa-d可布置成一个 或多个行。仅举例而言，致动器元件lOa-d可布置成两行致动器元件 lOa-d,即，在内壁17的第一位置处的笫一行致动器元件10a-d和在内 壁17的第二位置处的第二行致动器元件lOa-d，第一位置和第二位置 基本上彼此相对。根据本发明的其它实施例，致动器元件10a-d也可布 置成多行致动器元件lOa-d，其可被布置成形成例如二维阵列。根据另 外的实施例，致动器元件lOa-d可随机地定位于微通道18的内壁17上。
为了能够在某一方向传输流体，例如在图7或图12中从左向右传 输流体，聚合物致动器元件lOa-lOd的移动必须是不对称的，如之前所 讨论的。也就是说，"拍打"摆动应与"恢复性"摆动的性质不同。 这可通过快速拍打摆动和慢许多的恢复性摆动来实现(参看图2)。
对于泵送设备，由继时性致动器装置来提供聚合物致动器元件 lOa-d的运动。这可通过提供用于单独地或逐行寻址致动器元件lOa-d 的装置来完成。这可通过提供图案化传导膜来实现，所述图案化传导 膜为微通道壁结构的一部分且其可使得有可能建立局部磁场从而可以 单独地或成行地寻址致动器元件lOa-d。相同的办法可用于对热响应的 致动器元件10a-d。在此情况下，传导性图案通过电阻加热起到局部加 热元件的作用。
因此当微通道18的壁17包括结构化图案(通过该结构化图案而 激活所施加的磁场)时，有可能对致动器元件lOa-d进行单独或逐行刺 激。通过在时间上的适当寻址，有可能以波状方式进行协调刺激。非 协调的或随机致动器装置、耦对继时性致动器装置(symplectic metachronie actuator means)和反耦继时性致动器装置(antiplectic metachronie actuator means )包括于本发明的范围内(参看下文)。
在另一方面，本发明还提供用在微流体系统中的系统控制器30， 用于控制通过根据本发明实施例的微流体系统的微通道的流体流。在 图19中示意性地示出的系统控制器30可控制微流体系统的总体操作 来控制通过微流体系统的微通道18的流体流。根据本方面的系统控制器30可包括控制单元31用于通过施加经过存在于微通道18中的至少 一个浮动电流线14a-d的电流来控制磁场发生器。该电流可例如由诸如 多个电流源或电压源的电流提供单元32来施加。可通过向电流提供单 元32提供预定或计算的控制信号来执行对磁场发生器14a-d的控制。 对于本领域技术人员显而易见的是系统控制器30可包括其它控制单元 来控制微流体系统的其它部分；但是，这些其它的控制单元在图19中 未示出。
系统控制器30可包括计算设备，例如，微处理器，例如其可为微 控制器。特别地，其可包括可编程的控制器，例如可编程的数字逻辑 设备，诸如可编程阵列逻辑(PAL)、可编程逻辑阵列、可编程门阵列， 尤其是现场可编程门阵列(FPGA)。使用FPGA允许随后对微流体系统 进行编程，例如通过下载FPGA所需要的设置。系统控制器30可根据 可设置的参数来操作。
体流的方法可实施于处理系统50中，诸如图'20所i。图20示出了丄 理系统50的一个配置，其包括耦合到存储器子系统52的至少一个可 编程的处理器51，存储器子系统52包括至少一种形式的存储器，例如 RAM、 ROM等。应当指出的是(多个)处理器51可为通用处理器或 专用处理器，且可包括于例如芯片的设备中，所述芯片具有执行其它 功能的其它部件。因此，本发明的一个或多个方面可以以数字电子电 路，或者计算机硬件、固件、软件或者其组合来实施。处理系统可包 括存储子系统53,其具有至少一个盘驱动器和/或CD-ROM驱动器和/ 或DVD驱动器。在某些实施方式中，可包括显示系统、键盘和指点设 备作为用户接口子系统54的 一部分来允许用户手动输入信息。也可包 括用于输入或输出例如所希望的流率或所获得的流率的数据的端口。 也可包括诸如网络连接、到各种设备的接口等更多的元件，但在图20 中未示出。处理系统50的各种元件可以各种方式耦合，包括经由总线 子系统55，为了简单起见在图20中示出为单个总线，但本领域技术人 员应了解也包括至少一个总线的系统。存储器子系统52的存储器可在 某些时间持有一组指令的部分或全部(任一情况下示为56)，这些指令 当在处理系统50上执行时实施本文所描述的方法实施例的步骤。因此， 虽然诸如图20所示的处理系统50为现有技术，包括实施用于操纵颗
26粒或表征颗粒的方法方面的指令的系统并非现有技术，且因此图20并 未标为现有技术。
本发明还包括计算机程序产品，当在计算设备上执行时其提供根 据本发明方法中任何方法的功能。这种计算机程序产品可有形地实施 于携带机器可读代码的载体介质中以供可编程处理器执行。因此本发 明涉及携带计算机程序产品的载体介质，当在计算装置上执行时，所 述计算机程序产品提供用于执行如上文所述的方法中任何方法的指 令。术语"载体介质"指代参与向处理器提供指令以供执行的任何介 质。这样的介质可采取许多形式，包括但不限于，非易失性介质和传 输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如为大容量存储器的 部分的存储设备。常用形式的计算机可读介质包括CD-ROM、 DVD、 柔性盘或软盘、磁带、存储器芯片或盒式存储器或者计算机可读的任 何其它介质。各种形式的计算机可读介质可以涉及携带一个或多个指 令的 一个或多个序列到处理器以供执行。计算机程序产品还可在诸如 LAN、 WAN或因特网的网络中经由载波传输。传输介质可采取诸如在 无线电波和红外数据通信期间所生成的声波或光波的形式。传输介质 包括同轴电缆、铜线或光纤，包括导线，所述导线包括计算机内的总 线。应了解尽管在本文中对于根据本发明的设备讨论了优选实施例、
特定构造和配置以及材料，但在不偏离本发明的范围和精神的情况下 可做出各种形式和细节的变化或修改。
权利要求
1.一种微流体系统，其包括具有内壁(17)的至少一个微通道(18)，所述微流体系统还包括-附连到所述内壁(17)的多个纤毛致动器元件(10a-d)，每个纤毛致动器元件(10a-d)具有形状和方位，以及-磁场发生器，其用于向所述多个纤毛致动器元件(10a-d)施加磁场以便造成其形状和/或方位的变化，其中用于向所述多个纤毛致动器元件(10a-d)施加磁场的磁场发生器由存在于所述至少一个微通道(18)中的至少一个浮动电流线(14a-d)形成。
2. 根据权利要求1所述的微流体系统，其中为所述多个纤毛致动器 元件(10a-d)中的每一个提供浮动电流线(14a-d)。
3. 根据权利要求1或2所述的微流体系统，其中该至少一个浮动电 流线(14a-d)在一端(15a)附连到该至少一个微通道(18)。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的微流体系统，所述至少一个 微通道(18)的内壁(17)位于平面中，其中所述多个纤毛致动器元件 (10a-d)基本上垂直于该至少一个微通道(18)的内壁(17)的平面定向。
5. 根据权利要求4所述的微流体系统，其中浮动电流线(14a-d)位于 每两个随后的纤毛致动器元件(1 Oa-d)之间。
6. 根据权利要求5所述的微流体系统，所述多个纤毛致动器元件 (10a-d)具有长度L，其中在该至少一个微通道(18)的壁(17)与该至少一 个浮动电流线(14a-d)之间的距离Lw在O与2L之间。
7. 根据权利要求6所述的微流体系统，其中在该至少一个微通道(18) 的壁(17)与该至少一个浮动电流线(14a-d)之间的距离U在L与1.5L之 间。
8. 根据权利要求1至3中任一项所述的微流体系统，所述至少一个 微通道(18)的内壁(17)位于平面中，其中所述多个纤毛致动器元件 (10a-d)基本上平行于所述至少一个微通道(18)的内壁(17)的平面定向。
9. 根据权利要求8所述的微流体系统，其中所述至少一个浮动电流 线(14a-d)位于纤毛致动器元件(10a-d)的上方且示出与纤毛致动器元件 (10a-d)的至少部分的重叠(O)，所述重叠(O)由所述至少一个浮动电 流线(14a-d)按照基本上垂直于所述至少一个微通道(18)的内壁(17)的平 面的方向到所述多个纤毛致动器元件(10a-d)上的投影限定。
10. 根据权利要求9所述的微流体系统，其中所述多个纤毛致动器 元件(10a-d)与所述至少一个浮动电流线(14a-)之间的距离Lw在10jnm 与100Mm之间。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其中所述多个 纤毛致动器元件(10a-d)是聚合物致动器元件。
12. 根据权利要求11所述的微流体系统，其中所述聚合物致动器元 件(10a-d)包括聚合物MEMS。
13. 根据权利要求11所述的微流体系统，其中所述多个聚合物致动 器元件(10a-d)包括离子聚合物金属复合物(IPMC)。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其中所述纤毛 致动器元件(10a-d)包括均匀连续磁性层(11)、图案化连续磁性层和磁性 颗粒(12)中的一个。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，所述微流体系 统还包括至少一个磁性传感器，用于测量所述多个纤毛致动器元件 (10a-d)的移动。
16. 根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统在生物技术、制 药、电气或电子应用中的用途。
17. —种用于制造包括至少一个微通道(18)的微流体系统的方法， 所述方法包括-向所述至少一个微通道(18)的内壁(17)提供多个纤毛致动器元 件(10a-d)，以及-在所述至少一个微通道中提供至少一个浮动电流线(14a-d)用于向 所述多个纤毛致动器元件(10a-d)施加刺激。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中在所述至少一个微通道(18) 中提供至少一个浮动电流线(14a-d)是通过将至少一个电流线(14a-d)引 线结合到所述至少一个微通道(18)的内壁(17)而执行的。
19. 根据权利要求17或18所述的方法，还包括向所述纤毛致动器 元件(10a-d)提供均匀连续磁性层(11)、图案化连续磁性层或磁性颗粒 (12)中的一个。
20. —种用于控制通过微流体系统的微通道(l 8)的流体流的方法， 所述微通道(18)具有内壁(17)，所述微通道(18)的内壁(17)具有多个纤毛 致动器元件(10a-d)，每个所述纤毛致动器元件(10a-d)具有形状和方位；所述方法包括國提供经过存在于所述微通道(18)中的至少一个浮动电流线(14a-d) 的电流以用于向所述纤毛致动器元件(10a-d)施加磁场从而造成至少一 个纤毛致动器元件的形状和/或方位的变化。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中通过提供0.1A与IOA之间 的电流来执行提供经过至少 一个浮动电流线(14a-d)的电流。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中通过提供O.IA与1A之间的 电流来执行提供经过至少 一个浮动电流线(14a-d)的电流。
23. —种用于控制经过微流体系统的微通道(l8)的流体流的控制器 (30)，所述微通道(18)具有内壁(17)，所述微通道(18)的所述内壁(17) 具有多个纤毛致动器元件(10a-d)，每个所述纤毛致动器元件(10a-d)具 有形状和方位，所述控制器包括画控制单元，其用于控制电流经过存在于所述微通道(18)中的至少 一个浮动电流线(14a-d)的流动以向所述纤毛致动器元件(10a-d)施加磁 场从而造成至少一个纤毛致动器元件的形状和/或方位的变化。
24. —种当在计算装置上运行时执行权利要求20至22中任一项所 述方法的计算机程序产品。
25. —种存储如权利要求24所述的计算机程序产品的机器可读数 据存储设备。
26. 如权利要求24所述的计算机程序产品在局域或广域电信网络 上的传输。
全文摘要
本发明提供一种微流体系统，其包括具有内壁(17)的至少一个微通道(18)。微流体系统包括附连到至少一个微通道(18)的内壁(17)的多个纤毛致动器元件(10a-d)以及至少一个浮动电流线(14a-d)，所述至少一个浮动电流线(14a-d)存在于至少一个微通道(18)中，用于向所述多个纤毛致动器元件(10a-d)施加磁场以改变它们的形状和/或方位。本发明还提供了一种用于制造这样的微流体系统的方法和用于控制通过这样的微流体系统的微通道(18)的流体流的方法。
文档编号B01L3/00GK101631617SQ200880008267
公开日2010年1月20日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者J·M·J·登图恩德, J·W·威坎普, M·W·J·普林斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司