(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の１つの面に接合されポンプ室を形成するポンプ機構と、前記基板内に前記ポンプ室に連通しかつ前記基板を貫通し該基板の他の１つの面である第１接合面に開口部を有する貫通孔と、からなり、前記貫通孔を介して外部に対し流体の吸入および吐出を行うポンプユニットと、
流路が設けられた板状の流路ユニットと、を備え、
前記流路ユニットは、前記第１接合面と接離可能に接合するための、自己シール性を有する弾性材料によって構成された第２接合面を有し、前記流路ユニットに設けられた前記流路は、前記第２接合面に開口しかつ前記ポンプユニットの前記貫通孔に接続可能であり、
前記流路ユニットを前記ポンプユニットの前記第１接合面に載せることによって前記第２接合面が前記第１接合面に自己吸着し、前記第２接合面と前記第１接合面との間にシール性が発揮されるように構成されており、
前記ポンプユニットおよび前記流路ユニットの少なくとも一方はシート状である、
ことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項２】
基板と、前記基板の１つの面に接合されポンプ室を形成するポンプ機構と、前記基板内に前記ポンプ室に連通しかつ前記基板を貫通し該基板の他の１つの面である第１接合面に開口部を有する貫通孔と、からなり、前記貫通孔を介して外部に対し流体の吸入および吐出を行うポンプユニットと、
第２接合面および前記第２接合面に開口する流路が設けられた板状の流路ユニットと、
前記ポンプユニットと前記流路ユニットとの間に層状に設けられ、前記第１接合面と接合する第３接合面および前記第２接合面と接合する第４接合面を有し、かつ前記貫通孔と前記流路とを互いに接続するための連通孔が設けられたシート状体と、を備え、
前記シート状体は、前記第１接合面または前記第２接合面との接合部が自己シール性を有する弾性材料で構成され、前記流路ユニットおよび前記ポンプユニットの少なくとも一方に対して接離可能に接合するものであり、接合したときに前記第３接合面または前記第４接合面が自己吸着し、これによって前記第１接合面または前記第２接合面との間にシール性が発揮されるように構成されている、
ことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記シート状体が、ＰＤＭＳで構成されている、請求項２記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記シート状体が、透光性を有する、請求項２または３記載のマイクロ流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学分析や化学合成などを行うために用いられるマイクロ流体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、マイクロマシン技術を応用し、化学分析や化学合成などのための機器や手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis System)が注目されている。微細化されたμ−ＴＡＳによると、従来の装置と比べて試料の必要量が少ない、反応時間が短い、廃棄物が少ない、などのメリットがある。また、医療分野に使用した場合には、血液など検体の量を少なくすることで患者の負担を軽減でき、また、試薬の量を少なくすることで検査のコストを下げることができる。さらに、検体および試薬の量が少ないことから、反応時間が大幅に短縮され検査の効率化が図れる。そして携帯性にも優れるため、医療分野、環境分析など、広い範囲でその応用が期待されている。
【０００３】
さて、マイクロ流体システムを用いた化学分析、環境計測などでは、デバイス（チップ）上で送液、混合、検出を行うために、マイクロポンプやシリンジポンブなどの送液手段を必要とする。チップと送液手段とが切り離されて構成される場合には、両者を何らかのインタフェースで接続する必要があるが、その接続時に気泡が混入するといった問題が発生する。また、接続部分のデッドボリュームが大きくなるため、レスポンスが悪くなって精密な送液制御が困難であったり、無駄な検体や試薬を必要とすることになる。シリンジポンプなど外付けの送液手段をチップに接続した場合には、装置の全体が大きくなり、マイクロ流体システムの利点が生かせない。
【０００４】
シリコンマイクロマシニングを用いたマイクロポンプについては、特開平１０−２９９６５９、特開平１０−１１０６８１、特開２００１−３２２０９９など、数々の報告がなされている。
【０００５】
【特許文献】
特開平１０−２９９６５９
特開平１０−１１０６８１
特開２００１−３２２０９９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたように、従来において、マイクロポンプ単体の構造、またはマイクロポンプと流路基板とを一体化したマイクロ流体デバイスなどが提案されている。
【０００７】
しかし、従来に提案されているそれらのマイクロ流体デバイスでは、内容の異なる分析または合成を行う場合に、それらの内容に応じて個々にマイクロ流体デバイスを構成しなければならなかった。すなわち、種々の分析または合成を行おうとする場合に、それらの内容に合わせて流路を変更することが容易ではなかった。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、デッドボリュームが小さくてレスポンスが良好であり、分析または合成などの用途に応じて流路を容易に変更することのできるマイクロ流体デバイスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ流体デバイスは、基板と、前記基板の１つの面に接合されポンプ室を形成するポンプ機構と、前記基板内に前記ポンプ室に連通しかつ前記基板を貫通し該基板の他の１つの面である第１接合面に開口部を有する貫通孔と、からなり、前記貫通孔を介して外部に対し流体の吸入および吐出を行うポンプユニットと、流路が設けられた板状の流路ユニットと、を備え、前記流路ユニットは、前記第１接合面と接離可能に接合するための、自己シール性を有する弾性材料によって構成された第２接合面を有し、前記流路ユニットに設けられた前記流路は、前記第２接合面に開口しかつ前記ポンプユニットの前記貫通孔に接続可能であり、前記流路ユニットを前記ポンプユニットの前記第１接合面に載せることによって前記第２接合面が前記第１接合面に自己吸着し、前記第２接合面と前記第１接合面との間にシール性が発揮されるように構成されており、前記ポンプユニットおよび前記流路ユニットの少なくとも一方はシート状である。
【００１０】
また、基板と、前記基板の１つの面に接合されポンプ室を形成するポンプ機構と、前記基板内に前記ポンプ室に連通しかつ前記基板を貫通し該基板の他の１つの面である第１接合面に開口部を有する貫通孔と、からなり、前記貫通孔を介して外部に対し流体の吸入および吐出を行うポンプユニットと、第２接合面および前記第２接合面に開口する流路が設けられた板状の流路ユニットと、前記ポンプユニットと前記流路ユニットとの間に層状に設けられ、前記第１接合面と接合する第３接合面および前記第２接合面と接合する第４接合面を有し、かつ前記貫通孔と前記流路とを互いに接続するための連通孔が設けられたシート状体と、を備え、前記シート状体は、前記第１接合面または前記第２接合面との接合部が自己シール性を有する弾性材料で構成され、前記流路ユニットおよび前記ポンプユニットの少なくとも一方に対して接離可能に接合するものであり、接合したときに前記第３接合面または前記第４接合面が自己吸着し、これによって前記第１接合面または前記第２接合面との間にシール性が発揮されるように構成される。
【００１１】
好ましくは、前記シート状体が、ＰＤＭＳで構成される。また、前記シート状体が、透光性を有する。
【００１２】
本発明において、自己シール性とは、外力を加えなくとも漏液を生じない程度に接触対象面と密着しこれを維持する性質をいう。また、弾性材料には、人の素手の力によって弾性的な変形を生じさせることのできる程度の弾性を有する材料を含む。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態〕
図１は本発明に係る第１の実施形態のマイクロ流体デバイス１の分解斜視図、図２はマイクロ流体デバイス１の正面断面図、図３はマイクロポンプチップ１１の平面図、図４は流路チップ１３の平面図、図５は流路チップ１３を製作する工程の一部を説明する図、図６は圧電素子１１２の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【００１４】
なお、図１において、流路チップ１３に設けられた流路１４１および穴１４２，１４３が図の上面に露出しているかのように描かれているが、流路チップ１３が透明であるためにそのように見えるだけであり、実際には以下に説明するようにそれらは流路チップ１３の下面に設けられている。
【００１５】
図１および図２において、マイクロ流体デバイス１は、マイクロポンプチップ１１、ガラス基板１２、および流路チップ１３からなる。
【００１６】
マイクロポンプチップ１１は、シリコン基板１１１、圧電素子（ＰＺＴ）１１２、および図示しないフレキシブル配線からなる。図の例では、マイクロポンプチップ１１には、ディフューザー型の２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２が形成されている。これらのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２は互いに同じ構造であるから、以下においては一方のみについてその構造を説明する。
【００１７】
シリコン基板１１１は、例えば１７×３５×０．２ｍｍの大きさの長方形のシート状である。シリコン基板１１１は、シリコンウエハを公知のフォトリソグラフィー工程で所定の形状に加工して形成したものである。つまり、例えば、パターニングされたシリコン基板をＩＣＰドライエッチング装置を用いて所定の深さまでエッチングする。シリコン基板１１１に形成された各マイクロポンプＭＰは、ポンプ室１２１、ダイヤフラム１２２、第１絞り流路１２３、第１流路１２４、第２絞り流路１２５、および第２流路１２６を有する。第１流路１２４の先端にはポート１２４Ｐが、第２流路１２６の先端にはポート１２６Ｐが、それぞれ設けられる。
【００１８】
第１絞り流路１２３は、その流入側と流出側との差圧が零に近いときは流路抵抗が低いが、差圧が大きくなると流路抵抗が大きくなる。つまり圧力依存性が大きい。第２絞り流路１２５は、差圧が零に近いときの流路抵抗は第１絞り流路１２３の場合よりも大きいが、圧力依存性がほとんどなく、差圧が大きくなっても流路抵抗は余り変化せず、差圧が大きい場合に流路抵抗が第１絞り流路１２３よりも小さくなる。
【００１９】
このような流路抵抗特性は、流路を流れる液体（流体）が、差圧の大きさに応じて乱流となるようにするか、または差圧にかかわりなく常に層流となるようにするか、によって得ることが可能である。具体的には、例えば、第１絞り流路１２３を流路長の短いオリフィスとし、第２絞り流路１２５を第１絞り流路１２３と内径が同じで流路長の長いノズルとすることによって実現することが可能である。
【００２０】
第１絞り流路１２３と第２絞り流路１２５のこのような流路抵抗特性を利用して、ポンプ室１２１に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、流路抵抗の低い方に液体を吐出するようなポンプ作用を実現することができる。
【００２１】
つまり、ポンプ室１２１の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を小さくしておけば、差圧は余り大きくならないため第１絞り流路１２３の流路抵抗の方が第２絞り流路１２５の流路抵抗よりも小さく維持され、ポンプ室１２１内の液体は第１絞り流路１２３から吐出する（吐出工程）。そして、ポンプ室１２１の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって第１絞り流路１２３の流路抵抗の方が第２絞り流路１２５の流路抵抗よりも大きくなり、第２絞り流路１２５からポンプ室１２１内に液体が流入する（吸入工程）。
【００２２】
これとは逆に、ポンプ室１２１の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって第１絞り流路１２３の流路抵抗の方が第２絞り流路１２５の流路抵抗よりも高くなり、ポンプ室１２１内の液体は第２絞り流路１２５から吐出する（吐出工程）。そして、ポンプ室１２１の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さくなって第１絞り流路１２３の流路抵抗の方が第２絞り流路１２５の流路抵抗よりも小さくなり、第１絞り流路１２３からポンプ室１２１内に液体が流入する（吸入工程）。
【００２３】
このようなポンプ室１２１の圧力制御は、圧電素子１１２に供給する駆動電圧を制御し、ダイヤフラム１２２の変形の量およびタイミングを制御することによって実現される。例えば、圧電素子１１２に図６（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによってポート１２４Ｐの側から吐出し、図６（Ｂ）に示す波形の駆動電圧を印加することによってポート１２６Ｐの側から吐出する。
【００２４】
図６において、印加する最大電圧ｅ1 は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で１００ボルト程度である。また、時間Ｔ１，Ｔ７は６０μｓ程度、時間Ｔ２，Ｔ６は数μｓ程度、時間Ｔ３，Ｔ５は２０μｓ程度である。駆動電圧の周波数は１１ＫＨｚ程度である。
【００２５】
なお、図３によく示されるように、第１流路１２４および第２流路１２６には、ポート１２４Ｐおよびポート１２６Ｐに接続する部分において、幅１ｍｍ、長さ４ｍｍ、深さ０．２ｍｍ程度の長方八角形状の液溜めがそれぞれ設けられている。この液溜めは、液体の反射成分を吸収するダンパーとして作用し、マイクロポンプＭＰの性能の向上を図るものである。
【００２６】
マイクロポンプＭＰにおける液体との接触面には、熱酸化を施して親水化処理が行われている。これら２つのマイクロポンプＭＰ１，２は、フォトリソグラフィー工程において一括して加工されるので、寸法などのバラツキが少なく、送液特性の誤差が生じ難い。
【００２７】
ダイヤフラム１２２の外側の面には、上に述べた圧電素子１１２がはりつけられている。圧電素子１１２の駆動のための２つの電極は、圧電素子１１２の両側の表面に引き出され、図示しないフレキシブル配線と接続される。つまり、フレキシブル配線との接続のために、ダイヤフラム１２２の表面に透明電極膜であるＩＴＯ膜が形成されており、ＩＴＯ膜の上に接着剤で圧電素子１１２の片方の面を接着する。これによって圧電素子１１２の片方の電極がＩＴＯ膜と電気的に接続され、そのＩＴＯ膜とフレキシブル配線とが接続される。また、圧電素子１１２の他の片方の面には金メッキが施され、その金メッキ部分にフレキシブル配線を直接に接続する。フレキシブル配線自体も、シリコン基板１１１に接着剤で接着され、これによって電極との接続部に無理な力がかからないようになっている。
【００２８】
ガラス基板１２は、例えば、５０×７６×１ｍｍの大きさの長方形の板状であり、表面１２ａ，１２ｂは滑らかであり、全体が透明である。ガラス基板１２として、例えば、パイレックスガラス（Pyrex はCorning Glass Warks 社の登録商標）、テンパックスガラス（Tempax  は Schott Glaswerk社の登録商標）などが用いられる。これらは熱膨張率がマイクロポンプチップ１１の材料とほぼ同じである。ガラス基板１２には、ポート１２４Ｐ，１２６Ｐと対応する位置に、直径が１．２ｍｍ程度の貫通孔１３１，１３２が設けられている。なお、マイクロポンプＭＰが２つあるので、実際にはこれら貫通孔１３１，１３２が２組設けられている。
【００２９】
上に述べたマイクロポンプチップ１１は、ガラス基板１２の裏面（表面１２ｂ）において２つの辺が一致する位置で陽極接合により接合されている。
【００３０】
これら、マイクロポンプチップ１１とガラス基板１２との接合体は、マイクロポンプユニットＭＵを構成する。マイクロポンプユニットＭＵは、上に述べたマイクロポンプＭＰの作動によって、一方の貫通孔１３２から液体を吸い込み、他方の貫通孔１３１から液体を吐出する。また、圧電素子１１２に印加する駆動電圧を制御することによって、液体の吸入と吐出の方向を逆にすることができる。なお、マイクロポンプチップ１１それ自体の構造については、従来の技術の項で述べた特開２００１−３２２０９９を参照することができる。
【００３１】
流路チップ１３は、例えば、５０×７６×３ｍｍの大きさの長方形の板状であり、自己シール性を有する弾性材料からなり、透明または半透明であって透光性を有する。流路チップ１３は、自己シール性を有するので、ガラス基板１２の表面１２ａに載せるだけで、外力を加えなくともまた接着剤を用いなくとも自己吸着し、下側の表面１３ｂがガラス基板１２の表面１２ａに密着する。そして、それらの間にシール性が発揮され、かつ維持され、内部の液体は外部に漏れない。このような性質を有する材料として、例えば、シリコンゴムの一種であるＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）が用いられる。ＰＤＭＳの市販品の例として、例えばDowCorning社製の「Sylgardl８４」がある。
【００３２】
流路チップ１３には、表面１３ｂの側に、化学分析用または化学合成用の流路１４１がパターニングされている。図の例では、流路１４１は、二股になった流路１４１ａ，１４１ｂと、それらが合流して１つになった流路１４１ｃとからなる。流路１４１の寸法形状の例を挙げると、幅が１００μｍ程度、深さが１００μｍ程度の断面矩形の溝である。流路１４１ｃの方が２つの流路１４１ａ，１４１ｂよりも断面積が大きくなっている。
【００３３】
流路チップ１３には、２つの流路１４１ａ，１４１ｂの始端位置に、ガラス基板１２の２つの貫通孔１３１に対応して、表面１３ａに貫通しない穴１４２，１４３がそれぞれ設けられる。また、流路１４１ｃの終端位置に、表面１３ａに貫通する穴１４４が設けられる。穴１４４は、流路１４１を通過して不要になった液体を排出するためのものであり、他の穴よりも大きな径に形成されている。また、流路チップ１３には、ガラス基板１２の２つの貫通孔１３２に対応する位置に、内径が４ｍｍ程度の大きな穴１４５，１４６が設けられる。穴１４５，１４６は、マイクロ流体デバイス１の使用に際して、分析用の液体の液溜めとなる。これらの穴１４４，１４５，１４６は、例えば、パンチまたはドリルを用いて容易にあけることが可能である。
【００３４】
流路チップ１３は、上に述べたように自己シール性を有するので、ガラス基板１２の表面１２ａに載せるだけで密着してシールされ、極めて簡単にかつ容易にマイクロ流体デバイス１を構成することができる。また、ガラス基板１２から流路チップ１３を引き剥がすことによってそれらが容易に分離するので、流路チップ１３の洗浄を行ったり、他の流路構成の流路チップ１３に容易に交換することができる。また、流路チップ１３の厚さは数ｍｍ程度と薄く、携帯性、作業性が良い。さらに、流路チップ１３を用いたマイクロ流体デバイス１を検出用の種々の装置などに搭載する際にも殆どスペースを取らないというメリットもある。
【００３５】
このような流路チップ１３は次のようにして製作することができる。つまり、図５に示すように、シリコン基板１５１上に厚膜レジスト１５２をスピンコートし、フォトリソグラフィー工程によって流路１４１の部分が凸になった母型ＢＫを作成する。その母型ＢＫに、ＰＤＭＳを流し込み、加熱硬化させる。硬化したチップ１５３を母型ＢＫから剥離することにより完成する。母型ＢＫは繰り返して使用できるので、流路チップ１３を容易に安価に大量生産することができる。なお、厚膜レジスト１５２の材料として、例えばMicroChem 社製のＳＵ−８を用いることができる。
【００３６】
上にように構成されたマイクロ流体デバイス１は、次のように動作する。
【００３７】
すなわち、分析用または合成用の二種類の液体を穴１４５，１４６から供給する。液体は、穴１４５，１４６から貫通孔１３２，１３２を経てポート１２６Ｐ，１２６Ｐに導入される。マイクロポンプＭＰ１，２によってポート１２４Ｐ，１２４Ｐから吐出され、貫通孔１３１，１３１を経て穴１４２，１４３に流入する。穴１４２，１４３から、流路１４１ａ，１４１ｂを通り、二種類の液体は合流点ＧＴで合流し、流路１４１ｃに入って層流状の流れとなる。二種類の液体は、流路１４１ｃを流れている間に、自発的な拡散によって次第に混合し、所定の反応を行う。流路１４１の下流において、その反応に応じた検出、例えば、発光の検出、蛍光の検出、比色、比濁、散乱光の検出などを行う。液体は最終的には穴１４４から排出される。
【００３８】
なお、上に述べたように液体をポート１２４Ｐから送り出す場合には、圧電素子１１２に図６（Ａ）に示すような駆動電圧を印加する。また、ポート１２４Ｐから送り出した液体を逆流させたい場合には、圧電素子１１２に図６（Ｂ）に示すような駆動電圧を印加する。逆流を行わせるのは、例えば、一種類の液体のみを用いる場合に可逆変化を何回も観察する場合に有効である。
【００３９】
上のように構成したマイクロ流体デバイス１は、極めて小型であり、携帯性、作業性に優れる。マイクロポンプチップ１１とガラス基板１２とが一体であり、かつガラス基板１２の表面１２ａに流路チップ１３が直接に密着するので、液体中に気泡が混入するといった問題の発生するおそれがない。マイクロポンプユニットＭＵと流路チップ１３との接続の相性が非常に良く、接続部品を用いることなく１つの分析ユニットまたは実験ユニットを構成することができる。また、マイクロポンプＭＰと流路チップ１３の流路１４１との間のデッドボリュームが極めて小さいので、マイクロポンプＭＰの動作が流路１４１の液体の動きに直接に反映されてレスポンスが良好であり、精密な送液制御が容易である。例えば、流路１４１に液体を送り出すタイミング、液量、液量の変化率、送り方向などを容易に正確に制御することができる。無駄な検体や試薬を必要としない。
【００４０】
そして、分析または合成などの内容に応じて、流路チップ１３を容易に取り替えることができる。したがって、流路の構成を容易に変更することができる。また、使用した流路チップ１３を容易に取り外し、エタノールなどで洗浄して再使用することができ、その作業が容易である。マイクロ流体デバイス１に使用する液体は、水溶性でなくてもよく、液体の種類を選ばない。
【００４１】
また、マイクロポンプチップ１１を駆動するために数十ボルトの低い電圧を印加すればよいので、例えば従来に用いられている電気泳動チップが数ＫＶの電圧を要するのと比較すると、その駆動、制御、取り扱いが容易である。
【００４２】
流路チップ１３の材料として用いたＰＤＭＳは、光透過性に優れており、流路１４１を流れる液体の観察、液体による透過光または反射光の検出にも都合が良い。しかし、必ずしもＰＤＭＳである必要はない。例えばシリコン系のゴムのように、自己シールが可能な弾性体（軟弾性体）であればよい。
【００４３】
図７は流路１４１の合流点ＧＴの近辺における液体の状態を示す図である。
【００４４】
マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２の各圧電素子１１２は、互いに独立して制御することができる。例えば、駆動電圧、波形、周波数などを別個に変化させることにより、各マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２で送り出される二種類の液体Ａ，Ｂの送液バランスを制御することができる。
【００４５】
図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、送液割合Ａ対Ｂが、それぞれ、１対１、１対４、４対１の場合を示す。これは、例えば、圧電素子１１２に印加する駆動電圧の大きさの割合Ａ対Ｂを、それぞれ、１対１、１対２、２対１とすることにより実現することができる。実際の電圧として、例えば、１０ボルト対１０ボルト、１０ボルト対２０ボルト、２０ボルト対１０ボルトとする。マイクロポンプＭＰの吐出量は、通常、駆動電圧の大きさに比例するが、各流路１４１ａ，１４１ｂから合流点ＧＴに流れ込む液体の勢いによって実際の流量が影響されるので、吐出量の比が送液割合と一致しないことが多い。
【００４６】
また、各マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって送液を行いながら、送液割合Ａ対Ｂを変化させることができる。例えば、図７（Ｄ）に示すように、送液割合Ａ対Ｂを直線状に変化させ、二種類の液体Ａ，Ｂの混合液に濃度勾配やｐＨ勾配をつけることもできる。
【００４７】
いずれにしても、駆動電圧の制御によって、二種類の液体Ａ，Ｂの量を制御し、流路１４１における所望の反応を得ることができる。
【００４８】
また、２つの流路１４１ａ，１４１ｂの合流点ＧＴにおける交差角度を種々選択することによって、送液割合を調整することが可能である。
〔第１の実施形態における変形例〕
次に、上の実施形態における変形例のマイクロ流体デバイスについて説明する。
【００４９】
上に述べたマイクロ流体デバイス１においては、マイクロポンプチップ１１に２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２を設けたが、１つまたは３つ以上のマイクロポンプＭＰを設けてもよい。また、各マイクロポンプＭＰの吐出量、吐出圧力などの仕様を異ならせてもよい。
【００５０】
図８は、１つのマイクロポンプＭＰ３を設けたマイクロポンプチップ１１Ｂを用い、これに、ガラス基板１２Ｂ、流路チップ１３Ｂを組み合わせたマイクロ流体デバイス１Ｂの斜視図である。
【００５１】
図９は、マイクロ流体デバイス１Ｂの流路チップ１３Ｂを取り除いた状態を示す斜視図である。
【００５２】
図８に示すように、流路チップ１３Ｂの流路１４１Ｂは、多数回にわたって蛇行し、流路の全長が長くなるように構成される。流路が長いため、穴１４５Ｂから注入された液体が排出用の穴１４４に達するまでに数分〜数十分の時間を要する。
【００５３】
図９に示すように、ガラス基板１２Ｂの表面１２Ｂａには、種々の幅寸法を有したＩＴＯ膜１３３がパターニングされている。ＩＴＯ膜１３３の上面には、保護層としてＰＤＭＳがコーティングされている。ＩＴＯ膜１３３には電流が供給され、その幅寸法に応じて発熱する。例えば、各ＩＴＯ膜１３３に同じ大きさの電流を流すことによって、幅寸法の大きさに応じた発熱量が得られる。例えば、各ＩＴＯ膜１３３によって、流路１４１Ｂが、９２°Ｃ、７４°Ｃ、５３°Ｃなどとなるように加熱することができる。このような状態で、流路１４１Ｂにサンプル液を流すと、サンプル液は熱サイクルを繰り返しながら排出用の穴１４４に達する。その際に、サンプル液にＤＮＡを加えて送液すると、ＰＣＲ(Polymerase Chain Reaction）により、穴１４４からはＤＮＡが増幅された液を取り出すことができる。
【００５４】
また、上に述べたマイクロ流体デバイス１は、１枚のガラス基板１２に１枚のマイクロポンプチップ１１を接合したが、２枚以上のマイクロポンプチップ１１を接合してもよい。
【００５５】
図１０は、１枚のガラス基板１２Ｃに２つのマイクロポンプチップ１１Ｃａ，１１Ｃｂを接合して構成したマイクロ流体デバイス１Ｃを示す図、図１１は、同様に２つのマイクロポンプチップ１１Ｄａ，１１Ｄｂを接合して構成したマイクロ流体デバイス１Ｄを示す図である。
【００５６】
これらのマイクロ流体デバイス１Ｃ，１Ｄは、種々の液体による種々の反応シーケンスに応じた送液を行うことができる。
【００５７】
また、マイクロポンプＭＰの方式として、上に述べた以外の種々の方式のものを採用することが可能である。例えば、形状の異なる第１絞り流路１２３と第２絞り流路１２５とを設ける代わりに、弁の働きをする能動部材をそれぞれ設けたマイクロポンプ、その他の構造のマイクロポンプを用いることができる。
〔第２の実施形態〕
次に第２の実施形態のマイクロ流体デバイスについて説明する。
【００５８】
図１２は第２の実施形態のマイクロ流体デバイス１Ｅの正面断面図である。
【００５９】
第１の実施形態においては、マイクロポンプチップ１１とガラス基板１２とで構成されるマイクロポンプユニットＭＵの上に、自己シール性を有する流路チップ１３を自己吸着させた。これに対して、第２の実施形態のマイクロ流体デバイス１Ｅは、図１２に示すように、マイクロポンプチップ１１とガラス基板１２とで構成されるマイクロポンプユニットＭＵと流路チップ１３との間に、自己シール性を有するシート１４を挟んで構成する。シート１４は、例えばＰＤＭＳからなる。シート１４には、ガラス基板１２に設けられた貫通孔１３１と流路チップ１３に設けられた穴１４２、１４３とを互いに接続するための連通孔１６１、および貫通孔１３２と穴１４５とを互いに接続するための連通孔１６２が設けられる。
【００６０】
シート１４の表面１４ａ，１４ｂは滑らかであり、全体が透明または半透明であって透光性を有する。上側の表面１４ａは流路チップ１３の表面１３ｂと接合し、下側の表面１４ｂはガラス基板１２の表面１３ａと接合する。上に述べた連通孔１６１，１６２は、これら表面１４ａ，１４ｂに開口する。
【００６１】
このように構成されたマイクロ流体デバイス１Ｅによると、シート１４が自己シール性を有するので、シート１４とガラス基板１２との接合が容易であるとともに、流路チップ１３が自己シール性を有していなくても、流路チップ１３をシート１４に容易に接合することができる。つまり、流路チップ１３の材料として、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＯＭ、他のプラスチック、ガラス、シリコン、セラミックス、ポリマーなどの硬質な材料を用いることができる。種々の型成形によって大量生産することが可能である。なお、流路チップ１３の表面１３ｂはシート１４の表面１４ａと接合可能なように滑らかにしておく必要がある。
〔第２の実施形態における変形例〕
図１３は変形例のマイクロ流体デバイス１Ｆを示す斜視図である。
【００６２】
マイクロ流体デバイス１Ｆは、マイクロポンプチップ１１、ガラス基板１２、および自己シール性を有するシート１４から構成されている。つまり、上に述べたマイクロ流体デバイス１Ｅから流路チップ１３を取り除いたものである。
【００６３】
このマイクロ流体デバイス１Ｆは、流路チップ１３が設けられていないので、マイクロ流体デバイスとしては未完成であるが、流路チップ１３を取り付けることによってマイクロ流体デバイスを完成させることのできるマイクロポンプユニットとして機能する。つまり、マイクロ流体デバイス１Ｆによると、任意の流路１４１を有する流路チップ１３を容易に取り付けることができ、種々の回路のマイクロ流体デバイスを容易に構成することができる。
【００６４】
図１４は他の変形例のマイクロ流体デバイス１Ｇを示す正面断面図、図１５は図１４のマイクロ流体デバイス１Ｇの斜視図、図１６はさらに他の変形例のマイクロ流体デバイス１Ｈを示す正面断面図、図１７および図１８はさらに他の変形例のマイクロ流体デバイス１Ｊ，１Ｋを示す斜視図である。
【００６５】
図１４および図１５に示すマイクロ流体デバイス１Ｇは、上に述べた他のマイクロ流体デバイス１〜１Ｆのようにガラス基板が大きくなく、ガラス基板１２Ｇ、シート１４Ｇ、および流路チップ１３Ｇが、マイクロポンプチップ１１Ｇと同じ大きさである。つまり、それらが全部同じ大きさであり、表面積が小さい。したがって、マイクロ流体デバイス１Ｇはその全体がさらにコンパクトである。マイクロ流体デバイス１Ｈ〜１Ｋについても同様である。
【００６６】
また、マイクロ流体デバイス１Ｇでは、マイクロポンプチップ１１Ｇ、ガラス基板１２Ｇ、およびシート１４Ｇで構成されるマイクロポンプユニットＭＵに対して、流路チップ１３Ｇを取り付ける際の位置決めが容易に確実に行えるようになっている。
【００６７】
すなわち、シート１４Ｇには、連通孔１６１，１６２の設けられた位置と同心位置に、円柱状のザグリ穴１６３，１６４が設けられており、流路チップ１３Ｇには、ザグリ穴１６３，１６４に嵌合するボス１７１，１７２が設けられている。
【００６８】
したがって、流路チップ１３ＧをマイクロポンプユニットＭＵに取り付ける場合に、流路チップ１３Ｇのボス１７１，１７２をシート１４Ｇのザグリ穴１６３，１６４に嵌入させることによって、シート１４Ｇの自己シール性によって自己吸着する。これによって、流路チップ１３Ｇの取り付けが一層容易にかつ確実になり、位置合わせが確実に行われることからマイクロ流体デバイス１Ｇの動作が一層安定する。また、運搬時においてもそれらの位置がずれることがないから、持ち運びや取り扱いが容易になる。
【００６９】
図１６に示すマイクロ流体デバイス１Ｈでは、ザグリ穴１６３Ｈ，１６４Ｈおよびボス１７１Ｈ，１７２Ｈが、円錐台状になっている。この例では、ザグリ穴１６３Ｈ，１６４Ｈがテーパ状に拡がっているので、挿入が一層容易である。
【００７０】
図１７に示すマイクロ流体デバイス１Ｊでは、マイクロポンプチップ１１Ｊ、ガラス基板１２Ｊ、およびシート１４Ｊで構成されるマイクロポンプユニットＭＵには位置決め用の円柱状の長い穴１６５，１６５を設け、流路チップ１３Ｊには、穴１６５，１６５に嵌入するピン１７３，１７３を設ける。各ピン１７３をこれら穴１６５に差し込むことにより、マイクロポンプユニットＭＵと流路チップ１３Ｊとの位置決めを行う。
【００７１】
図１８に示すマイクロ流体デバイス１Ｋでは、マイクロポンプチップ１１Ｋ、ガラス基板１２Ｋ、およびシート１４Ｋで構成されるマイクロポンプユニットＭＵの側面に、位置決め用の直方体状の切り欠き部１６６，１６６を設け、流路チップ１３Ｋには、切り欠き部１６６，１６６に嵌合する突起１７４，１７４を設ける。突起１７４を切り欠き部１６６に嵌め込むことにより位置決めを行う。
【００７２】
これらによっても、マイクロポンプユニットＭＵと流路チップ１３Ｊ，１３Ｋとの位置決めが容易に確実に行える。
【００７３】
なお、図１７および図１８に示すマイクロ流体デバイス１Ｊ，１Ｋにおいて、図１５のマイクロ流体デバイス１Ｇで説明したボス１７１，１７２およびザグリ穴１６３，１６４はなくてもよい。
【００７４】
上に述べた実施形態において、マイクロ流体デバイス１〜１ＫまたはマイクロポンプユニットＭＵが本発明のマイクロ流体デバイスに相当する。また、マイクロポンプユニットＭＵは本発明のポンプユニットにも相当し、マイクロポンプユニットＭＵにおいて、例えば、ガラス基板１２の表面１２ａが本発明の第１接合面に、マイクロポンプチップ１１またはマイクロポンプＭＰが本発明のポンプ機構に、貫通孔１３１，１３２が本発明の流路または第１の流路に、それぞれ相当する。
【００７５】
また、流路チップ１３，１３Ｂなどが本発明の流路ユニットに相当し、例えば流路チップ１３において、表面１３ｂが本発明の第２接合面に、穴１４２〜１４６が本発明の流路または第２流路に相当する。
【００７６】
また、シート１４Ｇ，１４Ｊなどが本発明のシート状体に相当し、例えば、その一方の表面１４ａが本発明の第４接合面に、他方の表面１４ｂが本発明の第３接合面に、連通孔１６１，１６２が本発明の連通孔に相当する。
【００７７】
上に述べた種々の実施形態および変形例において、マイクロ流体デバイスの平面形状として、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形、その他の種々の形状とすることが可能である。流路チップの構造、構成、材質、流路の構成、パターン、長さ、断面の形状および寸法などは、種々のものを用いることができる。マイクロポンプチップのマイクロポンプＭＰの構成、構造、原理、方式、形状、寸法、駆動方法などは、上に述べた以外の種々のものとすることができる。その他、マイクロ流体デバイスの全体または各部の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【００７８】
本発明に係るマイクロ流体デバイスは、環境、食品、生化学、免疫学、血液学、這伝子分析、合成、創薬など、さまざまな分野の反応に適用することができる。
【００７９】
また、本発明の実施形態には、次のマイクロ流体デバイスが含まれる。なお、括弧内の要素は、各括弧の直前の要素に対応する請求項に記載の要素を示す。
（１）  流路が形成され、第１接合面（第２接合面）を有する流路ユニットと、ポンプ機構および当該ポンプ機構に連通する流路が設けられ、前記第１接合面と接離可能に接合するための第２接合面（第１接合面）を有するポンプユニットと、を有し、前記流路ユニットと前記ポンプユニットとのうち少なくとも一方に、接合時の位置決め手段が設けられているマイクロ流体デバイス。
（２）  第１接合面（第２接合面）を有し、当該第１接合面に望む第１流路（第２流路）が形成された流路ユニットと、第２接合面（第１接合面）を有するとともに、ポンプ機構および当該ポンプ機構に連通しかつ前記第２接合面に望む第２流路（第１流路）が設けられたポンプユニットと、前記第１流路と前記第２流路とを接続するための連通孔が設けられ、前記第１接合面と接合する第３接合面（第４接合面）と前記第２接合面と接合する第４接合面（第３接合面）とを有した弾性部材（シート状体）と、を有し、前記流路ユニット、前記ポンプユニット、および前記弾性部材のうち少なくとも１つに、接合時の位置決め手段が設けられているマイクロ流体デバイス。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によると、デッドボリュームが小さくてレスポンスが良好であり、分析または合成などの用途に応じて流路を容易に変更することのできるマイクロ流体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態のマイクロ流体デバイスの分解斜視図である。
【図２】マイクロ流体デバイスの正面断面図である。
【図３】マイクロポンプチップの平面図である。
【図４】流路チップの平面図である。
【図５】流路チップを製作する工程の一部を説明する図である。
【図６】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図７】流路の合流点の近辺における液体の状態を示す図である。
【図８】変形例のマイクロ流体デバイスを示す斜視図である。
【図９】他の変形例のマイクロ流体デバイスを示す斜視図である。
【図１０】他の変形例のマイクロ流体デバイスを示す斜視図である。
【図１１】他の変形例のマイクロ流体デバイスを示す斜視図である。
【図１２】第２の実施形態のマイクロ流体デバイスの正面断面図である。
【図１３】変形例のマイクロ流体デバイスを示す斜視図である。
【図１４】他の変形例のマイクロ流体デバイスを示す正面断面図である。
【図１５】図１４のマイクロ流体デバイスの斜視図である。
【図１６】他の変形例のマイクロ流体デバイスを示す正面断面図である。
【図１７】他の変形例のマイクロ流体デバイスを示す斜視図である。
【図１８】他の変形例のマイクロ流体デバイスを示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１Ｂ〜１Ｋ  マイクロ流体デバイス
１１  マイクロポンプチップ（ポンプ機構）
１２  ガラス基板
１２ａ  表面（第１接合面）
１３，１３Ｂ  流路チップ（流路ユニット）
１３１，１３２  貫通孔（流路、第１の流路）
１３ｂ  表面（第２接合面）
１４２〜１４６  穴（流路、第２流路）
１４Ｇ，１４Ｊ  シート（シート状体）
１４ａ  表面（第４接合面）
１４ｂ  表面（第３接合面）
１６１，１６２  連通孔
ＭＵ  マイクロポンプユニット（マイクロ流体デバイス、ポンプユニット）
ＭＰ  マイクロポンプ（ポンプ機構）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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