(57)【要約】  プラスティック製のマイクロ流体構造体は、実質的に硬いダイアフラムを有し、このダイアフラムは、基板の表面に対抗して載置された弛緩状態と、基板の表面から離れるように移動した作動状態との間で作動する。明細書の記載から明らかなように、ダイアフラムとともに形成されたマイクロ流体構造体は、簡便に製造され、バルブやポンプなどの構成部品として容易に作製することができる。
2009510337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体デバイスであって、
上側表面および下側表面を有する第１の硬いプラスティック基板と、
第１の基板の上側表面に当接し、これに接合された実質的に硬いプラスティックメンブレンとを有し、
プラスティックメンブレンは、第１の基板の上側表面に実質的に対抗して配置された弛緩状態と、第１の基板の上側表面から離れるように移動した作動状態とを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、
第１の硬いプラスティック基板は、その内部に形成されたマイクロ部品を有し、
実質的に硬いプラスティックメンブレンは、少なくとも１つのマイクロ部品の上方に配置されていることを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項２に記載のデバイスであって、
実質的に硬いプラスティックメンブレンは、約２ＧＰａ〜約４ＧＰａのヤング率を有することを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項２に記載のデバイスであって、
メンブレンは、適正な機械的な力を加えたときに変形できるように選択された厚みを有することを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項４に記載のデバイスであって、
メンブレンは、約１０μｍ〜約１５０μｍの間の厚みを有することを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項４に記載のデバイスであって、
メンブレンは、約１５μｍ〜約７５μｍの間の厚みを有することを特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項４に記載のデバイスであって、
機械的な力は、メンブレンを基板に向かって変形させる正の圧力によって加えられ、約５０ｐｓｉ未満であることを特徴とするデバイス。
【請求項８】
請求項４に記載のデバイスであって、
機械的な力は、メンブレンを基板から遠ざかる方向に変形させる負の圧力によって加えられ、その大きさが約１４ｐｓｉ未満であることを特徴とするデバイス。
【請求項９】
請求項４に記載のデバイスであって、
機械的な力は、メンブレンを基板に向かって変形させる正の圧力によって加えられ、約３ｐｓｉ〜約２５ｐｓｉの範囲にあることを特徴とするデバイス。
【請求項１０】
請求項４に記載のデバイスであって、
機械的な力は、メンブレンを基板から遠ざかる方向に変形させる負の圧力であり、その大きさが約３ｐｓｉ〜約１４ｐｓｉの範囲にあることを特徴とするデバイス。
【請求項１１】
請求項１に記載のデバイスであって、
メンブレンおよび第１の基板は、実質的に同一の材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項１２】
請求項１に記載のデバイスであって、
メンブレンおよび第１の基板の少なくとも一方は、熱可塑性材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項１３】
請求項１に記載のデバイスであって、
メンブレンおよび第１の基板の少なくとも一方は、リニアポリマ材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項１４】
請求項１に記載のデバイスであって、
メンブレンおよび第１の基板の少なくとも一方は、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂のうちの１つからなることを特徴とするデバイス。
【請求項１５】
請求項２に記載のデバイスであって、
実質的に硬いプラスティックメンブレンは、第１の基板に固着されない非接合領域を有することを特徴とするデバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載のデバイスであって、
非接合領域は、第１のチャンネル、および第１のチャンネルとは分離された第２のチャンネルの少なくとも一部の上方に配置され、
第１および第２のチャンネルが第１の基板内に配設され、
メンブレンは、弛緩状態において第１および第２のチャンネルの間のシールを形成することを特徴とするデバイス。
【請求項１７】
請求項１６に記載のデバイスであって、
メンブレンの非接合領域は、第１の基板内に形成され、第１および第２のチャンネルから分離され、そして実質的に第１および第２のチャンネルの間に形成されたバルブシートの少なくとも一部の上方に配置されたことを特徴とするデバイス。
【請求項１８】
請求項１７に記載のデバイスであって、
バルブシートは、第１および第２のチャンネルの長手方向軸に実質的に垂直なリッジを有することを特徴とするデバイス。
【請求項１９】
請求項１５に記載のデバイスであって、
メンブレンの非接合領域は、第１のチャンネル、および第１のチャンネルとは分離された第２のチャンネルの少なくとも一部の上方に配置され、
第１および第２のチャンネルが第１の基板内に配設され、
非接合領域は、作動状態において第１の基板の上側表面から離れて、第１および第２のチャンネルの間に流れる流体フローに適したキャビティを形成することを特徴とするデバイス。
【請求項２０】
請求項１５に記載のデバイスであって、
第１の基板は、第１の基板の上側表面から下側表面まで延びるスルーホールを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２１】
請求項１５に記載のデバイスであって、
メンブレンの非接合領域は、実質的に円形であることを特徴とするデバイス。
【請求項２２】
請求項１５に記載のデバイスであって、
メンブレンの非接合領域は、実質的に楕円形であることを特徴とするデバイス。
【請求項２３】
請求項１５に記載のデバイスであって、
メンブレンの非接合領域は、角部が湾曲した実質的な長方形であることを特徴とするデバイス。
【請求項２４】
請求項１５に記載のデバイスであって、
メンブレンの上側表面に当接し、これに接合された第２の硬いプラスティック基板をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項２５】
請求項２４に記載のデバイスであって、
第１および第２の基板ならびにメンブレンは、実質的に同一の材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項２６】
請求項２４に記載のデバイスであって、
第２の基板は、メンブレンの非接合領域の実質的に上方に配置されたチャンバを有し、
チャンバは、メンブレンの非接合領域が第１の基板の上側表面から遠ざかる方向に移動でき、実質的にチャンバ内に包囲されるような寸法を有することを特徴とするデバイス。
【請求項２７】
請求項１５に記載のデバイスであって、
複数の分離された非接合領域を有するポンプをさらに備え、
各ポンプは、独立して作動可能なバルブ構造体を形成し、マイクロチャンネルを介して直列に接続されることを特徴とするデバイス。
【請求項２８】
請求項２７に記載のデバイスであって、
マイクロチャンネルは、流体フローに対して異なる抵抗力を有することを特徴とするデバイス。
【請求項２９】
請求項２７に記載のデバイスであって、
メンブレンが作動状態にあるとき、メンブレンを構造的に支持するような寸法および形状を有して、メンブレンの上方に配置された支持構造体をさらに備えたことを特徴とするデバイス。
【請求項３０】
請求項２７に記載のデバイスであって、
メンブレンが第１の基板から所定距離を超えて移動することを防止するような寸法および形状を有して、メンブレンの上方に配置された係止部をさらに備えたことを特徴とするデバイス。
【請求項３１】
請求項２７に記載のデバイスであって、
共有バルブ構造体を有する複数のポンプを有することを特徴とするデバイス。
【請求項３２】
請求項３１に記載のデバイスであって、
共有バルブ構造体は、３つまたはそれ以上のマイクロチャンネル上に配設されたメンブレンを有し、共有バルブ構造体に連結された複数の流体ポートを形成することを特徴とするデバイス。
【請求項３３】
請求項２７に記載のデバイスであって、
流体材料、気体材料、流体材料に実質的に溶解した固体材料、スラリ材料、乳濁液材料、懸濁した粒子を含む流体材料のうちの１つまたはそれ以上を貯蔵できる貯蔵部をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項３４】
請求項３３に記載のデバイスであって、
貯蔵部は、実質的に垂直方向に配置され、所定の垂直レベルまたはその付近における液体を貯蔵部から抽出するための液体抽出手段に連結可能であることを特徴とするデバイス。
【請求項３５】
請求項３３に記載のデバイスであって、
貯蔵部は、実質的に垂直方向に配置され、流体材料および粒子を含み、
粒子が貯蔵部の上部または底部で停滞しないように、ポンプが流体をデバイス内で循環させるために貯蔵部と連結されることを特徴とするデバイス。
【請求項３６】
請求項２７に記載のデバイスであって、
貯蔵部は、独立して作動可能な第１および第２のバルブ構造体の間に連結されることを特徴とするデバイス。
【請求項３７】
請求項３３に記載のデバイスであって、
ポンプ機構を介して内部接続された複数の貯蔵部をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項３８】
請求項３７に記載のデバイスであって、
ポンプ機構は、複数の貯蔵部から流体を送出する共有バルブ構造体を有することを特徴とするデバイス。
【請求項３９】
請求項２７に記載のデバイスであって、
少なくとも１つのマイクロ構造物は、一方向のフローに適した幾何学的形状を有するチャンネルを含むことを特徴とするデバイス。
【請求項４０】
請求項１５に記載のデバイスであって、
ポンプは、外部作用により作動可能なダイアフラムを形成する１つの非接合領域を有し、ポンプから流れる流体により作動可能な受動バルブ構造体を形成する２つの非接合領域にマイクロチャンネルを介して接続されることを特徴とするデバイス。
【請求項４１】
請求項１５に記載のデバイスであって、
複数の分離された非接合領域を有するポンプをさらに有し、
各非接合領域は独立して作動可能なダイアフラム構造体を形成し、
各ダイアフラム構造体は、少なくとも１つの他のダイアフラム構造体と部分的に重なり合うことを特徴とするデバイス。
【請求項４２】
マイクロ流体デバイスであって、
上側表面および下側表面を含み、マイクロ構造物を内部に有する第１のポリスチレン基板と、
第１の基板の上側表面に溶剤接合されたポリスチレンメンブレンとを備え、
ポリスチレンメンブレンは、第１の基板の上側表面に実質的に対抗して配置された弛緩状態と、第１の基板の上側表面から離れるように移動した作動状態とを有することを特徴とするデバイス。
【請求項４３】
請求項４２に記載のデバイスであって、
溶剤接合は、室温で大気圧の下では、ほとんど、あるいは実質的に全く接合作用を有しないが、適当な温度および圧力下では２つの係合表面間に接合界面を形成することができる溶剤を用いて実施されることを特徴とするデバイス。
【請求項４４】
マイクロ流体システムであって、
流体材料、気体材料、流体材料に実質的に溶解した固体材料、スラリ材料、乳濁液材料、懸濁した粒子を含む流体材料のうちの少なくとも１つを貯蔵できる貯蔵部と、
貯蔵部に連結された貯蔵ポンプチャンバであって、少なくとも２つの他のポンプチャンバに接続されたものと、
貯蔵ポンプチャンバおよび２つの他のポンプチャンバを順次作動させることができるコントローラとを備え、
材料が貯蔵ポンプチャンバ内に引き込まれた後、２つの他のポンプチャンバのそれぞれに部分的に引き込まれ、２つの他のポンプチャンバの一方に引き込まれた一部の材料が貯蔵ポンプチャンバに連続的に戻され得ることを特徴とするシステム。
【請求項４５】
請求項４２に記載のシステムであって、
材料は生物学的材料を含むことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、マイクロ流体工学の分野に関する。とりわけ本発明の実施形態は、マイクロ流体ダイアフラム構造体ならびにこうした構造体の使用方法および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的流体や化学的流体などの微量の流体を操作するためのシステムおよび方法に関する技術がマイクロ流体工学として広く認知されている。マイクロ流体工学の具現化された応用例および潜在的な応用例として、臨床的診断、生命科学研究、および生物学的および／または化学的センサの開発が含まれる。
【０００３】
マイクロ流体構造体は、１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルまたはマイクロ流体経路を有する基板と、カバープレートあるいは複数の流体経路（互いに内部接続され、あるいは内部接続されない）を有する第２の基板とを有するものであるが、一般に、マイクロ流体チップと呼ばれることがある。高度に統合化（集積化）されたマイクロ流体チップは、しばしばラボ・オン・チップと呼ばれることがある。ガラス、水晶またはシリコンなどからなる基板を有する無機質のマイクロ流体チップは、有機溶剤との有用な親和性、高い温度形状安定性、および優れた寸法精度を有する。こうしたチップは、通常、半導体産業で培われてきた十分に確立されたマイクロ製造技術を用いて製造される。しかし、とりわけ流体経路が実質的な面積を必要とする場合、あるいはチップを廃棄処分可能なものとして構成される場合、無機質のチップの構成材料および製造コストは、法外に高価なものとなってしまう。一方、ポリマ基板の表面特性を利用して、数多くの生物学的分析手法が開発されてきた。これらの分析手法を無機質基板の表面上で再開発するために必要な研究努力は、実質的な時間と研究投資を必要とすることになるであろう。
【０００４】
上記説明した無機質材料からなるマイクロ流体構造体を用いる代わりに、マイクロ流体構造体またはマイクロ流体デバイスをポリマ材料で作製することができる。ポリマ製のマイクロ流体構造体は、好適にも、材料が安価で、大量生産に適したものである可能性を有する。
【０００５】
したがって、科学者および技術者は、安価な統合型マイクロ流体システムに対する期待を実現するように日々努力を重ねている。しかしながら、残された課題がいくつかある。こうしたシステムを有用で有益なものとするためには、アッセイおよび他の懸案の処理を行う上で必要な構成部品および構造体を提供する必要がある。こうした構成部品として、ポンプ、バルブ、およびチャンネルを含め、撹拌デバイスやセンサなどのより複雑な構造体がある。マイクロ流体デバイスを製造するために用いられる材料は、より安価になってきているが、これらの構成部品の製造コストが同様に低廉化するまでは、こうしたデバイスの実際のコストは、大量に使用するため、十分に安価になっていない。
【０００６】
しかし、ポリマ製のマイクロ流体チップの製造に際して、さまざまな問題点があり、こうした問題点に起因して、歩留まりが低く、コストが高くなっている。例えば、マイクロ流体チップは、封止されたマイクロ構造体を有する場合がある。封止されたマイクロ構造体は、事前に作製された流体経路または他のマイクロ部品を有する基板を、薄いカバープレートまたは１つまたはそれ以上の追加的な基板で包囲して、３次元の流体ネットワークを形成することにより作製することができる。経路または他のマイクロ構造体は、通常、ミクロンないしミリメータの範囲の寸法を有する。この複数階層の構造体は、さまざまな従来技術を用いて、一体に統合または接合される。こうした技術として、熱接合、超音波接合、および溶剤接合が含まれる。残念ながら、こうした技術によれば、例えば、上述の接合条件下でのポリマ材料の寸法剛性が小さいことに起因して、接着表面を実質的に変質させ、マイクロ流体経路を変形または完全に閉塞させることがしばしばある。デバイスがアセンブリされた後に、チャンネル内に閉塞物があると、元に戻すことは不可能である。その結果、デバイスは破棄され、生産歩留まりは低下する。
【０００７】
デバイスの破棄がやむを得ない場合であっても、各デバイスはそれぞれの用途に応じて独立して設計する必要があるので、製造プロセスが高価となることはしばしばある。さらに、バルブ、ポンプ、または撹拌器によらず、各構成部品は、通常、それぞれの用途に応じて特別に設計される。これらの能動部品を設計することを回避するために、数多くのマイクロ流体システムは、外付けのシリンジ、ダイアフラムまたは蠕動ポンプを用いて、マイクロ流体ネットワーク内の流体フローを誘導する。こうした装置は、接続されるマイクロ流体システムよりはるかに大容量となる傾向があり、フロー制御の機能および精度に問題が生じる。バルブの場合、バルブは、システムが制御する排出量に対して極めて大きい（１０倍以上）の容量を有する。そのため、分離、撹拌、他の流体に対する作用において大きな問題が生じる。ワシントン州、オークハーバーにあるアップチャーチ・サイエンティフィック社（Upchurch Scientific）などの会社は、不安定な容量による影響を緩和するための部品の開発に実質的なリソースを傾注してきた。したがって、マイクロポンプや、バルブ、サイズ容量を小分けし、マイクロ流体システムの残余の部品と一体に継ぎ目なく統合化された能動部品が要請されている。
【０００８】
これらの数多くの能動マイクロ流体部品が開発されてきた。しかし、複合的なマイクロ流体システムに統合するために必要な基準を満足させるものはほとんどない。ほとんどのものは、極めて複雑に製造方法を必要とし、すなわち能動部品の製造ステップは、極めて繊細で煩雑なプロセスであるので、マイクロ流体システムの他の構成部品に統合する上で、極めて数少ない可能性（window）が残されている。１つの可能性としては、マイクロ流体システムに接続または統合するための有効な手法を有さない高精度のポンプまたはバルブを用いることである。基板およびプロセスは、しばしば処分可能なデバイスのためには法外に高価である。最終的には、ポンプを構成するために必要な材料は、マイクロ流体システムで実施されることが意図されたプロセスに支障を来すか、あるいは互換性のないものである。これにより、製品開発に対する回収不能な技術コストを積み上げることになり、製品コストを上昇させる。
【０００９】
上述のように、ポリマ製のマイクロ構造体を包囲し、とりわけバルブおよびポンプ装置などのマイクロ構造体の構成部品を簡便な製造統合手法で作製するための、単純で、再現可能で、生産収量の高い手法が必要であることを、本発明者は認識した。すなわち、マイクロ流体構造体およびその製造方法に関連する技術分野において、現行の技術水準が有する既知の課題に対処するとともに、当業者に対してさらなる恩恵および利点を与えることが要請されている。
【特許文献１】米国特許第１，３２９，５５９号
【発明の開示】
【００１０】
本発明に係るシステムおよび方法は、マイクロ流体デバイスを有し、このデバイスは、実質的に硬いダイアフラムを有し、第１の基板の上側表面に実質的に対抗して配置された弛緩状態と、第１の基板の上側表面から離れるように移動した作動状態との間で作動することができる。以下の説明から明らかであるように、ダイアフラムとともに形成されるマイクロ流体構造体は、製造しやすく頑健なシステムであり、バルブやポンプなどの構成部品を容易に作製することができる。
【００１１】
ポリマ製のマイクロ構造体の特定の実施形態において、実質的に硬いプラスティックメンブレンが、接合試薬として機能する弱有機溶剤を用いて、本質的に平坦で硬いプラスティック基板に、固定的に接合され、あるいはラミネートされる（貼り合わされる）。特定の態様において、基板はマイクロ部品を有し、デバイスは、変形可能なメンブレンと本質的に平坦な基板の表面の間の接合領域の周囲に形成された非接合領域を有し、バルブ構造体を形成する。いくつかの実施形態では、第２の基板は、メンブレンの上側表面に接合され、メンブレンに空気圧を加えるために用いられるチャンバを有する。本発明に係る使用方法によれば、チャンバを介して空気圧または力を加えてメンブレンを変形させて、バルブを作動させる。いくつかの実施形態では、ポンプは、マイクロチャンネルを介して内部接続された複数のバルブ構造体を有する。バルブ、ポンプ、およびマイクロ流体貯蔵部は、マイクロチャンネルを介して内部接続して、マイクロ流体処理およびマイクロ流体分析に関する機能を有するサーキュレータ、撹拌器、または他の構造体を形成することができる。
【００１２】
とりわけ本発明に係るシステムおよび方法は、上側表面および下側表面を有する第１の硬いプラスティック基板と、第１の基板の上側表面に当接し、これに接合された実質的に硬いプラスティックメンブレンとを有し、プラスティックメンブレンは、第１の基板の上側表面に実質的に対抗して配置された弛緩状態と、第１の基板の上側表面から離れるように移動した作動状態とを有する。第１の硬いプラスティック基板は、その内部に形成されたマイクロ部品を有し、実質的に硬いプラスティックメンブレンは、しばしば少なくとも１つのマイクロ構造物の上方に配置されている。実質的に硬いプラスティックメンブレンは、約２ＧＰａ〜約４ＧＰａのヤング率を有し、適正な機械的な力を加えたときに変形できるように選択された厚みまたは幅を有する。メンブレンは、約１０μｍ〜約１５０μｍの間の厚みを有していてもよく、とりわけ約１５μｍ〜約７５μｍの間の厚みを有していてもよい。
【００１３】
メンブレンが呼応する機械的な力は、メンブレンを基板に向かって変形させるために加えられる正の圧力であって、約５０ｐｓｉ未満であってもよく、約３ｐｓｉ〜約２５ｐｓｉの範囲にあってもよい。択一的および任意に追加的には、機械的な力は、メンブレンを基板から遠ざかる方向に変形させる負の圧力であって、その大きさが約１４ｐｓｉ未満であってもよいし、約３ｐｓｉ〜約１４ｐｓｉの範囲にあってもよい。
【００１４】
通常、メンブレンおよび第１の基板は、実質的に同一の材料からなり、通常、メンブレンおよび第１の基板の少なくとも一方は、熱可塑性材料またはリニアポリマ材料からなり、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂のうちの１つからなる。
【００１５】
実質的に硬いプラスティックメンブレンは、通常、第１の基板に固着されない非接合領域を有する。メンブレンの非接合領域は、しばしば、第１のチャンネル、および第１のチャンネルとは分離された第２のチャンネルの少なくとも一部の上方に配置され、第１および第２のチャンネルが第１の基板内に配設される。メンブレンは、弛緩状態においては、第１および第２のチャンネルの間のシールを形成する。任意的には、メンブレンの非接合領域は、第１の基板内に形成され、第１および第２のチャンネルから分離され、そして実質的に第１および第２のチャンネルの間に形成されたバルブシートの少なくとも一部の上方に配置されている。バルブシートは、第１および第２のチャンネルの長手方向軸に実質的に垂直なリッジを有していてもよい。さらに、メンブレンの非接合領域は、第１のチャンネル、および第１のチャンネルとは分離された第２のチャンネルの少なくとも一部の上方に配置される。第１および第２のチャンネルは、第１の基板内に配設され、非接合領域は、作動状態においては、第１の基板の上側表面から離れて、第１および第２のチャンネルの間に流れる流体フローに適したキャビティを形成する。任意的には、第１の基板の上側表面から下側表面まで延びるスルーホールを設けてもよい。非接合領域は、適当な幾何学的形状を有していてもよく、その選択される幾何学的形状は、当然に所定の用途に依存する。特定の実施形態では、非接合領域は、円形、実質的に楕円形、角部が湾曲した実質的な長方形、または用途に応じた適当な幾何学的形状であってもよい。
【００１６】
特定の実施形態では、このデバイスは、メンブレンの上側表面に当接し、これに接合された第２の硬いプラスティック基板を有し、任意的には、第１および第２の基板ならびにメンブレンは、ポリスチレン樹脂などの実質的に同一の材料からなる。第２の基板は、メンブレンの非接合領域の実質的に上方に配置されたチャンバを有し、チャンバは、メンブレンの非接合領域が第１の基板の上側表面から遠ざかる方向に移動でき、実質的にチャンバ内に包囲されるような寸法を有する。
【００１７】
このデバイスは、一対または一群の分離された非接合領域を有するポンプをさらに備え、各ポンプは、独立して作動可能なバルブ構造体を形成し、マイクロチャンネルまたは流体経路のようなものを介して直列に接続される。マイクロチャンネルは、流体フローに対して異なる抵抗力を有し、異なる大きさ、幾何学的形状、および狭窄部を有するものであってもよい。さらに任意であるが、このデバイスは、特定のフロー方向が得られるような幾何学的形状を有するチャンネルなどのマイクロ部品を有していてもよい。
【００１８】
１つの実施形態では、複数のポンプが共有バルブ構造体を有し、とりわけ複数のポンプが共有バルブ構造体を有し、この共有バルブ構造体が３つまたはそれ以上のマイクロチャンネル上に配設されたメンブレンを有し、共有バルブ構造体に連結された複数の流体ポートを形成してもよい。流体材料を貯蔵する貯蔵部が設けられ、流体材料とは液体、気体、流体材料に実質的に溶解した固体材料、スラリ材料、乳濁液材料、懸濁した粒子を含む流体材料のいずれかであってもよい。貯蔵部は、実質的に垂直方向に配置され、所定の垂直レベルまたはその付近における液体を貯蔵部から抽出するための液体抽出手段に連結することができる。同様に、貯蔵部は、実質的に垂直方向に配置され、流体材料および粒子を含むものであってもよい。ポンプは、粒子が貯蔵部の上部または底部で停滞しないように、流体をデバイス内で循環させるために貯蔵部と連結してもよい。貯蔵部は、独立して作動可能な第１および第２のバルブ構造体の間に連結してもよい。ポンプは、複数の貯蔵部から流体を送出できるように、共有バルブ構造体を有するか、あるいは共有バルブ構造体に接続してもよい。
【００１９】
さらなる実施形態において、このデバイスはポンプを有し、このポンプは、外部作用により作動可能なダイアフラムを形成する１つの非接合領域を有し、ポンプから流れる流体により作動可能な受動バルブ構造体を形成する２つの非接合領域にマイクロチャンネルを介して接続される。さらに別の実施形態では、ポンプは、複数の分離された非接合領域を有し、各非接合領域は独立して作動可能なダイアフラム構造体を形成し、各ダイアフラム構造体は、少なくとも１つの他のダイアフラム構造体と部分的に重なり合うものであってもよい。
【００２０】
任意であるが、このデバイスは係止部を有し、この係止部は、メンブレンが第１の基板から所定距離を超えて移動することを防止するような寸法および形状を有して、メンブレンの上方に配置された機械的係止部などの係止部を有するものであってもよい。
【００２１】
別の態様において、本発明に係るシステムおよび方法は、マイクロ流体デバイスとして理解され、このデバイスは、上側表面および下側表面を含み、マイクロ構造物を内部に有する第１のポリスチレン基板と、第１の基板の上側表面に溶剤接合されたポリスチレンメンブレンとを備え、ポリスチレンメンブレンは、第１の基板の上側表面に実質的に対抗して配置された弛緩状態と、第１の基板の上側表面から離れるように移動した作動状態とを有するものである。
【００２２】
このデバイスは、基板上に形成された複数のポンプを順次作動させることができるコントローラに接続してもよい。これにより、材料をデバイス内で混合（撹拌）することができる。例えば、コントローラは、貯蔵ポンプチャンバおよび２つの他のポンプチャンバを作動させ、材料が貯蔵ポンプチャンバ内に引き込まれた後、２つの他のポンプチャンバのそれぞれに部分的に引き込まれ、２つの他のポンプチャンバの一方に引き込まれた一部の材料が貯蔵ポンプチャンバに連続的に戻されるものであってもよい。材料は、任意の適当な材料を含んでいてもよく、いくつかの実施例および応用例では、酵素、蛋白質、プローブ、ＲＮＡ、ＤＮＡ、または他の生物学的材料の水溶液などの生物学的材料を含む。
【００２３】
本発明に係る実施形態の上記および他の目的、特徴、および利点が、いくつかの図面を参照する以下の好適な実施形態に関する詳細な説明から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本明細書で用いられる「マイクロ構造体」なる用語は、一般に、約０．１μｍ〜約１０００μｍの範囲にある少なくとも１次元を有する複数の壁部を含むマイクロ流体基板の上に設けられた構造的部品を意味する。これらの部品は、限定されるものではないが、マイクロチャンネル、マイクロ流体経路、マイクロ貯蔵部、またはマイクロフィルタであってもよい。「ポリマ製」なる用語は、一般に、高分子構造体またはモノマ成分より実質的に大きい分子量を有する材料であって、おそらくは重合化反応で生成されたもの（ただしその必要はない）を意味する。一般に、そして本願で「プラスティック製」材料と称するすべての材料は、ポリマ製材料を含む。「アクリル製」なる用語は、アクリライト（登録商標）、プレキシグラス（登録商標）、ＰＭＭＡ、およびポリメチルメタクリレートの他の商品名を含む材料を意味する。「リニアポリマ材料」なる用語は、一般に、分子が分岐構造体または架橋構造体を有することなく、長い側鎖を形成するポリマ材料を有する。「２次元マイクロ流体ネットワーク」なる用語は、構成部品の平面内に同時に存在する少なくとも２つのマイクロ流体経路またはマイクロ流体チャンネルのマイクロ流体的な連結性を意味する。「３次元マイクロ流体ネットワーク」なる用語は、３つのチャンネルのうちの少なくとも１つが構成部品の平面から逸脱するように配設された少なくとも３つのマイクロ流体経路またはマイクロ流体チャンネルのマイクロ流体的な連結性を意味する。本願で用いられる「弱溶剤」なる用語は、適当な温度（すなわち熱に依存）と力（すなわち圧力、真空負圧、および／または質量に依存）の条件の下においては、係合表面間において接合界面を形成できるが、例えば室温で大気圧下の環境下においては、接合機能をほとんどあるいは全くもたない有機溶剤を意味する。「不活性溶剤」なる用語は、一般に、弱溶剤と混和性を有するが、単体では接合機能をもたない溶剤を意味する。「溶剤接合」なる用語は、一般に、溶剤を用いて、２つの表面を一体に物理的に接合する接合プロセスを意味する。「弱溶剤接合」なる用語は、一般に、弱溶剤が用いられる溶剤接合プロセスを意味する。
【００２５】
本発明に係るいくつかの実施形態は、弱溶剤試薬が、穏和な条件下で、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂またはその他のリニアポリマなどの非エラストマ系ポリマを接合するためのラミネーション溶剤として用いられるとき、基板上のマイクロ構造体が悪影響を受けないという驚くべき発見に依拠するものである。この発見により、積層されたポリマ製マイクロ構造体の作製と同様、プロトタイプを実際的かつ経済的に作製することができる。さらなる実施例では、例えばポリスチレン樹脂に限定されないが、特定のプラスティック材料が合理的な剛性を有するが、所定の用途においては、ポンプやバルブなどの流体構成部品で採用される変形可能なダイアフラムが提供される。
【００２６】
１つの態様によれば、弱溶剤接合試料は化学的に次のように定義される。
【数１】
2009510337.tif 000003
ここでＲ１はＨ、ＯＨ、またはアルキル基であるか不在で、Ｒ２はＨ、ＯＨ、またはアルキル基であるか不在である。
【００２７】
択一的には、弱溶剤は次の化学式を有する。
【数２】
2009510337.tif 000004
ここでＲ１はＨ、ＯＨ、またはアルキル基であるか不在で、Ｒ２はＨ、ＯＨ、またはアルキル基であるか不在である。
【００２８】
択一的には、弱溶剤は次の化学式を有する。
【数３】
2009510337.tif 000005
ここでＲ１はＨ、ＯＨ、またはアルキル基であるか不在である。
【００２９】
特定の実施形態では、弱溶剤接合試料は、アセトニトリルである。アセトニトリルは、分析化学的用途や他の用途に広く用いられる多用途溶剤である。アセトニトリルは、水と１００％の混和性を有し、優れた光学的特性を有する。アセトニトリルは、好適な誘電率、溶解パラメータ、および小さい水素結合力を有するので、蛋白質やＤＮＡシーケンスに対する有用な溶剤である。ただしアセトニトリルは、通常、数多くの有機分子に対する溶解度が限定的であることに起因して、有機合成するために選択される溶剤ではない。数多くのケトン、ハロゲン化炭化水素、エーテル分子または芳香族分子と比較して、アセトニトリルは、ポリマ材料を膨潤させる機能が極めて限定的であると理解されている。よってアセトニトリルは本願では弱溶剤と称する。アセトニトリルは、以下に詳細説明する本発明のさまざまな実施形態における接合試薬として用いられるので、ポリマ製マイクロ流体構造体をラミネート（積層）するための例示的な弱溶剤接合試薬として説明する。すなわち、アセトニトリルのプラスティック表面を溶解する弱溶剤機能は、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂またはその他のリニアポリマなどのポリマ材料をラミネートする上で極めて好ましいものである。例えば、少なくとも数分間、室温でアセトニトリル処理された、ポリスチレン基板の上のマイクロ構造体は、部品に対する顕著なダメージは見られなかった。アクリル樹脂およびポリカーボネート樹脂のものは、ポリスチレン樹脂のものに比べるとアセトニトリルに対してダメージを受けやすいことが確認されたが、より低い温度でアセトニトリルを添加するか、あるいはアセトニトリルと他の不活性溶剤との複合物を用いることにより、ダメージの受けやすさを制御することができる。
【００３０】
アセトニトリル・ラミネーションの明らかに固有の特徴は、本発明の実施形態に係るマイクロ流体構造体のポリマ成分に関連して用いられたとき、さまざまな温度における溶解強度が全く異なることである。ほとんどの無機基板または有機基板の溶解度は、添加される溶剤の温度が上昇するほど増大することが知られているが、制御されたマイクロ流体構造体の溶剤ラミネーションのために、異なる温度での溶解度変化を用いることは、良好な処理条件を必要とするものである。基板は、高温かつ高圧における溶解度を十分に増大しつつ、室温での溶剤処理に耐え得るものでなければならない。ラミネートされたマイクロ流体構造体接合試薬として用いられるアセトニトリルは、溶剤ラミネーションに通常用いられる、これまでに知られたすべての強有機溶剤とは対照的に、必要とされる処理範囲を提供する。アセトニトリル接合ラミネーションの有益な態様は、本発明の実施形態に係るプロセスによれば、カバープレートおよびベースプレートの両方を用いて構成された複数部品層または流体ネットワークを含む構造体に対して、基板を位置合わせすることができる点にある。溶剤添加して数秒後に、ポリマ製基板表面を侵食して粘着性のある接合表面を形成しがちな従来の強有機溶剤とは異なり、室温におけるアセトニトリルは、添加後、基板を軟化させる極めて弱い力を示す。アセトニトリルは、係合表面間に存在する場合、加熱処理する前の低温状態にあるとき、潤滑剤として機能し、隣接して当接する表面が互いに対して自由に滑動することを可能にする。アセトニトリルを加熱処理して加圧すると、係合表面は非可逆的に接合する。
【００３１】
３次元の流体ネットワークを形成することは、数多くのマイクロ流体の用途において重要なことである。２次元のプリント回路基板（ＰＣＢ）の場合、すなわち「プリント」された配線が電気的に接続されることなく横断できない場合と同様、流体チャンネルまたは流体経路は、流体が接続されることなく横断することはできない。マイクロ流体チップにおける単純な交差構造体を作製するためには、通常、流体チャンネルは交差領域においては異なる層に配置され、垂直方向の流体経路を介して接続され、流体ネットワークを実現する。溶剤接合は、垂直方向の接続構造体を介して流体の流出を阻害しない層の間を接合させるものである。
【００３２】
コンポーネント内のマイクロ構造体が小さく、例えば深さが約５μｍ以下のオーダで、パターンの平面幅が大きく、例えば１ｍｍ以上で、さらに包囲コンポーネントが約２００μｍ以下の厚みを有する薄い膜で、一対のコンポーネントに加わるラミネーション力により、上側コンポーネントが下側コンポーネントに作用して接合し、経路を遮蔽するおそれがある。この問題を解決するための１つの手法は、マイクロ構造体内での接合試薬の存在を制御することである。添加された接合試薬が、熱活性したときに経路内に存在しないならば、上側コンポーネントは下側コンポーネントの経路と接合することはない。上側コンポーネントは、アセンブリが室温に戻ったとき、意図された元の状態にもち上がる。
【００３３】
アセトニトリル接合試薬を用いて、包囲されたマイクロ構造体を変形させることなく、２つの構成部品のラミネーション（貼り合わせ）を可能にする数多くの方法がある。マイクロ構造体を内設する基本部品をカバー部品に当接させたとき、２つの部品の間のスペースは、通常、約５０ｎｍ〜約１００ｎｍのオーダであり、これはマイクロ構造体の深さ、すなわち１μｍ以上の深さより小さい。液体の毛管力は、液体が充填されるギャップの幅に反比例することが知られている。すなわち、接合すべき領域における毛管力がマイクロ構造体内より高くなる。この現象を利用して、接合しようとする構造体の領域にのみ弱溶剤を添加することができる。上述のように、２つの基板は溶剤が噴霧された後、当接される。溶剤は、通常、マイクロ構造体を含め、基板の間の空隙を完全に充填する。その後、溶剤をマイクロ構造体から吸引して、接合させようとする基板間の領域にのみ溶剤を残留させることができる。択一的には、溶剤を塗布する前に、基板の対向する表面を当接させて、溶剤を接触した部品の露出端部から導入することができる。部品が接触している領域では溶剤が「染み込み（wick）」、マイクロ構造体内には溶剤が存在しない。
【００３４】
上述のように、アセトニトリル接合試薬は、ポリマ製の構成部品間の接合を実現するために熱活性される必要がある。数多くの手法で加熱処理することができる。ポリマ製の構成部品を熱源の上に配置して加熱するとき、熱は構成部品を介して接合界面に伝達される。この方法は、簡便ではあるが、基板が大きい場合や熱活性化条件の下での溶剤処理に影響されやすい微細構造を有する場合の用途においては容認し難いものである。基板部品を実質的に加熱することなく、接合界面に必要なエネルギを与えるための別の方法を、溶剤支援されたマイクロウェーブ接合と呼ぶ。この方法によれば、上述のように基板部品を用意する。ただし、高温の熱源を接近させることによるバルク構造体の従来式の加熱方法の代わりに、アセンブリされた一対の構成部品をマイクロウェーブエネルギに曝す。マイクロウェーブエネルギは、主に極性溶剤分子により吸収され、プラスティック製の部品構造体に影響を与えることはないため、基板を加熱することなく、接合界面を加熱することができる。この方法は、加熱領域が限定された表面である場合にはとりわけ有用である。択一的には、弱溶剤試薬を用いて、接合またはラミネートすべき構造体は、弱溶剤を塗布する前に冷却しておいてもよい。特に、アセトニトリル溶剤によるラミネーションおよび接合を用いて、バルブ構造体およびポンプ構造体として利用できるダイアフラムを作製することができる。
【００３５】
ここで図１および図２を参照すると、マイクロ流体ポンプおよびマイクロ流体バルブの製造に際して用いられる構造体および製造方法が図示されている。図１Ａは、実質的に硬いメンブレン５０と硬い基板５２を有するマイクロ流体構造体１０を示す。メンブレン５０は、基板に接合され、弛緩状態にあり、第１の基板の上側表面に対抗して実質的に載置されている。この弛緩状態にあるとき、メンブレン５０は、基板５２の上側表面上に対して載置されている。これらの実施形態では、基板５２およびメンブレン５０の一方または両方がプラスティック材料で形成されている。好適な材料の具体例として、リニアポリマプラスティックおよび熱可塑性プラスティック材料がある。熱可塑性プラスティック材料は、加熱すると柔らかくなり、冷却すると実質的に硬くなる材料を含む。一般には、基板５２およびメンブレン５０の一方または両方が、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂またはこれらの組み合わせの材料で形成されている。１つの特定の実施形態では、基板５２およびメンブレン５０の両方がポリスチレン樹脂で形成されている。ポリスチレン樹脂は、少なくとも部分的には、機械的特性および生物学的反応に関する特性の両方において既知の特性を有することに起因して利点（appeal）が大きい。
【００３６】
メンブレン５０は、実質的に硬くてもよく、実質的に非弾性であるが、適当な圧力または力を加えると変形し得るものであってもよい。例えばメンブレンは、約２ＧＰａ〜約４ＧＰａのヤング率を有するものであってもよいし、他の用途では異なるヤング率を有するものであってもよい。とりわけ、特定の用途および／または開発しようとするデバイスに適したヤング率を有するように選択または作製されたものであってもよい。例えば、メンブレン５０または他のデバイス特性の元で存在するマイクロ部品の寸法に依存して、適正なヤング率を有するものを選択してもよい。メンブレン５０は、機械的な力または圧力を加えたときに変形できるような厚みを有していてもよい。機械的な力または圧力は、メンブレン５０と物理的に接触して、これを基板５２の方へ押圧するか、あるいは基板５２から遠ざかる方へ引っ張ってもよい。択一的には、メンブレンを基板５２の方へ押圧するか、あるいは基板５２から遠ざかる方へ引っ張るような空気圧または油圧により、機械的な力を加えてもよい。加えられる力の大きさは、特定の用途および開発すべきデバイスに依存する。変形とは、メンブレン５０が実質的に平坦な形態から任意の平坦でない形態に変化することを含む。メンブレン５０は、約１０μｍ〜約１５０μｍの厚みを有していてもよい。好適な実施形態では、メンブレン５０は、約１５μｍ〜約７５μｍの厚みを有する。基板はメンブレンより大きい厚みを有していてもよい。択一的には、基板はメンブレンと実質的に同等の厚みを有していてもよい。メンブレン５０は、−１４ｐｓｉ〜５０ｐｓｉの範囲の圧力、−３ｐｓｉ〜−１４ｐｓｉの範囲の負の圧力、あるいは３ｐｓｉ〜２５ｐｓｉの範囲の正の圧力を加えたときに変形するような寸法を有していてもよい。上述の実施形態において、負圧が加わると、メンブレンは基板から遠ざかる方向に変形し、他方、正圧が加わると、メンブレンは基板の方へ変形または押圧される。
【００３７】
この構造体は、図１Ｂに示すように、２枚のシート部品間の界面の特定領域２０を選択的に接合し、メンブレンまたはダイアフラムの非接合領域１５を残すことにより作製される。非接合領域１５は、実質的に円形であるように図示されているが、別の実施形態では楕円、長方形、角部が湾曲した長方形、または他の形状であってもよい。基板５２は、メンブレン５０と領域２０で選択的に接合されている。ラミネーションの際、非接合領域１５の上方にあるメンブレン５０の一部を物理的に分離させ、接合防止層を非接合領域１５にある層５２または５０の一方または両方の表面に設けることにより、あるいは非接合領域１５に上の層５２または５０の一方または両方の表面を変質させることにより、このような選択的な接合を実現することができる。図１Ｃは構造体１０の斜視図である。
【００３８】
図２に図示されているように、ダイアフラム／メンブレン５０の非接合領域１５は、平坦な基板５２に対して垂直方向に引っ張られると、基板から遠ざかる方向に移動し、あるいは上方向に湾曲して、ブリスタ５９を形成する。メンブレン５０の非接合領域１５が平坦な基板５２に対して垂直方向に押圧されると、上側および下側の平坦な層５０および５２の間の界面領域１５において等角接触が生じる。バルブ構造体およびポンプ構造体の作製のために、この構造体および作製方法を利用することができる。図２に示すように、メンブレン５０は、基板５２の上側表面と接合され、操作すると、基板から遠ざかるように移動する。他の実施形態では、メンブレン５０を基板５２の下側表面と接合してもよい。基板５２は、上側表面に接合された第１のメンブレンと、下側表面に接合された第２のメンブレンとを有していてもよい。両方のメンブレンは同時に作動できるものであってもよく、接合されたそれぞれの基板の表面から遠ざかる方向に移動する。
【００３９】
図３Ａは、閉口状態／弛緩状態にある２層式の活性平坦バルブ構造体６１を示し、図３Ｂは開口状態／作動状態にあるバルブ構造体６１を示し、後者において、メンブレンは第１の基板の上側表面から離れる方向に移動している。この構造体は第１の基板６０を有する。２つの分断されたマイクロチャンネル６２，６４が第１の基板６０内に形成されている。好適な実施形態において、マイクロチャンネルは、エンボス加工、モールド成形加工、圧延加工を用いて基板６０内に形成される。択一的には、エッチングによりマイクロチャンネルを形成することができる。マイクロチャンネルおよび基板６０に形成される他の構造物は、好適にも、流体材料のフローに適したものである。これらの構造物は、同様に、気体材料、溶液などの流体材料に実質的に溶解した固体材料、懸濁した粒子を含む流体材料、スラリ、または乳濁液に対しても適当なものである。スラリとは、一般に、実質的に溶解しない物質の流体混合物を意味する。基板６０は、流体材料、気体材料、液体材料、固体材料、溶液などの流体材料に実質的に溶解しない固体材料、懸濁した粒子を含む流体材料、スラリ、および／または乳濁液を操作し、貯蔵し、そして／または搬送するのに適した他の内部配設されたマイクロ構造物や基板内に形成された構造物を有するものであってもよい。マイクロ構造物は、これに限定されるものではないが、他のマイクロチャンネル、マイクロ流体貯蔵部、マイクロ流体ウェル、マイクロ流体ポート、バルブシートを有するものであってもよい。
【００４０】
メンブレン６６は、非接合ダイアフラム領域６８以外の実質的にすべての領域において基板６０と選択的に接合している。圧力または力が基板６０に対して垂直方向にメンブレン６６に加わり、メンブレンを基板の方へ押圧すると、メンブレン６６はバルブシート領域７２に等角接触し、２本のマイクロチャンネル６２，６４の間の連通を閉じて、マイクロチャンネル６２，６４を封止する。択一的には、封止するためにメンブレンを押圧する必要はない。代わりに、メンブレンが弛緩状態にあるとき、２本のマイクロチャンネル６２，６４を効率的に封止するのに十分な重量および剛性を有するものであってもよい。図３Ａに示すように、メンブレン６８の非接合領域は少なくとも部分的に第１のチャンネル６２の上方に配置され、第２のチャンネル６４は第１のチャンネルから分離されている。そして両方のチャンネルは第１の基板６０内に配設され、メンブレン６８の非接合領域は、弛緩状態／閉口状態において、第１のチャンネルと第２のチャンネルの間を封止する。
【００４１】
メンブレン６６が基板６０から離れるようにバルブシート領域７２の上方に作動すると、メンブレンは作動状態に変形して、ブリスタ７０を非接合ダイアフラム領域６８の上方に形成して、２本のマイクロチャンネル６２，６４の間に開放容量を形成することにより、流体を一方のマイクロチャンネルから他方へ流すことができる。図３Ｂに示すように、メンブレンの非接合領域６８は、少なくとも部分的に第１のチャンネル６２の上方に配置され、第２のチャンネル６４は第１のチャンネルから分離されている。そして両方のチャンネルは第１の基板６０内に配設され、メンブレンの非接合領域６８は作動状態において、第１の基板６０の上側表面から分離して、第１のチャンネル６２と第２のチャンネル６４の間における流体フローに適したキャビティをブリスタ７０内に形成する。
【００４２】
バルブシート領域７２が非接合ダイアフラム領域６８を形成する接合界面７４と実質的に同一平面内にあるので、上記バルブ構造は平坦なものとして説明した。このプロセスによれば、製造する上で、そしてより複合的なマイクロ流体システムに統合する上で極めて簡便なバルブ構造体を製造することができる。ただし、他のラミネーション処理を用いて生産することは極めて困難である。例えば、接着ラミネーション処理が試みられたが、この構造体において２つの問題点があった。接着剤はいくらかの厚みを有する。メンブレン層６６と基板６０の間に入り込んだ場合、メンブレン６６がバルブシート７２に接着して、作動不能なバルブが形成されてしまう。接着剤をバルブシート７２から選択的に取り除いた場合でも、ギャップが漏れを形成してしまう。唯一のオプションは、バルブシート７２内の接着剤を、接着剤と同等の厚みを有する（もしくは若干超える厚みを有する）別の部品で置換することである。これは実現するには極めて困難なプロセスである。
【００４３】
アセトニトリル・ラミネーションには、この問題は生じない。メンブレン６６はバルブシート７２に接合することはないと仮定する必要がある。能動バルブの場合、メンブレンを接合平面から物理的に分離することにより、これを実現することができる。択一的には、メンブレン６６またはバルブシート７２の表面を接合しないように処理することができる。このタイプの前処理により、バルブ構造体を封止して閉口状態になることを防止することができる。
【００４４】
図４Ａおよび図４Ｂは、スルーホール型能動平坦バルブ構造体７９の異なる態様を示すものである。この場合、第１の基板８０が設けられる。分離されたマイクロチャンネル８２，８４がバルブシート８６とともに基板８０内に形成される。スルーホール８８がバルブシート８６の中心に配置される。メンブレン層９０が領域９２で選択的に基板８０に接合され、ダイアフラム構造体９４を形成している。バルブが閉口状態にあるとき、ダイアフラム９４は、領域（バルブシート）８６およびダイアフラム９４の下方の領域に接触して、マイクロ構造物８２，８４の間の流体フロー、およびスルーホール８８に流れる流体フローを有効に遮断する。他の実施形態では、マイクロチャンネル８４が基板８０内に形成されない。この構造体が提供する数多くの重要な部品がある。第１に、スルーホール８８は、基板８０の下側表面９６上に設けられるマイクロ構造物との連通を可能にする。第２に、メンブレン９０は、いくぶん構造的な剛性を有するので、閉口しようとする力がスルーホール８８を介して上昇してバルブを開口しようとする流体の力より大きいとき、機械的な利点が得られる。この構造体は、スルーホールとダイアフラムの上側表面の間の面積の差を利用している。圧力が力に正比例し、面積に反比例するので、スルーホール内の極めて大きな圧力がダイアフラムの上方の小さい圧力に効率的に対抗する。ダイアフラムの剛性は、この現象に影響を与える。
【００４５】
図５Ａおよび図５Ｂは、アセトニトリルを利用した接合を用いて作製された３層式能動平坦バルブ構造体９９を示す。バルブ構造体は、マイクロチャンネル１０１，１０３を内接した第１の基板１００を有する。メンブレン層１０４は、第１の基板１００に領域１０６で選択的に接合され、ダイアフラム構造体１０８を形成している。第２の基板１０２がメンブレン１０４に接合されている。第２の基板は、ドライブチャンバ１１０を有する。この構造体は、ドライブチャンバ１１０がダイアフラム１０８を包囲している点において、先に図示したものとは異なっている。正の方向である下向きの圧力がドライブチャンバ１１０を介してダイアフラム１０８に加わると、メンブレン１０８は２本のマイクロ構造物１０３，１０１の間にあるバルブシート１１２に接触して、これらの間の流体の移動を効果的に禁止する。あるいは、負の方向である上向きの圧力がドライブチャンバに加わると、メンブレン１０８はバルブシート１１２から持ち上げられ、流体がマイクロ構造物１０１，１０３の間で自由に連通する。ドライブチャンバ１１０を介して空気圧を用いて、圧力を加えてもよいし、ドライブチャンバを介してメンブレンに物理的に触れて引き上げ、または押下することにより、圧力を加えてもよい。
【００４６】
図５Ａおよび図５Ｂに示す実施形態において、メンブレン１０８は上向きに湾曲しているとき、所定容量１１４がメンブレン１０８の下方に形成される。これにより、マイクロチャンネル１０１，１０３の間で流体が連通可能となるだけでなく、マイクロチャンネル１０１，１０３内のいくらかの流体が容量１１４内に移動可能とするものである。このようにマイクロチャンネル１０１，１０３内の流体を移動させることができるので、複数のバルブ構造体を用いてポンプを形成することができる。
【００４７】
ここで我々は、上述のシステムおよび方法と首尾一貫したマイクロ流体ポンプ構造体について議論する。マイクロ流体ポンプは、一般に、流体に圧力を加え、そして／または１つまたは複数の所望する方向に流体フローを促進することができる任意の構造体を意味する。図６Ａおよび図６Ｂに示すように、数多くのバルブ構造体２０２を直列に配置し、あるいはマイクロチャンネルを介して内部連結して、マイクロダイアフラムポンプ２００を形成することができる。ポンプ２００は、蠕動型サイクルで作動させることができる。適当なシーケンスで作動させたとき、流体はポンプ構造体を通じて力が与えられる。図６Ａは、ポンプを構成する３つのバルブ２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃが図示されているが、他の実施形態のポンプは２つのバルブ構造体、またはより数多くのバルブ構造体を有していてもよい。図６に図示された例示的な実施形態において、内側バルブ構造体２０２ｂは、２つの外側バルブ構造体のダイアフラム領域２０４ａ，２０４ｃより大きいダイアフラム領域２０４ｂを有する。他の実施形態では、ポンプ２００は、実質的に同一の大きさを有するバルブ構造体、または実質的に異なる大きさを有するバルブ構造体を有していてもよい。
【００４８】
図７Ａ〜図７ｆは、図６に示すポンプ構造体２００と同様のポンプ構造体３００を用いて流体をポンピング（ポンプ送出）する１つの方法を図示している。この方法は、ポンピング効果を得るために、順次作動させる６つの段階を経てポンプ構造体をサイクル動作させるステップを有する。このポンプは、入口バルブ３０２、ドライブバルブ３０４、および出口バルブ３０６を有する。
【００４９】
図７Ａにおいて、入口バルブ３０２を開いて、流体を入口マイクロチャンネル３１２から、メンブレン３０８と第１の基板３１０との間にある容量３０２ａに引き込む。図７Ｂにおいて、ドライブバルブ３０４を開いて、より多量の流体をポンプシステム内に引き込む。図７Ｃにおいて、入口バルブ３０２を閉じる。図７Ｄにおいて、出口バルブ３０６を開く。図７Ｅにおいて、ドライブバルブ３０４を閉じて、出口バルブ３０６を介して、流体をマイクロチャンネル３１８内に送出する。そして出口バルブ３０６を閉じる。これらの６つの段階により１つのポンプサイクルを完了し、ポンプを介して所定容量の流体を移動させる。サイクルを逆にすると、マイクロチャンネル３１８が入口マイクロチャンネルとして、マイクロチャンネル３１２が出口マイクロチャンネルとして機能し、流体を入口マイクロチャンネル３１８から出口マイクロチャンネル３１２へ送出することができる。すなわち、このポンプは双方向性を有する。バルブ構造体３０２，３０４，３０６は独立して作動可能であり、これらのバルブ構造体の任意の１つも、他のバルブ構造体の作動段階にほとんど、あるいは実質的に全く影響されることなく作動できるものである。当業者ならば理解されるように、別のシーケンスを用いてポンピング効果を実現することができる。ときおり蠕動シーケンスと呼ばれる代替の例示的なポンピングシーケンスは以下の通りである。すなわち、入口バルブ３０２を開き、ドライブバルブ３０４を開き、出口バルブ３０６を開き、入口バルブ３０２を閉じ、ドライブバルブ３０４を閉じ、出口バルブ３０６を閉じる。入口バルブ３０２を閉じるのと実質的に同時に、出口バルブ３０６を開いてもよい。
【００５０】
図７の実施形態において、マイクロチャンネル３１２，３１４，３１６，３１８は、実質的に同様の寸法を有する。本発明に係る択一的な実施形態によるポンプ構造体においては、これらのチャンネルは異なる寸法、すなわち異なる長さ、高さ、および幅を有していてもよい。異なる寸法を有するチャンネルは、流体フローに対して異なる抵抗力を有し得る。一例として、マイクロチャンネルの高さおよび／または幅を大きくすると、流体フローに対する抵抗力は小さくなる。いくつかの実施形態では、異なる抵抗力を有するマイクロチャンネルを用いて、所望するフロー方向に流体フローが流れることを支援し、そして／または好ましくない方向に流体フローが流れることを防止することができる。例えば、上述のポンプサイクルにおいて、入口バルブ３０２およびドライブバルブ３０４の両方が開いた状態にある期間がある。このとき流体は、容量３０２ａを介してマイクロチャンネル３１２に流れ込む。マイクロチャンネル３１２に流れ込む流体容積を低減するために、マイクロチャンネル３１２の流体に対する抵抗力がマイクロチャンネル３１４より大きくなるようにマイクロチャンネル３１２を形成してもよい。上述のように、択一的な実施形態のポンプは、図６および図７に示す３つのバルブ構造体の代わりに、２つのバルブ構造体を採用するものであってもよい。この実施形態では、２バルブ型双方向ポンプ構造体は、第１のバルブ構造体に接続された入口／出口マイクロチャンネルと、第２のバルブ構造体に接続された入口／出口マイクロチャンネルと、第１および第２のバルブ構造体に内部接続されたマイクロチャンネルとを有する。入口／出口マイクロチャンネルは、内部接続マイクロチャンネルより流体フローに対する抵抗力がより大きくなるように形成してもよく、両方のバルブ構造体が開いた状態にあるとき、入口／出口マイクロチャンネルに流れ込む流体容積を低減することができる。２バルブ型ポンプの作動シーケンスは、図７で図示したシーケンス、とりわけバルブ構造体３０２，３０４に対して説明したシーケンスと同様のものである。
【００５１】
図８は、複数のポンプ４０２ａ〜４０２ｃを並列構成に配設したマイクロ流体デバイス４００を示すものである。この実施形態は、流体を複数の入口４０４ａ〜４０４ｃから引き込んで、１つの出口４０６に送出することを可能にするものである。各入口が異なる流体を含む場合、複数のポンプ４０２ａ〜４０２ｃが１つの出口４０６に流体をポンプ送出するとき、出口チャンネル４０６内の流体は、複数の入口４０４に格納されていた異なる種類の流体からなる勾配分布を含むことができる。例えば、出口チャンネル４０８ａの上側部分は入口チャンネル４０４ａから流入する濃度のより高いタイプの流体を含み、出口チャンネル４０８ｃの下側部分は入口チャンネル４０４ｃから流入する濃度のより高いタイプの流体を含むものであってもよい。すなわち、この実施形態を用いて、出口チャンネル４０６内において化学的な勾配を形成することができる。
【００５２】
必ずしもすべてのポンプ構造体が独立して形成された入口バルブ、ドライブバルブ、および出口バルブを有する必要はない。数多くのポンプが１つまたはそれ以上のバルブを共有することができる。共有バルブとは、１つ以上のポンプ構造体によるポンピングプロセスで用いられるように構成されたバルブを意味する。図９は、３つのポンプ構造体を備えたマイクロ流体デバイス５００を示す。１つのポンプ構造体は、入口バルブ５０２ａ、ドライブバルブ５０４ａ、および出口バルブ５０６を有する。第２のポンプ構造体は、入口バルブ５０２ｂ、ドライブバルブ５０４ｂ、および出口バルブ５０６を有する。第３のポンプは、入口バルブ５０２ｃ、ドライブバルブ５０４ｃ、および出口バルブ５０６を有する。すなわち、３つのポンプは出口バルブ５０６を共有している。択一的には、バルブ５０６を共有入口バルブとして機能させ、バルブ５０２ａ〜５０２ｃを出口バルブとして機能させることができる。こうした実施形態は、冗長な構造体を省略することによりシステム全体の複雑さを最小限に抑えるための有効な手法である。
【００５３】
図１０は、貯蔵部または流体ポート６０２、入口／出口バルブ６０４、および共有ドライブバルブ６０６を備えたポンプ構造体６００を図示するものである。流体ポートは、通常、貯蔵部などのマイクロ流体構造体を指すが、ポンプ構造体によりポンプ送出される流体のための入口または出口として機能させることができ、より一般的には、流体材料を保管するための貯蔵部である。この実施形態では、ドライブバルブ６０６とともに、６つの入口／出口バルブ６０２を適当なシーケンスで選択的に作動させることにより、任意の１つの容器６０２から任意の他の容器６０２へ流体を移動させることができる。この場合、ユーザは３０通りの異なるフロー経路を利用することができる。これと同じ機能を完全に独立したバルブで実現しようとすると、１５個の異なるポンプシステムが必要となる。
【００５４】
図１１〜図１４は、貯蔵部に連結されたポンプ構造体を図示している。図１１は、サーキュレータとして貯蔵部７０４に統合されたポンプマイクロ流体システム７００を示す。このポンプは、貯蔵部７０４から流体を引き出し、時計方向７０６または反時計方向７０８に移動させることができる。本発明に係る実施形態では、貯蔵部７０４は、流体貯蔵デバイス、細胞培養チャンバまたは反応チャンバであってもよい。貯蔵部は封止し、開口し、あるいは部分的に開口することもできる。
【００５５】
図１２を参照すると、複数の貯蔵部が統合化されたポンピングシステムに連結されている。マイクロ流体システム８００は、トップ貯蔵部８０２およびボトム貯蔵部８０４を備える。このポンプシステムは、共有ドライブバルブ８０６および入口／出口バルブ８０８，８１０，８１２を有するが、トップ貯蔵部８０２を流れる流体を循環させるとともに、ボトム貯蔵部８０４に流体を送出し、あるいはボトム貯蔵部８０４から流体を引き出すことができる。
【００５６】
貯蔵部の構成物が十分に大きい場合、例えば、その高さ、長さ、幅がそれぞれ０．５ｍｍ以上である場合、重力がシステムの流体力学における実質的な役割を担うことになる。図１３は、約１ｍｍ以上の高さを有する貯蔵部９０２を有し、長手方向軸を垂直方向に配向されたマイクロ流体システム９００を図示するものである。このシステムの使用に際して、重力により、貯蔵部９０２内の流体が貯蔵部９０２の底部に引き下げられる。貯蔵部９０２の側面に沿ったマイクロチャンネル９０６の位置に依存するが、この流体を用いて、ポンプ送出される流体の濃度より高い濃度を有する粒子９０８を操作することができる。各粒子は、微小量または微細量の実質的に固体物質であってもよい。例えば、ガラスビーズ９０８が貯蔵部９０２内に存在し、マイクロチャンネル９０６が貯蔵部９０２の上部付近に接続された場合、ポンプを用いて、流体を反時計方向９１０に循環させて、ビーズを貯蔵部９０２の底部から引き上げることができる。
【００５７】
ただし、ビーズ９０８は、沈降する傾向があり、貯蔵部９０２から抽出されるか、あるいはポンプシステム９００を介して循環する程度に十分に第２のマイクロチャンネル９０６に近接しないこともある。
【００５８】
上記とは異なり、粒子９０８が浮力を有し、貯蔵部９０２において上昇または浮遊することがある。この流体は、ポンプを用いて、時計方向９１１に循環させて、粒子を貯蔵部９０２の上部から下方へ押し下げることができる。
【００５９】
本発明に係る他の実施形態では、貯蔵部９０２は、長手方向軸９０４に沿ったさまざまな垂直位置で流体を抽出するための流体抽出手段に接続してもよい。一例として、流体抽出手段は、長手方向軸９０４に沿ったさまざまな垂直位置に配置された複数のマイクロチャンネルを有するものであってもよい。マイクロチャンネルは、流体が抽出されるマイクロ流体抽出貯蔵部または抽出ポートに接続してもよい。任意であるが、各マイクロチャンネルは、ポンプ構造体に内部接続して、貯蔵部９０２から抽出貯蔵部までの流体フローを支援してもよい。複数の非混和流体が貯蔵部９０２内に貯蔵されている場合、長手方向軸９０４に沿ったさまざまな垂直位置にある複数の流体のそれぞれの異なる濃度により、貯蔵部内に勾配を形成することができる。貯蔵部に連結された、さまざまな垂直位置にある複数の流体抽出手段により、貯蔵部９０２内で階層化された層から、所望の濃度レベルを有する流体サンプルを抽出することができる。
【００６０】
図１４は、図１２および図１３の実施形態と同様のマイクロ流体システム１０００を図示するものである。ただし、マイクロ流体システム１０００は、スピルウェイ１００６を介して内部接続された２つの貯蔵部１００２，１００４を備え、流体は、循環プロセス中、ポンプ１００８に再侵入する前にスピルウェイ内を通過しなければならない。
【００６１】
図１５は、マイクロ流体撹拌器として用いることができる、４−バルブ構造体の概略を示す図である。貯蔵部１１００，１１０２はそれぞれ、第１および第２の流体サンプルを貯蔵する。本発明に係る撹拌プロセスによれば、貯蔵部１１００，１１０２からの流体は、第１の組の対角線上に対向する２つのバルブ構造体または貯蔵ポンプチャンバ１１０４に移動する。これらのポンプチャンバ１１０４を閉じると同時に、対角線上に対向するポンプチャンバ１１０６を開く。第１の流体サンプルおよび第２の流体サンプルのそれぞれの一部が、これら隣接するチャンバ１１０６に移動し、部分的に撹拌される。その後連続して、この流体は、第１の組の対角線上に対向するポンプチャンバ１１０４に戻され、２つの流体サンプルが実質的に混合するまで、このプロセスは反復して行われる。連結チャンネル１１０８は、構造体のデッド容量を最小限に抑えるために、極めて短くしておくことに留意されたい。少量の流体がデッド容量内に残るので、デッド容量を極力小さくすることは、全体的に、より効率的なシステムを構築することになる。択一的には、連結チャンネルをもたないマイクロ流体撹拌器を形成して、図２３を参照して以下説明するようなバルブ構造体１１０４，１１０８を重ね合わせたものを設けることにより、実質的なデッド容量を有さないマイクロ流体撹拌器を形成することができる。
【００６２】
撹拌器は、貯蔵ポンプチャンバ／バルブ構造体１１０４，１１０６を順次作動させることができるコントローラに接続してもよい。このコントローラは、任意に指定された複数のポンプチャンバを個別的または集合的に作動させるとともに、他のポンプチャンバを閉じた状態または非動作状態に維持する手段を有する。コントローラは、物理的に接するか、撹拌デバイスの上方に配置されるか、あるいは撹拌デバイスの下方に配置されるようにしてもよい。コントローラは、上述した手段を用いて機械的な力または圧力を加えることにより、ポンプチャンバ／バルブ構造体を作動させることができる。
【００６３】
図１６は、一般的なバルブ／ポンプシステム１２００の具体例を示すものである。流体は、バルブ１２０３の適当な作動シーケンスを用いて、任意の１つの貯蔵部１２０２から任意の他の貯蔵部１２０２に、一連のバルブ構造体１２０３を介して搬送することができる。複数の流体を混合し、培養し、あるいはユーザが決定した他の手法で反応させることができる。汎用的な特性に起因して、このタイプの装置は、特定用途で利用することができる。
【００６４】
上述の能動バルブは数多くの利点を有する。ユーザは、マイクロ流体システムの各バルブの状態を独立して制御して、ネットワーク内において流体を容易に制御して、あるいはポンプシステムにおけるフロー方向を変えることができる。別の可能性は、受動バルブを利用することである。受動バルブは、作動するためには、流体からの力を必要とする。図１７Ａ〜図１７Ｃは、受動チェックバルブ（逆止弁）・ダイアフラムポンプの具体例を示す。ポンプ１３００は、２つの受動チェックバルブ１３０８，１３０６と１つの能動バルブダイアラム１３０４とを備える。受動チェックバルブ１３０８，１３０６は、デバイス１３００に流れる流体により作動可能である。能動バルブ構造体１３０４は、外部作用により作動可能なものであって、マイクロ流体デバイス１３００の外部手段から加えられた圧力または力により作動するものである。ダイアフラム１３０４が湾曲して開口すると、流体は入口ポート１３０２から入り込む。この湾曲により負圧が生じ、負圧が入口バルブ１３０８および出口バルブ１３０６に伝わる。出口バルブ１３０６の詳細が図１７Ｃに図示されている。バルブダイアフラム１３５０は、負圧により、バルブシート１３５２に対抗して上向きに湾曲する。ダイアフラム１３５０を貫通するオリフィス１３５４は、流体チャンネル１３５６から遮断される。したがって、流体は出口チャンネル１３５８からオリフィス１３５４を通って流れ、流体チャンネル１３５６内に入ることはできない。入口バルブ１３０８は、まさに正反対に作動する。流体は入口バルブを介して流れ、ダイアフラム１３０４で包囲されたチャンバを充填する。ダイアフラム１３０４が湾曲した状態から元に戻るとき、ダイアフラム１３０４で包囲されたチャンバ内に保持された流体は、入口バルブ１３０８を通って逆流することはできず、正の圧力が流体チャンネル１３５６内に形成される。この圧力により、バルブメンブレン１３５０が作動し、シート１３５２から遠ざかる方向に押圧される結果、流体は、オリフィス１３５４を通って出口チャンネル１３５８の外へ送出することができる。上述の２つのチェックバルブを用いると、適正に作動したとき、ほとんど逆流が起こらない。
【００６５】
図１８Ａおよび図１８Ｂは、実質的に可動部品を有さないバルブの２つの具体例を示す。図１８Ａに示す構造体は、ニコラ・テスラの米国特許第１，３２９，５５９号で発明されたものである。図１８Ｂの構造体は、「ディフューザ（拡散器）」デザインとして知られたものである。図１８Ａおよび図１８Ｂの両方において、流体は、第１の方向１４００においてより大きい抵抗力を有し、第２の方向１４０２においてより小さい抵抗力を有する。フロー方向に起因する差を利用して、正味のフローを形成することができる。図１８Ａおよび図１８Ｂに示す実施形態は、マイクロ流体構造物間において実質的に一方向に流体フローを形成する接続部を構成するマイクロチャンネルとして用いることができる。
【００６６】
図１９は、２つのディフューザバルブ１５０２，１５０４を有するポンプシステム１５００を示す。流体がシステム１５００の長手方向軸１５０６に実質的に沿って振動するとき、ポンプ内を往復して実質的な「洗浄」があるが、流体の正味のフローは、入口１５０８から出口１５１０に移動する。
【００６７】
上述の能動バルブは、円形のバルブシートを有する単純で円形のダイアフラムとして図示してきた。しかし、以下説明するシステムおよび方法はこれに限定されない。図２０Ａ〜図２０Ｆは、いくつかの他の実施形態に係るバルブを図示している。これらの図面において、バルブシートはマイクロチャンネル１６０２，１６０４の間に配設されている。一般に、バルブシートとは、基板上の任意の領域または基板内に形成された任意の構造物を称し、その上にメンブレンの非接合部分が配置されるものである。図２０Ａは、図３のバルブシートと同様のバルブシート１６０６ａを図示し、このバルブシートは、基板の上側表面と実質的に同一の平面内にある。図２０Ｂ〜図２０Ｆは、基板内の凹状構造体であってもよいバルブシート１６０６ｂ〜１６０６ｆを有する。バルブシートは、エンボス加工、圧延加工、モールド成形加工、またはエッチング加工を用いて形成される。図２０Ｂに示す本発明に係る好適な実施形態において、バルブシートは、リッジ１６０８を含む２つのエンボス加工部からなり、このリッジは、その上側表面が基板の上側表面と実質的に同一の平面上に形成され、マイクロチャンネル１６０２，１６０４の長手方向軸に対して実質的に垂直方向に形成・配置されている。リッジ１６０８は、バルブが閉口した状態または弛緩した状態にあるとき、マイクロチャンネル１６０２，１６０４の間の流体フローを阻止することを支援するものである。これらのバルブシート構成は、バルブが閉口した状態または弛緩した状態にあるとき、マイクロチャンネル１６０２，１６０４の間により緊密な流体シール（封止）を提供することができる。本発明に係る潜在的なバルブ構成によれば、バルブシートの面積を小さくするか、あるいは入口バルブと出口バルブの間の個別のバルブチャンバの数量を減らすことができる。バルブは円形である必要はない。いくつかの実施形態では、バルブは実質的に楕円、実質的な正方形、実質的な長方形、任意の他の多角形形状であってもよい。
【００６８】
図２１は、さらに別の択一的な実施形態に係るバルブ構造体を示す。バルブ構造体１７００は、メンブレン１７０４を作動させる力または圧力を加えるためのドライブチャンバ１７０２を有する。図２１は、作動状態にあるときのメンブレンを示す。メンブレンは、基板１７１２と接触しない領域１０７８，１７１０において実質的に支持されていない。このため、圧力差、メンブレンの不均一性、ラミネーション変化の内の１つまたはそれ以上に起因して、メンブレンの張りと変形を形成することができる。
【００６９】
図２２Ａおよび図２２Ｂは、作動時においてメンブレン１８０４を物理的に支持するような寸法と形状を有するチャンバ１８０２を備えたバルブ構造体１８００を図示するものである。図２２Ｂは、基板１８０６の上側表面と実質的に同一平面上にある作動メンブレン１８０４を示す。これにより、メンブレンは、連続して反復可能に変形することができ、連続して反復可能にポンプ機能を実現することができる。択一的には、ドライブチャンバは、作動状態にあるメンブレンの変形を制限するような寸法と形状を有するという点において、機械的な係止部として機能する。ドライブチャンバは、結果として得られるポンプ機能の再現性を改善するとともに、バルブ構造体１８００に含まれる流体の容量１８０２を制御することを支援する。
【００７０】
図２３は、流体を入口１９０６から出口１９０８にポンプ送出するためのポンプ構造体１９００を示す。ポンプ構造体は、上側メンブレン層１９１１、下側メンブレン層１９１０、上側基板層１９１４、および下側基板層１９１２を有する。ポンプ構造体は、入口マイクロチャンネル１９０６および出口マイクロチャンネル１９０８を有する。図２３の実施形態において、入口マイクロチャンネル１９０６および出口マイクロチャンネル１９０８は、図２３Ｄの詳細図面で示すように、上側メンブレン層１９１１の実質的に全体の厚み、および／または上側基板層１９１４の一部の厚みを有して延びるように形成されている。本発明に係る構造体１９００を作製するための１つの潜在的方法は、上側基板層１９１４を上側メンブレン層１９１１にラミネートするステップと、マイクチャンネル１９０６，１９０８を形成して、積層体を形成するステップとを有する。択一的な実施形態では、入口マイクロチャンネル１９０６および出口マイクロチャンネル１９０８は、基板層１９１４内で形成されて延びる必要はない。これらのマイクロチャンネルは、図２３Ｅの詳細図面で示すように、上側メンブレン層１９１１内の全体に形成してもよい。こうしたポンプ構造体を作製するため例示的な方法は、上側メンブレン層１９１１内にマイクロチャンネルを形成／切削するステップと、連続する処理ステップとして、上側メンブレン層１９１１を上側基板層１９１４にラミネートするステップとを有する。
【００７１】
メンブレン層１９１０は、２つの独立した作動可能なダイアフラム構造体１９１６，１９２０を有する。メンブレン層１９１１は、独立した作動可能なダイアフラム構造体１９１１を有する。他の実施形態は、２つまたはそれ以上の作動可能なダイアフラム構造体を有する。明らかに、ポンプ構造体は、３つの作動可能なダイアフラム構造体を内部接続するマイクロチャンネルを有する必要はない。各ダイアフラム構造体１９１６ｂ，１９１８ｂ，１９２０ｂは、それぞれのドライブチャンバ１９１６ａ，１９１８ａ，１９２０ａを用いて作動させることができる。図２３Ａおよび図２３Ｂにおいて、各ダイアフラム構造体は開口した状態で図示されている。各ダイアフラム１９１６ｂ，１９１８ｂ，１９２０ｂは、ドライブチャンバ１９１６ａ，１９１８ａ，１９２０ａを介して圧力を加えて、ダイアフラムを対向する基板層１９１４、または場合によっては基板層１９１２に向かって押圧したとき、閉口した状態とすることもできる。例示的なポンピングサイクルが以下のように行われる。当初、すべてのダイアフラムは閉じた状態にある。ダイアフラム１９１６ｂを開くと、流体が入口１９０６から容量１９１６ｃに流れる。ダイアフラム１９１６ｂを閉じて、ダイアフラム１９２０ｂを開くと、流体を容量１９２０ｃに流すことができる。ダイアフラム１９１８ｂを閉じると、流体を容量１９２０ｃに流すことができる。ダイアフラム１９２０ｂを閉じると、流体を出口１９０８から送出することができる。
【００７２】
本発明に係る実施形態に関する上記明細書は、図示および説明のためのものであって、網羅的なものでしないし、本発明を開示された形態そのものに限定しようとするものでもない。上述の教示内容から数多くの変形例および変更例が想到される。本発明の範疇は、この発明の詳細な説明ではなく添付した請求項に基づいてのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１Ａ】硬いプラスティック基板に接合された実質的に硬いメンブレンを有するマイクロ流体構造体を示す。メンブレンは弛緩状態である。
【図１Ｂ】図１Ａのデバイスを別の方向から見た図である。
【図１Ｃ】図１Ａのデバイスを別の方向から見た図である。
【図２Ａ】硬いプラスティック基板に接合された実質的に硬いプラスティックメンブレンを有するマイクロ流体構造体を示す。メンブレンは作動状態である。
【図２Ｂ】図２Ａのデバイスを別の方向から見た図である。
【図２Ｃ】図２Ａのデバイスを別の方向から見た図である。
【図３Ａ】実質的に硬いプラスティックメンブレンと、マイクロ部品を含む硬いプラスティック基板とを備えたマイクロ流体バルブを示す図である。
【図３Ｂ】メンブレンが作動状態にあるときの図３Ａのデバイスを示す。
【図３Ｃ】実質的に硬いプラスティックメンブレンと、マイクロ部品を含む硬いプラスティック基板とを備えたマイクロ流体バルブを示す図である。
【図４Ａ】３次元バルブを示す図である。基板がバルブシートおよびスルーホールを有する。
【図４Ｂ】メンブレンが作動状態にあるときの図４Ａのデバイスを示す。
【図４Ｃ】３次元バルブを示す図である。基板がバルブシートおよびスルーホールを有する。
【図５】内接されたチャンバを有する第２の基板を備えたマイクロ流体バルブを示し、このチャンバを用いて、バルブを作動させるようにメンブレンに力を加える。
【図６Ａ】３つの流体バルブ構造体を有するマイクロ流体ポンプを示す。
【図６Ｂ】３つの流体バルブ構造体を有するマイクロ流体ポンプを示す。
【図７Ａ】図６のポンプが蠕動式サイクルで作動する手法を示す。
【図７Ｂ】図６のポンプが蠕動式サイクルで作動する手法を示す。
【図８】並列構成で配置された３つのポンプを示す。
【図９】バルブ構造体を共有する複数のポンプを示す。
【図１０】ドライブバルブを共有する複数のポンプを示す。
【図１１】マイクロ流体貯蔵部に内部連結されるマイクロ流体ポンプを示す。
【図１２】複数のマイクロ流体貯蔵部に内部連結されるマイクロ流体ポンプを示す。
【図１３】図１１のポンプおよび貯蔵部を示し、貯蔵部は垂直に配置され、不均一な内容物を有する。
【図１４】互いに内部接続された２つの貯蔵部に接続されたポンプを示す。
【図１５Ａ】マイクロ流体撹拌デバイスを示し、マイクロ流体撹拌デバイスの作動方法を図示するものである。
【図１５Ｂ】マイクロ流体撹拌デバイスを示し、マイクロ流体撹拌デバイスの作動方法を図示するものである。
【図１５Ｃ】マイクロ流体撹拌デバイスを示し、マイクロ流体撹拌デバイスの作動方法を図示するものである。
【図１５Ｄ】マイクロ流体撹拌デバイスを示し、マイクロ流体撹拌デバイスの作動方法を図示するものである。
【図１６】複数のバルブ、およびマイクロチャンネルを介して内部接続された複数のバルブからなる装置を示す。
【図１７Ａ】受動チェックバルブを有するポンプ構造体を示す。
【図１７Ｂ】受動チェックバルブを有するポンプ構造体を示す。
【図１７Ｃ】受動チェックバルブを有するポンプ構造体を示す。
【図１８】バルブとして機能し得るマイクロチャンネルを示し、低抵抗力および高抵抗力の方向に流体が流れる。
【図１９】実質的に可動部品をもたないバルブを有するポンプを示す。
【図２０Ａ】本発明に係るさまざまなバルブおよびバルブシートを示す。
【図２０Ｂ】本発明に係るさまざまなバルブおよびバルブシートを示す。
【図２０Ｃ】本発明に係るさまざまなバルブおよびバルブシートを示す。
【図２０Ｄ】本発明に係るさまざまなバルブおよびバルブシートを示す。
【図２０Ｅ】本発明に係るさまざまなバルブおよびバルブシートを示す。
【図２０Ｆ】本発明に係るさまざまなバルブおよびバルブシートを示す。
【図２１】ドライブチャンバ内で変形する、実質的に支持されない作動メンブレンを示す。
【図２２】作動に際して、メンブレンを支持するような寸法および形状を有するドライブチャンバを示す。
【図２３Ａ】マイクロチャンネルを有さないポンプを示す。
【図２３Ｂ】マイクロチャンネルを有さないポンプを示す。
【図２３Ｃ】マイクロチャンネルを有さないポンプを示す。
【図２３Ｄ】マイクロチャンネルを有さないポンプを示す。
【図２３Ｅ】マイクロチャンネルを有さないポンプを示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
2009510337.tif 000042
【図１８Ａ】
2009510337.tif 000043
【図１８Ｂ】
2009510337.tif 000044
【図１９】
2009510337.tif 000045
【図２０Ａ】
2009510337.tif 000046
【図２０Ｂ】
2009510337.tif 000047
【図２０Ｃ】
2009510337.tif 000048
【図２０Ｄ】
2009510337.tif 000049
【図２０Ｅ】
2009510337.tif 000050
【図２０Ｆ】
2009510337.tif 000051
【図２１】
2009510337.tif 000052
【図２２Ａ】
2009510337.tif 000053
【図２２Ｂ】
2009510337.tif 000054
【図２３Ａ】
2009510337.tif 000055
【図２３Ｂ】
2009510337.tif 000056
【図２３Ｃ】
2009510337.tif 000057
【図２３Ｄ】
2009510337.tif 000058
【図２３Ｅ】
2009510337.tif 000059
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月23日(2008.7.23)
【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】
マイクロ流体デバイスであって、
上側表面および下側表面を有する第１の硬いプラスティック基板と、
第１の基板の上側表面に当接し、これに接合された実質的に硬いプラスティックメンブレンとを有し、
プラスティックメンブレンは、第１の基板の上側表面に実質的に対抗して配置された弛緩状態と、第１の基板の上側表面から離れるように移動した作動状態とを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、
第１の硬いプラスティック基板は、その内部に形成されたマイクロ部品を有し、
実質的に硬いプラスティックメンブレンは、少なくとも１つのマイクロ部品の上方に配置されていることを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項２に記載のデバイスであって、
メンブレンは、約１０μｍ〜約１５０μｍの間の厚みを有することを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項３に記載のデバイスであって、
メンブレンは、約１５μｍ〜約７５μｍの間の厚みを有することを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のデバイスであって、
メンブレンおよび第１の基板の少なくとも一方は、熱可塑性材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項１に記載のデバイスであって、
メンブレンおよび第１の基板の少なくとも一方は、リニアポリマ材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のデバイスであって、
メンブレンおよび第１の基板の少なくとも一方は、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂のうちの１つからなることを特徴とするデバイス。
【請求項８】
請求項２に記載のデバイスであって、
実質的に硬いプラスティックメンブレンは、第１の基板に固着されない非接合領域を有することを特徴とするデバイス。
【請求項９】
請求項８に記載のデバイスであって、
非接合領域は、第１のチャンネル、および第１のチャンネルとは分離された第２のチャンネルの少なくとも一部の上方に配置され、
第１および第２のチャンネルが第１の基板内に配設され、
メンブレンは、弛緩状態において第１および第２のチャンネルの間のシールを形成することを特徴とするデバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載のデバイスであって、
メンブレンの非接合領域は、第１の基板内に形成され、第１および第２のチャンネルから分離され、そして実質的に第１および第２のチャンネルの間に形成されたバルブシートの少なくとも一部の上方に配置されたことを特徴とするデバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載のデバイスであって、
バルブシートは、第１および第２のチャンネルの長手方向軸に実質的に垂直なリッジを有することを特徴とするデバイス。
【請求項１２】
請求項８に記載のデバイスであって、
第１の基板は、第１の基板の上側表面から下側表面まで延びるスルーホールを有することを特徴とするデバイス。
【請求項１３】
請求項８に記載のデバイスであって、
メンブレンの上側表面に当接し、これに接合された第２の硬いプラスティック基板をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項１４】
請求項１３に記載のデバイスであって、
第２の基板は、メンブレンの非接合領域の実質的に上方に配置されたチャンバを有し、
チャンバは、メンブレンの非接合領域が第１の基板の上側表面から遠ざかる方向に移動でき、実質的にチャンバ内に包囲されるような寸法を有することを特徴とするデバイス。
【請求項１５】
請求項８に記載のデバイスであって、
複数の分離された非接合領域を有するポンプをさらに備え、
各ポンプは、独立して作動可能なバルブ構造体を形成し、マイクロチャンネルを介して直列に接続されることを特徴とするデバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載のデバイスであって、
メンブレンが作動状態にあるとき、メンブレンを構造的に支持するような寸法および形状を有して、メンブレンの上方に配置された支持構造体をさらに備えたことを特徴とするデバイス。
【請求項１７】
請求項１５に記載のデバイスであって、
メンブレンが第１の基板から所定距離を超えて移動することを防止するような寸法および形状を有して、メンブレンの上方に配置された係止部をさらに備えたことを特徴とするデバイス。
【請求項１８】
請求項１８に記載のデバイスであって、
共有バルブ構造体を有する複数のポンプを有することを特徴とするデバイス。
【請求項１９】
請求項１５に記載のデバイスであって、
共有バルブ構造体は、３つまたはそれ以上のマイクロチャンネル上に配設されたメンブレンを有し、共有バルブ構造体に連結された複数の流体ポートを形成することを特徴とするデバイス。
【請求項２０】
請求項２０に記載のデバイスであって、
流体材料、気体材料、流体材料に実質的に溶解した固体材料、スラリ材料、乳濁液材料、懸濁した粒子を含む流体材料のうちの１つまたはそれ以上を貯蔵できる貯蔵部をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項２１】
請求項２０に記載のデバイスであって、
貯蔵部は、実質的に垂直方向に配置され、所定の垂直レベルまたはその付近における液体を貯蔵部から抽出するための液体抽出手段に連結可能であることを特徴とするデバイス。
【請求項２２】
請求項２０に記載のデバイスであって、
貯蔵部は、実質的に垂直方向に配置され、流体材料および粒子を含み、
粒子が貯蔵部の上部または底部で停滞しないように、ポンプが流体をデバイス内で循環させるために貯蔵部と連結されることを特徴とするデバイス。
【請求項２３】
請求項２０に記載のデバイスであって、
貯蔵部は、独立して作動可能な第１および第２のバルブ構造体の間に連結されることを特徴とするデバイス。
【請求項２４】
請求項２０に記載のデバイスであって、
ポンプ機構を介して内部接続された複数の貯蔵部をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項２５】
請求項２４に記載のデバイスであって、
ポンプ機構は、複数の貯蔵部から流体を送出する共有バルブ構造体を有することを特徴とするデバイス。
【請求項２６】
請求項８に記載のデバイスであって、
ポンプは、外部作用により作動可能なダイアフラムを形成する１つの非接合領域を有し、ポンプから流れる流体により作動可能な受動バルブ構造体を形成する２つの非接合領域にマイクロチャンネルを介して接続されることを特徴とするデバイス。
【請求項２７】
請求項８に記載のデバイスであって、
複数の分離された非接合領域を有するポンプをさらに有し、
各非接合領域は独立して作動可能なダイアフラム構造体を形成し、
各ダイアフラム構造体は、少なくとも１つの他のダイアフラム構造体と部分的に重なり合うことを特徴とするデバイス。
【請求項２８】
マイクロ流体デバイスであって、
上側表面および下側表面を含み、マイクロ構造物を内部に有する第１のポリスチレン基板と、
第１の基板の上側表面に溶剤接合されたポリスチレンメンブレンとを備え、
ポリスチレンメンブレンは、第１の基板の上側表面に実質的に対抗して配置された弛緩状態と、第１の基板の上側表面から離れるように移動した作動状態とを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２９】
マイクロ流体システムであって、
流体材料、気体材料、流体材料に実質的に溶解した固体材料、スラリ材料、乳濁液材料、懸濁した粒子を含む流体材料のうちの少なくとも１つを貯蔵できる貯蔵部と、
貯蔵部に連結された貯蔵ポンプチャンバであって、少なくとも２つの他のポンプチャンバに接続されたものと、
貯蔵ポンプチャンバおよび２つの他のポンプチャンバを順次作動させることができるコントローラとを備え、
材料が貯蔵ポンプチャンバ内に引き込まれた後、２つの他のポンプチャンバのそれぞれに部分的に引き込まれ、２つの他のポンプチャンバの一方に引き込まれた一部の材料が貯蔵ポンプチャンバに連続的に戻され得ることを特徴とするシステム。
【請求項３０】
統合型マイクロ流体システムであって、
複数のポンプ構造体と、
少なくとも１つの共有入口／出口バルブとを備え、
各ポンプ構造体は、入口／出口バルブと、マイクロ流体チャンネルを介して直列に接続されるドライブバルブとを有し、
共有出口／入口バルブは、マイクロ流体チャンネルを介してそれぞれのドライブバルブに接続されることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
請求項３０に記載のシステムであって、
少なくとも１つのドライブバルブは、少なくとも１つの他のドライブバルブに作動可能に接続されることを特徴とするシステム。
【請求項３２】
請求項３０に記載のシステムであって、
少なくとも１つの入口／出口バルブは、少なくとも１つの他のドライブバルブに作動可能に接続されることを特徴とするシステム。
【請求項３３】
統合型マイクロ流体システムであって、
複数の貯蔵部と、
マイクロ流体チャンネルを介して複数の貯蔵部のそれぞれに接続された複数の入口／出口バルブと、
マイクロ流体チャンネルを介して複数の共有入口／出口バルブのそれぞれに作動可能に接続された共有ドライブバルブとを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項３４】
請求項３３に記載のシステムであって、
それぞれ接続された入口／出口バルブと貯蔵部は、共有ドライブバルブに対して並列に配設されたことを特徴とするシステム。
【請求項３５】
請求項３３に記載のシステムであって、
それぞれ接続された入口／出口バルブと貯蔵部は、共有ドライブバルブに対して半径方向に配設されたことを特徴とするシステム。
【請求項３６】
請求項３３に記載のシステムであって、
少なくとも１つの容器は、別のドライブバルブに作動可能に接続されることを特徴とするシステム。
【請求項３７】
請求項３３に記載のシステムであって、
少なくとも２つの入口／出口バルブは、マイクロ流体チャンネルを介して内部接続されたことを特徴とするシステム。
【請求項３８】
統合型マイクロ流体システムであって、
複数のマイクロ流体チャンネルに作動可能に内部接続された複数のマイクロ流体バルブと、
複数のマイクロ流体バルブの少なくとも１つに作動可能に接続された複数の貯蔵部とを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項３９】
少なくとも１つの平坦な基板、および変形可能なメンブレンを有する活性マイクロ流体デバイスの製造方法であって、
基板の平面からメンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップと、
メンブレンの非変形部分と基板の接合表面を当接させるステップと、
基板とこれに接合すべきメンブレンの非変形部分との間の界面に接着剤を塗布するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の方法であって、
基板とメンブレンの非変形部分との間の界面に硬化性接着剤を塗布するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３９に記載の方法であって、
基板の平面からメンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップは、メンブレンの少なくとも一部分に物理的に当接して、基板から離れる方向に引っ張るステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項３９に記載の方法であって、
基板の平面からメンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップは、メンブレンの少なくとも一部分に物理的に当接して、基板に向かって押圧するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項３９に記載の方法であって、
少なくとも第２の基板をメンブレンの非変形部分の露出表面の少なくとも一部分に接合するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４０に記載の方法であって、
基板とメンブレンとの間の界面に接着剤を塗布するステップと、
メンブレンと基板の接合表面とを当接させるステップと、
基板の平面からメンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップと、
接着剤を硬化させるステップとを上記順序で実施することを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項４０に記載の方法であって、
メンブレンと基板の接合表面とを当接させるステップと、
基板とメンブレンとの間の界面に接着剤を塗布するステップと、
基板の平面からメンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップと、
接着剤を硬化させるステップとを上記順序で実施することを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項３９に記載の方法であって、
メンブレンと基板の接合表面とを当接させるステップと、
メンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップと、
基板とメンブレンとの間の界面に接着剤を塗布するステップとを上記順序で実施することを特徴とする方法。
【請求項４７】
少なくとも１つの平坦な基板、および変形可能なメンブレンを有する活性マイクロ流体デバイスの製造方法であって、
基板とメンブレンとの間の界面に硬化性接着剤を塗布するステップと、
メンブレンと基板の接合表面とを当接させるステップと、
基板の平面からメンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップと、
接着剤を硬化させるステップとを上記順序で実施することを特徴とする方法。
【請求項４８】
少なくとも１つの平坦な基板、および変形可能なメンブレンを有する活性マイクロ流体デバイスの製造方法であって、
メンブレンと基板の接合表面とを当接させるステップと、
基板とメンブレンとの間の界面に硬化性接着剤を塗布するステップと、
基板の平面からメンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップと、
接着剤を硬化させるステップとを上記順序で実施することを特徴とする方法。
【請求項４９】
少なくとも１つの平坦な基板、および変形可能なメンブレンを有する活性マイクロ流体デバイスの製造方法であって、
メンブレンと基板の接合表面とを当接させるステップと、
メンブレンの少なくとも一部分を変形させるステップと、
基板とメンブレンとの間の界面に接着剤を塗布するステップとを上記順序で実施することを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2009510337.tif 000060
2009510337.tif 000061
2009510337.tif 000062
2009510337.tif 000063