CN101449089A - 用于微流控器件和处理器的多路复用自锁阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于微流控器件的隔膜阀和自锁阀结构。可以使用多路复用器来寻址自锁阀结构。可使用隔膜阀和自锁阀结构来形成包括处理器在内的气动逻辑线路。

Description

用于微流控器件和处理器的多路复用自锁阀
相关申请的交叉引用
本发明根据美国35 U.S.C.119(e)条款要求2006年3月22日提交的序列号为60/785,005(代理人案号UCALP066P)的标题为“用于复杂微流控器件和处理器的多路复用自锁阀”的美国临时专利申请，其内容通过引用而全部结合于本文。
技术领域
本发明涉及微流控结构。在一例中，本发明涉及控制微流控流动和可加以组合来执行复杂气动逻辑运算的隔膜阀与结构。
背景技术
现代微流控分析器件相对于早期的单通道、单步骤器件已经有了相当大的发展。高度并行多通道器件目前通过同时执行数百个分析测定来增加通量，片上实验室(lab-on-a-chip)器件目前将复杂的多步制备和分析操作集成到单个便携式分析仪中。密集地在芯片上同时集成串行和并行操作的器件预期可大大地减少执行多种分析测定所需的时间和资源。例如，在基因领域中，将诸如基因菌落筛选(colonypicking)、排序样本扩增、纯化以及电泳分析等操作集成到高通过量并行平台中，这将在总的排序时间和成本上产生显著的减少。
此目的之实现因缺少适于在高度串行、高度并行微器件中使用的阀、泵技术而进展缓慢。这些器件可能需要数百个阀被并行地驱动，同时另外数百个阀逐个地被驱动，这是一组极其苛刻的要求。过去该解决方案的一部分通过单片隔膜阀和泵来实现，它们能够以密集的阵列制造，并由集成的气动通道并行地驱动。但是，每个独立的单片隔膜阀或每组阀需要专用的可转换压力源/真空源(通常为电磁阀)和对微流控器件的单独气动连接。电磁阀的功耗、成本和尺寸排除了大量使用它们的可能性，且过多的对微流控器件的气动连接会浪费有用的芯片空间。
可以用单个控制信号在如下情况下控制若干片上阀门，如果1)使用多路分配器来寻址要打开或关闭的阀门，以及2)每个阀保持锁闭在其当前状态(打开或关闭)直到将其设置成新状态为止。现有锁闭微阀门使用双稳态的波纹隔膜或磁铁来控制流体。这些基于硅或聚合物的阀门对于许多片上实验室(lab-on-a-chip)分析测定在化学上和物理上是不稳定的，制造复杂，且不容易排列来实现并行或多路驱动。先前的多路分配器考虑到阵列中个别微反应器的寻址，但是无法进行更有用的对独立阀门的任意控制。而且，先前采用的行/列寻址方法对器件的几何形状存在很大的限制，并将n控制线可寻址的微反应器的数量限于仅为2(n/2)。
发明内容
在一个方面中，本发明的特征在于一种微流控自锁阀结构。该自锁阀结构包括至该结构的输入和至少三个隔膜阀。每个阀包括阀输入端、阀输出端和阀控制端。弹性体隔膜配置成对阀控制端施加的压力或真空使得隔膜偏离而调节通过阀门的流体。这些阀门中的两个连接到第三阀，以使得在到该结构的输入端处有足够真空而使第三阀打开，而当真空被撤除时第三阀保持打开，以及使得在到该结构的输入端处有足够的压力使第三阀关闭，且在压力被撤除时第三阀保持关闭。
本发明的多种实现可以包括如下的一个或多个特征。自锁阀结构配置成可控制到片上微流控分析器件的流体流动。自锁阀结构配置成可控制微流控器件的分析测定的流体过程。该自锁阀结构还包括多路分配器，该多路分配器配置成可控制被构造成进行分析测定的自锁阀的阵列。
在另一个方面中，本发明的特征在于一种微流控逻辑线路。该逻辑线路包括隔膜阀阵列。每个阀包括阀输入端、阀输出端、阀控制端以及弹性体隔膜，其中压力或真空可以使得隔膜偏离而调节通过阀门的流体流动。隔膜阀以流体连通的方式彼此连接，使得在逻辑上对至该阵列的气动输入进行操作以产生气动输出。
本发明的多种实现可以包括如下的一个或多个特征。隔膜阀阵列包括配置成用来形成AND门或OR门的两个隔膜阀。隔膜阀阵列配置成用来形成NAND门或XOR门。隔膜阀阵列配置成可形成缓冲器线路。隔膜阀阵列配置成可形成脉动进位加法器(ripple carrier adder)。
本发明可以包括如下优点的其中一个或多个优点。可以由小数量的气动线来独立地控制大数量的多路复用自锁阀结构，从而减少微流控片上实验室器件的尺寸、功耗和成本。即，自锁阀结构可以利用最少的芯片至世界气动接口(chip to world pneumatic interface)来控制微流控流动体。这包括但不限于多路复用器。这些结构还能够实现气动逻辑处理器的开发。可以将单片阀门和结构配置成作为气动数字逻辑电路中的晶体管来工作。使用具有N-通道MOSFET的模拟，气动驱动的微阀门的网络可以提供气动数字逻辑门(AND、OR、NOT、NAND和XOR)。这些逻辑门可以进行组合来形成复杂的逻辑电路，例如脉动进位加法器。本发明还能够实现不受电磁干扰的数字气动计算和逻辑系统的开发。
以下，本发明的说明书以及附图将更详细地呈示本发明的这些和其他特征及优点，说明书和附图通过举例来说明本发明的原理。
附图说明
可以通过结合说明本发明实施例的附图并参考下文描述来最佳地理解本发明。
图1是隔膜阀的示意分解图。
图1B是组装的隔膜阀的示意图。
图1C和1D是分别在关闭位置和打开位置示出的图1B中组装的阀门的示意剖面图。
图2是真空锁闭(V锁闭)阀结构的组装的示意图。
图2B是图2A的组装的V自锁阀结构的示意图。
图3A和3B分别是V自锁阀和PV自锁阀的结构和操作的示意图。
图4A是通过持续时间变化的真空和压力脉冲而设为打开和关闭的V自锁阀的流速的曲线图。
图4B是在通过120毫秒的压力或真空脉冲将其锁闭而关闭或打开之后通过同一个V自锁阀的流速的曲线图。
图5A是通过对应于流体压力打开和关闭的PV自锁阀的流速的曲线图。
图5B是使用不同持续时间的压力/真空脉冲来打开和关闭该阀门时通过该同一个PV自锁阀的流速的曲线图。
图5C是5秒的压力或真空脉冲之后顶住17kPa的流体压力而保持阀门关闭或打开通过该同一个PV自锁阀的流速的曲线图。
图6A是寻址16个独立V自锁阀的4位二进制多路分配器的示意图。
图6B是表示在16个可能寻址操作中的4个操作期间、图6A的多路分配器的示意图。
图7是表示使用二进制计数顺序来寻址V自锁阀时的操作中图6A的多路复用自锁阀器件的视频帧示意图。
图8A是示出使用格雷码顺序操作多路分配器时的操作中图6A的多路复用自锁阀器件的视频帧示意图。
图8B是根据图8A所示的驱动模式来操作所有16个自锁阀时获得的通过翻转的自锁阀3的流速的曲线图。
图9A和9B分别是NMOS逻辑门和隔膜阀的示意图。
图10A-10E是说明使用隔膜阀的多个气动逻辑门的布局的示意图。
图11A是输出压力对隔膜阀的控制压力的曲线图。
图11B是最大输出压力对隔膜阀的阀门切换次数的曲线图。
图12是说明逻辑图和二进制全加器的真值表的示意图。
图13是气动全加器的示意表示。
图14是气动4位脉动进位加法器的布局示意图。
图15是气动8位脉动进位加法器的示意图。
图16A是气动4位脉动进位加法器的选定输出的示意图。
图16B是图15的气动8位脉动进位加法器的若干随机输入的输出和进位传送的最坏情况方案的示意图。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的特定实施例，这些实施例包括发明人为实现本发明而设想的最佳实施方式。附图中图示了这些特定实施例的示例。虽然本发明是结合特定实施例来描述的，但是应该理解这无意要将本发明局限于所描述的实施例。相反，应涵盖包含所附权利要求定义的本发明精神和范围内的替代、修改和等效物。例如，将在玻璃微流控器件中描述本发明的原理，但是还可以使用例如塑料或聚合物器件的其他器件。
应该注意，可以将适于在微流控器件中使用的流体控制结构应用于多种微流控器件。病原体检测系统是一个可受益于使用流体控制结构的可能应用的好示例。还应该注意，流体被视为其中的分子能够彼此流过的物质的集合体，例如液体、气体或二者的组合，没有界限和没有破裂面形成。在下文的描述中，阐述许多具体细节，以便透彻地理解本发明实施例。但是，没有这些特定细节中的一些或全部，仍可以实施本发明。在其他实例中，未对公知的过程操作进行详细描述，以免不必要地使本发明的说明变得不清晰。
一些微流控器件包括用于高通过量分析的多通道分离器件和将样本制备和分析集成在单个芯片上的分析仪。将多通道分析和集成的样本制备相结合的器件，能够减少执行多种分析测定所需的资源量和成本。可以在基因领域中见到说明性示例：将排序样本制备、纯化和电泳分析集成在单个器件中，导致分析测定时间和成本上的减少以及分析测定通量效率和鲁棒性的增加。总之，微流控器件中的高度集成需要一种鲁棒的用于隔离、路由(routing)、汇合、分离和存储流体容积的片上机制。
在硅、玻璃硅、聚合物和弹性体微流控器件中使用的一些阀门技术以有限的方式解决这些需求。但是，许多此类技术在化学或物理上与许多化学或生化分析测定不相容。而且，许多技术缺乏多种可用于玻璃微流控器件的鲁棒性表面改性化学(surface modificationchemistry)。常开的微流控阀需要恒定的驱动来维持流控。使用此类阀门的微流控器件无法从控制系统拆除而不失去对器件的流体内含物的控制。而且，一些器件使用个别设置的乳胶渗透蒸发膜。个别设置的气动驱动的乳胶渗透蒸发膜已开发出来，但是这种制造方法阻碍了大规模集成到多通道、高通过量分析器件中。
其他一些微流控器件用阳极键合硅和玻璃晶片制造，并以压电方式驱动。但是，硅的导电性和化学相容性使得其在分析器件中的使用复杂化。键合或沉积在硅上的薄膜只能部分地缓解导电性和化学相容性问题。
还示出了弹性体器件。但是，这些结构提供如上所述的非期望的常开阀门。但是，弹性材料的疏水性和多孔性使得弹性体器件与许多化学和生化分析测定不相容。因此，期望减少流体内含物与弹性体表面的接触。复杂的制造、化学相容性、不可靠的流体操纵和其他问题使得现有技术的流控操纵技术不足以实现集成到大规模、高通过量的片上实验室器件中。
因此，本发明的技术和机制提供适于高密度集成到微流控器件的隔膜阀结构和多路分配器。提供多种基于隔膜阀的流体控制结构，包括处理器。
具有隔膜自锁阀结构的微流控器件是特别适于在芯片上实现病原体检测系统的器件示例。根据各种不同的实施例，病原体检测系统包括免疫捕捉和DNA分析机制，例如多聚酶链式反应(PCR)和毛细管电泳(CE)机制。在一个示例中，病原体检测系统可以在具有多种流控结构的玻璃微流控器件上实现。
除了别的以外，本发明主要涉及用于微流控器件的隔膜阀结构和多路分配器。该结构由隔膜阀的特殊组合构成。这些阀门的常闭特性在自锁阀结构的操作中是非常重要的。自锁阀可在密集阵列中制造并驱动，这些自锁阀与常见的分析测定化学相兼容，并且可用芯片上多路分配器来控制。可以由n个气动线来控制总共2(n-1)个独立的自锁阀。
在一个实施例中，自锁阀结构可以使用单片隔膜阀。但是，本发明并不局限于单片隔膜阀。也可以在本发明中使用通过例如多步胶印工艺形成的隔膜阀。
在W.H.Grover、A.M.Skelley、C.N.Liu、E.T.Lagally和R.A.Mathies的“用于可行大规模集成到玻璃微流控器件中的单片隔膜阀和隔膜泵(Monolithic membrane valves and diaphragm pumps for practicallarge-scale integration into glass microflvtidic devices，Sensors andActuators B-Chemical，89(3)：315—323，2003(＂Grover等人)，其内容通过引用而结合于本文)”中描述了包含单片隔膜阀及泵的器件。还可参见2003年12月29提交的序列号为10/750,533的、标题为“微流控器件中的流体控制结构(Fluid Control Structures In MicrofluidicDevices)”的美国专利申请，其内容也通过引用而结合于本文。简言之，使用光刻和湿法化学蚀刻来将器件特征蚀刻到玻璃晶片上，然后使用夹在晶片之间的聚二甲硅氧烷(PDMS)隔膜将其键合。可选的方式是，可以在PDMS键合之前将两个或两个以上蚀刻或钻孔加工成的玻璃晶片热键合；所得到的器件包含将流体-PDMS接触最小化的全玻璃流体层。
包含单片隔膜阀及泵的现有器件往往将所有气动通道布置在一个晶片(“气动晶片”)上，并将所有流体通道跨过PDMS隔膜而布置在另一晶片(“流控晶片”)上(参见Grover等人的文章)。本发明的隔膜阀在两个晶片中都包含气动特征(压力或真空)，并且可以将这些特征蚀刻到任何一个晶片中，只要保持阀门之间的正确气动和流控连接即可。因此，取消了对气动/流控的指定，以使描述着重于阀的输入端和输出端之间的连接部(在传统的流控晶片中称为“阀座”)与控制部(在传统的气动晶片中称为“位移腔(replacement chamber)”)。
图1A-1D中图示了隔膜阀10和此类阀门的常闭特性。如图所示，PDMS隔膜12夹在两个晶片即衬底14和16之间。当对控制通道18加真空时，将隔膜12从其阀座17推到位移腔20内，抵靠在位移腔的壁19上。如此，流体自由地从输入通道22流到输出通道24。玻璃-PDMS键合的特性使得该阀门还有效地用于控制气体的片上的流动。
表1(其中压力是针对特定实施例的示例值)是用于压力(“P”)、真空(“V”)的六个可能分配的气动逻辑的“真值表”，并示出没有至隔膜阀10的控制通道和输入通道的连接(“N”)(大气压)即连接18和22。
表1
Figure A200780018073D00131
该阀门的“常闭”特性使得该阀门在对输入连接和控制连接或通道施加相等的压力以及无压力到达输出端(规则PP)时保持密封状态。如果将真空施加于控制(规则PV)，则将输入压力无减小地传递到输出。如果对控制连接设置无连接(规则PN)，则输入压力足够大以迫使阀门打开。无论是控制处有压力还是无连接(规则VP和VN)，则对输入连接施加真空使得阀门抵靠阀座而密封。最后，如果对控制连接加真空(规则VV)，则将输入真空被传递到输出，但是仅只有输出连接处于比输入和控制连接高的压力状态，则阀门保持打开。一旦输出端真空达到输入真空的约98％，则阀门的“常闭”特性占主导，阀门关闭。通过实施这些规则，可以实现用于执行特定芯片上任务的基于阀的电路。
可以采用开发了隔膜阀能力的气动逻辑结构。简单的三阀和四阀网络可以用作自锁阀。在本发明的上下文中还可以采用具有不同数量的阀门的其他网络。这些阀门甚至在从器件撤除所有真空和压力源后仍保持其打开或关闭状态。气动逻辑的原理可用来制造基于片上阀门的多路分配器，该多路分配器分发持续时间为毫秒的真空和压力脉冲以将自锁阀设置为打开和关闭。使用气动逻辑结构，可以用n个片外压力/真空气动控制线来控制2(n-1)个独立自锁阀。这些气动逻辑结构减少或免除了片外控制器。可以将复杂的片上实验室器件的操作编程到此类片上气动逻辑结构中，并由此类片上气动逻辑结构来控制。
图2A和2B说明形成真空锁闭(“V锁闭”)隔膜阀结构或V自锁阀30的三阀回路(three-valve circuit)。V自锁阀30包括真空阀32、压力阀34、自锁阀36和通气口38。每个阀是通过将PDMS隔膜夹在晶片31和33之间而形成的隔膜阀。如图所示，自锁阀结构30的特征形成在上晶片31或下晶片33上。
真空阀32和压力阀34各自包括控制端40和42。此外，真空阀32和压力阀34分别各自包括输入端44和46和分别各自包括输出端48和50。同样地，自锁阀36包括输入端52、输出端54和控制端56。通气口38开通到大气。因此，它对于阀结构30而言起着类似于电气接地线的作用。阀结构30还包括“设置脉冲输入端”即脉冲输入通道58和59。
自锁阀36的控制端连接到真空阀32或与真空阀32流体连通(负责通过规则VV将芯片上真空密封来保持自锁阀打开)以及连接到压力阀34或与压力阀34的流体连通(负责通过规则PN消除密封的片上真空)。在将真空或压力短脉冲施加到“设置脉冲输入端”通道58和59之后，所得到的线路保持该阀门打开或关闭。相关的压力/真空锁闭(“PV锁闭”)隔膜阀结构或PV自锁阀60顶住较宽的流体压力范围，用截留的真空来将自锁阀36保持打开以及使用封闭压力来将该阀门保持关闭。(“参见图3B”)。
在图2A-2B和图3A所示的V自锁阀30中，“设置脉冲输入端”通道58和59中的压力和真空脉冲被提供到压力阀34的输入端46，真空阀32的输入端44和控制端40。例如因为这些阀门由加压或卸压空气来驱动和操作，所以省略对流控和气动连接的一般引述，以侧重于表1中所示的输入端、控制端和输出端连接。压力阀、真空阀和自锁阀是常闭的(图3A中的步骤1)。当在步骤2中将真空脉冲加到“设置脉冲输入端”通道时，真空阀打开(表1中的规则VV)而压力阀保持关闭(规则VN)。对锁闭容积(包含压力阀和真空阀的输出和自锁阀的控制的通道容积)卸压，自锁阀打开。在一个实施例中，在120毫秒内，当将锁闭容积减压到设置输入真空的约98％时，真空阀自动关闭(步骤3)。当在步骤4中将输入真空脉冲撤除时，根据规则VN由压力阀和真空阀将锁闭容积在真空下密封，只要锁闭容积中保持足够的真空，则自锁阀将保持锁闭打开(latched open)状态。
为了关闭V自锁阀30，在步骤5中对“设置脉冲输入端”施加压力脉冲。在120毫秒内，在步骤6中根据规则PN，此压力迫使压力阀打开，并且当前加压的锁闭容积将密封自锁阀。在步骤7中当设置输入压力脉冲被撤除时，由于压力阀关闭，锁闭容积中的压力溢出。在锁闭容积中没有压力而保持其关闭的情况下，该自锁阀可以抵挡流体压力，例如最高约4kPa而不泄露。
图3B所示的PV自锁阀可以抵挡更大的流体压力，因为在自锁阀36锁闭关闭(latched shut)(图3B中的步骤1)时对锁闭容积加压。PV自锁阀60在V自锁阀30之后建模，但是包括第二压力阀62，其输入端66连接到第一压力阀34的控制端，其输出端64与阀门36的锁闭容积流体连通或流动性连接到阀门36的锁闭容积，以及其控制端67经由通气口68连接到大气。此外，自锁阀36的输入端和输出端分别连接到端口63和65或与端口63和65流体连通，以便实现通过该阀门的流体流动。
在图3B的步骤2至4中，真空脉冲以与V自锁阀相似的方式打开PV自锁阀；第二压力阀62由于规则VN而保持关闭。为了关闭PV自锁阀，在步骤5中对“设置脉冲输入端”来施加压力脉冲。在1秒内，在步骤6中此压力根据规则PN迫使第一压力阀34打开，然后在步骤7中按照规则PN打开第二压力阀62。通过对第一压力阀的锁闭容积和控制端全部加压，第一压力阀根据规则PP关闭。当在步骤8中将设置输入压力撤除时，锁闭容积中的压力主动将第一压力阀保持关闭，锁闭容积中保持压力，从而顶住最高约17kPa的流体压力而不泄露地保持PV自锁阀关闭。
这两个线路(图3A和3B)都包含实际的自锁阀和两个或三个附加的气动逻辑阀。在V自锁阀中，在步骤4中，对“设置脉冲输入端”通道施加120毫秒真空脉冲(相对于大气压-85kPa)将锁闭容积卸压，并打开自锁阀。在步骤7中，压力脉冲(120毫秒，相对于大气压40kPa)撤除锁闭容积中的真空，并关闭自锁阀。“NC”指示无连接(仅大气压)加到“设置脉冲输入端”通道。PV自锁阀以与V自锁阀相似的方式打开，但是在关闭期间将压力截留在锁闭容积中(步骤8)。此压力顶住高约17kPa的流体压力将自锁阀密封而关闭。灰色箭头示出用于指定的步骤的典型时间量。
自锁阀结构30和60按如下方式制造。使用传统的光刻和湿法化学蚀刻将器件特征蚀刻到玻璃晶片中。简而言之，使用低压化学气相沉积来对1.1毫米厚100毫米直径的硅酸硼玻璃晶片镀覆200纳米的多晶硅。然后利用正光刻胶、软烘烤对晶片进行旋涂，并用接触对准器(contact aligner)和铬掩模来对晶片形成器件设计图案。在将照射后的光刻胶材料显影并去除之后，通过在SF6离子中进行蚀刻来去除暴露的多晶硅区域，并在49％ HF中对玻璃的暴露区域进行各向同性蚀刻到50μm的深度。在剥离剩余的光刻胶和多晶硅层之后，对晶片进行500μm直径孔的金刚石钻孔，以用于气动和流控连接。然后刻划并切割晶片，并用254μm厚的PDMS弹性体隔膜将所得到这些层键合。可选的方式是，可以在PDMS键合之前将两个或两个以上蚀刻或钻孔加工成的玻璃晶片热键合；所得到的结构包含将流体-PDMS接触最小化的全玻璃流体层。
自锁阀结构30和60用来自计算机控制的电磁阀的可变持续时间压力(例如40kPa)和真空(例如-85kPa)脉冲来表征。所报告的压力是相对于大气压而言的，并用应变式压力传感器来测量。通过自锁阀结构的流速，通过将可变高度水柱连接到自锁阀结构的输入端来测量。然后将阀输出端连接到精度为1mg(1μL)的分析天平上的水玻璃管中悬挂的小片皮下管线。用每单位时间流经阀结构的水的质量来确定通过阀结构的容积流速，转而又确定顶住所施加的流体压力的阀结构的打开或关闭状态。
为了测试自锁阀结构30的功能，测量通过自锁阀结构的流体的流速，同时用持续时间变化的压力和真空脉冲来驱动阀结构。在图4A所示的第一扫迹中，施加60秒的恒定真空或压力以将V自锁阀保持打开或关闭。在后续的扫迹中，用较短的真空和压力脉冲来将自锁阀锁闭在打开或关闭状态。扫迹的相似性说明在可靠地驱动自锁阀所需的仅120毫秒的真空/压力脉冲下，自锁阀36的行为与恒定真空/压力阀32和34完全相同。较短脉冲(80毫秒)仍可靠地将自锁阀打开，但是用于可靠地关闭则太短。
为了确定被锁闭于打开或关闭状态的阀结构30的长时稳定性，对通过锁闭的阀结构的流作了十分钟的测量。图4B中的第一扫迹示出，120秒的压力脉冲足够将V自锁阀30锁闭在关闭状态至少十分钟。第二扫迹说明，在通过阀门的流速下降达10％之前，120毫秒真空脉冲将V自锁阀锁闭在打开状态长达二分钟。由于PDMS隔膜的透气性，所以在后八分钟期间，锁闭容积中真空的逐渐丧失缓慢地将自锁阀关闭，并将流速降低。
PV自锁阀60对锁闭容积加压以顶住高流体压力将自锁阀36保持关闭。为了确认此行为，通过钻孔制成V自锁阀和PV自锁阀，以测量阀门驱动期间锁闭容积内的压力。在用10秒压力和真空脉冲来驱动该阀门的同时，测量锁闭容积内的压力。虽然这两个阀都设计成在真空脉冲之后保持锁闭容积中的真空(-60kPa)，但只是PV自锁阀60在压力脉冲后保持压力(8kPa)。
为了验证保持在PV自锁阀60中的压力顶住高流体压力而将阀门保持关闭，在以5秒真空和压力脉冲驱动阀门的同时测量通过PV自锁阀的压力驱动的流体流动。图5A示出当锁闭到关闭状态时的阀门顶住高达17kPa的流体压力；在24kPa时，检测到约1μLs-1的通过该关闭阀门的泄露。仅在最高流体压力(剑号)观察到过早的阀门关闭，这归因于压力阀之间的压力锁闭容积部分中截留的剩余压力。当阀门被锁闭在打开状态时，此压力泄露到真空锁闭容积中，消除了封闭的真空而过早地将自锁阀关闭。
如图5B所示，顶住17kPa流体压力而可靠地密封所需的最短压力脉冲是1秒。这比关闭V自锁阀所需的120毫秒脉冲长很多，可能是因为在锁闭容积被加压并密封之前，两个压力阀34和62必须经由相对较慢的规则PN连续地打开。
最后，图5C确认锁闭在打开或关闭状态的PV自锁阀60的长时稳定性优于V自锁阀30。在通过该阀门的流增加到开阀流速的10％之前，5秒压力脉冲顶住17kPa流体压力将PV自锁阀密封长达7.5分钟。第二个扫迹示出，5秒的真空脉冲在流速下降10％之前将PV自锁阀保持打开状态长达1.5分钟。
图6A所示的4位二进制多路分配器70可以寻址2或16个独立V自锁阀30，并转而又将压力和真空脉冲分配到它们中的每一个。图6A的器件上方的单个“设置脉冲输入端”压力/真空连接72提供驱动V自锁阀所需的压力和真空。多路分配器包括四行74隔膜阀10，其中每行包括前一行数量的两倍的阀门。多路分配器每行的阀门由两个气动连接来控制，这两个气动连接至一个片外4/2(四通、二位)的电磁阀(未示出)。这些气动连接以交替的方式片上地分配到每行的多路分配器阀门。例如，在图6A的第三个多路分配器行中，气动连接“3L”控制多路分配器阀门1、3、5和7(从左向右编号)，而气动连接“3R”控制多路分配器阀门2、4、6和8。
当控制特定行的多路分配器阀门的电磁阀被断电时，对奇数编号的多路分配器阀门施加压力，对偶数编号的阀门施加真空。偶数编号的阀门打开，来自前一行的“输入端”压力或真空被向右路由到下一行的多路分配器阀门。当该电磁阀被通电时，对偶数编号的多路分配器阀门施加压力，对奇数编号的阀门施加真空。奇数编号的阀门打开，“输入端”压力或真空被向左路由到下一行的多路分配器阀门。
通过将n行中的各行设置成将“输入端”压力/真空向右或向左路由，将2n个可能地址范围从“全右”路由到“全左”以及路由每个中间值来寻址n位多路分配器。对于n＝4，图6B中图示十六种可能的地址(RRRR、RRRL、RRLR和LLLL)。每个唯一地址将“输入”压力或真空路由到不同的V自锁阀。通过根据依次选择每个自锁阀的循环模式驱动多路分配阀门，并在适合的时间对“输入端”连接施加真空或压力，可以根据任何随意的模式打开或关闭自锁阀。以此方式，n个电磁阀操作的n行多路分配器可以寻址2n个独立的自锁阀。
用CCD摄像机记录了操作期间多路分配器测试器件的影片。通过使多路分配器阀门以二进制计数顺序按所有16个地址循环：RRRR、RRRL、RRLR、RRLL、RLRR、RLRL、RLLR、RLLL、LRRR、LRRL、LRLR、LRLL、LLRR、LLRL、LLLR和LLLL，以例如每步骤190毫秒或每周期3秒的速率按1至16的数值顺序设置所有16个V自锁阀。
图7示出一系列视频帧，表示单个多路分配器周期中32个步骤的每步处每个自锁阀的打开/关闭状态。打开的阀门显示为比关闭的阀门明亮，因为拉伸的阀隔膜形成凹面，并将来自光纤照射器的额外光反射到CCD中。在步骤1至16(步骤编号)中，将真空依次分配到打开的阀门1至16(自锁阀编号)，在步骤17至32中，将压力分配到关闭的阀门1至16中。注意有意地对阀门3的状态反转(negated)，这意味着多路分配器必须成功地在一系列的15个真空脉冲期间路由单个190毫秒的压力脉冲(步骤4)，在一系列的15个压力脉冲期间路由单个190毫秒的真空脉冲(步骤20)，这是对于多路分配器尤其具有挑战性的操作。
虽然图7中观察到的打开的阀门的模式与所期望的模式(白色矩形)接近地匹配，但是发现三个误差(白色椭圆)：阀门8在步骤24中与阀门7一起较早关闭，阀门16在步骤16中与阀门15一起较早打开，在步骤32中较早而与阀门15一起关闭。这些误差的每个误差涉及阀门较早与前一个阀一起打开或关闭。此类误差在只是多路分配器的最低有效位切换时出现，提示一个与阀门的最低有效行关联的故障。对用于操作多路分配器的二进制计数模式的更仔细考察表明，多路分配器的最低有效位随着每步切换，使得与该位关联的16个多路分配器阀门每190毫秒打开或关闭。在这些完全被覆盖(overwhelmed)的多路分配器的驱动中，仅几毫秒的误差就会显著地导致观察到的误差。
为了缓解最低有效位多路分配器阀门的重复拉紧，以格雷码顺序代替二进制计数顺序：RRRR、REEL、RRLL、RRLR、RIXR、RLLL、RLRL、RLRR、LLRR、LLRL、LLLL、LLLR、LRLR、LRIX、LRRL和LREE。此模式以每步仅120毫秒或每周期小于2秒的速率按顺序1、9、13、5、7、15、11、3、4、12、16、8、6、14、10和2来设置16个自锁阀。使用此寻址顺序，多路分配器阀门最多每隔一步或每240毫秒被驱动，可与二进制计数顺序的每190毫秒相比较。
图8A的视频帧示出在单个多路分配器周期中，每个自锁阀在32步中每步的打开/关闭状态，在步骤1至16中打开每个阀，并在步骤17至32中关闭每个阀(其中阀门3仍被反转)。所观察到的打开阀门的模式无误地与所期望的模式(白色矩形)完全匹配，这说明多路分配器精确地将短至120毫秒的压力和真空脉冲路由到预定的自锁阀。
除了以可视方式确认多路分配自锁阀的操作之外，还演示了多路分配阀控制端流体的能力。图8B表示当根据图8A中的复杂模式驱动所有16个自锁阀时通过反转的阀门3的流体流动。短至80毫秒的压力和真空脉冲足以打开和关闭该反转的阀门3。一些较短的脉冲有时会无法打开该阀门，这可能是因为快速驱动速率的多路分配器的定时误差所致。
描述了适于高密度地集成到片上实验室器件的锁闭气动阀结构。由于每个独立的阀门或片上阀门的并行阵列无需单独的片外控制器，所以本发明的自锁阀结构使得大规模控制独立阀门成为可行的。V自锁阀可以控制包含(例如<4kPa)流体压力的多种分析测定中的片上流体流动，PV自锁阀可顶住最高约17kPa的流体压力而可靠地关闭。自锁阀保持单片隔膜阀中存在的低(～10nL)死容积。因为自锁阀结构包括可以连续地操作长达数小时以及数万次驱动而不会有失败的隔膜阀，可预期这些结构的长时间耐用性将是非常有利的。自锁阀结构取决于隔膜阀的常闭特性。规则PN(输入压力突破无动力阀门)、VN(输入真空密封无动力阀门)和VV(阀门打开而抽空片上容积，然后自动关闭而将该容积密封在真空下)，所有这些规则对于自锁阀操作是必不可少的，并且难以或不能用常开PDMS阀门来复制。
基于阀的气动多路分配器仅使用n个片外气动输入来控制2(n-1)个多路复用自锁阀结构。在此例中，可以仅使用5个气动控制端来以任何随意的模式每2秒设置16个独立的自锁阀。多路复用自锁阀保持其独立控制流体流动的能力。因为压力、真空和操作自锁阀的多路分配器阀门从不接触阀控流体，消除了在多路复用自锁阀之间交叉污染的可能性。使用常开阀门的片上逻辑的现有技术方法在寻址线性阵列的微反应器上已被证明是非常有用的，但是不如本发明那样适用于独立自锁阀的随意控制。
据发现，短至120毫秒的真空和压力脉冲(每秒8个阀)足够保持V自锁阀打开和关闭长达至少2分钟。在2分钟内，可以按每秒8个阀的速率设置1000个独立自锁阀。此大量的阀门需要(log2 1000)+1即仅11个片外启动控制端。10位多路分配器将包含210+1-2即2046个阀，1000个V自锁阀中的每个阀需两个逻辑阀，以便总共4046个片上逻辑阀来控制1000个自锁阀。如果每个逻辑阀及其关联的气动通道占用2mm2，则可用光刻在10cm直径的微流控器件的单个玻璃PDMS玻璃层中来制造4000个逻辑阀。然后可以通过另一PDMS隔膜将此层的一面键合到附加的晶片上，从而为在所期望的分析测定配置中设置1000个独立自锁阀而形成流控层。片上实验室器件中的单个附加层可以免去差不多数百个片外电磁阀、中继器和计算机，这表明了气动逻辑结构的潜力。
通过减少微流控器件操作所需的片外控制设备，多路复用锁闭气动阀结构应该在实现制造低成本、低能耗和手持片上实验室分析器件中起到重要的作用。具有更少片外电磁阀和电子控制电路的分析装置将更少地消耗电能，更适用于以电池作工作电源的应用。严格地来说，在用于空间探索的鲁棒性分析系统中，免去片外控制器将节省稀缺的有效负载空间和能源。还要注意，如本文介绍的多路分配器的气动逻辑线路可免受高能粒子、太阳耀斑和电磁脉冲干扰的影响，这些干扰可能不可恢复地损坏电子逻辑线路。
本发明还构建了气动逻辑门结构(例如通用的基于阀的AND、OR以及NOT结构)的基础，这些结构可设置成对任何微流控器件的操作进行编码和控制的线路或程序。在一传统例中，仅在这两个阀均为打开的情况下才允许流过串联连接的两个隔膜阀，从而实现逻辑AND。类似地，在两个中的任何一个(或二者均)打开的情况下就能够流过并联的两个隔膜阀，从而实现逻辑OR。用于V自锁阀中保持自锁阀打开以及PV自锁阀中保持自锁阀关闭的反馈环路，很类似于用作电子线路中的二进制存储器的基于NAND和NOR的闩锁电路。参见逻辑设计基础(C.H.Roth，Jr.，Fundamentals of logic design.WestPublishing Company，1985，其内容通过引用而结合于本文)。这些逻辑运算形成所有电子计算的基础。确信本发明类型的微流控逻辑结构将证明在复杂气动处理器装置中基本上是有用的。还要注意本发明不限于结合本文专门图示和描述的具体逻辑门的用途。本发明的概念可以用于构造多种不同逻辑门及线路。
图9A和9B图示NMOS逻辑门80与上文所述类型的常闭的气动方式驱动的隔膜阀90之间的关系。(参见图1)。对N-MOSFET的控制输入端施加电压包括，从地到正电压电源(Vdd)的电流，这产生输出电压的显著降低(假输出)。相似地，对气动反相器的操作数输入端92施加真空会打开阀门，这产生从通气口94(至大气的孔)至提供了真空的门控输入端95的气流。这样将输出通道96中的真空量值降低到不足以驱动下游阀门的水平(气动“假”)。在这两种系统中，静态流(电流或气流)在逻辑低输出期间流过，而在输入为假时产生逻辑高输出。
可以按上文的论述来制造本发明的气动逻辑器件。为了实现器件特征化，由计算机控制的电磁阀驱动来提供气动输入以用于个别微阀门、逻辑门和加法器线路的求值。使用单独的泵来向电磁阀提供逻辑高和逻辑低压力。使用1.6mm的内径和范围在15-30cm的长度的聚氨酯管线来将气动信号从电磁阀传导到钻孔加工成的芯片输入端。针对单个阀、逻辑门和全加器所报告的压力测量是相对于大气而言的，并使用应变式压力传感器来测量(PM 100D，World PrecisionInstruments)。用CCD摄像机来记录4位和8位加法器的运算的数字视频。
气动逻辑门由阀门网络构成，气动信号经由门输入通道而加到这些阀门上。例如大于-20kPa的真空能够实现阀门驱动，并由此表示逻辑高即数字逻辑的“真”值。低于阈值的真空量值表示逻辑低即“假”值。
图10A-10E示出以与NMOS逻辑门相似方式动作的多个气动逻辑门的布局。每个逻辑门需要数字逻辑运算期间将恒定的真空提供到的一个或多个门控输入端(Ctrl)通道。对操作数门输入通道(A和B)提供-76kPa作为逻辑高并提供6kPa作为逻辑低。气动AND门100(图10A)由两个串联的微阀90构成。仅在两个阀同时被驱动的情况下才将真空从输入端传送到输出端。类似地，气动OR门102(图10B)由两个并联的微阀90构成。图10C所示的气动NAND门104是功能类似于NOT门的通用逻辑门(可用来构建逻辑功能的门)。为了实现此逻辑门，如果两个输入为真，则输出为假，在其余的情况中输出均为真。
AND、OR和NOT门的组合也能够实现通用逻辑运算。例如，气动XOR门106(图10D)由NOT门和OR门的组合构成。若操作数输入(A和B)中仅一个为真，则Ctrl 1输入端真空被传送到X1e或X1f，从而产生逻辑高输出。若两个操作数输入均为真，则值X1a和X1d的打开构成Ctrl 1输入与至大气的两个通气口105和107之间的直接连接。在此情况中，X1e或X1f均不被驱动，没有真空被传送到输出端。
图10E所示的缓冲器线路108将输入真空信号放大，并能够实现在更复杂气动逻辑线路中的成功信号传送。此气动缓冲器线路基于关系式NOT(NOT(A))＝A。在两个控制输入均保持在约-87kPa的情况下，对操作数输入端(A)施加较弱的真空打开阀门b1。至大气压的操作数连接降低Ctrl 2输入引起的真空，导致阀门b2的关闭。当阀门b2被关闭时，Ctrl 1输入的全量值被传送到输出。
如所论述的，当将相同的真空量值加到单值的控制端和输入通道时，在输出通道达到输入端和控制端真空的约98％后，阀门关闭。此特征可以用于开发双稳态自锁阀线路。
为将通过微阀的气动信号传感表征为控制通道压力的函数，对个别阀输入通道提供-87kPa的恒定压力，同时用单独的真空泵改变控制通道中的压力。图11A示出输出端真空量值随着递增的控制端真空量值的线性递增。因为此曲线(1、5)的斜率大于1，一个其中阀门n的输出是阀门n+1的控制输入的线性网络将呈现输出端真空量值随递增的n而指数递减(图11B)。这对不采用信号放大机制(例如上述的缓冲器线路)的气动逻辑结构的集成施加了实际限制。
因为二进制加法用于范围广泛的计算操作(包括减法和乘法)，所以它在现代计算机的CPU执行的操作中起着重要的作用。图12示出逻辑图和二进制全加器的真值表。操作数输入(A、B和进位输入(Carry In))由AND、OR和XOR门的线路来处理，这产生两个输出：和(Sum)和进位输出(Carry Out)。该真值表示出输入值的所有可能组合的期望逻辑输出。
气动全加器120(图13)由两个XOR门122和124以及其中两个AND门并联对齐的混合OR门126组成。四个门控输入端(Ctrl X1、Ctrl X2、Ctrl X1X2和Ctrl C)是此电路的操作所必需的。从各阀均关闭的休眠状态，所有操作数输入端和控制门输入端被同时驱动，只有X2在250毫秒的延迟之后才被驱动。因为XOR2门处理XOR1的输出，该输出具有相应的门延迟，所以此延迟是必然的。
在脉动进位加法器中，通过将一个加法器的进位输出连接到下一个最高有效加法器的进位输入来将多个全加器链接在一起。图14示出气动4位脉动进位加法器130的示意布局。进位传送期间，加法器的气动进位输出传递通过PDMS隔膜中的2mm直径的通孔，然后作为进位输入驱动相邻加法器中的阀门。每个X1X2控制输入通过一个通道网络而片上连接，该通道网络导引到钻孔加工成的单个输入孔(气孔)。为Ctrl C输入端设计了相似的总线输入系统，而X1和X2控制输入端使用片外管线单独组合。因为通过总线通道或片外管线并行地对每个全加器控制输入端提供气动信号，所以只需四个片外控制器来驱动多位加法器的所有控制输入端。用于求和及最终进位输出的输出通道，将气动信号传送到用作计算和读出值的一维数组的值。将半加器被结合到用于多位加法器中最低有效位相加的线路中。
在气动8位脉动进位加法器140中(图15)，可使用相似的总线架构来并行地驱动加法器的控制输入端。加法器141-148径向布置，用于求和及最终进位的输出通道150延伸到位于芯片中心的读出阀门152的线性阵列上。缓冲器线路154可用于第四加法器的进位输出来放大信号，并确保通过任何数量的加法器的进位传送成功。
图10A-10E中的各单个逻辑门的传播时间和输出量值，在单个制造的器件上表征。对于每个逻辑门，同时驱动操作数输入端和控制输入端。如上文论述，每个逻辑门生成落在逻辑高或逻辑低的正确范围中的输出端真空量值。对于XOR门(-63kPa)，观察到逻辑高输出的最低量值，因为它由最复杂的阀门网络构成。如果同时关闭所有输入端，则XOR门中出现输出端真空的锁闭。此锁闭的真空最终将因为PDMS隔膜的透气性而恢复到大气压；但是可以通过在控制输入关闭时驱动操作数输入端来加快该过程。将动态响应时间定义为片外电磁阀的驱动和输出微阀因逻辑高输出而打开之间的间隔。对于XOR门，观察到最长响应时间(250毫秒)。因为这些响应时间包括因电磁阀与芯片输入端之间的管线排空而产生的延迟，所以真空泵速度和片外管线的尺寸的优化可显著提高逻辑运算的速度。
图2是真值表(以kPa为单位)，说明对于所有可能的输入组合的气动全加器120(图13)的输出端真空和压力量值。
表2
Figure A200780018073D00271
例如，当XOR(A，B)均为真且进位输入为真时，进位输出为真。在这些情况中，XOR1的输出被传输到阀门C4(图13)的控制输入端。经由Ctrl C门输入通道对此阀门的输入端提供～-87kPa信号。基于单个XOR门的-64kPa逻辑高输出，并使用图11A中的线性回归的公式，预测到-54kPa的Cout真空。这与由气动全加器进行实验确定的值相符。全加器的运算需要250毫秒的延迟，用于X2控制输入的驱动。小于250毫秒的延迟不足以将输出从XOR1传输到XOR2的输入端，因此导致不正确的输出和。要避免加法器内的门被锁闭，可以使用8步、2秒关闭过程来加速返回到休眠状态。因为可以将此关闭程序并行地施加于各加法器，所以无需更复杂的关闭过程。在这些关闭过程期间，无真空被传送到进位输出端或求和输出端。
图16A示出气动4位二进制加法器130的选定输出端(参见图14)。每行是按所示的输入模式驱动之后所采用的输出阀阵列的数字图像。打开的阀门反射更多光线，比关闭的阀门显得更明亮。同时驱动除X2总线外的所有输入端，使得整个系统的进位信息自动传送。1111和0001相加生成最低有效位中的进位，该进位通过其他所有加法器传送，并产生输出和10000。这表示计算和所需的时间的最坏情况，用来确定XOR2总线的可靠驱动延迟。对于256个可能的气动输入配置中的每一个使用500毫秒XOR2驱动延迟，可靠地获得正确的输出。
图16B示出气动的8位二进制加法器140的多个随机输入的输出和进位传送的最坏情况(参见图14)。在器件操作期间，对缓冲器线路的控制输入端施加恒定真空，并用1.1秒延迟来进行对X2总线输入的驱动。原来的不包括放大器结构的设计，由于进位传送期间的信号丢失而失败。弱进位信号必须打开由加于其输入通道的真空而关闭的阀门，这时出现了特别具有挑战性的情况。这就是计算01111111+00000001期间的情况，其中在最高有效位加法器中阀门X2f由所传送的进位信号打开。
隔膜阀的功能类似于传统的TTL逻辑电路中的晶体管。这些气动“晶体管”可以组装成多种基本的门结构(AND、OR、NOT、NAND和XOR)，可以将它们组合而形成二进制加法的计算线路。放大缓冲器线路的开发可使该技术推广到其中气动信号须通过多个门传送的8位二进制加法器线路。这提示人们使用上文论述的设计原理开发更复杂的逻辑电路，例如明显更快的超前进位(carry-lookahead)加法器。
将来对个别阀门的机制和通过阀门网络的气流的模型化将允许精确优化以改善响应时间。已经注意到，气动逻辑器件受限于声音在空气中的速度。虽然这种限制阻碍了其与数字电子装置在计算速度上的任何竞争，但是毫秒级的驱动频率在片上实验室器件中普遍使用，并且应该可用微气动逻辑实现。而且，控制系统的微型化和集成对于开发用于病原体检测或地球外生物标记分析的便携式MEMS器件尤其有用。
阀门驱动的定时可用微气动逻辑结构来集成。因为进位通过多位微气动加法器传送，所以一系列自动阀门驱动以精确的时间序列进行。类似地，在数字电子装置中，常常使用延迟电路来将信号处理单元中的操作序列同步。如前文提到的，阀门网络的锁闭行为类似于如触发器那样的简单存储器电路的功能。这些特征可以在将来实现动态逻辑控制的集成系统中加以利用。对于其中锁闭行为并不有利的情况，可将在网络中连接阀门的通道模型化为具有对地(大气压)的电容和电阻的RC电路。较小的阀门和通道会减少网络容量，具有改变的透气性的纳米级渗漏通道或隔膜可增加从大气到锁闭容积的气流而不显著降低逻辑运算期间的输出信号。减少微阀网络的锁闭特征的这种系统将产生性能提高和避免本文所需的关闭过程。
已经证明，集成气动逻辑结构对于开发复杂的片上实验室应用中的阀锁闭结构和阀阵列的多路复用控制是有用的。可以在隔膜阀阵列上(例如在芯片上)对微流控器件的逻辑进行编码。将输入加到隔膜阀阵列上并进行逻辑执行。这样使得隔膜阀阵列能够控制芯片上执行的分析测定的微流控处理。至隔膜阀的输入和来自隔膜阀的输出可以是恒定的或随时间变化的。
此领域中的进一步开发将朝创建可用于多种分析的多用途、可编程的微流控器件的方向发展。微型化的气动逻辑结构还能用于往往采用气动驱动机械的微装配和微机器人系统中的集成控制。而且，本发明还可用于开发不受射频或脉冲电磁干扰的简单计算系统。此类计算器件还能在例如宇宙飞行等的极端环境中使用，在哪些极端环境中宇宙射线会导致电子元件失去功能或发生故障。
虽然为了便利上文以单数来描述部件和过程中的某个部件和过程，但是本领域技术人员当知也可以用多个部件和重复的过程来实施本发明的技术。
虽然本发明是参考其特定实施例来具体示出和描述的，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明精神和范围的前提下可以在所公开的实施例的形式和细节上进行更改。例如，上文描述的实施例可以使用多种材料来实现。因此，本发明的范围应该参考所附权利要求来确定。

Claims (21)

1.一种微流控自锁阀结构，包括：
至所述结构的输入端；
至少三个隔膜阀，每个阀包括阀输入端、阀输出端、阀控制端以及，所述弹性体隔膜配置成施加到所述阀控制端的压力或真空使得所述隔膜偏离来调节通过所述阀门的流体流动；以及
其中，所述阀中的两个阀连接到第三阀，使得至所述结构的所述输入端处的足够真空使所述第三阀打开，当真空撤除时所述第三阀保持打开，并使得至所述结构的所述输入端处的足够压力使所述第三阀关闭，当压力撤除时使所述第三阀保持关闭。
2.如权利要求1所述的自锁阀结构，配置成用来控制至片上微流控分析器件的流体流动。
3.如权利要求1所述的自锁阀结构，配置成用来控制微流控器件的分析测定的流体过程。
4.如权利要求1所述的自锁阀结构，还包括多路分配器，所述多路分配器配置成在进行分析测定时控制自锁阀结构阵列。
5.一种隔膜自锁阀结构，包括：
第一和第二输入通道；
第一隔膜阀，具有与所述第一输入通道流体连通的输入端和与大气流体连通的所述第一隔膜阀的控制端；
第二隔膜阀，具有与所述第一输入通道流体连通的输入端、与所述第一隔膜阀的输出端流体连通的输出端以及与所述第二输入通道流体连通的控制端；以及
第三隔膜阀，具有与所述第一隔膜阀的输出端和所述第二隔膜阀的输出端流体连通的控制端，
使得当对所述第一和第二输入通道施加足够真空时，所述第三隔膜阀向打开位置移动，并在所述真空撤除时自锁于所述位置；并且
使得当对所述第一和第二输入通道施加足够压力时，所述第三隔膜阀向关闭位置移动，且在所述压力被撤除时自锁于所述位置。
6.如权利要求5所述的隔膜自锁阀结构，其中，所述第三隔膜阀的输入端和输出端配置成用来形成所述隔膜自锁阀结构的输入端和输出端。
7.如权利要求5所述的隔膜自锁阀结构，其中，所述第二输入通道、所述第一隔膜阀的控制端、所述第二隔膜阀的控制端及所述第三隔膜阀的输入端和输出端在第一表面上形成。
8.如权利要求7所述的单片隔膜自锁阀，其中，所述第一输入通道、所述第一隔膜阀的输入端和输出端、所述第二隔膜阀的输入端和输出端及所述第三隔膜阀的控制端在与第一表面相对的第二表面上形成。
9.如权利要求8所述的单片隔膜自锁阀结构，其中，在所述第一、第二和第三隔膜阀的控制端区域、所述第一和第二表面之间设置弹性体隔膜，以对所述第一和第二输入通道施加压力或真空而使所述隔膜偏离来调节通过所述第一、第二或第三隔膜阀的流体流动。
10.如权利要求5所述的隔膜自锁阀结构，还包括：
第四隔膜阀，具有与所述第三隔膜阀的控制端流体连通的输入端、与所述第一隔膜阀的控制端流体连通的输出端及与大气流体连通的控制端。
11.如权利要求5所述的隔膜自锁阀，其中，有多个隔膜自锁阀结构，并且还包括配置成用真空或压力脉冲来寻址各所述隔膜自锁阀结构的微流控多路分配器。
12.如权利要求11所述的隔膜自锁阀结构，其中，所述多路分配器包括配置成将压力和真空脉冲分配到各所述隔膜自锁阀结构的多行隔膜阀。
13.如权利要求12所述的隔膜自锁阀结构，还包括用于所述多路分配器的各行隔膜阀的两个气动连接。
14.如权利要求12所述的隔膜自锁阀结构，其中，所述多路分配器具有由n个电磁阀操作的n行隔膜阀，以寻址2n个独立隔膜自锁阀结构。
15.如权利要求12所述的隔膜自锁阀结构，其中，第一行隔膜阀后的各行具有两倍于前一行的隔膜阀的数量。
16.一种隔膜阀结构，包括：
在第一衬底的第一表面上形成的第一输入通道；
在第二衬底的第二表面上形成的第二输入通道；
压力阀，具有在所述第一表面上形成的、与大气流体连通的控制端以及在所述第二表面上形成的输入端和输出端，其中所述输入端被流体连通到所述第二输入通道；
真空阀，具有在所述第一表面上形成的、与第一输入通道流体连通的控制端以及在所述第二表面上形成的输入端和输出端，使得所述输入端被流体连通到所述第二输入通道；
自锁阀，具有在所述第一表面上形成的输入端和输出端以及在所述第二表面上形成的控制端，使得所述控制端被流体连通到所述真空阀的输出端；以及
弹性体隔膜，位于各所述压力阀、真空阀和自锁阀的控制端区域、所述第一和第二表面之间，对所述第一和第二输入通道施加压力或真空而使所述隔膜偏离，以调节通过这些阀门的流体流动。
17.一种微流控逻辑线路，包括：
隔膜阀阵列，每个阀包括阀输入端、阀输出端、阀控制端及弹性体隔膜，其中，压力或真空的施加可使所述隔膜偏离来调节通过所述阀门的流体流动，且所述隔膜阀以彼此流体连通的方式连接，以对至所述隔膜阀阵列的气动输入作逻辑运算而产生气动输出。
18.如权利要求17所述的微流控逻辑线路，其中，所述隔膜阀阵列包括配置成用来形成AND门或OR门的两个隔膜阀。
19.如权利要求17所述的微流控逻辑结构，其中，所述隔膜阀阵列配置成用来形成NAND门或XOR门。
20.如权利要求17所述的微流控逻辑线路，其中，所述隔膜阀阵列配置成用来形成缓冲器线路。
21.如权利要求17所述的微流控逻辑线路，其中，所述隔膜阀阵列配置成用来形成脉动进位加法器。
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