專利名稱：：微型泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種微型泵(或小型泵)，其可適用于生物醫(yī)學(xué)和生物分析的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：微型泵最近是很受關(guān)注的并在例如生命科學(xué)及藥物制配部門中得到了應(yīng)用。一種應(yīng)用是將藥物送到人體中。為此，微型泵附在人體上或植入體內(nèi)。微型泵還應(yīng)用于生物分析或生物化學(xué)研究中。在生物分析中的增加應(yīng)用的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是人類基因體計(jì)劃的完成，其導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)室中分子診斷的迅速發(fā)展。這些實(shí)驗(yàn)室中所使用的診斷系統(tǒng)包括有微型泵，對于試劑和流體樣品的微觀流體操作而言，微型泵是必不可少的。這些帶有一體微型閥的微型泵可在μl/min到ml/min的范圍內(nèi)進(jìn)行精確和可控的流體傳送。為了防止污染，在每次使用后，診斷系統(tǒng)中的大多構(gòu)件——包括微型泵——通常被處理掉。從而，理想地，在上述診斷系統(tǒng)中所使用的微型泵應(yīng)當(dāng)廉價(jià)、可靠以及易于控制。可獲得多種類型的微型泵。在Choi等的美國專利申請2002/0081866，″ThermallyDrivenMicro-pumpBuriedInASiliconSubstrateAndMethodForFabricatingTheSame″、Maillefer等的美國專利6,390,791″MicroPumpComprisinganInletControlMemberForItsSelf-Priming″、VanLintel的美國專利5,759,014″Micro-pump″、Yamada等的美國專利5,499,909″PneumaticallyDrivenMicro-pump″、Grosjean等的美國專利6,520,753″PlanarMicro-pump″、Unger等的美國專利6,408,878″MicrofabricatedElastomericValveAndPumpSystems″、Unger等的WO02/43615″MicrofabricatedElastomericValveAndPumpSystems″、DidierMaillefer等的″AHigh-PerformanceSiliconMicro-pumpForDisposableDrugDeliverySystems″(ThethirteenthIEEEInternationalMicroElectroMechanicalSystems(MEMS-2000)Conference，Miyazaki，Japan)、MelvinKhoo等的″ANovelMicromachinedMagneticMembraneMicrofluidPump″(The22ndAnnualInternationalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety.Chicago，IL，2000)、R.Linnemann和P.Woias與C.D.Senfft及J.A.Ditterich的″Aself-primingandbubbletolerantpiezoelectricsiliconmicro-pumpforliquidsandgases″(The11thannualinternationalworkshoponMEMS.1998，HeidelbergGermany，pp.532-537)、K.P.Kamper和J.Dopper與W.Ehrfeld及S.Oberbeck的″Aself-fillinglow-costmembranemicro-pump″(The11thannualinternationalworkshoponMEMS.1998，HeidelbergGermany，pp.432-437)、JunShinohara等的″Ahighpressure-resistancemicro-pumpusingactiveandnormally-closedvalves″(ThirteenthIEEEInternationalMicroElectroMechanicalSystems(MEMS-2000)Conference.Miyazaki，Japan，2000)、CharlesGrosjean等的″Athermopneumaticperistalticmicro-pump″(TechnicalDigestofTransducers′99，Sendai，Japan)、以及DidierMaillefer等的″Ahigh-performancesiliconmicro-pumpforanimplantabledrugdeliverysystem″(The1999IEEEInternationalMicroElectroMechanicalSystems(MEMS1999)Conference.Orlando，F(xiàn)lorida，USA，1999.)中描述了這些微型泵中的一些。某些微型泵通常包括一個(gè)位于一個(gè)腔中的隔膜，該腔由兩個(gè)止同閥或兩個(gè)噴嘴/散流器限界。在美國專利5,759,014、美國專利6,390,791、以及DidierMaillefer等的″AHigh-PerformanceSiliconMicro-pumpForDisposableDrugDeliverySystems″(ThethirteenthIEEEInternationalMicroElectroMechanicalSystems(MEMS-2000)Conference，Miyazaki，Japan.)中公開了這樣的微型泵。這些微型泵的隔膜典型地由一個(gè)硅片通過體微加工或面微加工而制成。體微加工是一種削減的制造方法，其中單晶硅通過平版印刷而形成圖案，然后蝕刻以形成三維結(jié)構(gòu)。面微加工是一個(gè)添加的方法，其中半導(dǎo)體類型的材料——例如多晶硅、氮化硅、二氧化硅——以及各種合適金屬的層陸續(xù)地添加以及形成圖案，以形成三維結(jié)構(gòu)。使用上述方法中的任意一種要求清潔的房間設(shè)備以及仔細(xì)的質(zhì)量控制工藝。從而，包括有硅隔膜的微型泵的材料費(fèi)用很高并且制造昂貴。昂貴的費(fèi)用可能對隨意的使用造成了阻礙。從而，希望有一種這些微型泵的較為廉價(jià)的可選方案，在生物分析應(yīng)用中的隨意使用時(shí)尤其如此。而且，硅隔膜的楊式模量很高，大約為100Gpa。一個(gè)具有這種隔膜的微型泵的壓縮率通常是很低的，其定義為ε＝(ΔV+V0)/V0其中ΔV為搏出量，而V0為死區(qū)，死區(qū)為在抽吸循環(huán)中在抽吸腔內(nèi)不曾移位的流體的體積。對于微型泵而言，當(dāng)考慮到自填注時(shí)，低壓縮率是不利的。為了獲得微型泵的自填注，即，為了能將盡可能多的氣體和氣泡抽吸出微型泵，需要使壓縮率最大化。為了最大化壓縮率，死區(qū)必須最小化，而搏出量必須最大化。具有硅隔膜的微型泵搏出量的最大化不能容易地實(shí)現(xiàn)，在微型泵具有一個(gè)有角輪廓的抽吸腔和/或隔膜通過一個(gè)僅能產(chǎn)生有限致動(dòng)力的致動(dòng)器——例如一個(gè)壓電元件——驅(qū)動(dòng)時(shí)尤為如此。由于硅隔膜和抽吸腔的形狀之間的不匹配，這種微型泵可具有一個(gè)相對較大的死區(qū)。K.P.Kamper、J.Dopper、W.Ehrfeld，、以及S.Oberbeck在″Aself-fillinglow-costmembranemicro-pump″(The11thannualinternationalworkshoponMEMS.1998，HeidelbergGermany，pp.432-437)中公開了一種具有分層構(gòu)造的微型泵，其具有相對較高的壓縮率。該微型泵包括有頂部和底部的模制聚碳酸酯外殼部分，該外殼部分包括形成于其內(nèi)的微結(jié)構(gòu)并用作入口和出口以及對齊結(jié)構(gòu)。聚碳酸酯閥膜將頂部和底部部分隔開。微型泵還包括有一個(gè)與閥膜分開的泵膜。泵膜安裝在上部外殼部分的頂部。在一個(gè)位于泵膜下方的空間和一個(gè)閥膜所處的閥平面之間，通過兩個(gè)位于上外殼部分中的圓形通孔而實(shí)現(xiàn)了流體連通。
發(fā)明內(nèi)容依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種微型泵。該微型泵包括一個(gè)第一層、一個(gè)第二層以及一個(gè)第三中間柔性層。第一層包括一個(gè)入口凹入，一個(gè)與所述入口凹入流體連通的入口槽道以及一個(gè)出口槽道。第二層包括一個(gè)出口以及一個(gè)入口。所述的第一層和第二層設(shè)置成所述入口與所述入口凹入相面對，且至少一部分的出口槽道與所述出口相面對。所述的第一層和第二層中的至少一個(gè)包括一個(gè)與入口槽道和出口槽道流體連通的抽吸腔。所述的中間柔性層包括設(shè)置在其中的一個(gè)入口切口以及一個(gè)出口切口。所述的中間柔性層還包括一個(gè)可致動(dòng)部分、一個(gè)與所述入口切口鄰近的第一閥部分、以及一個(gè)與所述出口切口鄰近的第二閥部分。所述的可致動(dòng)部分抵靠抽吸腔。所述第一閥部分設(shè)置在入口上方，以防止流體在入口和入口凹入之間通過。所述的第一閥部分可響應(yīng)于可致動(dòng)部分的第一致動(dòng)而從入口移開，以允許入口與入口凹入通過入口切口而流體連通。第二部分設(shè)置在出口槽道和出口之間，以防止流體在出口槽道和出口之間通過。第二閥部分可響應(yīng)于可致動(dòng)部分的第二致動(dòng)而從出口槽道移開，以允許出口槽道和出口通過出口切口而流體連通。抽吸腔可通過兩個(gè)相應(yīng)的位于第一層和第二層中的抽吸凹入而限定。在這種情形下，中間柔性層的可致動(dòng)部分位于該等抽吸凹入之間。第二層的入口可包括一個(gè)包繞一個(gè)基座的凹入，所述基座抵接中間柔性層的入口切口。第一層的出口槽道可包括一個(gè)包繞一個(gè)基座的凹入，所述基座抵接中間柔性層的出口切口。用于上述實(shí)施方式的第一層和第二層的結(jié)構(gòu)是基本上相同的，從而可使用單個(gè)模件模制。相應(yīng)地，本發(fā)明的泵可廉價(jià)地、通過一個(gè)相對簡單的工藝制造。第一層和第二層的特有特征可在模制所述的層后接著形成在相應(yīng)的層中。中間柔性層可由任意柔度足以致動(dòng)的材料制造，以確保液體通過泵而傳輸。例如，其可由薄的金屬箔、薄的半導(dǎo)體——例如硅——膜、或聚合材料制造。一個(gè)適合的中間層是一個(gè)低楊氏模量的膜層。通過這樣的一個(gè)層，中間柔性層的可致動(dòng)部分可緊密地抵靠在抽吸腔的壁上，以增加微型泵的壓縮率。中間柔性層可以至少基本上是平的。這種層制造容易。通過參照附圖，可以更好地理解本發(fā)明，其中圖1是一個(gè)依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的微型泵的分解等距視圖，其中該微型泵包括一個(gè)頂層、一個(gè)中間層以及一個(gè)底層；圖2是一個(gè)等距視圖，其示出了圖1中頂層的一個(gè)底面；圖3A-3E示出了一個(gè)包繞著位于圖2中頂層底面上的基座的環(huán)形凹入的俯視圖，示出所述的環(huán)形凹入和基座具有不同的形狀；圖4為一個(gè)與圖1中的微型泵類似的微型泵的剖視圖，其示出頂層卡合到底層上；圖5A為圖1中微型泵沿著圖1中X-X線的剖視圖，其中示出該微型泵處于一個(gè)組裝好的、未致動(dòng)的狀態(tài)；圖5B為一個(gè)與圖3A類似的剖視圖，其中示出該微型泵處于一個(gè)第一致動(dòng)、用于通過一個(gè)入口而將流體吸入一個(gè)抽吸腔的狀態(tài)；圖5C為一個(gè)與圖3A類似的剖視圖，其中示出該微型泵處于一個(gè)第二致動(dòng)、用于通過一個(gè)出口而將流體排出抽吸腔的狀態(tài)；圖6為一個(gè)用于鑒定與圖1所示類似的原型微型泵性能的實(shí)驗(yàn)裝置；圖7為一個(gè)圖表，其示出了通過圖6中的實(shí)驗(yàn)裝置而獲得的原型微型泵的流率與驅(qū)動(dòng)頻率之間的關(guān)系；圖8為一個(gè)圖表，其示出了通過圖6中的實(shí)驗(yàn)裝置而獲得的原型微型泵的流率與泵揚(yáng)程之間的關(guān)系；圖9為一個(gè)示意圖，其示出了圖1中微型泵的一種應(yīng)用；圖10為依據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的微型泵的剖視圖；以及圖11為一個(gè)與圖3A類似的剖視圖，其示出了一個(gè)設(shè)置在抽吸腔內(nèi)、用于致動(dòng)微型泵的PZT雙壓電晶懸臂梁。具體實(shí)施例方式圖1是一個(gè)依據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的微型泵2的分解等距視圖。該微型泵2包括一個(gè)第一或頂部殼層4、一個(gè)第二或底部殼層6以及一個(gè)夾在頂層4和底層6之間的柔性的第三中間層8，從而限定了一個(gè)總厚度或高度例如介于2-5mm之間的三層結(jié)構(gòu)。圖2是一個(gè)等距視圖，其示出頂部殼層4的一個(gè)底面。頂層4和底層6中的至少一個(gè)包括一個(gè)限定了微型泵2抽吸腔12(圖4B)的抽吸凹入10。此抽吸腔12的高度可以為、但并不限于例如200μm。抽吸腔12的直徑可以為、但并不限于例如3-10mm。在示于圖1的微型泵2中，頂層4和底層6具有各自的抽吸凹入10。當(dāng)彼此面對地設(shè)置時(shí)，這些抽吸凹入10限定了所述的抽吸腔12。頂層4包括一個(gè)入口凹入14以及一個(gè)入口槽道16，該入口槽道16將入口凹入14與抽吸凹入10連接起來以允許兩者之間的流體連通。入口凹入14的直徑可以為、但并不限于0.5-2mm。頂層4還包括一個(gè)與抽吸凹入10流體連通的出口槽道18。出口槽道18包括一個(gè)第一環(huán)形凹入20，該第一環(huán)形凹入20包繞著頂層4的一個(gè)第一基座22。底層6包括一個(gè)入口24(圖5A)以及一個(gè)出口26(圖5A)。底層6的入口24包括一個(gè)第二環(huán)形凹入28，該第二環(huán)形凹入28包繞著底層6的一個(gè)第二基座30。應(yīng)當(dāng)注意第一環(huán)形凹入20和第二環(huán)形凹入28、以及第一基座22和第二基座30的形狀并不限于圖1和2所示的圓柱形。其它如示于圖3A-3E的形狀也是可能的。出口26包括一個(gè)狹窄的部分32，該狹窄部分32與一圓形凸出的或較寬的出口凹入34相連。底層6還包括一個(gè)與抽吸凹入10流體連通的通孔36。頂層4和底層6放置在或設(shè)置在中間柔性層8的兩側(cè)，使得底層6的入口24、或更具體地為第二環(huán)形凹入28與頂層4的入口凹入14相對。同時(shí)，在頂層4和底層6的這種設(shè)置中，至少一部分的出口槽道18、或更具體地為第一環(huán)形凹入20與底層6的出口凹入34相對地設(shè)置。頂層4固定到底層6上而壓緊兩者之間的中間柔性層8。圖4為一個(gè)示例，示出了頂層4可如何地固定到底層6上。在這個(gè)示例中，底層6設(shè)置有從其表面上突出的至少兩個(gè)閂鎖臂39，以允許底層6卡合到頂層4上。其它將頂層4附接到底層6上的裝置包括、但并不限于例如通過快速固化的粘合劑而粘合、螺釘緊固和夾緊。把頂層4組裝到底層6上使得空隙——例如頂層4的凹入10、14、20——被密閉地密封住以操作微型泵2。將簡短地描述微型泵2的操作。頂層4和底層6可包括對齊結(jié)構(gòu)(未示)，該等對齊結(jié)構(gòu)使得頂層4可以在組裝過程中與底層6對齊。底層6還可包括一體的管狀連接37。中間柔性層8包括一個(gè)從其穿透或設(shè)置在其中的入口孔38以及出口孔40。入口孔38和出口孔40的直徑可以為、但并不限于0.05-0.5mm。應(yīng)當(dāng)注意，也可以是切口(未示)而不是孔38、40。這種切口的長寬尺寸可以為0.05-0.2mm和0.05-0.2mm。中間柔性層8還包括一個(gè)可致動(dòng)部分42(圖5A)，通過頂層4和底層6的一個(gè)邊緣而夾緊在位。當(dāng)放置或設(shè)置在頂層4和底層6之間時(shí)，可致動(dòng)部分42抵接著抽吸腔12。當(dāng)頂層4和底層6都包括一個(gè)如上所述的抽吸凹入10時(shí)，可致動(dòng)部分42設(shè)置在頂層4和底層6相應(yīng)的抽吸凹入10之間，位于由抽吸凹入10所限定的抽吸腔12的中間。中間柔性層8還包括一個(gè)鄰近入口孔38的第一閥部分44，在此特定的實(shí)施方式中，第一閥部分44包繞著入口孔38。當(dāng)組裝于頂層4和底層6之間時(shí)，此第一閥部分44以微小的偏移設(shè)置在環(huán)形凹入28上方，而入口孔38位于第二基座30上或抵接第二基座30，以防止流體在入口24和入口凹入14之間通過。從而，第二基座起到了位于其上的第一閥部分44的閥座的作用。中間柔性層8的第一閥部分44可響應(yīng)于可致動(dòng)部分42的第一致動(dòng)而從環(huán)形凹入28移入頂層4的入口凹入14中，以允許入口24與入口凹入14通過入口孔38而流體連通。中間柔性層8還包括一個(gè)鄰近出口孔40的第二閥部分46，在此特定的實(shí)施方式中，第二閥部分46包繞著出口孔40。當(dāng)組裝于頂層4和底層6之間時(shí)，此第二閥部分46以微小的偏移設(shè)置在第一環(huán)形凹入20與出口凹入34之間，從而位于第一基座22上或抵接第一基座22，以防止流體在出口槽道18和出口26之間通過。從而，第一基座22起到了第二閥部分46的閥座的作用。隨著這個(gè)第二閥部分46抵接其相應(yīng)閥座，可防止流體回流過微型泵2，對于大多數(shù)生物分析而言，該回流是不期望的。第二閥部分46可響應(yīng)于可致動(dòng)部分42的第二致動(dòng)而從環(huán)形凹入20移入底層6的出口凹入34中，以允許出口槽道18與出口26通過出口孔40而流體連通。為了易于組裝，中間柔性層8可以是一個(gè)整體的層。這個(gè)層可以至少基本上是平的。頂部殼層4和底部殼層6可通過任意的、與生物分析應(yīng)用生物兼容的剛性材料——例如硅或塑料(例如熱塑性塑料)——制造。熱塑性塑料的例子包括、但并不限于聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚甲醛、聚酰胺、聚丁烯對苯二酸、以及聚苯醚。當(dāng)由這樣的熱塑性塑料制造時(shí)，頂部殼層4和底部殼層6可通過注模、熱模壓印或其它適合的工藝制造。應(yīng)當(dāng)注意，尤其是在這個(gè)特定的實(shí)施方式中，頂部殼層4和底部殼層6的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)一致的，從而，可以通過單個(gè)的模件模制。然后，可在模制層4、6之后，在相應(yīng)的層4、6中形成頂層4和底層6的獨(dú)特的特征。例如，入口槽道16和出口槽道18可通過鋸形成。底層6中的入口24、出口32以及通孔36可通過一個(gè)常規(guī)的Nd:YAG激光器在Q開關(guān)模式下激光打孔而形成。中間柔性層8可由硅或聚合材料——例如從聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚甲醛、聚酰胺、聚丁烯對苯二酸以及聚苯醚中選擇一種——制造。可選地，中間層也可以是一個(gè)膜層，例如一個(gè)聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚脂薄膜、聚亞安酯、聚二氟乙烯(PVDF)、以及氟硅氧烷膜層。如果不能從市場上購得，膜(或通常的中間層)可通過任意本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員公知的方法制造。通過下文制造一個(gè)PDMS膜層的過程而對其制作進(jìn)行解釋。一個(gè)PDMS膜層可通過澆注而制造。為了易于將澆注的PDMS從模件上分離開來，一個(gè)防粘層——例如一個(gè)可從美國密蘇里州圣路易的Sigma-Aldrich公司購得的1，1，2，2-四氫十三氟代辛基三氯硅烷層——通過在澆注前的真空蒸發(fā)工藝而施加到模件的模腔表面上。此過程在下文中稱為硅烷化。一種兩組分的PDMS溶液——例如可從美國密歇根州米德蘭的DowCornig公司購得的Sylgard184硅橡膠——可用于澆注膜層。溶液的組分A和B以10∶1的比例混合。混合物被緩慢地倒入硅烷化的模制腔內(nèi)。然后，該模件然后被置入一個(gè)真空干燥器內(nèi)達(dá)約于一小時(shí)之久，以允許截留于未固化PDMS混合物中的氣泡逸出。一旦在PDMS混合物中不再有可見的氣泡后，一個(gè)平滑的聚四氟乙烯片被置于模件的頂上。在固化時(shí)，適中的壓力施加到聚四氟乙烯/PDMS/模件的夾層上，以將多余的PDMS預(yù)聚物擠出模制腔。這個(gè)過程確保了固化的PDMS膜的厚度與模制腔的深度大致相等。整個(gè)設(shè)置然后在烤箱內(nèi)在70℃的溫度中固化大約一小時(shí)。在固化之后，聚四氟乙烯片從模件上移走，而固化的PDMS膜從模制腔上剝落。然后通過圖5A、5B和5C對微型泵2的操作原理進(jìn)行描述。圖5A示出了未致動(dòng)的微型泵。如上所述，在關(guān)閉位置上，中間柔性層8的第一閥部分44以及第二閥部分46略微偏移地位于其相應(yīng)的底層6基座30、頂層4基座22上。在閥部分44、46的這些關(guān)閉位置中，抽吸腔12基本上密閉地密封，可以認(rèn)為是相當(dāng)不透氣的。在使用過程中，一個(gè)入口管、一個(gè)出口管以及一個(gè)致動(dòng)流體管例如通過粘合而分別地通過入口24、出口26以及通孔36的一個(gè)開口連接到底部殼層6。入口管連接到一個(gè)填充有將通過微型泵2而分發(fā)的流體貯液器。微型泵2可通過流體——例如空氣——致動(dòng)，該空氣通過致動(dòng)流體管而交替地吸入和抽出抽吸腔12。將空氣交替地吸入和抽出抽吸腔的操作導(dǎo)致中間柔性層8的致動(dòng)部分42在頂層4和底層6的相應(yīng)抽吸凹入10之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在致動(dòng)部分42的第一致動(dòng)中，氣體被抽出抽吸腔12以將致動(dòng)部分42拉入底部殼層6的抽吸凹入10內(nèi)，如圖5B所示。致動(dòng)部分42的這個(gè)運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大了抽吸腔12的體積以在其內(nèi)形成一個(gè)負(fù)壓。然后，大氣壓將貯液器中的流體通過入口24而迫入第二環(huán)形凹入28內(nèi)，從而導(dǎo)致第二環(huán)形凹入28內(nèi)的壓力積聚。第二環(huán)形凹入28和抽吸腔12之間的壓力差導(dǎo)致入口閥部分44抬起或從第二基座30移開以打開這個(gè)位置，從而允許環(huán)形凹入28內(nèi)的流體通過入口孔38而流入入口凹入14內(nèi)，最后流入抽吸腔12。在致動(dòng)部分42的這個(gè)第二致動(dòng)中，大氣壓將出口閥部分46壓緊在第一基座22上，以防止抽吸腔12內(nèi)的流體逸出。在致動(dòng)部分42的第二致動(dòng)中，氣體被吸入抽吸腔12以將致動(dòng)部分42推向頂部殼層4的抽吸凹入10內(nèi)，如圖5C所示。致動(dòng)部分42的這個(gè)運(yùn)動(dòng)減小了抽吸腔12的體積以對其內(nèi)的流體施加一個(gè)壓力。抽吸腔12內(nèi)的壓力積聚或過壓、從而第一環(huán)形凹入20內(nèi)的過壓將出口閥部分46抬起或推開到其打開位置，從而允許抽吸腔12內(nèi)的流體從抽吸腔12中逸出或排出。在致動(dòng)部分42的這個(gè)第一致動(dòng)中，抽吸腔12內(nèi)的流體壓力將如口閥部分44壓緊在第二基座30上，以防止抽吸腔12內(nèi)的流體通過入口孔38返回到貯液器。然后將描述微型泵2的原型、用于鑒定原始微型泵2的性能的設(shè)置以及所獲得的結(jié)果。頂部殼層4以及底部殼層6由聚碳酸酯通過計(jì)算機(jī)數(shù)值控制(CNC)機(jī)器制造，聚碳酸酯是一種透明塑膠，而該機(jī)器帶有一個(gè)直徑為0.5mm的刀具。通過上述工藝獲得的PDMS膜層用于中間柔性層8。膜層的厚度可介于0.1到0.5mm之間。入口孔38和出口孔40也在膜層的模制過程中被模制出來。通過用1.6mm直徑的螺釘將頂部殼層緊固在底部殼層6上，頂部殼層4、底部殼層6以及兩者之間的柔性層8保持在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。?dāng)組裝成這樣的三層結(jié)構(gòu)時(shí)，微型泵2的外尺寸為19mm×12mm×4.2mm。圖6示出了用于測試原型微型泵的實(shí)驗(yàn)裝置。三個(gè)外直徑均為1.5mm的管子連接到原型微型泵2，以用作流體入口管50、流體出口管52以及氣體供應(yīng)管54。流體出口管52是直的，其長度大約為2.5m而內(nèi)直徑為0.51mm。入口管50連接到一個(gè)容置有去離子凈化水的貯液器56。氣體供應(yīng)管54連接到一個(gè)兩狀態(tài)的三向小型電磁閥58——例如可從美國新澤西Nresearch公司購得的閥模型161T032——的輸出。電磁閥58的輸入連接到兩個(gè)壓力調(diào)節(jié)器60，這兩個(gè)壓力調(diào)節(jié)器60分別連接到一個(gè)壓縮氣體源(未示)和一個(gè)真空源(未示)，用于對微型泵2進(jìn)行致動(dòng)。調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)器60以調(diào)節(jié)氣體供應(yīng)管52中流動(dòng)氣體的壓力，以保持住抽吸腔12內(nèi)的相應(yīng)預(yù)定壓力。電磁閥58通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)面板64連接到一個(gè)信號(hào)發(fā)生器62。信號(hào)發(fā)生器62控制電磁閥58的驅(qū)動(dòng)頻率，從而控制微型泵2的驅(qū)動(dòng)頻率。驅(qū)動(dòng)頻率首先被設(shè)置成0.25Hz，然后以0.5Hz的間隔在0.5Hz和6.5Hz之間調(diào)節(jié)。在每個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率上，微型泵2都運(yùn)行或致動(dòng)一個(gè)預(yù)定的時(shí)間。對液柱于該時(shí)期內(nèi)在流體出口管52中運(yùn)行過的長度進(jìn)行了測量。這個(gè)長度也被稱為微型泵2的泵揚(yáng)程。這個(gè)泵揚(yáng)程通過從貯液器56中流體表面算起的液柱高度而給出(在圖6中概略地以“h”表示)。通過已知的流體出口管52的內(nèi)直徑、液柱的長度、以及預(yù)定的時(shí)期，計(jì)算在每個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)的流率。圖7示出了一個(gè)流率測量，其中計(jì)算或描繪了抽吸率(或流率)與驅(qū)動(dòng)頻率之間的關(guān)系。如從圖7中可以看到的那樣，直到約為4.0Hz的驅(qū)動(dòng)頻率，流率與驅(qū)動(dòng)頻率之間大致呈線性。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率介于4Hz到5Hz之間時(shí)，獲得了最大的流率988μl/min。應(yīng)當(dāng)注意，雖然測試最高驅(qū)動(dòng)頻率大約為7Hz，用上述其它材料制造的中間柔性層可獲得更高的驅(qū)動(dòng)頻率。在圖8中示出了在驅(qū)動(dòng)頻率為4Hz時(shí)流率與壓力之間的關(guān)系特征。通過在不同的泵揚(yáng)程位置上——特別地在0、0.5、1.0以及1.5m的泵揚(yáng)程位置上——將一個(gè)外直徑為1.5mm而內(nèi)直徑為0.8mm的長管水平地連接到微型泵出口26而獲得了這個(gè)特征。通過測量管內(nèi)流體沿管方向移過的距離而確定了流率。從所獲得的結(jié)果來看，如圖8所示，流率顯得對輸出壓力并不是很敏感。在微型泵2致動(dòng)而產(chǎn)生一個(gè)大約為2m的泵揚(yáng)程液柱后也進(jìn)行了一個(gè)回流測試。當(dāng)水到達(dá)泵揚(yáng)程時(shí)，停止微型泵2的致動(dòng)，以將微型泵2留在被稱為是松弛模式的狀態(tài)中。在停止對微型泵2的致動(dòng)后，在十二個(gè)小時(shí)內(nèi)都基本上沒有觀察到回流。還對微型泵2進(jìn)行了一個(gè)可靠性測試。微型泵2連續(xù)地致動(dòng)了168個(gè)小時(shí)(一星期)。在該時(shí)期之后，觀察到微型泵2還是工作良好，即在該時(shí)期內(nèi)微型泵沒有故障。此外，在可靠性測試之后，微型泵2的性能保持不變。也對微型泵2進(jìn)行了傳送溶液的測試，該溶液包含有細(xì)胞和組織碎屑。通過在一個(gè)消化試劑中消化一個(gè)鼠肝組織而準(zhǔn)備測試溶液。從而，測試溶液包含有消化試劑、PBS緩沖液以及鼠肝細(xì)胞和碎屑。細(xì)胞的直徑尺寸為7-12μm，而碎屑尺寸介于70μm到138μm之間。在實(shí)驗(yàn)中觀察到微型泵2中不存在阻塞。圖9示出了微型泵2在生物醫(yī)學(xué)研究中的一種示例應(yīng)用。微型泵2連接到一個(gè)液體分發(fā)系統(tǒng)——例如一個(gè)可在移液管機(jī)械臂67的控制下沿x-y方向在生物芯片66上移動(dòng)的移液管65。生物芯片66是一個(gè)帶有空穴或格點(diǎn)68的玻璃或硅基底，在空穴中，例如低核苷酸(未示)的核酸可以被固定住而進(jìn)行雜交化驗(yàn)。微型泵2可用于將所有雜交所需的液體和試劑傳輸?shù)娇昭?8中。有利地，依據(jù)上述實(shí)施方式的三層微型泵2是廉價(jià)的。頂部殼層4和底部殼層6可以由聚碳酸酯制造，而中間柔性層8可以由PDMS膜形成。與在現(xiàn)有技術(shù)的微型泵中所使用的硅相比，這些材料要便宜得多。已知硅的價(jià)格是大多數(shù)塑料的50倍。使用這些材料的制造方法也較不復(fù)雜，從而，與處理硅片時(shí)所需相比，其制造較為廉價(jià)。一個(gè)PDMS的中間柔性層的楊氏模量很低、延伸性很高，其是生物兼容的，并且為頂部殼層和底部殼層提供了良好的密封。從而，通過使用PDMS膜層而克服了把硅片用作隔膜的現(xiàn)有技術(shù)微型泵所遇到的密封問題。此外，與具有硅片隔膜的微型泵相比，PDMS膜還使得微型泵具有更高的壓縮比。此外，PDMS膜可由氣動(dòng)裝置過強(qiáng)地致動(dòng)而抵靠在抽吸腔的壁上。由此，泵的搏出量與抽吸腔的體積大致相當(dāng)。換句話說，泵的死區(qū)是很小的。通過原型微型泵所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，微型泵是結(jié)實(shí)耐用的，在抽吸腔哪怕是充滿了氣體時(shí)也可以抽吸液體，即原型微型泵是自填注。還發(fā)現(xiàn)原型微型泵的操作不受截留于抽吸腔內(nèi)的氣泡的影響，還可以排出氣泡，即微型泵可以容許氣泡。還發(fā)現(xiàn)微型泵的流率對抽吸介質(zhì)的粘度、出口壓力以及入口壓力不敏感。哪怕泵揚(yáng)程超過2米，原型微型泵還可以將氣體從入口抽吸到出口。因?yàn)殚y結(jié)構(gòu)與抽吸腔大致是共面的，與現(xiàn)有技術(shù)的微型泵相比，微型泵也更薄了。雖然根據(jù)上述的實(shí)施方式而對本發(fā)明進(jìn)行了描述，其不應(yīng)當(dāng)解釋成僅限于此。例如，為了使本發(fā)明工作，不一定要設(shè)置包繞基座的環(huán)形凹入，雖然這個(gè)特征使得壓力可以基本上平均地繞鄰近基座的閥部分分布。圖10為一可選實(shí)施方式的、不具有這種環(huán)形凹入的微型泵的剖視圖。在這個(gè)微型泵中，底層的入口與頂層的入口凹入直接地相對。頂層中出口槽道的一部分也直接地與底層的出口凹入相對。作為另一個(gè)示例，用于致動(dòng)中間柔性層可致動(dòng)部分的通孔可形成在頂層中，而不是如上所述的那樣形成在底層中。作為另外又一個(gè)示例，雖然在上文中描述了一個(gè)用于致動(dòng)微型泵的氣動(dòng)裝置，也可使用其它本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員公知的致動(dòng)器。例如，如圖11所示，一個(gè)PZT雙壓電晶懸臂梁70可設(shè)置在抽吸腔12內(nèi)，用于對中間柔性層8的可致動(dòng)部分42進(jìn)行致動(dòng)。懸臂梁70的第一端固定到抽吸腔12的一個(gè)壁，而懸臂梁70的第二自由端附接在可致動(dòng)部分42上。當(dāng)對懸臂梁70施加一個(gè)電壓時(shí)，懸臂梁的自由端從抽吸腔壁移走而沿一個(gè)方向推動(dòng)可致動(dòng)部分42，從而減少抽吸腔12的體積。當(dāng)電壓從懸臂梁70上撤除時(shí)，自由端垂落，拉動(dòng)可致動(dòng)部分42與之一起運(yùn)動(dòng)，從而增加抽吸腔的體積。由此，實(shí)現(xiàn)了可致動(dòng)部分在抽吸腔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。權(quán)利要求1.一種微型泵，包括一個(gè)第一層，其具有一個(gè)入口凹入；一個(gè)與所述入口凹入流體連通的入口槽道；以及一個(gè)出口槽道；一個(gè)第二層，其具有一個(gè)出口；以及一個(gè)入口；其中所述的第一層和第二層設(shè)置成所述入口與所述入口凹入相面對，且至少一部分的出口槽道與所述出口相面對，且其中所述第一層和第二層中的至少一個(gè)包括一個(gè)與所述入口槽道和出口槽道流體連通的抽吸腔；以及一個(gè)第三中間柔性層，其具有設(shè)置在其中的一個(gè)入口切口以及一個(gè)出口切口；一個(gè)抵靠抽吸腔的可致動(dòng)部分；一個(gè)與所述入口切口鄰近的第一閥部分，其中所述第一閥部分設(shè)置在入口上方而防止流體在入口和入口凹入之間通過，且其中所述的第一閥部分可響應(yīng)于可致動(dòng)部分的一個(gè)第一致動(dòng)而從入口移開，從而允許入口與入口凹入通過入口切口而流體連通；以及一個(gè)與所述出口切口鄰近的第二閥部分，其中第二閥部分設(shè)置在出口槽道和出口之間而防止流體在出口槽道和出口之間通過，且其中所述的第二閥部分可響應(yīng)于可致動(dòng)部分的一個(gè)第二致動(dòng)而從出口槽道移開，從而允許出口槽道和出口通過出口切口而流體連通。2.如權(quán)利要求1所述的微型泵，其中所述的抽吸腔通過兩個(gè)相應(yīng)的位于第一層和第二層中的抽吸凹入而限定，且其中所述中間柔性層的可致動(dòng)部分位于這兩個(gè)抽吸凹入之間。3.如權(quán)利要求1或2所述的微型泵，其中所述第二層的入口包括一個(gè)包繞一個(gè)基座的凹入，所述基座抵接中間柔性層的入口切口。4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的微型泵，其中所述第一層的出口槽道包括一個(gè)包繞一個(gè)基座的凹入，所述基座抵接中間柔性層的出口切口。5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的微型泵，其中所述的入口切口和出口切口為位于中間柔性層中的相應(yīng)通孔。6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的微型泵，其中所述的中間柔性層包括有一種聚合材料。7.如權(quán)利要求6所述的微型泵，其中所述的聚合材料從下面的組群中選擇聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚甲醛、聚酰胺、聚丁烯對苯二酸以及聚苯醚。8.如權(quán)利要求6所述的微型泵，其中所述的中間柔性層是一個(gè)膜。9.如權(quán)利要求8所述的微型泵，其中所述的膜包括一種從以下組群中選出的材料聚二甲基硅氧烷、聚脂薄膜、聚氟亞安酯以及氟硅氧烷。10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的微型泵，其中所述的中間柔性層是一個(gè)整體層。11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的微型泵，其中所述的中間柔性層至少基本上是平的。12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的微型泵，其中，在所述第一層和第二層中的其中一層內(nèi)限定了一個(gè)通孔而與所述抽吸腔流體連通。13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的微型泵，其中所述的第一層和第二層中是模制的。14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的微型泵，其進(jìn)一步包括一個(gè)設(shè)置在所述抽吸腔中的致動(dòng)器，用于致動(dòng)所述中間柔性層的可致動(dòng)部分。15.如權(quán)利要求14所述的微型泵，其中所述的致動(dòng)器是一個(gè)PZT雙壓電晶懸臂梁。全文摘要一種微型泵，其具有設(shè)置在一個(gè)中間柔性層(8)兩側(cè)的一個(gè)第一層(4)、一個(gè)第二層(6)，以限定一個(gè)抽吸腔(12)。所述的抽吸腔(12)包含有中間層(8)的一個(gè)可致動(dòng)部分(42)、以及抵靠該層(8)的入口孔(38)和出口孔(40)的閥座(30、22)。可致動(dòng)部分(42)可以移動(dòng)，以增加或減少抽吸腔(12)的容積，從而允許壓力抬起相應(yīng)的、包繞著入口孔(40)和出口孔(40)的中間層部分，從而分別地抽入流體和將流體從抽吸腔(12)排出。文檔編號(hào)A61M1/00GK1926336SQ200480028854公開日2007年3月7日申請日期2004年9月27日優(yōu)先權(quán)日2003年10月1日發(fā)明者徐國林,蘇仁杰,丁道儀申請人:新加坡科技研究局