[发明专利]微流体装置

说明书

本发明涉及一种微流体装置，其包括至少一个磁性形状记忆(MSM)材料的元件(1)，用于处理流体流，该MSM元件(1)由磁场控制。该装置包括在已处理流体和MSM元件(1)之间的弹性材料(2)，并且磁场被布置为形成MSM元件(1)的局部收缩，该MSM元件(1)与弹性材料(2)一起在将磁场施加到MSM元件的位置处形成收缩腔(3)。优选地，微流体装置连接至芯片实验室，并且其可以用作以下之一：泵、真空泵、压缩机、冰箱、阀、歧管、推土机、混合器。

技术领域

本发明涉及在诸如芯片实验室和化学微反应器的微型器件中的流体控制领域。即时诊断已经是近400亿美元的业务，并且其年增长率约为20％。然而，由于缺少可集成在芯片实验室中的泵和其他流体处理装置，阻碍了发展。当前，这些组件中的大多数是放置在微流体芯片外部的单独的设备。本发明涉及一种流体处理装置，例如泵、压缩机、推土机、阀、歧管或混合器，其可以是独立的装置或者被集成在微流体芯片中。本发明极大地简化了例如在生物医学、电子学和化学应用中使用的微流体装置。

背景技术

由于小规模处理流体的许多优点，微流体学领域近年来发展迅速。这些优点包括减少样品和试剂的使用、更高的灵敏度、更短的处理时间和纳升体积的精确计量。MEMS技术及其制造方法的先进性是这种发展的驱动力。重要的微流体市场是即时诊断、生物医学研究、芯片实验室测试、化学微反应器和电子元件热管理。

为了解决微流体中流体处理的关键挑战，已经进行了重大研究，该研究已被确定为相对不发达的微流体组件。当前的研究主要集中在利用压电驱动器的位移微型泵和利用电流体动力或电渗透流体传输的动态微型泵。理想的流体处理解决方案应具有以下特征：a)其应是坚固且性能可靠的。b)其应该很简单，外部连接最少。c)其应该使整个设备的尺寸最小化。前述技术各自具有其自身的缺点，例如，压力产生不足、被动止回阀、高压需求、对流体特性的依赖、或者复杂的设计和制造。传统的泵送技术中发现的机械部件，例如止回阀和柔性隔膜，显著地增加了微型泵的复杂性，并且使得将这些泵送技术集成到芯片实验室装置中变得更加困难。

磁性形状记忆(MSM)合金Ni-Mn-Ga具有多种特性，使其成为用于微器件制造的合适材料。通过称为孪晶的过程，MSM合金的晶体结构可以通过转换来自所施加磁场的能量而重新定向。足够强度的磁场使单位晶格的易结晶轴c沿磁场方向对齐，从而增加了c轴沿磁场方向对齐的孪晶变体的比例。MSM材料能够从磁场感生应力中产生较大(高达10％)的应变，该应变可以被精确地控制；并且其具有较短的致动时间。被施加到MSM元件的一部分的磁场使元件中产生局部收缩。该场可以由永磁体产生。如果磁体绕其对称轴旋转，则收缩沿元件行进。由于该技术由磁场驱动，因此该装置可以是无接触的。在专利US 9,091,251 B1(2015年7月)以及出版物Ullakko等人的“Smart Mater.Struct.21(2012)115020(10pp)”和Baker等人的“Journal of Medical Devices,Vol.10,December 2016,DOI:10.1115/1.4034576”中描述了在通过永磁体的旋转而形成的MSM元件的收缩中携带流体的微型泵。在现有的MSM微型泵中，MSM元件与泵送流体接触。现有泵的一个缺点是MSM元件的表面永远无法是完全平坦的，这不利于密封。即使奥氏体MSM元件的表面最初被制成平坦和光滑的，但是在马氏体中该表面还是会发生扭结，因为在10M、14M或非层状马氏体的不同变体之间分别存在3.5、6或约10度的角。在图1的插图中示出了扭结。本MSM泵解决方案的第二个缺点是，由于MSM元件表面的平移运动小，扭结角抵靠泵的底板的锐线接触导致在泵操作期间元件的局部磨损和变形。这导致对孪晶边界运动的阻塞，从而导致泵送流量逐渐减小，并最终导致停止运行。磨损是设备长期运行中的主要问题。为了使泵正常运行并获得足够的密封，接触表面应光滑，并且MSM元件表面不应接触底板，以防止磨损和变形。在当前的泵解决方案中，制造具有小的公差的高平面表面的MSM元件是困难且昂贵的。

发明内容