МИКРООБРАБОТАННЫЕ ЭЛАСТОМЕРНЫЕ КЛАПАННЫЕ И НАСОСНЫЕ СИСТЕМЫ

Изобретение относится к микрообработанным структурам и способам их изготовления. Раскрыт способ изготовления эластомерной структуры, содержащий формирование первого эластомерного слоя сверху первой микрообработанной формы. Первая микрообработанная форма имеет первый выступ, который формирует первое углубление, простирающееся вдоль нижней поверхности первого эластомерного слоя. Формирование второго эластомерного слоя осуществляют сверху второй микрообработанной формы. Вторая микрообработанная форма имеет второй выступ, который формирует второе углубление, простирающееся вдоль нижней поверхности второго эластомерного слоя. Делают присоединение нижней поверхности второго эластомерного слоя к верхней поверхности первого эластомерного слоя с тем, чтобы сформировать канал управления во втором углублении между первым и вторым эластомерными слоями, и размещение первого эластомерного слоя сверху планарной подложки с тем, чтобы сформировать проток в первом углублении между первым эластомерным слоем и планарной подложкой. Описаны способы изготовления микрообработанной структуры. Изобретение повышает надежность микрообработанных структур. 9 н. и 27 з.п. ф-лы, 49 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Ссылка на заявки, которые относятся к изобретению

Эта заявка претендует на приоритет по следующим ранее поданным предварительным заявкам на патент: предварительная заявка на патент США № 60/141503 от 28 июня 1999 года, предварительная заявка на патент США № 60/147199 от 3 августа 1999 года и предварительная заявка на патент США № 60/186856 от 3 марта 2000 года. Текст этих предыдущих предварительных заявок на патенты включен здесь в качестве ссылки. 

Права на изобретения, созданные в результате проведения научно-исследовательских работ, финансируемых из федеральных источников

Правительство США имеет лицензию на это изобретение и право, в ограниченных случаях, требовать от патентообладателя лицензирования других на приемлемых условиях, предусмотренных условиями Гранта № HG-01642-02, присужденного Национальным институтом здоровья.

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к микрообработанным структурам и способам изготовления микрообработанных структур, а также к микрообработанным системам для регулировки потока текучей среды.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время при разработке микроструйных насосов и клапанов используются различные подходы. К сожалению, каждый из этих подходов имеет свои недостатки.

Два наиболее общих способа изготовления микроэлектромеханических структур (МЭМС), таких как насосы и клапаны, представляют собой объемную механическую микрообработку монолитной кремнийсодержащей подложки (которая является субтрактивным способом изготовления, посредством чего на монокристаллический кремний наносят рисунок литографическим способом и затем травят для формирования трехмерных структур), и поверхностную механическую микрообработку (которая является аддитивным способом, где слои материалов полупроводникового типа, такие как поликристаллический кремний, нитрид кремния, диоксид кремния и различные металлы, наносят последовательно и формируют рисунок для создания трехмерной структуры).

Ограничение первого подхода механической микрообработки кремнийсодержащей подложки заключается в том, что жесткость используемых полупроводниковых материалов требует высоких усилий воздействия, которые в свою очередь приводят к большим и сложным конструкциям. Фактически способы объемной и поверхностной механической микрообработки ограничены жесткостью используемых материалов. Кроме того, проблемой также является адгезия между различными слоями изготовленного устройства. Например, при объемной механической микрообработке необходимо использовать методы присоединения полупроводниковых пластин для создания многослойных структур. С другой стороны, при поверхностной механической микрообработке тепловые напряжения между различными слоями устройства ограничивают общую толщину устройства, часто приблизительно до 20 микрон. При использовании любого из вышеописанных способов требуются чистые производственные помещения и тщательный контроль качества.

Сущность изобретения 

Настоящее изобретение относится к системам для изготовления и эксплуатации микрообработанных структур, таких как двухпозиционные клапаны, переключательные клапаны и насосы, например, изготовленные из различных слоев эластомера, соединенных вместе. Представленные структуры и способы идеально подходят для управления и каналырования потока текучей среды, но этим не ограничены.

Согласно предпочтительному аспекту настоящее изобретение использует многослойный процесс мягкой литографии для изготовления интегральных (т.е. монолитных) микрообработанных эластомерных структур.

Преимуществом изготовления представленных структур путем присоединения вместе слоев мягких эластомерных материалов является тот факт, что получающиеся в результате устройства более чем на два порядка меньше по размеру устройств на основе кремния. Кроме того, достигаются и другие преимущества, такие как быстрое изготовление опытного образца, легкость изготовления и биосовместимость.

В предпочтительных аспектах изобретения, отдельные эластомерные слои изготавливают сверху микрообработанных форм так, что углубления формируются в каждом из различных эластомерных слоев. При присоединении этих различных эластомерных слоев вместе углубления, простирающиеся вдоль различных эластомерных слоев, образуют каналы и линии управления через полученную в результате монолитную, интегральную эластомерную структуру. В различных аспектах изобретения эти каналы и линии управления, сформированные в эластомерной структуре, можно привести в действие так, чтобы они выполняли функции микронасосов и микроклапанов (как будет объяснено ниже).

В других дополнительных аспектах настоящего изобретения монолитную эластомерную структуру наносят в качестве герметизирующего слоя на планарную подложку, при этом каналы формируются между поверхностью планарной подложки и углублениями, которые простираются вдоль нижней поверхности эластомерной структуры. 

В одном предпочтительном аспекте изобретения представленные монолитные эластомерные структуры создают путем присоединения вместе двух отдельных слоев эластомера, при этом каждый слой сначала отдельно отливают из микрообработанной формы. Предпочтительно, чтобы используемый эластомер был двухкомпонентным материалом с присоединительной вулканизацией, в котором нижняя часть эластомерного слоя имеет избыток одного компонента, тогда как верхняя часть эластомерного слоя имеет избыток другого компонента. В приведенном в качестве примера варианте осуществления изобретения в качестве эластомера используется силиконовая резина. Два слоя эластомера вулканизируют отдельно. Каждый слой отдельно вулканизируют перед размещением верхнего слоя на нижнем слое. Затем два слоя присоединяют вместе. Каждый слой, предпочтительно, имеет избыток одного из двух компонентов, так что химически реактивные молекулы остаются на границе раздела между слоями. Верхний слой накладывают сверху нижнего слоя и нагревают. Два слоя присоединяют окончательно так, чтобы прочность стыка была приблизительно или равна прочности объемного эластомера. В результате образуется монолитная трехмерная структура с профилем, состоящая из двух слоев, присоединенного вместе эластомера. Дополнительные слои можно наносить путем простого повторения процесса, в котором новые слои, каждый из которых имеет слой противоположной "полярности", вулканизируют и таким образом присоединяют вместе.

Во втором предпочтительном аспекте первый слой фоторезиста наносят сверху первого эластомерного слоя. На первый слой фоторезиста затем наносят рисунок для того, чтобы оставить линию или картину линий фоторезиста на верхней поверхности первого эластомерного слоя. Затем наносят и вулканизируют другой слой эластомера, герметизируя при этом линию или картину линий фоторезиста. После этого наносят второй слой фоторезиста и формируют рисунок, и наносят и вулканизируют другой слой эластомера, оставляя линию и набор линий фоторезиста, герметизированных в монолитной эластомерной структуре. Этот процесс можно повторить с добавлением герметизированных картин и эластомерных слоев. После этого, фоторезист удаляют, оставляя канал(и) и линию(и) управления в промежутках, которые были заняты фоторезистом. Этот процесс можно повторить для создания эластомерных структур, имеющих множество слоев.

Преимущество формирования рисунка с элементами средних размеров (10 микрон) при использовании способа фотолитографии заключается в том, что прозрачную пленку с высоким разрешением можно использовать в качестве контактной маски. Это позволяет одному исследователю разрабатывать, выполнять литографию, формировать рисунок формы и создавать новый набор литых эластомерных устройств обычно в течение 24 часов.

Другое преимущество вышеописанного варианта осуществления настоящего изобретения заключается в том, что благодаря своей монолитной или интегральной природе (то есть все слои состоят из одного и того же материала) можно полностью избежать нарушений межслоевой адгезии и проблем, связанных с температурными напряжениями. 

Другие преимущества предпочтительного использования, согласно настоящему изобретению, силиконовой резины или эластомера, такого как RTV (клей холодного охлаждения) 615, производимый компанией Джэнерал Электрик (General Electric), заключаются в том, что он является прозрачным для видимого света и делает возможным применение многослойных оптических систем, таким образом позволяя проводить оптический опрос различных каналов или отсеков в микроструйном устройстве. Так как слои эластомера, имеющие соответствующую форму, могут служить в качестве линз и оптических элементов, соединение слоев позволяет создавать многослойные оптические системы. Кроме того, эластомер GE RTV 615 является биосовместимым. Будучи мягкими, закрытые клапаны обеспечивают хорошую герметизацию, даже если в канале находятся маленькие частицы. Силиконовая резина является также биосовместимой и недорогой, особенно по сравнению с монокристаллическим кремнием.

В монолитных эластомерных клапанах и насосах также отсутствует ряд возникающих на практике проблем, затрагивающих проточные системы, основанные на электроосматическом потоке. Электроосматические проточные системы страдают обычно от образования пузырьков вокруг электродов, и поток сильно зависит от состава среды потока. Образование пузырьков серьезно ограничивает использование электроосматического потока в микроструйных устройствах, что затрудняет создание функционирующих интегральных устройств. Величина потока и даже его направление обычно зависит сложным способом от количества и типа ионов, наличия поверхностно-активных веществ и заряда на стенках канала. Кроме того, т.к. электролиз происходит непрерывно, можно также добиться того, чтобы конечная пропускная способность буфера препятствовала бы изменениям рН. Кроме того, электроосматический поток всегда происходит при конкуренции с электрофорезом. Так как различные молекулы могут иметь различную электрофоретическую подвижность, в электроосматическом потоке может происходить нежелательное электрофоретическое разделение. И наконец, электроосматический поток нельзя без труда использовать для того, чтобы остановить поток, остановить диффузию или уравновесить разность давлений.

Другое преимущество представленных монолитных эластомерных клапанных и насосных структур заключается в том, что они могут работать с очень высоким быстродействием. Например, получено время срабатывания клапана при использовании водного раствора порядка одной миллисекунды, то есть клапан открывается и закрывается с частотой приблизительно 100 Гц. В частности, не исключающий перечень диапазонов циклического быстродействия открытия и закрытия клапанной структуры включает значения в пределах приблизительно 0,001 и 10000 мс, в пределах приблизительно 0,01 и 1000 мс, в пределах приблизительно 0,1 и 100 мс и в пределах приблизительно 1 и 10 мс. Циклическое быстродействие зависит от состава и структуры клапана, используемого для специфического применения и способа возбуждения, и таким образом значения циклического быстродействия вне перечисленных диапазонов также находятся в пределах объема настоящего изобретения.

Другие преимущества представленных насосов и клапанов заключаются в том, что их маленькие размеры делают их быстродействующими, а их гибкость - долговечными. Кроме того, т.к. они закрываются по линейному закону при перепаде подаваемого давления, эта линейная связь позволяет измерять скорость потока и закрывать клапан несмотря на высокие обратные давления. 

В различных аспектах изобретения множество каналов проходит через эластомерную структуру со вторым каналом, простирающимся поперек и выше первого канала. В этом аспекте изобретения тонкая мембрана эластомера разделяет первый и второй каналы. Как будет показано ниже, перемещение вниз этой мембраны (из-за того, что второй канал находится под давлением, или, с другой стороны, мембрана приводится в действие) будет отсекать поток, проходящий через нижний канал.

В дополнительных предпочтительных аспектах представленных систем множество индивидуально адресуемых клапанов формируют соединенными вместе в эластомерной структуре и затем активируют в такой последовательности, чтобы достигнуть перистальтической прокачки. Кроме того, описаны более сложные системы, включающие в себя сетевые или мультиплексированные системы управления, выборочно адресуемые клапаны, расположенные в виде решетки клапанов, сетевые или мультиплексированные системы реакционных камер и системы для синтеза биополимеров.

Один вариант осуществления микрообработанной эластомерной структуры согласно настоящему изобретению содержит эластомерный блок, сформированный с помощью первого и второго микрообработанных углублений, расположенных в нем, причем часть эластомерного блока отклоняется тогда, когда эта часть приводится в действие.

Один вариант осуществления способа микрообработки эластомерной структуры содержит этапы микрообработки первого эластомерного слоя, микрообработки второго эластомерного слоя, размещения второго эластомерного слоя сверху первого эластомерного слоя и присоединения нижней поверхности второго эластомерного слоя к верхней поверхности первого эластомерного слоя.

Первый альтернативный вариант осуществления способа микрообработки эластомерной структуры содержит этапы формирования первого эластомерного слоя сверху первой микрообработанной формы, причем первая микрообработанная форма имеет по меньшей мере один первый выступ, который образует по меньшей мере один первый канал на нижней поверхности первого эластомерного слоя. Второй эластомерный слой формируют сверху второй микрообработанной формы, причем вторая микрообработанная форма имеет по меньшей мере один второй выступ, который формирует по меньшей мере один второй канал в нижней поверхности второго эластомерного слоя. Нижнюю поверхность второго эластомерного слоя присоединяют к верхней поверхности первого эластомерного слоя так, что по меньшей мере один второй канал размещается между первым и вторым эластомерными слоями.

Второй альтернативный вариант осуществления способа микрообработки эластомерной структуры согласно настоящему изобретению содержит этапы формирования первого эластомерного слоя сверху подложки, вулканизации первого эластомерного слоя и осаждения первого защитного слоя на верхнюю поверхность первого эластомерного слоя. Часть первого защитного слоя удаляют так, чтобы первый рисунок защитного материала оставался на верхней поверхности первого эластомерного слоя. Второй эластомерный слой формируют над первым эластомерным слоем, таким образом герметизируя первый рисунок защитного материала между первым и вторым эластомерными слоями. Вулканизируют второй эластомерный слой и затем удаляют защитный материал, таким образом формируя по меньшей мере одно первое углубление между первым и вторым слоями эластомера.

Вариант осуществления способа активизирования эластомерной структуры согласно настоящему изобретению содержит этапы выполнения эластомерного блока, сформированного с первым и вторым микрообработанными углублениями в нем, причем первое и второе микрообработанные углубления разделены частью структуры, которая отклоняется в первое или во второе углубления тогда, когда часть приводится в действие. В одном из углублений создается избыточное давление так, чтобы часть эластомерной структуры, отделяющей второе углубление от первого углубления, отклонялась в другое из двух углублений. 

В других дополнительных предпочтительных аспектах можно наносить магнитные или токопроводящие материалы для создания эластомерных слоев с магнитной или электрической проводимостью, таким образом позволяя создавать различные эластомерные электромагнитные устройства.

Краткое описание чертежей

Часть I - Фиг.1-7А изображают последовательные этапы первого способа изготовления настоящего изобретения:

Фиг.1 изображает первый эластомерный слой, сформированный сверху микрообработанной формы.

Фиг.2 изображает второй эластомерный слой, сформированный сверху микрообработанной формы.

Фиг.3 изображает эластомерный слой (Фиг.2), удаленный с микрообработанной формы и размещенный над верхней частью эластомерного слоя (Фиг.1).

Фиг.4 - вид, соответствующий Фиг.3, но показывающий второй эластомерный слой, установленный сверху первого эластомерного слоя.

Фиг.5 - вид, соответствующий Фиг.4, но показывающий первый и второй эластомерные слои, соединенные вместе.

Фиг.6 - вид, соответствующий Фиг.5, но показывающий первую микрообработанную форму, удаленную на свое место, и планарную подложку, установленную на своем месте.

Фиг.7А - вид, соответствующий Фиг.6, но показывающий эластомерную структуру, расположенную на планарной подложке.

Фиг.7В изображает фронтальный разрез, соответствующий Фиг.7А и показывающий открытый канал.

Фиг.7C-7G - виды, показывающие этапы способа формирования эластомерной структуры, имеющей мембрану, сформированную из отдельного эластомерного слоя.

Часть II - Фиг.7Н изображает закрытие первого канала путем повышения давления во втором канале:

Фиг.7Н соответствует Фиг.7А, но изображает первый канал, закрытый за счет повышения давления во втором канале.

Часть III - Фиг.8-18 изображают последовательные этапы второго способа изготовления настоящего изобретения:

Фиг.8 изображает первый эластомерный слой, нанесенный на планарную подложку.

Фиг.9 - вид, показывающий первый слой фоторезиста, нанесенный сверху первого эластомерного слоя (Фиг.8).

Фиг.10 - вид, показывающий систему по Фиг.9, но с частью первого слоя фоторезиста, после удаления которого остается только первая линия фоторезиста.

Фиг.11 - вид, показывающий второй эластомерный слой, нанесенный сверху первого эластомерного слоя над первой линией фоторезиста (Фиг.10), таким образом полностью закрывая фоторезист между первым и вторым эластомерными слоями.

Фиг.12 соответствует Фиг.11, но изображает выполненную за одно целое монолитную структуру, полученную после первого и второго эластомерных слоев, соединенных вместе.

Фиг.13 - вид, показывающий второй слой фоторезиста, нанесенный сверху интегральной эластомерной структуры (Фиг.12).

Фиг.14 - вид, показывающий систему (Фиг.13), но с частью второго слоя фоторезиста, после удаления которого остается только вторая линия фоторезиста.

Фиг.15 - вид, показывающий третий эластомерный слой, нанесенный сверху второго эластомерного слоя и над второй линией фоторезиста (Фиг.14), таким образом полностью закрывая вторую линию фоторезиста между эластомерной структурой (Фиг.12) и третьим эластомерным слоем.

Фиг.16 соответствует Фиг.15, но изображает третий эластомерный слой, который вулканизируют для присоединения к монолитной структуре, состоящей из ранее присоединенных первого и второго эластомерных слоев.

Фиг.17 соответствует Фиг.16, но изображает первый и второй линии фоторезиста, удаленные для того, чтобы обеспечить два перпендикулярных перекрестия, но без пересечения каналов, проходящих через интегральную эластомерную структуру.

Фиг.18 - вид, показывающий систему по Фиг.17, но с удаленной под ней планарной подложкой.

Часть IV - Фиг.19 и 20 изображают дополнительные подробности различных поперечных сечений каналов:

Фиг.19 изображает прямоугольное поперечное сечение первого канала.

Фиг.20 изображает поперечное сечение канала, имеющего изогнутую верхнюю поверхность.

Часть V - Фиг.21-24 изображают экспериментальные результаты, полученные с помощью предпочтительных вариантов осуществления представленного микрообработанного клапана:

Фиг.21 изображает клапан, открывающийся при приложении давления для различных каналов.

Фиг.22 изображает временную характеристику микроклапана RTV с размером 100 мкм ? 100 мкм ? 10 мкм.

Часть VI - Фиг.23А-33 изображают различные микрообработанные структуры, объединенные в сеть, согласно аспектам настоящего изобретения:

Фиг.23А схематически изображает вид сверху двухпозиционного клапана.

Фиг.23В изображает в увеличенном виде разрез вдоль линии 23В-23В на Фиг.23А.

Фиг.24А схематически изображает вид сверху перистальтической насосной системы.

Фиг.24В изображает в увеличенном виде разрез вдоль линии 24В- 24В на Фиг.24А.

Фиг.25 изображает график, показывающий экспериментально достигнутые скорости прокачки в зависимости от частоты для варианта осуществления перистальтической насосной системы по Фиг.24.

Фиг.26А схематически изображает вид сверху одной линии управления, приводящей в действие одновременно многочисленные проточные линии.

Фиг.26В изображает в увеличенном виде разрез вдоль линии 26В-26В на Фиг.26А.

Фиг.27 - схематический вид мультиплексированной системы, адаптированной так, чтобы обеспечить протекание через различные каналы.

Фиг.28А изображает горизонтальную проекцию проточного слоя со структурой активизируемой реакционной камеры.

Фиг.28В изображает вид снизу слоя канала управления со структурой активизируемой реакционной камеры.

Фиг.28С изображает вид в изометрии в разобранном виде структуры активизируемой реакционной камеры, сформированной путем соединения слоя канала управления (Фиг.28В) с верхней частью проточного слоя (Фиг.28А). 

Фиг.28D изображает в увеличенном виде, соответствующем Фиг.28С, разрез вдоль линии 28D-28D (Фиг.28С).

Фиг.29 схематически изображает систему, адаптированную для выборочного направления потока текучей среды в любой из матрицы реакционных колодцев. 

Фиг.30 схематически изображает систему, адаптированную для выборочного бокового потока между параллельными каналами. 

Фиг.31А изображает вид снизу первого слоя (т.е. проточного слоя) эластомера переключаемой проточной матрицы.

Фиг.31В изображает вид снизу слоя канала управления переключаемой проточной матрицы.

Фиг.31С изображает выравнивание первого слоя эластомера (Фиг.31А) с одним набором каналов управления во втором слое эластомера (Фиг.31В).

Фиг.31D также изображает выравнивание первого слоя эластомера (Фиг.31А) с другим набором каналов управления во втором слое эластомера (Фиг.31В).

Фиг.32 схематически изображает интегрированную систему для синтеза биополимеров.

Фиг.33 схематически изображает другую интегрированную систему для синтеза биополимеров.

Фиг.34 изображает оптический микроснимок участка контрольной структуры, имеющей семь слоев эластомера, соединенных вместе.

Фиг.35A-35D показывают этапы одного варианта осуществления способа изготовления слоя эластомера, имеющего вертикальное сквозное отверстие, сформированное в нем.

Фиг.36 изображает один вариант осуществления устройства сортировки, согласно настоящему изобретению.

Фиг.37 изображает вариант осуществления устройства для прокачки технологических газов над полупроводниковой пластиной, согласно настоящему изобретению. 

Фиг.38 изображает в разобранном виде один вариант осуществления структуры микрозеркальной решетки, согласно настоящему изобретению. 

Фиг.39 изображает вид в изометрии первого варианта осуществления устройства преломления, согласно настоящему изобретению.

Фиг.40 изображает вид в изометрии второго варианта осуществления устройства преломления, согласно настоящему изобретению.

Фиг.41 изображает вид в изометрии третьего варианта осуществления устройства преломления, согласно настоящему изобретению.

Фиг.42A-42J показывают виды одного варианта осуществления нормально закрытой клапанной структуры, согласно настоящему изобретению. 

Фиг.43 показывает вид сверху одного варианта осуществления устройства для выполнения сепарации, согласно настоящему изобретению. 

Фиг.44A-44D показывают виды сверху, иллюстрирующие работу одного варианта осуществления структуры пера ячейки, согласно настоящему изобретению.

Фиг.45А-45В показывают виды сверху, иллюстрирующие работу одного варианта осуществления структуры камеры для клеток, согласно настоящему изобретению.

Фиг.46А-46В показывают виды в поперечном сечении, иллюстрирующие работу одного варианта осуществления структуры дробилки клеток, согласно настоящему изобретению.

Фиг.47 изображает вид сверху одного варианта осуществления структуры генератора давления, согласно настоящему изобретению.

Фиг.48А и 48В показывают вид сверху, иллюстрирующие работу одного из вариантов осуществления структуры клапана с боковым возбуждением, согласно настоящему изобретению.

Фиг.49 изображает график зависимости модуля Юнга от разбавления в процентном отношении эластомера GB RTV 615 силиконовой текучей средой GE SF96-50.

Подробное описание настоящего изобретения 

Настоящее изобретение содержит ряд микрообработанных эластомерных структур, которые можно использовать в качестве насосов или клапанов. Кроме того, изложены способы изготовления предпочтительных эластомерных структур.

Способы изготовления настоящего изобретения

Два взятых в качестве примера способа изготовления настоящего изобретения представлены ниже. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено изготовлением с помощью одного или другого из этих способов. Напротив, рассмотрены и другие подходящие способы изготовления представленных микроструктур, включающие модификации представленных способов.

На Фиг.1-7В изображены последовательные этапы первого предпочтительного способа изготовления представленной микроструктуры (которую можно использовать в качестве насоса или клапана). На Фиг.8-18 изображены последовательные этапы второго предпочтительного способа изготовления представленной микроструктуры (которую можно также использовать в качестве насоса или клапана).

Как будет показано ниже, предпочтительный способ по Фиг.1-7В включает использование предварительно вулканизированных слоев эластомера, которые собирают и соединяют. Напротив, предпочтительный способ по Фиг.8-18 включает вулканизацию каждого слоя эластомера "на месте". В следующем ниже описании "канал" относится к углублению в эластомерной структуре, которое может содержать поток текучей среды или газа.

Первый взятый в качестве примера способ

На Фиг.1 изображена первая микрообработанная форма 10. Микрообработанную форму 10 можно изготовить при помощи ряда известных способов обработки кремния, включающих (но не ограниченных ими) фотолитографию, ионное травление и электронно-лучевую литографию.

Как показано на Фиг.1, микрообработанная форма 10 имеет выступающую линию или выступ 11, простирающийся вдоль нее. Первый эластомерный слой 20 отливается сверху формы 10 так, чтобы первое углубление 21 было сформировано на нижней поверхности эластомерного слоя 20 (углубление 21, как показано, соответствует по размеру выступу 11).

На Фиг.2 выполнена вторая микрообработанная форма 12, имеющая выступ 13, простирающийся вдоль нее. Как показано на чертеже, второй эластомерный слой 22 отливается сверху формы 12 так, чтобы углубление 23 было сформировано на ее нижней поверхности, соответствующей размерам выступа 13.

Как показано на последовательных этапах, изображенных на Фиг.3 и 4, второй эластомерный слой 22 затем удаляют с формы 12 и помещают сверху первого эластомерного слоя 20. Как можно заметить, углубление 23, простирающееся вдоль нижней поверхности второго эластомерного слоя 22, формирует канал 32.

Как показано на Фиг.5, отдельные первый и второй эластомерные слои 20 и 22 (Фиг.4) затем соединяют вместе для формирования интегральной (то есть монолитной) эластомерной структуры 24.

Как можно увидеть на следующем этапе на Фиг.6 и 7А, эластомерную структуру 24 затем удаляют из формы 10 и устанавливают сверху планарной подложки 14. Как видно на Фиг.7А и 7 В, при герметичном соединении эластомерной структуры 24 на своей нижней поверхности с планарной подложкой 14, углубление 21 образует канал 30.

Представленные эластомерные структуры образуют обратимое герметичное соединение почти с любой гладкой планарной подложкой. Преимущество формирования герметичного соединения таким способом заключается в том, что эластомерные структуры можно снимать, промывать и использовать повторно. В предпочтительных аспектах планарная подложка 14 является стеклянной. Другое преимущество использования стекла заключается в том, что стекло является прозрачным, позволяя при этом проводить оптический опрос эластомерных каналов и резервуаров. С другой стороны, эластомерную структуру можно присоединить к плоскому слою эластомера тем же самым способом, который описан выше, с образованием стойкого и высокопрочного соединения. Это особенно выгодно при использовании повышенного обратного давления. 

Как можно заметить на Фиг.7А и 7В, каналы 30 и 32 предпочтительно расположены под углом друг к другу с маленькой мембраной 25 (мембранной частью) у подложки 24, разделяющей верхнюю часть канала 30 от нижней части канала 32.

В предпочтительных аспектах планарная подложка 14 является стеклянной. Преимущество использования стекла заключается в том, что представленные эластомерные структуры можно снимать, промывать и использовать повторно. Другое преимущество использования стекла заключается в том, что можно использовать оптическое восприятие. С другой стороны, планарная подложка 14 может быть, собственно, эластомером, который проявляет свои преимущества при использовании повышенного обратного давления.

Только что описанный способ изготовления может быть изменен с тем, чтобы сформировать структуру, имеющую мембрану, состоящую из эластомерного материала, отличающегося от того, который образует стенки каналов устройства. Этот измененный способ изготовления изображен на Фиг.7C-7G.

На Фиг.7С показана первая микрообработанная форма 10. Микрообработанная форма 10 имеет выступающую линию или выступ 11, простирающийся вдоль нее. На Фиг.7D первый эластомерный слой 20 отливают сверху первой микрообработанной формы 10 так, что верхняя часть первого эластомерного слоя 20 расположена заподлицо с верхней частью выступающей линии или выступа 11. Это можно выполнить при тщательном управлении объемом эластомерного материала, сформованного на форме 10 относительно известной высоты выступающей линии 11. С другой стороны, желательную форму можно сформировать путем литья под давлением.

На Фиг.7Е изображен вид второй микрообработанной формы 12 с выступом 13, простирающимся вдоль нее. Как показано на чертеже, второй эластомерный слой 22 отливается сверху второй формы 12 так, чтобы углубление 23 было сформировано на своей нижней поверхности, соответствующей размерам выступа 13.

На Фиг.7F второй эластомерный слой 22 удаляют из формы 12 и размещают сверху третьего эластомерного слоя 222. Второй эластомерный слой 22 присоединяется к третьему эластомерному слою 20 для формирования интегрального эластомерного блока 224 с использованием методов, подробно описанных ниже. На этой стадии процесса углубление 23, занимаемое ранее выступающей линией 13, образует канал 23.

На Фиг.7G эластомерный блок 224 размещают на верхней части первой микрообработанной формы 10 и первого эластомерного слоя 20. Эластомерный блок и первый эластомерный слой 20 затем соединяют вместе для формирования интегральной (то есть монолитной) эластомерной структуры 24, имеющей мембрану, состоящую из отдельного эластомерного слоя 222.

После герметичного соединения структуры 24 на своей нижней поверхности с планарной подложкой способом, описанным выше (Фиг.7А), углубление, ранее занимаемое выступающей линией 11, образует канал 30.

Различные способы изготовления, изображенные выше на Фиг.7C-7G, имеют преимущество в том, что мембранная часть может состоять из материала, который отличается от эластомерного материала с прежней структурой. Это важно, т.к. толщина и упругие свойства мембраны играют решающую роль при работе устройства. Кроме того, этот способ позволяет легко кондиционировать отдельный слой эластомера перед внедрением в структуру эластомера. Как обсуждено подробно ниже, примеры потенциально возможного кондиционирования включают введение магнито- или электропроводных частиц для активизирования мембраны и/или введение примеси в мембрану для того, чтобы менять ее эластичность. 

Хотя вышеупомянутый способ изображен совместно с формированием различных профилированных эластомерных слоев, сформированных путем повторения формы сверху микрообработанной формы, настоящее изобретение не ограничено этим методом. Другие методы можно использовать для формирования индивидуальных слоев из профилированного эластомерного материала, которые необходимо в дальнейшем соединять вместе. Например, профилированный слой эластомерного материала можно сформировать путем лазерной резки или литья под давлением или с помощью способов, использующих химическое травление и/или защитных материалов, как обсуждено ниже во втором взятом в качестве примера способе.

Второй взятый в качестве примера способ

Второй взятый в качестве примера способ изготовления эластомерной структуры, который можно использовать в качестве насоса или клапана, изложен поэтапно со ссылкой на Фиг.8-18.

В этом аспекте изобретения каналы и каналы управления определяются с помощью первого фоторезиста для формирования рисунка на поверхности эластомерного слоя (или на другой подложке, которая может включать в себя стекло), оставляя выступающую линию фоторезиста, где должен быть канал. Затем сверху наносят второй слой эластомера, и второй фоторезист наносится с рисунком на второй слой эластомера, оставляя выступающую линию фоторезиста, где должен быть канал. Сверху наносят третий слой эластомера. И наконец, с эластомера удаляют фоторезист путем его растворения соответствующим растворителем, при этом пустоты, образовавшиеся после удаления фоторезиста, становятся каналами, проходящими через подложку.

На Фиг.8 показана планарная подложка 40. Затем на нее наносят первый эластомерный слой 42 и вулканизируют сверху планарной подложки 40. Как показано на Фиг.9, первый слой 44А фоторезиста затем наносят на верхнюю часть эластомерного слоя 42. Как показано на Фиг.10, часть слоя 44А фоторезиста удаляют так, чтобы оставалась только первая линия фоторезиста 44В. Как показано на Фиг.11, второй эластомерный слой 46 затем наносят сверху верхнюю часть первого эластомерного слоя 42 и сверху первой линии фоторезиста 44В, таким образом полностью закрывая первую линию фоторезиста 44В между первым эластомерным слоем 42 и вторым эластомерным слоем 46. Как показано на Фиг.12, эластомерные слои 46 затем вулканизируют на слое 42 для того, чтобы присоединить слои вместе для образования монолитной эластомерной подложки 45.

Как показано на Фиг.13, второй слой 48А фоторезиста затем наносят сверху эластомерной структуры 45. Как показано на Фиг.14, удаляют часть второго слоя 48А фоторезиста, оставляя только вторую линию 48В фоторезиста на верхней части эластомерной структуры 45. Как показано на Фиг.15, третий эластомерный слой 50 затем наносят сверху верхней части эластомерной структуры 45 (состоящей из второго эластомерного слоя 42 и первой линии фоторезиста 44В) и второй линии 48В фоторезиста, таким образом полностью закрывая вторую линию фоторезиста 48В между эластомерной структурой 45 и третьим эластомерным слоем 50.

Как показано на Фиг.16, третий эластомерный слой 50 и эластомерная структура 45 (содержащая первый эластомерный слой 42 и второй эластомерный слой 46, соединенные вместе) затем соединяют вместе для образования монолитной эластомерной структуры 47, имеющей линии 44В и 48В фоторезиста, проходящие через нее. Как показано на Фиг.17, линии 44В, 48В фоторезиста затем удаляют (например, с помощью растворителя) так, чтобы были выполнены первый канал 60 и второй канал 62 на своих местах, проходящие через эластомерную структуру 47. И наконец, как показано на Фиг.18, планарную подложку 40 можно удалить с нижней части интегральной монолитной структуры.

Способ по Фиг.8-18 позволяет изготовить эластомерную структуру с рисунком с использованием проявления фоторезиста, заключенного внутри эластомерного материала. Однако способы, согласно настоящему изобретению, не ограничены использованием фоторезиста. Другие материалы, такие как металлы, могут также служить в качестве защитных материалов, которые в дальнейшем будут удалять и которые избирательны к окружающему эластомерному материалу, и способ будет находиться в пределах объема защиты настоящего изобретения. Например, как подробно описано ниже со ссылкой на Фиг.35A-35D, золото можно травить выборочно для эластомера RTV 615 с использованием соответствующей химической смеси.

Предпочтительный слой и размеры канала

Микрообработанная структура определяется характерным размером эластомерной структуры, изготовленной согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В общем, изменением по меньшей мере одного размера микрообработанных структур управляют на микронном уровне, причем по меньшей мере один размер является микроскопическим (т.е. менее 1000 мкм). Микрообработка обычно включает методы изготовления полупроводников или MEMS, такие как фотолитография и центрифигурирование, которые разработаны для получения характерных размеров на микроскопическом уровне, при этом по меньшей мере для некоторых размеров микрообработанной структуры требуются микроскоп для приемлемого разрешения/ изображения структуры.

В предпочтительных аспектах каналы 30, 32, 60 и 62 предпочтительно имеют отношения ширины к глубине приблизительно 10:1. Неисключительный список других диапазонов отношений ширины к глубине, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, составляет 0,1:1-100:1, более предпочтительно 1:1-50:1, более предпочтительно 2:1-20:1 и наиболее предпочтительно 3:1-15:1. Во взятом в качестве примера аспекте каналы 30, 32, 60 и 62 имеют ширину приблизительно 1-1000 микрон. Неисключительный список других диапазонов ширины каналов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, составляет 0,01-1000 микрон, более предпочтительно 0,05-1000 микрон, более предпочтительно 0,2-500 микрон, более предпочтительно 1-250 микрон и наиболее предпочтительно 10-200 микрон. Взятые в качестве примера значения ширины канала включают 0,1 мкм, 1 мкм, 2 мкм, 5 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм, 40 мкм, 50 мкм, 60 мкм, 70 мкм, 80 мкм, 90 мкм, 100 мкм, 110 мкм, 120 мкм, 130 мкм, 140 мкм, 150 мкм, 160 мкм, 170 мкм, 180 мкм, 190 мкм, 200 мкм, 210 мкм, 220 мкм, 230 мкм, 240 мкм и 250 мкм.

Каналы 30, 32, 60 и 62 имеют глубину приблизительно 1-100 микрон. Неисключительный список других диапазонов глубины каналов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, составляет 0,01-1000 микрон, более предпочтительно 0,05-500 микрон, более предпочтительно 0,2-250 микрон, более предпочтительно 1-100 микрон, более предпочтительно 2-20 микрон и наиболее предпочтительно 5-10 микрон. Взятые в качестве примера значения глубины канала включают в себя 0,01 мкм, 0,02 мкм, 0,05 мкм, 0,1 мкм, 0,2 мкм, 0,5 мкм, 1 мкм, 2 мкм, 3 мкм, 4 мкм, 5 мкм, 7,5 мкм, 10 мкм, 12,5 мкм, 15 мкм, 17,5 мкм, 20 мкм, 22,5 мкм, 25 мкм, 30 мкм, 40 мкм, 50 мкм, 75 мкм, 100 мкм, 150 мкм, 200 мкм и 250 мкм.

Каналы не ограничены этими специфическими диапазонами размеров и примерами, представленными выше, и могут изменяться по ширине, влияя на величину усилия, требуемого для отклонения мембраны, как подробно обсуждено ниже со ссылкой на Фиг.27. Например, чрезвычайно узкие каналы, имеющие ширину порядка 0,01 мкм, могут найти применение в оптических и других приложениях, как будет подробно обсуждено ниже. В настоящем изобретении также рассмотрены эластомерные структуры, которые включают части, имеющие каналы даже с большей шириной, чем описано выше, и примеры применения таких более широких каналов включают резервуары для текучей среды и смесительные структуры канала.

Эластомерный слой 22 можно отлить толстым для обеспечения механической стабильности. Во взятом в качестве примера варианте осуществления слой 22 составляет от 50 микрон до нескольких сантиметров по толщине и более предпочтительно приблизительно 4 мм по толщине. Неисключительный список диапазонов толщины слоя эластомера, согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения, составляет в пределах приблизительно 0,1 микрон - 10 см, 1 микрон - 5 см, 10 микрон - 2 см и 100 микрон - 10 мм.

Соответственно, мембрана 25 на Фиг.7В, разделяющая каналы 30 и 32, имеет типичную толщину в пределах приблизительно 0,01 и 1000 микрон, более предпочтительно 0,05-500 микрон, более предпочтительно 0,2-250, более предпочтительно 1-100 микрон, более предпочтительно 2 к 50 микрон и наиболее предпочтительно 5-40 микрон. Как таковая, толщина эластомерного слоя 22 приблизительно в 100 раз больше толщины эластомерного слоя 20. Взятые в качестве примера значения толщины мембраны включают 0,01 мкм, 0,02 мкм, 0,03 мкм, 0,05 мкм, 0,1 мкм, 0,2 мкм, 0,3 мкм, 0,5 мкм, 1 мкм, 2 мкм, 3 мкм, 5 мкм, 7,5 мкм, 10 мкм, 12,5 мкм, 15 мкм, 17,5 мкм, 20 мкм, 22,5 мкм, 25 мкм, 30 мкм, 40 мкм, 50 мкм, 75 мкм, 100 мкм, 150 мкм, 200 мкм, 250 мкм, 300 мкм, 400 мкм, 500 мкм, 750 мкм и 1000 мкм.

Аналогично, первый эластомерный слой 42 может иметь предпочтительную толщину приблизительно равную толщине эластомерного слоя 20 или 22, второй эластомерный слой 46 может иметь предпочтительную толщину приблизительно равную толщине эластомерного слоя 20, и третий эластомерный слой 50 может иметь предпочтительную толщину приблизительно равную толщине эластомерного слоя 22.

Методы и материалы для многослойной эластичной литографической структуры

Мягкое литографическое соединение

Предпочтительно, эластомерные слои 20 и 22 (или эластомерные слои 42, 46 и 50) соединяются вместе химическим способом при использовании химического состава, присущего полимерам, содержащим эластомерные слои с рисунком. Соединение, наиболее предпочтительно, содержит двухкомпонентное соединение с "присоединительной вулканизацией".

В предпочтительном аспекте различные слои эластомера соединяют вместе в виде гетерогенного соединения, в котором слои имеют различный химический состав. С другой стороны, можно использовать гомогенное соединение, в котором все слои будут иметь одинаковый химический состав. В третьем аспекте соответствующие эластомерные слои можно дополнительно склеить вместе с помощью клея. В четвертом аспекте эластомерные слои могут быть термореактивными эластомерами, которые соединяются вместе при помощи нагревания. 

В одном аспекте гомогенного соединения эластомерные слои состоят из одного и того же материала эластомера, причем тот же самый химический объект в одном слое реагирует с тем же самым химическим объектом в другом слое для соединения слоев вместе. В одном варианте осуществления изобретения связь между полимерными цепями подобных слоев эластомера может возникать в результате активации агента с поперечной связью за счет освещения, нагревания или химической реакции с отдельными химическими частицами.

С другой стороны, в гетерогенном аспекте эластомерные слои состоят из различных эластомерных материалов, при этом первый химический объект в одном слое реагирует со вторым химическим объектом в другом слое. В одном взятом в качестве примера гетерогенном аспекте процесс соединения, используемый для соединения соответствующих эластомерных слоев вместе может содержать соединение вместе двух слоев кремния RTV 615. Кремний RTV 615 является силиконовой резиной с присоединительной вулканизацией, состоящей из двух частей. Часть А содержит винильные группы и катализатор; часть В содержит группы гидрида кремния (Si-H). Стандартная пропорция для RTV 615 равна 10А:1В. Для присоединения один слой можно сделать с пропорцией 30А:1В (т.е. с избытком винильных групп), а другой с 3А:1В (т.е. с избытком групп Si-H). Каждый слой вулканизируется отдельно. Когда два слоя входят в контакт и нагреваются при повышенной температуре, они соединяются необратимо образуя монолитную эластомерную подложку.

Во взятом в качестве примера аспекте настоящего изобретения, эластомерные структуры формируют с использованием Sylgard 182, 184 или 186, или алифатических уретановых диакрилатов, таких как (но не ограниченных этим) Ebecryl 270 или Irr 245, поставляемой компанией ЮСиБи Кемикл (UCB Chemical).

В одном варианте осуществления изобретения, согласно настоящему изобретению, двухслойные эластомерные структуры были изготовлены из чистого акрилового уретана Urethane Ebe 270. Тонкий нижний слой наносили центрифугированием со скоростью 8000 оборотов в минуту в течение 15 секунд при температуре 170°С. Верхний и нижний слои первоначально вулканизировали при воздействии ультрафиолетовым светом в течение 10 минут в атмосфере азота, используя при этом устройство Модель ELC 500, произведенное корпорацией Электролайт (Electrolite). Собранные слои затем дополнительно вулканизировали в течение 30 минут. Реакция катализировалась с помощью смеси 0,5% по объему Иргакьюрэ (Irgacure) 500, произведенной компанией Сиба-Гейджи Кемикалс (Ciba-Geigy Chemicals). Полученный в результате эластомерный материал имел умеренную эластичность и адгезию к стеклу.

В другом варианте осуществления, согласно настоящему изобретению, двухслойные эластомерные структуры были изготовлены из соединения 25% Ebe 270 / 50% Irr 245 / 25% изопропилового спирта для тонкого нижнего слоя и чистого акрилатного уретана Urethane Ebe 270 для верхнего слоя. Тонкий нижний слой первоначально вулканизировали в течение 5 минут, и верхний слой первоначально вулканизировали в течение 10 минут под воздействием ультрафиолетового света в атмосфере азота, используя при этом устройство Модель ELC 500, произведенное корпорацией Электролайт (Electrolite). Собранные слои затем дополнительно вулканизировали в течение 30 минут. Реакция катализировалась с помощью смеси 0,5% по объему Иргакьюрэ (Irgacure) 500, произведенной компанией Сиба-Гейджи Кемикалс (Ciba-Geigy Chemicals). Полученный в результате эластомерный материал имел умеренную эластичность и адгезию к стеклу.

Альтернативно, можно использовать и другие способы присоединения, включающие активирование эластомерной поверхности, например, с помощью плазменного воздействия, для того, чтобы эластомерные слои/подложка соединялись при вхождении в контакт. Например, один возможный подход соединения вместе слоев эластомера, которые состоят из одного и того же материала, изложен в работе Даффи и других "Быстрое изготовление опытного образца микроструйных систем в поликристаллическом кремнии (диметилсилоксан)", Аналитическая Химия (1998), 70, 4974-4984 (Duffy et al, "Rapid Prototyping Mkrluidic Systems in Poly (dimethylsiloxane)", Analytical Chemistry (1998), 70, 4974-4984), которая включена в настоящее описание в качестве ссылки. В этой статье показано, что воздействие кислородной плазмы на полидиметилсилоксан (ПДМС) слои приводит к окислению поверхности, причем необратимое присоединение происходит тогда, когда два оксидированных слоя входят в контакт. 

В другом подходе соединения вместо последовательных слоев эластомера используются адгезионные свойства невулканизированного эластомера. В частности, тонкий слой невулканизированного эластомера, такого как RTV 615, наносится сверху первого вулканизированного эластомерного слоя. Затем второй вулканизированный эластомерный слой размещают сверху невулканизированного эластомерного слоя. Тонкий средний слой невулканизированного эластомера затем вулканизируют для того, чтобы получить монолитную эластомерную структуру. Альтернативно, невулканизированный эластомер можно наносить на нижнюю часть первого вулканизированного слоя эластомера, при этом первый вулканизированный слой эластомера размещают сверху второго вулканизированного слоя эластомера. Вулканизация среднего тонкого слоя эластомера снова приводит к образованию монолитной эластомерной структуры.

Там, где герметизация защитных слоев используется для изготовления структуры эластомера, которая описана выше на Фиг.8-18, соединение последовательных эластомерных слоев можно выполнить путем заливки невулканизированного эластомера на ранее вулканизированный эластомерный слой и после этого на любой защитный материал со сформированным рисунком. Соединение между слоями эластомера происходит благодаря взаимному проникновению и реакции полимерных цепей невулканизированного слоя эластомера с полимерными цепями вулканизированного слоя эластомера. Последующая вулканизация эластомерного слоя приведет к образованию связи между эластомерными слоями и образованию монолитной эластомерной структуры.

Как показано в первом способе на Фиг.1-7В, первый эластомерный слой 20 можно создать с помощью центрифугирования смеси RTV на микрообработанной форме 12 при скорости вращения 2000 оборотов в минуту в течение 30 секунд, получая в результате толщину приблизительно 40 микрон. Второй эластомерный слой 22 можно создать с помощью центрифугирования смеси RTV на микрообработанной форме 11. Оба слоя 20 и 22 можно по отдельности отверждать или вулканизировать при температуре приблизительно 80°С в течение 1,5 час. Второй эластомерный слой 22 можно соединять с первым эластомерным слоем 20 при температуре приблизительно 80°С в течение приблизительно 1,5 час.

Микрообработанные формы 10 и 12 могут представлять собой структурированный фоторезист, нанесенный на кремниевые полупроводниковые пластины. Во взятом в качестве примера аспекте, рисунок фоторезиста Шиплей (Shipley) SJR 5740, нанесенного методом центрифигурирования со скоростью вращения 2000 оборотов в минуту, формировали с помощью прозрачной пленки с высоким разрешением в качестве маски и затем проявляли, получая в результате обратный канал высотой приблизительно 10 микрон. При вулканизации при температуре приблизительно 200°С в течение приблизительно 30 мин фоторезист оплавляется и обратные каналы становятся округленными. В предпочтительных аспектах, формы можно обрабатывать с помощью пара триметилхлоросилана (ТМХС) в течение приблизительно минуты перед каждым использованием для того, чтобы предотвратить прилипание силиконовой резины.

При использовании различных методов мягкой литографии для получения многослойных структур и материалов, представленных здесь, были экспериментально получены сети каналов, содержащих до семи отдельных эластомерных слоев, при этом каждый слой имел приблизительно толщину 40 мкм. Предполагается, что можно разработать устройства, содержащие более семи отдельных эластомерных слоев, связанных вместе.

Подходящие эластомерные материалы

В книге Алкока и других "Современная химия полимеров", 2-ое издание (Allcock et al. Contemporary Polymer Chemistry 2 nd Ed.) эластомеры описаны в общем как полимеры, существующие при температуре в пределах своей температуры стеклования и температуры сжижения. Эластомерные материалы проявляют упругие свойства, т.к. полимерные цепи можно легко подвергать крутящему движению, которое позволяет разматывать основные цепи макромолекул в результате прикладывания усилия, причем при отсутствии усилия основные цепи макромолекул сматываются, принимая прежнюю форму. В общем, эластомеры деформируются при прикладывании силы и затем принимают свою первоначальную форму при снятии усилия. Эластичность, которую проявляют эластомерные материалы, можно характеризовать модулем Юнга. Согласно настоящему изобретению используются эластомерные материалы, имеющие модуль Юнга в пределах приблизительно 1 Па-1 ТПа, более предпочтительно в пределах приблизительно 10 Па-100 ГПа, более предпочтительно в пределах приблизительно 20 Па-1 ГПа, более предпочтительно в пределах приблизительно 50 Па-10 МПа и более предпочтительно в пределах приблизительно 100 Па-1 МПа, хотя в зависимости от потребностей конкретного применения можно также использовать эластомерные материалы, имеющие значения модуль Юнга вне этих диапазонов.

Системы согласно настоящему изобретению могут быть изготовлены из широкого разнообразия эластомеров. Во взятом в качестве примера аспекте эластомерные слои 20, 22, 42, 46 и 50 можно, предпочтительно, изготовить из силиконовой резины. Однако можно также использовать и другие подходящие эластомеры. 

Во взятом в качестве примера аспекте настоящего изобретения представленные системы изготовлены из эластомерного полимера, такого как кремнийорганический эластомер (семейство) с винилсилановой поперечной связью (тип) GE RTV 615 (состав). Однако представленные системы не ограничены одним этим составом, типом или даже этим семейством полимеров, скорее наоборот, подходящим является практически любой эластомерный полимер. Важным требованием для предпочтительного способа изготовления представленных микроклапанов является способность соединения многочисленных слоев эластомеров вместе. В случае многослойной мягкой литографии слои эластомера вулканизируют отдельно и затем соединяют вместе. Эта схема требует того, чтобы вулканизированные слои обладали достаточной химической активностью для соединения вместе. Любой из слоев может быть одного и того же типа и обладает способностью соединения друг к другу, или они могут быть двумя различными типами и обладает способностью соединения друг к другу. Другие возможности включают использование адгезива между слоями и использование термореактивных эластомеров. 

При существующем огромном многообразии химических составов полимеров, предшественников, способов синтезирования, условий реакции и возможных добавок имеется огромное число возможных эластомерных систем, которые могли бы использоваться для изготовления монолитных эластомерных микроклапанов и насосов. Изменения используемых материалов будут вероятно проводиться в зависимости от конкретных свойств материала, т.е. стойкость к действию растворителей, устойчивость структуры, газонепроницаемость и температурная стабильность.

Существует много типов эластомерных полимеров. Краткое описание наиболее общих классов эластомеров представлено здесь с намерением показать, что даже при использовании относительно "стандартных" полимеров существует много возможных способов присоединения. Вошедшие в широкое применение эластомерные полимеры включают полиизопрен, полибутадиен, полихлоропрен, полиизобутилен, поли(стирол-бутадиен-стирол), полиуретаны и силиконы.

Полиизопрен, полибутадиен, полихлоропрен 

Полиизопрен, полибутадиен, и полихлоропрен полимеризуются все из диеновых мономеров и, следовательно, имеют одну двойную связь на мономер после полимеризации. Эта двойная связь позволяет преобразовать полимеры в эластомеры с помощью вулканизации (по существу, сера используется для образования поперечных связей между двойными связями при нагревании). Это позволяет легко соединять слои методом гомогенной многослойной мягкой литографии при неполной вулканизации, причем герметизацию фоторезиста можно выполнить с использованием подобного механизма.

Полиизобутилен

Чистый полиизобутилен не имеет двойных связей, но имеет поперечную связь, что позволяет использовать его в качестве эластомера посредством добавления малого количества (?1%) изопрена при полимеризации. 

Изопреновые мономеры дают вертикальные двойные связи на полиизобутиленовой основе, которую можно затем, как описано выше, вулканизировать.

Поли(стирол-бутадиен-стирол)

Поли(стирол-бутадиен-стирол) получают с помощью "живой" анионной полимеризации (т.е. в ходе реакции отсутствует естественный этап завершения цепи), поэтому концы "живого" полимера могут существовать в вулканизированном полимере. Это делает его естественным кандидатом для представленной системы герметизации фоторезиста (где будет существовать избыток не прореагировавшего мономера в жидком слое, налитого сверху вулканизированного слоя). Неполное отверждение делает возможным гомогенную многослойную мягкую литографию (связь А-А). Химический состав также облегчает создание одного слоя с избытком бутадиена ("А") и связующим агентом и другого слоя ("В") с дефицитом бутадиена (для гетерогенной многослойной мягкой литографии). SBS - это "термореактивный эластомер", который выше некоторой температуры плавится и становится пластичным (а не эластичным), причем при уменьшении температуры он опять становится эластомером. Таким образом, слои можно соединить вместе путем нагревания.

Полиуретаны

Полиуретаны производят из диизоцианатов (А-А) и диалкоголя или диаминов (В-В), т.к. существует большое разнообразие диизоцианатов и диалкоголей/диаминов, число различных типов полиуретана является огромным. Однако свойства А полимеров по сравнению с В полимерами делают их полезными для гетерогенной многослойной мягкой литографии, например, как RTV 615, при использовании с избытком А-А в одном слое и с избытком В-В в другом слое.

Силиконы

Кремнийорганические полимеры вероятно имеют самое большое структурное разнообразие и поэтому имеют самое большое число коммерчески поставляемых составов. Наличие поперечной связи винил-(Si-H), как у RTV 615 (которая делает возможным как гетерогенную многослойную мягкую литографию, так и герметизацию фоторезиста), была уже обсуждена выше, но это только один из нескольких способов создания поперечной связи, используемых в химии кремнийорганических полимеров.

Агенты, обеспечивающие перекрестную связь

В дополнение к простым "чистым" полимерам, которые обсуждены выше, можно добавлять агенты, обеспечивающие перекрестную связь. Некоторые агенты (подобно мономерам, несущим вертикальные двойные связи для вулканизации) подходят для обеспечения гомогенной (А-А) многослойной мягкой литографии или герметизации фоторезиста, причем при таком подходе один и тот же агент входит в оба эластомерных слоя. Комплиментарные агенты (т.е. один мономер, несущий вертикальную двойную связь, и другой несущий вертикальную группу Si-H) подходят для гетерогенной (А-В) многослойной мягкой литографии. При этом подходе комплиментарные агенты добавляют в смежные слои.

Другие материалы

Кроме того, можно также использовать полимеры, включающие в свой состав материалы, такие как хлорсиланы или метил-, этил- и фенилсиланы, и полидиметилсилоксан (ПДМС), такой как Силгард (Sylgard) 182, 184 или 186 корпорации Доу Кемикл (Dow Chemical Corp.), или алифатические уретановые диакрилаты, такие как (но не ограниченные этим) Эбикрил (Ebecryl) 270 или Irr 245, поставляемые компанией ЮЭсБи Кемикл (UCB Chemical).

Ниже приводится неисключительный список эластомерных материалов, который можно использовать совместно с настоящим изобретением: полиизопрен, полибутадиен, полихлоропрен, полиизобутилен, поли(стирол-бутадиен-стирол), полиуретаны и кремнийорганические полимеры; или поли(би (фтороалкоксовый) фосфазен) (PNF, Eypel-F), поли(карборан-силоксаны) (Дексил (Dexsil)), поли(акрилонитрил-бутадиен) (нитриловая резина), поли(1-бутен), сополимеры (Kel-F) поли(хлортрифторэтилен-винилиденфторида), поли(этил-виниловый эфир), поли(винилиденфторид), сополимер (Viton) поли(винилиденфторидгексафтор-пропилена), эластомерные композиции из поливинилхлорида (ПВХ), полисульфона, поликарбоната, полиметилметакрилата (ПММК) и политетрафторэтилена (ПТФЭ).

Введение добавок и разбавление

Эластомеры можно также "легировать" (вводить добавки) с помощью полимерных цепей без поперечной связи того же самого класса. Например RTV 615 можно разбавить кремнийорганической текучей средой GE SF96-50. Она служит для уменьшения вязкости невулканизированного эластомера и уменьшает модуль Юнга вулканизированного эластомера. По существу, полимерные цепи, допускающие поперечную связь, простираются далеко друг от друга при добавлении "инертных" полимерных цепей, и поэтому этот процесс называется "разбавлением". RTV 615 затвердевает при разбавлении до 90% со значительным уменьшением модуля Юнга.

На Фиг.49 представлен график зависимости модуля Юнга от разбавления в процентном отношении с помощью разбавителя GE SF96-50 эластомера GE RTV 615, имеющего отношение 30:1 А:В. На Фиг.49 изображено, что гибкостью материала эластомера и, следовательно, быстротой срабатывания мембраны клапана на прикладываемое усилие возбуждения можно управлять в процессе изготовления устройства. 

Другие примеры легирования материала эластомера могут включать введение электропроводных или магнитных частиц, как подробно описано ниже совместно с альтернативными способами активизирования мембраны устройства. Легирование тонкодисперсными включениями материала, имеющего другой показатель преломления, чем у эластомерного материала (т.е. кварц, алмаз, сапфир), также может рассматриваться как средство для изменения показателя преломления материала. Сильно поглощающие или непрозрачные частицы можно добавить для того, чтобы сделать эластомер цветным или непрозрачным для падающего излучения. Возможно, это будет полезно в оптически адресуемой системе.

И наконец, при легировании эластомера специфическими химическими изотопами, эти легирующие химические частицы могут присутствовать на поверхности эластомера, таким образом выполняя роль затравки или начальных точек для дальнейшей химической деривизации ("ответвления").

Предварительная обработка и нанесение покрытия на поверхность

После того, как эластомерный материал был сформован или протравлен до соответствующей формы, следует обязательно предварительно обработать материал для того, чтобы облегчить работу в конкретном приложении.

Например, одним возможным приложением для эластомерного устройства, согласно настоящему изобретению, является сортировка биологических объектов, таких как клетки или ДНК. В таком приложении гидрофобный характер биологического объекта может вызвать его прилипание к гидрофобному эластомеру стенок канала. Поэтому следует проводить предварительную обработку эластомерной структуры для придания стенкам канала гидрофильного характера. В варианте осуществления настоящего изобретения, использующем эластомер RTV 615 Дженерал Электрик (General Electric), эту операцию можно выполнить путем кипячения сформированного эластомера в кислоте (например, в 0,01% растворе HCl в воде при рН=2,7 и температуре 60°С в течение 40 мин). 

Другие типы предварительной обработки эластомерного материала также рассмотрены в настоящем изобретении. Например, некоторые части эластомера можно предварительно обработать для создания затравок для поверхностных химических реакций (например, при формировании пептидных цепей), или мест связывания для антител, что выгодно в данном приложении. Другие примеры предварительной обработки эластомерного материала могут включать введение отражающего материала на поверхности эластомера, как подробно описано ниже для приложения, связанного с микрозеркальной решеткой.

Способы работы настоящего изобретения

На Фиг.7В и 7Н показано закрытие первого канала путем повышения давления во втором канале, при этом на Фиг.7В (фронтальный разрез через канал 32, соответствующий Фиг.7А) показан открытый первый канал 30, а на Фиг.7Н показан первый канал 30, закрытый путем повышения давления во втором канале 32.

На Фиг.7В изображены первый канал 30 и второй канал 32. Мембрана 25 разделяет каналы, образуя при этом верхнюю часть первого канала 30 и нижнюю часть второго канала 32. Видно, что канал 30 остается "открытым".

Как показано на Фиг.7Н, повышение давления в канале 32 (за счет введения в него газа или текучей среды) заставляет мембрану 25 отклоняться вниз, таким образом пережимая поток F, проходящий через канал 30. Соответственно, при изменении давления в канале 32, клапанная система, регулируемая по линейному закону, выполнена так, что канал 30 при необходимости можно открыть или закрыть путем перемещения мембраны 25. (Канал 30 на Фиг.7С показан в "частично закрытом" положении, а не в "полностью закрытом" положении только в целях иллюстрации).

Следует понимать, что точно такие же способы открытия и закрытия клапана можно использовать к каналам 60 и 62. Так как такие клапаны приводятся в действие путем перемещения "крыши" самих каналов (т.е. перемещения мембраны 25), клапаны и насосы, изготовленные этим методом, имеют по существу нулевой неиспользуемый объем, и переключательные клапаны, изготовленные этим методом имеют неиспользуемый объем, приблизительно равный активному объему клапана, например приблизительно 100?100?10 мкм=100·10-12 л (100 pL). Такие неиспользуемые объемы и зоны, которые расходуются на перемещение мембраны, приблизительно на два порядка меньше по величине, чем у известных стандартных микроклапанов. Маленькие и большие клапаны и переключательные клапаны рассмотрены в настоящем изобретении, и неисключительный список диапазонов неиспользуемого объема включает 1·10 -8-1·10-6 л (1 aL - 1 uL), 100·10 -8-100·10-9 л (100 aL - 100 nL), 1·10 -15-10·10-9 л (1 fL - 10 nL), 100·10 -15-1·10-9 л (100 fL - 1 nL) и 1·10 12-100·10-12 л (1 pL - 100 pL).

Согласно настоящему изобретению насосы и клапаны, позволяющие подавать крайне маленькие объемы, имеют существенное преимущество. В частности, самые маленькие известные объемы текучей среды, которые можно измерять вручную, составляют приблизительно 0,1·10 -6 л. Самые маленькие известные объемы, которые можно измерить с помощью автоматических систем, приблизительно в десять раз больше (1·10-6 л). При использовании насосов и клапанов согласно настоящему изобретению текучие среды объемом 10·10-9 л или меньше можно просто измерить и дозировать. Точное измерение крайне маленьких объемов текучей среды делает настоящее изобретение чрезвычайно ценным для большого числа биологических применений, включая диагностические тесты и количественный анализ.

Уравнение 1 представляет сильно упрощенную математическую модель отклонения прямоугольной, линейной, упругой, изотропной пластины однородной по толщине под действием подаваемого давления:

(1) w=(BPb4/(Eh3 ), где:

w = отклонение пластины,

В = коэффициент формы (который зависит от длины и ширины и опоры ребер пластины), 

Р = подаваемое давление,

b = ширина пластины,

Е = модуль Юнга, и

h = толщина пластины.

Таким образом, даже в этом сильно упрощенном выражении отклонение эластомерной мембраны в ответ на подаваемое давление будет зависеть от длины, ширины и толщины мембраны, гибкости мембраны (модуля Юнга) и прикладываемого усилия срабатывания. Так как согласно настоящему изобретению каждый из этих параметров будет в большой степени зависеть от фактических размеров и физического состава конкретного эластомерного устройства, в настоящем изобретении рассматривается широкий диапазон значений толщины и упругости, ширины канала и усилия срабатывания мембраны.

Следует понимать, что представленная выше формула является только аппроксимацией, т.к. в общем случае мембрана не имеет одинаковой толщины, толщина мембраны не является обязательно маленькой по сравнению с длиной и шириной, и отклонение не является обязательно маленьким по сравнению с длиной, шириной или толщиной мембраны. Тем не менее уравнение выполняет полезную роль для настройки переменных параметров и достижения желательного эффекта отклонения в зависимости от прикладываемого усилия.

Фиг.21а и 21b иллюстрируют открытие клапана в зависимости от подаваемого давления для первого канала 30 шириной 100 мкм и второго канала 32 шириной 50 мкм. Мембрана этого устройства, сформированная с помощью слоя Силиконов Дженерал Электрик (General Electric Silicons) RTV 615, имеет толщину приблизительно 30 мкм и модуль Юнга приблизительно 750 кПа. На Фиг.21а и 21b показана степень открытия клапана, по существу линейного во всем диапазоне подаваемых давлений. Однако настоящее изобретение не требует такого линейного поведения срабатывания.

Давление воздуха подавалось для срабатывания мембраны устройства через участок пластмассовой трубки длиной 10 см, имеющей внешний диаметр 0,064 см (0,025") и подсоединенный к участку гиподермической трубки из нержавеющей стали длиной 25 мм с внешним диаметром 0,064 см (0,025") и внутренним диаметром 0,033 см (0,013"). Эта трубка размещалась в контакте с каналом управления путем вставки в эластомерный блок в направлении, перпендикулярном к каналу управления. Давление воздуха подавалось в гиподермическую трубку из внешнего миниатюрного электромагнитного клапана LHDA, произведенного корпорацией Ли (Lee Co.).

Подсоединение известных микроструйных устройств к внешнему газообразному потоку имеет ряд недостатков, которые можно устранить с помощью только что описанной внешней конфигурации. Одним из таких недостатков является хрупкость этих соединений с внешними устройствами. В частности, известные микроструйные устройства состоят из твердых, негибких материалов (таких как кремний), к которым необходимо подсоединить трубопровод или трубки, которые обеспечивают соединение с внешними элементами. Жесткость известного материала приводит к возникновению значительного механического напряжения в точках контакта с маленьким и хрупкими внешними трубками, что делает известные микроструйные устройства склонными к разрыву и утечке в этих точках контакта.

Напротив, эластомер согласно настоящему изобретению является гибким и легко подводимым при внешнем соединении с наружной трубой, изготовленной из твердого материала. Например, в эластомерной структуре, изготовленной с использованием способа, показанного на Фиг.1-7В, отверстие, простирающееся с внешней поверхности структуры в канал управления, можно выполнить с помощью проникновения эластомера с металлической гиподермической трубкой после удаления верхней части эластомера из формы (как показано на Фиг.3) и перед присоединением этой части к нижней части эластомера (как показано на Фиг.4). Между этими этапами покрытие ("крыша") канала управления находится в поле зрения пользователя и доступна для вставки и правильного позиционирования отверстия. После завершения изготовления устройства, металлическая гиподермическая трубка вставляется в отверстие для завершения жидкостного соединения. 

Кроме того, эластомер настоящего изобретения будет изгибаться при возникновении механических напряжений в точке контакта при внешнем подсоединении, что делает внешнее механическое соединение более устойчивым. Эта гибкость существенно уменьшает вероятность протекания или разрыва настоящего устройства.

Другой недостаток известных микроструйных устройств связан с трудностью установления эффективной герметизации между устройством и внешними соединениями. Из-за чрезвычайно узкого диаметра каналов у этих устройств, даже при умеренных скоростях газообразного потока, могут потребоваться чрезвычайно высокие значения давления. Это может привести к нежелательной утечке в месте присоединения устройства к внешним соединительным элементам. Однако гибкость эластомера настоящего устройства также помогает избежать утечки при повышении давления. В частности, гибкий эластомерный материал изгибается, плотно прилегает к вставленной трубке и образует уплотнение, устойчивое к высокому давлению. 

Хотя управление потоком материала через устройство было описано выше с использованием давления подаваемого газа, можно использовать и другие жидкие или газообразные среды. Например, воздух сжимается и, таким образом, испытывает некоторое конечное запаздывание между временем подачи давления с помощью внешнего электромагнитного клапана и временем, в течение которого мембрана испытывает это давление. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения давление можно подавать из внешнего источника с несжимаемой текучей средой, такой как вода или масло для гидравлических систем, что приводит в результате к практически мгновенной передаче подаваемого давления к мембране. Однако если вытесненный объем клапана является большим, или канал управления является узким, повышенная вязкость управляющей текучей среды может вносить вклад в задержку при срабатывании. Поэтому оптимальная среда для передачи давления будет зависеть от конкретного приложения и конфигурации устройства, и для применения в настоящем изобретении могут рассматриваться как газообразные, так и жидкие среды.

Хотя внешнее подаваемое давление, как описано выше, подавалось с помощью системы насос/баллон через регулятор давления и внешний миниатюрный клапан, другие способы подачи внешнего давления также рассмотрены в настоящем изобретении, включая баллоны с газом, компрессоры, поршневые системы и столб жидкости. Кроме того, рассмотрено использование природных источников давления, которые можно, например, найти внутри живых организмов, таких как давление крови, желудочное давление, давление, присутствующее в цереброспинальной жидкости, давление, присутствующее во внутриглазном пространстве, и давление, вызываемое мускулами во время обычного сгибания. Кроме того, рассмотрены и другие способы регулирования внешнего давления, такие как миниатюрные клапаны, насосы, макроскопические перистальтические насосы, пережимные клапаны и другие типы оборудования для регулировки потока газообразных и жидких сред, известных в технике.

Как видно, характеристики клапанов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, полученные экспериментально, остаются практически линейными во всей большой части диапазона рабочего хода с минимальным гистерезисом. Соответственно, представленные клапаны идеально подходят для микроструйных измерений и управления жидкой или газообразной средой. Линейность характеристики клапана показывает, что отдельные клапаны хорошо моделируются пружинами, работающими по закону Гука. Кроме того, высоким значениям давления в канале (т.е. обратное давление) можно противостоять просто путем увеличения давления срабатывания. Экспериментальным путем было достигнуто закрытие клапана при обратных значениях давления 70 кПа, но также рассмотрены и более высокие значения давления. Ниже приводится неисключительный список диапазонов значений давления, обобщенный с помощью настоящего изобретения: 10 Па-25 МПа; 100 Па-10 МПа, 1 кПа-1 МПа, 1 кПа-300 кПа, 5 кПа-200 кПа и 15 кПа-100 кПа.

Хотя для открытия и закрытия не требуется линейная характеристика срабатывания клапанов и насосов, линейная характеристика позволяет легко использовать клапаны в качестве измерительных устройств. В одном варианте осуществления изобретения открытие клапана используется для управления скоростью потока посредством частичного срабатывания до известной степени закрытия. Линейное срабатывание клапана делает более простым определение величины усилия срабатывания, необходимого для закрытия клапана до желательной степени закрытия. Другое преимущество линейного срабатывания заключается в том, что усилие, требуемое для срабатывания клапана, можно легко определить по давлению в канале. Если срабатывание является линейным, то повышенное давление в канале может оказывать противодействие за счет добавления того же самого давления (усилие на единицу площади) к подвижной части клапана.

Линейность клапана зависит от структуры, состава и способа срабатывания клапанной структуры. Кроме того, является или нет линейность желательной характеристикой для клапана, зависит от области использования. Поэтому в настоящем изобретении рассматриваются клапаны с линейной и нелинейной характеристиками срабатывания, и диапазоны значений давления, сверх которых клапан будет иметь линейную характеристику срабатывания, будут изменятся в зависимости от специфического варианта осуществления.

На Фиг.22 изображена временная характеристика (т.е. закрытие клапана в зависимости от времени в ответ на изменение подаваемого давления) микроклапана RTV размером 100 мкм ? 100 мкм ? 10 мкм и длиной пневмопровода 10 см, подсоединенного от кристалла к пневматическому клапану, как описано выше.

Два периода цифрового сигнала управления, фактическое давление воздуха в конце трубки и открытие клапана показаны на Фиг.22. Давление, подаваемое на линию управления, составляет 100 кПа, которое существенно выше значения давления ?40 кПа, которое необходимо для закрытия клапана. Таким образом, во время закрытия на клапан действует давление 60 кПа, которое превышает требуемый уровень. Однако при открытии клапан переводится обратно в свое прежнее положение только за счет своего собственного пружинящего действия (40 кПа). Таким образом, предполагается, что закрытия будет меньше открытия. Имеется также запаздывание между сигналом управления и откликом на управляющее давление из-за ограничений миниатюрного клапана, используемого для управления давлением. Такие запаздывания обозначены временем t и постоянной времени по уровню 1/е, которые принимают значения: открытия=3,63 мс, открытия=1,88 мс, закрытия=2,15 мс, закрытия=0,51 мс. Если каждые 3 происходит открытие и закрытие, клапан, заполненный водным раствором, нормально работает с частотой 75 Гц.

Если бы использовался другой способ срабатывания, у которого бы отсутствовало запаздывание при открытии и закрытии, то этот клапан работал бы с частотой ?375 Гц. Следует также отметить, что жесткость пружины можно регулировать путем изменения толщины мембраны, что позволяет оптимизировать быстрое открытие или быстрое закрытие. Жесткость пружины можно также регулировать путем изменения упругости (модуля Юнга) мембраны, например, при введении примеси в мембрану или использовании другого эластомерного материала, который может служить в качестве мембраны (как описано выше со ссылкой на Фиг.7С-7Н.) 

На Фиг.21 и 22 изображены результаты экспериментальных исследований свойств клапана, в ходе которых открытие клапана измерялось при помощи флюоресценции. В этих экспериментах канал заполняли раствором флуоресцентного изотиоцианата (ФИТЦ) в буферном растворе (рН8), и флюоресценцию на площади квадрата, занимающего по центру ?1/3 канала, контролировали на эпифлуоресцентном микроскопе с фотоумножительной трубкой, имеющей ширину полосы 10 к Гц. Давление контролировали с помощью датчика давления на основе моста Уитстона (SenSym SCC15GD2), который находился одновременно под давлением с помощью линии управления через практически идентичные пневматические соединения. 

Поперечное сечение каналов

Каналы, согласно настоящему изобретению, можно необязательно выполнить с различными размерами и формами поперечного сечения, обеспечивая различные преимущества в зависимости от их конкретного применения. Например, форма поперечного сечения нижнего канала может иметь изогнутую верхнюю поверхность по всей длине или в области, расположенной под верхним перекрестным каналом. Такая изогнутая верхняя поверхность облегчает (как показано ниже) герметизацию клапана.

На Фиг.19 изображен вид в поперечном сечении (как и на Фиг.7В) сквозных каналов 30 и 32. Видно, что канал 30 имеет прямоугольную форму в поперечном сечении. В альтернативном предпочтительном аспекте изобретения (Фиг.20) поперечное сечение канала 30 имеет верхнюю изогнутую поверхность.

Как показано на Фиг.19, когда канал 32 находится под давлением, часть 25 мембраны эластомерного блока 24, разделяющая каналы 30 и 32, будет перемещаться по направлению вниз в последовательные положения, показанные пунктирными линиями 25А, 25В, 25С, 25D и 25Е. Видно, что неполная герметизация может появиться на краях канала 30, расположенного рядом с планарной подложкой 14.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления изобретения (Фиг.20), канал 30а имеет изогнутую верхнюю стенку 25А. Когда канал 32 находится под давлением, мембранная часть 25 будет перемещаться по направлению вниз в последовательные положения, показанные пунктирными линиями 25А2, 25А3, 25А4 и 25А5, причем краевые части мембраны перемещаются первыми в канал вслед за верхними частями мембраны. Преимущество такой изогнутой верхней поверхности мембраны 25А заключается в том, что обеспечивается более полная герметизация, когда канал 32 находится под давлением. В частности, верхняя стенка канала 30 будет обеспечивать непрерывно контактирующий край, прилегающий к планарной подложке 14, таким образом избегая "области" контакта, которая видна между стенкой 25 и нижней частью канала 30 на Фиг.19.

Другое преимущество изогнутой верхней поверхности канала у мембраны 25А заключается в том, что мембрана может легко принимать форму и размер канала после срабатывания. В частности, там где используется прямоугольный канал, весь периметр (2 ? высота канала плюс ширина канала) должен быть задействован в канале. Однако там где используется изогнутый канал, меньшая часть периметра материала (только полукруглая изогнутая часть) должна быть задействована в канале. Таким образом, для срабатывания мембраны требуется меньшее изменение периметра и, следовательно, большая чувствительность к прикладываемому усилию срабатывания для перекрывания канала.

В альтернативном аспекте (не показан) нижняя часть канала 30 закруглена так, чтобы его изогнутая поверхность совмещалась с изогнутой верхней стенкой 25А, как показано на Фиг.20, описанном выше.

В итоге фактическое конформационное изменение, испытанное с помощью мембраны на срабатывание, будет зависеть от конфигурации конкретной эластомерной структуры. В частности, конформационное изменение будет зависеть от длины, ширины и профиля толщины мембраны, ее присоединения к оставшейся части структуры, и высоты, ширины и формы проточного и управляющего каналов и свойств используемого материала эластомера. Конформационное изменение может также зависеть от способа срабатывания, т.к. срабатывание мембраны в ответ на поданное давление будет несколько отличаться от срабатывания в ответ на силу магнитного или электростатического поля.

Кроме того, желательное конформационное изменение мембраны будет также изменяться в зависимости от конкретного приложения эластомерной структуры. В самых простых вариантах осуществления изобретения, описанных выше, клапан может открываться или закрываться с учетом измерения для управления степенью закрытия клапана. Однако в других вариантах осуществления изобретения можно при необходимости менять форму мембраны и/или канала для того, чтобы достигнуть более сложной регулировки потока. Например, канал можно выполнить с выступом внизу мембранной части так, чтобы после срабатывания мембрана закрывала только часть потока, протекающего через канал, при этом часть перекрытого потока не чувствительна к прикладываемому усилию срабатывания.

В настоящем изобретении рассмотрены многочисленные профили толщины мембраны и поперечные сечения каналов, включающие прямоугольное, трапециидальное, круглое, эллиптическое, параболическое, гиперболическое и многоугольное, а также различные сечения вышеупомянутых форм. Более сложные формы сечения, такие как в варианте осуществления изобретения с выступами, обсужденном только что выше, или в варианте осуществления изобретения с вогнутостями в канале, также входят в объем защиты настоящего изобретения.

Альтернативные методы активизации клапанов

В дополнение к системам, основанным на срабатывании от давления, описанным выше, ниже рассмотрены нестандартные системы электростатического и магнитного возбуждения. 

Электростатическое возбуждение можно выполнить путем формирования противоположно заряженных электродов (которые будут притягиваться друг к другу при подаче на них напряжения различной полярности) непосредственно в монолитной эластомерной структуре. Например, как показано на Фиг.7В, необязательный первый электрод 70 (показанный штриховой линией) можно установить на (или в) мембрану 25, и необязательный второй электрод 72 (также показанный штриховой линией) можно установить на (или в) планарную подложку 14. Когда на электродах 70 и 72 появляются заряды противоположной полярности, сила притяжения, возникающая между двумя электродами, заставляет мембрану 25 отклоняться по направлению вниз, таким образом закрывая "клапан" (т.е. перекрывая канал 30).

Что касается электрода мембраны, который должен иметь электропроводность, достаточную для поддержания электростатического возбуждения, и быть механически не жестким, чтобы не препятствовать движению клапана, то необходимо выполнить достаточно гибкий электрод в или над мембраной 25. Такой электрод можно выполнить путем использования тонкого слоя металлизации, легирования полимера проводящим материалом или создания поверхностного слоя вне проводящего материала.

Во взятом в качестве примера аспекте изобретения электрод, имеющийся на отклоняющей мембране, можно выполнить с помощью тонкого слоя металлизации, который можно нанести, например, с помощью напыления тонкого слоя металла, такого как золото толщиной 20 нм. В дополнение к формированию металлизированной мембраны путем напыления можно использовать и другие способы металлизации, такие как химическая эпитаксия, испарение, гальванопокрытие и нанесение покрытия методом химического восстановления. Кроме того, можно использовать физический перенос металлического слоя на поверхность эластомера, например, путем напыления металла на планарную подложку, с которой он имеет плохую адгезию, и затем размещения эластомера на металле и снятия металла с подложки. 

Проводящий электрод 70 можно также сформировать путем осаждения технического углерода (т.е. Cabot Vulcan XC72R) на поверхности эластомера путем втирания порошка или погружения эластомера в суспензию технического углерода в растворителе, который вызывает разбухание эластомера (такого как хлорированный растворитель в случае ПДМС). Альтернативно, электрод 70 можно сформировать путем построения всего слоя 20 из эластомера, легированного проводящим материалом (т.е. технического углерода или тонко диспергированных частиц металла). Кроме того, альтернативно, электрод можно сформировать с помощью электростатического осаждения или химической реакции, которая приводит к образованию углерода. В проведенных экспериментах проводимость увеличивалась с повышением концентрации технического углерода с 5,6?10-16 до приблизительно 5?10 -3 (Ом·см)-1. Нижний электрод 72, который не нужно перемещать, может быть гибким электродом, как описано выше, или известным электродом, таким как электрод с золотым напылением, металлизированный или легированный полупроводниковый электрод.

Альтернативно, магнитное срабатывание каналов можно достигнуть путем изготовления мембраны, разделяющей каналы, из магнитополяризуемого материала, такого как железо, или постоянно намагниченного материала, такого как поляризованного NdFeB. В проведенных экспериментах магнитный силикон получали путем добавления железного порошка (с размером частиц приблизительно 1 мкм) до 20% железа по весу.

В случае, когда мембрана изготавливается с добавлением магнитополяризуемого материала, мембрана может срабатывать за счет магнитного притяжения после подачи магнитного поля. Там, где мембрана изготавливается с использованием материала, позволяющего поддерживать постоянное намагничивание, материал можно сначала намагнитить по действием достаточно высокого магнитного поля и затем привести в действие за счет притяжения или отталкивания в зависимости от полярности поданного неоднородного магнитного поля.

Магнитное поле, вызывающее срабатывания мембраны, можно получить рядом способов. В одном варианте осуществления изобретения магнитное поле вырабатывают с помощью предельно маленькой катушки индуктивности, выполненной в или рядом с эластомерной мембраной. Усилие срабатывания такой магнитной катушки будет локализованным, что обеспечит срабатывание индивидуальных насосных и/или клапанных структур. Альтернативно, магнитное поле можно выработать с помощью большего, более мощного источника, в случае которого срабатывание будет глобальным и приведет в действие одновременно многочисленные насосные и/или клапанные структуры. 

Кроме того, принудительное срабатывание можно сделать объединенным с использованием электростатического или магнитного возбуждения. В частности, сильфонные структуры, находящиеся в гидравлической связи с углублением, можно привести в действие электростатическим или магнитным способом, изменяя давление в углублении и, таким образом, приводя в действие мембранную структуру, расположенную рядом с углублением.

Кроме электрического или магнитного возбуждения, которое описано выше, в настоящем изобретении также рассмотрены дополнительные системы электролитического и электрокинетического возбуждения. Например, срабатывание мембраны из-за повышения давления может возникнуть в результате электролитической реакции в углублении над мембраной. В этом варианте осуществления изобретения на электроды, присутствующие в углублении, подают напряжение через электролит, находящийся в углублении. Эта разность потенциалов вызовет электрохимическую реакцию у электродов и приведет к образованию частиц газа, повышающих перепад давления в углублении.

Альтернативно, срабатывающее давление на мембрану может возникнуть в результате электрокинетического гидравлического потока в канале управления. В этом варианте осуществления изобретения на электроды, присутствующие на противоположных концах канала управления, подают разность потенциалов через электролит, находящийся в канале управления. Миграция заряженных частиц в электролите к соответствующим электродам может вызывать перепад давления. 

И наконец, устройство можно также привести в действие путем образования гидравлического потока в канале управления на основании подачи тепловой энергии, теплового расширения или выработки газа из текучей среды. Аналогично, химические реакции, в ходе которых образуются газообразные продукты, могут привести к увеличению давления, достаточного для срабатывания мембраны. 

Сетевые системы

На Фиг.23А и 23В показаны виды одиночного двухпозиционного клапана, идентичного системам, изложенным выше (например на Фиг.7А). На Фиг.24А и 24В показана перистальтическая насосная система, состоящая из множества одиночных адресуемых двухпозиционных клапанов (Фиг.23), но объединенных вместе в сеть. На Фиг.25 изображен график, показывающий экспериментально достигнутые скорости прокачки в зависимости от частоты для перистальтической насосной системы (Фиг.24). На Фиг.26А и 26В показан схематический вид множества каналов, которыми управляют с помощью одиночной линии управления. Эта система также состоит из множества одиночных адресуемых двухпозиционных клапанов (Фиг.23), мультиплексированных вместе, но размещенных по другому, чем на Фиг.23. На Фиг.27 представлена схематическая иллюстрация системы мультиплексирования, адаптированной для создания гидравлического потока через выбранные каналы, состоящие из множества одиночных двухпозиционных клапанов (Фиг.23), соединенных вместе или объединенных в сеть.

На Фиг.23А и 23В схематически показано расположение каналов 30 и 32. Через канал 30, предпочтительно, проходит поток F текучей среды (или газа). Канал 32 (который пересекает сверху канал 30, как уже объяснено здесь) находится под давлением, так что мембрана 25, разделяющая каналы, может опускаться в канал канала 30, перекрывая таким образом проход потока F, как показано ниже. "Канал" 32, как таковой, можно также называть "линией управления", которая приводит в действие одиночный клапан в канале 30. На Фиг.23- 26 множество таких адресуемых клапанов соединено вместе или объединено в сеть в различных размещениях для получения насосов, позволяющих выполнять перистальтическую прокачку и другие функции струйных логических схем.

Как показано на Фиг.24А и 24В, система для перистальтической прокачки выполнена следующим образом. Канал 30 как правило имеет множество параллельных каналов (т.е. линий управления) 32А, 32В и 32С, проходящих над ним. При подаче давления в линию 32А управления перекрывается поток F, проходящий через канал 30 под мембраной 25А на пересечении линии 32А управления и канала 30. Аналогично, (не показано) при подаче давления в линию 32В управления перекрывается поток F, проходящий через канал 30 под мембраной 25В на пересечении линии 32В управления и канала 30 и так далее.

Каждая линия 32А, 32В и 32С управления является отдельно адресуемой. Поэтому перистальтику можно приводить в действие следующим образом: сначала одновременно срабатывают линии 32А и 32С, затем линия 32А, одновременно линии 32А и 32В, затем линия 32В, одновременно линии 32В и С и так далее. Это соответствует последовательной комбинации символов "101, 100, 110, 010, 011, 001", где "0" показывает "открытый клапан", и "1" показывает "закрытый клапан". Эта перистальтическая комбинация также известна как 120°-ая комбинация (которая показывает угол фазы срабатывания между тремя клапанами). В равной степени возможны и другие перистальтические комбинации, включая 60°- и 90°-ые комбинации.

В проведенных экспериментах скорость прокачки 2,35 hL/c измерялась путем измерения расстояния, которое проходит столб воды в тонкой (с внутренним диаметром 0,5 мм) трубке, с клапанами размером 100?100?10 мкм при давлении срабатывания 40 кПа. Скорость прокачки увеличилась при повышении частоты срабатывания приблизительно до 75 Гц и затем оставалась практически постоянной до более чем 200 Гц. Клапаны и насосы работали также вполне надежно, и ни разу не наблюдался отказ в работе эластомерной мембраны, каналов управления или соединения. В проведенных экспериментах ни один из клапанов в перистальтическом насосе, описанном здесь, не проявил каких-либо признаков износа или усталости после срабатываний более чем 4 миллиона раз. Кроме их долговечности, они также остаются мягкими. Раствор Е. Coli, прокачиваемый через канал и испытанный на устойчивость в условиях эксплуатации, показал коэффициент сохранения работоспособности 94%.

На Фиг.25 изображен график, показывающий экспериментально достигнутые скорости прокачки в зависимости от частоты для перистальтической насосной системы (Фиг.24).

Фиг.26А и 26В изображают другой способ сборки множества адресуемых клапанов (Фиг.21). В частности, выполнено множество параллельных каналов 30А, 30В и 30С. Канал (т.е. линия управления) 32 проходит сверху поперек каналов 30А, 30В и 30С. Повышение давления в линии 32 управления одновременно приводит к закрытию потоков F1, F2 и F3 за счет опускания мембран 25А, 25В и 25С, расположенных на пересечениях линии 32 управления и каналов 30А, 30В и 30С.

Фиг.27 представляет собой схематическую иллюстрацию системы мультиплексирования, приспособленной для того, чтобы текучая среда могла выборочно протекать через выбранные каналы следующим образом. Отклонение по направлению вниз мембран, разделяющих соответствующие каналы от линии управления, проходящей над ними (например, мембраны 25А, 25В и 25С на Фиг.26А и 26В), сильно зависит от размеров мембраны. Соответственно, при изменении ширины линии 32 управления канала (Фиг.26А и 26В), можно иметь канал линии управления, проходящий над многочисленными каналами, который только приводит в действие (т.е. закрывает) требуемые каналы. На Фиг.27 представлено схематическое изображение такой системы, описание которой приводится ниже.

Множество параллельных каналов 30А, 30В, 30С, 30D, 30Е и 30F расположено под множеством параллельных линий 32А, 32В, 32С, 32D, 32Е и 32F управления. Каналы 32А, 32В, 32С, 32D, 32Е и 32F управления приспособлены для того, чтобы закрывать потоки F1, F2, F3, F4, F5 и F6 текучей среды, проходящие через параллельные каналы 30А, 30В, 30С, 30D, 30Е и 30F, использующие любой из описанных выше систем со следующей модификацией.

Каждая из линий 32А, 32В, 32С, 32D, 32Е и 32F управления имеет широкую и узкую части. Например, линия 32А управления является широкой в местах, расположенных над каналами 30А, 30С и 30Е. Аналогично, линия 32В управления является широкой в местах, расположенных над каналами 30В, 30D и 30F, и линия управления 32С является широкой в местах, расположенных над каналами 30А, 30В, 30Е и 30F.

На участках, где соответствующая линия управления является широкой, повышение давления в ней вызовет значительное опускание в канал мембраны (25), разделяющей канал и линию управления, таким образом перекрывая проход для потока, проходящего через него. И наоборот, в местах, где соответствующая линия управления является узкой, мембрана (25) будет также узкой. Соответственно, одинаковая степень повышения давления не приведет к опусканию мембраны (25) в канал (30). Поэтому проход для текучей среды под ней не будет перекрыт.

Например, при подаче давления в линию 32А управления, будут перекрыты потоки F1, F3 и F5 в каналах 30А, 30С и 30Е. Аналогично, при подаче давления в линию управления 32С, перекроются потоки F1, F2, F5 и F6 в каналах 30А, 30В, 30Е и 30F. Можно оценить, что более одной линии управления можно привести в действие в одно и то же время. Например, в линии 32А и 32С управления можно одновременно подать давление для того, чтобы перекрыть весь поток текучей среды за исключением F4 (с помощью линии 32А перекрывают F1, F3 и F5, и 32С перекрывают F1, F2, F5 и F6).

При выборочной подаче давления в различные линии (32) управления вместе и в различных последовательностях можно достигнуть большой степени управления потоком текучей среды. Кроме того, при расширении настоящей системы до более чем шести параллельных каналов (30) и более чем четырех параллельных линий (32) управления, и при изменении расположения широких и узких областей линий управления, можно изготовить очень сложные системы управления потоком текучей среды. Характерной чертой таких систем является возможность включения какого-либо одного канала из n каналов только при помощи 2(log2n) линий управления. 

Удалось изготовить микроструйные структуры с плотностью 30 устройств/мм2, но можно достигнуть и большей плотности. 

Выборочно адресуемые реакционные камеры, расположенные вдоль линий потока

В другом варианте осуществления изобретения, изображенном на Фиг.28А, 28В, 28С и 28D, выполнена система для выборочного направления потока текучей среды в еще одну из множества реакционных камер, расположенных вдоль линии канала.

На Фиг.28А изображен вид сверху канала 30, имеющего множество реакционных камер 80А и 80В, расположенных вдоль него. Канал 30 и реакционные камеры 80А и 80В, предпочтительно сформированы вместе в виде углублений на нижней поверхности первого слоя 100 эластомера. 

На Фиг.28В изображен вид снизу другого эластомерного слоя 110 с двумя линиями 32А и 32В управления, каждая из которых является обычно узкой, но имеет широкие простирающиеся части 33А и 33, сформированные в них в виде углубления.

Как показано в разобранном виде на Фиг.28С и собранном виде на Фиг.28D, эластомерный слой 110 размещается сверху эластомерного слоя 100. Слои 100 и 110 затем соединяют вместе, и интегральная система работает так, чтобы поток F текучей среды (через канал 30) выборочно направлялся в одну или обе реакционные камеры 80А и 80В следующим образом. При подаче давления в линию 32А управления мембрана 25 (т.е. тонкая часть эластомерного слоя 100, расположенная ниже простирающейся части 33А и над областями 82А реакционной камеры 80А) будет опускаться, таким образом закрывая проход для потока текучей среды в областях 82А, эффективно изолируя реакционную камеру 80 от канала 30. Можно также заметить, что простирающаяся часть 33А шире, чем оставшаяся часть линии 32А управления. Само по себе повышение давления в линии 32А управления не приведет к изоляции линии 32А управления от канала 30.

Можно оценить, что одна или обе линии 32А и 32В управления могут сработать сразу. При одновременной подаче давления в линии 32А и 32В управления, выборочный поток в канале 30 не будет вводиться ни в одну из реакционных камер 80А или 80В.

Концепцию выборочного управления вводом текучей среды в различные адресуемые реакционные камеры, расположенные вдоль линии потока (Фиг.28), можно объединить с концепцией выборочного управления потоком текучей среды через один или более из множества параллельных линий потока (Фиг.27) для того, чтобы получить систему, в которой образец или образцы текучей среды можно направить в любую конкретную реакционную камеру, расположенную в матрице реакционных камер. Пример такой системы показан на Фиг.29, в которой параллельные каналы 32А, 32В и 32С управления с простирающимися частями 34 (все показаны штриховыми линиями) выборочно направляют потоки F1 и F2 текучей среды в любую матрицу реакционных отсеков 80А, 80В, 80С или 80D, как объяснено выше, хотя подача давления в линии 32С и 32D управления выборочно закрывает соответственно потоки F2 и F1.

В еще одном новом варианте осуществления изобретения, возможен проход для текучей среды между параллельными каналами. Как показано на Фиг.30, в одной или обеих линиях 32А или 32D управления можно понизить давление, позволяя проходить потоку текучей среды через боковой проход 35 (между параллельными каналами 30А и 30В). В этом аспекте изобретения, подача давления в линии 32С и 32D управления приведет к закрытию канала 30А между 35А и 35В, а также к закрытию боковых проходов 35В. Как таковой, поток, который вводится в качестве потока F1, будет последовательно проходить через каналы 30А, 35А и выходить через канал 30В в виде потока F4.

Переключаемые проточные матрицы

В еще одном новом варианте осуществления изобретения, проход текучей среды можно выборочно направить так, чтобы текучая среда протекала в любом из двух перпендикулярных направлений. Пример такой системы "переключаемой проточной матрицы" представлен на Фиг.31A-31D. На Фиг.31А изображен вид снизу первого слоя эластомера 90 (или любой другой подходящей подложки (нижний слой)), имеющий нижнюю поверхность с набором углублений, образующим сетку каналов, определенных матрицей твердых опор 92, каждая из которых имеет каналы, проходящие вокруг них.

В предпочтительных аспектах изобретения дополнительный слой эластомера связан с верхней поверхностью слоя 90, так что поток текучей среды может выборочно перемещаться в направлении F1 или в перпендикулярном направлении F2. Фиг.31 изображает вид снизу нижней поверхности второго слоя эластомера 95, показывая углубления, сформированные в виде чередующихся "вертикальных" линий 96 управления и "горизонтальных" линий 94 управления. "Вертикальные" линии 96 управления имеют одинаковую ширину по всей длине, тогда как "горизонтальные" линии 94 управления имеют чередующиеся широкие и узкие части, как показано на чертеже.

Эластомерный слой 95 располагается над верхней частью эластомерного слоя 90 так, что "вертикальные" линии 96 управления располагаются над опорами 92 (Фиг.31С), и "горизонтальные" линии 94 управления располагаются в своих широких частях между опорами 92 (Фиг.31D).

Как показано на Фиг.31C, когда в "вертикальные" линии 96 управления подают давление, мембрана интегральной структуры, образованная с помощью эластомерного слоя, первоначально расположенного между слоями 90 и 95 в областях 98, будет отклоняться по направлению вниз над решеткой каналов, так что входной поток может проходить только в направлении F2 потока (т.е. вертикально), как показано на чертеже.

Как показано на Фиг.31D, когда в "горизонтальные" линии 94 управления подают давление, мембрана интегральной структуры, образованной с помощью эластомерного слоя, первоначально расположенного между слоями 90 и 95 в областях 99, будет отклоняться по направлению вниз над решеткой каналов (но только в самых широких областях), так что входной поток может проходить только в направлении потока F1 (т.е. горизонтально), как показано на чертеже.

Конструкция, изображенная на Фиг.31, позволяет выполнить переключаемую проточную матрицу только из двух эластомерных слоев без вертикальных сквозных отверстий, проходящих между линиями управления в различных требуемых эластомерных слоях. Если соединить все вертикальные линии 94, то в них можно повысить давление с одного входа. Это справедливо и для всех горизонтальных линий 96 управления.

Синтез биополимеров 

Представленные эластомерные клапанные структуры можно также использовать при синтезе биополимеров, например, при синтезе олигонуклеотидов, протеинов, пептидов, ДНК и так далее. В предпочтительном аспекте изобретения такие системы для синтеза биополимеров могут содержать интегральную систему, содержащую матрицу резервуаров, струйную логику (согласно настоящему изобретению) для выбора потока из конкретного резервуара, матрицу каналов или резервуаров, в котором выполняется синтез, и струйную логику (также согласно настоящему изобретению) для определения того, по каким каналам будет протекать выбранный реагент. Пример такой системы 200 изображен на Фиг.32.

Четыре резервуара 150А, 150В, 150С и 150D имеют соответственно основания А, С, Т и G, расположенные так, как показано на чертеже. Четыре канала 30А, 30В, 30С и 30D соединены с резервуарами 150А, 150В, 150С и 150D. Четыре линии 32А, 32В, 32С и 32D управления (показанные штриховыми линиями) расположены поперек линий 32А управления, позволяя потоку протекать только через канал 30А (т.е. закрывая каналы 30В, 30С и 30D) в случае, когда линия 32А управления находится под давлением. Аналогично, линия 32В управления позволяет протекать потоку только через канал 30В, когда она находится под давлением. Кроме того, выборочная подача давления в линии 32А, 32В, 32С и 32D управления последовательно выбирает требуемое основание А, С, Т и G из требуемого резервуара 150А, 150В, 150С или 150D. Текучая среда затем проходит через канал 120 в контроллер 125 потоков с мультиплексированием каналов (включающего, например, любую систему (Фиг.26A-31D), который, в свою очередь, направляет поток текучей среды в один или более из множества каналов синтеза или камер 122А, 122В, 122С, 122D или 122Е, в котором можно выполнять синтез в твердой фазе.

Фиг.33 изображает другое развитие этой системы, на которой множество резервуаров R1-R13 (которые могут содержать основания А, Т, С и G, или любые другие реагенты, которые используются в комбинационной химии) подсоединено к системе 200 способом, показанным на Фиг.32. Системы 200 подсоединены к контроллеру 125 потоков с мультиплексированием каналов (включающего, например, любую систему, показанную на Фиг.26A-31D), который, в свою очередь, подсоединен к переключаемой проточной матрице (например, как показано на Фиг.31). Преимуществом этой системы является то, что обоими контроллерами 125 потоков с мультиплексированием каналов и системами 200 выбора текучей среды можно управлять с помощью одинаковых входов 170 и 172 подачи давления при условии, что предусмотрены также "закрытые горизонтальные" и "закрытые вертикальные" линии 160 и 162 управления (которые показаны штриховыми линиями).

В других альтернативных аспектах изобретения можно использовать множество контроллеров (таких как 125) потоков с мультиплексированием каналов, причем каждый контроллер потоков первоначально располагается послойно друг над другом на другом эластомерном слое, с вертикальными сквозными отверстиями или межсоединениями между эластомерными слоями (которые можно выполнить путем нанесения рисунка литографическим способом на слой резиста, расположенного на слое эластомера, затем травления эластомера и наконец удаления резиста перед нанесением последнего слоя эластомера). 

Например, вертикальное сквозное отверстие в слое эластомера можно создать путем травления отверстия на выступающей линии, расположенной на микрообработанной форме, и присоединения следующего слоя так, чтобы канал проходил над этим отверстием. В этом аспекте изобретения возможен многократный синтез с множеством контроллеров 125 потоков с мультиплексированием каналов.

Соединение последовательных слоев сформированного эластомера для формирования многослойной структуры изображено на Фиг.34, которая является оптической микрофотографией части контрольной структуры, состоящей из семи слоев эластомера. На Фиг.34 ширина полоски составляет 200 мкм.

Один способ изготовления слоя эластомера с особым вертикальным сквозным отверстием, используемым в многослойной структуре, изображен на Фиг.35A-35D. На Фиг.35А изображено формирование слоя 3500 эластомера над микрообработанной формой 3502, включающей выступающую линию 3502а.

На Фиг.35В изображено формирование слоя 3504 для защиты от травления металла, расположенного над слоем 3500 эластомера, вслед за этим нанесение рисунка на маску 3506 фоторезиста, расположенную над слоем 3504 для защиты от травления, чтобы закрыть маскируемые области 3508 и оставить открытыми области 3510 без маски. Фиг.35С изображает воздействие растворителя, который удаляет слой 3504 для защиты от травления в областях 3510 без маски.

Фиг.35D изображает удаление фоторезиста с нанесенным рисунком после последующего травления лежащего ниже эластомера 3500 в областях 3510 без маски для формирования вертикального сквозного отверстия 3512. После воздействия растворителя удаляют оставшуюся часть слоя 3504 для защиты от травления в маскированных областях 3508, избирательных к окружающему эластомеру 3500 и форме 3502. Этот слой эластомера можно затем включить в структуру эластомера с помощью многослойной мягкой литографии. 

Этот ряд этапов можно повторить по мере необходимости для того, чтобы сформировать многослойную структуру, имеющую необходимое число и ориентацию вертикальных сквозных отверстий между каналами последовательных слоев эластомера.

Было успешно выполнено травление сквозных отверстий через слои GE RTV 615 с использованием раствора фторида тетрабутиламмония в органическом растворе. Золото служит в качестве материала для защиты от травления, при этом золото удаляли избирательно к GE RTV 615, используя смесь KI/I2/H2O.

Альтернативно, вертикальные сквозные отверстия между каналами в последовательных слоях эластомера можно сформировать, используя при этом метод негативной маски. В этом подходе на негативную маску из металлической фольги наносили рисунок и затем формирование слоя для защиты от травления останавливали там, где присутствовала металлическая фольга. После нанесения рисунка на материал, блокирующий травление, негативную маску из металлической фольги удаляли, позволяя выборочно травить эластомер так, как описано выше.

В еще одном подходе вертикальные сквозные отверстия можно сформировать в слое эластомера, используя абляцию эластомерного материала путем облучения лазерным лучом.

Хотя вышеупомянутый подход описан в связи с синтезом биополимеров, изобретение не ограничено этим применением. Настоящее изобретение может также функционировать в широком разнообразии методов комбинационного химического синтеза.

Другие применения

Преимущественные применения представленных монолитных микрообработанных эластомерных клапанов и насосов являются многочисленными. Соответственно, настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным применением или использованием. Далее в предпочтительных аспектах рассматривается использование и применение настоящего изобретения.

1. Сортировка клеток/ДНК

Представленные микроструйные насосы и клапаны можно также использовать в цитометрах потока для сортировки клеток и сортировки по крупности ДНК. Сортировка объектов по размеру очень полезна во многих технических областях.

Например, при проведении многочисленных количественных анализов в биологии необходимо определять размер объектов с размером молекул. Особо важным является измерение распределения длин молекул ДНК в неоднородном растворе. Это обычно делают с использованием гель-электрофореза, при котором молекулы разделяются в зависимости от их различной подвижности в гель-матрице в условиях приложенного электрического поля, и их положений, которые обнаруживают в результате поглощения или испускания излучения. О длине молекул ДНК затем судят по их подвижности.

Несмотря на свои большие преимущества, электрофоретические способы имеют и недостатки. Для среды с большим молекулами ДНК разрешающая способность, то есть минимальная разность длин, на которой различные длины молекул могут отличаться, ограничена приблизительно 10% от общей длины. Для очень больших молекул ДНК известная процедура сортировки не выполнима. Кроме того, гель-электрофорез является относительно продолжительной процедурой, и для его выполнения может потребоваться порядка нескольких часов или дней.

Сортировка объектов с размером клеток также является актуальной задачей. Известные устройства сортировки проточных клеток имеют проточную камеру с форсункой и основаны на принципе гидродинамической фокусировки с помощью потока в оболочке. Наиболее известные устройства сортировки объединяют технологию пьезоэлектрической выработки капель и электростатического отклонения для достижения выработки капелек и высоких скоростей сортировки. Однако этот подход имеет некоторые существенные недостатки. Один недостаток заключается в том, что сложность, размеры и высокая стоимость устройства сортировки требуют того, чтобы это устройство было многократного пользования и, следовательно, рентабельным. Многократное использование может привести, в свою очередь, к проблемам с остаточными материалами, которые вызывают загрязнение образцов и турбулентность потока текучей среды.

Поэтому имеется потребность в технологии для простого, недорогого и легко изготавливаемого устройства сортировки, которое основывается на механическом управлении потоком текучей среды, а не на электрических взаимодействиях между частицей и растворенным веществом.

На Фиг.36 изображен один вариант осуществления устройства сортировки согласно настоящему изобретению. Устройство 3600 сортировки состоит из переключательной клапанной структуры, образованной из каналов, присутствующих в эластомерном блоке. В частности, канал 3602 имеет Т-образную форму со стволом 3602а канала 3602, который имеет жидкостную связь с резервуаром 3604 для образцов, содержащим сортируемые объекты 3606 различных типов, обозначенные квадратами, кругом, треугольником и так далее. Левая ветвь 3602b канала 3602 имеет жидкостную связь с резервуаром 3608 для отходов. Правая ветвь 3602с канала 3602 связана со сборным резервуаром 3610.

Каналы 3612а, 3612b и 3612с управления проходят над и разделены от ствола 3602а канала 3602 соответственно эластомерными мембранными частями 3614а, 3614b и 3614с. Ствол 3602а канала 3602 и каналы 3612а, 3612b и 3612с управления образуют вместе первую перистальтическую насосную структуру 3616, подобную той, которая подробно описана выше со ссылкой на Фиг.24а.

Канал 3612d управления проходит над и отделен от правой ветви 3602 с канала 3602 эластомерной мембранной частью 3614d. Правая ветвь 3602с канала 3602 и каналы 3612d управления образуют вместе первую клапанную структуру 3618а. Канал 3612е управления проходит над и отделен от левой ветви 3602с канала 3602 эластомерной мембранной частью 3614е. Левая ветвь 3602с канала 3602 и канала 3612е управления образуют вместе вторую клапанную структуру 3618b.

Как показано на Фиг.36, ствол 3602а канала 3602 значительно сужается при приближении к окну 3620 обнаружения, расположенному рядом с разветвлением ствола 3602а, правой ветви 3602b и левой ветви 3602с. Окно 3620 обнаружения является достаточно широким для того, чтобы обеспечить однородное освещение этой области. В одном варианте осуществления изобретения ширина ствола у окна обнаружения сужается со 100 мкм до 5 мкм. Ширину ствола у окна обнаружения можно точно сформировать с использованием методов изготовления на основе мягкой литографии или покрытия фоторезистом, которые подробно описаны выше, и она будет зависеть от характера и размера сортируемого объекта.

Ниже приводится описание работы устройства сортировки согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Образец разбавляют до такого уровня, чтобы только один сортируемый объект, предположительно, присутствовал бы в окне обнаружения в любой момент времени. Перистальтический насос 3616 приводится в действие при протекании текучей среды через каналы 3612а-с управления, как описано подробно выше. Кроме того, вторая клапанная структура 3618b закрывается при протекании текучей среды через канал 3612е управления. В результате действия перистальтического насоса 3616 и блокирующего действия второго клапана 3618b текучая среда протекает из резервуара 3604 с образцами через окно 3620 обнаружения в резервуар 3608 для отходов. В результате сужения ствола 3604 сортируемые объекты, представленные в резервуаре 3604 с образцами, переносятся с помощью этого регулярного потока текучей среды, один за раз, через окно 3620 обнаружения.

Излучение 3640 из источника 3642 вводится в окно 3620 обнаружения. Это возможно благодаря прозрачности эластомерного материала. Поглощение или испускание излучения 3640 сортируемым объектом 3606 затем обнаруживают с помощью детектора 3644.

Если сортируемый объект 3606а внутри окна 3620 обнаружения нужно отделить и собрать с помощью устройства 3600 сортировки, приводится в действие первый клапан 3618а, а второй клапан 3618b перестает работать. Это создает эффект втягивания сортируемого объекта 3606а в резервуар 3610 для сбора, и в то же самое время перемещения второго сортируемого объекта 3606b в окно 3620 обнаружения. Если второй сортируемый объект 3602b также идентифицирован для сбора, перистальтический насос 3616 продолжает прокачивать текучую среду через правую ветвь 3602 с канала 3602 в резервуар 3610 для сбора. Однако если второй объект 3606b не будет собираться, первый клапан 3618а открывается, а второй клапан 3618b закрывается, и первый перистальтический насос 3616 продолжает прокачку текучей среды через левую ветвь 3602b канала 3602 в резервуар 3608 для отходов.

Хотя один специфический вариант осуществления устройства сортировки и способ его работы описаны со ссылкой на Фиг.36, настоящее изобретение не ограничено этим вариантом его осуществления. Например, текучая среда не должна протекать через каналы, используя перистальтическую насосную структуру, но вместо этого она может протекать под давлением при помощи эластомерных клапанов, управляя только направленностью потока. В еще одном варианте осуществления изобретения множество структур сортировки можно собрать в ряд для того, чтобы выполнить последовательные операции сортировки, при этом резервуар для отходов (Фиг.36) просто заменяется на ствол следующей структуры сортировки.

Кроме того, можно использовать высокопроизводительный способ сортировки, в котором непрерывный поток текучей среды из резервуара с образцами через окно и разветвление в резервуар для отходов поддерживается до тех пор, пока объект, который нужно собирать, не обнаружится в окне. После обнаружения объекта, который нужно собирать, направление потока текучей среды с помощью насосной структуры временно меняется на обратный для того, чтобы транспортировать требуемую частицу обратно через разветвление в резервуар для сбора. Таким образом, устройство сортировки можно использовать на более высокой скорости потока, со способностью возвращения после обнаружения требуемого объекта. Такой альтернативный высокопроизводительный метод сортировки можно использовать в случае, когда объект, который необходимо собирать, является редким, и потребность в возвращении происходит не часто.

Сортировка, согласно настоящему изобретению, устраняет недостатки сортировки при использовании известного электрокинетического потока, такие как образование пузырьков, сильная зависимость величины потока и направления от состава раствора и поверхностных химических эффектов, различная подвижность разных химических частиц и пониженная жизнеспособность живых организмов в подвижной среде.

2. Обработка полупроводников 

Системы для управления потоком полупроводникового газа (особенно для эпитаксиальных приложений, в которых необходимо точно измерять маленькие количества газов) также рассмотрены в настоящем изобретении. Например, во время изготовления полупроводниковых устройств твердый материал наносят на подложку полупроводника методом химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ). Это выполняют путем воздействия на подложку смеси газообразных веществ предшественника так, чтобы эти газы вступали в реакцию и возникающий в результате продукт кристаллизовался на подложке.

Во время таких процессов ХОПФ необходимо тщательно контролировать условия их протекания для того, чтобы обеспечить однородное осаждение вещества, свободного от дефектов, которые могли бы привести к ухудшению работы электрического устройства. Одним возможным источником неоднородности является изменение скорости потока газов реагентов в области, расположенной над подложкой. Недостаточное управление скоростью потока газа может также привести к изменению толщины слоя от изделия к изделию, что является другим источником ошибки. К сожалению, имеется еще одна значительная проблема управления количеством газа, который подается в технологическую камеру, и поддержания стабильных скоростей потоков в известных системах подачи газа.

Соответственно, на Фиг.37А изображен один вариант осуществления настоящего изобретения, приспособленный для подачи (с точно управляемой скоростью потока) технологического газа над поверхностью полупроводниковой пластины во время процесса ХОПФ. В частности, полупроводниковая пластина 3700 размещается на основе 3702 полупроводниковой пластины, расположенной внутри камеры ХОПФ. Эластомерная структура 3704, содержащая большое количество равномерно распределенных отверстий 3706, располагается выше поверхности полупроводниковой пластины 3700.

Ряд технологических газов подают с тщательно управляемыми скоростями из резервуаров 3708а и 3708b через каналы в эластомерный блок 3704 и из отверстий 3706. В результате точно управляемого потока технологических газов над полупроводниковой пластиной 3700 осаждается твердый материал 3710, имеющий чрезвычайно однородную структуру.

Точное измерение скоростей потока газа реагента с использованием клапанных и/или насосных структур настоящего изобретения возможно по нескольким причинам. Во-первых, газы можно пропускать через клапаны, которые срабатывают по линейному закону на приложенное давление срабатывания, так как обсуждено выше со ссылкой на Фиг.21А и 21В. Альтернативно или в дополнение к измерению газового потока с использованием клапанов, предсказуемое поведение насосных структур, согласно настоящему изобретению, можно использовать для точного измерения потока технологического газа.

Кроме описанных выше процессов химического осаждения из паровой фазы настоящий метод также полезен для управления газовым потоком в методах, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия и реактивное ионное травление. 

3. Микрозеркальные решетки