(57)【要約】  本発明は、マイクロ流体システム、該マイクロ流体システムの製造方法、及び前記マイクロ流体システムのマイクロチャネルを介する流体流の制御又は操作方法を供する。前記マイクロチャネルの壁の内側にはアクチュエータ素子が供される。該アクチュエータ素子は複合構造を有する。これらのアクチュエータ素子は外部の刺激に応答して形状及び配向を変化させることができる。この形状及び配向変化を介して、マイクロチャネルを介する流体流を制御又は操作することが可能となる。
2009543703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面を有する壁を有する少なくとも1つのマイクロチャネルを含むマイクロ流体システムであって：
前記壁の内面に取り付けられた複数のアクチュエータ素子であって、各々が形状、配向、及び複合構造を有するアクチュエータ素子；並びに
前記複数のアクチュエータ素子の形状及び/又は配向を変化させるように、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段；
をさらに有するマイクロ流体システム。
【請求項２】
前記複合構造は、少なくとも第1部分及び少なくとも第2部分を有し、かつ
前記第1部分は、前記第2部分よりも少なくとも100倍小さな弾性モジュラスを有する、
請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項３】
前記第1部分は約1kPa-100MPa範囲の弾性モジュラスを有する、請求項2に記載のマイクロ流体システム。
【請求項４】
他方第2部分は約1GPa-200GPa範囲の弾性モジュラスを有する、請求項2に記載のマイクロ流体システム。
【請求項５】
前記第1部分は前記壁の内面に付着している、請求項2に記載のマイクロ流体システム。
【請求項６】
前記第1部分がエラストマー又はポリマーゲルを有する、請求項2-5のいずれか1項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項７】
前記第2部分がポリマーベースの材料又は金属を有する、請求項2-6のいずれか1項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項８】
前記第2部分が磁気モノリシック又は複合材料を有する、請求項2-6のいずれか1項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項９】
前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は、電場発生手段、電磁場発生手段、電磁放射線手段、及び内部又は外部磁場発生手段を含む群から選ばれる、請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項１０】
前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は磁場発生手段である、請求項9に記載のマイクロ流体システム。
【請求項１１】
前記複数のアクチュエータ素子は第1及び第2列に配置され、
前記第1列のアクチュエータ素子は前記壁の内面の第1位置に設けられ、
前記第2列のアクチュエータ素子は前記壁の内面の第2位置に設けられ、かつ
前記第1位置と前記第2位置とは相互に対向している、
請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項１２】
前記複数のアクチュエータ素子が2次元アレイを形成するように複数の列に配置される、請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項１３】
前記複数のアクチュエータ素子が前記壁の内面に無作為に配置される、請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項１４】
少なくとも1つのマイクロチャネルを有するマイクロ流体システムの製造方法であって：
複数のアクチュエータ素子を有する少なくとも1つのマイクロチャネルの壁の内面に複合構造を供する工程；及び
前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段を供する工程；
を有する方法。
【請求項１５】
前記の複数のアクチュエータ素子に前記複合構造を供する工程は、
長さL1を有する低モジュラスのポリマーを前記壁の内面にスピンコーティングして第1部分を形成し、
長さL2を有する磁性ポリマーベースの材料を前記第1部分の上部にスピンコーティングして第2部分を形成し、かつ
イオンビームリソグラフィによって前記コーティングの構造を作製して前記複合構造を形成する、
ことによって実行される、
請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記の複数のアクチュエータ素子に前記複合構造を供する工程は、
前記壁の内面に犠牲層を堆積してパターニングし、
磁性ポリマーベースの材料をスピンコーティングして構造を作製することで前記複合構造の第2部分を形成し、
変形しやすいポリマー材料をスピンコーティングして構造を作製することで前記複合構造の第1部分を形成し、かつ
前記犠牲層をエッチングによって除去して前記複合構造を形成する、
ことによって実行される、
請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のアクチュエータ素子に前記複合構造を供するさらに他の方法は、
前記壁の内面の表面エネルギーをパターニングし、
磁性ポリマーベースの材料をスピンコーティングして構造を作製することで前記複合構造の第2部分を形成し、
低モジュラスのポリマー材料をスピンコーティングして構造を作製することで前記複合構造の第1部分を形成し、かつ
駆動力を印加して、前記壁の内面から前記ポリマー材料を部分的に開放することで前記複合構造を形成する、
ことによって実行される、
請求項14に記載の方法。
【請求項１８】
均一な連続磁性層若しくはパターニングされた磁性層、又は磁性粒子を、前記アクチュエータ素子の複合構造の第2部分に供する工程をさらに有する、請求項14に記載の方法。
【請求項１９】
前記のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は磁場発生手段を有する、請求項14に記載の方法。
【請求項２０】
前記のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は電場発生手段を有する、請求項14に記載の方法。
【請求項２１】
内面を有する壁を有するマイクロ流体システムのマイクロチャネルを介して流体の流れを制御する方法であって：
複数のアクチュエータ素子であって、各々が形状、配向、及び複合構造を有するアクチュエータ素子を前記壁の内面に供する工程；並びに
前記複数のアクチュエータ素子の形状及び/又は配向を変化させるように、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する工程；
を有する方法。
【請求項２２】
前記アクチュエータ素子に刺激を印加する工程は磁場を印加することによって実行される、請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
バイオテクノロジー、製薬、電気、又はエレクトロニクス用途への請求項1に記載のマイクロ流体システムの使用。
【請求項２４】
診断装置への請求項1に記載のマイクロ流体システムの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体システム、該マイクロ流体システムの製造方法、及び前記マイクロ流体システムのマイクロチャネルを介する流体流の制御又は操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体システムは、今日急速に成長しているバイオテクノロジーの多く-たとえば迅速なDNA分離及びサイズ確認、細胞操作、細胞分類、並びに分子検出-にとって重要な基礎となっている。マイクロ流体チップに基づいた手法は、従来の巨視的サイズの手法と比較して多くの利点を供する。
【０００３】
全てのマイクロ流体素子では、流体流を制御することが基本的に必要とされている。つまり流体は、輸送され、混合され、分離され、かつ典型的な幅が約0.1mmのチャネルで構成されるマイクロチャネルシステムを介して案内されなければならない。マイクロ流体を作用させる上での課題は、マイクロチャネル中での様々な組成物からなる複合流体-たとえば唾液や全血-の流れを制御すなわち操作するための小型で信頼性あるマイクロ流体システムを設計することである。様々な作用機構が開発され、かつ現在用いられている。そのような作用機構とはたとえば、圧力駆動法、微細加工されたメカニカルバルブ及びポンプ、インクジェット型ポンプ、電動制御流、並びに表面弾性波である。
【０００４】
特許文献1では、マイクロガスクロマトグラフに用いられ、かつそのクロマトグラフを介して気体を駆動させるマイクロポンプ集合体が供されている。これは膜が変位するポンプの一例である。膜がたわむことで液体を流す圧力が供される。しかし係るマイクロポンプ集合体やマイクロポンプを用いることの不利益とは一般的に、係るマイクロポンプ集合体やマイクロポンプが、何らかの方法によってマイクロ流体システムと一体化されなくてはならないことである。このことは、マイクロ流体システムのサイズが増大することを意味する。従って小型かつ安価でありながら処理しやすいマイクロ流体システムを有することが有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第2003/0231967号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ブロア(Dirk  J.Broer)、ホーテン（Henk  van  Houten）、オーワーカーク（Martin  Ouwerkerk）、ツーダー（Jaap  M.J.den  Tooder）、スライス（Paul  van  der  Sluis）、クリンク（Stephen  I.Klink）、ヒクメット（Rifat  A.M.Hikmet）、バルケネンデ（Ruud  Ballenende）、スマート・マテリアルズ（Smart  Materials）、第4章、スプリンガーフェアラーク（Springer  Verlag）、2006年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、改善されたマイクロ流体システム、並びに該改善されたマイクロ流体システムの製造及び操作方法を供することである。本発明の利点は、小型、安価、及び処理しやすさのうちの少なくとも1つである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は本発明による方法及び素子によって実現される。
【０００９】
第1態様では、本発明は、壁を有する少なくとも1つのマイクロチャネルを含むマイクロ流体システムを内面に供する。当該マイクロ流体システムは：
前記壁の内面に取り付けられた複数のアクチュエータ素子であって、各々が形状、配向、及び複合構造を有するアクチュエータ素子；並びに
前記複数のアクチュエータ素子の形状及び/又は配向を変化させるように、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段；
をさらに有する。
【００１０】
前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加することにより、マイクロ流体システム内の複合流体の流れを局所的に操作する方法が得られる。前記アクチュエータ素子は、流体流の具体的な流路を得るため、個別的又は集団的に駆動すなわち処理されて良い。前記アクチュエータ素子の複合構造は、前記アクチュエータ素子を作用させるのに必要な刺激が実際に実現可能であることを保証する。
【００１１】
本発明による好適実施例では、前記アクチュエータ素子の複合構造は、少なくとも第1部分及び少なくとも第2部分を有する。前記第1部分は、前記第2部分よりも少なくとも100倍小さく、好適には100倍から1000倍小さな弾性モジュラスを有する。前記第1部分は約1kPa-100MPa範囲の弾性モジュラスを有することが好ましい。他方第2部分は約1GPa-200GPa範囲の弾性モジュラスを有することが好ましい。換言すると、前記第1部分は前記第2部分よりもより変形しやすいということができる。この複合構造は全体として、一部分のみ有する従来の構造と比較して、前記アクチュエータ素子のコンプライアンスを減少させる。前記アクチュエータ素子のコンプライアンスが小さくならない限り、前記アクチュエータ素子のスティフネスを凌駕して、前記アクチュエータ素子を大きく変形させるのに必要な刺激は、受容不可能なまでに大きくなってしまうだろう。
【００１２】
本発明による好適実施例では、弾性モジュラスの小さな前記第1部分、つまり変形しやすい部分は、前記壁の内面に付着する。前記変形しやすい部分が前記壁の内面に付着する場合、前記アクチュエータ素子の配向を変化させるのに必要な刺激は、付着しない場合と比較して数桁小さくなる。
【００１３】
本発明による非常に好適な実施例では、前記第1部分はエラストマー又はポリマーゲルを有する。前記第2部分はポリマーベースの材料又は金属を有する。前記第2部分は磁気モノリシック又は複合材料を有することが好ましい。ポリマー材料は一般的に、脆性ではなくて強く、比較的安価で、大きな歪み（最大10%以上）に対しても弾性であり、かつ大きな表面積を単純な方法で処理可能であると見込まれている。
【００１４】
本発明による特定の実施例では、前記マイクロ流体システムは、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段を有する。前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は、電場発生手段（たとえば電流源又は電圧源）、電磁場発生手段（たとえば光源）、電磁放射線手段（たとえば光源）、及び内部又は外部磁場発生手段を含む群から選ばれる。
【００１５】
本発明による最も好適な実施例では、前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は、磁場発生手段である。
【００１６】
本発明の一の実施例では、前記複数のアクチュエータ素子は第1及び第2列に配置され、前記第1列のアクチュエータ素子は前記壁の内面の第1位置に設けられ、前記第2列のアクチュエータ素子は前記壁の内面の第2位置に設けられ、かつ前記第1位置と前記第2位置とは相互に対向している。
【００１７】
本発明の他の実施例では、前記複数のアクチュエータ素子は2次元アレイを形成するように複数の列に配置されて良い。
【００１８】
本発明の他の実施例では、前記複数のアクチュエータ素子はマイクロチャネルの壁の内面に無作為に配置されて良い。
【００１９】
本発明の第2態様では、少なくとも1つのマイクロチャネルを有するマイクロ流体システムの製造方法が供される。当該方法は：
複数のアクチュエータ素子を有する少なくとも1つのマイクロチャネルの壁の内面に複合構造を供する工程；及び
前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段を供する工程；
を有する。
【００２０】
前記複数のアクチュエータ素子に前記複合構造を供する方法は、
長さL1を有する低モジュラスのポリマーを前記壁の内面にスピンコーティングして第1部分を形成し、
長さL2を有する磁性ポリマーベースの材料を前記第1部分の上部にスピンコーティングして第2部分を形成し、かつ
イオンビームリソグラフィによって前記コーティングの構造を作製して前記複合構造を形成する、
ことによって実行される。
【００２１】
前記複数のアクチュエータ素子に前記複合構造を供する他の方法は、
前記壁の内面に犠牲層を堆積してパターニングし、
磁性ポリマーベースの材料をスピンコーティングして構造を作製することで前記複合構造の第2部分を形成し、
変形しやすいポリマー材料をスピンコーティングして構造を作製することで前記複合構造の第1部分を形成し、かつ
前記犠牲層をエッチングによって除去して前記複合構造を形成する、
ことによって実行される。
【００２２】
前記複数のアクチュエータ素子に前記複合構造を供するさらに他の方法は、
前記壁の内面の表面エネルギーをパターニングし、
磁性ポリマーベースの材料をスピンコーティングして構造を作製することで前記複合構造の第2部分を形成し、
低モジュラスのポリマー材料をスピンコーティングして構造を作製することで前記複合構造の第1部分を形成し、かつ
駆動力を印加して、前記壁の内面から前記ポリマー材料を部分的に開放することで前記複合構造を形成する、
ことによって実行される。
【００２３】
本発明の好適実施例によると、当該方法は、均一な連続磁性層若しくはパターニングされた磁性層、又は磁性粒子を、前記アクチュエータ素子の複合構造の第2部分に供する工程をさらに有して良い。前記のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は、磁場発生手段を有して良い。
【００２４】
本発明の他の態様では、マイクロ流体システムのマイクロチャネルを介して流体の流れを制御する方法が供される。前記マイクロチャネルは内面を有する壁を有する。当該方法は：
複数のアクチュエータ素子であって、各々が形状、配向、及び複合構造を有するアクチュエータ素子を前記壁の内面に供する工程；並びに
前記複数のアクチュエータ素子の形状及び/又は配向を変化させるように、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する工程；
を有する。
【００２５】
本発明による特定実施例では、前記アクチュエータ素子に刺激を印加する工程は磁場を印加することによって実行されて良い。
【００２６】
他の態様では、本発明はまた、内面を有する壁を有する少なくとも1つのマイクロチャネルであって液体を含むマイクロチャネルを含むマイクロ流体システムをも有する。当該マイクロ流体システムは：
前記壁の内面に取り付けられた複数のアクチュエータ素子；及び
前記マイクロチャネルに沿った方向に前記液体を駆動するように前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段；
をさらに有する。
【００２７】
本発明によるマイクロ流体システムは、バイオテクノロジー、製薬、電気、又はエレクトロニクス用途に用いられて良い。バイオテクノロジー用途においては、当該マイクロ流体システムは、バイオセンサ、高速DNA分離及びサイズ確認、細胞操作及び分類、に用いられる。製薬用途においては、当該マイクロ流体システムは、局所的な混合が重要である高処理能力のコンビナトリアル検査に用いられる。電気又はエレクトロニクス用途においては、当該マイクロ流体システムは、マイクロチャネル冷却システムに用いられる。
【００２８】
本発明によるマイクロ流体システムは、体液中の少なくとも1つの標的分子を検出するためのバイオセンサのような診断装置に用いられて良い。少なくとも1つの標的分子とはたとえば、タンパク質、抗体、核酸（たとえばDNA、RNA）、ペプチド、オリゴ糖若しくは多糖類若しくは砂糖である。体液とはたとえば、唾液、痰、血液、血漿、間質液、又は尿である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術に係るマイクロポンプ集合体を図示している。
【図２ａ】梁形状のアクチュエータ素子に係る複合構造の概略図である。
【図２ｂ】棒形状のアクチュエータ素子に係る複合構造の概略図である。
【図２ｃ】梁形状のアクチュエータに係る低モジュラスの土台を有する複合構造の概略図である。
【図３ａ】本発明の実施例による、スピンコーティングすることによってマイクロチャネルの壁の内面に低モジュラスポリマーを塗布して硬化する工程を図示している。
【図３ｂ】本発明の実施例による、スピンコーティングすることによって低モジュラスポリマー上に磁性ポリマーを塗布して硬化する工程を図示している。
【図３ｃ】本発明の実施例による、イオンビームリソグラフィによって層の構造を作製する工程を図示している。
【図４ａ】本発明の他の実施例による、マイクロチャネルの壁の内面にITO層を塗布する工程を図示している。
【図４ｂ】本発明の他の実施例による、エッチングによるITO層の構造を作製する工程を図示している。
【図４ｃ】本発明の他の実施例による、誘電層を堆積する工程を図示している。
【図４ｄ】本発明の他の実施例による、犠牲層を堆積する工程を図示している。
【図４ｅ】本発明の他の実施例による、犠牲層をパターニングする工程を図示している。
【図４ｆ】本発明の他の実施例による、磁性層を堆積する工程を図示している。
【図４ｇ】本発明の他の実施例による、磁性ポリマー層を塗布する工程を図示している。
【図４ｈ】本発明の他の実施例による、磁性ポリマー層をパターニング及び硬化する工程を図示している。
【図４ｉ】本発明の他の実施例による、スピンコーティングによる低モジュラスポリマー層を塗布する工程を図示している。
【図４ｊ】本発明の他の実施例による、低モジュラスポリマー層をパターニング及び硬化する工程を図示している。
【図４ｋ】本発明の他の実施例による、磁性層をエッチングする工程を図示している。
【図４ｌ】本発明の他の実施例による、犠牲層をエッチングする工程を図示している。
【図５】本発明の実施例による、まっすぐなアクチュエータ素子によって覆われた壁の内面を有するマイクロチャネルの断面を図示している。
【図６】本発明の他の実施例による、巻き上がっているアクチュエータ素子と、まっすぐに伸びているアクチュエータ素子によって覆われた壁の内面を有するマイクロチャネルの断面を図示している。
【図７】本発明のさらに他の実施例による、前後へ対称に移動するアクチュエータ素子によって覆われた壁の内面を有するマイクロチャネルの断面を図示している。
【図８】本発明の実施例による、まっすぐなアクチュエータ素子上に均一な磁場を印加する様子を図示している。
【図９】本発明の他の実施例による、個々のアクチュエータ素子上に回転磁場を印加する様子を図示している。
【図１０】本発明の他の実施例による、導線を用いて不均一磁場を印加することでアクチュエータ素子に力を及ぼす様子を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の上記及び他の特徴、事項、及び利点は、例示的に本発明の原理を図示している添付の図面と共に以降の詳細な説明から明らかとなる。本記載は例示を目的とするのみで、本発明の技術的範囲を限定するものではない。以降で引用される参照番号は添付の図面を指し示している。
【００３１】
それぞれ異なる図において、同一の参照番号は同一又は累維持の構成要素を指し示している。
【００３２】
本発明の特定かつ好適態様は、「特許請求の範囲」に記載された独立及び従属請求項によって与えられる。従属請求項で与えられた事項は、独立請求項で与えられた事項と、他の従属請求項で与えられた事項と組み合わせられて良い。係る組合せは適切に行われ、請求項中に明記されたものに限られない。
【００３３】
特定の図を参照しながら、具体的実施例について、本発明を説明する。しかし本発明は参照された具体的実施例によっては限定されず、「特許請求の範囲」に記載された請求項によってのみ限定される。示された図は単なる概略に過ぎず、非限定的である。図においては、例示目的のため、大きさが誇張され、かつ正しいスケールで描かれていない構成要素がある。
【００３４】
さらに、明細書及び特許請求の範囲に記載されている第1、第2、第3等の語は、同様の構成要素を区別するために用いられており、必ずしも生起順序又は時系列順序を表すものではない。よって用いられているそれらの語は適切な状況下では同義であり、本明細書で説明されている本発明は、説明すなわち例示されている順序以外の順序での動作が可能であることに留意すべきである。
【００３５】
しかも、明細書及び特許請求の範囲に記載されている上部、下部、上、下等の語は、説明目的で使用されており、必ずしも相対的位置を表すものではない。よって用いられているそれらの語は適切な状況下では同義であり、本明細書で説明されている本発明は、説明すなわち例示されている順序以外の順序での動作が可能であることに留意すべきである。
【００３６】
以降では、形状という語はアクチュエータ素子の形状を意味する。その形状は、梁形状若しくは棒形状、又は細長形状を含む他の適当な形状であって良い。配向という語はアクチュエータ素子の配向を意味する。その配向はマイクロチャネルの壁の内面に対して垂直であって良いし、又はその内面と同一面であっても良い。複合構造という語は、2つ以上の独立した構成材料を含む構造を意味する。変形しやすいポリマーとは、約1KPaから100MPaの範囲の弾性モジュラスを有するポリマーである。磁性ポリマーとは、均一な若しくはパターニングされた磁性材料層を有するか、又は磁性粒子を含むポリマーである。
【００３７】
第1態様では、本発明はマイクロ流体システムを供する。当該マイクロ流体システムには、該マイクロ流体システムのマイクロチャネルを介した流体の輸送、（局所）混合、又は案内を可能にする手段が供される。第2態様では、本発明は当該マイクロ流体システムの製造方法を供する。第3態様では、本発明はマイクロ流体システムのマイクロチャネルを介した流体流の制御方法を供する。本発明によるマイクロ流体システムは処理が経済的かつ単純でありながら、頑丈かつ小型で、非常に複雑な流体に対しても適している。
【００３８】
本発明によるマイクロ流体システムは、少なくとも1つのマイクロチャネル及び該少なくとも1つのマイクロチャネルの壁の内面に一体化されたマイクロ流体素子を有する。前記マイクロ流体素子はアクチュエータ素子である。これらの素子は変形しやすくて強いことが好ましい。前記アクチュエータ素子は、ある特定の刺激-たとえば電場や磁場等-に対して、形状を曲げ、回転させ、又は変化させることによって応答することが好ましい。前記アクチュエータ素子は比較的安価なプロセス手段によって容易に処理されることが好ましい。
【００３９】
本発明によると、全ての適切な材料が用いられて良い。適切な材料つまり、たとえば外部の刺激に対する応答として機械的に変形することで形状を変化させることが可能な材料である。外部刺激には様々な起源であって良い。様々な起源とはたとえば、電場、磁場、光、温度、化学環境等である。可能な材料の概略は非特許文献1で与えられている。ポリマー材料は一般的に、脆性ではなくて強く、比較的安価で、大きな歪み（最大10%以上）に対しても弾性であり、かつ大きな表面積を単純な方法で処理可能であると見込まれている。
【００４０】
本発明によるマイクロ流体システムは、バイオテクノロジー、製薬、電気、又はエレクトロニクス用途に用いられて良い。バイオテクノロジー用途においては、当該マイクロ流体システムは、バイオセンサ、高速DNA分離及びサイズ確認、細胞操作及び分類、に用いられる。製薬用途においては、当該マイクロ流体システムは、局所的な混合が重要である高処理能力のコンビナトリアル検査に用いられる。電気又はエレクトロニクス用途においては、当該マイクロ流体システムは、マイクロチャネル冷却システムに用いられる。
【００４１】
本発明は、ミクロなポリマーアクチュエータ素子でマイクロチャネルの壁を覆うことによって、マイクロチャネル中での流体の運動を操作する。ミクロなポリマーアクチュエータ素子とは、つまりある特定の外部刺激に応答して形状及び/又は大きさを変化させるポリマー構造である。以降の記載では、ポリマーアクチュエータ素子のようなこれらのミクロなアクチュエータ素子はアクチュエータ-たとえばポリマーアクチュエータ、ミクロなポリマーアクチュエータ、アクチュエータ素子、又はミクロなポリマーアクチュエータ素子-とも呼ばれて良い。以降の記載においては、これらの語のうちのいずれが用いられても、本発明による同一のミクロなアクチュエータ素子を意味することに留意して欲しい。ミクロなアクチュエータ素子又はポリマーアクチュエータは、任意の適切な外部刺激によって、個別的又は集団的に運動状態にされて良い。これらの外部刺激は、たとえば電流のような電場、磁場、又は他の適切な手段であって良い。
【００４２】
しかし医用生体用途については、他の材料を用いてアクチュエータ素子を形成することによって生じうる複合生体流体との可能な相互作用を考慮すると、電気的及び磁気的手段が好ましいと思われる。
【００４３】
発明の詳細な説明においては、主として磁気作用について論じる。個々の磁気的に作用するアクチュエータ素子は基本的には、常磁性又は強磁性の蓋(flap)である。これは、その蓋に超常磁性又は強磁性粒子を加え、又はその蓋上に（構造が作製された）磁性層を堆積させ、又は真性磁気ポリマー材料を用いることによって実現されて良い。その蓋は、実効的に印加されたトルク、又は直接的な並進力のいずれかによって磁場方向に変動して良い。その磁場は均一な磁場であっても良いし、又は、たとえば電流ワイヤによって誘起される空間的に変動する磁場であっても良い。
【００４４】
外部磁場が印加される結果、蓋には並進力と回転力が加えられる。並進力は次式で表される。
【００４５】
【数１】
2009543703.tif 000003
ここでベクトルmは蓋の磁気モーメントで、かつベクトルBは誘起される磁場である。
【００４６】
回転力-つまり蓋に加えられるトルク-は、その蓋の変動-つまり回転-及び/又は形状の変化を引き起こす。蓋の磁気モーメントをベクトルm、及び磁場強度をベクトルHとすると、ベクトルτで表されるトルクは次式で与えられる。
【００４７】
【数２】
2009543703.tif 000004
ここでμは透磁率、ベクトルBは誘起される磁場、ベクトルMは磁化（つまり単位体積あたりの磁気モーメント）で、Vは蓋の体積である。蓋は、L×w×tで表される（長さ）×（幅）×（厚さ）の次元を有する。加えられたトルクは、磁気モーメントと磁場とのなす角に依存し、かつ磁気モーメントと磁場がそろっているときにはゼロとなる。
【００４８】
マイクロ流体素子に用いられる実効的素子を得るためには、結果として蓋に作用する力はその蓋を顕著に変位させるのに十分（つまりその蓋のスティフネスを凌駕する程度）でなければならず、かつ他方で、周囲の流体によってその蓋に作用する引っ張り力を凌駕するのに十分な程度大きくなければならない。
【００４９】
磁場中、蓋は、式(2)によって与えられるトルクを受ける。そのトルクは以下である。
τ=LwtMBsinα  (3)
ここで、Mは蓋の磁化で、その蓋の長手方向に配向していると推定される。Bは印加されて誘起された磁場の大きさで、αは磁化と印加磁場とのなす角である。そのトルクは、次式で表される、その蓋のチップに作用する力Fで表されて良い。
F=τ/L=wtMBsinα  (4)
材料がタング率Eを有する場合、そのチップのたわみδは、そのチップに負荷Fが作用しているとすると、次式で与えられる。
δ=4L3F/(Ewt3)  (5)
この式はかなり小さな-つまり素子の厚さのオーダーの-たわみに対して有効である。実効的な流体作用にとって必要なたわみが大きくなる場合には、式(5)には含まれていない非線形効果を考慮する必要がある。有限要素法(FEM)-たとえばFEMパッケージ”Ansys”で実装されたような-は、力-たわみの関係を計算するのに用いられる。
【００５０】
約5μm蓋を変位させるのに必要とされる典型的な力は、E=2GPa、L=20μm、w=10μmで、t=300nmの場合には、約0.1μNである。この力を得るのに必要とされる磁場は式(4)から見積もられる。その構造は10vol%の強磁性マグネタイト粒子によって満たされているものと推定する。バルクのマグネタイトの磁化は約5×105A/mである。粒子は球状なので、実効磁化は1/3の形状因子を乗じなければならない。従って蓋の実効磁化はM=10%×(1/3)×5×105=1.65×104A/mである。式(4)に値を代入して、蓋が最適の配向-つまり磁場に対して垂直な配向-をとると仮定すると、0.1μNの力では、2Tの磁場を誘起することが必要となる。これは実際の用途にとっては非現実的に大きな値である。
【００５１】
磁場勾配、つまりは式(1)によって与えられる並進力を、超常磁性粒子と併用するときにも、同様の議論が成立する。蓋のコンプライアンスが小さいときには、その蓋のスティフネスを凌駕し、かつその蓋を顕著に変位させるのに必要な磁場勾配/電流は、受容不可能な程度に大きくなってしまう。
【００５２】
従来の構造は大抵の場合において、現実的に実現可能な（複数の）磁場（勾配）によって作用させるには堅すぎる。従ってポリマー製の蓋には、磁場及び/又は磁場勾配を減少させるために特別に変形しやすい材料又は複合構造を用いることが好ましい。
【００５３】
コンプライアンスを付与する一の方法は低弾性モジュラスの材料を用いることである。たとえばポリジメチルシロキサン(PDMS)のようなゴム状すなわちエラストマー材料、又は室温よりもはるかに低いガラス転移温度を有する他のポリマーを用いることによって、1MPa程度の低い弾性モジュラスを実現することができる。これは、マイクロシステムにおいて従来から用いられているポリマー材料の弾性モジュラスよりも3桁小さい。従来のポリマー材料の弾性モジュラスは約2GPaである。代替物としては、ポリマーゲルが用いられて良く、これらは10kPa程度の低い弾性モジュラスを有して良く、従来材料の弾性モジュラスよりも5桁小さい。このことは、式(5)によると、ある所与の力でのたわみ（つまりは材料の磁性が保存される場合には磁場）が桁で増大しうることを意味する。如何なる所与のたわみについても、必要な磁場は弾性モジュラスに比例する。
【００５４】
一の実施例によると、アクチュエータ素子はエラストマー又はポリマーゲルで作られる。典型的な材料は、PDMS、ポリウレタン、ポリアクリルアミド等である。弾性モジュラスの典型的な範囲は、1kPa（ゲル）から100MPa（エラストマー）である。磁性は、蓋に超常磁性又は強磁性粒子を加え、又はその蓋の上に構造が作製された磁性層を堆積することによって実現される。その構造の配置は表面に対して垂直であって良い。あるいはその構造の配置は、最初は一端に付着した状態で表面に垂直で、磁場によって上方へ曲げられても良い。
【００５５】
他の実施例によると、前記アクチュエータ素子は、少なくとも第1部分及び少なくとも第2部分を含む複合構造を有する。前記第1部分は、前記第2部分よりも少なくとも100倍小さな弾性モジュラスを有する。前記第1部分は前記マイクロチャネルの壁の内面に付着している。前記第1部分はエラストマー材料又はポリマーゲルで構成される。その弾性モジュラスの典型的な範囲は約1kPa（ゲル）から100MPa（エラストマー）である。磁場を印加することによって前記アクチュエータを作用することを可能にするためには、前記アクチュエータ素子には磁性が供されなければならない。これらの磁性は、蓋に超常磁性又は強磁性粒子を加え、又は、前記アクチュエータ素子の複合構造の第2部分に均一な連続磁性層若しくはパターニングされた磁性層を堆積することによって実現される。前記アクチュエータ素子の配向は、前記マイクロチャネルの壁の内面に垂直、又は該内面と同一面であって良い。前記アクチュエータ素子は、たとえば棒や梁のような如何なる形状を有して良いし、如何なる細長い形状であっても良い。
【００５６】
他の実施例によると、前記アクチュエータ素子は、たとえばエラストマー又はポリマーゲルのような低モジュラス材料を含む土台上に設けられる。
【００５７】
図1は従来技術に係るマイクロポンプ集合体を図示している。マイクロガスクロマトグラフ等に用いられ、かつそのクロマトグラフを通過するようにガスを流すマイクロポンプ集合体11が供されている。マイクロポンプ集合体11はマイクロポンプ12を有する。そのマイクロポンプ12では、微細加工されたポンプ空洞部が列をなすように配置されている。微細加工されたポンプ空洞部はマイクロバルブ14によって接続されている。共有されたポンプ用膜は、空洞を上部チャンバと下部チャンバとに分割する。いずれのポンプ用チャンバも共有されたポンプ用膜によって駆動される。その共有されたポンプ用膜はポリマー膜であって良い。ポンプ用膜の変動、及び共有されたマイクロバルブの制御は、複数の電気信号に応答して、ポンプ用ユニット対を介する流体の流れを制御するように同期する。
【００５８】
その集合体11はさらに流入管16及び流出管18を有する。よってポンプ動作は、ポンプとバルブをある特定の周期で下方へ引っ張ることによって、静電的に引き起こされる。具体的に電気信号を発生させる計画を決定することによって、一の方向又はその反対方向にガスを流すことができる。ポンプ系が駆動する周期は、そのポンプの流速を決定する。両面に電極を有することによって、静電的に駆動する膜は、穴及び空洞全体を流れる空気の抵抗による、振動の力学的限界及び減衰を容易に克服する。
【００５９】
特許文献1に係るマイクロポンプ集合体11は膜変位ポンプの一例である。膜変位ポンプでは、微細加工された膜がたわむことで、液体をポンピングするための圧力が与えられる。
【００６０】
図2a乃至2cは、本発明の実施例による複合構造を有するアクチュエータ素子30の一例を図示している。これらの図は、上方及び下方に曲がることによって外部刺激-たとえば電場又は磁場-に対して応答可能なアクチュエータ素子30を表す。そのポリマーアクチュエータ素子30は、ポリマー製の微小機械電気システム（ポリマーMEMS）31、及び該ポリマーMEMS31をマイクロ流体システムのマイクロチャネル33へ取り付ける取り付け手段32を有する。取り付け手段32は、ポリマーMEMS31の第1先端に設けられて良い。ポリマーMEMS31は梁又は棒形状を有して良い。ポリマーアクチュエータ素子30はまた、他の適当な形状を有するポリマーMEMS31を有しても良い。他の適当な形状とは細長い形状であることが好ましい。ポリマーMEMS31はアクチュエータ素子30の根プライなすを改善する2つ以上の部品を有して良い。図2a-2cに図示された例は、2つの部品28と29を有するポリマーMEMS31を示しているが、本発明は2つの部品に限定されるわけではない。マイクロチャネル33の壁36の内面35に取り付けられた第1部品28は、第2部品29よりも低い弾性モジュラスを有する。第1部品28は、エラストマー材料又はポリマーゲルを有して良い。その際の弾性モジュラスは、1kPa（ゲル）から100MPa（エラストマー）の範囲である。ポリマー材料中に磁性粒子を分散させることによって、第2部分29に磁性が付与される。これらは、たとえば直径が20nm未満の酸化鉄粒子のような超常磁性ナノ粒子、又は直径が50nm未満の大きな酸化鉄粒子のような永久磁性粒子であって良い。第2部分に磁性を付与する別法は、ポリマー層の上部又は下部に磁性層を堆積することである。その磁性層は、たとえばニッケル-鉄又はコバルト合金のような如何なる磁性材料であって良い。その磁性層は均一な連続層又はパターニングされた層のいずれであっても良い。
【００６１】
本発明の上述した態様によると、ポリマーMEMS31は、約10μmから100μmの範囲で、典型的には20μmである長さ’l’を有して良い。ポリマーMEMS31は、約2μmから30μmの範囲で、典型的には10μmである幅’w’を有して良い。ポリマーMEMS31は、約0.1μmから2μmの範囲で、典型的には0.3μmである厚さ’t’を有して良い。第1部分28の長さは、約3μmから30μmの範囲で、典型的には6μmであって良い。
【００６２】
図2cは、ポリマーアクチュエータ素子30の複合構造を表す他の実施例を図示している。ここで複合構造の第1部分28は、第2部分29が取り付けられる土台を形成する。その土台の厚さは、約1μmから5μmの範囲で、典型的には2μmであって良い。
【００６３】
図2a乃至2cでは、マイクロチャネルの壁の内面に対して垂直な配置が図示されているが、最初の配置は、マイクロチャネルの壁の内面と同一面であっても良い。
【００６４】
本発明に従って、複合構造を有し、かつマイクロチャネル33に取り付けられているアクチュエータ素子30が形成されている様子を図示している実施例が、図3a-3cに図示されている。図3a乃至3cの下部に示された図は別な視野からの図を示している。ただしこの図は正しい縮尺で図示されていない。
【００６５】
複合構造は2段階堆積プロセスによって得られる。最初図3aに図示されているように、低モジュラスポリマー材料が、マイクロチャネル33の壁36の内面35に（たとえばスピンコーティングを用いて）堆積され、かつ硬化されることで、アクチュエータ素子の複合構造の第1部分が形成される。続いて図3bに図示されているように、磁性ポリマー材料が第1部分28全体にわたって（たとえばスピンコーティングを用いて）堆積されることで、第2部分29が形成される。磁場の印加によるアクチュエータ素子30の作用を可能にするため、そのアクチュエータ素子30には磁性が供されなくてはならない。ポリマーアクチュエータ素子30に磁性を供する一の方法は、そのアクチュエータ素子30の複合構造の第2部分に連続的な磁性層を加えることである。その連続的な磁性層はアクチュエータ素子30の第2部分の上部又は下部に設けられて良い。その連続的な磁性層は、均一層として堆積される電気メッキされたパーマロイ（たとえばNi-Fe）であって良い。その連続的な磁性層は0.1μmから10μmの厚さを有して良い。磁性アクチュエータ素子30を実現する別法は、ポリマーアクチュエータ素子30に磁性粒子を加えることである。その場合ポリマーは、磁性粒子が分散した“母体”として機能する。磁性粒子は溶液中のポリマーに加えられて良いし、又は後での重合化が可能なモノマーに加えられても良い。磁性粒子はたとえば、コバルト、ニッケル、鉄、フェライトのような元素を含む、強磁性若しくはフェリ磁性粒子、又は（超）常磁性粒子であって良い。
【００６６】
このような2段階の堆積後、構造はイオンビームリソグラフィ(IBL)によってパターニングされる。それにより、図3cに図示されているようなアクチュエータ素子30を形成する所望の構造が残される。イオンビームリソグラフィ(IBL)では、イオンビームは層全体にわたって、所望の最終的なアクチュエータ構造を表す走査パターンに従って走査される。その走査領域に存在する材料は除去され、所望の構造が残る。壁(36)の内面(35)に取り付けられた状態で残される低モジュラスポリマー層は、取り付け手段32を形成する。
【００６７】
図4aから4lは、マイクロチャネル33に取り付けられた複合構造を含むアクチュエータ素子30を形成する別法を図示している。図4aから4lの下部に示された図は別な視野からの図を示している。ただしこの図は正しい縮尺で図示されていない。
【００６８】
この場合においては、マイクロシステムを処理する従来の技術が用いられている。重要な工程は図4dから4lに図示されている。図4aは、マイクロチャネル33の壁36の内面35に薄膜1を堆積する様子を図示している。この膜はITOの膜であって良い。この薄膜は、エッチングされることで、図4bに図示されているような構造が作製される。図4cに図示されているように、誘電層2が薄膜1上に堆積されて良い。図4dに図示されているように、犠牲層3が誘電層2上に堆積されて良い。犠牲層3は、金属（たとえばアルミニウム）、酸化物（たとえばSiOx）、窒化物（たとえばSixNy）、又はポリマーで構成されて良い。犠牲層3を構成する材料は、アクチュエータ素子30を構成する材料に対して選択的にエッチングされることが可能なものを選ぶべきである。犠牲層は、適当な長さにわたって誘電層2上に堆積されて良い。実施例によっては、犠牲層3は誘電層2の全体-典型的には数cmのオーダー-にわたって堆積されても良い。しかし実施例によっては、犠牲層3は、長さLにわたって堆積されても良い。長さLはアクチュエータ素子30の長さと同一であり、典型的には10から100μmであって良い。用いられる材料に依存して、犠牲層3は0.1μmから10μmの厚さを有して良い。図4eに図示されているように、犠牲層3は、リソグラフィを用いることによって、所望のパターンにエッチングされる。任意の工程として図4fに図示されているように、磁性層4が犠牲層3上に堆積されて良い。磁性層4は、NiFe若しくはCoベースの合金、又は他の磁性材料であって良い。続いて図4gに図示されているように、複合材料の第2部分29を形成するポリマーが、スピンコーティングによって磁性層4上に堆積される。ポリマー層は、磁性粒子が分散した材料（たとえばポリイミド、ポリアクリルアミド等）で構成されて良い。図4hに図示されているように、ポリマー層29は、従来のリソグラフィ（これは、そのポリマー材料が感光性である場合には一工程のプロセスである）を用いてパターニングされ、かつ硬化される。続いて複合構造の第1部分を形成する低モジュラスポリマー層すなわち変形しやすいポリマー層は、図4iに図示されているようにスピンコーティングによって堆積され、かつ図4jに図示されているように従来のリソグラフィを用いることによって所望の構造にパターニングされる。続いて磁性層4が存在する場合には、図4kに図示されているように、その磁性層4の覆われていない領域がエッチングされる。最後の工程は、図4lに図示されているように、アクチュエータ構造の下地から犠牲層3をエッチングによって除去する工程からなる。よってポリマー層28は長さLにわたって壁36の内面35から開放されて、この部分は複合構造を有するポリマーMEMS31を形成する。壁36の内面35に取り付けられたままの低モジュラスポリマー層28の一部は、マイクロチャネル33、より具体的にはマイクロチャネル33の壁36の内面35、にポリマーMEMSを取り付ける取り付け手段32を形成する。低モジュラスポリマー層28の組成及び処理条件に依存して、低モジュラスポリマー層28はまっすぐであるか、又は図4lに図示されているように内部応力分布に起因して曲がっている。
【００６９】
本発明に従ってアクチュエータ素子30を形成する別法は、ポリマー材料を堆積する前に、壁36の内面35の表面エネルギーがパターンを形成するように制御することであって良い。その場合、アクチュエータ素子30が取り付けられるマイクロチャネル33の壁36の内面35は、複数の領域がそれぞれ異なる表面エネルギーを有するようにパターニングされる。これは、たとえばリソグラフィ又はプリントのような適当な手法によって実行されて良い。アクチュエータ素子30を構築する材料層は、当業者にとって既知である適当な手法によって堆積され、かつ構造が作製される。その層は、壁36の内面35の一部の領域に強く取り付けられ、かつ壁36の内面35の別な一部の領域に弱く取り付けられる。そ
の強く取り付けられた領域は強結合領域と呼ばれ、その弱く取り付けられた領域は弱結合領域と呼ばれる。よって弱結合領域では層を自然に開放することが可能である一方で、その層は強結合領域では固定されたままである。よって強結合領域は取り付け手段32を形成することができる。そのようにして自己形成の支持体なしで存在するアクチュエータ素子30を得ることが可能となる。
【００７０】
好適には、ポリマーMEMS31を構成するポリマーは生体親和性ポリマーであるべきである。それによりそのポリマーとマイクロチャネル33中での流体（の成分）との相互作用は最小となる。あるいはその代わりにアクチュエータ素子30は、非選択的吸着特性及び濡れ性を制御するように改質されて良い。また「液晶ポリマーネットワーク材料」という語は、本発明に従って用いられて良いことに留意して欲しい。
【００７１】
非作用状態-つまりアクチュエータ素子30に外部刺激が印加されていないとき-では、特定の例において梁の形態を有して良いポリマーMEMS31は、まっすぐであるか、又は曲がっている。外部刺激-たとえば電場（電流）、若しくは電磁放射線（光）、若しくは磁場、又はポリマーアクチュエータ素子30に印加される他の適切な手段-は、ポリマーアクチュエータ素子30を、曲げたり、まっすぐにしたり、又は回転させる。換言すれば、外部刺激は、ポリマーアクチュエータ素子30を運動状態にする。アクチュエータ素子30の形状変化は、周囲の流体-これはマイクロ流体システムのマイクロチャネル33内に存在する-を運動状態にする。
【００７２】
図5は、本発明によるアクチュエータ素子が供されたマイクロチャネル33に係る実施例を図示している。この実施例では、マイクロ流体システムの設計の一例が図示されている（刺激を印加する手段を除く）。マイクロチャネル33の断面が概略的に図示されている。本発明のこの実施例によると、マイクロチャネル33の壁36の内面35は、複数のまっすぐなポリマーアクチュエータ素子30によって覆われて良い。図の簡明にするため、アクチュエータ素子30のポリマーMEMS部分31のみが図示されている。アクチュエータ素子の複合構造は図中には図示されていない。ポリマーMEMS31は、アクチュエータ素子30に印加された外部刺激が作用している状態で、前後に変動して良い。この外部刺激は、電場、電磁放射線、磁場、又は他の適当な手段であって良い。アクチュエータ素子30はポリマーMEMS31を有して良い。そのポリマーMEMS31は、たとえば棒又は梁形状を有して良い。そのポリマーMEMS31の幅は、図面の面を飛び出す方向に延在している。
【００７３】
本発明の実施例では、マイクロチャネル33の壁36の内面35上のアクチュエータ素子30は、1列以上の列に配置されて良い。一例として、アクチュエータ素子30は、2列を構成するように配置されて良い。つまり壁36の内面35上の第1位置には第1列のアクチュエータ素子30が存在し、かつ壁36の内面35上の第2位置には第2列のアクチュエータ素子30が存在する。第1位置と第2位置とは、互いに実質的に対向する。本発明の他の実施例では、アクチュエータ素子30は、2次元アレイを形成するように複数の列に配置されても良い。さらに他の実施例では、アクチュエータ素子30は、マイクロチャネル33の壁36の内面35上に無作為に設けられても良い。
【００７４】
ある特定方向-たとえば図5では左から右-への流体の輸送を可能にするため、アクチュエータ素子30の変動は非対称的でなければならない。ポンプ用素子については、ポリマーアクチュエータ素子の運動は継時性のアクチュエータ手段によって供される。これは、アクチュエータ素子30を個別的又は列ごとに指定する手段を供することによって実現されて良い。静電作用の場合では、これは、マイクロチャネル33の壁36の一部であるパターニングされた電極構造によって実現されて良い。パターニングされた電極構造は、構造が作製された膜を有して良い。その構造が作製された膜は、金属又は他の適当な導体膜であって良い。膜の構造を作製することは、リソグラフィによって実現されて良い。パターニングされた構造は個別的に指定されて良い。同じことは磁気的に作用する構造についても適用されうる。チャネル壁構造の一部であるパターニングされた導体膜は、局所磁場の発生を可能にする。それによりアクチュエータ素子30を個別的又は列ごとに指定することができる。
【００７５】
上述の全ての場合において、アクチュエータ素子30を個別的に刺激することもかのであるし、又は列ごとに刺激することも可能である。その理由は、マイクロチャネル33の壁36は、構造が作製されたパターン-このパターンによって刺激は生じる-を有するからである。時間的に適切な指定を行うことによって、たとえば波状のような協調した刺激を起こすことも可能である。非協調的、すなわち無作為のアクチュエータ手段、シンプレクティック継時アクチュエータ手段、及びアンチプレティック継時アクチュエータ手段も、本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７６】
図5に図示された例では、全てのアクチュエータ素子30-これらはそれぞれ異なる列上に存在する-は同時に変動する。ポリマーアクチュエータ30の機能は、アクチュエータ素子の個別的な指定、又はアクチュエータ素子30の列ごとの指定によって改善されて良い。それによってアクチュエータ素子30の運動の位相は一致しなくなる。電気的に刺激されるアクチュエータ素子30では、これは、マイクロチャネル33の壁36に一体化することの可能なパターニングされた電極（図には示されていない）を用いることによって実行されて良い。よってアクチュエータ素子30の運動は、図6に図示された波の運動と同様に、マイクロチャネル33の壁36の内面35を通り抜ける波として現れる。運動を供する手段は、実効的に収縮運動が生じる方向と同一の方向（「シンプレクティック継時性」）、又はその方向とは反対の方向（「アンチプレクティック継時性」）に進行することのできる波の運動を発生させることができる。
【００７７】
マイクロ流体システムのマイクロチャネル33での局所的混合を行うため、アクチュエータ素子30の運動は意図的に相関しないようにすることができる。つまり、局所的なカオス的混合を生じさせるように、特定の方法で、あるアクチュエータ素子30が一の方向に変動がる一方で、別なアクチュエータ素子30は一の方向とは反対の方向に変動するようにして良い。渦が、マイクロチャネル33の壁36の反対位置でのアクチュエータ素子30の反対方向の運動によって発生して良い。
【００７８】
本発明によるアクチュエータ素子30が供されたマイクロ流体チャネル33に係る他の実施例が図6に図示されている。この実施例では、マイクロチャネル33の壁36の内面35は、曲がった形状からまっすぐな形状への変化が可能なアクチュエータ素子30によって覆われて良い。この形状変化は様々な方法によって実現されて良い。たとえばアクチュエータ素子30の形状変化は、アクチュエータ素子30の微細構造を制御し、アクチュエータ素子30の厚さ全体にわたる実効的な材料のスティフネスに勾配を導入することによって実現されて良い。ここでアクチュエータ素子の上部は下部よりもスティフネスが大きい。これは、アクチュエータ素子の複合構造によって実現されても良い。このことにより、「非対称的な曲がり」が生じる。つまりアクチュエータ素子30は、一の方向においては、他の方向よりもより容易に曲がる。アクチュエータ素子30の形状変化は、刺激の駆動-たとえば磁気的作用の場合であれば時間依存及び/又は空間依存する磁場-を制御することによっても実現されて良い。この実施例では、アクチュエータ素子30の非対称的な運動は実現されて良い。この非対称的な運動は、一の方向で速く動き、かつ他の方向でゆっくり動くことによってさらに改善することが可能である。たとえば曲がった形状からまっすぐな形状となるのは速く動き、かつまっすぐな形状から曲がった形状にはゆっくりと動くようにされても良い。あるいは係る形状変化の速さ/遅さの関係は逆であっても良い。形状を変化させるように備えられたポリマーアクチュエータ素子30は、たとえば棒形状又は梁形状のポリマーMEMS31を有して良い。本発明の実施例によると、アクチュエータ素子30は、1列以上の列に配置されて良い。たとえばマイクロチャネル33の壁36には第1列と第2列が存在し、その第1列と第2列とは、壁36の内面35上の実質的に対向する位置に設けられている。本発明の他の実施例では、アクチュエータ素子30は、2次元アレイを形成するように複数の列に配置されても良い。さらに他の実施例では、アクチュエータ素子30は、マイクロチャネル33の壁36の内面35上に無作為に設けられても良い。アクチュエータ素子30（の列）を個別的に指定することによって、流体の輸送若しくは混合、又は渦の生成において有利となりうる、波状の運動、相関した運動、又は相関しない運動が生じて良い。すべての運動はマイクロチャネル33内部で生じる。
【００７９】
本発明の他の実施例が図7に図示されている。この実施例では、マイクロチャネル33の壁36の内面35は、非対称運動を起こすアクチュエータ素子30によって覆われて良い。これは、一の側から他の側へのアクチュエータ素子30での分子秩序の変化を誘起することによって実現されて良い。換言すれば、アクチュエータ素子30の厚さ’t’にわたる材料構造の勾配が得られる。この勾配は様々な方法によって実現されて良い。液晶ポリマーネットワークの場合では、液晶分子の配向は、たとえば、とりわけ液晶(LC)ディスプレイの処理に用いられるプロセスを用いることによって制御された処理によって、層の上部から下部へ変化して良い。係る勾配を実現する別の可能な方法は、様々なスティフネスを有する各異なる材料によって、アクチュエータ素子30を構成する層を構築すなわち堆積することである。
【００８０】
非対称な運動は、一の方向に速く動かし、かつ他の方向にゆっくりと動かすことによってさらに改善されて良い。アクチュエータ素子30は、たとえば棒形状又は梁形状等の細長い形状を有するポリマーMEMS31を有して良い。本発明の実施例では、アクチュエータ素子30は壁36の内面35上で1列以上の列で配置されて良い。たとえば第1及び第2列において、1列のアクチュエータ素子30が、壁36の内面35上の2つの実質的に対向する各位置に存在する。本発明の他の実施例では、複数の列のアクチュエータ素子30は、2次元アレイを形成するように配置して良い。さらに他の実施例では、アクチュエータ素子30は、マイクロチャネル33の壁36の内面35上に無作為に配置して良い。アクチュエータ素子30（の列）を個別的に指定することによって、流体の輸送若しくは混合、又は渦の生成において有利となりうる、波状の運動、相関した運動、又は相関しない運動が生じて良い。
【００８１】
図5から図7では、本発明の実施例によるマイクロ流体システムの可能な設計例を3つ図示されている。これらの図は、マイクロチャネル33の壁36の内面35上に一体化されたアクチュエータ素子30を用いて、マイクロチャネル33内で流体を操作する実施例を図示している。
【００８２】
本発明による方法の利点は、流体の操作を行う手段がマイクロ流体システム内に完全に一体化されていることである。これにより、外部のポンプ又はマイクロポンプを必要とせずに、マイクロ流体用途に必要である大きな形状変化が可能となる。従って本発明は小型のマイクロ流体システムを供する。他の-恐らくさらにより重要な-利点は、全てのアクチュエータ素子30を同時に指定することによって、又は一回につき1つの所定のアクチュエータ素子30だけを指定することによって、流体が、マイクロチャネル33内で局所的に制御可能となることである。従って流体は、必要かつ所定の位置で適切に、輸送され、再循環され、混合され、又は分離可能となる。本発明のさらに他の利点は、アクチュエータ素子30にポリマーを用いることで、たとえばプリント、又はエンボス加工、又は単一工程のリソグラフィといった安価な処理手法が可能となることである。
【００８３】
さらに本発明によるマイクロ流体システムは頑丈である。1つ又は数個のアクチュエータ素子30が適切に機能しなくなった場合でも、マイクロ流体システム全体の性能は大きく劣化しない。
【００８４】
本発明によるマイクロ流体システムは、バイオセンサ、高速DNA分離及びサイズ確認、細胞操作及び分類といったバイオテクノロジー用途に用いられて良い。製薬用途においては、マイクロ流体システムは、局所的な混合が重要である高処理能力のコンビナトリアル検査に用いられて良い。電気又はエレクトロニクス用途においては、マイクロ流体システムは、マイクロチャネル冷却システムに用いられて良い。
【００８５】
本発明のマイクロ流体システムは、たとえば唾液、痰、血液、血漿、間質液、又は尿等のような体液中に存在する、たとえばタンパク質、抗体、核酸（たとえばDNA、RNA）、ペプチド、オリゴ糖、多糖類、砂糖等の少なくとも1つの標的分子の検出を行うバイオセンサに用いられて良い。従って少量の試料流体（たとえば液滴）が素子に供給される。マイクロチャネルシステム内で流体を操作することによって、その流体は、実際の検出が行われる感受性位置に移される。本発明によるマイクロ流体システムにおいて様々なセンサを用いることによって、様々な種類の標的分子を1回の検出動作で検出することが可能である。
【００８６】
磁気アクチュエータ素子30に磁場を印加した結果、そのアクチュエータ素子30に並進力と回転力を生じさせることができる。回転力-つまり磁気アクチュエータ素子30へのトルク-は、そのアクチュエータ素子30の、変動-つまり回転-及び/又は形状変化を引き起こす。外部磁場発生手段によって磁気アクチュエータ素子30に印加された静的で均一な磁場の場合について、この様子は図8に図示されている。この磁場発生手段は、電磁石、マイクロ流体システムに隣接する永久磁石、又は、マイクロ流体システム内に一体化されている導線のような内部磁場発生手段であって良い。
【００８７】
図8に図示された状況では、磁気モーメントMと磁場Hとのなす角が小さくなるにつれて、完全に直立した状態へ接近する速度が遅くなる。これは、アクチュエータ素子30の変動中に磁場を回転させることによって解決することができる。
【００８８】
図9において概略的に図示されているように、回転永久磁石40によって印加される回転場は、個々のアクチュエータ素子30の回転運動、及び磁気アクチュエータ素子30のアレイ（又は波動）の協調回転運動を生じさせることができる。永久磁気モーメントを有する磁気アクチュエータ素子30の場合、表面へ向かう方向に働くアクチュエータ素子の力による回復ストロークが生じる。よってそのアクチュエータ素子30は、マイクロチャネル33中の流体を遮るのではなく表面を滑る。
【００８９】
マイクロチャネル33の壁36の内面上に位置するアクチュエータ素子30の運動によってそのマイクロチャネル33を流れる流体の輸送を可能にするため、ある特定の力及び/又は磁気モーメントが、マイクロチャネル33内の周囲の流体に印加される必要がある。上述のようにマイクロ流体システムの外部に設けることのできる永久磁石又は電磁石のような外部磁場発生手段を用いる代わりに、他の可能性として考えられる方法は、マイクロ流体システム内での一体化が可能な導線41を用いることである。これは図10に図示されている。導線41は約1〜100μm2の断面積を有する銅線であって良い。導線41を流れる電流によって発生する磁場は1/rで減少する。ここでrは、導線41からアクチュエータ素子30上のある位置までの距離である。たとえば図10においては、アクチュエータ素子30の位置Aでの磁場は、アクチュエータ素子30の位置Bでの磁場よりも大きい。同様に、アクチュエータ素子30の位置Bでの磁場は、アクチュエータ素子30の位置Cでの磁場よりも大きい。従ってポリマーアクチュエータ素子30は、その長さLに沿った磁場勾配を受ける。これにより、磁気アクチュエータ素子30が回転運動を起こす際に、その上部では「曲げ」運動が起こる。よって、均一な「遠方から働く磁場」-つまりアクチュエータ素子30全体にわたって一定の外部で発生した磁場-と導線41とを組み合わせることによって、アクチュエータ素子30の複雑な形状変化を可能にする時間依存磁場を生成することが可能となる。「遠方から働く磁場」はであって回転磁場であっても非回転磁場の何れであっても良い。これは、特に流体制御において最適化された効率と有効性が得られるように、アクチュエータ素子30の変化する形状を調節するのに非常に便利となりうる。単純な例は、アクチュエータ素子30の変化する形状が調節されることで、調節可能な非対称運動-つまりアクチュエータ素子30の「収縮ストローク」と「回復ストローク」とが異なる-が可能となる。
【００９０】
アクチュエータ素子30の運動は、マイクロ流体システム内に設けられた1つ以上の磁気センサによって測定されて良い。これにより、マイクロチャネル33内での流体の速度及び/又は粘性のような流れの特性を決定することが可能となる。さらに流体中での細胞の含有物（ヘマクリット値）又は流体の凝固特性といった他の詳細は、様々な作用手段を用いることによって測定されて良い。
【００９１】
上記実施例の利点は、磁気作用の利用は、たとえば唾液、痰、又は全血といった非常に複雑な体液に対して可能なことである。さらに磁気作用はコンタクトを必要としない。換言すれば、磁気作用は非接触で実行することができる。外部磁場発生手段が用いられるとき、アクチュエータ素子30はマイクロ流体カートリッジ内部に存在する一方で、外部磁場発生手段はマイクロ流体カートリッジ外部に設けられる。
【００９２】
本発明による素子について、本明細書では、好適実施例、特定の構成及び設定、並びに材料について論じられているが、形式及び詳細においては様々な変化型又は修正型が、本発明の技術的範囲及び技術思想の範囲内で可能であることに留意して欲しい。たとえばアクチュエータ素子30の形状及び/又は配向が変化することで、マイクロ流体システムのマイクロチャネル33内に存在する液体に係る駆動を分配することができる。これはポンプとして用いられるように修正されても良い。外部刺激の手段によってアクチュエータ素子30を順次指定することによって、マイクロチャネル33内での一の方向に液体を駆動させる波紋を生じさせることができる。外部刺激は電場発生手段であって良い。その場合、1つ以上の電極-たとえば導電性ポリピロール電極-が、アクチュエータ素子30に組み込まれて良い。アクチュエータ素子30内の1つ以上の電極を順次指定することによって、そのアクチュエータ素子30は、その形状及び/又は配向を順次変化させることができる。これにより波紋を生じさせることができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ】
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【図４ｈ】
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【図４ｉ】
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【図４ｊ】
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【図４ｋ】
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【図４ｌ】
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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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【国際調査報告】
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