微流体的大规模集成

摘要

利用基本物理理论，提供了一种用多层软光刻法制作微流体阀的设计和方法。根据本发明的阀的实施例以具有基本恒定厚度的弹性体隔膜部分为特征，使得隔膜承受与在其整个宽度上施加的压力类似的阻力。这种由可以向上或向下偏移的隔膜制作的开关阀能够具有非常低的驱动压力，并且能够被用于实现活动功能，例如在集成微流体芯片中的泵和混合器。阀的性能通过在设计参数的宽范围上测量驱动压力和流动阻力，并且将它们同有限元模拟和可选的阀几何形状进行比较来表征。

权利要求

1.一种微流体装置，包括：

第一层，包括在第一表面的第一凹槽；

单独的弹性体第二层，其具有与所述第一表面接触的第一侧面以限定第一微流体通道，所述第二层的隔膜部分邻近具有基本恒定的厚度的所述第一微流体通道；以及第三层，与所述弹性体的第二层的第二侧面接触以限定第二微流体通道，所述隔膜部分响应于所述第一微流体通道和第二微流体通道中的一个通道内的压力，可偏移进入所述第一微流体通道和第二微流体通道中的另一个通道，其中所述第二微流体通道被限定在所述第三层和位于所述第二层内的第二凹槽之间，以便所述隔膜部分响应于施加到所述第二微流体通道上的压力，从所述第三层可偏移进入所述第一微流体通道，或者，所述隔膜部分响应于施加到所述第一微流体通道上的压力，朝向所述第三层偏移进入所述第二微流体通道。

2.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第二微流体通道具有矩形横截面。

3.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一微流体通道具有曲线状的横截面。

4.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第三层包括刚性基板。

5.根据权利要求4所述的微流体装置，其中，所述基板包括玻璃。

6.根据权利要求5所述的微流体装置，其中，所述第二凹槽包括被蚀刻的凹槽。

7.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第三层包括聚合物。

8.根据权利要求7所述的微流体装置，其中，所述第二层包括PDMS。

9.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一或第二微流体通道之一具有的宽度∶深度的纵横比为约1∶1到50∶1之间。

10.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一或第二微流体通道之一具有的宽度为100μm或者更小。

11.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一或第二微流体通道之一的宽度大于所述第一或第二微流体通道中的另一个的宽度。

12.根据权利要求1所述的微流体装置，还包括在所述第一或第二微流体通道之一内的驱动流体。

13.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一或第二微流体通道之一具有的宽度∶深度的纵横比为约2∶1到20∶1之间。

14.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一或第二微流体通道之一具有的宽度∶深度的纵横比为约3∶1到15∶1之间。

15.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一或第二微流体通道之一的宽度在0.2至500μm的范围。

16.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一或第二微流体通道之一的宽度在1至250μm的范围。

17.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述第一或第二微流体通道之一的宽度在10至200μm的范围。

说明书

二十世纪初，工程师们面临着一个通常被称为“数字专制”的问题：对宏观装配系统的组成的应用限制。使用诸如真空管的离散元件，使得建立和操作复杂电路很快变得非常昂贵。1946年在宾夕法尼亚大学创造的ENIACI(电子数字积分计算机I)由19000个真空管组成，重30吨，消耗功率200KW。在1947年贝尔实验室发明了晶体管，并继而代替了电路中庞大的真空管，但是连通性仍然是个问题。

尽管工程师们原则上能够设计日益复杂的由几十万个晶体管组成的电路，但是电路内的每个元件需要手工焊接：一种昂贵、劳动强度大的过程。将更多的元件加载到电路中降低了电路的可靠性，因为即使一个虚焊点也会使电路无效。

二十世纪五十年代后期，Kilby和Noyce通过发明集成电路解决了电子学的“数字苛政”问题。通过由一种单一的半导体元件(最初是锗，之后是硅)来制作所有的元件，Kilby和Noyce创造了由晶体管、电容器、电阻器以及它们相应的原位互连组成的电路，无需手工装配。到二十世纪七十年代中期，改良的技术引起了大规模集成电路(LSI)(包含成百上千个单独元件的复杂集成电路)的开发。

微流体技术使得解决生物学和化学的相似系统集成问题成为可能。例如，Unger等人先前在Science，288(5463)：113(2000)提出了一种候选管道处理技术，该技术允许用由硅酮弹性体聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的整体式阀来制作芯片。

然而，迄今为止，装置除了简单重复外仍缺少高度集成的方法。微流体系统已经被用于证明一系列不同的生物学应用，包括生物分子分离、酶化验、聚合酶链反应(PCR)和免疫杂交反应。

虽然这些是实验室技术中按比例缩减的方法的极好的个别例子，它们也具有独立的功能性，与集成电路中的单独元件相同。回忆在二十世纪早期由基于大而重的真空管的排列组成的电路的宏观方法，目前致力于真正的生物集成的工业方法已经以庞大的机器人流体工作站的形式出现，该工作站占据整个实验室，并需要相当大的费用、空间和劳力。

因此，在该领域中需要高密度、大规模集成的微流体装置及其制作方法。

发明内容

利用基本物理理论，提供了一种用多层软光刻技术(softlithography)制作微流体阀的设计和方法。根据本发明的阀的实施例以具有基本恒定的厚度的弹性体隔膜部分为特征，允许隔膜承受与对其整个宽度上施加的压力类似的阻力。这种由可以向上或向下偏移的隔膜制作的开关阀能够具有非常低的驱动压力，并且能够被用于实现活动功能，例如在集成微流体芯片中的泵和混合器。通过在宽范围的设计参数上测量驱动压力和流动阻力，并且将它们同有限元模拟和备选阀几何学进行比较来将阀的性能特征化。
根据本发明的微流体装置的实施例包括：第一层，其在第一表面内包括第一凹槽。弹性体的第二层具有同第一表面接触的第一侧面，以限定第一微流体通道，邻近第一微流体通道的第二层的隔膜部分具有基本恒定的厚度。第三层同弹性体的第二层的第二侧面接触，以限定第二微流体通道，该隔膜部分对第一和第二微流体通道中的一个通道内的压力作出响应，可以偏移进入第一和第二微流体通道中的另一个通道。
根据本发明的微流体装置的实施例，包括：第一层，其在第一表面内包括第一凹槽；以及弹性体的第二层，具有基本恒定的厚度，并且包括与第一表面接触的第一侧面，以限定微流体控制通道。第三层包括在第二表面内的第二凹槽，第二表面同隔膜的第二侧面接触，以限定微流体流动通道，第二层的隔膜部分邻近第二凹槽，并且对控制通道内的压力作出响应可以偏移进入微流体流动通道。
根据本发明的在微流体结构内控制流动的方法的实施例包括：提供控制通道，其通过具有基本恒定的厚度的弹性体隔膜与邻近的微流体流动通道隔开；以及对该控制通道施加压力，以使得弹性体隔膜偏移进入微流体流动通道。
根据本发明用于制作微流体结构的方法的实施例包括：在具有圆形横截面的第一凸起件上模制第一弹性体材料，以便在第一弹性体材料的第一侧面内限定流动凹槽。在具有矩形横截面的第二凸起件上模制第二弹性体材料，以便在第二弹性体材料的第一侧面内限定控制凹槽。第二弹性体材料的第一侧面相对平坦底层设置。第一弹性体材料的第一侧面相对第二弹性体材料的第二侧面设置，以便由具有基本恒定的厚度的弹性体隔膜将流动凹槽与控制通道隔开。
根据本发明用于制作微流体结构的方法的可选实施例包括：设置上表面内具有凹陷凹槽的底层，以及将具有基本恒定的厚度的第一弹性体层的第一侧面设置成与该上表面接触，以限定微流体流动通道。在第一凸起部件上形成第二弹性体材料，以便在第二弹性体材料的第一侧面内限定控制凹槽。第二弹性体材料的第一侧面相对第一弹性体层的第二侧面设置，以限定微流体控制通道，具有基本恒定厚度的弹性体隔膜将该微流体控制通道与所述微流体控制通道隔开。
将结合下文和附图详细描述本发明的这些和其它的实施例，以及本发明的优点和特征。

附图说明

图1为形成于微型机械加工模具上的第一弹性体层的示意图；
图2为形成于微型机械加工模具上的第二弹性体层的示意图；
图3为从微型机械加工模具中取出的图2所示弹性体层放置在图1所示弹性体层上方的示意图；
图4为对应于图3但示出了设置在第一弹性体层顶部的第二弹性体层的示意图；
图5为对应于图4但示出了结合在一起的第一和第二弹性体层的示意图；
图6为对应于图5但示出了取出的第一微型机械加工模具和就位的平面基板的示意图；
图7A为对应于图6但示出了密封在平坦底层上的弹性体结构的示意图；
图7B对应于图7A的前剖视图，示出开放的流体通道；
图7C-7G示出了用于形成弹性体结构的方法的步骤的示意图，该弹性体结构具有由单个弹性体层形成的隔膜；
图7H示出了处于驱动状态的图7B的阀的前剖视图；
图8A和8B示出了对于不同流体通道的阀开度与施加的压力的关系；
图9示出了100μm×100μm×100μmRTV微型阀的时间响应；
图10为示出隔膜驱动的图7B的阀的前剖视图；
图11为具有带弯曲上表面的流体通道的阀的可选实施例的前剖视图；
图12A为开/关阀的顶部示意图；
图12B为沿图12A中23B-23B线的截面正视图；
图13A为蠕动泵送系统的顶部示意图；
图13B为沿图13A中24B-24B线的截面正视图；
图14为示出图13的蠕动泵送系统的实施例在实验上获得的泵送速率(pumping rate)与频率的关系的曲线图；
图15A为同时驱动多个流动管线的一个控制管线的顶部示意图；
图15B为沿图15A的26B-26B线的截面正视图；
图16为适用于允许流过不同通道的多路复合系统的示意图；
图17A-D示出了一个可转换流体排列(switchable flow array)的一个实施例的平面图；
图18A-D示出了单元围栏阵列结构的一个实施例的平面图；
图19A为示出二进制树形网络(二元树)微流体多路转换器操作图的简化的平面图；
图19B为示出三进制树形网络微流体多路转换器操作图的简化的平面图；
图20为图19A-B的装置的通用微流体结构的简化的横截面图；
图21为示出利用控制通道来控制其它控制通道的微流体结构的实施例的简化的平面图；
图21A为沿线21A-21A′的图21的结构的简化的剖视图；
图21B为沿线21B-21B′的图21的结构的简化的剖视图；
图22为图21-21B的装置的通用的微流体结构的简化的剖视图；
图23为利用控制通道来控制其它控制通道的微流体结构的可选实施例的简化的平面图；
图23A为沿线23A-23A′的图23中的结构的简化剖视图；
图23B为沿线23B-23B′的图23中的结构的简化剖视图；
图24为图23-23B的装置的通用的微流体结构的简化剖视图；
图25为利用通过其它控制管线来控制整个控制管线的装置的另一个实施例的通用的微流体结构的简化剖视图；
图26为根据本发明的逆向多路转换器结构的一个实施例的简化平面图；
图27为根据本发明的级联多路转换器结构的一个实施例的简化的平面图；
图28为根据本发明的改进的多路转换器的一个实施例的简化的平面图；
图29A为微流体记忆存储装置的光学显微照片；
图29B为示出图29A所示的芯片的选定行内对单一室的清洗机构的简化的放大平面图；
图29C-F为图29A的排列的简化的放大图，示出单独的存储位置的装载和清洗；
图29G示出微流体存储显示器的示例；
图30A示出微流体比较器芯片的光学显微照片；
图30B为图30A的微流体比较器芯片的简化的示意图；
图30C-H为示出图30A的微流体结构的室的装载的放大简化平面图；
图31A-D为示出在运转中的比较器的一部分的一套光学显微照片；
图32A为采用酶和荧光底物的的微流体比较器逻辑的示意图；
图32B为处于比较器模式的芯片的扫描荧光图象；
图32C示出μHTS比较器和eGFP表达控制细胞和CCP表达细胞的非均相混合物对输出信号的影响；
图33对于不同基数n的多路转换器结构，图示了控制管线数量同被控制的流动管线(flow lines)的数量之间的关系；
图34A-C为示出根据本发明实施例的立式止回阀的实施例的结构和操作的简化的剖视图；
图35A-D为示出根据本发明的微流体显示装置的一个像素的结构和操作的简化的剖视图；
图36为显示器简化剖视图的一个实施例的平面图，该显示器简化剖视图示出了根据本发明的显示装置的一个像素的结构和操作；
图37A为被向下驱动的微流体阀结构的简化剖视图；
图37B为根据本发明的被向上驱动的阀结构的实施例的简化剖视图；
图38为根据本发明的微流体装置的实施例的照片；
图39图示出驱动压力同微流体通道宽度和控制管线宽度的关系；
图40A示出对于根据本发明的向上偏移的阀结构的实施例，驱动压力同驱动通道宽度的关系；
图40B示出对于根据本发明的向上偏移的阀结构的实施例，驱动压力同隔膜厚度的关系；
图41示出了对于具有相同尺寸可以向上和向下偏移的阀，标准化电阻同驱动通道压力的关系；
图42示出了对于可以向上偏移的阀，标准化电阻同驱动通道压力的关系；
图43a-f为在图42的不同的计数位置处的上推阀的横截面的电子显微照片；
图44为根据本发明的阀结构的可选实施例的简化剖视图。

具体实施方式

I.微加工(微制作)概述
下面的讨论涉及利用弹性体材料形成微加工流体装置，如在2002年4月5日提交的申请号为10/118,466、2001年11月28日提交的申请号为09/997,205，2001年4月6日提交的申请号为09/826,585、2000年11月28日提交的申请号为09/724,784、以及2000年6月27日提交的申请号为09/605,520的美国非临时专利申请中所总体描述的。这些专利申请全部结合于此供参考。
1.制作方法
此处提供了制作本发明的典型方法。应该理解，本发明并不限于通过这些方法中的一个或其它的方法制作。相反的，制作本微观结构的其它适当的方法，包括修改本发明的方法，也在预料中。
图1-7B示出了制作本微观结构(其可被用作泵或阀)的第一优选方法的顺序步骤。图8-18示出了制作本微观结构(其同样可被用作泵或阀)的第二优选方法的顺序步骤。
如同将被解释的，图1-7B的优选方法包括采用被装配和粘合的预固化的弹性体层。在可选方法中，弹性体的每一层都可以“原位”固化。在下面的说明中，“通道”是指弹性体结构中的凹槽，其能够容纳液体流或气体流。
参照图1，提供了第一微机械加工模具10。微机械加工模具10可以由众多传统的硅处理方法制作，包括但不限于光刻法(photolithography)、离子研磨(ion-milling)和电子束蚀刻法。
如图所示，微机械加工模具10具有沿其自身延伸的凸条或突起11。如图所示，第一弹性体层20铸造于模具10之上，以便第一凹槽21形成于弹性体层20的底表面(凹槽22在尺寸上对应于突起11)。
如图2所示，还提供了第二微机械加工模具12，其具有沿其自身延伸的凸出的突起13。如图所示，第二弹性体层22铸造于模具12之上，以便凹槽23对应于突起13的尺寸，形成于弹性体层22的底表面中。
如图3和图4所示的顺序步骤，然后从模具12取出第二弹性体层22，并将其放置在第一弹性体层20之上。如图所示，沿第二弹性体层22的底表面延伸的凹槽23将形成流体通道32。
参照图5，分开的第一和第二弹性体层20和22(图4)然后粘合在一起，形成集成的(即单块的)弹性体结构24。
如图6和7A所示的顺序步骤，然后从模具10取出弹性体结构24，并将其放置在平面基板14之上。如图7A和7B所示，当弹性体结构24的底表面与平面基板14已经被密封时，凹槽21将形成流体通道30。
本弹性体结构同几乎任何光滑平面基板都可以形成可逆真空密封。以这种方式形成密封的优点在于可以剥离、清洗和再利用该弹性体结构。在优选的方面，平面基板14为玻璃。采用玻璃的另一个优点在于玻璃是透明的，允许弹性体通道和储存器的光学探询。可选地，弹性体结构可以由与前述相同的方法粘合在平坦的弹性体层上，形成永久且高强度的粘合。当采用更高的背压时可以证明这是有利的。
如图7A和7B所示，优选地将流体通道30和32设置成彼此成一定角度，基板24的小隔膜25将流体通道32的底部与流体通道30的顶部隔开。
在优选的方面，平面基板14为玻璃。采用玻璃的优点在于可以剥离、清洗和再利用本弹性体结构。采用玻璃的另一个优点在于可以采用光学传感。可选地，平面基板14本身可以是弹性体，当采用更高的背压时可以证明这是有利的。
可以修改上述制作方法，用于形成具有由不同于形成该装置通道壁的弹性体材料形成的隔膜的结构。图7C-7G示出了这种不同的制作方法。
参照图7C，提供了第一微机械加工的模具10。微机械加工模具10具有沿其自身延伸的凸条或突起11。在图7D中，第一弹性体层20铸造在第一微机械加工模具10之上，以便第一弹性体层20的顶部与凸条或突起11的顶部齐平。这可以通过小心地控制被铸造在模具10上面的弹性体材料的与已知凸条11高度相关的体积来实现。可选地，所期望的形状可通过注射模制法来形成。
在图7E中，提供了第二微机械加工模具12，具有沿其自身延伸的凸出的突起13。如图所示，第二弹性体层22铸造在第二模具12之上，以便凹槽23对应于突起13的尺寸，形成在第二弹性体层的下表面中。
在图7F中，从模具12取出第二弹性体层22，并将其放置在第三弹性体层222之上。采用下面详述的方法(或技术)将第二弹性体层22粘合到第三弹性体层20上以形成整体的弹性体块224。在该过程中的这一点上，之前被凸条13占据的凹槽23将形成流体通道23。
在图7G中，弹性体块224放置在第一微机械加工模具10和第一弹性体层20之上。然后将弹性体块和第一弹性体层20粘合在一起以形成具有由单独的弹性体层222组成的隔膜的整体的(即单块的)弹性体结构24。
当弹性体结构24已经以上述关于图7A中描述的方式在它的下表面密封到平面基板时，之前被凸条11占据的凹槽将会形成流体通道30。
以上结合图7C-7G所述的不同的制作方法具有允许隔膜部分由隔离材料而非所述结构的其它部分的弹性体材料组成的优点。这很重要，因为隔膜的厚度和弹性特性对装置的操作起着关键作用。而且，该方法使得分离的弹性体层在粘合到弹性体结构内之前易于被调节。如下面详细讨论的，潜在地期望的条件的实例包括引入磁性物质或导电物质以允许隔膜的驱动，和/或将掺杂剂引入到隔膜内以改变它的弹性。
虽然结合通过在微机械加工模具上重复模制而形成各种定形的弹性体层来描述了以上方法，但是本发明并不限于该方法。可以采用其它的方法来形成待粘合在一起的定形的弹性体材料的单独的层。例如，能够通过激光切割或注射模制，或通过如下结合第二典型方法所述的采用化学蚀刻和/或牺牲材料(sacrificial materials)的方法来形成弹性体材料的定形层。
可选的方法采用装入弹性体材料内的光刻胶的显影来制作图样化的弹性体结构。然而，根据本发明的方法并不限于采用光刻胶。诸如金属的其它材料也可以用作牺牲材料而选择性地从周围的弹性体材料被去除，该方法仍然在本发明的范围内。例如，可以利用适当的化学混合物选择性地对RTV615弹性体蚀刻金金属。
2.层和通道尺寸
微加工(微制作)参照根据本发明实施例制作的弹性体结构的尺寸特征。通常，将微制作结构的至少一个尺寸的变化控制在微米级，且至少一个尺寸为微观的(即低于1000μm)。微制作典型地包括半导体或MEMS制作方法，例如光刻法和旋转涂覆，其设计用于产生微观水平的特征尺寸，且至少微制作结构的某些尺寸需要显微镜来适度地分辨/反映该结构。
在优选的方面，流体通道30、32、60和62优选地宽度和深度比约为10∶1。根据本发明实施例的宽度和深度比的非排他性列举的其它范围为0.1∶1到100∶1，更优选为1∶1到50∶1，更优选为2∶1 to20∶1，最优选为3∶1 to 15∶1。在典型方面，流体通道30、32、60和62的宽度为约1到1000微米。根据本发明实施例的流体通道的宽度的非排他性列举的其它范围为0.01到1000微米，更优选为0.05到1000微米，更优选为0.2到500微米，更优选为1到250微米，最优选为10到200。典型的通道宽度包括0.1μm、1μm、2μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、以及250μm。
流体通道30、32、60和62的深度为约1到100微米。根据本发明实施例的流体通道的深度的非排他性列举的其它范围为0.01到1000微米，更优选为0.05到500微米，更优选为0.2到250微米，更优选为1到100微米，更优选为2到20微米，最优选为5到10微米。典型的通道深度包括0.01μm、0.02μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、7.5μm、10μm、12.5μm、15μm、17.5μm、20μm、22.5μm、25μm、30μm、40μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、以及250μm。
流体通道并不限于这些特定的尺寸范围和以上给出的实例，且可以在宽度上变化以影响如下结合图27详述的偏移隔膜所需的力的大小。例如，如下详述的，宽度为约0.01μm的极窄的流体通道可用于光学和其它应用。包括具有甚至比前述更宽通道的部分的弹性体结构也是本发明所预料的，采用这种较宽流体通道的应用实例包括流体储存器和混合通道结构。
为了机械稳定性，可以将该弹性体层铸造的厚些。在典型实施例中，图1的弹性体层22为50微米到几厘米厚，更优选为约4mm厚。根据本发明其它实施例的弹性体层厚度的非排他性列举的范围为约0.1μm到10cm之间、1μm到5cm之间、10μm到2cm之间、100μm到10mm之间。
因此，将流体通道30和32分开的图7B所示隔膜25的典型厚度为约0.01和1000微米之间，更优选为0.05微米到500微米之间，更优选为0.2微米到250微米之间，更优选为1微米到100微米，更优选为2微米到50微米，最优选为5微米到40微米。同样，弹性体层22的厚度约为弹性体层20的厚度的100倍。典型的隔膜厚度包括0.01μm、0.02μm、0.03μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、5μm、7.5μm、10μm、12.5μm、15μm、17.5μm、20μm、22.5μm、25μm、30μm、40μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、400μm、500μm、750μm、以及1000μm。
3.软光刻粘合
优选地，弹性体层利用聚合物(包括图样化的弹性体层)固有的化学性质而以化学方法粘合在一起。最优选地，该粘合包括两个元件“附加固化”粘合。
在优选的方面，弹性体的各层以非均相粘合而粘合在一起，其中，这些层具有不同的化学性质。可选地，可采用均相粘合，其中，所有层具有相同的化学性质。第三，各弹性体层可改为任选地由粘合剂胶合在一起。在第四方面，弹性体层可以是通过加热粘合在一起的热固性弹性体。
在均相粘合的一个方面，弹性体层由相同的弹性体材料组成，且一层中相同的化学个体与另一层中相同的化学个体反应，以将这各层粘合在一起。在一个实施例中，由于光、热或同一个单独化学物质的化学反应，类似弹性体层的聚合物链之间的连接可以由交联剂的活化产生。
可选地，在非均相方面，弹性体层由不同的弹性体材料组成，并且一个层中的第一化学个体与另一个层中的第二化学个体反应。在一个典型的非均相方面，用于将各弹性体层粘合在一起的粘合过程可包括将两个RTV615硅树脂层粘合在一起。RTV615硅树脂为一种两部分(two-part)附加固化的硅橡胶。A部分包含乙烯基和催化剂；B部分包含硅氢(Si-H)基(silicon hy dride groups)。RTV615的传统比率为10A∶1B。对于粘合，一个层可以由30A∶1B(即乙烯基过量)制成，另一个层由3A∶1B(即Si-H基过量)制成。分别固化每层。当将两个层接触并在高温下加热时，它们不可逆的粘合形成整体的(或单块的)弹性体基板。
在本发明的典型的方面，采用Sylgard 182、184、或186，或者脂肪族氨基甲酸乙酯二丙烯酸酯例如(但不限于)UCB Chemical公司的Ebecryl 270或Irr 245来形成弹性体结构。
在根据本发明的一个实施例中，两层弹性体结构由纯丙烯酸酯化的聚氨酯Ebe 270制成。薄底层在170℃下以8000转/分旋转涂覆15秒。最初将顶层和底层利用由Electrolite公司生产的Model ELC500装置在氮气中在紫外光下固化(cure)10分钟。然后将组合的层再固化30分钟。反应由Ciba-GeigyChenmicals公司生产的Irgacure500的0.5％体积比的混合物催化。形成的弹性体材料表现出适度的弹性和对玻璃的粘性。
在根据本发明的另一个实施例中，由25％Ebe 270/50％Irr245/25％异丙醇的混合物制成两层弹性体结构用于薄底层，纯丙烯酸酯化的聚氨酯Ebe 270用作顶层。最初，采用Electrolite公司生产的Model ELC 500装置在氮气中在紫外光下，将该薄底层固化5分钟，将顶层固化10分钟。然后将组合的层再固化30分钟。反应由Ciba-Geigy Chemicals公司生产的Irgacure 500的0.5％体积比的混合物催化。形成的弹性体材料表现出适度的弹性和对玻璃的粘性。
可选地，可以采用其它的粘合方法，包括活化弹性体表面，例如通过等离子体暴露，以使得该弹性体层/基板在接触时粘合。例如，Duffy等人在″Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane)″，Analytical Chemistry(1998)，70，4974-4984中阐述了一种将相同材料组成的弹性体层粘合在一起的可能的方法，该论文内容结合于此作为参考。该论文讨论了将聚二甲基硅氧烷(PDMS)层暴露于氧等离子体引起表面氧化，当两个氧化的层接触时发生不可逆的粘合。
将连续的弹性体层粘合在一起的又一种方法为利用未固化的弹性体的粘性。具体地，将未固化的诸如RTV615弹性体的薄层涂覆在第一固化弹性体层之上(或顶部)。接着，将第二固化弹性体层置于未固化的弹性体层之上。然后将未固化的弹性体的薄中间层固化，以产生整体的弹性体结构。可选地，可以将未固化的弹性体涂覆于第一固化弹性体层的底部，而第一固化弹性体层置于第二固化弹性体层之上。固化中间薄弹性体层也致使形成整体的弹性体结构。
当采用封装牺牲层来制作弹性体结构时，可以通过将未固化的弹性体浇注在一个先前固化的弹性体层和任何其上图样化的牺牲材料上来完成连续的弹性体层的粘合。由于未固化的弹性体层的聚合物链和固化的弹性体层的聚合物链的穿插和反应，使得弹性体层之间发生粘合。弹性体层之后的固化会形成弹性体层之间的粘合并产生整体的弹性体结构。
参照图1到7B的第一方法，可以通过以2000转/分在微制作模具12上旋转涂覆RTV混合物30秒而产生第一弹性体层20，所得到的厚度约为40微米。可以通过在微制作模具11上旋转涂覆RTV混合物而产生第二弹性体层22。层20和22均可以分别在80℃下烘烤或固化1.5小时。第二弹性体层22可以在约80℃经过大约1.5小时粘合在第一弹性体层20上。
微机械加工模具10和12可以是在硅晶片上的图样化的光刻胶。在典型的方面，以2000转/分旋转Shipley SJR 5740光刻胶，将高分辨率透明膜作为掩模进行图样化，然后显影，形成高度约为10微米的反向通道(inverse channel)。当在约200℃下烘烤30分钟时，该光刻胶回流并且该反向通道变成圆形。在优选的方面，在每次使用前可以用三甲基氯硅烷(TMCS)蒸汽处理该模具一分钟，以防止硅橡胶粘合。
4.适当的弹性体材料
Allcock et al，Contemporary Polymer Chemistry，2nd Ed将弹性体大体上描述为处于玻璃转化温度和液化温度之间的温度的聚合物。弹性体材料表现出弹性特性是因为聚合物链在力的作用下容易承受扭转运动而允许解开主链，且在没有力的情况下主链弹回以呈现先前的形状。通常，当施加力时，弹性体变形，而当撤消力时弹性体又恢复到其原始的形状。弹性体材料所表现出的弹性可以由杨氏模量(Young′s modulus)表征。根据本发明有用的弹性体材料的杨氏模量为约1Pa-1TPa之间，更优选为约10Pa-100GPa之间，更优选为约20Pa-1GPa之间，更优选为约50Pa-10MPa之间，更优选为约100Pa-1MPa之间，但是根据特定用途的需要也可以采用杨氏模量在这些范围外的弹性体材料。
本发明的系统可以由多种多样的弹性体制成。在典型的方面，弹性体层可以优选地由硅橡胶制成。然而，也可以采用其它适当的弹性体。
在本发明的典型的方面，本系统由诸如GE RTV 615(配方)、乙烯基硅烷交联的(类型)硅树脂弹性体(族)的弹性体聚合物制成。然而，本系统并不限于这一配方、类型、或该族聚合物；相反地，几乎任何弹性体聚合物都是适合的。对于制作本微型阀的优选的方法的重要条件是将多层弹性体粘合在一起的能力。在多层软光刻的情况下，分别固化弹性体层，然后将它们粘合在一起。该方案要求固化的层具有足够的活性以便粘合在一起。或者这些层可以是同种类型且它们能够自我粘合，或者它们为两种不同的类型且能够彼此粘合。其它的可能性包括在层之间使用粘合剂和利用热固性弹性体。
假定聚合物的化学性质、前体、合成方法、反应条件和可能的附加剂有非常大的差异，则有大量可能的弹性体系统可用于制作单块的弹性体微型阀和泵。特殊材料性能(即耐溶剂性、硬度、气体渗透性、或温度稳定性)的需要将最可能推动所用材料的变化。
有许多种弹性体聚合物。这里简要介绍最通用类别的弹性体，目的在于表示即使用相对“标准”的聚合物，也存在很多粘合的可能性。通用的弹性体聚合物包括聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯和硅树脂。
聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯：
聚异戊二烯、聚丁二烯和聚氯丁二烯均是由二烯单体聚合而成，因此在聚合时每个单体具有一个双键。该双键允许这些聚合物通过硫化(实质上，通过加热将硫用于形成双键之间的交联)转化成弹性体。这将通过待粘合的层的不完全硫化而允许均相多层软光刻；通过类似的机制使光刻胶封装成为可能。
聚异丁烯：
纯的聚异丁烯没有双键，但是通过在聚合中含有少量(约1％)的异戊二烯而被交联用作弹性体。该异戊二烯单体在聚异丁烯主链上提供下垂的双键，之后该双键可以进行上述硫化。
聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)：
聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)是由活性阴离子聚合(即在反应中没有自然的链终止步骤)生成的，因此，在固化的聚合物中存在“活性”聚合物端。这使其成为本光刻胶封装系统(其中，浇注于固化层上的液体层内将会有大量未反应的单体)的一种天然的候选物。不完全固化会允许均相多层软光刻(A到A粘合)。这种化学性质也会有助于形成具有多余丁二烯(″A″)和耦合剂的一个层以及丁二烯短缺的另一个层(″B″)(用于非均相多层软光刻)。SBS为一种“热固性弹性体”，意味着在某一温度以上其会融化并变成塑性的(同弹性相反)；降低温度会重新生成弹性体。因此，可通过加热将各层粘合在一起。
聚氨酯：
聚氨酯由二异氰酸酯(A-A)和二醇或二胺(B-B)生成；由于存在大量不同的二异氰酸酯和二醇/胺，所以不同类型的聚氨酯的数量也是巨大的。然而，聚合物的A与B的性质会使它们有利于非均相多层软光刻，例如RTV 615为：在一个层中采用A-A过量而在另一个层中采用B-B过量。
硅树脂：
硅树脂聚合物可能具有最大的结构变化，且几乎肯定具有最大数量的商业上可获得的配方。RTV 615(其既允许非均相多层软光刻也允许光刻胶封装)的乙烯基与(Si-H)基的交联已经讨论过了，但是这仅仅是硅树脂聚合物化学中所用的多种交联方法中的一种。
5.装置的操作
图7B和图7H一起示出了通过对第二流体通道(second flowchannel)加压来关闭第一流体通道，图7B(对应于图7A截断流体通道32的前剖视图)示出了开放的第一流体通道30；图7H示出了通过对第二流体通道32加压而关闭的第一流体通道30。
参照图7B，示出了第一流体通道30和第二流体通道32。隔膜25将这两个流体通道隔开，形成第一流体通道30的顶部和第二流体通道32的底部。如图所示，流体通道30是“开放的”。
如图7H所示，对流体通道32加压(通过在那里引入气体或液体)使隔膜25向下偏移，从而夹断通过流体通道30的流体F。因此，通过改变通道32内的压力，提供一个线性可驱动的阀系统，以使流体通道30能够通过移动隔膜25自由地打开或关闭(仅仅为说明目的，图7G所示的通道30处于“大部分关闭”的位置，而不是“完全关闭”位置)。
由于这种阀通过移动通道本身的顶部(即：移动隔膜25)而被驱动，所以由本技术产生的阀和泵具有真正的零死体积(zero deadvolumn)，并且由本技术制作的开关阀的死体积约等于阀的活动体积，例如，约为100×100×10μm＝100pL。这种由移动的阀消耗的死体积和面积比已知的传统的微型阀小约两个数量级。更小和更大的阀和开关阀(switching valves)是本发明所预料的，并且死体积的非排他性列举的范围包括1aL到1uL，100aL到100nL，1fL到10nL，100fL到1nL，和1pL到100pL。
根据本发明的泵和阀能够输送极小的体积，其具有相当大的优势。具体地，能够手动计量的流体的已知的最小体积为约0.1μm。能够由自动化系统计量的已知的最小体积为约十倍大(1μm)。利用根据本发明的泵和阀，常规地能够计量和分配10nl或更小的液体体积。通过本发明能够精确计量极小的流体体积，这在包括诊断检查和化验的众多生物应用中是非常有价值的。
等式1表示通过施加压力，具有均匀厚度的矩形、线性、弹性、均质的板的偏移(deflection)的高度简化的数学模型：(1)w＝(BPb4)/(Eh3)，其中：
w＝板的偏移；
B＝形状系数(取决于长宽比和板边缘的支撑)；
P＝施加的压力；
b＝板宽度；
E＝杨氏模量；以及
h＝板厚度。
因此即使在这十分简化的表达式中，弹性体隔膜响应压力的偏移也将是隔膜的长度、宽度和厚度、隔膜柔性(杨氏模量)、以及施加的驱动力的函数。因为这些参数中的每个都将根据本发明的特定弹性体装置的实际的尺寸和物理成分而变化很大，大范围的隔膜厚度和弹性、通道宽度以及驱动力均是本发明所预料的。
应该理解，前述的公式仅仅是一个近似值，因为通常隔膜并没有均匀的厚度，隔膜的厚度不是必须比长度和宽度小，并且该偏移不是必须比隔膜的长度、宽度或厚度小。然而，该等式可以作为调节可变参数的有用的向导以实现对施加力的期望的偏移响应。
图8A和图8B示出了对于100μm宽的第一流体通道30和50μm宽的第二流体通道32，阀开度同施加压力的对比。该装置的隔膜是由通用电器(General Electric)硅树脂RTV 615的层制成，其厚度为约30μm，杨氏模量约为750KPa。图21a和21b示出了对大部分范围的施加压力基本上为线性的阀开度的范围。
通过10cm长的塑料管件施加气体压力来驱动该装置的隔膜，该塑料管件的外径为0.025″，连接到25mm的不锈钢皮下注射管件上，该不锈钢皮下注射管件的外径为0.025″，内径为0.013″。通过将该塑料管沿垂直于控制通道的方向插入到弹性体块内来使其与控制通道接触。从Lee公司生产的外部LHDA微型螺线管阀将气体压力施加在该皮下注射管(hypodermic tubing)上。
虽然到目前为止已经描述了利用施加的气体压力来控制通过该装置的物质的流动，但是也可以采用其它流体。
例如，气体(空气)是可压缩的，因此在由外部螺线管阀施加压力的时间和由该隔膜承受压力的时间之间会有一定的延迟。在本发明的可选实施例中，可以从外源向不可压缩流体(例如水或液压油)施加压力，使得施加的压力几乎即时地传递到隔膜上。然而，如果阀的置换体积较大或控制通道较窄，控制流体的较高的粘性就可能促使驱动中的延迟。传递压力的最佳介质因此取决于特定的应用和装置结构，并且气体和液体介质均是本发明所预料的。
虽然上述外部施加的压力是由泵/罐系统通过一个压力调节器和外部微型阀来施加的，但是其它施加外部压力的方法也是本发明所预料的，包括气罐、压缩机、活塞系统和液柱。采用天然存在的压力源也是预料之中的，例如活的有机体内发现的压力源，如血压、胃压、脑脊髓液中的压力、眼内空间的压力、以及肌肉在正常弯曲过程中产生的压力。其它调节外部压力的方法也是预料之中的，例如微型阀、泵、宏观蠕动泵、夹紧阀和诸如本领域熟知的其它类型的流体调节装置。
如图所示，根据本发明实施例的阀的响应在实验上已经表现出在其运行的大部分范围内几乎为理想的线性，具有极小的滞后。因此，本阀理想地适用于微流体计量和流体控制。阀响应的线性证实了单个阀可以很好地模拟成虎克定律弹簧。而且，能够仅通过增加驱动压力来计算流体通道中的高压(即背压)。本发明人已经用实验方法实现了在70KPa的背压下关闭阀，但是更高的压力也是预料之中的。以下为本发明包括的非排他性列举的压力范围：10Pa-25MPa，100Pa-10Mpa，1kPa-1Mpa，1kPa-300kPa，5kPa-200kPa，以及15kPa-100kPa。
虽然阀和泵不要求线性驱动来开启和关闭，但是线性响应确实会使阀更易于用作计量装置。在本发明的一个实施例中，通过将阀部分地驱动到一个已知的关闭程度而将阀的开度用于控制流速。线性阀驱动使得更易于确定将阀关闭到一个期望的关闭程度所需的驱动力的值。线性驱动的另一个好处是阀驱动所需的力可以很容易地由流体通道中的压力确定。如果驱动是线性的，则可以通过对阀的被驱动部分增加同样的压力(单位面积上的力)来计算流体通道内增加的压力。
阀的线性取决于结构、成分和阀结构的驱动方法。而且，线性是否为阀内期望的特征取决于应用。因此，可线性和非线性驱动的阀均是本发明所预料的，并且阀可以线性驱动的压力范围将会随具体实施例而变化。
图9示出了带有连接芯片和上述气阀的10cm长的空气管的100μmx100μmx10μm RTV微型阀的时间响应(即响应于施加压力变化的阀的关闭作为时间的函数)
图9示出了数字控制信号的两个周期、管末端的实际气体压力和阀开度。施加在控制管线上的压力为100KPa，其实质上高于关闭阀所需的约40KPa的压力。因此，当关闭时，以比所需压力大60KPa的压力将阀推动关闭。然而，当打开时，仅通过阀本身的弹力(≤40KPa)将阀弹回到其静止位置。因此，τ关被期望小于τ开。在控制信号和控制压力响应之间也有一个滞后，这是用于控制压力的微型阀的局限性所造成的。将这种滞后称为t和l/e时间常数τ，这些值为：t开＝3.63ms，τ开＝1.88ms，t关＝2.15ms，τ关＝0.51ms。如果3个τ中的每个均允许被开启和关闭，那么当充满水溶液时阀会在75Hz下舒适地运行。
如果一个阀采用另一种不经历开启与关闭滞后的驱动方法，那么该阀会在约375Hz下运行。也要注意通过改变隔膜厚度能够调节弹簧常数，这使得快速开启或快速关闭最优化。还可以通过改变隔膜的弹性(杨氏模量)来调节弹簧常数，例如可通过将掺杂剂加入到隔膜内或通过采用一种不同的弹性体材料用作隔膜(以上所述结合图7C-7H)。
当如图9所示地用实验方法测量阀的性能时，由荧光性测量阀开度。在这些实验中，流体通道充满了缓冲液(pH≥8)中的异硫氰酸荧光素(FITC)，并且在带有10KHz带宽的光电倍增管的外荧光显微镜上监控占据通道中心约1/3的方形区域的荧光。用惠斯通电桥压力传感器(SenSym SCC15GD2)监控压力，同时由控制管线通过几乎相同的气动连接对压力传感器加压。
6.流体通道横截面
本发明的流体通道(flow channels)可以根据它们期望的应用而任选地设计成不同的横截面尺寸和形状，以提供不同的优点。例如，下部流体通道的横截面形状可以具有弯曲的上表面，或者沿着它的整个长度或位于上部交叉通道之下的区域内。这种弯曲的上表面有助于如下的阀密封。
参照图10，示出了通过流体通道30和32的横截面图(类似于图7B)。如图所示，流体通道30的横截面形状为矩形。在本发明可选的优选方面，如图10所示，流体通道30的横截面改为向上弯曲的表面。
首先参照图10，当对流体通道32加压时，将流体通道30和32隔开的弹性体块24的隔膜部分25会向下移动到点划线25A、25B、25C、25D、和25E所示的相继的位置。如图所示，不完全的密封可能导致流体通道30的边缘邻近平面基板14。
在图11的可选的优选实施例中，流体通道30a具有弯曲的上壁25A。当对流体通道32加压时，隔膜25会向下移动到点划线25A2、25A3、25A4、和25A5所示的相继的位置，且该隔膜的边缘部分先移动进入该流体通道，之后是隔膜的顶部。隔膜25A具有这种弯曲的上表面的优点在于当对流体通道32加压时会提供更加完全的密封。具体地，流体通道30的上壁将相对平面基板14提供连续接触的边缘，从而避免了图10所示的壁25和流体通道30之间的接触“岛”。
隔膜25A具有向上弯曲的流体通道表面的另一个优点在于该隔膜能够响应于驱动更容易地适应流体通道的形状和容积。具体地，当采用矩形流体通道时，必须迫使整个周长(2×流体通道高度加上流体通道宽度)进入流体通道。然而，当采用拱形流体通道时，更小的材料的周长(仅仅半圆的弧形部分)被迫使进入到通道内。这样，对于驱动隔膜需要更少的周长变化，从而使得对于阻塞流体通道所施加的驱动力更敏感。
在可选的方面(未示出)，流体通道的底部是圆形的，以便它的弯曲表面能够与上述图20中所示的弯曲的上壁25A紧密配合。
总之，在驱动下隔膜所经历的实际的结构变化将取决于特定的弹性体结构的构造。具体地，该结构变化将取决于隔膜的长度、宽度和厚度轮廓，它在该弹性体结构其它部分上的附件，以及流体通道和控制通道的长度、宽度和形状及所用弹性体的材料性质。该结构变化可能还取决于驱动方法，如响应于施加的压力的隔膜的驱动会稍微不同于响应于磁力或静电力的驱动。
此外，隔膜内所期望的结构变化还将根据弹性体结构的特别应用而改变。在上述最简单的实施例中，阀可以打开或者关闭，且计量控制阀关闭的程度。但是，在其它实施例中，可能期望改变隔膜和/或流体通道的形状以实现更复杂的流量调节。例如，该流体通道可以在隔膜部分的下面设有凸出的突起，以便一经驱动，隔膜仅仅切断一定百分比的通过流体通道的流量，并且被阻塞的那部分百分比的流体不易受施加的驱动力的影响。
很多隔膜厚度外形和流体通道横截面是本发明预料之中的，包括矩形、梯形、圆形、椭圆形、抛物线、双曲线和多边形，以及上述形状的部分。更复杂的横截面形状，如以上刚讨论过的带有突起的实施例或在流体通道中具有凹面的实施例，也是本发明预料之中的。
另外，虽然以上主要结合实施例描述了本发明，该实施例中，流体通道的壁和顶部是由弹性体形成的，通道的底部是由在下面的基板形成的，但本发明并不限于这个具体定位。流体通道的壁和底部还可以在下面的基板内形成，而只有流体通道的顶部由弹性体构成。响应于施加的驱动力，该弹性体流体通道顶部向下凸出进入通道，从而控制通过流体通道的物质的流动(或流量)。通常，如在本申请的别处描述的整体的弹性体结构优选用于微流体应用。然而，采用在基板内形成的通道可能是有用的，这种布置具有优势。例如，可以构造具有光波导管的基板，以便该光波导管将光特定地定向至微流体通道的侧面。
7.网络系统
图12A和12B示出了与前述系统(例如图7A中)相同的单个开关阀(single on/off valve)的图。13A和13B示出了蠕动泵送系统(peristaltic pumping system)，其由多个图12中所示的单个可寻址的开关阀(single addressable on/off valve)进而网络化到一起而组成的。图14是示出用实验方法获得的图13的蠕动泵送系统的泵送速率(pumping rate)与频率的关系的曲线图。图15A和15B示出了多个由单个控制管线控制的流体通道的示意图。该系统还包括多个共同多路传输的图12的单个可寻址的开关阀，但是不同于图12的布置。图16为适于允许流体流动通过选择的通道的多路传输系统的示意图，该系统包括多个连接在一起或网络化到一起的图12的单个开关阀。
首先参照图12A和12B，示出了流体通道30和32的示意图。流体通道30优选地使得液体(或气体)流体F通过30。对流体通道32(其横跨流体通道30，如本文已经解释过的)加压，以便将两个流体通道隔开的隔膜25压低到流体通道30的通道内，切断通过该处的流体F的通道(如已经解释过的)。这样，“流体通道32”还可以被称作在流体通道30中驱动单个阀的“控制管线”。在图12到图15中，多个这样的可寻址阀以各种不同的布置连接或网络化在一起来产生能够蠕动泵送和用于其他流体的合理应用的泵。
参照图13A和图13B，提供了如下用于蠕动泵送的系统。流体通道30具有通过其上的多个基本平行的流体通道(即控制管线)32A、32B和32C。通过对控制管线32A加压，在控制管线32A和流体通道30的交叉处在隔膜25A下切断通过流体通道30的流体F。类似地，(但未示出)，通过对控制管线32B加压，在控制管线32B和流体通道30的交叉处在隔膜25B下切断通过流体通道30的流体F。
控制管线32A、32B和32C中的每个都分别是可寻址的。因此，可以通过依次一起驱动32A和32C、驱动32A、一起驱动32A和32B、驱动32B、一起驱动32B和32C等等的模式来驱动蠕动。这对应于相继的“101，100，110，010，011，001”模式，其中，“0”代表“阀开启”，“1”代表“阀关闭”。该蠕动模式也是熟知的120°模式(指在三个阀之间的驱动的相角)。其他的蠕动模式同样是可能的，包括60°和90°模式。
在本发明人进行的实验中，在40KPa的驱动压力下，用100×100×10μm阀通过测定水柱在细管(0.5mm内径)中的行进距离测得泵送速率为2.35nL/s。该泵送速率随着驱动频率而增长直到接近75Hz，然后接近常数直到超出200Hz。这些阀和泵也是十分耐用的，并且该弹性体隔膜、控制通道或粘结从来没有被发现过失效。在本发明人进行的实验中，这里所述的蠕动泵中的阀在经过四百万次以上的驱动后均没有表现出任何磨损或疲劳的迹象。除了它们的耐用性外，它们也是易控制的(或缓和的)。将E.Coli溶液泵送通过通道并检测其成活率，表现出具有94％的生存率。
图14为示出用实验方法获得的图13的蠕动泵送系统中泵送速率与频率的关系的曲线图。
图15A和15B示出了装配多个图12的可寻址阀的另一种方法。具体地，设置多个平行的流体通道30A、30B和30C。流体通道(即控制管线)32经过其上面横穿过流体通道30A、30B和30C。对控制管线32的施压，通过将位于控制管线32和流体通道30A、30B和30C交叉处的隔膜25A、25B和25C压下来同时切断流体F1、F2和F3。
图16为如下适于选择性地允许流体流过选择的通道的多路输送系统的示意图。将各个流体通道与其上通过的控制管线隔开的隔膜的向下偏移(例如，图15A和图15B中的隔膜25A、25B和25C)主要取决于隔膜尺寸。因此，通过改变图15A和15B中的流体通道控制管线32的宽度，可使得控制管线通过多个流体通道的上方，而只驱动(即密封)期望的流体通道。如下，图16为这种系统的示意图。
多个平行的流体通道30A、30B、30C、30D、30E和30F设置在多个平行的控制管线32A、32B、32C、32D、32E和32F下方。控制通道32A、32B、32C、32D、32E和32F适用于采用经下述修改的任何上述阀系统来切断通过平行的流体通道30A、30B、30C、30D、30E和30F的流体F1、F2、F3、F4、F5和F6。
控制管线32A、32B、32C、32D、32E和32F中的每个都具有宽部分和窄部分。例如，控制管线32A在设置在流体通道30A、30C和30E上方的位置为宽的。同样，控制管线32B在设置于流体通道30B、30D和30F上方的位置是宽的，以及控制管线32C在设置于流体通道30A、30B、30E和30F上方的位置是宽的。
在各个控制管线为宽的位置，对其加压会使得隔开流体通道和控制通道的隔膜25明显地下压进入流体通道，从而阻塞通过该处的流体通路。相反，在各个控制管线为窄的位置，隔膜25也将是窄的。因此，同样程度的加压不会导致隔膜25下压进入流体通道30。因此，其下的流体通路不会被阻塞。
例如，当对控制管线32A加压时，会阻塞流体通道30A、30C和30E内的流体F1、F3和F5。同样，当对控制管线32C加压时，会阻塞流体通道30A、30B、30E和30F内的流体F1、F2、F5和F6。可以理解，可以同时驱动一个以上控制管线。例如，能够对控制管线32A和32C同时加压来阻塞除了F4以外的所有流体流(32A阻塞F1、F3和F5，32C阻塞F1、F2、F5和F6)。
通过选择性地对不同的控制管线32一起并按不同次序施压，能够实现很大程度的流体流动控制。而且，将本系统延伸到六个以上平行的流体通道(30)和四个以上平行的控制管线(32)，并且通过改变控制管线的宽区域和窄区域的位置，可以制作非常复杂的流体流动控制系统。这种系统的特性是可能用仅仅2(log2n)个控制管线来开启n个流体通道中的任何一个流体通道。
8.可转换的流体排列
在又一个新的实施例中，可以选择性地将流体通路定向为在两个垂直方向中任何一个方向上流动。图17A到17D提供了这种“可转换流体排列”系统的实例。图17A为弹性体90的第一层的底视图，(或任何其他适当的基板)，具有一个凹槽图样的底表面，该凹槽形成由实心柱92的排列限定的流体通道格，每个流体通道格具有经过其周围的流体通道。
在优选的方面，将弹性体的附加层粘合在层90的上表面，以便能够选择性地将流体流动定向为在方向F1或垂直方向F2上移动。图17B为弹性体95的第二层的底表面的仰视图，示出了以交替的“垂直”控制管线96和“水平”控制管线94的形式而形成的凹槽。如图所示，“垂直”控制管线96沿着其自身具有相同的宽度，而“水平”控制管线94具有交替的宽部分和窄部分。
如图17D所示，弹性体层95设置在弹性体层90顶部的上方，以便“垂直”的控制管线96设置在图17C所示的柱92上方，并且“水平”控制管线94的宽部分设置在柱92之间。
如图17C所示，当对“垂直”控制管线96施压时，由最初设置在区域98内的层90和95之间的弹性体层形成的整体结构的隔膜将在流体通道排列的上方向下偏移，以便流体只能在流动方向F2(即垂直地)上通过，如图所示。
如图17D所示，当对“水平”控制管线94施压时，由最初设置在区域99内的层90和95之间的弹性体层形成的整体结构的隔膜将在流体通道排列的上方向下偏移，(但是仅在它们最宽的区域内)，以使得如图所示，流体只能在流动方向F 1(即水平地)通过。
图17A-D所示的设计允许可转换的流体排列仅仅由两个弹性体层构成，而不需要通过不同弹性体层内的控制管线之间垂直的通道。如果将所有垂直的流体控制管线94连接，可以从一个输入端对它们加压。对于所有水平流体控制管线96同样适用。
9.单元围栏
在本发明又一应用中，可以利用弹性体结构操作有机体或其它生物材料。图18A-18D示出了根据本发明的单元围栏(cell pen)结构的一个实施例的平面图。
单元围栏阵列4400的特征为直角导向的流体通道4402的排列，在交替的流体通道的交叉点处具有放大的“围栏(pen)”结构4404。阀4406设置在每个围栏结构4404的入口和出口。蠕动泵结构4408设置在每个水平流体通道和缺少单元围栏结构的垂直流体通道上。
图18A的单元围栏阵列4400已经加载有先前分选的单元A-H。图18B-18C示出了单独存储的单元C的进入和移出，其通过1)在相邻的围栏4404a和4404b的每一边上打开阀4406，2)泵送水平的流体通道4402a以移出单元C和G，以及之后3)泵送垂直的流体通道4402b以移出单元C。图18D示出了通过转换流经水平流体通道4402a的液体的方向将第二单元G移回到它原先在单元围栏阵列4404中的位置。上述单元围栏阵列4404能够在选择的可选址的位置内存贮物质以便于访问。
虽然以上结合图18A-18D所示和所述的实施例在流体通道交叉点的相对侧面上采用连接的阀对，但是这并不是本发明所必须的。其它结构，包括交叉点相邻阀的连接，或在交叉点周围的每个阀的独立驱动，都可以提供所期望的流动特征。然而，对于独立的阀驱动方法，应该认识到对于每个阀都将采用单独的控制结构，使装置布局变得复杂。
II.微流体大规模集成
前面部分已经描述了基本上防漏和可剥离的单块微型阀，并且还描述了制作这些微型阀的方法。对于前述的相对简单的微流体阀的排列，每个流体流动通道可以由它自己单独的阀控制通道来控制。然而，对于包括成千或甚至上万个可单独寻址阀的更复杂的阵列实际上不能实现这种非集成的控制策略。因此，本发明的实施例提供了多种可以单独或组合应用的方法(或技术)，以允许制作具有可单独寻址阀的大规模集成的微流体装置。
根据本发明的高密度微流体芯片的实施例包含带有数千个微机械阀和数百个可单独寻址的室的管道系统网络。这些流体装置与采用大规模集成制作的电子集成电路相似。这些网络的组件是流体多路转换器(multiplexor)，该流体多路转换器是二元阀(binaryvalve)模式的组合排列，其通过允许用最小数量的输入进行复杂流体操作来按指数规律增加网络的处理能力。这些集成的微流体网络可用于构造比较器阵列的微流体类似物和类似于电子随机存取存储器的微流体存储装置。
1.通过多路转换器控制流动管线
先前已经描述了关于覆盖在单组流体通道上的单组控制管线的多路转换器结构的使用。图19A为示出了微流体二进制树形网络(二元树)多路转换器操作图的简化平面图。限定在下部弹性体层内的流动通道(流体通道)1900包含重要相关流体(fluid of interest)，而限定在叠加的弹性体层内的控制通道1902表示含有驱动流体(例如空气或水)的控制管线。阀1904由形成在控制通道1902的较宽部分1902a与流动通道1900的交叉处的隔膜所限定。选择驱动压力使得只有宽隔膜完全偏移进入流动通道1900。具体地，当控制通道宽度与流动通道宽度的比率下降时，多路转换器结构取决于驱动阀所需压力的明显增加。
图19A所示的多路转换器结构为阀的二进制树形网络形式，其中每级从总共两组流动通道中选出一个。在图19A所示的多路转换器实施例中，该多路转换器中开/关阀的每个组合选择单独的通道，以便只用2log2n个控制通道就能够处理n个流动通道。
通过采用多路转换阀系统，二进制系统的能力变得很明显：只需要大约20个控制通道来具体地处理1024个流动通道。这允许大量的弹性体微型阀来完成这些装置内复杂的流体操作，而该装置和外部环境之间的界面简单且坚固。
图19B所示为根据本发明的多路转换器结构的可选实施例的简化平面图。多路转换器结构1950包括控制通道1952，其形成于覆盖在下面弹性体层的流动通道1954上的弹性体层内。根据图19A的多路转换器的相同的物理原理操作，多路转换器1950包括阀的三进制树形网络，其中每个级包括3位(“三进制数”)，并从总共三组流动通道中选出一个。多路转换器1950内的开/关阀的每个组合选择单独的通道，以便只用3log3n个控制通道就能够处理n个流动通道。
图20的简化横截面图可以总地代表图19A-B中所示的任一基本多路转换器装置的一般的微流体流动结构，其中限定控制通道网络C的第二弹性体层E2覆盖在限定流动通道网络F的第一弹性体层E1的上面。
图19B的底数为3的多路转换器是最有效的设计，可用于处理大量的“流体”通道。这是因为当e用于log的底数时，使得xlogxn阀最小。由于分数不能由于实际多路转换器的底数，所以当x值＝3时，该整数最接近于e(～2.71828)，实现了最有效的多路转换器结构。
为强调这点，表1比较了底数为2的多路转换器和底数为3的多路转换器的效率。
表1

虽然前面的描述集中在采用具有相同底数的级的不同的多路转换器结构，但是这并不是本发明所必须的。根据本发明的多路转换器结构的可选实施例可以包括不同底数的级。例如，由二进制位级(a bit stage)和三进制数位级(a trit stage)组成的两级转换器代表了处理六个流动通道的最有效的方法。级的顺序是任意的，并且将总是产生相同数量的被控制的流动管线。采用包括不同二进制级和三进制级(binary and tertiary stages)的多路转换器结构允许有效的处理任何数量的“流体”通道，其为数字2和3的乘积。
可想而知多路转换器可以采用任何底数。例如，如有必要，也可以采用5作为底数。但是，当控制管线的数量远离e值时，会降低控制管线的利用效率。图33表明了这一点，对于具有不同底数的多路转换器结构，绘制了控制管线数量与被控制的流动管线数量的关系曲线。
前面所示和描述的标准多路转换器结构适用于多种应用。然而，多路转换器结构的可选实施例在某种情况下可以表现出提高的性能。
例如，当选择若干个流体输入并连续引入芯片的其他区域时，由于阀之间存在的死体积会引起交叉污染。因此，图28示出了本发明多路转换器结构的可选实施例的简化平面图，其特征为死体积最小。
具体地，多路转换器2800包括具有以流体输入树形网络形式设置的样品输入2804的流动通道网络2802。控制管线2806设置成三级，第一和第二三进制级2806a和2806b、以及二进制级2806c控制管线接入流到流动通道网络出口2808的流动的流体。控制管线2806设置成使得控制阀2810放置在尽可能靠近每个流动通道的交叉点处，以使死体积最小。此外，将每个多路转换器最后的输入管线2814指定用于容纳缓冲剂，从而可以清洗流动通道和流动通道交叉点的内部。
2.由其他控制管线来控制控制管线
一种用于制作大规模集成(LSI)微流体装置的方法是采用多层控制管线。图21-21B示出了这种方法。图21所示为具有由第二控制管线所控制的第一控制管线的微流体装置的实施例的平面图。图21A所示为图21的微流体装置沿着线21A-21A′的横截面视图。图21B所示为图21的微流体装置沿着线21B-21B′的横截面视图。
微流体结构2100包括两个形成在最低弹性体层2104内的流动通道2102a-b。第一控制通道网络2106，包括与第一和第二分支2106b和2106c成流体连通的第一入口2106a，形成于覆盖在第一弹性体层2104上的第二弹性体层2108内。第一控制通道网络2106的第一分支2106b包括覆盖在第一流动通道2102a上的加宽部分2110，以限定第一阀2112。第一控制通道网络2106的第二分支2106c包括覆盖在第二流动通道2102b上的加宽部分2114，以定义第二阀2116。
包括第三控制通道2118a的第二控制通道网络2118形成于覆盖在第二弹性体层2108上的第三弹性体层2120内。第三控制通道2118a包括覆盖在第一控制通道网络2106的第一分支2106b上的加宽的部分2118b，以形成阀2122。
可以如下地操作图21-21B所示的微流体装置。被操作的流体出现在流动通道2102a和2102b内。对第一控制通道网络2106施加压力使得阀2112和2116的隔膜向下偏移进入它们各自的流动通道2102a和2102b，从而用阀门调节通过这些流动通道的流量。
对第二控制通道网络2118施加压力使得阀2122的隔膜向下偏移只进入下面的第一控制通道网络2106的第一分支2106c内。这会使阀2112固定在它偏移的状态，之后允许改变第一控制通道网络2106内的压力而不影响阀2112的状态。
图22的简化横截面视图概括了图21-21B所示的微流体装置的一般结构。具体地，弹性体装置2200包括限定流动通道网络F的最下面的弹性体层E1，弹性体层E1位于限定第一控制通道网络C1的第二弹性体层E2的下面。第一控制通道网络C1又位于限定在第三弹性体层E3内的第二控制通道网络C2的下面。
虽然将图21-21B的微流体装置的实施例描述成是由三个独立的弹性体层制成的，但是这并不是本发明所必须的。根据本发明实施例的特征为多路传输控制管线的大规模集成微流体结构可以仅仅采用两个弹性体层制成。结合图23-23B示出和说明了这种方法。
图23示出了一种微型制作的弹性体装置的简化平面图，该装置包括第一和第二流动通道2300a和2300b，以及覆盖在流动通道2300a和2300b上的第一分支控制通道网络2302，以分别限定阀2304和2306。图23A示出了图23的微制作弹性体装置沿着线23A-23A′的横截面视图，其具有限定在下部弹性体层2306内的流动通道2300a，和限定在上部弹性体层2310内的第一控制通道2302。
下部弹性体层2308还包括在第一控制通道2302下面运行的第二控制通道网络2312，以限定阀2314。因此，图23B示出了图23的微制作弹性体装置沿着线23B-23B′的横截面图。虽然流动通道网络2300和第二控制通道网络2312处于同一(下部)弹性体层2308内，但是两者相互隔开且彼此不交叉。
如图24的简化横截面图所示，隔开的流动通道网络F和控制通道网络C2可以因此在一个(较低的)弹性体层E1上，该弹性体层E1由另一个仅仅限定控制通道网络C1的弹性体层E2所覆盖。
可以如下地操作图23-23B所示的微流体装置。被操作的流体在流动通道2300a和2300b内。对第一控制通道网络2302施加压力使得阀2304的隔膜向下偏移进入它们各自的流动通道2300a和2300b，从而用阀门调节通过这些流动通道的流量。
对第二控制通道网络2312施加压力使得阀2314的隔膜向上偏移进入第一控制通道网络2302的上覆盖的分支2302a内。这会使阀2314固定在它偏移的状态，且允许改变第一控制网络2302内的压力而不影响阀2314的状态。
与图21所示的实施例不同，图23-23B的微流体装置的特征为通过响应于升高的压力而向上偏移进入相邻的控制通道来操作阀。包含这种向上偏移的阀的大规模集成微流体结构可以包括具有圆形或弓形横截面的流动通道，以有助于以类似于以上结合图11所描述的方式将阀关闭。这样，在上部和下部水平面上都包括流动通道的两层微流体结构内，上部的和下部的通道均优选地呈拱形。下面第8部分对这种向上偏移的阀的制作和性能做了详细论述。
可以采用图23-23B和图24的方法来引入对复杂流体功能性几乎无限的控制，而不必采用多于两层。结合图25说明了这一点，图25为微流体结构2500的横截面图，该微流体结构包括具有流动通道网络F和限定在其中的第二控制通道网络C2的下部弹性体层E1，弹性体层E1位于上部弹性体层E2的下面，且弹性体层E2具有限定于其中的隔开的第一控制通道网络C1和第三控制通道网络C3。
如结合图21-25所示和所述的采用控制通道来控制其他控制通道的微流体装置，由于采用了单个控制通道网络而相对于传统的微流体装置具有诸多优势。一个潜在的优势在于加强了功能性。
具体而言，图19A-B的简单的多路转换器结构，允许用阀调节在只指定xlogxn个控制通道的n个流动通道中除了一个流动通道外的其它所有的流动通道，从而允许流体通过单个通道。然而，图19A-B的简单的多路转换器不允许用于逆向功能，其中，采用具有相同数量(xlogxn)的控制管线的多路转换器只能同时驱动一个阀。
然而，如前所述，这种功能性可通过利用控制管线控制其它控制管线来实现。图26示出了根据本发明实施例的逆向多路转换器结构2601的一个实施例，其采用多层控制管线。
形成在第一弹性体层内的平行流动通道2600由控制通道网络2602所覆盖，该控制通道网络2602包括形成于第二弹性体层内且共享公共入口2602b的一套平行的控制通道2602a。控制通道2602a的数量同流动通道2600相同，每个控制通道的加宽部分2602b覆盖于相应的流动通道2600中的一个上，以限定阀2610。
在公共入口2602b和第一流动通道之间的位置，控制通道的第二网络2604经过第一控制通道网络2602的附近，限定多路转换器结构2606，其包括多个可驱动隔膜形式的阀2612。在某些实施例中，限定多路转换器的控制管线的第二网络可以形成于第三弹性体层内，第三弹性体层覆盖在包含第一控制通道网络的第二弹性体层上。可选地，限定该多路转换器的控制管线的第二网络可以形成于第一弹性体层内，在流动通道网络的旁边但不与其交叉。
在图26所示的逆向多路转换器结构的操作过程中，起初降低第一控制通道网络2602的公共入口2602b的压力。然后驱动多路转换器2604来选择第一控制通道网络2602中除了一个通道外的所有通道。接着，对入口2602b加压以使网络2602的唯一没有被选择的控制通道中的压力增加，从而驱动唯一没有被选择的控制通道的阀。从而实现了逆向多路传输功能。
采用控制管线来控制其它的控制管线的另一个潜在的优势在于减少了控制复杂微流体结构所需的外部可访问的控制管线的数量。具体地，可以将多层控制管线的使用与刚刚描述过的多路转换器概念相结合，以允许少数外部可访问的控制管线对大量控制通道施加控制，这些控制管道担负着大量内部阀结构的操作。
图27示出了利用级联多路转换器的根据本发明的微流体装置2700的一个实施例的简化平面图。具体地，限定在一个弹性体层内的平行流动通道2701被第一控制通道网络2702所覆盖，其特征为宽和窄的控制通道部分限定了多路转换器2703。第一控制通道网络2702又覆盖在第二流动通道网络2704上或者位于其下，其特征也为宽或窄的控制通道部分限定了第二多路转换器2706。
图27示出了仅仅包括六个控制管线的多路转换器，只需要单个输入(入口)，在将其与第二多路转换器串联(级联)形成共计仅仅7个控制管线后，如何可以控制共计27个流体管线。第二多路转换器的逻辑状态可以依次通过采用第一多路转换器处理每根管线，然后利用附加的输入调整这种状态来设置。由于PDMS的内在的气体渗透性，第二多路转换器内的超时的压力通过驱动流体的蒸发或释放而被降低，所以高压(on)状态通常可以保留有限的时间。这种压力损失能够以两种方法抵消，或者通过定期恢复第二多路转换器的状态，或者通过将驱动流体的损失速率降低到相对于实验的总体时间可以忽略的水平。
如上所述，二进制或其它阀模式的组合排列通过允许用最小量的受控输入(入口)进行复杂流体操作能够提高网络的处理能力。这种多路传输控制管线能够用于制作带有数千个阀和数百个可单独寻址的反应室的硅树脂装置，且实质性地降低了处理单独的阀结构所需的控制输入(入口)的数量。
3.微流体存储器阵列结构
根据本发明实施例的微流体技术可用于制作芯片，该芯片包含1000个可单独寻址的皮升(picoliter)级的室的高密度排列，其可以用作微流体记忆存储装置。采用两个多路转换器作为流体设计元件，微流体记忆存储装置设计成具有1000个独立的隔间和3574个微型阀，被组织成一个可寻址的25×40室微阵列。
图29A为示出用于微流体记忆存储装置的掩模设计的简化平面图。图29B所示为图29A的阵列的一个存储位置的简化放大图，说明清洗机构。
阵列2900包括第一弹性体层，其限定了平行的三个一组的流动通道2902a-c的行2902，该流动通道2902a-c具有互连的垂直分支流动通道2902d。为了应用的目的，位于每行的中央流动通道2902b的侧面的流动通道2902a和2902c被称作“总线”。垂直分支2902d和中央流动通道2902b之间的每个交叉点在该行内限定了单独的存储位置且用于存储装置。每个流动通道共享共同的样品入口2904a或2904b，以及共同的样品出口2906。行流动通道2902a-c的每一个共享共同的清洁入口2908。
包含控制通道网络的第二弹性体层覆盖于包含流动通道的第一弹性体层之上。具有公共入口2910a的水平分隔控制通道网络2910形成在第二弹性体层内。限定行多路转换器2912的控制管线C1-C10也形成在第二弹性体层内。
行进入控制管线(Row access control lines)D1-D4也形成在第二弹性体层内。行进入控制管线D1-D4可以选择性地驱动来控制通过中央流动通道或该阵列的任何一个行的侧面总线的流体的流动。
第二弹性体层也限定了具有公共入口2914b的垂直分隔控制通道网络2914。在共同入口2914b和阵列2900的第一行之间的位置，形成在第一弹性体层内的单独的控制通道网络2916从垂直的分隔控制通道网络2914之下穿过，以限定列多路转换器2918。因此图29的实施例表示两层装置，允许采用两个单独的控制通道网络多路转换器结构2914和2916来控制垂直的分隔控制通道。具体地，在存储装置的操作过程中，列多路转换器的选择控制通道的驱动允许只进入该阵列内一个特定的存储位置，而所有其它的存储位置仍然密封且未被污染。现在详细描述存储装置2900的操作。
图29C-F示出了该阵列的一个存储位置的放大平面图。如图29C所示，在起始时间，对垂直分隔控制通道2914加压以关闭垂直分隔阀2924。然后对列多路转换器2918加压来启动阀2930a-b以将垂直的分隔阀2924在其加压状态下密封。
图29D示出了通过选择性的操作控制管线D1-4，对所有的沿着特定的中央流体管线布置的存储位置装载流体。垂直的分隔阀2924的关闭状态限制了被装载的流体的垂直运动。图29E示出了对水平的分隔控制通道2910加压以关闭水平的分隔阀2922，从而使邻近的存储位置分开。
图29F示出了从特定的存储位置清洗被装载的流体。具体地，对列多路转换器2918加压以使阀2930b止动，使控制通道通风，并使得位于存储位置2950上面和下面的垂直的分隔阀2924止动。保持对列多路转换器2918加压以保持阀2930a被驱动，从而使相邻存储位置的垂直的分隔阀2924维持在关闭状态。
最后，操纵控制管线D1-4以允许流体只通过上部总线2902a。对清洗入口2908加压，迫使存储位置2950的容纳物进入到上部总线2902a内，沿着总线2902，最后从出口2906排出。
总之，存储阵列芯片包含25×40室的阵列，每个室的体积约为250pL。利用列多路转换器和行多路转换器能够分别处理每个室。每个记忆/存储位置的容纳物能够选择性地被设计成或者是染料(样品输入)或者是水(清洗缓冲剂输入)。
根据本发明实施例的大规模集成多路转换阀系统允许矩阵的每个室被单独处理和分开，并将外部控制互连的数量减少到22。通过单个输入口，能够将流体装载到该装置内，之后，控制层阀接着成为将该阵列分隔成250pL室的门。通过流动通道完成单独的室寻址，这些流动通道平行于样品室经过，且采用在该行和列多路转换器控制下的加压液体来将该室的容纳物冲洗到出口。
图29B为再次示出用于图29A所示的芯片的选择的行内的单个室的清洗机构的简化放大平面图。每行包含三个平行的微型通道。为了清洗特定的室，首先要将加压的流体引入到清洗缓冲入口内。该行多路转换器然后将该流体引向被选择行的最低的通道内。该列多路转换器使该室的垂直阀止动(不活动)，允许该加压的流体流过该室并清洗它的容纳物。
该装置比先前的微流体管道系统显然更为复杂，这是因为有两个连续的控制水平——列多路转换器驱动阀控制管线，阀控制管线又驱动阀本身。这种微流体阵列的设计和结构同随机存取存储器(RAM)相似。每套多路转换器都类似于存储地址寄存器，对应于矩阵中的指定行或列。
如同动态RAM，行和列多路转换器具有唯一的功能。行多路转换器用于流体输送：它指引流体清洗行内单独的隔间，并且恢复行内的中央隔间(存储器元件)，类似于RAM字线。列多路转换器以一种根本不同的方式运作，控制用于每行内的特定中央隔间的垂直输入/输出阀。
为了操作列多路转换器，对控制层上的垂直的容器阀(containment valve)加压以封闭整个阵列。位于该流动层上的列多路转换器用它自身的阀激活，该阀向上偏移进入控制层来堵住整个垂直容器阀阵列内的加压液体。然后该多路转换器选择单个列，并释放垂直容器阀上的压力以打开指定的列，使其可以由被选择行内的加压液体迅速清洗。
为了证明微流体记忆存储装置的功能性，每行中央记忆存储室装载有染料(2.4mM柠檬酸钠缓冲剂内的溴酚蓝，pH7.2)并开始用水清洗单独的室，以拼写出“CIT”。由于读出器是光学的，该存储器装置(memory device，储存装置)实质上也可以用作流体显示监示器。图29G示出了微流体存储显示器的示例。可以选择性地清洗单独的室以拼写出“CIT”。该管道显示器的主要优势在于一旦设定了图像，该装置就会消耗很少的功率。
4.止回阀/流体显示器
图29A所示的存储装置包括室的阵列，这些室的容纳物可以分别通过流经设于中央流动通道任一侧的共平面的总线的流体的水平运动来得到。然而，根据本发明的实施例制作大规模集成微流体结构的方法(技术)并不限于制作这种特定的装置。
图34A-C为示出了根据本发明的阀结构的实施例的结构和操作的简化横截面图，其允许流体只在一个方向垂直流动。如下详细描述的，这些止回阀可以依次利用流体在垂直和水平方向上的运动而被用于制作大规模集成微流体存储装置的可选实施例。
如图34A所示，止回阀3400由覆盖在中间弹性体层3402上的上部弹性体层3401制成，中间弹性体层3402又覆盖在下部弹性体层3404的上方。下部弹性体层3404限定了第一通道开口3406。中间弹性体层3402包括一个柔性隔膜部分3402a，该隔膜仅仅在侧面3402b与中间层3402的周围弹性体材料成为整体。中间弹性体层3402的隔膜部分3402a覆盖在整个第一通道开口3406的上方，隔膜部分3402的边缘3402c置于下部弹性体层3404的底座部分3404a的上方。上部弹性体层3401限定了第二通道开口3408，其从第一通道开口3406水平偏移而成。
如图34B所示，流体可以向上自由地流过止回阀3400。具体地，加压的流体会流经第一通道开口3406并使柔性隔膜部分3402a离开底座，偏移进入到上覆的第二通道开口3408内，而允许加压的流体进入到第二通道开口3408以及上部弹性体层3401。
相反，如图34C所示，流体不可能向下流过止回阀3400。具体而言，试图穿过第二通道开口3408的加压液体会遇到固定(或就座)的隔膜部分3402a。隔膜部分3402a将保持固定(或就座)，并且阀3400关闭，直到下面的第一通道开口3406内的流体压力超过了第二通道开口3408内的压力。
虽然图34A-C所示的止回阀的特定实施例是采用三层不同的弹性体层制作的，但是这并不是必须的。可以仅仅由两个弹性体层制作该结构，采用单个模具形成隔膜部分和顶层。
并且虽然图34A-C所示的止回阀的特定实施例允许流体向上流动，但是可选实施例可以只允许流体向下流动。这种阀结构可以通过倒置该止回阀的方向而制得。
根据本发明实施例的止回阀可以用于制作显示器装置。图35A-D为示出这种像素结构的一个实施例的简化横截面图。
如图35A所示，像素3500包括形成在最下部弹性体层3504内的第一流动通道3502。第二流动通道3506，与第一流动通道垂直，形成在最上部弹性体层3508内。第一止回阀3510、室3512和第二止回阀3514形成在介于层3504和3508之间的弹性体层3516内。
图35B-D简述了显示器像素3500的操作。图35B中，将来自第一流通通道3502的彩色流体3518在压力作用下通过第一止回阀3510引入到室3512内。像素3500此时已经装载有彩色染料。
这种像素装载可以非选择性地通过对第一流动通道3502施加比任何第二流动通道内的压力更高的压力来完成。可选地，这种像素装载也可以通过采用与第二流动通道相通的多路转换器，以在第一和唯一选择的第二流动通道之间产生必要的压力差来完成。
图35C中，将彩色流体从第一流动通道3502中清除，而保持第二流动通道3506处于较高压力，从而使第一止回阀3510保持关闭。
如图35D所示，可以通过降低第二流动通道3506内的压力和使一个无色的流体流过第一流动通道3502、第一止回阀3510、室3512、第二止回阀3514、以及最后第二流动通道3506来改变像素3500的颜色。
图36所示为一个包括图35A-D所述的整个像素阵列的显示装置的平面图。具体地，从入口3550流经平行的最下部流动通道3502的流体的流量是通过第一多路转换器3600来控制的。从入口3551流经平行的最上部流动通道内的平行的最上部流动通道3506的流体的压力和流量是由第二和第三多路转换器3602和3604控制的。
5.大规模集成比较器结构
虽然前述的存储器(memory)阵列结构比现有的微流体结构表现出很大的先进性，但是其并不允许分别引入两种不同的材料然后在特定的室内混合。然而，在用的大规模集成技术微制作的第二芯片(类似于256个比较器的阵列)中提供了这种功能。具体地，包含2056个微型阀的第二装置被设计成能够完成更复杂的流体操作。
图30A所示为微流体比较器芯片3000的光学显微照片。不同的输入已经装载有彩色食用染料，以使流体的逻辑的通道和子元件直观化。图30B示出了图30A的芯片的一部分的简化平面示意图。
比较器芯片3000由分别具有入口3002a和3004a以及出口3002b和3004b的一对平行的蛇形流动通道3002和3004形成，流动通道3006的分支的水平行在不同点处横切该流动通道。位于蛇形流动通道之间的水平流动通道的部分限定了混合区域3010。
覆盖在连接通道中心上的第一隔板控制管线3012可驱动用于形成相邻的室，且不驱动(deactivatible)时用于允许相邻的室内的容纳物混合。第二隔板控制管线3014在邻近室的任一端对折以使它们与其余的水平流动通道分开。
连接的水平流动通道3006的一端3006a与压力源3016成流体连通，以及连接的水平流动通道3006的另一端3006b通过多路转换器3020与样品收集出口3018成流体连通。
图30C-H所示为图30A-B的结构的一个混合元件的操作的简化放大平面图。图30C示出了在装载前的混合元件，带有未加压的混合隔板控制管线(mixerbarrier control line)和卷绕隔板控制管线(wrap-around barrier control line)。图30D示出了对卷绕的隔板控制管线和隔板混合器管线加压来激活隔离阀和分隔阀以限定相邻的室3050和3052。图30E示出了通过使第一成分和第二成分向下流过各自的流动通道而使这些室装载这些物质。图30F所示为对垂直的分隔控制管线3025加压和隔离以限定相邻的室。
图30G示出了使混合隔板控制通道减压来使分隔隔板阀止动(不活动)，从而允许处于相邻室内的不同成分自由混合。
图30H所示为隔板隔离控制管线的止动(deactivation)，使得隔离阀止动，之后通过对控制管线加压和多路转换器的止动来允许回收组合的混合物。
在图30A-H所示的装置的情况下，能够分别装载两种不同的试剂，成对混合，以及选择性地回收，使其可能在256个不足纳升的反应室内完成不同的分析，然后回收具体相关的试剂。该微型通道布局由流体层内的四个中心列组成，该流体层每列包括64个室，在分隔和混合后每个室包含～750pL的液体。通过两个单独的输入在低外部压力(～20kPa)下将液体装载到这些列内，以蜿蜒的方式充满该阵列。在控制层上的隔板阀用于将样品流体彼此分开并与流动层上的通道网络分开，该流动层用于回收每个单独室内的容纳物。这些网络在多路转换器和若干其它控制阀的控制下运行。
这些控制通道在用气压驱动之前，最初是端口封闭并充满了水；在通道两端的压缩空气被迫进入块状多孔硅树脂。一旦阀启动，该过程就会消除进入流体层内的气体转移，以及消除包含在该流动层内的液体的蒸发。弹性体阀同电子开关类似，用作流体输送的高阻抗隔板。
为了显示该装置的管道系统，流体输入管线充满了两种染料来说明某一列内的单个室的容纳物的装载、分隔、混合以及清洗过程。
图31A-D示出了在工作中的比较器的部分的一套光学显微照片。单个列内的室的子集被成像。弹性体微型阀使芯片上的256个室中的每个都能够被单独分隔，成对混合，并选择性地用蓝色和黄色溶液清洗。芯片上的256个室的每个均能够被单独地处理，回收用于未来分析的它的各自的容纳物只采用18个对外界的连接，说明了微流体线路的集成性质。
图30的图30A的大规模集成微流体装置被用作微流体比较器以对特定酶的表达进行测试。将细菌群体装入该装置，荧光底物系统以荧光产品形式提供了放大的输出信号。电子比较器电路设计成当输入信号超出参考阈值时提供大的输出信号。运算放大器相对于参考值可放大输入信号，迫使它变高或变低。图30A所示的微流体比较器结构，非荧光试卤灵衍生物(Amplex红)作为参考信号。该输入信号由表达重组的细胞色素c过氧化物酶(CCP)的大肠杆菌的悬浮液组成；这种酶用作该电路中的化学放大器。
图32A示出了采用酶和荧光底物的微流体比较器的逻辑的示意图。当输入信号室含有表达酶CCP的细胞时，非荧光Amplex红转化成荧光产品试卤灵。在缺乏CCP时，输出信号保持较低。
将这些细胞和底物装入单独的输入通道，每一列中的中央混合隔板都关闭，并且用以类似于对蓝色和橙色染料所述的方法分隔混合隔板。由荧光显微镜检验，细胞稀释(1∶1000铺满培养)产生了约0.2细胞/隔间的介质分布。
将底物和细胞子隔间之间的隔板打开几分钟以允许底物扩散进入到含有细胞混合物的隔间内。然后将隔板关闭以减少反应体积并改进反应的信噪比。
在室温下经过1小时的培养，用改进的DNA微阵列扫描仪(Axon Industries GenePix4000B)来扫描(λex＝532nm，λem＝590DS 40)芯片。由于Amplex红被转化成荧光化合物试卤灵，单独室内一个或多个CCP表达细胞的存在产生了很强的放大的输出信号，而没有细胞的隔间内的信号仍然很低。
用于检测来自根据本发明的LSI微流体结构的信号的扫描仪的一个实例是由联邦加州Axon设备公司生产的Genepix 4000B扫描仪。该Genepix 4000B最初设计用于DNA阵列芯片扫描。其具有两个激光器(532/635mm)，分别为Cy3/Cy5荧光染料而优化。Genepix通常是通过扫描涂有Cy3/Cy5载波片的底表面来运行的，Cy3/Cy5标有DNA探针，该探测器位于3-校准蓝宝石架上。然而，对该扫描仪有几个限制，使其作为微流体芯片筛选器不是最佳的。首先，我们实验中所用的目前的微流体装置粘合于25×25mm 1号盖玻片(130-170μm厚)。虽然能够通过软件接口来调解激光焦平面，但是它仅仅能穿透盖玻片50μm深度，使这些通道略微模糊。然而，所得到的分辨率仍然足够用于通道内的荧光测量。
探索的第二种选择是将微流体芯片从校准架上取下来并将其固定在载玻片架的后部。该位置使芯片靠近透镜，将其放置在前述的软件控制焦平面范围内。该方法的缺点是芯片相对于激光束轻微离位，导致穿过芯片的不真实的强度梯度。该梯度能够在分析过程中得到补偿。Genepix扫描仪另一个不太理想的特征是当这些扫描仪连接到几个管线上时，其缺乏硬件来稳定微流体芯片。这种影响能够通过在芯片顶部增加重物而成功的得到补偿。该重物应该是非反射性的以防止分散激光束，该激光束在扫描过程中会产生人为的噪音。
该硬件焦点设置的影响是通过将充满了Amplex红溶液(消极控制，～100μm)的图30A的芯片放置在带有1号盖玻片(作为隔离物)的载波片架(slide holder)的后部来测定的。该芯片负重，且随着焦点设置的改变在同一点连续测量荧光性。读数读取两次以评定底物可能具有的的任何效果退色或光活性。结果表明荧光性测量值在离最佳焦点+15μm的范围内是相当一致的，然后快速衰减。
图32B所示为处于比较器模式的芯片的扫描荧光图像。经过同Amplex红混和反应后，左半列为在无菌的PBS内表达CCP的大肠杆菌的稀释溶液(137mM NaCl，2.68mM KCl，10.1mM Na2HP04，1.76mM KH2P04，pH 7.4)。箭头表示包含单个细胞的室。没有细胞的室表现为低荧光性。转化成的产物(试卤灵)为清晰可见的绿色信号。右半列为未经催化的Amplex红底物。为了验证输出信号是CCP活性的函数，使用表达CCP或者强化的绿荧光蛋白质(eGFP)的大肠杆菌非均相混合物来进行类似的实验。放大的输出信号仅仅取决于单独室内CCP表达细胞的数量。
图32C示出了μHTS比较器以及eGFP表达控制细胞和CCP表达细胞的非均相混合物对输出信号的影响。试卤灵荧光检测(λex＝532nm，λem＝590nm)在包含表达eGFP或者CCP的大肠杆菌细胞的单独的比较器室内进行。只有当存在表达CCP细胞且表达eGFP细胞对信号影响很小时，信号才强烈增加。垂直轴为相对荧光单位(RFU)；误差条代表距离中间RFU的标准偏差。
通过选择单个室，然后将室内的容纳物清除到收集出口，能够完成芯片的回收。芯片中的每列具有单独的出口，使得每列的室能够被收集而没有交叉污染。
为了说明收集过程的有效性，将表达GFP的大肠杆菌的稀释的磷酸盐缓冲盐(PBS)溶液注入芯片内。在分隔之后大约每隔两个室包含细菌。采用配有汞灯和GFP滤光器装置的倒置光显微镜(Olympus IX50)，单个GFP细胞用20x的物镜识别，并且清洗它们各个室。
经清洗的细胞利用聚醚酮醚(PEEK)管从输出收集，该聚醚酮醚管具有很低的细胞粘着性。通过在40X油浸透镜下采用荧光滤光器装置对所收集的液体样品的造影，以及对在孵育有回收的细菌的Luria-Bertani肉汁培养基(LB)皿上的单独菌落生长的观察来确定单个GFP表达细菌的分离。由于已经示出了能够在弹性体微流体装置内有效操作单个DNA分子，因此在未来的应用中可用这种方式操作单分子或分子簇。
电子比较器的性能并不理想。例如，有限的噪音层，绝对的电压和电流限制，输入处的电流泄漏等等。这些限制中的一些是由用于装置的材料的内在性质产生的，而另一些则取决于制作公差或设计的局限性。集成的流体线路的性能存在着类似的缺陷。
6.制作方法
如图29A和30A分别所示的存储阵列和比较器微流体装置是由多层软光刻法采用两个不同的层制成的。容纳驱动阀所需的所有通道的“控制”层位于“流动”层的上方，该“流动”层包含被控制的通道的网络。阀形成在控制通道与流动通道交叉处。两个通道之间的交叉点内产生的薄隔膜能够由水压或气体驱动而偏离。所有的生物检验和流体操作均在“流动”层上进行。
微流体通道的主模是通过在硅上旋转涂覆9μm高的正性光刻胶(Shipley SJR 5740)，以及用高分辨率(3368dpi)透明掩模将它们图样化而制得的。光刻胶模具上的通道在120℃下圆化20分钟以形成使阀完全关闭的几何形状。
该装置通过将两层由光刻胶模具铸造成的两部分固化硅树脂(Dow Corning Sylgard 184)粘合在一起而制成的。装置的底层包含“流体”通道，该底层以2500转/分被旋转涂覆份额比为20∶1的A∶B Sylgard 1分钟。形成的硅树脂层为约30μm厚。该装置的顶层包含“控制”通道，该顶层用份额为5∶1的A∶B Sylgard采用一个单独的模具铸造成厚层(0.5cm厚)。开始时将这两层在80℃下固化30分钟。
然后穿过(从模具中取出的)该厚层打孔得到控制通道互连孔，之后在该薄层上沿通道侧面对准各自的通道网络将其密封。组合层之间的粘合是通过将这些装置在80℃下额外固化45-60分钟而完成的。将产生的多层装置切削到应有的尺寸并安装在RCA清洁过的第1号25mm2的方形玻璃盖玻片上，或者安装在以5000转/分旋转涂覆有份额比为5∶1的A∶B Sylgard并在80℃下固化30分钟之后在80℃下过夜培育的盖玻片上。
通过制作具有不同宽度的控制通道而保持流动通道尺寸固定(100μm宽，9μm高)，来完成多个不相邻的流动通道的同时处理。关闭流动通道所需的控制通道内的气压与该控制通道的宽度成比例，使得易于在相对低的压力(～40KPa)下驱动100μmx100μm阀而无需隔离具有更高驱动阈值的50μmx100μm交叉区域。
通过在穿过硅树脂的孔内插入钢针而将流体引入装置内。不同于由高杨氏模量的硬质材料制得的微机械加工装置，硅树脂质软并在输入针周围形成了紧密密封，能够承受高达300KPa的压力而没有泄漏。计算机控制的外部螺线管阀允许驱动多路转换器，该多路转换器又允许对大量微型阀的复杂处理。
由PDMS制作的流体线路并不是与所有的有机溶剂都适应——特别是非极性溶剂的流动会受到影响。可以通过采用耐化学作用的弹性体来解决这个问题。由于分子与通道壁的非特定粘合而产生的表面效应可以通过对PDMS表面的被动修改或化学修饰而最小化。
微流体线路内的交叉污染类似于电子电路内的泄漏电流，是一种复杂的现象。由于通过弹性体本身的小分子的扩散，会发生一定数量的污染。这种影响对有机染料和其他在本操作的实例中所用的小分子并不是一种阻碍，但是在某种程度和性能要求上，其可能变成限制。
交叉污染也是一个设计问题，通过设计任何特别的线路能够减轻其影响。在256井比较器芯片中，通过四列中的每列都具有单独的输出来引入补偿设计(compensation scheme)，以防止回收操作中的交叉污染。当流体线路的复杂性增加时，类似的设计规则会得到发展，以便获得高性能，而不管特定材料和所采用的制作方法的局限性。
存储器和比较器芯片的计算能力源自在单个芯片上集成和控制很多流体元件的能力。例如，多路转换器组件允许按指数规律大量的独立室的特定处理。这允许各个样品的选择性操作或回收，其为高通过量筛选和其他富集应用的重要要求。其还可以作为用于包括组合合成的化学应用的有用工具，其中产品的数量也是按指数规律地生长。
7.分割应用
计算能力的另一个实例是将一个复杂或非均相的样品分割成易处理的子样品的能力，该子样品能够如图所示地在比较器芯片内被单独分析。例如，如图30A所示的大规模集成微流体装置能够用于分离非均相混合物的期望组分。首先，该非均相混合物能够沿着蛇形流动通道中的一个流动，非均相混合物被充分地稀释以确保在垂直的分隔阀之间存在不超过一种的可溶实体。然后停止该流动，并且驱动该垂直的分隔阀，以在蛇形流动通道内形成隔离的节段(segments)。当不同节段的询问/检查显示在特定片段内存在期望的实体时，该节段能够被清洗并且收集输出物。在刚才所述的实施例中，值得注意的是，只采用了一个流动通道，其他的流动通道仍然是空的或者充满了缓冲液以使得期望实体的收集不会发生交叉污染。
采用根据本发明实施例的大规模集成微流体结构的易受分析实验影响的非均相混合物通常能够再分成两类。第一类非均相混合物包括颗粒或分子。这类颗粒的列举包括但不限于原核细胞、真核细胞、噬菌体/病毒、以及小球(beads)或其他非生物颗粒。
用于分析实验的这种颗粒混和物的一个实例是细菌的非均相混合物，每个含有包含特定DNA序列(包括基因、基因片段或一些其他的相关序列)的质粒。这种分析能够选择包含期望DNA序列的细菌，例如通过识别含有编码(产生期望特性的)特定酶或蛋白质的基因的细菌。
通过根据本发明的LSI微流体结构来进行分析实验的颗粒混合物的另一个实例包括真核细胞的非均相混合物。对这种混合物进行的分析能够选择表达特定抗体的杂交瘤细胞。
通过根据本发明的LSI微流体结构来进行分析实验的颗粒混合物的又一实例包括噬菌体的非均相混合物，该噬菌体在它们的表面上显示重组蛋白。对这种混合物进行分析能够选择显示期望特性的蛋白质的噬菌体。
通过根据本发明的LSI微流体结构来进行分析实验的颗粒混合物的又一实例包括小球的非均相混合物，每个涂覆有单一的分子类型诸如特定蛋白质、核酸、肽或有机分子。对这种混合物进行分析能够选择涂覆有具有期望特性的分子的小球。
根据本发明实施例的大规模集成微流体结构还可用于对分子的非均相混合物进行分析。DNA本身可适合于这种方法，这是由于DNA可采用聚合酶链反应(PCR)方法来扩增的本身内在的能力。一旦被扩增，下游方法就可以应用于DNA，例如扩增模板分子的体外转录/翻译。
用于分析的这种分子混合物的一个实例是包含有不同基因或相同基因的克隆的线形或圆形模板的非均相混合物。在扩增和体外转录/翻译后，该分析能够选择其产物(蛋白质)具有期望特性的模板。
通过根据本发明的LSI微流体结构来进行分析实验的分子混合物的另一个实例包括简单的不同序列的线形或圆形模板的非均相混合物。该分析能够选择其扩增的产物(DNA)具有期望特性的模板。
通过根据本发明的LSI微流体结构来进行分析实验的分子混合物的再一个实例包括cDNA。可以进行分析实验来选择其扩增的(DNA)或最终的产物(蛋白质/肽)具有期望特性的cDNA克隆。
通过根据本发明的LSI微流体结构来进行分析实验的分子混合物的另一个实例包括mRNA混合物。该分析能够选择其产物(DNA或蛋白质)具有期望特性的mRNA模板。
通过根据本发明的LSI微流体结构来进行分析实验的分子混合物的另一个实例包括基因组DNA。该分析能够选择具有期望特性(即显示某一尺寸和/或序列的扩增子)的基因组或染色体。
根据本发明实施例的大规模集成微流体结构还可用于对包括除核酸之外的分子混合物进行分析。例如，可以分析诸如酶的蛋白质的分子混合物，因为由于底物的转化(turnover，代谢)会使得这些分子产生信号放大。这种分析能够选择具有期望活性和/或特异性的分子。
下面的方法可以利用本发明实施例的LSI微流体结构来检测被分离的颗粒或分子。可以通过光显微镜或荧光来检测小球、原核细胞、和真核细胞。利用荧光技术可检测非常小的样品，例如噬菌体/病毒、未扩增的DNA、蛋白质、以及肽。而且，采用微电子机械(MEMS)方法能够检测甚至单个分子的荧光性。
利用根据本发明的LSI微流体装置，很多分析方法可以用来检测分离的实体的特定特性。例如，可采用不同的结合分析来检测DNA、蛋白质和肽之间的所有组合(即蛋白质-蛋白质，DNA-蛋白质，DNA-DNA，蛋白质-肽等等)。结合分析的实例包括但不限于免疫检测法(ELISA)、荧光共振能量转移(FRET)和自动射线照相术。
采用不同的功能分析来检测目标内的化学变化。可以由功能分析检测的这种变化的实例包括但不限于：1)非荧光底物到荧光底物的酶代谢(turnover)，2)非产色底物到产色底物的酶代谢，或者从一种颜色到另一种颜色的酶代谢，3)产生化学发光(chemilumiscent)信号的酶代谢，以及4)自动射线照相术。
可以通过扩散混合使得不同底物的均相溶液相互筛选。很多应用易受到这些类型分析方法的影响。这种应用的一个实例是筛选cDNA库克隆，该cDNA文库克隆已经由于特定DNA序列(即基因)或功能的存在而被分离。这种应用的另一个实例是筛选化学库，包括但不限于肽库、有机分子库、低聚体库、以及诸如盐溶液的小分子。可以为特定的功能而筛选这些化学库，例如干扰酶的反应、断开特定连接、特定连接、促进蛋白质(小分子/盐溶液)结晶的能力、用作底物的能力。
其它的分割应用(segmentation applications)要求将均相样品再分为等分试样，可以用独立的化学方法分别分析该等分试样。例如，如图30所示的大规模集成微流体装置能够通过暴露于许多不同的反应物来筛选均相混合物的单个实体。首先，该均相样品能够在细长的流动通道中流动。然后停止该流动，并且驱动该垂直的分隔阀以形成彼此隔离的反应室节段(segments)。接着，特性或浓度彼此不同的多种化学物质能够从各自的流动通道流到每个节段，然后通过干扰隔板阀(an intervening barrier valve)的止动来混合这些化学物质。观察混合物内发生的变化能够揭示均相实体的信息。
在均相分割应用中，可进行1*m筛选，即在图30A的结构中从256种其它溶液中筛选出一种均相溶液。首先，将被分析的溶液装载256次单独的次数，装载到样品入口中。接着，用夹层隔板分隔这些室。
现在可利用多路转换器在闭塞端将一种不同的溶液加入到底物蛇形线的室内。为了避免交叉污染、清洗、交叉污染的问题，夹层隔板能够被分成两个单独的阀，一个阀只分隔底物蛇形线(substrate serpentine)，第二阀分隔样品蛇形线。
通过关闭两个夹层隔板来分隔底物和样品蛇形线，利用流体路径多路转换器可以将一种不同的溶液加入到256行中的每一行。为了这一目的，样品收集口可以有利地用于流体引入而不是清洗输入。
一旦256行中的每一行含有单独的均相溶液，就可以关闭所有的隔板阀和混合隔板。装载后，用待分析的溶液来清洗底物蛇形线或样品蛇形线。在这一步骤中，通过在新流体被引入到样品蛇形线中时，允许底物蛇形线保持被分隔，用新均相流体充满这256个邻近的室，分离是有用的。通过打开混合隔板，可以通过扩散混合进行256个实验。
根据本发明的微流体装置的实施例包括形成在第一层内的微流体流动通道，和形成在邻近第一层的第二层内的第一微流体控制通道，第一微流体控制通道通过第一可偏移隔膜与微流体流动通道隔开。第二微流体控制通道与第一微流体控制通道相邻，且通过第二可偏移隔膜与第一微流体控制通道隔开。
根据本发明用于控制微流体结构内的流体的方法的实施例，包括：对通过第一隔膜与邻近的流动通道隔开的第一控制通道网络的控制通道施加压力，以使得第一隔膜偏移进入该流动通道。当保持第一控制通道网络内的压力时，对通过第二隔膜与第一流动通道网络隔开的第二控制通道网络的控制通道施加压力，以使得第二隔膜偏移进入且密封第一控制通道网络的控制通道。当保持第二控制通道网络的控制通道的压力时，释放第一控制通道网络内的压力，以使得第一隔膜仍然偏离进入流动通道。
根据本发明的微制作的结构的实施例包括由垂直于第二多个平行的流动通道的第一多个平行的流动通道限定的存储区域的阵列。控制管线的网络与这些存储区域邻近，以限定用于隔离这些存储区域的可偏移阀。第一多路转换器结构被构造成控制通过第一多个平行流动通道的流体。第二多路转换器结构被构造成控制通过第二多个平行的流动通道的流体。
根据本发明的微制作的止回阀的实施例包括：第一弹性体层，其包括垂直通道部分和底座部分；以及第二弹性体层，其包括柔性隔膜。该柔性隔膜具有完整端和不完整端，该不完整端与底座部分接触且被构造成偏离进入到第二垂直通道部分。
根据本发明的微流体装置的可选实施例包括：细长的第一流动通道，以及重叠在该细长的第一流动通道上的控制通道，以限定第一阀结构，该阀结构被构造成偏离进入该细长的第一流动通道，以限定第一流动通道的第一和第二段。第二流动通道与第一段成流体连通，第三流动通道与第二段成流体连通。
根据本发明用于分离非均相样品的成分的的方法的实施例包括：使含有非均相成分的样品沿着第一延伸的微流体流动通道流动。驱动上覆于细长的第一流动通道的第一阀，以限定第一和第二段，以便第一段包含该非均相样品的第一成分，第二段包含该非均相样品的第二成分。
根据本发明的微流体装置的可选实施例，包括，限定在弹性体材料内的选择性可寻址的存储区域。第一流动通道通过阀与该存储区域选择性流体连通。第二流动通道通过第二阀与该存储区域选择性流体连通。
根据本发明用于选择性存储和回收微流体装置内的物质的方法的实施例，包括，设置限定在弹性体材料内的室。物质通过第一流动通道内的第一阀选择性地流入该室，并且该物质通过第二流动通道内的第二阀选择性地从该室中流出。
8.向上偏移的阀结构
正如上面结合图23-25所述的，根据本发明的微流体结构的实施例的特征可以是阀结构被构造成响应于所施加的压力向上偏离进入上覆的通道。这种向上偏移的阀在产生大规模集成微流体结构中是相当有价值的。
应该理解，诸如二极管和晶体管的固态元件的物理性质是集成电路革新的极其重要的促成因素。半导体物理性质允许设计具有高度设计操作性能(包括速度、能耗、尺寸、增益、噪音、击穿电流和击穿电压)的晶体管。微流体装置作好了准备以采用类似的技术和思想在生物学和生命科学中发起一场类似的革命。
对于这些集成的微流体线路，基本的元件是阀、泵和其它用于流体操作的工具。研究出这些阀的基本物理性质和其性能之间的关系将是这些新技术的“器件物理”理论发展中的关键步骤。在流体装置中一些类似的性能标准是尺寸、死体积、通道尺寸、驱动压力、和可量测性。
该性能标准的重要性取决于应用。对于电泳分离应用，有大量文献记述了电动流体操作如何能够用于计量和将少量流体注入到分离柱内。然而，这些方法并不是通用的，这是因为它们高度依赖于工作流体的特定性质，并且当有复杂的管道要求时，完成这些方法存在困难。一个更通用的流体操作解决方案是采用机械阀，且有很多微制作的机械阀的实例。参见如Shoji，″Fluids for sensorsystems″，Top.Curr.Chem.194，163(1998)，和Kovacs，″Micromachined Transducers Sourcebook″，McGraw Hill(1998)，二者结合于此作为参考。
结合于此作为参考的″Monolithic Microfabricated Valves andPumps by Multilayer Soft Lithography″，Science 288，113(2000)中，Unger等人已经说明了如何在单块弹性体芯片内制作集成的机械阀。同样结合于此作为参考的″Microfluidic Large Scale Integration″，Science 298：580-584(2002)中，Thorsen等人已经说明了这些阀能够用于制作高度集成的芯片，这些芯片在复杂性上与用大规模集成制作的电子集成电路大致相当。结合于此作为参考的″A Robustand Scalable Microfluidic Metering Method that Allows Protein CrystalGrowth by Free Interface Diffusion″，Proc.Nat′l Acad.Sci.99：16531-6(2002)中，Hansen等人已经说明了这些阀还能够用于鲁棒操作方案中，这些操作方案计量和混合独立于工作流体的性质。
已经证明这些弹性体阀在涉及细菌细胞和溶液生物化学的应用中是有价值的。然而，当通道尺寸改变时，该驱动压力不易测量，在该意义上讲，这些阀的物理性质并没有被很好地标度，并且实现实际的驱动压力需要低纵横比的几何形状(～1∶10)。
对于很多重要的应用，期望具有统一纵横比的通道和在可利用的尺寸上具有较大的动态范围。这些标准对于设计高密度的芯片以操作在少量液体或上清液内的真核细胞是特别重要的。
这里，我们描述了一种新型的具有相当低驱动压力和有利的比例性质(scaling properties)的微流体阀。我们通过在设计参数(包括统一纵横比的通道)的宽范围上测量驱动压力和流动阻力来表征这些阀的性能。我们发现测量数据和有限元模拟之间接近一致，因此确认了这些模拟可用作未来微流体装置设计的设计工具。
多数机械阀设计包括采用封闭流体通道或室的可偏移隔膜。为了具有高密度的装置，期望使隔膜阀的尺寸最小化，且同时使每个阀的驱动压力最小化。在这点上同隔膜材料的性质一样，几何形状起着明显的作用。诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅树脂弹性体的杨氏模量比诸如硅和氮化硅的硬质材料小5个数量级，因此其允许比在MEMS型阀中更低的驱动压力。而且，期望采用诸如PDMS的可变形材料作为垫圈，以确保防漏操作，就如同宏观阀采用橡胶垫圈作为阀底座。
图37A-B示出了两个阀几何形状的简化示意图。图37A示出了我们先前操作中所用的“下推”阀的几何形状3700的简化示意图。图37A所示的阀结构被称为“下推”，这是由于通道之间的隔膜被向下推以封锁含有相关流体的下部通道。该隔膜在该通道的边缘到中间处的厚度不同。具体地，当对叠加在上面的驱动通道3706施加压力时，具有可变厚度的弯曲隔膜3702偏移以封闭下面的流体通道3704。这种几何形状可以采用低于1∶10的低纵横比(高∶宽)作为该流体通道3704的尺寸。
已经证明图37A所示的“下推”几何图形在大量的应用中是有用的，并且其优势在于下部流体通道相对任何相关基板而能够被密封，意味着流体装置能够用作固体基板上可移动的印刷头，并且装置能够容易地与基板分开并清洗用于再利用。
图37B示出了我们称作“上推“的低驱动压力的几何形状，这是因为该隔膜向上偏移以封锁上面的流体通道。在这种几何图形中，可偏移隔膜没有明显的特点，具有基本恒定的厚度。具体地，根据本发明实施例的阀结构的实施例的可偏移隔膜的特征为阀的厚度变化不会超过25％，优选为变化不超过5％。
图37B示出了根据本发明实施例的“上推“阀的几何形状3750的简化示意图，其中，当对驱动通道3756加压时，具有基本恒定厚度的隔膜3752向上偏移以关闭圆形的流体通道3754。这种几何形状允许附加的设计灵活性，这是因为该隔膜的厚度与该流体通道的尺寸不相关。
之前已经证明了在混合装置中类似的几何形状，其中，没有明显特点的PDMS隔膜夹在两个图样化的硬质基板之间。参见，例如，Vieider et al.，″A Pneumatically Actuated Microvalve with a SiliconeRubber Membrane for Integration with Fluid Handling Systems″，Tech.Digest of the 8th Intl.Conf.on Solid State Sensors and Actuators，Vol.2，pp.284-286(1995)；Yang et al.，″A MEMS thermopneumaticmembrane valve″，Sensors and Actuators A 64，101(1998)；以及Grover et al.，″Monolithic membrane valves and diaphragm pumps forpractical large scale integration into glass microflui dic devices″，Sensors and Actuators B 89，315-23(2003)，其全部结合于此供参考。然而，这些装置往往大型(毫米尺寸)并且相当慢。
这里，我们已经说明了如何将这种具有100μm尺寸的阀制作到单块PDMS芯片内，并且已经进行了阀性能的最初的广泛表征。该上推几何形状是有利的，因为隔膜厚度的均匀和独立性质简化了驱动压力对流体通道深度的依赖关系。
为了制作高纵横比的流体通道，我们在3″硅晶片上旋转涂覆一厚层正性光刻胶(AZ 100XT PLP)，并且用标准光刻法使其图样化。一旦显影，就将该光刻胶加热到它的玻璃转化温度以上(典型地在140℃下加热5分钟)，因此允许该光刻胶回流以便得到具有圆形横截面的通道。
驱动通道的模具是由MicroChem SU 8-50制成的，MicroChemSU 8-50是MA的牛顿MicroChem有限公司(MicroChem Inc.ofNewton，MA)的一种环氧基负性光刻胶。这种光刻胶在固化弹性体所需的温度下不会回流，并且SU-8管线会保持其矩形横截面。V.Studer et al.，″Nanoembossing of thermoplastic polymers formicrofluidic applications″，Applied Physics Letters 80：3614-16(2002)，结合于此供参考。在3″硅晶片上以2000转/分旋转涂覆SU-8一分钟。SU-8层的厚度通常为50μm。
然后将两种模具暴露在三甲基氯硅烷蒸汽中一分钟以有助于脱模。之后将该双组分硅树脂弹性体(GE RTV 615)倾泻在塑料的皮氏培养皿内的流体通道模具上，并在驱动通道模具上旋转。如Unger等人之前所述，流体通道层的固化剂过量(GE RTV 615B)，而驱动通道层的另一种组分过量(GE RTV 615A)，从而使得这两个固化层之间进一步粘合。该驱动通道层的厚度是由旋转涂覆速度控制的。由于该参数也控制活动隔膜的厚度，因此它是非常相关的。该流体通道层为几毫米厚，允许同诸如管子和注射器的宏观元件的可靠连接。
将两层均在炉中80℃下固化45分钟。然后将流体通道层从模具中剥离。使用干净的luer-stub适配器(adaptor)打出流体通道的出入孔。之后修整该层，用乙醇清洗，用氮气干燥，并与驱动通道层光学对准。通过在80℃下烘烤3个小时以实现这两层之间的粘合。
将装配好的芯片从驱动通道模具上剥离并打出该驱动通道的出入孔。然后通过用乙醇冲洗其两个表面(玻璃和RTV)，用氮气干燥并在80℃下烘烤3小时，将该最终的装置密封到预先清洁过的玻璃显微镜载波片上。由于清洁的表面，可以对驱动通道施加高达30psi的压力而不泄漏。
为了测定该新型微流体阀设计的性能，构造了不同的装置。一个装置包括12个宽度为50到600μm的平行的流体通道(fluidicchannels)，且与12个同样宽度范围的驱动通道交叉。利用这些装置，我们研究了驱动压力(在该压力下，该流体通道完全被阀关闭)随流体通道宽度和控制管线宽度的变化。
图38示出了这种阀矩阵芯片的照片。该阀矩阵芯片为流体和驱动通道的12×12阵列，其形成了一个144个阀的矩阵，这些阀的隔膜尺寸根据通道的尺寸而变化。这些驱动通道充满了染料溶液。
我们还通过驱动通道层不同的旋转涂覆速度制作了不同的装置，以表征驱动压力对隔膜厚度的依赖关系。气体能透过该弹性体，从而通过在该驱动通道上施加压力，可以产生从驱动通道进入周围弹性体的气流。由于这个过程能够在流体通道内产生气泡，因此将这些驱动通道充满去离子水的橙色G的有色溶液，以使通过该隔膜的空气体积最小。将染料推入驱动通道内，将小体积的空气挤出该通道。
在流体通道为空时测量驱动压力。很大的指针变化使其直接放映出当隔膜与流体通道的顶部接触时阀的关闭。当流体通道中有液体时，驱动压力被流体的反压力改变。一旦测量了驱动压力，芯片就会沿着这些驱动通道被切割，并且可以通过使用一个具有100x物镜的光学显微镜测量该隔膜厚度。
在结合于此供参考的″Microfluidic Memory and ControlDevices″Science 300，955(2003)中，Groisman等人描述了另一个装置，其被设计成利用了就地测定的补偿的方法来测量由一个阀引起的压降，该压降为驱动通道内压力的函数。该装置具有Y形流体通道。一侧与充满去离子水的容器相连并且具有与入口连接的阀；另一侧与充满100nm直径荧光小球(Duke科学公司，R100)的去离子水溶液的容器相连并且没有阀。
这两个溶液之间的界面的位置是根据该流体通道的两个分支之间的静水压力差来测量(或标示)的。那么，在两个分支之间没有压力差的情况下，依据驱动通道上的不同的压力值来测量界面位置。然后我们使用先前的校准曲线来内推由阀引起的相应的阻力的值。
为了观察实验数据，我们开发了单个微型阀的完整三维的、有限变形的模型。经过验证，我们提供了一组数字试验，其证明了该模型关于微型阀工作情况的灵敏预测的真实度，如驱动压力对阀的几何形状的依赖。经过验证的模型为合理设计高性能微型阀提供了有力的依据，包括增益、双稳定性和其它高级特征。
弹性体被模拟成为一个接近不可压缩的Neo-Hookean材料，一种描述承受巨大变形的类似橡胶材料的特性的本构模型。参见Ogden″Elastic Deformations of Rubberlike Solids″，in Mechanics ofSolids，pp.499-537(1982)，其结合于此供参考。该neo-Hookean模型有一些理论基础：它是通过对自由连接的分子链的变形的统计力学处理而得到的。通过这种分析，得到了关系式
(2)μ＝NkT，其中，
μ＝基态剪切模量；
T＝绝对温度；
K＝玻尔兹曼(Boltzmann)常数；以及
N＝单位体积的链数。
之后通过两个参数来表征该材料的性能：剪切模量μ和未变形结构的Poisson’s比v。在计算中，我们采用μ＝0.6MPa和v＝0.45；二者在文献中均得到了公认。
我们采取了有限元方法以便表现微型阀的三维几何形状，并且解答控制它们变形和关闭的方程式。计算中采用的元是带有四个高斯点的十节点二次方程的四面体的(quadratic tetrahedral)。在驱动通道的表面上施加相同的压力。
通过非光滑接触算法强制采取所有表面之间的无摩擦接触。参见Kane et al.，″Finite element analysis of nonsmooth contact″，Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，180(1-2)：1-26(1999)；以及Pandolfi et al.，″Time-discretized variationalformulation of non-smooth frictional contact″，International Journal forNumerical Methods in Engineering，53(8)：1801-1829(2002)，二者结合于此供参考。
通过动态松弛计算所得到的微型阀的平衡构形。参见Underwood et al.，″Dynamic relaxation″，in Computational Methods forTransient Dynamic Analysis，Belytschko and Hughes，eds.，pp.245-265，Elsevier Science Publishers，Amsterdam(1983)；以及Oakley andKnight，″Adaptive dynamic relaxation algorithm for non-linearhyperelastic structures″，Computer Methods in Applied Mechanics andEngineering，126：67-89(1995)，二者也结合于此供参考。
由于两层对称性问题，计算的模型被限制到阀的1/4，且在所有对称面上应用对称边界条件。对于每个微型阀的几何形状，在实验的驱动压力增加1/10时，压力会单调增加，并且不会导致微型阀完全关闭的最大压力被记录作为驱动压力。
第一参数研究涉及隔膜厚度对驱动压力的影响。该驱动通道截面是矩形的，宽300μm，高56μm，并且流体通道部分被宽为300μm和高为50μm的圆弧所限制。在实验范围考虑的三种隔膜厚度为5μm、10μm和15μm。第二参数研究涉及通道宽度对驱动压力的影响。在这种情况下，驱动通道截面为矩形，宽为100-600μm，高为55μm，并且流体通道截面被宽为228μm和高为54μm的圆弧所限制。在实验范围内，对宽为200μm、300μm、450μm和550μm的四个驱动通道进行了计算。
我们绘制了上推阀结构的驱动压力的曲线图，该驱动压力是表征隔膜的三个参数——宽度、长度和厚度的函数。如所预料的，结果作为宽度和厚度的函数是对称的，尺寸越大压力越小。具体地，图39为矩阵芯片中的阀的驱动压力的曲线图。该驱动压力与通道宽度是对称的，并且该驱动压力远远小于驱动具有类似尺寸的“下推”阀所需的压力。
随着驱动通道的宽度相对于流体通道的宽度变小，该驱动压力开始大致与宽度或长度的反幂(inverse power)成比例。图40A示出了图39数据的子集表示了驱动压力同隔膜尺寸的比例关系，此时不同尺寸的驱动通道关闭了流体通道上方的阀，该流体通道大约宽228μm和高54μm。该线斜率为-1。
对于小的驱动通道宽度，驱动压力会显著增加。当驱动通道比最佳值宽时，该驱动保持稳定。因此，可通过减少驱动通道在交又点处的宽度而使得驱动通道同流体通道交叉。如Thorsen等人所述，这使得产生了复杂芯片设计和多路转换器，以便用一个驱动通道控制多个阀门。
该驱动压力还同隔膜厚度大致成线性比例关系。图40B示出了驱动压力作为300μm驱动通道和300μm流体通道的阀的隔膜厚度的函数的曲线图。关闭符号表示测量的阀，开符号表示由有限元模拟计算的阀。该流体通道为56μm深，且横截面接近弓形。尽管结果表明驱动压力表现为随着隔膜厚度线性增加，但是非零偏移量意味着真正的函数相关是更复杂的。
在这两种情况下，模拟的一致性良好。图40B示出了测定的驱动压力和计算的驱动压力的比较。预计值与实验数据十分匹配，这就提供了对该模型的第一验证。图40A也比较了作为通道宽度函数的驱动压力的预计值和测量值。此外，该模型的预测同观察是一致的，对于大(小)驱动通道宽度，该驱动压力略微低于预计值(高于预计值)。
我们能够创造的最薄的隔膜是几个微米。对于非常薄的隔膜，由于晶片上光刻胶轮廓而导致的表面张力的影响会产生不均匀的表面。这样，该隔膜厚度(其为该弹性体层厚度和该光刻胶轮廓厚度之间的差值)开始随着图样密度、尺寸和形状而变化。而且，这些不平的表面会使得该装置的层之间的粘合由于两层之间残余的气泡而难以实现。
我们直接比较了相同尺寸的上推阀和下推阀的性能。在两种情况下，该驱动通道为300微米宽，而流体通道为200微米宽、46微米深，以及隔膜为10μm厚。流体通道入口的压力为490mm水柱(0.68psi)，而出口的压力为大气压。图41示出了作为驱动通道压力的函数的阀的标准化阻力(由阀/输入压力引起的压降)的曲线图。
通过对通道内由阀提供的额外阻力进行差异测量，可绘出作为施加压力的函数的阀的有效阻力的曲线图。这样，很清楚，“上推”阀在比“下推”阀低大约一个数量级的压力下驱动。
再看图41，示出了由于隔膜粘附在对面的通道上，只有上推阀表现出了滞后行为(hysteretic behavior)。下推阀的滞后行为很小。通过对流体通道增加压力能够抑制滞后行为，也会相应地增加关闭阀所需要的压力。
上推阀和下推阀均具有类似形状的曲线，用于增加驱动通道内的压力值。然而，这些曲线有很大量的偏移(offset)，并且下推阀关闭的压力超过20psi，而上推阀关闭的关闭压力仅仅为2.4psi。
这一个数量级的差别是由活动隔膜的形状差别造成的。下推阀具有凸起形状的隔膜。该隔膜中间薄(10μm)，但是边缘要厚得多(46μm)，因此很难弯曲。事实上，对于这种阀，隔膜厚度有最佳值。如果隔膜太薄，它就会只在中间偏离，阀就永远不可能在边缘关闭。如果隔膜太厚且非常坚硬，驱动压力就会变得不切实际地高，该装置失败。
对于根据本发明的阀结构的实施例，隔膜一律均为很薄。对于上推阀，对隔膜厚度只有技术限制，因为较薄的隔膜常常需要较低的驱动压力。因此，上推阀适合于高纵横比(深度∶宽度)的通道。典型地可用低于5psi的压力关闭纵横比高于1∶5(深度∶宽度)以及纵横比高达1∶1的通道。
对于下降的压力值，图41示出了上推阀表现出了明显的滞后。图42示出了仅仅作为上推阀结构的驱动通道压力的函数的阀的标准化阻力(由阀/输入压力引起的压降)的曲线图。图42示出了当驱动压力增加时通道阻力平稳增加。然而，当压力降低时，该阻力仍然很高，然后不连续的向下跳跃。
我们使用了一个带有长焦距物镜的光学显微镜来对一端向前的阀成像，并且能够拍摄对于驱动通道内不同压力值下隔膜的形状和位置。图43a-f示出了分别在图42中的曲线内的点#s 1-6处的上推阀的横截面的电子显微照片。具体地，图43a示出了控制管线内没有压力时点#1处的照片。图43b-d示出了控制管线内压力增加时点#s 2-4处的照片。
图43e示出了在压力等于关闭压力且阀处于关闭位置时图42的点#5处的照片。图43f示出了控制管线中的压力降低时，图42中的点#6的照片。通过上推阀在点#6处的持续关闭状态，且隔膜仍然附着在流体通道顶部，证实了阀的滞后行为。
图42和43f因此示出了滞后是由于隔膜附着在流体通道的顶部而产生的。当由于流体通道和驱动通道之间的压力差产生的对隔膜的力克服了隔膜对流体通道顶部的附着力时，阀突然弹起，并且由阀引起的压降值下降到接近由增加压力获得的压降值。这种滞后在传统的下推阀结构中是观察不到的，可能是因为较大的恢复力能够克服(或压过)表面粘力。
虽然到目前为止所述的阀结构的实施例的特征是具有基本恒定的厚度的平面隔膜，其可以向上偏离进入到叠加在上面的流体通道内，但是这并不是本发明所必须的。根据本发明的微流体阀结构的可选实施例可采用具有基本恒定厚度的平面隔膜，其能够偏离进入下面的流体通道。图44示出了根据本发明阀结构的该可选实施例的一个实例的简化横截面图。
图44所示的可选阀结构4400包括限定在下面的基板4404内的凹入的流体通道4402。PDMS材料的第一薄层4406形成在基板4404之上。PDMS材料的第二较厚层4408覆盖在薄层4406的上面，且层4408底表面内的凹槽4408a同薄层4406接触以限定控制通道4410。
图44中的阀的操作同先前描述的图37B中的上推阀的操作类似。具体地，对控制通道4402施加正压使得薄的PDMS层4406的隔膜部分4406a偏移进入下面的流体通道4402内。由于隔膜部分4406a是平面的，且具有基本恒定的厚度，其能够很容易符合下面的流体通道的凹入形状。如此，与特征为不同厚度的隔膜的传统的下推阀结构相比，图44所示的能够向下偏移的阀提供了许多同样的优点。
图44的阀结构可以通过首先提供一个具有凹入的流体凹槽的基板来制作。在一个实施例中，这个基板可以包括具有侵蚀在其中的凹入的凹槽的玻璃或某种其它的刚性材料。在另一个实施例中，该基板可以包括具有由模压形成的凹入的凹槽的聚合物材料。在又一个实施例中，该基板可包括弹性体，该弹性体具有通过在一个圆形凸起部分上模制形成的凹入的凹槽，其可以包括回流的光刻胶。
图44的阀结构的制作可以通过在基板上方设置具有基本恒定的厚度的平面弹性体隔膜层来继续进行。具有期望厚度一致性的隔膜层能够通过旋转涂覆形成。
图44的阀结构的制作可以通过使具有控制凹槽的上部弹性体层与平面弹性体隔膜层接触来完成。上部弹性体层内的凹槽可以通过在凸起部分(例如工件表面上的光刻胶)上模制该层而形成。
总之，我们已经说明了通过利用简单的物理理论，可设计、制作和测试具有良好尺度特性(scaling properties，标度特性)的单块微型阀。这些阀的驱动压力比先前最好的具有类似尺寸的设计的驱动压力低一个数量级。它们能够被用于在很大的动态的尺寸范围内制作统一纵横比的阀，在这个意义上，它们具有极好的尺度特性。模拟与阀的性能吻合良好，这就意味着模拟能够用作将来阀设计的工具，特别当制作复杂的几何形状时，设法按比例减小到甚至更小的尺寸，或者作为阐明阀关闭基本物理过程的工具。
先前所述的装置说明了具有几乎任意的复杂性的复杂流体线路能够采用微流体LSI制作。与有效的阀多路技术结合的快速简单的制作过程能够设计芯片用于多种应用，从高通过量筛选应用到新型液体显示器技术的设计。该过程的可量测性使得可设计具有甚至更高密度的功能阀元件的耐用的微流体装置。
虽然本文中已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，当不脱离所阐述的本发明的范围，可以对前述的公开内容作宽范围的修改、不同的改变和替代，并且应该明了，在一些实例中，将采用本发明的一些特征而不相应采用其它特征。因此，可以作许多修改以适应本发明教导的具体情况或材料而不脱离本发明的实质范围和精神。所期望的是，本发明不限于作为为实施本发明而设想的最佳方式的披露的具体实施例，但是本发明将包括落入权利要求书的范围内的所以实施例及其等同物。
相关申请的交叉引用
本专利申请是于2003年9月24日递交的美国非临时专利申请第10/670,997号的部分继续申请，该非临时专利申请要求在2002年9月25日递交的美国临时专利申请第60/413,860号的优先权。本专利申请还要求于2003年8月11日递交的美国临时专利申请第60/494,433号的优先权。其全部内容结合于此供参考。有关联邦政府资助的研究与开发完成的发明的权利声明
此处所描述的工作已经部分得到NSF(国家科学基金会，来自军防研究办公室(第DAAD19-00-1-0392)的拨款)和DARPA Bioflips项目的支持。因此，美国政府可对本发明有一定权利。

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