專利名稱：使用微流體設(shè)備的送液裝置和送液方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流體設(shè)備及使用該微流體設(shè)備的裝置系統(tǒng)。本 發(fā)明還涉及使用微流體設(shè)備的送液方法。
背景技術(shù)：
目前引人注目的MEMS (微機電系統(tǒng))技術(shù)領(lǐng)域包括生物分析、 環(huán)境分析和化學綜合。微流體設(shè)備或所謂的pTAS (微整體分析系統(tǒng)) 被認為是對于這種分析和綜合有用的設(shè)備?！刮⒘黧w設(shè)備通過在通常由半導(dǎo)體、玻璃、陶瓷或塑料構(gòu)成的基片 內(nèi)提供流路(fluid channel)而形成，使可作為要分析的樣本或者作為 要用于化學綜合的材料的液態(tài)物質(zhì)在流路中流動以供適當?shù)姆治龌蚓C 合。存在對能夠降低溶劑、樣本和反應(yīng)物的用量并實現(xiàn)更快的反應(yīng)速 度從而與常規(guī)分析方法或批量處理相比充分利用微尺度優(yōu)勢的設(shè)備、 以及使用這種設(shè)備的裝置系統(tǒng)的需求。用于微流體設(shè)備的已知送液方法包括那些使用壓電設(shè)備的方法 (鈴木孝明等人，The 10th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences QiTAS2006),第1巻，第 131-133頁)。圖5是一種用于送液的已知結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。在圖5中，附圖 標記100表示微流體設(shè)備。流路110在微流體設(shè)備100內(nèi)部形成，而 固定的壁120和可移動的壁130形成為流路壁。可移動的壁130帶有 多個突出部分135,壓電設(shè)備140 ^L置在突出部分135處。當施加到 相應(yīng)壓電i殳備140上的電壓相位隨時間變化時，壓電i殳備140如圖5 所示垂直振蕩。隨后，作為結(jié)果，在可移動的壁130上產(chǎn)生一個行波。流路IIO中的液體可以通過利用所述行波被輸送，同時,皮攪動。
更具體地說，由于在流路110中發(fā)現(xiàn)并被驅(qū)動以在圖5所示的x 和y方向上(或者在三維情況下還在z方向上)運動的液體運動凈皮平 均，作為結(jié)果，流路IIO中的液體被驅(qū)動以在所述行波的方向上運動。 因此，通過控制施加到相應(yīng)壓電i殳備140的電壓以產(chǎn)生在所希望的送 液方向上的行波，液體可以在所希望的送液方向上纟皮輸送。 然而，上面所描述的已知技術(shù)帶來下述問題。
通過使用行波的送液方法，其結(jié)果是液體被驅(qū)動以沿著送液方向 前后運動，直至它被驅(qū)動以在行波的方向上移動。因而，這種送液方 法的送液效率不是像所需要的那樣高。為了提高送液效率，最好是在 更小的程度上驅(qū)動液體前后運動。為了這個目的，壓電設(shè)備140應(yīng)當 如此振蕩，從而以較低的頻率和較大的振幅生成行波。然而，這樣做 是很難的，因為每個壓電設(shè)備140能夠表現(xiàn)出的位移是非常小的。
此外，需要大量的壓電設(shè)備140來產(chǎn)生行波。這樣，就需要引入 許多信號發(fā)生器和放大器。作為結(jié)果，用于實現(xiàn)微流體設(shè)備100的結(jié) 構(gòu)可能會變得很大且成本昂貴。另外，由于壓電設(shè)備140直接設(shè)置在 微流體設(shè)備100中，微流體設(shè)備100本身就是高價格的。
最后，微流體設(shè)備100表現(xiàn)出很大尺寸，這反映了設(shè)置在其中的 壓電設(shè)備140的數(shù)目。

發(fā)明內(nèi)容
因此，考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種緊 湊和較為廉價的送液裝置，其提高了送液效率，以及提供一種使用這 種裝置的送液方法。
根據(jù)本發(fā)明，上述目標通過提供一種用于驅(qū)動液體在微流體設(shè)備 的流路中運動的送液裝置來實現(xiàn)，其包括具有多個電能-機械能轉(zhuǎn)換設(shè) 備的振動體和用于把至少兩個電壓信號施加給該振動體的信號發(fā)生
器，在施加電壓信號時使所述的至少兩個電壓信號(A)在頻率和相 位方面同步，并且(B)在同一頻率下以不同相位被振幅調(diào)制。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種驅(qū)動液體在微流體設(shè)備的流路中 運動的送液方法，其包括把至少兩個電壓信號施加給具有多個電能-
機械能轉(zhuǎn)換設(shè)備的振動體的步驟，使所述的至少兩個電壓信號(A) 在頻率和相位方面同步，并且(B)在同一頻率下以不同相位,皮振幅 調(diào)制。
這樣，根據(jù)本發(fā)明，液體可以高效地被輸送。與任何已知裝置相 比，根據(jù)本發(fā)明的送液裝置都是緊湊和更為廉價的。
本發(fā)明的其它特征將通過下面參照附圖對示例性實施例的描述 而變得更加清楚。


圖l是第一個實施例的示意框圖。
圖2A和2B是示出了第一個實施例中的送液裝置的振幅調(diào)制和 信號相位關(guān)系、以及該裝置的壁表面的形變的圖示。 圖3是示出了諧振頻率的圖示。 圖4是對第二個實施例進行初始化的過程的流程圖。 圖5是現(xiàn)有技術(shù)的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將通過參照示出了本發(fā)明實施例的附圖更詳細地描述本發(fā)明。
[第一實施例
下面將參照圖l來描述本發(fā)明的第一個實施例。 在圖1中，附圖標記1表示微流體設(shè)備。微流體設(shè)備1帶有流路 2。樣本或反應(yīng)物通過流路2被輸送。同時，在流路2中所述樣本或反 應(yīng)物可以被混合和攪動，或者溶劑中的樣本可以被分離。在圖1中， 附圖標記3表示超聲波定子，它作為具有多個電能-機械能轉(zhuǎn)換設(shè)備的 振動體工作。典型地，可用在超聲電機中的環(huán)形定子可以用作超聲波 定子。附圖標記4表示信號發(fā)生器，它能夠生成具有可變的相位、頻率和振幅的電壓信號。附圖標記5a和5b分別表示第一放大器5a和第 二放大器5b，它們用于放大由信號發(fā)生器4所生成的電壓信號，并把 通過放大所生成的信號得到的電壓信號施加到超聲波定子3使其振 蕩。超聲波定子3借助保持部6與微流體設(shè)備1的流路2的一部分保 持緊密接觸。微流體設(shè)備1能夠借助所述保持部由該電振動體可拆下 地保持。附圖標記7表示用于把微流體設(shè)備1輸送到保持部6并從保 持部6收集微流體設(shè)備1的搬送單元。
正常情況下，信號發(fā)生器4輸出具有在下述狀態(tài)下諧振的頻率的 信號在該狀態(tài)下超聲波定子3借助保持部6保持微流體設(shè)備1并借 助放大器5放大信號以使超聲波定子3振蕩。超聲波定子3是一種裝 配有振動源的結(jié)構(gòu)，該振動源表現(xiàn)出兩個相位，并具有作為電能-機械 能轉(zhuǎn)換設(shè)備的壓電設(shè)備(通常對于每個相位有多個壓電設(shè)備)，信號 發(fā)生器4經(jīng)由兩個信道輸出具有彼此相同的頻率且相位同步的信號， 這兩個信道上的信號分別通過第一放大器5a和第二放大器5b來放大。
現(xiàn)在，下面將參照圖2A和2B來描述在輸送液體時由信號發(fā)生 器4所生成的信號。
圖2A示出了信號發(fā)生器4在輸送液體時所生成的電壓信號波形。 信號發(fā)生器4輸出兩個信道上的信號作為電壓信號，每個信號都進行 周期性的振幅調(diào)制(AM)。
在圖2A中，水平軸表示時間，豎直軸表示電壓信號。在圖2A 中，實線繪出實際電壓信號的波形，而虛線繪出經(jīng)過振幅調(diào)制后的電 壓信號的波形。如從圖2A的電壓信號波形所看到的，這兩個信道的 原始電壓信號分別具有彼此相同的頻率和同步的相位，而經(jīng)過振幅調(diào) 制后的電壓信號的相位彼此不同。圖2A表明，第一相位的經(jīng)過振幅 調(diào)制后的電壓信號與第二相位的經(jīng)過振幅調(diào)制后的電壓信號表現(xiàn)出 卯。的相位差。通過這種設(shè)計，超聲波定子3的振蕩波形可以將由同步 的兩個信號所生成的駐波轉(zhuǎn)換成一個行波，最大幅度的該行波位移在 一個方向上移動。如圖2B中所示，限定了微流體設(shè)備1的流路2的 壁表面的流路壁2a和2b能夠以基于振幅調(diào)制頻率的低頻率使其形變在一個預(yù)定方向上移動。隨著壁表面的形變進行，流路內(nèi)的液體在行
進方向上被向前推動，因而使得液體運動。流路的較低的壁2b由超聲 波定子3 (未示出)借助保持部6保持。盡管在圖2B中流路的較高的 壁2a被表示為固定的壁，但本發(fā)明并不限于此，作為替代，它也可以 被設(shè)置為使得當振蕩從超聲波定子(未示出)被傳遞到較高的壁2a時， 較高的壁2a也發(fā)生形變。
現(xiàn)在，下面將描述如何控制流路中液體的流率或流速。流率或流 速根據(jù)所生成的行波的行進速度和頻率或者根據(jù)行波的振幅而變化。
為了該實施例的目的，最好是振幅調(diào)制的頻率以及行波的驅(qū)動電 壓(平均振幅)都受到調(diào)節(jié)，以便根據(jù)輸送液體所需的流率或流速控 制行波的行進速度和頻率。為了停止輸送液體的操作，可以在需要停 止操作時將振幅調(diào)節(jié)為變成恒定，或者可以在需要停止操作時停止電 壓信號的施加。
優(yōu)選的是，要施加給超聲波定子的電壓信號值為10至200V，超 聲波信號的頻率為10至lMHz，而振幅調(diào)制的頻率為10至1000Hz, 振幅調(diào)制的調(diào)制電壓(最大振幅的位移差)為10至200V，但本發(fā)明 并不限于此。
更為優(yōu)選的是，電壓信號值為20至50V，超聲波信號的頻率為 20至100kHz，而振幅調(diào)制的頻率為50至500Hz，振幅調(diào)制的調(diào)制電 壓為5至50V。
這樣，如上所述借助圖l所示的配置，以經(jīng)過調(diào)節(jié)的頻率在;f艮大 程度上變形的駐波可以被驅(qū)動而發(fā)生移動，從而當以圖2A和2B所示 的方式生成信號時提高了送液效率。
此外，由于液體可通過雙信道信號發(fā)生器4被輸送，該裝置系統(tǒng) 可以被緊湊和更為廉潔地制造。
當微流體設(shè)備1適合由保持部6可拆下地保持時，微流體設(shè)備1 本身不需要作為驅(qū)動源工作的壓電設(shè)備。此時，微流體設(shè)備l的尺寸 可以縮小，并以低成本制造。
盡管在這個實施例中采用了圖l所示的兩相環(huán)形定子，但作為替代，也可以采用三相環(huán)形定子。作為替代，還可以用線性定子。
美國專利公開文獻No. 2004/0256951爿^開了超聲波定子的具體配 置，本發(fā)明可以采用上面引用的專利文獻中所公開的任何配置。
本發(fā)明與現(xiàn)有超聲電機技術(shù)的顯著不同在于，本發(fā)明采用了兩個 同步的電壓信號，并且液體被驅(qū)動以在行波的行進方向上運動。
[第二實施例I
根據(jù)本發(fā)明采用振幅調(diào)制的送液方法通過參照圖l和圖2A、 2B 針對本發(fā)明的第一個實施例進行了描述。信號發(fā)生器4輸出具有在下 述狀態(tài)下諧振的頻率的信號在該狀態(tài)下超聲波定子3借助上面針對 第一實施例所述的保持部6保持微流體設(shè)備1。信號的諧振頻率可如 圖3所示根據(jù)微流體設(shè)備1的特性以及它所保持的情況而變化。下面 將參照圖4針對確定下述狀態(tài)下的諧振頻率的方法來描述第二實施 例，在該狀態(tài)下超聲波定子3借助保持部6保持^t流體設(shè)備1,以提 高輸送效率。
圖4是對諧振頻率進行初始化的過程的流程圖。參照圖4， Sl表 示借助保持部6保持微流體設(shè)備1的保持步驟。S2表示定義從信號發(fā) 生器4輸出的信號頻率使其在超聲波定子3借助保持部6保持微流體 設(shè)備1的狀態(tài)下諧振的頻率調(diào)節(jié)步驟。S3表示對重試保持步驟Sl和 頻率調(diào)節(jié)步驟S2的次數(shù)進行計數(shù)并判斷重試次數(shù)是處于規(guī)定次數(shù)內(nèi) 還是超出規(guī)定次數(shù)的重試次數(shù)確定步驟?，F(xiàn)在，下面將更詳細地描述 這些步驟。
Sl:保持步驟
微流量設(shè)備1借助搬送單元7被輸送并通過保持部6保持在超聲 波定子3上。
S2:頻率調(diào)節(jié)步驟
信號發(fā)生器輸出具有恒定振幅的正弦波形并觀測諧振波的振幅， 同時改變正弦波的頻率。該振幅可通過設(shè)置壓電i殳備以測量超聲波定 子3上的位移并觀察其輸出來觀測。作為替代，可以設(shè)置諸如激光多 普勒位移計這樣的非接觸式位移計來觀測該振幅。；敝流體設(shè)備1可以被選擇作為振蕩觀測位置，或者可選地作為該裝置系統(tǒng)的一部分以使
得超聲波定子3或者保持部6可選擇作為振蕩觀測位置。使振幅最大 化的頻率被選擇作為諧振頻率。優(yōu)選的是，這一步驟可以重復(fù)多次， 以確保諧振頻率和振幅的可再現(xiàn)性。步驟S2的重復(fù)被稱作"重試"。 由于特性導(dǎo)致的諧振頻率的差應(yīng)當位于一定范圍內(nèi)，因而當在這樣的 范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)這些差時表明成功執(zhí)行了該步驟。從信號發(fā)生器輸出的信 號的頻率被定義為諧振頻率，該初始化步驟結(jié)束。當由于特性而導(dǎo)致 的諧振頻率差超出了預(yù)定范圍時執(zhí)行下一個步驟，或者說是重試次數(shù) 確定步驟(S3)。
當由于特性所導(dǎo)致的諧振頻率的差超出了預(yù)定范圍時，可確保諧 振頻率和振幅的可再現(xiàn)性，并可以檢查由于特性所導(dǎo)致的差是否處于 該預(yù)定范圍內(nèi)，而不是立即執(zhí)行重試次數(shù)確定步驟(步驟S3)。
S3:重試次數(shù)確定步驟
當諧振頻率超出了表明由于特性所導(dǎo)致的差的范圍或者諧振頻 率和振幅的可再現(xiàn)性很差時，確定頻率調(diào)節(jié)步驟(步驟S2)被執(zhí)行的 次數(shù)。頻率調(diào)節(jié)步驟(步驟S2)被執(zhí)行的次數(shù)被定義為重試次數(shù)。當 重試次數(shù)小于預(yù)定的數(shù)目時，微流量設(shè)備1通過保持部6和搬送單元 7被保持的狀態(tài)被解除。隨后，該過程從保持步驟(步驟S1)重新開 始。該過程重新開始是因為微流量設(shè)備1可能還沒有由超聲波定子3 正確保持。如果是這樣的話，微流量設(shè)備l由超聲波定子3保持的狀 態(tài)可能比沒有當微流量設(shè)備1由超聲波定子3保持的狀態(tài)被釋放和再 次保持時更為頻繁地得到糾正。然而，當重試次數(shù)超出了預(yù)定數(shù)目時， 微流量設(shè)備1很可能沒有就位，從而使得初始化過程由于過度重試狀 態(tài)而被中止。隨后，微流量設(shè)備l由搬送單元7收集。
為諧振所選擇的頻率的精度在下述狀態(tài)下得以提高在該狀態(tài)下 作為上述初始化過程的結(jié)果，微流量設(shè)備1通過保持部6被保持，從 而可以進一步提高送液效率。由于振幅可以當電壓信號在頻率調(diào)節(jié)步 驟(S2)中諧振時被檢測出來，所輸送的液體的流率或流速可通過調(diào) 節(jié)電壓信號的輸出電平而得以控制?，F(xiàn)在，將通過一個表明了本發(fā)明的效果的例子進一步描述本發(fā)明。
(例1 )
在這個例子中提供了具有如圖l所示配置的裝置。該例中的微流
量設(shè)備通過在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)內(nèi)形成流路而提供。所述 流路橫截面的高度為0.5 mm,寬度為2mm，從所述流路的橫截面中 心之間看去，環(huán)形的流路具有76 mm的直徑。把0.238 ml水導(dǎo)入到準 備好的流路中。30kHz的電壓信號被同步，并被分別施加到第一和第 二相上以產(chǎn)生諧振。這樣，可以針對這個例子中的配置來查看諧振頻 率。通過上述配置，諧振頻率可以限定在30至32kHz之間。
選擇100 Hz的頻率用于振幅調(diào)制，并借助PIV (粒子成像測速 場儀)觀測水的流速。計算出由100Hz振幅調(diào)制所產(chǎn)生的行波的速度 為2.5 m/s。輸入電壓值(Vcc)被設(shè)定為40V。作為結(jié)果，液體能夠 4皮驅(qū)動以10 mm/s的平均流速流動。
當向第一和第二個31 kHz的行波施加40V的輸入電壓值而不進 行振幅調(diào)制時，液體的平均流速約為1 mm/s，從而確i/v了才艮據(jù)本發(fā)明 的振幅調(diào)制的效果。
本發(fā)明并不限于上面的實施例，可以在本發(fā)明的主旨和范圍內(nèi)做 出多種變化和改動。因此，后面的權(quán)利要求是為了說明本發(fā)明的公開 范圍而給出的。
本申請要求2007年4月3日所提交的日本專利申請No. 2007-097491的優(yōu)先權(quán)，其在這里通過參考整體并入。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動液體在微流體設(shè)備的流路中運動的送液裝置，包括具有多個電能-機械能轉(zhuǎn)換設(shè)備的振動體；和用于把至少兩個電壓信號施加給該振動體的信號發(fā)生器，在施加電壓信號時使所述的至少兩個電壓信號(A)在頻率和相位方面同步，并且(B)在同一頻率下以不同相位被振幅調(diào)制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的送液裝置，還包括被設(shè)置為與所述振 動體相接觸的保持部，所述微流體設(shè)備的流路部分地借助該振動體和 所述保持部被保持。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的送液裝置，還包括用于放大從所 述信號發(fā)生器輸出的所述至少兩個信號的放大器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的送液裝置，其中所述振動體是具有兩 相振動源的超聲波定子，用于生成超聲駐波振蕩。
5， 一種驅(qū)動液體在微流體設(shè)備的流路中運動的送液方法，包括 把至少兩個電壓信號施加給具有多個電能-機械能轉(zhuǎn)換設(shè)備的振動體 的步驟，使所述的至少兩個電壓信號(A)在頻率和相位方面同步， 并且(B)在同一頻率下以不同相位被振幅調(diào)制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的送液方法，還包括 借助被設(shè)置為與所述振動體相接觸的保持部保持所述微流體設(shè)備的保持步驟；以及通過由信號發(fā)生器輸出具有恒定的振幅和變化的頻率的正弦波 同時觀測所述微流體設(shè)備和/或用于驅(qū)動液體的裝置系統(tǒng)的一部分的 振蕩來確定諧振頻率的頻率調(diào)節(jié)步驟。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的送液方法，其中所述頻率調(diào)節(jié)步驟的 重試被重復(fù)多次，并當發(fā)現(xiàn)所確定的諧振頻率和振幅位于預(yù)定范圍內(nèi) 時結(jié)束對諧振頻率的確定。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的送液方法，其中當所確定的諧振頻率和振幅超出所述預(yù)定范圍時，對重試次數(shù)進行計數(shù)，使得當重試次數(shù) 小于預(yù)定數(shù)目時執(zhí)行所述保持步驟，而當重試次數(shù)不小于該預(yù)定數(shù)目 時，通過保持部所保持的微流體設(shè)備借助搬送單元被收集，并再次執(zhí) 行對重試次數(shù)進行計數(shù)的步驟。
全文摘要
用于控制微流體設(shè)備的流路中的液體的裝置系統(tǒng)，具有用于輸送液體的超聲波振動體。該超聲波振動體以振幅調(diào)制進行振蕩。該裝置系統(tǒng)具有用于把所述微流體設(shè)備保持在所述超聲波振動體上以允許微流體設(shè)備可拆下地裝配到其上的保持部。還提供了提高送液效率的送液方法和送液單元。
文檔編號G01N35/08GK101652661SQ20088001065
公開日2010年2月17日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者時田俊伸, 藤本幸輔 申請人:佳能株式會社