具有用于装载流体的盖的微流体装置的制作方法

背景技术：

微流体涉及在微米尺寸的通道或更小的通道内的相对少量流体的流动。微流体系统在诸如生物测定、药物筛选、燃料电池之类的领域中具有许多不同的应用。然而，流体的微流体行为可能不同于流体的宏流体行为（macrofluidicbehavior）。例如，与它们在宏观水平上的作用相比，诸如表面张力和流体阻力之类的流体特性在流体的微流体行为中可起到更主要的作用。因此，有效地操纵微流体系统中的流体的能力可扩展能够使用这些系统的领域和方式的数量。

附图说明

结合附图，通过下面的详细描述，本公开的另外的特征和优点将是显而易见的，附图通过示例的方式一起图示了本技术的特征。

图1a是根据本公开的示例性微流体装置的侧向剖视图。

图1b是根据本公开的示例性微流体装置的俯视剖视图。

图1c是根据本公开的示例性微流体装置的俯视图。

图2是根据本公开的示例性微流体装置的俯视剖视图。

图3是根据本公开的示例性微流体装置的俯视剖视图。

图4是根据本公开的示例性微流体装置的侧向剖视图。

图5是根据本公开的示例性微流体装置的侧向剖视图。

图6是根据本公开的示例性微流体装置的侧向剖视图。

现在将参考本文中图示的几个示例，并且本文中将使用特定的语言来描述它们。然而将会理解的是，并不由此意在限制本公开的范围。

具体实施方式

微流体装置可用于多种应用，包括生物技术、药物筛选、临床诊断测试等。然而，如对于本领域技术人员而言已知的，建立和维持已知且受控的体积的流体对于基于微流体的测试至关重要。例如，与采用较大流体体积的测试相比，微流体测试中的体积规模（volumescale）可放大蒸发、浮力对流混合、表面粘附、扩散等对测试表现的影响。因此，本公开描述了一种微流体装置，其具有用于装载流体的盖结构，并且在某些示例中，其用于帮助为基于微流体的测试建立和维持受控体积的流体。

该微流体装置可包括基板、安装到该基板的盖以及安装到该基板的微芯片。安装到该基板的该盖可在包括该盖的内表面和该基板的一部分的结构之间形成离散微流体腔室。该盖可包括相对于彼此定位的入口和通气口，以利于通过毛细管作用将流体装载到该离散微流体腔室。该微芯片的一部分可位于该离散微流体腔室内。

在另一个示例中，微流体装置可包括基板、安装到该基板的盖以及安装到该基板的细长微芯片。安装到该基板的该盖可在包括该盖的内表面和该基板的一部分的结构之间形成离散微流体腔室。该盖可包括相对于彼此定位的入口和通气口，以利于通过毛细管作用将流体装载到该离散微流体腔室。该细长微芯片的一部分可位于该离散微流体腔室内。此外，该细长微芯片可具有从1:10至1:150的宽度与长度的宽长比。

在另一个示例中，该微流体装置可包括基板、安装到该基板的盖以及安装到该基板的微芯片。安装到该基板的该盖可在包括该盖的内表面和该基板的一部分的结构之间形成离散微流体腔室。该盖可包括相对于彼此定位的入口和通气口，以利于通过毛细管作用将流体装载到该离散微流体腔室。例如，该离散微流体腔室可具有从1nl至100µl的容积。该微芯片的一部分可位于该离散微流体腔室内。

在这些各种微流体示例中，该基板可包括选自金属、玻璃、硅、二氧化硅、陶瓷材料、聚合物材料或它们的组合的材料。另一方面，该盖可包括选自玻璃、石英、聚合物、无定形聚合物或它们的组合的材料。

在另一个示例中，该盖可在包括该盖的内表面的多个部分和该基板的对应部分的结构之间形成多个离散微流体腔室。在另一个示例中，该微流体装置可包括第二盖，该第二盖可在包括该第二盖的内表面和该基板的第二部分的结构之间形成第二离散微流体腔室。该第二盖可包括相对于彼此定位的第二入口和第二通气口，以利于通过毛细管作用将流体装载到该第二离散微流体腔室。在该示例中，该微芯片的第二部分可位于该第二离散微流体腔室内。

在一些示例中，该离散微流体腔室可具有从1nl至100μl的容积。在其他示例中，该盖可具有从0.2mm至5mm的高度、从0.4mm至50mm的宽度、从0.1mm至60mm的长度以及从0.1mm至5mm的厚度。在再其他的示例中，该盖还可包括外表面修改，该外表面修改选自菲涅耳透镜、锯齿状表面、不均匀厚度、薄膜滤光器或者它们的组合。在一些另外的示例中，该盖还可包括内表面修改，以改善表面润湿性（wetting），所述内表面修改例如表面涂层、表面处理或它们的组合。在再其他的示例中，该微芯片可包括外部修改。

现在将参考图1a-1c来帮助描述该微流体装置的一些一般性特征。要注意的是，当前附图中描绘的微流体装置未按比例绘制，并且不意在如此解释。附图中的微流体装置的表示仅意在促进本文所公开的微流体装置的描述和呈现。还要注意的是，当讨论微流体装置、腔室等时，这也意在涵盖中流体装置（mesofluidicdevice）、腔室等。因此，在一些示例中，本文所述的微流体腔室可包括亚毫米尺寸。在其他示例中，微流体腔室可包括从毫米至厘米的尺寸。因此，为简单起见，微流体和中流体两者在本文中均被称为微流体。

出于这种考虑，图1a-1c描绘了具有基板105的微流体装置100的示例，该基板105具有安装到其的微芯片110。盖120可被安装到该基板，这可在包括该盖的内表面121和该基板的一部分的结构之间形成离散微流体腔室130。该盖可包括相对于彼此定位的入口132和通气口134，以利于通过毛细管作用将流体装载到该离散微流体腔室。

更详细地说，可使用多种合适的基板。通常，可使用如下任何基板，即：该微芯片和该盖可被安装到该基板，并且该基板适合于特定应用。在一些特定示例中，该基板可包括以下材料或由以下材料制成，即：例如金属、玻璃、硅、二氧化硅、陶瓷材料（例如，氧化铝、硼硅酸铝等）、聚合物材料（例如，聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯（poly）（甲基丙烯酸甲酯）、环氧树脂模塑料、聚酰胺、液晶聚合物（lcp）、聚苯硫醚等）等或它们的组合。另外，对于给定应用，该基板通常可具有任何合适的尺寸，只要微芯片和盖结构可被有效地安装到该基板。因此，在一些示例中，该基板和该盖可以是在架构上相容的，以在它们的界面处形成完全的密封。

要注意的是，在一些示例中，该微芯片可以是细长的微芯片。对于“细长的微芯片”，要理解的是，该微芯片大致具有从1:10至1:150的宽度与长度的宽长比。然而，在一些示例中，该细长的微芯片可具有从1:1.1至1:50的宽度与长度的宽长比。在又其他的示例中，该细长的微芯片可具有从1:2至1:25的宽度与长度的宽长比。然而，在其他示例中，该微芯片不是细长的微芯片，使得该微芯片可以是基本上方形、圆形的或者以其他方式落在上述宽长比之外。该微芯片可由多种材料制成。在一些示例中，该微芯片包括硅或由硅制成。在其他示例中，该微芯片可包括玻璃、石英或陶瓷或者由上述材料制成。在一些示例中，该微芯片可包括嵌入基板中或从基板凸出的线、迹线、线网、迹线网、电极等。该微芯片可包括多种功能部件，例如加热器、传感器、电磁辐射源、流体致动器、混合器、起泡器、流体泵等或它们的组合，其可根据微流体装置的预期应用而变化。

如图1a中所示，在一些示例中，微芯片110可基本上设置在基板105上方。然而，在一些示例中，该微芯片或其一部分可被嵌入基板内，使得该微芯片的较少部分在基板上方延伸。在一些另外的示例中，该微芯片不在基板上方延伸，而是该微芯片的一部分（例如，单一表面或表面的一部分）被暴露，以与引入到离散微流体腔室130中的流体相互作用。

另外，在一些示例中，如图1b和图1c中所示，微芯片110的一部分可位于离散微流体腔室130内（例如，内部部分），并且该微芯片的一个或多个部分可位于该离散微流体腔室的外部（例如，外部部分）。因此，在一些示例中，不是所有暴露的表面（例如，未直接安装到基板105的表面或表面的多个部分）都被设置在离散微流体腔室内。然而，在一些示例中，该微芯片的每个暴露的表面都可被设置在离散微流体腔室内（例如，参见图2）。通常，该微芯片可按照任何合适的方式来定向，使得该微芯片或其一部分可被定位在离散微流体腔室内。这可允许引入到离散微流体腔室中的流体与该微芯片接合、接近或以其他方式与该微芯片相互作用。

如上所述，离散微流体腔室130可形成在包括盖120的内表面121和基板105的一部分的结构之间。该盖可具有各种尺寸和几何形状，这取决于该离散微流体腔室的特定应用和期望构造。通常，该盖可成形为收容微芯片110的一部分，该部分包括用于监测或操纵测试流体的有效部件。该盖大致可抵靠基板105形成流体密封，使得流体只能通过指定的入口和出口来进入和离开离散微流体腔室，该指定的入口和出口例如入口132和出口/通气口134。在一些示例中，在该微芯片的一个或多个部分从离散微流体腔室中向外延伸的情况下，该盖也可抵靠该微芯片的一个或多个区段形成流体密封。

没有特别限制入口132和出口/通气口134的定位。通常，该入口和通气口相对于彼此定位，以利于通过毛细管作用将流体引入到离散微流体腔室130中。此外，在一些示例中，该入口和通气口可相对于彼此定位，以使流体接近微芯片110或使流体与微芯片110接合，以有助于通过该微芯片的流体监测和/或操纵。

如上所述，盖120可具有多种几何形状。如图1a-1c中所示，该盖可具有矩形形状。然而，这不是必需的。对于特定应用，还可根据需要采用其他几何形状，例如椭圆形、圆形、弓形、多边形、梯形以及其他期望的几何形状。

此外，盖120可具有任何合适的外部尺寸，以收容微芯片110或其一部分。在一些具体示例中，该盖可具有从大约0.2mm至大约3mm的高度122。在其他示例中，该盖可具有从大约0.5mm至大约2mm的高度。在再其他的示例中，该盖可具有从大约1mm至大约5mm的高度。在一些具体示例中，该盖可具有从大约0.4mm至大约10mm的宽度124。在其他示例中，该盖可具有从大约1mm至大约4mm的宽度。在再其他的示例中，该盖可具有从大约10mm至大约50mm的宽度。在一些具体示例中，该盖可具有从大约0.1mm至大约60mm的长度126。在其他示例中，该盖可具有从大约1mm至大约20mm的长度。在再其他的示例中，该盖可具有从大约10mm至大约50mm的长度。

盖120的厚度128可根据微流体装置100的特定应用而变化。通常，该盖可具有从大约0.1mm至大约5mm的厚度。然而，在一些情况下，该盖可被设计得相对薄。在一些示例中，与较厚的盖相比，较薄的盖可提供增加的透光性或半透明性、从微流体腔室130的增加的散热等。在期望较薄的盖的情况下，该盖通常可具有从大约0.1mm至大约0.5mm的厚度。在其他示例中，可能期望具有更厚的盖。在一些情况下，与较薄的盖相比，较厚的盖可提供降低的透光性或半透明性、增加的隔热性等。在期望较厚的盖的情况下，该盖通常可具有从大约0.5mm至大约5mm的厚度。更进一步地，在一些示例中，可能期望具有沿盖的高度、宽度或长度或者它们的组合具有不均匀的厚度的盖。对于“不均匀的厚度”，要理解的是，该盖具有预定的厚度不均匀性，该厚度不均匀性不仅是盖制造过程的产物。因此，“不均匀的厚度”可表示盖厚度的预定差异，以实现盖的期望的结构、机械、功能或其他合适的特性。

该盖可由多种不同的材料形成。非限制性示例可包括玻璃、石英、金属、聚合物、无定形聚合物或其他合适的材料。聚合物的非限制性示例可包括聚二甲基硅氧烷（pdms）、环烯烃聚合物（cop）、环烯烃共聚物（coc）、聚对苯二甲酸乙二酯（pet）等或它们的组合。在一些示例中，该盖可包括透明或半透明材料或者由透明或半透明材料制成，所述材料例如玻璃、石英、聚碳酸酯、trivex（高级氨基甲酸乙酯聚合物）、coc等或它们的组合。在一些示例中，该盖可包括不透明材料或由不透明材料制成，所述材料例如硅、金属等或它们的组合。在一些示例中，用于制造该盖的材料可掺杂有掺杂剂，以增强热性能、光学性能、化学性能等或它们的组合。掺杂剂的非限制性示例可包括铒、alox、taox等。

该盖可按照多种方式形成。非限制性示例可包括注射模制、浇铸模制、压缩模制、蚀刻、切割、熔化、钻孔、布线等或它们的组合。

该盖可用于形成单个离散微流体腔室或者多个离散微流体腔室中的任何一个。例如，图2图示了具有基板205的微流体装置200，该基板205具有安装到其的微芯片210。另外，盖220被安装到该基板，从而在包括该盖的内表面和该基板的一部分的结构之间形成离散微流体腔室。在该特定示例中，该微芯片的整个暴露的表面位于该离散微流体腔室内。另外，屏障240已被定位在微流体腔室内，以将该离散微流体腔室细分成多个（或复数个）离散微流体腔室230a、230b。流体屏障可由任何合适的材料形成，以阻止离散微流体腔室230a、230b之间的流体流动。在一些具体示例中，该屏障可由粘合剂形成，所述粘合剂例如薄膜粘合剂、喷涂粘合剂、可就地固化的粘合剂等或者它们的组合。同样，可使用附加的屏障来将离散微流体腔室进一步细分成附加的子腔室。要注意的是，如果是这种情况，则每个子腔室内可定位该微芯片的一部分。另外，入口和通气口可与各个离散微流体腔室相关联，以利于通过毛细管作用来装载腔室。

在又一个示例中，图3图示了具有基板305的微流体装置300，该基板305具有安装到其的微芯片310。盖320也被安装到该基板。在该特定示例中，该盖已成形为在包括该盖的内表面的相应部分和该基板的对应部分的结构之间形成多个离散微流体腔室330a、330b、330c。因此，可在不使用如图2中所示的示例中采用的附加的屏障的情况下形成多个离散微流体腔室。然而，在该盖已经形成多个离散微流体腔室的情况下，仍可根据需要使用附加的屏障。还要注意的是，在该特定示例中，离散微流体腔室沿横向于该微芯片的方向定向。然而，这不是必要的。这些离散微流体腔室可相对于微芯片沿任何合适的取向定向。

还要注意的是，虽然未在图2和图3中图示，但是可通过将多个盖安装到基板来形成相同数量和定向的离散微流体腔室。单独地，该多个盖中的任何一个可例如按照已经描述的方式（例如，通过流体屏障、具有预形成的子腔室的盖等）来形成单个离散微流体腔室或多个（复数个）微流体腔室。

取决于装置中包括的离散微流体腔室的数量和装置的特定应用，离散微流体腔室的内部容积可有所变化。例如，在采用单个微流体腔室的情况下，离散微流体腔室通常可具有从大约1nl至大约100μl的容积。在其他示例中，离散微流体腔室可具有从100nl至1µl的容积。在又其他的示例中，离散微流体腔室可具有从大约1μl至大约10μl的容积。在再其他的示例中，离散微流体腔室可具有从大约500nl至大约6μl的容积。在采用多个离散微流体腔室的情况下，离散微流体腔室的组合容积通常可落在上面列举的范围内。可基于任何给定腔室所提供的组合容积的比例来计算各个腔室容积。然而，对于一些应用，离散微流体腔室的内部容积可在本文所公开的范围之外有所变化。

还要注意的是，在一些情况下，可对盖结构进行各种表面修改。例如，在一些情况下，该盖可包括外表面修改。在一些示例中，该外表面修改可包括薄膜涂层或其他外表面处理。例如，如图4中所示，微流体装置400可包括基板405、安装到该基板的微芯片410以及盖420，该盖420如本文其他地方所述安装到该基板，以形成离散微流体腔室430。在该特定示例中，该盖可具有施加于该盖的外表面的呈薄膜450的形式的修改的外表面修改。在一些示例中，可对该盖的外表面施加薄膜或处理，以改善光学性能。例如，可在该盖的外表面上沉积多种薄膜滤光器，例如抗反射膜、吸收膜、带通滤光器、光学偏振膜等或它们的组合。如本领域技术人员将认识到的，可通过将薄膜沉积到盖的外表面而赋予盖多种其他类似的光学特性。

在一些示例中，该外表面修改可有助于从离散微流体腔室散热。例如，如图5中所示，微流体装置500可包括基板505、安装到该基板的微芯片510以及盖520，该盖520如本文其他地方所述安装到该基板，以形成离散微流体腔室530。在该特定示例中，该盖可具有修改的外表面，以形成锯齿状表面。在一些示例中，锯齿状表面可有助于从离散微流体腔室散热。图5仅图示了可有助于从离散微流体腔室散热的表面修改的一个示例。如本领域技术人员将会认识到的，同样可进行许多其他外表面修改以有助于这样的散热。

在一些示例中，可对盖进行外表面修改，以提高盖的光学性能。例如，如图6中所示，微流体装置600可包括基板605、安装到该基板的微芯片610以及盖620，该盖620如本文其他地方所述安装到该基板，以形成离散微流体腔室630。在该特定示例中，该盖的外表面可被修改成包括或形成菲涅耳透镜。在一些示例中，菲涅耳透镜可增强荧光、比色（colorimetric）、生物发光、化学发光或在微流体腔室内产生的其他类似信号的强度。在一些示例中，该盖的外表面可被修改成包括或形成光导管，以将光从该盖上的一点传送到另一点。

在一些另外的示例中，该盖可包括表面修改以改善润湿性，例如，这是通过修改该盖的内部的表面能。例如，可对内部或盖进行内表面修改，以最小化或防止测试流体与盖的内表面之间的相互作用。例如，这样的修改可包括施加表面涂层（例如，“不粘”涂层）或处理（例如，硅烷处理）。例如表面能修改之类的表面修改可通过多种合适的方法来执行，例如通过uv处理、等离子体处理、臭氧处理等或它们的组合。也可在将盖安装到基板之前、在将盖安装到基板之后或者以它们的组合来执行通过涂层或处理的修改。

为了制造该微流体装置，微芯片可被安装到基板。盖也可被安装到该基板，以在包括该盖的内表面和该基板的一部分的结构之间形成离散微流体腔室。该盖可包括相对于彼此定位的入口和通气口，以利于通过毛细管作用将流体装载到该离散微流体腔室。该离散微流体腔室可包括该微芯片的一部分（例如，该微芯片的一部分可位于该离散微流体腔室内）。

该微芯片可按照任何合适的方式来安装到该基板，例如使用引线接合、管芯接合、倒装芯片安装、表面安装互连等或者它们的组合。

该盖也可按照多种方式来安装到基板。通常，可使用能够在盖和基板之间形成流体密封的任何安装过程。这可制备离散微流体腔室，该微流体腔室仅允许流体在指定的入口和出口位置处进入和离开该腔室。在一些具体示例中，将盖安装到基板可通过经由粘合剂将盖粘附至基板来执行。在一些示例中，该粘合剂可以是可固化的粘合剂。如此，在一些示例中，安装可包括通过电磁辐射、热、化学试剂等或它们的组合来固化粘合剂。合适的粘合剂的非限制性示例可包括环氧粘合剂、丙烯酸类粘合剂等或它们的组合。在其他示例中，盖可通过激光焊接、超声波焊接、热超声焊接等或它们的组合来安装到基板，以将盖直接安装到基板。

作为单个示例，可通过将例如硅微芯片之类的微芯片安装到基板来制备微流体装置。然后，盖结构被安装到基板，以覆盖该硅微芯片的一部分，或者在一些示例中覆盖该硅微芯片的大部分，以绕该硅微芯片形成离散微流体通道。可在该盖结构的相对端中形成入口和通气口，以利于通过毛细管作用来装载该离散微流体通道。例如，该盖可由玻璃或本文所述的任何其他材料制成。在一个示例中，该盖的外部尺寸可如下：~2mm的宽度、~0.7mm的高度和~20mm的长度。在一个示例中，该盖的内部尺寸可如下：~0.6mm的宽度、~0.4mm的高度和~20mm的长度。该盖可由具有大约4µl的内部容积的单个腔室形成。也可使用其他尺寸、材料等，但这提供了可根据本公开制备的微流体装置的一个具体示例。

本文所述的微流体装置可用于评估测试流体，例如，这是通过将测试流体引入到本文所述的微流体装置的离散微流体腔室中。该微流体装置可包括基板、安装到该基板的微芯片以及安装到该基板的盖。该盖可在包括该盖的内表面和该基板的一部分的结构之间形成离散微流体腔室。该盖还可包括相对于彼此定位的入口和通气口，以利于通过毛细管作用将流体装载到该离散微流体腔室。该离散微流体腔室可包括该微芯片的一部分（例如，该微芯片的一部分可位于该离散微流体腔室内）。

将测试流体引入到该离散微流体腔室中可按照多种方式来执行。例如，在一些情况下，引入测试流体可包括将多个测试样品的等分试样引入到形成在包括该盖的内表面的相应部分和该基板的对应部分的结构之间的分开的微流体腔室。这些分开的微流体腔室可包括微芯片的不同部分，例如，微芯片的不同部分可被定位在任何分开的微流体腔室内。可替代地，样品测试流体的多个等分试样可被引入到任何分开的离散微流体腔室中。分开的微流体腔室可由共同的盖或分开的盖形成，如本文其他地方所述。当然，引入测试流体也可包括将测试流体的等分试样引入到单个离散微流体腔室中，而不是引入到多个分开的离散微流体腔室。另外，取决于特定的应用，该测试流体可以是液体、气体或它们的组合。

可按照多种方式来评估测试流体。例如，在一些情况下，评估可包括光学评估、热评估、电化学评估等或它们的组合。在评估测试流体中采用的传感器可以是外部传感器或内部传感器（例如，与微芯片结合）。在一些示例中，可采用外部传感器和内部传感器的组合来评估样品。如本领域技术人员将会认识到的，可使用各种各样的传感器，例如光电二极管、热电偶、电极等或它们的组合。

要注意的是，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式"一"、"一个"、"一种"、“该”和“所述”包括复数个所指对象，除非内容另有明确指示。

如本文所使用的，术语“大约”用于通过规定给定值可“略高于”或“略低于”端点来为数值范围的端点提供灵活性。该术语的灵活性程度可由特定变量来决定，并且可基于经验和本文中的相关描述来确定。

如本文所使用的，为了方便，可在共同的列表中呈现多个物件、结构元件、组成元件和/或材料。然而，这些列表应被解释为好像列表中的每个成员都被单独地识别为单独且唯一的成员。因此，该列表中的任何单个成员都不应仅基于它们在共同组中的呈现而没有相反指示而被解释为实际上是相同列表中的任何其他成员的等同形式。

浓度、尺寸、量和其他数值数据可在本文中以范围形式呈现。要理解的是，这样的范围形式仅为了方便和简洁而使用，并且应当被灵活地解释为不仅包括明确列举为范围的极限的数值，而且还包括该范围内包含的所有单个数值或子范围，就好像每个数值和子范围都被明确地列举一样。例如，重量百分比为大约1%至大约20%的重量比范围应当被解释为不仅包括明确列举的重量百分比为1%和大约20%的极限，而且还包括：单独的重量，例如重量百分比为2%、11%、14%等；以及子范围，例如重量百分比为10%至20%、5%至15%等。

下面说明本公开的示例。然而，要理解的是，该示例仅例示或说明了本公开的原理的应用。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可设计出许多修改和替代性组成、方法和系统。所附权利要求旨在覆盖这样的修改和布置结构。