流体控制机构和流体控制设备的制作方法

流体控制机构和流体控制设备
1.本技术要求以下中国专利申请的优先权：2020年12月31日提交的、申请号为202011639849.5、发明名称为“活塞机构、流体控制机构及其应用”，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本实用新型涉及生物技术和设备应用领域，具体涉及一种新型活塞机构和流体控制机构，以及采用所述活塞机构或流体控制机构的流体控制设备。


背景技术：

3.微型或小型流道系统在化学、生物、医疗等诸多领域得到了广泛的应用。对微型或小型流道系统的流体的控制是实现微流体应用的基础，具有十分重要的意义。
4.目前，微型或小型流道系统的流体的控制领域的两个主要问题包括动力源和阀的问题。动力源为微流体在载体(如芯片、管道等)内的运动提供动力，目前普遍采用的方式包括注射式、离心式、气压式等。阀用于控制微流体在载体内的运动行为。由于微流体尺度很小，所以在其载体内部构造足够精度、足够数量且方便开断的阀门十分困难。注射泵是最常用的动力源，通过将流体吸入注射器内，再将注射器与微流体载体(后面简称载体)的入口相连接，然后用一高精度注射泵推动注射器，以实现微流体向载体中的进样。但这种操作步骤多，流体样品切换困难，难以实现微流体的自动化进样。
5.本领域仍然需要能够更有效和方便地控制微型或小型流道系统的流体的机构、装置和方法。


技术实现要素：

6.本实用新型提供了一种流体控制机构，其包括：
7.腔体和腔壁，以及位于腔体内的活塞；
8.一条或多条流体通道，
9.其特征在于，所述腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与腔体连通的开口位于腔体底部，所述活塞可运动到腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。
10.本实用新型提供的上述流体控制机构为适于于小型和微型流体设备的流体控制装置，其用于容纳和转移液体等流体材料，其流道的尺寸在毫米和微米级别，例如为约0.05-5mm。当所述流体控制装置用于微型流体系统如微流控系统时，其流道尺寸在微米级别，例如其流道的横截面的宽度为约0.05-0.5mm。当所述流体控制装置用于小型流体系统如试剂盒等时，其流道尺寸在毫米级别，例如其流道的横截面的宽度为约0.1-5mm。
11.在工作中，本实用新型提供的流体控制机构的所述流体通道通常为水平设置，所述腔体与所述流体通道垂直，所述活塞在腔体内做上下移动。所述流体通道从腔体下方通过向上的开口接入腔体的底部。由此，当所述活塞运动到腔体底部时，可有效地掩盖流体通
道与腔体连通的开口，阻断流体通道与腔体的流体连通。
12.在本实用新型的其中一个方面，上述流体控制机构中的腔体与两条或多条流体通道连通，所述活塞不位于腔体底部时，活塞不掩盖所述开口，所述两条或多条流体通道通过腔体产生相互之间的流体连通。当所述活塞运动到腔体底部和掩盖所述开口时，各条流体通道的流体连通被阻断。
13.在本实用新型的其中又一个方面，上述流体控制机构中的腔体与一条流体通道连通，所述活塞不位于腔体底部时，活塞不掩盖所述开口，所述流体通道与腔体产生流体连通。当所述活塞运动到腔体底部和掩盖所述开口时，流体通道与腔体的流体连通被阻断。
14.在本实用新型的其中一个方面，上述流体控制机构中的流体通道的截面可以为各种形状，包括椭圆、矩形、方形、圆形等。在本实用新型的其中一个方面，所述流体通道的横截面的宽度为约0.1mm-5mm，优选为约0.2mm-2mm，更优选为约0.3mm-1mm。在本实用新型的其中一个方面，所述流体通道与腔体连通的开口通常与所述流体通道的横截面相同。
15.在本实用新型中，所述活塞机构的活塞可由橡胶、聚合物等材料制成，其具有一定的形变能力，与所述活塞机构的腔体的壁可紧密贴合，形成液体不能通过的密闭空间，同时保持活塞在腔体内的良好的运动性，并且使得活塞在运动到腔体底部和受压的情况下能够密封流体通道与腔体连通的开口，完全阻断各流体通道之间的流体连通。在本实用新型中，所述活塞具有与腔体相配合的形状和尺寸。在本实用新型的其中一个方面，所述活塞为圆形，其直径为约0.5mm-25mm，优选为约1mm-20mm，更优选为约3mm-15mm。
16.在本实用新型提供的流体控制设备中，所述活塞在腔体内的运动可由机械传动控制。例如，活塞与连杆固定连接，通过推拉连杆来控制活塞在腔体中的位置。活塞在运动到腔体底部时，可对其继续施加压力，由此使得活塞发生形变，密封流体通道与腔体连通的开口，完全阻断各流体通道之间的流体连通。在本实用新型的其它实施方式中，活塞的运动还可通过其它方式控制，例如气压传动或液压传动等。
17.在本实用新型的其中一个方面，上述流体控制机构中腔体内还包括活塞运动控制件，所述活塞运动控制件具有外螺纹，与腔壁上的内螺纹形成螺纹副，活塞运动控制件沿螺纹转动而在腔体内产生移动，并控制所述活塞在腔体内的移动。当活塞运动控制件沿着螺纹转动时，活塞运动控制件在腔体内沿腔体轴线的移动，即在腔体内发生向上或向下的运动。所述流体控制机构的设置使得活塞运动控制件可带动活塞在腔体内产生移动，例如产生相同的相对腔体的移动。
18.在本实用新型的其中一个方面，在上述流体控制机构中，所述活塞运动控制件的下端具有活塞杆，所述活塞杆与活塞连接。在本实用新型的其中又一个方面，所述活塞杆与所述活塞固定连接(例如，所述活塞杆与所述活塞为一体结构)，活塞运动控制件沿螺纹转动而在腔体内产生移动时，通过活塞杆带动所述活塞在腔体内产生移动。在本实用新型的其中另一个方面，所述活塞杆与所述活塞接触的部位与所述活塞滑动连接，活塞运动控制件沿螺纹转动而在腔体内产生移动时，所述活塞杆的转动基本不引起活塞的转动而只是带动所述活塞在腔体内产生移动。例如，所述活塞杆的底部具有凸起(例如球形或类似球形的凸起)，所述活塞顶部具有与所述凸起相适的凹口，所述活塞杆通过所述凸起插入所述活塞顶部的凹口而与活塞滑动性连接。在本实用新型中，所述活塞的材料具有合适的硬度和一定的弹性，在受到较小的力的时候可保持固定的形态，例如保持凹口的形状以在活塞杆发
生上下运动时可维持对所述凸起的包围和限制，由此带动活塞的上下运动；同时，所述活塞杆的凸起和所述活塞采用的材料使得二者之间具有合适的摩擦力，使得凸起的转动基本不引起活塞的转动。
19.在本实用新型的其中一个方面，在上述流体控制机构中，活塞运动控制件与活塞之间不存在固定连接。在本实用新型的其中又一个方面，在所提供的活塞机构中，活塞的底部具有活塞支撑体，所述活塞支撑体为位于活塞底部的凸起，由具有弹性的材料制成，在其自然形变状态下，其与活塞底部接触的部位不覆盖流体通道与腔体连通的开口，在受到压力时(例如在活塞运动控制件沿螺纹转动并在腔体内向活塞方向运动，接触活塞并将其向腔体底部推动时)产生形变而被压缩至整个活塞底部与腔体的底部完全接触并掩盖流体通道与腔体连通的开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。当活塞受到的压力消失(例如在活塞运动控制件沿螺纹转动并在腔体内向离开活塞的方向运动时)时，活塞支撑体恢复其自然形变状态(即在活塞未受到额外压力下的活塞支撑体的自然形变)，在此状态下活塞支撑体与活塞底部接触的部位不覆盖任何一个流体通道与腔体连通的开口，各条流体通道通过腔体产生相互之间的流体连通。
20.在本实用新型的其中一个方面，上述流体控制机构中腔体内还包括活塞运动控制件，所述活塞运动控制件具有外螺纹，与腔壁上的内螺纹形成螺纹副，活塞运动控制件沿螺纹转动而在腔体内产生移动，并控制所述活塞在腔体内的移动。在本实用新型的上述流体控制机构中，活塞运动控制件与活塞之间可为固定连接。在本实用新型的其中一个方面，在上述流体控制机构中，活塞运动控制件与活塞之间不存在固定连接。在本实用新型的其中一个方面，上述流体控制机构还包括控制所述活塞运动控制件运动的操控机构。在本实用新型的其中一个方面，所述操控机构与所述活塞运动控制件为可分离的。
21.在本实用新型的其中一个方面，所述操控机构包括操控杆和操控杆运动机构。优选的，所述活塞运动控制件具有适合插入所述操控杆的空腔。所述操控杆插入所述活塞运动控制件的空腔后，与所述空腔形成配合，所述操控杆旋转时可带动所述活塞运动控制件旋转。
22.在本实用新型的其中一个方面，所述操控杆运动机构包括控制所述操控杆上下运动和旋转的部件，例如包括控制操控杆转动的电机。优选的，控制操控杆转动的电机为电批，其可设定操控杆的转动方向、转速、转动角度、停止力矩等参数。
23.在本实用新型的其中一个方面，所述操控杆为四棱或六棱螺杆。
24.本实用新型还提供了一种活塞机构，其包括：
25.腔体和腔壁；
26.位于腔体内的活塞和活塞运动控制件，所述活塞运动控制件具有外螺纹，与腔壁上的内螺纹形成螺纹副，活塞运动控制件沿螺纹转动而在腔体内产生移动，并带动所述活塞在腔体内做移动。
27.在本实用新型中，当活塞运动控制件沿着螺纹转动时，活塞运动控制件在腔体内发生向上或向下的运动，即产生相对腔体轴线的移动。在本实用新型中，所述活塞机构的设置使得活塞运动控制件可控制活塞在腔体内的运动，例如产生方向相同的移动。
28.在本实用新型的其中一个方面，上述流体控制机构中腔体内还包括活塞运动控制件，所述活塞运动控制件具有外螺纹，与腔壁上的内螺纹形成螺纹副，活塞运动控制件沿螺
纹转动而在腔体内产生移动，并控制所述活塞在腔体内的移动。在本实用新型的上述流体控制机构中，活塞运动控制件与活塞之间可为固定连接。在本实用新型的其中一个方面，在上述流体控制机构中，活塞运动控制件与活塞之间不存在固定连接。在本实用新型的其中一个方面，上述流体控制机构还包括控制所述活塞运动控制件运动的操控机构。在本实用新型的其中一个方面，所述操控机构与所述活塞运动控制件为可分离的。
29.在本实用新型的其中一个方面，所述操控机构包括操控杆和操控杆运动机构。优选的，所述活塞运动控制件具有适合插入所述操控杆的空腔。
30.在本实用新型的其中一个方面，所述操控杆运动机构包括控制所述操控杆上下运动和旋转的部件，例如包括控制操控杆转动的电机。优选的，控制操控杆转动的电机为电批，其可设定操控杆的转动方向、转速、转动角度、停止力矩等参数。
31.在本实用新型的其中一个方面，所述操控杆为四棱或六棱螺杆。
32.在本实用新型的其中一个方面，所提供的活塞机构的腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与腔体连通的开口位于腔体底部，所述活塞可运动到腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。在本实用新型的其中又一个方面，所述腔体与两条或多条流体通道连通，所述活塞不位于腔体底部时，活塞不掩盖所述开口，所述两条或多条流体通道通过活塞腔体产生相互之间的流体连通。当所述活塞运动到腔体底部和掩盖所述开口时，各条流体通道的流体连通被阻断。
33.在本实用新型的其中一个方面，在所提供的活塞机构中，所述活塞运动控制件的下端具有活塞杆，所述活塞杆与活塞连接。在本实用新型的其中又一个方面，所述活塞杆与所述活塞固定连接(例如，所述活塞杆与所述活塞为一体结构)，活塞运动控制件沿螺纹转动而在腔体内产生移动时，通过活塞杆带动所述活塞在腔体内产生移动。在本实用新型的其中另一个方面，所述活塞杆与所述活塞接触的部位与所述活塞滑动连接，活塞运动控制件沿螺纹转动而在腔体内产生移动时，所述活塞杆的转动基本不引起活塞的转动而只是带动所述活塞在腔体内产生移动。例如，所述活塞杆的底部具有凸起(例如球形或类似球形的凸起)，所述活塞顶部具有与所述凸起相适的凹口，所述活塞杆通过所述球形凸起插入所述活塞顶部的凹口而与活塞滑动性连接。在本实用新型中，所述活塞的材料具有合适的硬度和一定的弹性，在受到较小的力的时候可保持固定的形态，例如保持凹口的形状以在活塞杆发生上下运动时可维持对所述凸起的包围和限制，由此带动活塞的上下运动；同时，所述活塞杆的凸起和所述活塞采用的材料使得二者之间具有合适的摩擦力，使得球形凸起的转动基本不引起活塞的转动。
34.在本实用新型的其中一个方面，在所提供的活塞机构中，活塞运动控制件与活塞之间不存在固定连接。在本实用新型的其中又一个方面，在所提供的活塞机构中，活塞的底部具有活塞支撑体，所述活塞支撑体为位于活塞底部的凸起，由具有弹性的材料制成，在其自然形变状态下，其与活塞底部接触的部位不覆盖流体通道与腔体连通的开口，在受到压力时(例如在活塞运动控制件沿螺纹转动并在腔体内向活塞方向运动，接触活塞并将其向腔体底部推动时)产生形变而被压缩至整个活塞底部与腔体的底部完全接触并掩盖流体通道与腔体连通的开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。当活塞受到的压力消失(例如在活塞运动控制件沿螺纹转动并在腔体内向离开活塞的方向运动时)时，活塞支撑体恢复其自然形变状态(即在活塞未受到额外压力下的活塞支撑体的自然形变)，在此状态下活塞支撑
体与活塞底部接触的部位不覆盖任何一个流体通道与腔体连通的开口，各条流体通道通过腔体产生相互之间的流体连通。
35.本实用新型还提供了一种流体控制设备，其包括：
36.外壳和样品入口，
37.一个或多个如前所述的本实用新型提供的流体控制机构或活塞机构，其具有：
38.腔体和腔壁，以及位于腔体内的活塞；
39.一条或多条流体通道，
40.其特征在于，所述腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与腔体连通的开口位于腔体底部，所述活塞可运动到腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。
41.本实用新型提供的流体控制设备适用于小型和微型流体设备，其用于容纳和转移液体等流体材料。当所述流体控制装置用于微流控系统时，其流道尺寸在微米级别，例如其流道的横截面的宽度为约0.05-0.5mm。当所述流体控制装置用于小型流体系统如试剂盒等时，其流道尺寸在毫米级别，例如其流道的横截面的宽度为约0.1-5mm。
42.在本实用新型的其中又一个方面，所述流体控制设备包括至少一个第一活塞机构和至少一个第二活塞机构，所述第一活塞机构和所述第二活塞机构分别具有与流体通道连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体内具有第一活塞，所述第二腔体内具有第二活塞，第一活塞相对第一腔体做第一运动，第二活塞相对第二腔体做第二运动，第一运动和第二运动使得第一活塞和第二活塞在第一腔体和第二腔体内造成的容积变化相同但作用效果相反，所述第一活塞机构和所述第二活塞机构设置为其活塞可运动至阻断流体通道的位置。其中，所述至少一个第一活塞机构和至少一个第二活塞机构中的一个或多个具有如前所述的流体控制机构的设置方式，例如，其中的第一腔体或第二腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与第一腔体或第二腔体连通的开口位于腔体底部，第一活塞或第二活塞可运动到腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。
43.在本实用新型的其中又一个方面，所述流体控制设备中的所述第一活塞机构和第二活塞机构中的一个或两个与所述流体通道之间具有活塞阀机构，所述活塞阀机构具有与所述流体通道连通的阀腔体和阀腔体内的阀活塞，阀活塞可运动至阻塞与所述流体通道连通的开口的位置，实现对流道的关闭。其中，所述活塞阀机构中的一个或多个具有如前所述的流体控制机构的设置方式，例如阀腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与阀腔体连通的开口位于阀腔体底部，阀活塞可运动到阀腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断阀腔体与流体通道的连通。
44.在本实用新型的其中一个方面，所述流体控制设备适于容纳液体材料，气体材料，乳剂材料，浆料材料，其中溶解固体材料的流体材料，以及其中悬浮有固体颗粒的流体材料。
45.在本实用新型的其中一个方面，所述流体控制设备为试剂盒，其可用于感染源鉴别、遗传学疾病、癌症检测或基因变异检测。在本实用新型的其中一个方面，所述试剂盒可用于检测样品中的生物活性物质如核酸或蛋白质。所述试剂盒具有容纳样品或各种反应试剂或进行各种反应的容纳空间，所述样品或各种反应试剂可以流体形式在所述各个容纳空间之间流动。所述反应包括对样品中的组织或细胞进行裂解、对核酸或蛋白质样品的富集
或提取、对核酸的扩增反应、对核酸或其扩增产物或其携带的信号进行检测等。
46.本实用新型还提供了一种小型流体控制设备，其包括：
47.外壳和样品入口，
48.一条或多条流体通道，
49.一个或多个如前所述的本实用新型提供的活塞机构，其具有：
50.腔体和腔壁；
51.位于腔体内的活塞和活塞运动控制件，所述活塞运动控制件具有外螺纹，与腔壁形成螺纹副，活塞运动控制件沿螺纹转动而在腔体内产生移动，并带动所述活塞在腔体内做相同的移动。
52.在本实用新型的其中又一个方面，所述小型流体控制设备包括至少一个第一活塞机构和至少一个第二活塞机构，所述第一活塞机构和所述第二活塞机构分别具有与流体通道连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体内具有第一活塞，所述第二腔体内具有第二活塞，第一活塞相对第一腔体做第一运动，第二活塞相对第二腔体做第二运动，第一运动和第二运动使得第一活塞和第二活塞在第一腔体和第二腔体内造成的容积变化相同但作用效果相反，所述第一活塞机构和所述第二活塞机构设置为其活塞可运动至其所在的腔体内阻断与流体通道的连通的位置。其中，所述至少一个第一活塞机构和至少一个第二活塞机构中的一个或多个具有如前所述的活塞机构的设置方式，例如，其中的第一腔体或第二腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与第一腔体或第二腔体连通的开口位于腔体底部，第一活塞或第二活塞可运动到腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。
53.在本实用新型的其中又一个方面，所述小型流体控制设备中的所述第一活塞机构和第二活塞机构中的一个或两个与所述流体通道之间具有活塞阀机构，所述活塞阀机构具有与所述流体通道连通的阀腔体和阀腔体内的阀活塞，阀活塞可运动至阻塞与所述流体通道连通的开口的位置，实现对流道的关闭。其中，所述活塞阀机构中的一个或多个具有如前所述的活塞机构的设置方式，例如阀腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与阀腔体连通的开口位于阀腔体底部，阀活塞可运动到阀腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断阀腔体与流体通道的连通。
54.在本实用新型的其中一个方面，所述小型流体控制设备适于容纳液体材料，气体材料，乳剂材料，浆料材料，其中溶解固体材料的流体材料，以及其中悬浮有固体颗粒的流体材料。
55.在本实用新型的其中一个方面，所述小型流体控制设备为试剂盒，其可用于感染源鉴别、遗传学疾病、癌症检测或基因变异检测。在本实用新型的其中一个方面，所述试剂盒可用于检测样品中的生物活性物质如核酸或蛋白质。所述试剂盒具有容纳样品或各种反应试剂或进行各种反应的容纳空间，所述样品或各种反应试剂可以流体形式在所述各个容纳空间之间流动。所述反应包括对样品中的组织或细胞进行裂解、对核酸或蛋白质样品的富集或提取、对核酸的扩增反应、对核酸或其扩增产物或其携带的信号进行检测等。
附图说明
56.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例
或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
57.图1为示例性的流体控制装置的结构示意图和工作流程示意图。图1(a)-(f)显示本实用新型提供的流体控制装置的结构示意图和工作流程。
58.图2为示例性的具有流体的存储和输出单元的流体控制装置的三维结构示意图。图2(a)显示一个示例性的本实用新型的具有流体的存储和输出单元的流体控制装置。图2(b)显示另一个示例性的本实用新型的具有流体的存储和输出单元的流体控制装置。
59.图3为又一种示例性的流体控制设备的结构示意图。图3(a)为该流体控制设备的立体结构示意图。图3(b)和(c)为图3(a)所示的示例性的流体控制设备的截面图，其分别显示两个工作状态。
60.图4为本实用新型的另一示例性的流体控制设备采用的活塞机构的截面示意图。图4(a)和(b)分别显示两个工作状态。
61.图5为本实用新型的另一示例性的流体控制设备的示意图。图5(a)为该示例性的流体控制设备采用的活塞机构的部分截面示意图。图5(b)为本实用新型的该示例性的流体控制设备的立体示意图。
62.图6为本实用新型的另一示例性的流体控制设备的示意图。图6(a)和(b)为该示例性的流体控制设备的截面示意图，分别显示两个工作状态。图6(c)为本实用新型的该示例性的流体控制设备的立体示意图，其显示如图6(a)显示的工作状态。
63.图7为本实用新型的另一示例性的流体控制设备以及其中采用的活塞机构的截面示意图以及工作示意图。
64.图8为本实用新型的另一示例性的流体控制设备以及其中采用的活塞机构的截面示意图。
65.图9为本实用新型的又一示例性的流体控制设备以及其中采用的活塞机构的截面示意图以及工作示意图。
具体实施方式
66.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的区间。
67.实施例1
68.在本技术人的另一中国专利申请202010092879.2以及以该申请为优先权的申请中描述了一种流体控制装置。所示流体控制装置可用于微流控设备或试剂盒等微型或小型流道系统，其中采用多个活塞机构的不同组合，实现流体的进样或储存，以及控制流体的流动方向/流量。该申请的全文引入本文，作为本实用新型的说明的一部分，或者作为本实用新型提供的技术方案的对照。
69.图1为示例性的在该申请描述的流体控制装置的结构示意图和工作示意图。如图1
(a)所示，该流体控制装置具有流体通道2，所述流道的壁1包括流道侧壁和底部。
70.该流体控制装置采用两个或多个活塞机构来控制流体的流动(静止或运动)，以及其流动方向和/或流量。在图1的示例性的流体控制装置中，包括活塞机构3和活塞机构4，其分别具有与流道2连通的腔体31和腔体41，腔体31内具有活塞32，腔体41内具有活塞42。该控制流体的装置中，可包括两个或两个以上活塞机构。
71.图1示意的流体控制装置中，活塞的运动可由气压传动控制。在其它实施方式中，活塞的运动可由机械传动控制。例如，活塞32和/或42与活塞连杆固定连接，通过推拉连杆来控制其在腔体中的位置和运动。在图1的示例性的本实用新型提供的控制流体的装置中，活塞32和/或42可推至流体通道2的底部，阻断流体通道。
72.图1示意的流体控制装置在工作时，活塞机构3和4同时工作，其中的两个活塞同时运动，但方向相反，其在对应的腔体内造成的容积变化相同，但作用相反，即其中一个活塞机构中的腔体内容积增大，而另一个活塞机构中的腔体内容积减少。在本实用新型的其中一个方面，其中所述两个或两个以上活塞机构的活塞横截面相同，由此，两个活塞机构同时工作时，控制各自活塞运动的速度相同，即可使得其在对应的腔体内造成的体积变化相同但作用相反。
73.图1示意的流体控制装置还包括所述活塞机构3和4中的一个或两个与流体通道之间的阀。通过所述阀控制活塞机构与流体通道的流体连通。例如，所述阀可阻断或部分阻断活塞机构与流体通道之间的流体连通。在如图1的控制流体的装置中，所述阀为活塞机构。如图1所示，在活塞机构3的上游设置活塞阀机构8，其具有阀腔体81，其内具有阀活塞82。阀腔体81与腔体31之间通过阀流道211连通。流道211在阀腔体81内的开口84位于腔体的壁上，即开口位于高于流体通道2的位置。阀活塞82可推至流体通道2的底部，阻断流体通道。另外，阀活塞82的厚度大于开口84的宽度；由此，阀活塞82可充分阻塞开口84，实现阀腔体81与腔体31之间的流道的关闭。
74.图1示意的控制流体的装置中，在活塞机构4的下游设置活塞阀机构9，其具有阀腔体91，其内具有阀活塞92。阀腔体91与出口流道10之间通过阀流道231连通。阀流道231在阀腔体91内的开口94位于高于流道基底的腔体的壁上。阀活塞92和开口94的设置使得在阀活塞92下压时，可完全阻塞开口94，实现对流道的关闭。
75.图1示意的控制流体的装置的工作流程如图1(a)-图1(i)所示。
76.图2为示例性的具有流体的存储和输出单元的流体控制装置的三维结构示意图。
77.图2(a)显示的流体控制装置具有外壳100和流道200，流道200包括主流道201及支流道202。该流体控制装置包含三个活塞机构300、400和500，其中活塞机构300和500位于主流道201上，活塞机构400位于支流道202的末端。在该示例性的流体控制装置中，与图1描述的通过控制活塞的运动实现流体的进样或储存的方法类似，可将液体从活塞机构300经主流道201通过支流道202进入活塞机构400的腔体401中。例如通过同时将活塞机构300的活塞302压下以及将活塞机构400的活塞402拉起，使得需要储存的液体从活塞机构300的腔室301经主流道201通过支流道202进入活塞机构400的腔体401中，储存的液体体积可以根据需要通过活塞402拉起的距离调节。在该示例性的流体控制装置中，在活塞机构300的活塞302保持固定，不阻碍主流道流体畅通的情况下，通过将活塞机构400的活塞402拉起，使得需要储存的液体直接从输入口经主流道201通过支流道202进入活塞机构400的腔体401中。
78.类似的，可以通过对活塞402和502的操作，使得流体在活塞机构400的腔体401和活塞机构500的腔体501或流道间移动或停留。
79.图2(b)显示的示例性流体控制装置在图2(a)的示例性流体控制装置的基础上，在支流道202上，即在活塞机构400与主流道201之间还设置了活塞阀机构600。所述活塞阀机构600具有阀腔体601，其内具有阀活塞602。阀活塞602可推至支流道202的底部，阻断流体通道。图4(b)显示的示例性流体控制装置中，与主流道201相连的支流道202在阀腔体601的开口位于腔体的壁上(即形成活塞阀机构600与流道相通的阀流道)。在该示例性的流体控制装置中，与主流道201相连的支流道202和/或与活塞阀机构600相连的支流道202在阀腔体601的开口位于腔体的壁上。
80.在图1和图2所示的流体控制装置中，活塞机构以及活塞阀机构与流体通道连接的开口、以及活塞机构与活塞阀机构连接的开口都设置在腔体的壁上。例如，图1(a)中活塞机构3和4与流道之间连接的开口，以及图2(a)中活塞机构300和400与流道之间连接的开口都设置在腔体底部的壁上。又例如，图1(a)中活塞阀机构8与活塞机构3之间的流道开口，以及图2(a)中活塞阀机构600与流道202之间的流道开口都设置在阀腔体内高于流道基底的壁上。
81.实施例2
82.在本实用新型中，提供了一种用于微流控设备或试剂盒等微型或小型流道系统的活塞机构以及采用所述活塞机构的流体控制设备。
83.图3为本实用新型示例性的流体控制设备的结构示意图。图3(a)为该流体控制设备的立体示意图。如图3(a)所示，在本实用新型的其中一种实施方式中，提供了一种流体控制设备，其中包括多条流体通道1020，所述流体通道设置在所述流体控制设备的底部。所述流体通道2的壁1010(包括流道侧壁1011和底部1012等)的材料包括但不限于硅石、硅、石英、玻璃或聚合材料(例如pdms、塑料等)。本实用新型提供的流体控制装置适用于小型和微型流体设备，其用于容纳和转移液体等流体材料，其流道的尺寸在毫米和微米级别，例如为约0.05-5mm。当所述流体控制装置用于微流控系统时，其流道尺寸在微米级别，例如其流道的横截面的宽度为约0.05-0.5mm。在本实用新型的其中一个方面，所述流道的横截面的宽度为约0.05-0.5mm，优选为约0.05mm-0.2mm。当所述流体控制装置用于小型流体系统如试剂盒等时，其流道尺寸在毫米级别，例如其流道的横截面的宽度为约0.1-5mm。在本实用新型的其中一个方面，所述流体通道的流道的截面可以为各种形状，包括椭圆、矩形、方形、圆形等。在本实用新型的其中一个方面，所述流体通道的流道的横截面的宽度为约0.1-5mm，优选为约0.2mm-2mm。
84.所述流体控制设备具有活塞机构2000。所述活塞机构具有腔壁2010、由腔壁限制的空间形成的腔体2020，以及可在腔体内活动的活塞2030。如图3(a)所示，腔体2020的底部与多条流体通道连通，所述流体通道与腔体连通的开口2040都位于活塞机构的腔体的底部。所述活塞2030可运动到活塞机构的腔体底部，掩盖流体通道与腔体连通的开口2040，由此阻断流体通道与腔体的连通。当所述活塞不位于腔体底部时，活塞不掩盖所述开口，所述多条流体通道通过腔体产生相互之间的流体连通。当所述活塞运动到腔体底部和掩盖所述开口时，各条流体通道的流体连通被阻断。
85.在本实用新型中，所述活塞机构的活塞可由橡胶、聚合物等材料制成，其具有一定
的形变能力，与所述活塞机构的腔体的壁可紧密贴合，形成液体不能通过的密闭空间，同时保持活塞在腔体内的良好的运动性，并且使得活塞在运动到腔体底部和受压的情况下能够密封流体通道与腔体连通的开口，完全阻断各流体通道之间的流体连通。在本实用新型中，所述活塞具有与腔体相配合的形状和尺寸。在本实用新型的其中一个方面，所述活塞为圆形，其直径为约1mm-30mm，优选为5-20mm。
86.在本实用新型中，形成所述活塞机构的腔壁的材料一般与所述流体通道的壁的材料相同。
87.如图3(a)所示，腔体2020可与多条流体通道1020连通，所述流体通道与腔体连通的开口2040都位于腔体的底部，其中，流体通道1021和1022为位于同一截面的两条流体通道。
88.图3(b)和(c)为图3(a)所示的示例性的流体控制设备的通过流体通道1021和1022的截面图。所述流体通道由流道侧壁1011和底部1012限制而成。流体通道与腔体连通的开口2040都位于腔体的底部，流道侧壁的顶部1013形成腔体底部的一部分。图3(b)显示，当所述活塞不位于腔体底部时，活塞不掩盖所述开口，所述多条流体通道(包括流体通道1010和1022)通过腔体产生相互之间的流体连通。图3(c)显示，当所述活塞运动到腔体底部和掩盖所述开口时，各条流体通道的流体连通被阻断。
89.在本实用新型提供的流体控制设备中，活塞在腔体内的运动可由机械传动控制。例如，活塞与连杆固定连接，通过推拉连杆来控制活塞在腔体中的位置。活塞在运动到腔体底部时，可对其继续施加压力，由此使得活塞发生形变，密封流体通道与腔体连通的开口，完全阻断各流体通道之间的流体连通。在本实用新型的其它实施方式中，活塞的运动还可通过其它方式控制，例如气压传动或液压传动等。
90.图4为本实用新型的另一示例性的流体控制设备采用的活塞机构的截面示意图。其中，活塞机构2000具有腔壁2010、由腔壁限制的空间形成的腔体2020，可在腔体内活动的活塞2030，以及用于控制活塞运动的活塞运动控制件2050。图4显示的示例性的活塞机构中，活塞运动控制件2050具有外螺纹2051，与腔壁2010上的内螺纹形成螺纹副。当活塞运动控制件2050沿着螺纹转动时，活塞运动控制件在腔体2020内发生向上或向下的运动，即产生相对腔体轴线的移动。图4显示的示例性的活塞机构中，活塞运动控制件的下端具有活塞杆2052，活塞杆2052与活塞2030固定连接。在本实用新型的其中一种实施方式中，活塞运动控制件(包括活塞杆2052)与活塞2030为一个整体部件。当活塞运动控制件2050沿螺纹转动而在腔体2020内发生向上或向下的运动时，通过活塞杆使得所述活塞在腔体内做相同的运动。
91.图4(a)显示，当所述活塞不位于腔体底部时，活塞不掩盖所述开口，所述多条流体通道(包括流体通道1021和1022)通过腔体产生相互之间的流体连通。图4(b)显示，当所述活塞运动到腔体底部和掩盖所述开口时，各条流体通道的流体连通被阻断。
92.图5为本实用新型的另一示例性的流体控制设备的示意图。图5(a)为该示例性的流体控制设备采用的活塞机构的部分截面示意图。图5(a)显示的示例性的活塞机构中，活塞运动控制件2050具有外螺纹2051，与活塞的腔壁(未示出)形成螺纹副。当活塞运动控制件2050沿着螺纹转动时，活塞运动控制件在活塞的腔体(未示出)内发生向上或向下的运动。图5显示的示例性的活塞机构中，活塞运动控制件的下端具有活塞杆2052，活塞杆2052
的底部具有球形凸起2053。活塞2030的顶部具有与所述球形凸起2053相适的凹口2031。活塞运动控制件通过将活塞杆底部的球形凸起2053插入到活塞2030的顶部凹口2031而与活塞滑动性连接。活塞的材料具有合适的硬度和一定的弹性，在受到较小的力的时候可保持固定的形态，例如保持凹口的形状以在活塞杆发生在空腔内的上下运动时可维持对所述球形凸起的包围和限制，由此带动活塞在空腔内的上下运动；同时，所述活塞杆的球形凸起和所述活塞采用的材料使得二者之间具有合适的摩擦力，使得球形凸起的转动基本不引起活塞的转动。由此，当活塞运动控制件2050沿螺纹转动而在腔体2020内发生向上或向下的运动时，通过活塞杆底部的球形凸起2053带动所述活塞，使其在腔体内做相同的向上或向下的运动。
93.图5(b)为本实用新型的该示例性的流体控制设备的立体示意图。图5(b)显示，活塞机构2000的活塞运动控制件2050的下端的活塞杆的底部具有球形凸起2053。活塞2030具有与所述球形凸起2053相适的凹口2031。活塞运动控制件通过将活塞杆底部的球形凸起2053插入到活塞2030的顶部凹口2031而与活塞活动性连接。活塞运动控制件2050具有外螺纹2051，与活塞的腔壁2010形成螺纹副。当活塞运动控制件2050沿着螺纹转动时，活塞运动控制件在活塞的腔体2020内发生向上或向下的运动。腔体2020的底部与多条流体通道1020连通，所述流体通道与腔体连通的开口2040都位于活塞的腔体底部。所述活塞2030在活塞运动控制件2050的带动下，运动到活塞的腔体的底部，掩盖流体通道与腔体连通的开口2040，由此阻断的流体连通。
94.图6为本实用新型的另一示例性的流体控制设备的示意图。图6(a)和(b)为该示例性的流体控制设备的截面示意图。如图6(a)和(b)显示的示例性的设备的活塞机构中，所述流体控制设备具有活塞机构2000。所述活塞机构具有腔壁2010、由腔壁限制的空间形成的腔体2020，以及可在腔体内活动的活塞2030。活塞运动控制件2050具有外螺纹2051，与活塞的腔壁2010上的内螺纹形成螺纹副。当活塞运动控制件2050沿着螺纹转动时，活塞运动控制件在活塞的腔体内发生向上或向下的运动。图6显示的示例性的活塞机构中，活塞运动控制件与活塞2030之间不存在固定连接。活塞的底部具有活塞支撑体2032，其为位于活塞底部的凸起，由具有弹性的材料制成，在受到压力时会发生形变而被压缩。在活塞受到压力时(例如在活塞运动控制件沿螺纹转动并在腔体内向活塞方向运动，接触活塞并将其向腔体底部推动时)，活塞支撑体被压平，整个活塞底部与腔体的底部完全接触并掩盖所有流体通道(如图示流体通道1021和1022)与腔体连通的开口2040，由此阻断各条流体通道的流体连通(如图6(b)所示)；当活塞受到的压力消失(例如在活塞运动控制件沿螺纹转动并在腔体内向离开活塞的方向运动时)时，活塞支撑体2032恢复其自然形变状态(即在活塞未受到额外压力下的活塞支撑体2032的自然形变)，在此状态下活塞支撑体将活塞顶起，活塞底部与腔体底部接触的部位(即活塞支撑体所处位置)不覆盖任何一个流体通道与腔体连通的开口2040，各条流体通道通过腔体产生相互之间的流体连通(如图6(a)所示)。
95.图6(c)为本实用新型的该示例性的流体控制设备的立体示意图，其显示如图6(a)显示的工作状态，即当活塞受到的压力消失(例如在活塞运动控制件沿螺纹转动并在腔体内向离开活塞的方向运动时)时，活塞支撑体2032恢复其自然形变状态(即在活塞未受到额外压力下的活塞支撑体2032的自然形变)。从立体图可以清楚地看出，由于活塞支撑体与活塞底部接触的部位不覆盖任何一个流体通道与腔体连通的开口2040，在活塞支撑体2032处
于其自然形变状态时，各条流体通道通过腔体产生相互之间的流体连通。
96.图7为本实用新型的另一示例性的流体控制设备的示意图。图7(a)和(b)为该示例性的流体控制设备的截面示意图。如图7(a)和(b)显示的示例性的设备的活塞机构中，所述流体控制设备具有活塞机构2000。所述活塞机构具有腔壁2010、由腔壁限制的空间形成的腔体2020，以及可在腔体内活动的活塞2030。活塞运动控制件2050具有外螺纹2051，与活塞的腔壁2010的内螺纹形成螺纹副。当活塞运动控制件2050沿着螺纹转动时，活塞运动控制件在活塞的腔体内发生向上或向下的运动。在图7显示的示例性活塞机构中，活塞运动控制件2050的运动通过活塞运动控制件的操控机构3000调节。如图7(a)所示，所述操控机构包括操控杆3010和操控杆运动机构。操控杆可进行旋转或上下运动。所述活塞运动控制件具有适合插入所述操控杆的空腔，所述操控杆插入所述活塞运动控制件的空腔后，与所述空腔形成配合，当所述操控杆旋转时可带动所述活塞运动控制件旋转。所述操控杆运动机构包括控制所述操控杆上下运动和旋转的部件，例如包括如图所示的控制操控杆转动的电机。在本实用新型中，所述操控杆运动电机可为电批3020，其可设定操控杆的转动方向、转速、转动角度、停止力矩等参数。所述活塞运动控制件2050具有适合插入操控杆的空腔2055，空腔横截面为与操控杆(例如图7示实施例中的四棱或六棱螺杆)适配的形状。图7(a)为控制活塞运动控制件向下运动的示意图。如图7(a)所示，所述操控杆插入活塞运动控制件的空腔后，操控杆的顺时针旋转可带动活塞运动控制件2050沿着螺纹转动，活塞运动控制件在腔体2020内发生向下的运动。在本实用新型的其中一个方面，所述操控杆可以以缓慢地旋转的方式插入到活塞运动控制件的空腔中。边旋转边插入的方式可以使得操控杆上的棱与腔体的内部相啮合，有效地解决了对准问题。图7显示的示例性的活塞机构中，活塞运动控制件与活塞2030之间不存在固定连接。活塞的底部具有活塞支撑体2032，其为位于活塞底部的凸起，由具有弹性的材料制成，在受到压力时会发生形变而被压缩。在活塞受到压力时(例如在活塞运动控制件沿螺纹转动并在腔体内向活塞方向运动，接触活塞并将其向腔体底部推动时)，活塞支撑体被压平，整个活塞底部与腔体的底部完全接触并掩盖所有流体通道(如图示流体通道1021和1022)与腔体连通的开口2040，由此阻断各条流体通道的流体连通(如图7(a)所示)；当活塞受到的压力消失时，活塞支撑体2032恢复其自然形变状态，在此状态下活塞支撑体使得活塞底部与腔体底部接触的部位不覆盖任何一个流体通道与腔体连通的开口2040，各条流体通道通过腔体产生相互之间的流体连通(如图7(b)所示)。通过调整操控杆的运动距离，来调节活塞运动控制件与活塞2030的接触和压迫。同时，可设置腔壁2010对活塞运动控制件的限位，以及通过设置电批3020的力矩阈值，使得当活塞运动控制件运动到限位，活塞运动控制件内的操控杆受到的力矩超过电批设定的停止力矩值后，电批将停止电机的转动，进而可以将操控杆拔出。在本实用新型中，可通过一个操控杆和操控杆运动机构对多个活塞机构进行控制：当操控杆从一个活塞机构中移出后，可移动到用于对其它活塞机构的位置。
97.图7(b)为控制活塞运动控制件向上运动的示意图。如图7(a)所示，所述操控杆插入空腔后，操控杆的逆时针旋转可带动活塞运动控制件2050沿着螺纹转动，活塞运动控制件在腔体2020内发生向上的运动。当活塞受到的压力消失(例如在活塞运动控制件不接触活塞时)时，活塞支撑体2032恢复其自然形变状态(即在活塞未受到额外压力下的活塞支撑体2032的自然形变)，在此状态下活塞支撑体与活塞底部接触的部位不覆盖任何一个流体
通道与腔体连通的开口2040，各条流体通道通过腔体产生相互之间的流体连通当活塞运动控制件运动到顶部时，因为限位的存在，使得力矩增大，超过电批设定的停止力矩值后，电批将停止操控杆的转动，进而可以将操控杆拔出。
98.图8为本实用新型的另一示例性的流体控制设备以及其中采用的活塞机构的截面示意图。其中，活塞机构2000具有腔壁2010、由腔壁限制的空间形成的腔体2020，可在腔体内活动的活塞2030，以及用于控制活塞运动的活塞运动控制件2050。所述活塞机构的腔体的底部与一条流体通道1020的分流道1030相连通，分流道1030与腔体连接的开口1031位于腔体底部。所述活塞可运动到腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。图7显示的活塞机构中，活塞运动控制件2050具有外螺纹2051，与腔壁2010形成螺纹副。当活塞运动控制件2050沿着螺纹转动时，活塞运动控制件在腔体2020内发生向上或向下的运动。活塞运动控制件的下端具有活塞杆2052，活塞杆2052与活塞2030连接。当活塞运动控制件2050沿螺纹转动而在腔体2020内发生向上或向下的运动时，通过活塞杆使得所述活塞在腔体内做相同的运动。
99.图9为本实用新型的另一示例性的流体控制设备以及其中采用的活塞机构的截面示意图。其中，活塞机构2000具有腔壁2010、由腔壁限制的空间形成的腔体2020，可在腔体内活动的活塞2030，以及用于控制活塞运动的操控杆3100，控制杆的底部具有球形凸起3120。所述活塞机构的腔体的底部与一条流体通道1020的分流道1030相连通，分流道1030与腔体连接的开口1031位于腔体底部。所述活塞可运动到腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。活塞2030具有与所述球形凸起2053相适的凹口2031。操控杆通过将底部的球形凸起3120插入到活塞2030的顶部凹口2031而与活塞活动性连接。操控杆可进行旋转或上下运动。控制所述操控杆运动的机构包括控制所述操控杆上下运动和旋转的部件，例如包括如图所示的控制操控杆转动的电机。在本实用新型中，所述操控杆运动电机可为电批3130，其可设定操控杆的转动方向、转速、转动角度、停止力矩等参数。图9(a)为控制活塞向下运动的示意图。如图9(a)所示，所述操控杆插入活塞2030的顶部凹口2031后，操控杆的向下运动可带动活塞发生向下的运动。在本实用新型的其中一个方面，所述操控杆可以以缓慢地旋转的方式插入到活塞的顶部凹口中，有效地解决了对准问题。图9(b)为控制活塞向上运动的示意图。如图9(b)所示，所述操控杆插入活塞2030的顶部凹口2031后，操控杆的向上运动可带动活塞发生向上的运动。
100.如图8和图9所示，当活塞2030升起而离开腔体底部时，可将流体通道1020中的液体吸入到腔体中。通过活塞运动控制件2050的移动方向、位置以及速度，可以精确地吸取、放出或保留进入腔体的液体的量，以及液体进入或离开腔体的速度。由此，所述流体控制设备可在微流控设备或试剂盒等微型或小型流道系统的应用中，满足对某种流体在系统内部的某个区域停留(存储)或被送出参与反应的需要。
101.实施例2描述的前述流体控制设备和/或其中采用的活塞机构可用于微流控设备或试剂盒等微型或小型流道系统。实施例2描述的前述流体控制设备和/或其中采用的活塞机构可更有效地控制液体在各腔体之间的运动，包括更准确地控制液体在腔体内的存储量、液体在流道中的运动速度、流道与流道之间的连通或关闭等。
102.实施例2描述的流体控制设备和/或其中采用的活塞机构可用于实施例1所示的流体控制装置。实施例2描述的流体控制设备和/或其中采用的活塞机构可用于代替实施例1
所示的流体控制装置或其中所述的活塞机构或活塞阀机构中的一个或多个。例如，在实施例1描述的流体控制装置包括至少一个第一活塞机构和至少一个第二活塞机构，所述第一活塞机构和所述第二活塞机构分别具有与流体通道连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体内具有第一活塞，所述第二腔体内具有第二活塞，第一活塞相对第一腔体做第一运动，第二活塞相对第二腔体做第二运动，第一运动和第二运动使得第一活塞和第二活塞在第一腔体和第二腔体内造成的容积变化相同但作用效果相反。所述至少一个第一活塞机构和至少一个第二活塞机构中的一个或多个为实施例2中描述的流体控制机构或，即其第一腔体或第二腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与腔体连通的开口位于腔体底部，第一活塞或第二活塞可运动到腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断腔体与流体通道的连通。又例如，在实施例1描述的流体控制装置中的所述第一活塞机构和第二活塞机构中的一个或两个与所述流体通道之间具有活塞阀机构，所述活塞阀机构具有与所述流体通道连通的阀腔体和阀腔体内的阀活塞。所述活塞阀机构中的一个或多个可为如前所述的流体控制机构或其中所述的活塞机构，即阀腔体的底部与一条或多条流体通道连通，所述流体通道与阀腔体连通的开口位于阀腔体底部，阀活塞可运动到阀腔体底部和掩盖所述开口，由此阻断阀腔体与流体通道的连通。
103.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。