(57)【要約】      （修正有）【課題】微小流体基板を外部コントローラに接続し基板を制御するために必要な入出力接続数を削減する。【解決手段】微小流体処理デバイスは、複数Ｎ個の独立制御可能構成部品を有する基板上に製造される。基板は、当該基板を外部コントローラに接続する複数の入出力接点と、接点を構成部品の端子に接続する複数のリードとを含む。リードにより、外部コントローラが、構成部品の端子の総数よりも大幅に少ない接点を用いて、構成部品の端子に接点を介して制御信号を供給できる。各リードは、対応する接点を複数の端子に接続し、コントローラは、端子毎に別個の接点を必要とせずに、信号を端子に供給することができる。各構成部品の端子が一意の接点の組み合わせに接続されるように、リードを配列する。外部コントローラは、制御信号を供給することによって、この構成部品を活性化することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小流体処理デバイスであって、
各々が少なくとも２つの端子を有する複数Ｎ個の独立制御可能な構成部品を含んでいる基板であって、微少流体を処理するよう構成された基板と、
前記基板を外部コントローラに接続する複数の入出力接点と、
前記接点を前記端子に接続する複数のリードと
を備え、前記構成部品の各々の前記端子は、前記接点の一意の組み合わせに接続されており、前記Ｎ個の構成部品を独立して制御するために必要な接点数が、前記端子毎に別個のリードを必要とすることなく前記構成部品の総数の５０％未満であり、前記コントローラは、これによって、前記構成部品を各々、他の構成部品とは独立して制御することが可能であることを特徴とする微小流体処理デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の微小流体処理デバイスにおいて、前記接点の数は、前記構成部品の数に対して、２√Ｎの関係にあることを特徴とする微小流体処理デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の微小流体処理デバイスにおいて、前記Ｎ個の構成部品の少なくとも部分集合が抵抗型加熱素子であることを特徴とする微小流体処理デバイス。
【請求項４】
請求項１記載の微小流体処理デバイスにおいて、前記Ｎ個の構成部品の少なくとも部分集合が抵抗型検知素子であることを特徴とする微小流体処理デバイス。
【請求項５】
請求項１記載の微小流体処理デバイスにおいて、前記独立制御可能な構成部品の少なくとも１つは、複数の副構成部品を含み、該副構成部品は、前記少なくとも１つの独立制御可能構成部品と関連付けられた前記接点の一意の組み合わせを用いて、前記外部コントローラによって一括して活性化されることを特徴とする微小流体処理デバイス。
【請求項６】
請求項１記載の微小流体デバイスにおいて、該デバイスは、前記構成部品を通って一方向に電流を流すように構成された複数の一方向電流素子を含むことを特徴とする微小流体デバイス。
【請求項７】
請求項１記載の微小流体デバイスにおいて、前記基板は、熱作動バルブを含み、前記Ｎ個の独立制御可能構成部品の少なくとも１つは、前記熱作動バルブと熱的に連通した加熱素子であることを特徴とする微小流体デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の微小流体デバイスにおいて、前記基板は、複数の熱作動バルブを含み、前記Ｎ個の独立制御可能構成部品の部分集合の各構成部品は、それぞれの熱作動バルブと熱的に連通した加熱素子であることを特徴とする微小流体デバイス。
【請求項９】
請求項１記載の微小流体デバイスにおいて、前記基板は、流体室を備えた熱作動ポンプを含み、前記Ｎ個の独立制御可能構成部品の少なくとも１つは、前記流体室と熱的に連通した加熱素子であり、前記加熱素子の作動により前記流体を加熱し、前記熱作動ポンプを作動させるようにしたことを特徴とする微小流体デバイス。
【請求項１０】
請求項９記載の微小流体デバイスにおいて、前記基板は、各々流体室を備えた複数の熱作動ポンプを含み、前記Ｎ個の独立制御可能構成部品の部分集合の各構成部品は、それぞれの熱作動ポンプの流体室と熱的に連通した加熱素子であることを特徴とする微小流体デバイス。
【請求項１１】
微小流体処理デバイスの製造方法であって、
各々少なくとも２つの端子を有する複数の構成部品を有し、微少流体を処理する基板を設けるステップと、
前記基板を外部コントローラに接続する複数の入出力接点を設けるステップと、
前記接点を前記端子に接続する複数のリードを設けるステップと
からなり、前記構成部品の各々の前記端子は、前記接点の一意の組み合わせに接続されており、前記Ｎ個の構成部品を独立して制御するために必要な接点の数が、前記端子毎に別個のリードを必要とすることなく前記構成部品の総数の５０％未満であり、前記コントローラは、これによって、前記構成部品それぞれを、他の構成部品とは独立して制御することができるようにしたことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法において、各リードが、対応する接点を複数の前記端子に接続することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の方法において、接点の数は、前記構成部品の数に対して、式２√Ｎの関係にあることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１１記載の方法において、前記構成部品が抵抗型加熱素子であることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１１記載の方法において、前記独立制御可能構成部品の少なくとも１つが、複数の副構成部品からなり、該副構成部品の活性化は、前記少なくとも１つの独立制御可能構成部品と関連付けられた前記接点の一意の組み合わせを用いて、前記外部コントローラによって一括して行われることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１１記載の方法において、前記構成部品が抵抗型検知素子であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流体デバイスに関し、更に特定すれば、微小流体デバイスを外部コントローラに接続し、微小流体デバイスを制御するために必要な入力及び出力接続の数を削減する技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミクロ／ナノ技術によるデバイスは、当技術分野において、構成部品が１μｍないし数１００μｍの大きさであり、これらが協同して種々の所望の機能を実行するデバイスとして知られている。即ち、微小流体デバイスは、ミクロ／ナノ技術デバイスであり、流体処理機能を実行し、例えば、協同して化学的又は生化学的反応あるいは分析を実施する。
微小流体デバイスは、当該デバイス内部で流体を操作し分析するために種々の構成部品を含む。通例、これらの素子は、シリコン、ガラス、セラミック、プラスティック、及び／又はクオーツでつくられた基板から微細加工される。これら種々の流体処理構成部品は、同じ基板内にエッチングされたマイクロチャネルによって連結され、これらを通じて、流体が流体推進機構の制御の下で流動する。基板上には電子構成部品も製作することができ、センサや制御回路を同じデバイス内に組み込むことができる。構成部品の全てが、従来のフォトリソグラフ技法を用いて作られているので、多数素子デバイスを組み合わせて、複雑な統合化システムを容易に構築することができる。
【０００３】
従来技術における微小流体デバイスの殆どは、微小規模の通路及びチャンバを通過する流体に基づいており、流体は連続的又は比較的大きな部分体(aliquot)のいずれかである。流体流は、大抵の場合、電子浸透力及び電気泳動力によって開始され、制御される。例えば、１９９７年４月２７日に発行され、"Apparatus and Methods for Controlling Fluid Flow in Microchannels"（微小チャネル内における流体流を制御する方法及び装置）と題する米国特許第５，６３２，８７６号、１９９９年１１月３０日に発行され、"Flow Control in MicrofluidicsDevices by Controlled Bubble Formation"（微小流体デバイスにおけるバブル形成制御による流量制御）と題する米国特許第５，９９２，８２０号、１９９７年６月１０日に発行され、"Methods and Apparatus for the Detection of an Analyte Utilizing Mesoscale Flow Systems"（中規模流労システムを利用した検体の検出方法及び装置）と題する米国特許第５，６３７，４６９号、１９９８年９月１日に発行され、"Variable Control of Electroosmoticand/or Electrophoretic Forces Within a Fluid-Containing Structure Via Electrical Forces"（電気的力による流体内蔵構造内における電気浸透及び／又は電気泳動力の可変制御）と題する米国特許第５，８００，６９０号、１９９９年１２月１４日に発行され、"Methods and Systems for Monitoring and Controlling Fluid Flow Rates in Microfluidic Systems"（微小流体システムにおける流体流速を監視し制御する方法及びシステム）と題する米国特許第６，００１，２３１号を参照のこと。また、例えば、Orchid, Inc.(www.orchid.com)及びCaliper Technologies, Inc. (www.calipertech.com)の製品も参照のこと。
【０００４】
微小流体デバイスは、微小規模の通路における非常に小さい部分体の流体（ここでは「微小滴下」と呼ぶことにする）を操作し、主に、その流体量を移動させる圧力や非電気的力をその原動力としている。これらのデバイスが有利なのは、必要な試薬の量が少なくて済み、比較的小さな電圧を用いれば、標準的な微小電子構成部品が必要とする電圧と同じ程度の、非電気的推進力を発生することができるからである。具体的には、以下の特許を参照のこと。その内容は、ここで引用することによりその全体が本願にも含まれるものとする。２０００年５月２日に発行され、"Microscale Devices And Reactions In Microscale Devices"（微小規模デバイス及び微小規模デバイスにおける反応）と題する米国特許第６，０５７，１４９号、２０００年４月１１日に発行され、"Thermal Microvalves in a Fluid Flow Method"（流体流動方法における熱微小バルブ）と題する米国特許第６，０４８，７３４号、及び２０００年１０月１０日に発行された米国特許第６，１３０，０９８号。（この章又は本願のいずれの章においても、いずれの参考文献の引用又は特定も、かかる参考文献が本発明に対する従来技術として利用可能であると解釈しないこととする）。
【０００５】
例えば、米国特許第６，１３０，０９８号（「０９８特許」）は、微小滴下チャネルを含み、流体処理システムを介して流体滴下を移送する微小流体デバイスについて開示している。このシステムは、流体滴下を処理するために種々の微小規模構成部品を含み、微小反応チャンバ、電気泳動モジュール、及び検出器（放射線検出器等）を含む。実施形態によっては、デバイスは、抵抗型ヒータに結合されたエア・チャンバも含み、内部で空気圧力を発生し、測定流体量を入力ポートから自動的に引き込み、測定微小滴下を推進し、微小流体デバイスに通過させる。
【０００６】
これらの構成部品は、微小流体デバイスの縁端にある入出力（Ｉ／Ｏ）ピンに接続されており、これらのピンは外部コントローラの対応するＩ／Ｏピンと連結する。外部コントローラは、これらの構成部品を動作させる際、入出力ピンを介して制御信号を送受信する。例えば、微小流体デバイス外部の制御デバイスは、微小流体デバイス内部の抵抗型ヒータを作動させるには、入出力ピンを介してヒータに電流を供給する。微小流体デバイスは、多数のこのような構成部品を含む可能性があり、これらは外部のデバイスによって制御される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、このような微小流体デバイスを外部コントローラから制御するために必要な入出力ピンの数を削減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一般に、微小流体基板を外部コントローラに接続し基板を制御するために必要な入出力接続の数を削減する技法に関する。一態様では、本発明は、基板上に製作された微小流体処理デバイスに関し、これは複数のＮ個の独立制御可能な構成部品（例えば、抵抗型加熱素子）を有し、その各々が少なくとも２つの端子を有する。基板は、当該基板を外部コントローラに接続するための複数の入出力接点と、接点を構成部品の端子に接続する複数のリードとを含む。
【０００９】
リードは、外部コントローラが、構成部品の端子の総数よりもかなり少ない接点を用いて、構成部品の端子に接点を介して制御信号を供給できるように構成されている。例えば、一実施形態では、各リードが対応する接点を複数の端子に接続することにより、コントローラは、端子毎に別個の接点を必要とせずに、信号群を端子群に供給することができる。接点の数は、構成部品の数の約５０％未満とすることもできる。しかしながら、構成部品の各々が互いに独立して制御可能であることを確保するために、各構成部品の端子を接点の一意の組み合わせに接続するようなリードの構成にもなっている。したがって、外部コントローラは、選択した構成部品を活性化するには、当該構成部品に一意に対応する接点の組み合わせに制御信号を供給すれば、可能となる。
【００１０】
微細加工したデバイスの基板は、バルブやポンプのような素子を含むことが好ましい。これらは、協同して基板のチャネル及びチャンバ内部の流体を操作する。例えば、基板は、熱的に作動するバルブを含むことができる。Ｎ個の独立制御可能な構成部品の少なくとも１つは、熱作動バルブに熱的に連通する加熱素子である。加熱素子の作動によって、バルブを作動させることにより、バルブは開放又は閉鎖する。基板は、複数の熱作動バルブを含むこともでき、複数のＮ個の独立制御可能な構成部品は、それぞれの熱作動バルブと熱的に連通する加熱素子である。
【００１１】
基板は、流体室(volume of fluid)を備えた熱作動ポンプも含むことができる。Ｎ個の独立制御可能な構成部品の少なくとも１つは、流体室と熱的に連通する加熱素子であり、こうすることによって、加熱素子を作動させると、流体が加熱して熱作動ポンプを作動させる。例えば、流体は気体とすることができ、この場合、気体の膨張が微小流体サンプルを、基板のチャネルに沿って推進させる。基板は、複数の熱作動ポンプを含むこともできる。各ポンプの流体は、少なくとも１つの加熱素子と熱的に連通している。
【００１２】
基板は、重合連鎖反応を行うように構成されたチャンバのような、少なくとも１つの微細加工反応チャンバを含むことができる。Ｎ個の独立制御可能な構成部品の少なくとも１つは、反応チャンバと熱的に連通する加熱素子であり、これにより、加熱素子の作動によって、加熱チャンバ内にある物質の温度を上昇させることができる。Ｎ個の独立制御可能構成部品の少なくとも１つは、反応チャンバと熱的に連通する熱センサとすることができ、これによって、反応チャンバ内にある物質の温度を求めることができる。
本発明は、以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明、本発明の具体的な実施形態の図示例、及び添付図面を参照することによって、一層深く理解することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】離散滴下微小流体処理デバイス、外部コントローラ、及び汎用コンピュータを有する微小流体制御システムを示す図である。
【図２】図１の離散滴下微小流体処理デバイスを示す図である。
【図３】図１の外部コントローラを示す図である。
【図４Ａ】微小バルブ・アクチュエータを示す図である。
【図４Ｂ】微小バルブ・アクチュエータを示す図である。
【図５】抵抗型温度検出器を有する加熱構成部品を示す図である。
【図６Ａ】Ｉ／Ｏ接点数を削減した微小バルブ・アクチュエータを示す図である。
【図６Ｂ】Ｉ／Ｏ接点数を削減した微小バルブ・アクチュエータを示す図である。
【図７Ａ】微小流体処理デバイス内において抵抗型ヒータに電流を供給する導電性リードを共有する技法を示す図である。
【図７Ｂ】微小流体処理デバイス内において抵抗型ヒータに電流を供給する導電性リードを共有する技法を示す図である。
【図８Ａ】抵抗型温度検出器（「ＲＴＤ」）の導電性リードを共有する技法を示す図である。
【図８Ｂ】抵抗型温度検出器（「ＲＴＤ」）の導電性リードを共有する技法を示す図である。
【図９Ａ】抵抗型ヒータ及びＲＴＤの導電性リードを共有する技法を示す図である。
【図９Ｂ】抵抗型ヒータ及びＲＴＤの導電性リードを共有する技法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
システムの概要
図１は、微小流体処理システムを示し、微小流体基板１０、チップ担体カートリッジ２０、データ取得及び制御ボード（「ＤＡＱ」）２６、及びラップトップ又はパームトップ・コンピュータのような可搬型コンピュータ２７を含む。微小流体基板１０は、シリコン、ガラス、又はその他の適宜の材料の固体基板内に、従来のフォトリソグラフ技法を用いて形成された、好ましくは微細加工された、微小チャネル及び流体制御素子を有する。微小流体基板１０は、チップ担体カートリッジ２０上に実装されている。微小流体基板１０は、チップ担体カートリッジとの電気及び光接続部１２を有し、微小流体基板とチップ担体との間で電気信号及び光信号を搬送する。例えば、電気接続部は、周知のワイヤ・ボンディング技法で形成することができる。更に、チップ担体カートリッジ２０は、微小流体基板とデータ取得ボード２６との間で電気及び光信号を搬送するための電気及び光接点２１を有する。
【００１５】
チップ担体カートリッジは、ＤＡＱ２６のインターフェース・ハードウエア・レセプタクルに挿入（又は抜去）されるように示されている。ＤＡＱ２６は、チップ担体カートリッジの対応する接点２１と一致するように標準化された電気及び光接点２５を有する。殆どの接点は電気信号用であるが、光学的監視又は光学的励起微小流体プロセッサの場合には、接点の一部は光信号（ＩＲ、可視、ＵＶ等）用である。あるいは（図示しないが）、データ取得及び制御ボード２６全体を単一のＡＳＩＣチップとすれば、チップ担体カートリッジ２０内に組み込むことができ、その場合、接点２１、２５は印刷回路ボード上の線となる。
【００１６】
一般に、ＤＡＱ２６は、電気及び光信号を用いて、接点１２、２１、２５を介して、微小流体基板１０の動作を制御する。可搬型コンピュータ２７は、通例では、ユーザ・インターフェースを提供して、ユーザに所望の動作を選択させたり、そのような動作の結果を視認させるというような、上位機能を実行する。図１に示すように、コンピュータ２７は、データＩ／Ｏ、電力、接地、リセット、及びその他の機能性属性を与える接続部２８を介して、ＤＡＱ２６に接続されている。また、図示のように、コンピュータ２７は、リンク３１を介して、実験室のロボット２４を制御することもできる。あるいは、コンピュータ２７とＤＡＱ２６との間のワイヤレス・リンク３２を設ければ、ワイヤレス素子３２（ａ）及び３２（ｂ）によって、データ及び制御信号の交換が可能となる。例えば、データ・リンクがワイヤレス・リンクである場合、ＤＡＱ２６は、例えば、バッテリのような、別個の電源を有することもできる。
【００１７】
本発明は、微小流体基板１０、チップ担体カートリッジ２０、及びＤＡＱ２６のような１つ又は複数の外部コントローラ間の通信に必要とされる接点１２、２１、２５の数を削減する方法を対象とする。
以下で説明するが、このような接点の数は、外部コントローラによって独立して制御される多くの構成部品を含む微小流体基板では、極めて大量となる。以下の微小流体基板１０及びＤＡＱ２６の動作に関する説明では、微小流体基板の複雑性と接点１２、２１、２５の必要数との間の関係を示す。
【００１８】
微小流体プロセッサの構造
図１に示す例では、微小流体基板１０は、３つの入力ポート２２を含み、流体試薬又はサンプルを受け入れる。好ましくは、これらの入力ポートは、基板上の標準的な位置にあり、実験室のロボット２４が利用可能であれば、微小流体プロセッサの何種類かのポートに自動的に充填できるように容易にプログラムすることができる。あるいは、ポートは、手作業での充填のために、手が届くようにするとよい。可能であれば、微小流体基板及び／又はチップ担体２０上に試薬を予め封入しておくとよい。加えて、チップ担体２０は、標準的なコネクタを介してアクセス可能な微小回路２３を有し、例えば、自己記述プロセッサ情報を格納する。あるいは、チップ担体２０は、デバイスの種類又はその他の情報を示すバー・コードのような指標を保持するとよい。
【００１９】
図２は、集積微小流体基板の一例を概略的に示す。これは同一の拡縮率で描いたのではない。この微小流体基板は、３種類のサブアセンブリで構成されている。即ち、この基板は、４つの別個のサブアセンブリである、２つの微小滴下計測サブアセンブリ、メータリング１及びメータリング２、１つの混合サブアセンブリ、ミキシング１、及び１つの反応／検出サブアセンブリ、反応検出１を有する。
【００２０】
これらのサブアセンブリは、図示のように、種々の構成部品又はアクチュエータで構成されている。これらの構成部品には、ヒータ・アクチュエータ、バルブ・アクチュエータ、及び光検出器が含まれ、これらは全て、受動入り口、オーバーフロー、ベント(vent)、及びリゾルバ(reservoir)と相互接続されている。更に具体的には、サブアセンブリ、メータリング１は、入り口１、オーバーフロー１、バルブ１、ヒータ１、及び通路１を含む。同様に、サブアセンブリ、メータリング２は、入り口２、オーバーフロー２、バルブ２、ヒータ２、及び通路２を含む。ミキシング・サブアセンブリ、ミキシング１は、ヒータ１、ヒータ２、バルブ３、バルブ４、ベント１、ベント２、Ｙ字型通路３、及び通路４を含む。最後に、反応／検出サブアセンブリは、バルブ５、バルブ６、ヒータ３、及び通路５を含む。
【００２１】
サブアセンブリの動作は、外部コントローラ、ＤＡＱ２６の制御の下で、それらの構成部品のアクチュエータの動作を調整することによって行われる。微小流体基板１０の具体的な動作については、同時係属中の米国特許出願第０９／８１９，１０５号に更に詳細に記載されている。その内容は、ここで引用したことにより、本願にも含まれることとする。しかしながら、以下では、ＤＡＱ２６の制御の下における流体プロセッサの全体的な動作について説明する。
【００２２】
最初に、例えば、外部ロボット・デバイスによって、流体を入り口１に導入し、通路１が広くなったところの先にある第１疎水領域ｈ３によって形成される安定位置まで流れていく。過剰な流体があれば、いずれもポート・オーバーフロー１を通って流出する。次に、ＤＡＱ２６は、サブアセンブリ、メータリング１に、ポート入り口１を介して導入した流体の分取から決定した体積の微小滴下を測定するように命令する。これについては、同時係属中の特許出願第０９／８１９，１０５に記載されている。サブアセンブリ・メータリング２も同様に構成され、同様に入り口２に供給される第２流体サンプルから測定した流体の微小滴下を抽出するように動作する。
【００２３】
１対の微小滴下を入り口ポートから抽出した後、ＤＡＱ２６は、電流をヒータ１及びヒータ２に供給して、ガス圧力を発生し、２つの微小滴下を推進してＹ字型通路３を通過させ、通路４に沿って、ベント２への側方通路の合流点の先にある、通路５における安定位置まで搬送する。この工程の間、２つの微小滴下は融合し混合して、単一の、より大きな微小滴下を形成する。
【００２４】
次に、ＤＡＱ２６は、電流をバルブ５及びバルブ６に供給して、これらのバルブを閉鎖し、微小滴下を通路５に沿って隔離させる。ＤＡＱ２６は、サブアセンブリ反応／検出１に、例えば、微小滴下を加熱するヒータ３に電流を供給することによって、取り込んだ微小滴下において反応を誘発するように指令する。次に、ＤＡＱは、光路ｏ１及びｏ２を導通する放射光線を光学的に検出することによって、反応を誘発した結果を監視する。ＤＡＱ２６は、これらの制御機能を実行する際、電気（及び場合によっては光）信号を、接点１２、２１、２５を介して、微小流体基板に選択的に供給する。
【００２５】
ＤＡＱボードのアーキテクチャ
図３は、ＤＡＱボード２６の好ましいハードウエア・アーキテクチャを示す。ＤＡＱボードは、１つ以上のレセプタクル、スロット、又はソケットを有し、１つ以上の置換可能な微小流体プロセッサを収容し、その外部接点との良好な接触を保ちつつ、固定支持することができる。
【００２６】
図示のように、ＤＡＱ上の電気接点２５（ａ）は、チップ担体カートリッジ２０の対応する接点２１（ａ）と嵌合する。これにより、ＤＡＱのリード３９、４０は、チップ担体カートリッジ２０の対応するリードに電気的に接続される。同様に、ＤＡＱの接点２５（ｂ）は、チップ担体カートリッジの接点２１（ｂ）と嵌合することによって、光管路、視野線、又はその他の適当な手段によって、ＤＡＱの光結合部４１、４２を、チップ担体カートリッジ上の対応する光結合部に接続する。一方、チップ担体カートリッジの電気的及び光学的リードは、接点１２を介して、微小流体基板１０に接続されている。このため、ＤＡＱ２６は、接点１２、２１、２５を介して、電気信号及び光信号を、微小流体基板１０との間で送受信し、その上に位置する種々の構成部品及びアクチュエータを係合及び制御することができる。
【００２７】
電気接点には、多くの実施形態があるが、ここでは、チップ担体及び微小流体基板をＤＡＱボード・レセプタクルに挿入するときに係合する縁端接点として示す。あるいは、可撓性リボン・ケーブルを係合するのに適した接点でもよく、また、たとえば、多ピン・ソケットでもよい。光接点は、光ファイバ・ケーブルを接続するための既知の形式のものでよい。
【００２８】
ＤＡＱは、指定した量の電流を供給する１つ以上のヒータ駆動部４７を含む。各ヒータ駆動部４７の出力は、アナログ・マルチプレクサ４８に接続されており、アナログ・マルチプレクサ４８が、電流を駆動部から選択したＩ／Ｏ接点２５（ａ）に導出する。検知機能のために、ＤＡＱは、１つ以上の温度センサ駆動部４９を含み、これらは各々アナログ・マルチプレクサ５０に接続されている。アナログ・マルチプレクサ５０は、各温度センサ駆動部４９を、複数のＩ／Ｏ接点２５（ａ）から選択したものに多重化する。また、ＤＡＱは、光学的検出のために、１つ以上のフォトダイオード５１も含む。マルチプレクサ５２は、これら光検出器を、複数のＩ／Ｏ接点２５（ｂ）から選択した１つを介して、アナログ／ディジタル変換器（「ＡＤＣ」）５５に多重化する。最後に、ＤＡＱは、１つ以上のレーザ・ダイオード５３を含むことが示されている。レーザ・イネーブル・レジスタ５４は、選択したレーザ・ダイオード駆動部をイネーブルすることによって、対応する光結合部４２及び光接点２５（ｂ）上に光信号を射出する。
【００２９】
図３に示すように、ＤＡＱは、駆動部４７、センサ４９、フォトダイオード５１、レーザ・ダイオード５３、及びそれらと連動するアナログ・マルチプレクサ４８、５０、５２、ならびにレーザ・イネーブル・レジスタ５４の動作を制御するために、マイクロプロセッサ及びメモリも含む。更に具体的には、マイクロプロセッサは、これらの駆動部に制御信号を、バス駆動部４５及びバス４６を通じて送り、検知素子からのステータス情報を、同じ駆動部４５及びバス４６を通じて読み取る。最後に、ホスト・インターフェース４４は、マイクロプロセッサ４３に、リード３８（ｃ）を通じて、又は前述のように、ワイヤレス手段を通じて、汎用コンピュータ２７（図１）と通信させる。
【００３０】
ＤＡＱの動作を例示するために、図２に示した微小流体デバイスのバルブ１に示す抵抗型ヒータのような、単純な抵抗型ヒータの制御について、以下の説明する。図２に示すように、バルブ１は、抵抗型加熱素子９を含み、抵抗型加熱素子９は、その端子１１、１３において、リード８を通じて１対のＩ／Ｏ接点１２（ａ）に接続されている。ＤＡＱは、この抵抗型加熱素子を活性化する際、アナログ・マルチプレクサ４８に、ヒータ駆動部４７の出力を、１対のＩ／Ｏ接点２５（ａ）に接続するように命令する。Ｉ／Ｏ接点２５（ａ）は、チップ担体２０の対応するＩ／Ｏ接点２１（ａ）に接続されており、一方Ｉ／Ｏ接点２１（ａ）は、基板の対応する接点１２（ａ）に接続されている。次いで、ヒータ駆動部４７に、選択した量の電流を供給するように命令する。駆動部４７によって供給された電流は、アナログ・マルチプレクサ４８を通過し、選択されたリード３９及び８を通って抵抗型加熱素子９に達する。
【００３１】
Ｉ／Ｏピン数と微小流体プロセッサ上の制御素子数との間の関係
２端子デバイスでは、前述の抵抗型ヒータのように、システムは２つのＩ／Ｏ接点を用いて制御信号を供給し、デバイスを動作させなければならない。このため、微小流体プロセス上における２端子デバイスの数をＮとすると、２×Ｎ個のＩ／Ｏ接点があれば、ＤＡＱ２６がデバイスの各々を独立して制御できるようにするには十分である。
しかしながら、複雑な微小流体デバイスでは、Ｉ／Ｏ接点の数が不当に大きくなる可能性がある。図２に示す単純な微小流体デバイスでは、９つの異なる抵抗型加熱素子のみを示すに過ぎないため、１８個の接点のみがあれば済む。微小流体デバイスが何百もの独立して制御する構成部品を有し増々複雑すると、接点の数は膨大となる。
【００３２】
更に、同時係属中の米国特許出願第０９／８１９，１０５号に記載されているような離散滴下流体処理システムでは、比較的単純な微小流体プロセッサでさえも、多数の接点を用いる場合がある。例えば、図４Ａ及び図４Ｂは、このような流体処理システムに好ましいバルブ構造を示し、この構造では、３つの別個の抵抗型ヒータをバルブ毎に含む。図４Ａ及び図４Ｂを参照して、好ましいバルブ構造の動作を以下に詳細に説明する。
【００３３】
図４Ａは、ワックス・プラグ(wax plug)７６が側方チャネル７７内に配置されたバルブがその開放位置にある場合を示す。このバルブを閉鎖するには、ＤＡＱコントローラは、Ｉ／Ｏ接点８０、８１を介して、抵抗型ヒータＨＴＲ２に電流を供給する。これによって、ＨＴＲ２は暖まり、プラグ７６を溶融させる。次いで、ＤＡＱ２６は、Ｉ／Ｏ接点８２、８４を介して電流をＨＴＲ１に供給することによって、チャンバ７５内部の気体を加熱する。気体が膨張するに連れ、図４Ｂに示すように、プラグ７６をチャネル７８内に移動させる。次に、ＤＡＱ２６は、ヒータＨＴＲ２を遮断し、プラグを冷却することによって、チャネル７８及び側方チャネル７７を遮断する。プラグが冷却すると、ＤＡＱ２６は、次に、ＨＴＲ１を遮断する。ＨＴＲ１が冷却すると、チャンバ７５内部の圧力が低下することによって負圧が生じ、これを用いてバルブを再度開放することができる。これについては、以下で説明する。
【００３４】
バルブを開放するには、ＤＡＱ２６は、Ｉ／Ｏピン８６、８８を介して電流をＨＴＲ３に供給し、ヒータを暖めることによってプラグを溶融させる。一旦プラグが溶融したなら、チャンバ７５内の負圧がプラグを側方チャネル７７内に引き込むことによって、チャネル７８を再度開放する。
このような双方向バルブを用いて図２に示す微小流体デバイスを実現する場合、独立制御抵抗素子の数は、９から２１にほぼ３倍となる。しかしながら、これらの抵抗素子の各々の温度を高精度で制御するためには、用いる構成部品は多いほど良い。
【００３５】
図５は、６端子抵抗型加熱デバイスを示す。このデバイスは、図２の加熱素子９に応じて動作する２端子加熱素子Ｒ１を含む。また、このデバイスは、一方向電流素子７０も含み、これによって、電流は、リード５５、５６間のほぼ単一方向のみに流れることが可能となる。図５に示すように、一方向電流素子７０は、リード５６からリード５５に電流を流させるように構成したダイオードである。一方向電流素子７０は、リード５５からリード５６への電流の流れを実質的に遮断する。一方向電流素子７０は、電流を回路の２点間の一方向に主に流させるような素子であれば、いずれでもよい。ダイオードは、好ましい一方向電流素子である。
【００３６】
また、図５のデバイスは、抵抗素子Ｒ１に近接し、それと熱的に連通するようにした、四端子抵抗型センサ素子Ｒ２も含む。一方向電流素子７１は、一方向電流素子７０と同じ機能的特徴を有するが、リード５７、５８及びリード５９、６０間のほぼ一方向に電流を流させる。図示の構成では、一方向電流素子７１は、電流をリード５９、６０からリード５７、５８に流させるが、リード５７、５８からリード５９、６０への電流の流れを実質的に遮断する。
一方向電流素子７０及び７１は、必ずしも素子Ｒ１及びＲ２を用いて基板上における微細加工によって形成しなければならない訳ではない。むしろ、一方向電流素子７０及び７１は、Ｒ１及びＲ２をそれぞれ含む電流通路に沿った別の位置に配してもよい。一方向電流素子７０及び７１は、Ｒ１及びＲ２と直列に配置する。
【００３７】
センサ素子Ｒ２は、次のように動作することができる。ＤＡＱ２６が電流をＲ１に（リード５５、５６を通じて）供給している間、比較的低い電流もリード５７、６０を通じてＲ２に供給している。Ｒ２は、抵抗素子であり、その抵抗値は温度と共に大きくなる。したがって、Ｒ２間の電圧は、近傍領域の温度が加熱素子Ｒ１によって加熱されることによって上昇し、したがって、素子Ｒ２を用いれば、この領域における温度を測定することができる。ＤＡＱ２６は、リード５８、５９を通じてＲ２間の電圧を測定することによって、温度を求める。更に具体的には、ここで図３を参照すると、ＤＡＱ２６は、リード５８、５９に接続されている接触ピン２５（ａ）に温度センサ４９を接続するように、アナログ・マルチプレクサに命令する。こうして、センサ４９は、Ｒ２間の電圧を決定することによって、Ｒ１近傍における温度の測定値を得る。
【００３８】
このように、微小流体プロセッサにおいてこのようなデバイスを用いると、Ｉ／Ｏ接点の数は更に一層増加する。例えば、図２に示す微小流体プロセッサには、１２６個の接点が必要となる。
本発明は、ＤＡＱ２６のような外部コントローラが、前述のような微小流体デバイス内において多数の構成部品を独立して制御するために必要なＩ／Ｏ接点数を削減する技法を対象とする。
【００３９】
図６Ａ、図６Ｂは、各リードが１つよりも多い構成部品に用いられるように微小流体デバイスのリードを構成しつつ、ＤＡＱ２６がなおも微小流体デバイスの各構成部品を他とは独立して制御できるように、Ｉ／Ｏ接点の数を削減する技法を示す。即ち、図６Ａ、図６Ｂは、先に論じた図４Ａ、図４Ｂに示したような、双方向値構造(bidirectional value structure)の２端子抵抗器の３つの間でＩ／Ｏ接点を共有する技法を示す。バルブは、図４Ａ、図４Ｂに示したバルブと本質的に同一に動作するが、６つではなく４つの接点のみを用いる。この例では、各抵抗器は、１対のＩ／Ｏ接点に接続され、したがって、前述と同様にＤＡＱによって制御することができる。他の抵抗器もこれらのＩ／Ｏ接点を共有するが、他と同じ対の接点を共有する抵抗器はない。したがって、ＤＡＱは、１対の対応する接点を介して任意の所与の抵抗器に電流を供給することができ、他の抵抗器を活性化することは全くない。
【００４０】
更に一般的には、複数の抵抗型ヒータの独立制御に必要なＩ／Ｏ接点の数は、各抵抗器への接点の配線を、論理アレイの形態に敷設することによって削減することができる。その結果、Ｉ／Ｏ接点数が圧縮され、プロセッサ全体との通信が簡略化されるという利点がある。各抵抗器は、従来のリード及び接点の構成によれば、電気回路を完成するには２本のリードを必要とするので、Ｎ個の抵抗器を有するデバイスは、２Ｎ本のリードと２Ｎ個の接点を必要とする。しかしながら、接点の配線を共有アレイで構成することによって、必要な接点の数は、２√Ｎにまで削減することができる。例えば、１００個の抵抗器を備えるデバイスでは、外部接点の数は、２００から２０に削減することができる。
【００４１】
図７Ａ、図７Ｂは、中間のチップ担体２０を使用せずに、微小流体基板２２に直接接続したＤＡＱ２６を示し、更に基板２２内部の抵抗型ヒータのアレイを示す。接点１２（ａ）及び抵抗型ヒータ１００〜１０９間のリードは、列及び行に配列されて示されている。しかしながら、リードの実際の物理的レイアウトは、必ずしも物理的なアレイではない。むしろ、リードは、抵抗性構成部品から接点１２（ａ）に直接導出され、各リードを複数の抵抗器に接続することができ、他のリードを電気的に絶縁しておくことができるのであれば、任意の態様のものでもよい。
【００４２】
この構成によれば、Ｎ個の抵抗器の電気接点は、Ｒ本の行及びＣ本の列に割り当てられ、積ＲＣ≧Ｎとなるようにしており、好ましくは、ＲはＣにほぼ等しく、最も好ましくはＲ＝Ｃである。この構成では、同じ行に割り当てられた抵抗器は、共通の電気リード及びＩ／Ｏ接点１２（ａ）を共有する。同様に、同じ列に割り当てられた抵抗器も、リード及びＩ／Ｏ接点１２（ａ）を共有する。しかしながら、各抵抗器には、一意の対のＩ／Ｏ接点に対応する（即ち、アレイにおいてその一意の行／列の組み合わせに対応する）一意のアドレスがある。したがって、各抵抗器は、電気信号を該当する対のＩ／Ｏ接点に供給することによって、独立して作動可能である。
【００４３】
ここで用いる場合、１対の接点に一意に関連付けられた「抵抗器」又は「構成部品」は、抵抗型ネットワーク（直列及び／又は並列に接続された複数の抵抗型サブコンポーネントを有する）に言及することもある。このような実施形態では、サブコンポーネントは、外部コントローラが、これらのサブコンポーネントに一意に関連付けられている１対の接点に信号を供給したときには、全てが一括して活性化される。
【００４４】
図７Ａに示すように、リードは、３本の行（Ｒｊ、ただし、ｊ＝１〜３）及び３本の列（ｃｉ、ただし、ｉ＝１〜３）に配列されている。抵抗器毎に、一方の端子が行に接続され、他方の端子が列に接続される。各抵抗器は他の抵抗器とこれらのリートを共有するが、２つの抵抗器が同じ対のリードを共有することはない。言い換えると、各抵抗器は、特定の行／列の対（Ｒｊ，Ｃｉ）に一意に関連付けられている。
【００４５】
図７Ａ、図７Ｂは、この構造の動作を示す。ヒータ駆動部４７は、その端子上にある２０ボルトの出力電圧を供給し、加熱素子１００〜１０９に電流を供給する。正出力端子９０は、第１アナログ・マルチプレクサ４８（ａ）に接続されている。図示のように、この端子は、アナログ・マルチプレクサ４８（ａ）内部の個々の切替素子によって、リードのアレイの行のいずれか１つに接続することができる。同様に、ヒータ４７の負出力端子９２は、第２アナログ・マルチプレクサ４８（ｂ）に接続されている。マルチプレクサ４８（ｂ）によって、端子９２はリードのアレイにおけるいずれの列にも接続することができる。
【００４６】
図７Ａにおいて、アナログ・マルチプレクサ４８（ａ、ｂ）内部の切替素子は全て開放である。したがって、図示する加熱素子１００〜１０９には動作状態にあるものはない。図７Ｂは、ＤＡＱ２６がアナログ・マルチプレクサ４８（ａ、ｂ）にある内部スイッチを閉鎖することによって、アレイ内の抵抗器の内選択した１つに電流を供給するように命令した後における、アナログ・マルチプレクサ４８（ａ、ｂ）の状態を示す。この例では、行切替素子５０を閉鎖することによって、ヒータ４７の正端子をリード・アレイの最上行に接続する。また、列切替素子５２も閉鎖し、ヒータ４７の負端子をリード・アレイの中間列に接続する。こうして、ヒータ４７の正端子９０を抵抗器１００、１０２、１０３に接続し、負端子を抵抗器１０２、１０５、１０８に接続する。しかしながら、これらの抵抗器１０２の内１つだけが、ヒータ４７の両端子間に接続される。つまり、１つの抵抗器１０２のみが電流を受け、加熱される。
【００４７】
抵抗型ヒータ１００〜１０９は、それぞれの一方向電流素子２１５〜２２３に対して直列に配置されており、これによって、電流は、ヒータ駆動部４７の正端子９０とヒータ駆動部４７の負即ち接地端子９２との間で、抵抗素子１００〜１０９の１つを含む電流路に沿って、一方向に流れることができる。一方向電流素子２１５〜２２３は、好ましくは、正端子９０から負端子９２のみに電流を流させるように構成することが好ましい。つまり、たとえば、電流は、地点２２４から地点２２５に、抵抗型ヒータ１０２を通過して地点２２６に、そして地点２２７まで流れることができる。しかしながら、一方向電流素子は、抵抗型ヒータ１０２以外の抵抗型ヒータを含む電流通路を電流が通過することを妨げる。例えば、一方向電流素子２１９は、地点２２８及び２２９間の電流の流れを妨げる。一方向電流素子２１５〜２２３は、先に一方向電流素子７０、７１について論じたように、ダイオードとするとよい。
【００４８】
図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、図９Ｂは、図５に示すＲ２のような温度を検知するために用いる抵抗素子との同様のアレイを示す。図８Ａは、電流を検知抵抗器１１０〜１１８に供給するリードのアレイを示す。図８Ｂは、同じ抵抗器間の電圧を測定するための別の組のリードを示す。この構造では、抵抗型センサを刺激するために用いられるリードは、加熱駆動部４７から電流を搬送しない。何故なら、これらは駆動部４７から電気的に隔離されているからである。同様に、抵抗素子１００〜１１８（図８Ｂ）の電圧を検知するためのリードは、本質的に電流を搬送しない。何故なら、これらは、駆動部４７及び４９（ａ）（図７Ａ、図７Ｂ及び図８Ａに示す）から電流を供給するリードから、隔離されているからである。この構造によって、最も精度の高い温度の測定が行われる。
【００４９】
図９Ａ、図９Ｂは、代替構造を示す。図８Ａ、図８Ｂに示した構造と同様に、温度検知抵抗器１１０〜１１８間の電圧を検知するリードは、電流源の双方（ヒータ駆動部４７及びＲＴＤ駆動部４９（ａ））から隔離されている。しかしながら、電流源４７、４９（ａ）双方は、電流の返流に同じリード、即ち、アレイにおいて列として図示されているリードを共有する。これによって、リード数の圧縮を大きくすることができるが、共有する返流リードの抵抗率が、温度測定の精度を低下させる可能性がある。
【００５０】
図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、及び図９Ｂのアレイは、一方向電流素子２１５’〜２２３’を含み、これらによって、電流は、検知抵抗器１１０〜１１８を介して、一方向のみに流れることが可能となる。このように、一方向電流素子２１５’〜２２３’は、ＲＴＤ駆動又はＲＴＤ検知の正端子と、ＲＴＤ駆動又はＲＴＤ検知の負端子即ち接地端子との間で、検知抵抗器１１０〜１１８の１つを含む電流路に沿って、一方向にのみ電流を流させることが好ましい。好ましくは、一方向電流素子２１５’〜２２３’は、電流を、ＲＴＤ駆動又はＲＴＤ検知の正端子から負端子即ち接地端子には流させるが、その負端子即ち接地端子から正端子には流させない。一方向電流素子２１５’〜２２３’は、一方向電流素子７０、７１と同様、ダイオードとすればよい。
【００５１】
以上、具体的な態様、特徴及び実施形態を参照しながら本発明について例示として説明したが、本発明の有用性及び範囲は、そのように限定されるのではなく、本発明は、その他の異なる変形、変更、及びその他の実施形態も容易に包含できることは理解されよう。例えば、リード数を削減する同じ技法を、抵抗器以外の別の種類の構成部品にも適用することができる。したがって、本発明は、特許請求の範囲の主旨及び範囲内にそのような変形、変更及び代替実施形態を全て含むものとして、広義に解釈することとする。
多くの引例をここでは引用したが、その開示内容全体は、ここで引用したことによって実際上本願に含まれることとする。更に、先にどのように特徴付けたかには関係なく、これらの引用例は、本発明の主題からみれば先行するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小流体処理デバイスであって、
各々が少なくとも２つの端子を有する複数Ｎ個の独立制御可能な構成部品を含んでいる基板であって、微小流体を処理するよう構成された基板と、
前記基板を外部コントローラに接続する複数の入出力接点と、
前記接点を前記端子に接続する複数のリードと
を備え、前記構成部品の各々の前記端子は、前記接点の一意の組み合わせに接続されており、前記Ｎ個の構成部品を独立して制御するために必要な接点数が、前記端子毎に別個のリードを必要とすることなく前記構成部品の総数の５０％未満であり、前記コントローラは、これによって、前記構成部品を各々、他の構成部品とは独立して制御することが可能であることを特徴とする微小流体処理デバイス。