(57)【要約】  微小流体システムは、壁14を持つ少なくとも１つのマイクロチャネル、前記壁14に取り付けられた複数の繊毛アクチュエータ素子71、初期形状から最終形状へのそれらの形状の変化を引き起こすための刺激を前記複数の繊毛アクチュエータ素子71に適用するための手段を有し、前記繊毛アクチュエータ素子71は、液体にさらされていない場合のオリジナル形状を持つ。繊毛アクチュエータ素子71は、それらのオリジナル形状を前記初期形状に変えることによって特定の液体の存在に反応するように適応される。特定の液体の存在に対する反応は、繊毛アクチュエータ素子のオリジナル形状の湾曲である。複数の繊毛アクチュエータ素子への刺激の適用は、微小流体システム中の複雑な流体のフローを局所的に操作するための方法を提供する。
2009525882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側面を持つ壁を備える少なくとも１つのマイクロチャネル、
前記壁の前記内側面に取り付けられた複数の繊毛アクチュエータ素子、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に、それらの形状を初期形状から最終形状へ変化させるための刺激を適用する手段を有し、
前記繊毛アクチュエータ素子は液体にさらされていない場合のオリジナル形状を持ち、
前記繊毛アクチュエータ素子は、それらのオリジナル形状を前記初期形状に変化させることにより、特定の液体の存在に反応する、
微小流体システム。
【請求項２】
前記特定の液体が水である請求項１に記載の微小流体システム。
【請求項３】
前記特定の液体の存在への反応が、前記繊毛アクチュエータ素子の形状の曲がりである、請求項１又は請求項２に記載の微小流体システム。
【請求項４】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子がポリマーアクチュエータ素子である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の微小流体システム。
【請求項５】
前記ポリマーアクチュエータ素子がポリマーMEMSを有する、請求項４に記載の微小流体システム。
【請求項６】
前記ポリマーアクチュエータ素子が、液晶ポリマーネットワーク材料、及び／又は、前記アクチュエータに用いられる材料の厚みにわたる分極の勾配、及び／又は、前記特定の液体中で一方の層が他方の層よりも膨張する２層構造、のうちの少なくとも１つを有する、請求項５に記載の微小流体システム。
【請求項７】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を適用する前記手段が、電場生成手段又は磁場生成手段のうちの１つである、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の微小流体システム。
【請求項８】
前記繊毛アクチュエータ素子に刺激を適用する前記手段が磁場生成手段である、請求項７に記載の微小流体システム。
【請求項９】
前記繊毛アクチュエータ素子がさらに、一様な持続性磁性層、パターニングされた持続性磁性層又は磁性粒子のうちの１つを有する、請求項８に記載の微小流体システム。
【請求項１０】
前記繊毛アクチュエータ素子に刺激を適用する前記手段が電場生成手段である、請求項７に記載の微小流体システム。
【請求項１１】
前記繊毛アクチュエータ素子がさらに電極を有する請求項１０に記載の微小流体システム。
【請求項１２】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子が、第１及び第２の列に配置され、アクチュエータ素子の第１の列が、前記壁の前記内側面の第１の位置に配置され、繊毛アクチュエータ素子の第２の列が、前記壁の前記内側面の第２の位置に配置され、第１の位置及び第２の位置が、互いに実質的に対向している、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の微小流体システム。
【請求項１３】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子が、２次元アレイを形成するように配置される繊毛アクチュエータ素子の複数の列に配置される、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の微小流体システム。
【請求項１４】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子が、前記壁の前記内側面にランダムに配置される、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の微小流体システム。
【請求項１５】
少なくとも１つのマイクロチャネルを有する微小流体システムの製造方法であって、
前記少なくとも１つのマイクロチャネルの壁の内側面に、複数の繊毛アクチュエータ素子を提供し、前記繊毛アクチュエータ素子は液体にさらされていない場合のオリジナル形状を有し、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に、それらの形状を初期形状から最終形状へ変化させるための刺激を適用する手段を提供し、
前記繊毛アクチュエータ素子は、それらのオリジナル形状を前記初期形状に変化させることにより、特定の液体の存在に反応する、製造方法。
【請求項１６】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子の提供が、前記壁の前記内側面上に長さLの犠牲層を堆積し、アクチュエータ材料を前記犠牲層上に堆積し、前記犠牲層を完全に除去することで前記壁の前記内側面から前記アクチュエータ材料を解放することによって実行される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記犠牲層の除去がエッチング工程を実行することにより行われる請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記繊毛アクチュエータ素子が、液晶ポリマーネットワーク材料、及び／又は、前記アクチュエータに用いられる材料の厚みにわたる分極の勾配、及び／又は、前記液体中で一方の層が他方の層よりも膨張する２層構造、のうちの少なくとも１つを有する、請求項１５から請求項１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記繊毛アクチュエータ素子に、一様な持続性磁性層、パターニングされた持続性磁性層、又は磁性粒子のうちの１つを提供することをさらに含む、請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記繊毛アクチュエータ素子に刺激を適用する手段を提供することは、磁場生成手段を提供することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記繊毛アクチュエータ素子に電極を提供することをさらに含む、請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記繊毛アクチュエータ素子に刺激を適用する手段を提供することは、電場生成手段を提供することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
微小流体システムのマイクロチャネル中の流体フローを制御する方法であって、前記マイクロチャネルは内側面を持つ壁を備え、当該方法は、
前記壁の前記内側面に複数の繊毛アクチュエータ素子を提供し、前記繊毛アクチュエータ素子は各々、液体にさらされていない場合のオリジナル形状を有し、
前記繊毛アクチュエータ素子に、それらの形状を初期形状から最終形状に変化させるための刺激を適用し、
前記繊毛アクチュエータ素子は、それらのオリジナル形状を前記初期形状に変化させることにより、特定の液体の存在に反応する、方法。
【請求項２４】
前記繊毛アクチュエータ素子への刺激の適用が、磁場を印加することにより実行される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記繊毛アクチュエータ素子への刺激の適用が、電場を印加することにより実行される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
バイオテクノロジーアプリケーション、製薬アプリケーション、電気的アプリケーション又は電子的アプリケーションにおける、請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の微小流体システムの使用。
【請求項２７】
内側面を持つ壁を備えて液体を収容する少なくとも１つのマイクロチャネルを有する微小流体システムであって、当該微小流体システムはさらに、
前記壁の前記内側面に取り付けられた複数の電気活性ポリマーアクチュエータ素子、及び
それによって前記液体を前記マイクロチャネルに沿った方向に駆動するために、前記複数の電気活性ポリマーアクチュエータ素子に刺激を適用する手段、を有し、
前記電気活性ポリマーアクチュエータ素子は形状を変化させることにより前記液体の存在に反応する、微小流体システム。
【請求項２８】
前記複数の電気活性ポリマーアクチュエータ素子が、ポリマーゲル又はイオン化構文氏金属複合体（IPMC）からなる、請求項２７に記載の微小流体システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流体システム、そのような微小流体システムの製造方法、及びそのような微小流体システムのマイクロチャネルを通る流体フローを制御又は操作するための方法に関する。微小流体システムは、バイオテクノロジーアプリケーション及び製薬アプリケーションにおいて、並びにマイクロエレクトロニクスアプリケーションにおけるマイクロチャネル冷却システムに使用されることができる。
【背景技術】
【０００２】
微小流体工学は、一般的な溶滴と比べて1000倍小さい体積の流体のふるまいを研究する、物理学、化学、工学及びバイオテクノロジーを含む多くの専門にわたる分野に関する。微小流体素子は、いわゆる"lab-on-a-chip"装置又はバイオチップネットワークの基礎を形成し、マイクロリットル及びナノリットルの体積の流体を処理することができ、高度にセンシティブな分析的測定を実行することができる。微小流体装置を作成するために使用される製造技術は、比較的安価であり、高度に精巧な多重化された装置の大量生産を可能にする。マイクロエレクトロニクスのための技術と同様に、微小流体技術は、同じ基板チップ上でいくつかの異なる機能を実行するための高度に集積化された装置の製造を可能にする。
【０００３】
微小流体チップは、迅速なDNA分離及びサイジング、セル操作、セルソーティング並びに分子検出のような、多くの今日の成長の速いバイオテクノロジーに対する重要な基盤になっている。微小流体チップに基づく技術は、従来のマクロサイズの対応物に勝る多くの利点を提供する。微小流体工学は、とりわけ遺伝子チップ及びタンパク質チップの開発活動における重要な要素である。
【０００４】
全ての微小流体装置において、流体フローを制御することが基本的に必要であり、すなわち、流体は、輸送され、混合され、分離され、そして典型的に約0.1mm以下の幅を有するチャネルから構成されるマイクロチャネルシステムを通して導かれなければならない。微小流体駆動における課題は、マイクロチャネル中の可変配合の複合流体（例えば唾液と全血）のフローを調整又は操作するためのコンパクトな及び信頼性が高い微小流体システムを設計することである。例えば、圧力駆動スキーム、ミクロン単位で製造された機械弁及びポンプ、インクジェット型ポンプ、動電学的に制御されたフロー及び表面音波のような、様々な駆動メカニズムが、開発されて現在使用されている。
【０００５】
US 2003/0142901において、微小流体工学のための駆動方法が提供される。この方法は、毛細管の化学親和力の変化を制御することによって動作する。この方法は、前記毛細管の内部壁上に材料のナノ層を堆積すること、及び前記毛細管に対する外部刺激の適用を含む。例えばUS2003/0142901において説明される外部刺激は、とりわけ、電圧、印加電圧の変化、磁場、磁場の除去、静電容量の変化、静電場の適用又は除去である。説明された方法の原理は、刺激を適用した際の第１の構造状態から第２の構造状態へのナノ層のシフトに依存する。この従来技術文献中に例えば説明される構造状態は、一般的に、例えば、シス構成二重結合からトランス構成二重結合への変化、軸まわりの分子基の回転、又は分子鎖の曲げ及び伸長のような分子構造変化である。そのようなナノ層で被覆される毛細管の化学親和力が変化するときに、前記毛細管中のフローの方向又は速度の制御が可能にされる。例えば、US 2003/0142901は、流体の溶滴のためのコンベヤを作成するために、チャネルに沿って徐々に構造を反転させる提案する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、微小流体装置中のチャネルを通して液体を運搬するこの方法を使用すると、使用されるナノ層が、非常に薄いので、（例えばチャネルの表面の下のナノ層の浸食又は泳動を介して）急速に経時劣化を起こす可能性があるという不都合がある。他の不都合は、そのようなシステムが、チャネルを通して流体の連続的なフローを駆動することができず、液滴の輸送に制限されることである。
【０００７】
本発明の目的は、改善された他の微小流体システム並びにその製造及び動作方法を提供することである。本発明の利点は、小型であること、安価であること及び加工が容易であることのうちの少なくとも１つである。
【０００８】
上記の目的は、本発明の方法及び装置によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の特定の及び好ましい態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に述べられる。従属請求項からの特徴は、適切に、単に請求項中に明示的に述べられるようにではなく、独立請求項の特徴及び他の従属請求項の特徴に組み合わせられることができる。
【００１０】
第１の態様において、本発明は、内側面を持つ壁を備える少なくとも１つのマイクロチャネルを有する微小流体システムを提供し、当該微小流体システムはさらに、
- 前記壁の前記内側面に取り付けられた複数の繊毛アクチュエータ素子、
-前記複数の繊毛アクチュエータ素子に、それらの形状及び／又は方位を初期形状及び／又は方位から最終形状及び／又は方位へ変化させるための刺激を適用するための手段、
を有し、各々の繊毛アクチュエータ素子は、液体にさらされていない場合のオリジナル形状を有する。
【００１１】
繊毛アクチュエータ素子は、前記オリジナル形状及び／又は方位から前記初期形状及び／又は方位にそれらの形状を変化させることで、特定の液体（例えば水）の存在に反応するように適応される。前記特定の液体の存在に対する反応は、繊毛アクチュエータ素子のオリジナル形状の曲がりであることができる。
【００１２】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に対する刺激の適用は、微小流体システムにおいて複合流体のフローを局所的に操るための方法を提供する。アクチュエータ素子は、流体フローの特定の方向を達成するために、個別に又はグループで、駆動され又はアドレス指定されることができる。
【００１３】
液体により引き起こされる形状の変化と、複数のアクチュエータ素子に適用される外部刺激との、提案された組み合わせの利点は、バイオセンサチップを含む微小流体バイオセンサ中のような液体ベースの（例えば水ベースの）環境に素子を接触させることによって、アクチュエータ素子の前記初期形状が、自動的に引き起こされることである。前記初期形状は、好ましくは湾曲した形状である。この湾曲した形状は、液体環境が保たれる限り、本来の非作動状態のままである。
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態において、アクチュエータ素子は、ポリマーアクチュエータ素子であることができ、例えばポリマーMEMSを有することができる。ポリマー材料は一般的に、脆くなく丈夫であり、比較的安価で、大きなひずみ（最高100%）に至るまで弾性があり、そして単純な加工によって広い表面積で加工可能であるという見通しを与える。したがって、それらは、本発明のアクチュエータ素子の形成に用いるのに特に適している。本発明による最も好ましい実施の形態において、アクチュエータ素子は、特定の液体の存在中で形状を変化させることができ、例えば、水の存在中で湾曲した形状をとることができる。この最も好ましい実施例において、繊毛アクチュエータ素子を形成するために使用される材料は、水に反応するLCポリマーネットワーク材料、その厚みにわたって極性の勾配を示す材料、又は一方の層が他の層よりも水中で膨張する２層構造のうちの１つであるか、又はそれらのうちの１つを含むことができる。
【００１５】
複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を適用するための手段は、電場生成手段（例えば電圧源）、又は外部若しくは内部磁場生成手段のうちの１つであることができる。
【００１６】
そして磁気刺激の場合には、アクチュエータ素子は、一様な持続性磁性層、パターニングされた持続性磁性層、磁性粒子のうちの１つを有することができる。静電気刺激の場合には、アクチュエータ素子は、電極（例えば導電層）を有することができる。
【００１７】
本発明の実施の形態において、複数の繊毛アクチュエータ素子は、第１及び第２の列で配置されることができ、アクチュエータ素子の第１の列は、壁の内側面の第１の位置で配置され、アクチュエータ素子の第２の列は、壁の内側面の第２の位置に配置され、第１の位置及び第２の位置は、実質的に互いに対向する。
【００１８】
本発明の他の実施の形態において、複数の繊毛アクチュエータ素子は、２次元アレイを形成するように配置されることができる、アクチュエータ素子の複数の列に配置されることができる。
【００１９】
本発明の更なる実施の形態において、複数の繊毛アクチュエータ素子は、マイクロチャネルの壁の内側面にランダムに配置されることができる。
【００２０】
本発明の第２の態様において、少なくとも１つのマイクロチャネルを有する微小流体システムの製造方法が提供される。当該方法は、
- 液体にさらされていない場合にオリジナル形状を有する複数の繊毛アクチュエータ素子を、前記少なくとも１つのマイクロチャネルの壁の内側面に提供し、
-前記アクチュエータ素子の形状及び／又は方位を初期形状及び／又は方位から最終形状及び／又は方位に変化させるために、前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を適用するための手段を提供し、
前記繊毛アクチュエータ素子は、それらの形状を前記オリジナル形状から前記初期形状に変化させることによって、特定の液体の存在に反応する。
【００２１】
繊毛アクチュエータ素子を提供することは、
- 前記壁の内側面上に長さLを有する犠牲層を堆積させるステップ、
- 前記犠牲層の上にアクチュエータ材料を堆積させるステップ、
- 前記犠牲層を完全に除去することによって前記壁の前記内側面から前記アクチュエータ材料を解放するステップ、
によって実行されることができる。
【００２２】
犠牲層を除去することは、エッチングステップによって実行されることができる。
【００２３】
本発明の実施の形態によれば、本方法は、
- 液晶（LC）ポリマーネットワーク材料、及び／又は
- 前記アクチュエータに使用される材料の厚みにわたる極性の勾配、及び／又は
- 一方の層が他の層よりも前記液体中で膨張する２層構造、
のうちの少なくとも１つを有する繊毛アクチュエータ素子を提供する。
【００２４】
本発明の実施の形態によれば、本方法は、一様な持続性磁性層、パターニングされた持続性磁性層、磁性粒子又は電極のうちの１つを有する繊毛アクチュエータ素子をさらに提供することができる。繊毛アクチュエータ素子に刺激を適用するための手段は、磁場生成手段又は電場生成手段を提供することを含むことができる。
【００２５】
本発明の更なる態様において、微小流体システムのマイクロチャネル中の流体フローを制御するための方法が提供される。マイクロチャネルは、内側面を持つ壁を備える。当該方法は、
-複数の繊毛アクチュエータ素子を前記壁の前記内側面に提供し、前記アクチュエータ素子各々はオリジナル形状及び／又は方位を有し、
- 初期形状及び／又は方位から最終形状及び／又は方位への、それらの形状及び／又は方位の変化を引き起こすために、前記アクチュエータ素子に刺激を適用し、
前記繊毛アクチュエータ素子は、前記オリジナル形状から前記初期形状に形状を変化させることによって、特定の液体の存在に反応する。
【００２６】
本発明の特定の実施の形態において、刺激をアクチュエータ素子に適用することは、磁場を印加することによって又は電場を印加することによって実行されることができる。
【００２７】
更なる態様において、本発明はまた、内側面を持つ壁を備えて液体を収容する少なくとも１つのマイクロチャネルを有する微小流体システムを含み、当該微小流体システムはさらに、
- 前記壁の前記内側面に取り付けられる複数の電気活性ポリマー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ために、前記複数の電気活性ポリマーアクチュエータ素子に刺激を適用するための手段、
を有し、
前記アクチュエータ素子は、それらの形状を変化させることによって、前記液体の存在に反応する。
【００２８】
電気活性ポリマーアクチュエータ素子は、ポリマーゲル、イオン化ポリマー金属複合体（Ionomeric Polymer-Metal composite: IPMC）又は他の適切な電気活性ポリマー材料からなることができる。
【００２９】
本発明による微小流体システムは、バイオ技術関連アプリケーション、製薬アプリケーション、電気的アプリケーション又は電子的アプリケーションに使用されることができる。
【００３０】
本発明の上記の及び他の特性、特徴及び利点は、本発明の原理を一例として示す添付の図面とともに、以下の詳細な説明から明らかになる。この説明は、本発明の範囲を制限することなく、単に例として与えられる。以下で引用される参照図は、添付の図面に関連する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
異なる図において、同じ参照符号は同じ又は類似した要素を参照する。
【００３２】
本発明は、特定の実施の形態に関して、特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれらに限定されず、請求の範囲によってのみ規定される。請求項中の任意の参照符号は請求の範囲を制限するように解釈されるべきでない。記載される図面は、単なる概要であって、制限しない。図において、いくつかの要素のサイズは、説明の便宜上、誇張されている場合があり、縮尺通りに描かれていない場合がある。「有する」との用語が本説明及び請求項において用いられる場合、それは他の要素又はステップを除外しない。名詞が単数形で記載されたとしても、他のことが特に明示されていない限り、これはその名詞のものが複数存在することを含む。
【００３３】
さらに、詳細な説明及び請求の範囲中の「第１」「第２」「第３」等の用語は、同様の要素を区別するために用いられ、必ずしも連続した順序又は経時的な順序を表現するものではない。そのように用いられる用語は適切な状況の下で相互に交換可能であり、本願明細書において記載される本発明の実施の形態は、本願明細書に記載され又は説明された以外の他の順序で動作可能であることが、理解されるべきである。
【００３４】
さらに、詳細な説明及び請求の範囲中の「上部」（top）、「下部」（bottom）、「〜の上」（over）、「〜の下」（under）等の用語は、描写目的のために用いられ、必ずしも相対位置を記載するためではない。そのように用いられる用語は、適切な状況の下で相互に交換可能であり、本願明細書において記載される本発明の実施の形態は、本願明細書において記載され又は説明される以外の他の幾何学的配置で動作可能であることが、理解されるべきである。
【００３５】
第１の態様において、本発明は、微小流体システムのマイクロチャネル中の流体の輸送、（局所的な）混合、又は方向付けを可能にする手段を備える微小流体システムを提供する。第２の態様において、本発明は、そのような微小流体システムの製造方法を提供する。第３の態様において、本発明は、微小流体システムのマイクロチャネル中の流体フローを制御する方法を提供する。本発明による微小流体システムは、経済的で、加工が簡単である一方、頑丈で、小型であり、非常に複雑な流体に適している。
【００３６】
本発明の第１の態様において、微小流体システムは、少なくとも１つのマイクロチャネルと、前記少なくとも１つのマイクロチャネルの壁の内側面に、集積化アクチュエータ素子又はアクチュエータとも呼ばれる集積化微小流体素子とを有する。アクチュエータ素子は、本発明の任意の実施の形態において、例えば、ユニモルフ、バイモルフ又はマルチモルフであることができる。アクチュエータ素子は、液体にさらされていない場合、すなわち乾燥した非作動状態において、オリジナル形状を持つ。本発明では、アクチュエータ素子は、それらの形状を変化させることによって、特定の流体の存在に反応するように適応される。特定の流体と接触したアクチュエータ素子は、濡れた非作動状態と呼ばれる。濡れた非作動状態において、アクチュエータ素子のオリジナル形状は初期形状に変化し、その初期形状から、微小流体システムの少なくとも１つのマイクロチャネル中の流体の輸送、（局所的な）混合又は方向付けの実行が開始される。微小流体システムは、初期形状及び／又は方位から最終形状及び／又は方位へのそれらの形状及び／又は方位の変化を引き起こすために、前記アクチュエータ素子に刺激を適用するための手段をさらに有する。初期形状から最終形状への形状及び／又は方位の変化は、アクチュエータ素子がどのようにアドレス指定されるかに依存して、微小流体システムの少なくとも１つのマイクロチャネル中の流体の輸送、（局所的な）混合又は方向付けを引き起こす。したがって、液体ベースの環境は、制御された曲率であることができるアクチュエータ素子の初期の歪んだ形状を設定し、一方、外部刺激（例えば磁気刺激又は静電気刺激）はそれらを真っ直ぐにすることによって能動的にアクチュエータ素子を駆動する。磁気刺激又は静電気刺激が除去されると、素子は、それらの液体により誘導された形状に戻る。
【００３７】
本発明の一態様において、マイクロアクチュエータ、特に本発明によるポリマーマイクロアクチュエータの想像される動作態様は、自然によって示唆される。自然は、小規模で（すなわち1〜100ミクロンスケールで）、流体を操作するための様々な態様を知っている。見いだされる１つの特定のメカニズムは、例えばゾウリムシのような微生物、側鰓及び乳白色ガラスの外部表面上の拍動する繊毛の覆いに起因する。繊毛運動性のクリアランスはまた、混入物を除去するために哺乳類の気管支及び鼻に用いられる。繊毛は、例えば原生動物中で、10μmの典型的な長さ及び0.1μmの典型的な直径を持つことができる、表面に付着した小さな毛又はフレキシブルな棒として、確認されることができる。微生物の推進力メカニズムはさておき、繊毛の他の機能は、ひだの清掃、摂食、排泄及び生殖にある。例えば、人間の気管は、肺から上の方へ粘液を輸送する繊毛でおおわれている。繊毛は、また、長い柄によって堅い基体に付着する固着生物によって、饋電電流を発生するために用いられる。柄を周期的に長くし及び短くすることによる繊毛運動の連動した活動は、無秩序な渦を引き起こす。これは、周囲の流体の無秩序なろ過動作に帰着する。
【００３８】
上記の議論は、繊毛がマイクロチャネル中の流体の輸送及び／又は混合に用いられることができることを示す。繊毛運動及びフローの力学は、長年、動物学者及び流体機械論者の両方に興味を起こさせた。１つの繊毛の拍動は、２つの異なるフェーズ、すなわち、繊毛が所望の方向に流体を駆動する際の速い有効ストローク（図9の曲線1〜3）、及び繊毛が生成された流体運動に対するその影響を最小化しようとする際の回復ストローク（図9の曲線4〜7）に分けられることができる。現実には、流体運動は、微生物の表面に沿ってその全体に列をなした高密度の繊毛によって引き起こされる。隣り合う繊毛の一方向への運動は位相を異にしており、この現象は継時性と呼ばれる。したがって、繊毛の運動は、微生物上を通過する波のように見える。図10は、（図10において左向きの）経時波（metachronic wave）におけるそれらの協調を示す繊毛のそのような波8を示す。繊毛による流体の運動を記述するモデルは、J.Blakeによって'A model for the micro-structure in ciliated organisms', J. Fluid. Mech. 55, p.1-23 (1972) において発表される。この論文において、流体フローへの繊毛の影響は、繊毛をそれらの中心線に沿った、流体内で点力として考察されることができる"Stokeslet"の集まりとして表すことによって、モデル化されることが説明される。時間内のこれらのStokesletの運動が規定され、結果として生じる流体フローが算出されることができる。単一の繊毛に起因するフローだけが算出されるわけではなく、１つの壁の上部を無数の流体層で覆い、経時波に従って運動する繊毛の集まりに起因するフローも算出される。
【００３９】
好ましい本発明の態様が利用するアプローチは、微細なアクチュエータ素子に基づく「人工繊毛」でマイクロチャネルの壁をおおうことによってマイクロチャネル中で繊毛に似た流体操作を模倣することであり、微細なアクチュエータ素子は、本発明によると、液体の存在への反応としてそれらの形状を変化させる構造であって、さらに特定の外部刺激に反応してそれらの形状及び／又は方位を変化させる。したがって、本発明の一態様は、人工繊毛の経時的な活動のための手段を備えたポンプのような流体フロー装置を提供する。以下の説明では、ポリマーアクチュエータ素子のようなこれらの微小なアクチュエータ素子はまた、例えば、アクチュエータ、ポリマーアクチュエータ若しくはマイクロポリマーアクチュエータ、アクチュエータ素子、マイクロポリマーアクチュエータ素子又はポリマーアクチュエータ素子と呼ばれる場合がある。任意のこれらの用語が更なる説明において用いられる場合は常に、本発明の同じ微小アクチュエータ素子を意味することに注意すべきである。例えば、マイクロポリマーアクチュエータ素子又はポリマーアクチュエータは、個別に又はグループで、磁場又は電場によって、動かされることができる。
【００４０】
１つ以上の材料から形成されるアクチュエータ素子が本発明によって用いられることができ、前記材料の少なくとも１つは、水のような液体に反応することができ、前記液体と接触した際にアクチュエータ素子の形状を初期形状に変化させ、アクチュエータ素子を形成する少なくとも同じ又は他の材料は、静電場、磁場又は電場のような外部刺激に反応することができる。書籍"Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles", Bar-Cohen編, SPIE Press, 2004から、静電場、磁場又は電場のような外部刺激に反応することができる適切な材料を特定することができる。電気的に活性化されているアクチュエータ素子の部品を形成するために用いられることができるポリマー材料の例は、強誘電性ポリマー、すなわちポリフッ化ビニリデン（PVDF）である。通常、低い弾性スティフネス及び高い誘電率を有する全ての適切なポリマーは、それらを電場にさらすことによって大きな駆動ひずみを引き起こすために用いられることができる。他の適切なポリマーは、例えばイオン化高分子金属複合体（IPMC）材料、又は例えばペルフルオロスルホン酸（perfluorsulfonate）及びペルフルオロ炭酸塩（perfluorcarbonate）であることができる。例えばBar-Cohenによる上述した書籍中に見いだされる適切な材料が液体の存在に反応を示さない場合、それらは、例えばそのような反応を示す他の材料を追加することによって、反応するように特に適応されなければならない。他の材料の追加は、２つの材料を組み合わせることによって、又は異なる材料の複数の層を提供することによって実行されることができる。
【００４１】
本発明によれば、集積化微小流体素子は、好ましくはポリマー材料に基づくことができる。適切な材料は、Bar-Cohenによる上記の書籍中に見いだされることができる。しかしながら、他の材料も、アクチュエータ素子に用いられることができる。本発明のアクチュエータ素子を形成するために用いられることができる材料は、形成されたアクチュエータ素子が以下の特性を備えるような材料でなければならない。
- アクチュエータ素子は、柔軟である（すなわち堅くない）必要がある。
- アクチュエータ素子は、丈夫であり、脆くない必要がある。
- アクチュエータ素子は、湾曲し又はさもなければ形状を変化させることによって、特定の液体に反応しなければならない。
- アクチュエータ素子は、真っ直ぐになり又は形状を変化させることによって、電場及び／又は磁場に反応しなければならない。
- アクチュエータ素子は、比較的安価なプロセスによって容易に加工できなければならない。
【００４２】
駆動刺激の種類に依存して、アクチュエータ素子を形成するために用いられる材料は、機能化されなければならない。上記の要約されたリストの第１、第２及び第５の特性を考えると、ポリマーは、アクチュエータの少なくとも一部のために好ましく、すなわち、ポリマーはアクチュエータの構成部分として用いられることができ、又はポリマーはアクチュエータの層として用いられることができる。例えば本発明での利用に全く適切でないポリスチレンのような非常に脆いポリマーを除いて、ほとんどの種類のポリマーが、本発明の実施の形態によって用いられることができる。静電気駆動又は磁気駆動（さらに参照）を可能にするために、金属は、例えばイオン化高分子金属複合物（IPMC）中で、アクチュエータ素子の一部として用いられることができる。例えば、磁気駆動のために、FeNi又は他の磁性材料が、アクチュエータ素子の一部を形成するために用いられることができる。本発明によると、全ての適切な材料、すなわち、例えば液体に対する反応として、並びに、電気刺激及び／又は磁気刺激のような外部刺激に対する反応として、機械的に変形することによって、形状を変化させることができる材料が、用いられることができる。外部刺激に対してそのような機械的な反応を示し、本発明による方法に用いられるアクチュエータ素子の一部を形成するように適用されることができる従来の材料は、例えばチタン酸バリウム、水晶又はチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）のような、電気活性圧電セラミックスであることができる。これらの材料は、膨張することによって、（例えば印加電場のような）適用された外部刺激に反応することができる。しかしながら、電気活性セラミックスの重大な欠点は、それらは脆く、すなわち、非常に容易に砕けてしまい、小さな構造として加工するのが難しいことである。さらに、電気活性セラミックスの加工技術は、かなり高価であり、大きな表面積に拡大されることができない。したがって、電気活性圧電セラミックスは、限られた数の場合においてのみ適切である。
【００４３】
本発明によるアクチュエータ素子の一部として用いられることができる他の材料は、全ての種類の電気活性ポリマー（Electroactive Polymer：EAP）を含む。それらは、非常に一般的に、２つの種類（イオン性及び電子的）に分類されることができる。電子的に活性化されたEAPは、任意の電歪エラストマ（例えば電歪グラフトエラストマ）、静電（誘導）エラストマ、圧電エラストマ、磁性エラストマ、電気粘弾性エラストマ、液晶エラストマ、及び強誘電駆動ポリマーを含む。イオン性EAPは、イオンポリマーゲルのようなゲル、イオン化高分子金属複合体（IPMC）、導電性ポリマー及びカーボンナノチューブを含む。任意の上記のEAPは、有意な反応によって曲がり又は真っ直ぐになるように作成され、そして、例えば繊毛アクチュエータの形状で用いられることができる。
【００４４】
それらの形状を変化させるように水のような液体に反応することができる適切な材料は、例えば液体に反応するポリマーの全ての種類を含む。これらは、特定の液体の存在において形状及び／又は体積を変化させることができ、したがって、上で述べたように、静電場、磁場又は電場のような外部刺激に反応することができる材料と組み合わせて、本発明に用いられるのに特に適しているポリマーである。液体に反応するこれらのポリマーの中で、水に反応するポリマーが、本発明に用いられるのに特に適している。特に、水中で膨張することができる水吸収ポリマーが、用いられることができる。水吸収ポリマーの特に適切な種類は、ヒドロゲルである。ヒドロゲルは、架橋ポリマー、及びかなりの程度で水を吸収及び維持することができるコポリマー（それらは99%以上の水を収容することができる）の類ある。本発明によって用いられることができるヒドロゲルの非制限的な例は、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリアクリレートなどである。ヒドロゲルのサブクラスは、例えば、pH（例えば2-ヒドロキシエチルメタクリル酸共アクリル酸）、化学的若しくは生物学的作用剤、T°（例えばポリ-N-イソプロピルアクリルアミド）、又は電場のような外部刺激に曝された際に、相転移及び相当な体積変化を受けることができる。いくつかの状況において、ヒドロゲルの前記サブクラスは、水及び磁場又は電場への暴露に加えて、追加の制御パラメータを導入するために、本発明において用いられることができる。
【００４５】
本発明に用いられるのに適した水に反応する材料の他のクラスは、それらの厚みにわたる極性の勾配を示す重合材料である。
【００４６】
本発明の範囲内で用いられることができる水に反応する材料のさらに他のクラスは、液晶（LC）ポリマーネットワーク材料のサブクラスである。LCポリマーネットワーク材料の前記サブクラスは、水分子が結合を切り、その結果ネットワークに浸透するという意味において、水に反応する。水が浸透すると、LC材料は液晶分子の方向に異方的に膨張し、加工の際に液晶分子達が膜の厚みにわたってねじられて配向するように配慮した場合、材料の湾曲を引き起こすことができる。
【００４７】
上記のために、本発明によって、本発明のアクチュエータ素子は、好ましくは、ポリマー材料で形成されることができ、又は構成の一部としてポリマー材料を含むことができる。したがって、更なる説明において、本発明はポリマーアクチュエータ素子によって説明される。しかしながら、本発明は、ポリマー以外の材料が、上述のように、アクチュエータ素子を形成するために用いられる場合にも適用されることができることが、当業者によって理解されなければならない。ポリマー材料は、通常、脆くなく丈夫であり、比較的安価で、大きなひずみ（最高100%）に至るまで弾力性があって、単純なプロセスによって広い表面積で加工が可能であるという見通しを与える。
【００４８】
以下に、本発明の３つの特定の非制限的な実施の形態が説明される。これらの特定の実施の形態において、ポリマーアクチュエータ素子71は、以下のいずれかによって、濡れた非作動状態における曲った形状から、濡れた作動状態における真っ直ぐの形状に変化することができる。
a) 図1を参照して以下に記載されるように、それぞれポリマー微小電気機械システム（ポリマーMEMS）10及び壁14中の又はその上の電極11及び15に電位を印加すること。
b)（例えば（電）磁石による）外部手段を用いて、又は（例えば集積化された導電線若しくはコイルによる）内部手段を用いて、外部磁場を印加すること。これは、図7及び8を参照して後述するように、ポリマーMEMS10中の磁性層又は粒子に作用する磁力をもたらす。
c) a)及びb)の組み合わせ。
【００４９】
本発明の第１の特定の非制限的な実施の形態において、電気的/磁気的刺激が適用されないときに、すなわち濡れた非作動状態において、液体媒質（例えば水性媒質）中のアクチュエータ素子に対して観察される上方への湾曲は、前記アクチュエータ素子中の材料としてLCポリマーネットワーク材料を含むことによって可能になる。LCポリマーネットワーク材料は、水37のような液体に反応するように作成されることができる。図3は、整然としたLCポリマーネットワークで作成されたポリマーMEMS10の原理を示す。約3nmの分子長さスケール（L0）が、材料オーダーの特性を表す。液晶分子は、結合が液体（例えば水分子37）の存在によって切られるという意味において、液体（例えば水分子37）に敏感である。後者は、材料に浸透し、それは液晶分子の方位の方向に異方的に膨張することによって反応する。したがって、特性分子長さスケールは、図3の右部分に示すように、Ltに増加する。注意深い加工によって、液晶分子の方位は、膜の厚みにわたって、すなわち梁の一方の面から他方の面にかけてねじれているために、膜は湾曲することによって反応する。
【００５０】
本発明の第２の特定の非制限的な実施の形態において、電気的/磁気的刺激が適用されないときに、すなわち濡れた非作動状態において、液体媒質（例えば水性媒質）中のアクチュエータ素子に対して観察される上方への湾曲は、前記アクチュエータ素子71に用いられる材料の厚みにわたる極性の勾配44を作り出すことによって可能になる。原理は図4に示される。出発点は、例えば無極性モノマーと極性モノマーとの混合であり、それによって、無極性モノマー（例えばヘキサンジオールジアクリレート（HDDA））は、ゆっくりと反応する極性モノマー（例えばヒドロキシプロピルアクリル酸塩）よりも速く反応する。さらに、色素（例えば2-(2H-benzotriazol-2-yl)-4-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)-6-(1-methyl-1-phenylethyl)phenol）及び光重合開始剤（例えば2-methyl-1,2-diphenyl-1-propanone）が、添加される。膜は、膜の上部から紫外線を照射することによって、硬化処理される。膜中に存在する色素は、部分的に紫外線を吸収し、膜厚にわたる光強度勾配44を引き起こし、膜の中の光強度は上部が下部よりも大きい。架橋結合は、最高強度の領域すなわち上部で始まり、反応の速い（無極性）分子が最初に架橋する。このプロセスの間、よりゆっくりと反応する（極性）分子は下部に拡散して、後で架橋する。したがって、その厚みにわたって極性勾配44を有する完全に架橋された膜が最終的に得られる。そしてこの場合には、無極性の上面41及び極性の底面42を備えている。結果として、膜は、極性の液体（例えば水）に入れられると上方向へ湾曲し、無極性の液体に導入されると下方向に湾曲する。
【００５１】
本発明の第３の特定の非制限的な実施の形態において（図5を参照）、電気的/磁気的刺激が適用されないときに、すなわち濡れた非作動状態において、液体媒質（例えば水性媒質）中のアクチュエータ素子71に対して観察される上方への湾曲は（状況A）、２層のポリマーMEMS10を構成することによって可能になり、２層のうちの一方（層52）は液体（例えば水）中で膨張し、他方（層51）は膨張しないか又はより少ない程度で膨張する。これは、例えば、ヒドロゲル層を他の層と結合することによって実行されることができる。ポリマーMEMS10が無極性の液体の存在中にある場合、ポリマーMEMSは、濡れた非作動状態において、下方へ曲がる（状況B）。濡れた作動状態において、アクチュエータ素子71は真っ直ぐになるように作成されることができる。
【００５２】
先の３つの特定の非制限的な実施の形態のいずれかにおいて説明されたアクチュエータ素子71を作動させるために、アクチュエータ素子は、磁場又は電場に反応するように作成されなければならない。
【００５３】
磁場を印加することによってアクチュエータ素子71を作動させることができるために、アクチュエータ素子71は、磁気的性質を備えていなければならない。ポリマーアクチュエータ素子71に磁気的性質を提供する１つの方法は、図7に表される別の実施の形態に示すように、ポリマーアクチュエータ素子71に持続性磁性層72を組み込むことである。更なる説明において、磁気的性質を備えたアクチュエータ素子71は、磁性アクチュエータ素子71と呼ばれる。持続性磁性層72は、アクチュエータ素子71の上部に配置されることができ（図7の上の図）、又はアクチュエータ素子71の下部に配置されることができ（図7の中央の図）、あるいはアクチュエータ素子71の中央に位置することができる（図7の下の図）。持続性磁性層72の位置は、その濡れ性及びその機械的特性と共に、磁性アクチュエータ素子71の「本来の」すなわち非作動形状（換言すれば上方へ湾曲した形状又は下方へ湾曲した形状）を決定する。持続性磁性層72は、例えば、電気メッキをされたパーマロイ（例えばNi-Fe）であることができ、及び例えば一様な層として堆積されることができる。持続性磁性層72は、0.01μmから10μmの間の厚みを備えていることができる。容易磁化方向は、堆積プロセスによって決定されることができ、所与の例において、"平面内の"（in-plane）方向であることができる。一様な層である代わりに、持続性磁性層72は、磁性アクチュエータ素子72の変形（例えば湾曲）の適応性及び容易さを増加させるために、パターニングされることもできる（図示せず）。
【００５４】
磁性アクチュエータ素子71を達成するための他の態様は、ポリマーアクチュエータ素子71中に磁性粒子81を組み込むことである。その場合、ポリマーは、図8に示されるように、その中に磁性粒子が分散されるマトリックスとして機能し、さらにポリマーマトリックス82と呼ばれる。磁性粒子81は、溶液のポリマーに追加されることができ、又は、後ほど重合されるモノマーに追加されることができる。以降のステップにおいて、ポリマーは、任意の適切な方法によって、例えばスピンコーティングのようなウェットデポジション技術によって、マイクロチャネル62の壁14の内側面61に適用されることができる。磁性粒子81は、図8の上の２つの図にて図示されるように、例えば球状であることができ、又は、図8の下の図にて図示されるように、細長い、例えば棒形状であることができる。棒形状の磁性粒子81は、それらが堆積プロセスの間にせん断流動によって自動的に整列配置されることができるという利点を持つことができる。磁性粒子81は、図8の上下の図にて図示されるように、ポリマーマトリクス82中にランダムに配置されることができ、又は、それらは、図8の中央の図にて図示されるように、ポリマーマトリクス82中で整えられ、即ち規則的なパターンで（例えば列を成して）整列配置されることができる。マイクロチャネル62のスキームが図6に示される。
【００５５】
磁性粒子81は、例えば、強磁性粒子若しくはフェリ磁性粒子であることができ、又は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄若しくはフェライトのような成分を含む（超）常磁性粒子であることができる。実施例において、磁性粒子81は、超常磁性粒子であることができ、すなわち、印加された磁場がオフに切り替えられた場合、それらは残留磁場を持たない。デポジションの間、正味の磁化が磁性アクチュエータ素子71の長さ方向に向けられるように、磁性粒子81を動かして整列配置するために、磁場が用いられることができる。
【００５６】
磁性アクチュエータ素子71に対する磁場の印加は、アクチュエータ素子71を動かす（すなわち回転させ及び／又は形状を変化させる）ことができる力をもたらす。この力は、例えば微小流体システムの外に配置される永久磁石若しくは電磁石のような外部磁場生成手段、又は、例えば微小流体システムに集積化される導電線16（図2を参照）のようなローカルな磁場生成手段から生じることができる。
【００５７】
微小流体システムに集積化されることができる少なくとも１つの導電線16の使用は、図2及び図11に図示される。例えば、１つの又は複数の導電線16は、例えば1μm2から100μm2の断面積をもつ銅線であることができる。導電線16中の電流によって生成される磁場は、1/rによって低下する（rは導電線16からアクチュエータ素子71上の位置までの距離）。例えば、図11において、磁場は、アクチュエータ素子71の位置Aにおいて位置Bよりも大きい。同様に、位置Bの磁場は、アクチュエータ素子71の位置C上の磁場より大きい。よって、
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である。したがって、ポリマーアクチュエータ素子71は、その長さLに沿って磁場の勾配を感じる。これは、その回転運動に加えて、磁性アクチュエータ素子71の「巻き上がり（curling）」運動を引き起こす。したがって、回転する又は回転しない均一な磁性「非近接場」、すなわちアクチュエータ素子71全体にわたって一定である外部生成された磁場を、導電線16と組み合わせることによって、アクチュエータ素子71の複雑に動く形状を可能にする複雑な時間依存磁場を引き起こすことができることが想像できる。これは、特に流体制御における最適化された効率及び効果を得るためにアクチュエータ素子71の動く形状を調整するのに非常に便利である。
【００５８】
図2は、本発明の実施の形態によるポリマーアクチュエータ素子71の例を図示する。ポリマーアクチュエータ素子71は、ポリマー微小電気機械システム（即ちポリマーMEMS）10、及びポリマーMEMS 10をマイクロチャネル62の壁14の内側面61に取り付けるための取付け手段12を有する。乾燥した状態において、ポリマーMEMS10は真っ直ぐな装置、例えば真っ直ぐな棒、梁又はフラップであることができる。液体（例えば水）がチャネル中に存在する場合、ポリマーMEMS10は、その液体に敏感な（例えば水に敏感な）性質に作用するその環境中の液体（例えば水）の存在によって引き起こされた、アクチュエータ素子中の内部機械的モーメントから生じる力F1に起因して曲がることができる。これは、濡れた非作動状態である。本発明に従って活用されることができる都合のいいアクチュエータジオメトリは、アクチュエータ素子が濡れた非作動状態において上方向へ湾曲することである。アクチュエータは磁力によって広げられ、その磁力は内部の機械的な運動に起因する反作用力を克服する必要がある。磁力は、局所的に生成される磁場によって、例えばアクチュエータ素子がその上に作成される基板に集積化される電流線若しくはコイルによって、又は外部磁場（外部永久磁石若しくは電磁石）によって、引き起こされることができる。図2中の矢印F3は、集積化された導電線16の中を流れる電流Iによって生成される磁力によるポリマーMEMS10の駆動を表す。この力F3は、濡れた作動状態に導くときにポリマーMEMS10を真っ直ぐにするのに役立つ。磁気駆動は明らかに、アクチュエータ素子が磁化されることができる場合に限り有効である。これは、本文書中の他の場所で説明されるような様々な態様で達成されることができる。磁力がオフに切り替えられると、アクチュエータ素子は、アクチュエータをその元の濡れた非作動状態へ戻す復元力に起因して、再び上方へ湾曲する。
【００５９】
図1は、本発明の実施の形態によるポリマーアクチュエータ素子71の他の例を図示する。磁気駆動の代わりに、静電力がアクチュエータ素子を動かすために用いられることができる。ポリマーアクチュエータ素子71は、電極11（例えば導電層）を含むポリマーMEMS10、及び、対向電極15を含むマイクロチャネル62の壁14の内側面61にポリマーMEMS10を取り付けるための取付け手段12を有する。乾燥した状態において、すなわち液体が存在しない状態において、ポリマーMEMS10は、真っ直ぐな装置、例えば真っ直ぐなロッド又は梁又はフラップであることができる。ポリマーMEMS10は、その液体に敏感な（例えば水に敏感な）性質に作用するその環境中の液体（例えば水）の存在によって引き起こされた、アクチュエータ素子中の内部機械的モーメントから生じる力F1に起因して曲がっている。矢印F2は、電極11と対向電極15との間の発生器13によって印加される電位差Vによって発生する静電気力による、ポリマーMEMS10の駆動を表す。このように素子に発生する静電気力は、素子を壁の方向に動かす。言い換えると、この力F3は、ポリマーMEMS10を真っ直ぐにしようとして、それを濡れた作動状態に導く。
【００６０】
正確に制御されることができる１つの問題は、初期形状、例えば初期湾曲、すなわち非作動状態におけるポリマー駆動素子の曲げ半径である。本発明では、これは、液体（例えば水）の存在下で形状を変える材料（好ましくはポリマー材料）を用いることにより実行される。
【００６１】
本発明の第２の態様に従ってどのようにマイクロチャネル62の内側壁61に取り付けられるアクチュエータ素子を形成するのかについての実施の形態が、以下に説明される。
【００６２】
アクチュエータ素子71は、様々な可能な態様で、マイクロチャネル62の壁14の内側面61に取り付けられることができる。マイクロチャネル62の壁14の内側面61にアクチュエータ素子71を固定するための第１の態様は、例えばスピンコート、蒸着又は他の適切なデポジション技術によって、アクチュエータ素子71がそれから形成される材料の層を、犠牲層上に堆積させることである。したがって、犠牲層が、最初にマイクロチャネル62の壁14の内側面61に堆積されることができる。犠牲層は、例えば、金属（例えばアルミニウム）、酸化物（例えばSiOx）、窒化物（例えばSixNy）又はポリマーから成ることができる。犠牲層を構成する材料は、アクチュエータ素子を形成する材料に対して選択的にエッチングされることができ、適切な長さにわたってマイクロチャネル62の壁14の内側面61上に堆積されることができるような材料でなければならない。いくつかの実施の形態において、犠牲層は、例えば、マイクロチャネル62の壁14の内側面61の表面積全体（一般的に数cmのオーダーの領域）にわたって堆積されることができる。しかしながら、他の実施例では、犠牲層は長さLにわたって堆積されることができ、そして長さLは、アクチュエータ素子71の長さと同じ長さであることができ、それは一般的に10μm〜100μmの間である。使用する材料に依存して、犠牲層は、0.1μm〜10μmの厚みを持つことができる。
【００６３】
次のステップにおいて、後にポリマーMEMS10を形成するポリマー材料の層は、犠牲層上であって、犠牲層の一方の面に隣接して堆積される。その後で、ポリマー材料の層は、ポリマーMEMS10が存在する必要がないところで選択的に除去される。続いて、犠牲層は、ポリマーMEMS10の下の犠牲層をエッチングすることによって除去されることができる。そのようにして、ポリマー層は、長さLにわたって壁14の内側面61から解放され、この部分がポリマーMEMS10を形成する。マイクロチャネル62の壁14の内側面61に付着したままであるポリマー層の部分は、ポリマー10をマイクロチャネル62に、特にマイクロチャネル62の壁14の内側面61に取り付けるための取付け手段12を形成する。
【００６４】
本発明によるアクチュエータ素子71を形成する他の態様は、ポリマー材料を適用する前に、マイクロチャネル62の壁14の内側面61のパターン化表面エネルギー工学を用いることである。その場合、アクチュエータ素子71が取り付けられるマイクロチャネル62の壁14の内側面61は、異なる表面エネルギーを有する領域が得られるように、パターニングされる。これは、例えばリソグラフィ又は印刷のような適切な技術によって実行されることができる。そのために、アクチュエータ素子がそこから作成される材料の層は、当業者によって各々知られている適切な技術によって、堆積され、構造化される。層は、壁14の内側面61の若干の領域（以下でさらに強付着領域と呼ばれる）に強く付着し、壁14の内側面61の他の領域（さらに弱付着領域と呼ばれる）に弱く付着する。弱付着領域において層を自発的に解放することが可能であり、一方で層は、強付着領域において固定されたままである。強付着領域は、それから取付け手段12を形成することができる。したがって、そのようにして、自己形成独立アクチュエータ素子71を得ることが可能である。
【００６５】
本発明によれば、ポリマーMEMS10は、特定の液体（例えば水）の存在に反応するように適応される。ポリマーMEMS10は、例えばアクリル酸塩ポリマー、コポリマーを有するポリ（エチレングリコール）ポリマーから成ることができ、又は任意の他の適切なポリマーから成ることができる。特定の液体の存在に反応するようにポリマーMEMSを適応させることは、特定の液体の存在に反応する材料成分を反応しない材料成分と混合するために提供することによって、又は、特定の液体の存在に反応する層を反応しない層の上に提供することによって、実行されることができる。好ましくは、ポリマーMEMS 10は、マイクロチャネル中の流体との（生)化学的相互干渉が最小限であるような生物学的適合性のポリマーで形成される。あるいは、ポリマーアクチュエータ素子71は、非特異的である吸着特性及び湿潤性を制御するために修飾されることができる。ポリマーMEMS10は、例えば、複合材料から成ることができる。例えばそれは、粒子が充填されたマトリックス材料又は多層構造を有することができる。「液晶ポリマーネットワーク材料」が本発明によって用いられることができることも言及されることができる。
【００６６】
乾燥した非作動状態において、すなわち、アクチュエータ素子が流体と接触しておらず、外部刺激がアクチュエータ素子に適用されていない場合、特定の実施例において梁又はロッドの形状を持つことができるポリマーMEMS10は、好ましくは実質的に真っ直ぐである。
【００６７】
濡れた非作動状態において、すなわち、液体（例えば水）が存在し、他の外部刺激がアクチュエータ素子に適用されていない場合、特定の実施例において梁又はロッド又はフラップの形状を持つことができるポリマーMEMS 10は湾曲する。濡れた作動状態の間、例えば電流のような電場又はポリマーアクチュエータ素子71に印加される磁場のような外部刺激は、アクチュエータ素子を真っ直ぐにして、すなわち言い換えると、それらを作動させる。アクチュエータ素子71の形状の変化は、微小流体システムのマイクロチャネル62中に存在する周囲の流体を動かす。図1及び2において、ポリマーMEMS10の曲がりは、矢印F1によって示される。駆動素子71の取付け手段12によるアクチュエータ素子71の一つの端の壁14に対する固定に起因して、得られる運動は、先に説明された繊毛の運動に似ている。
【００６８】
上記の本発明の態様によれば、ポリマーMEMS10は、10〜200μmの長さLを持つことができ、典型的には約100μmであり、2〜30μmの幅wを持つことができ、典型的には約20μmである。ポリマーMEMS 10は、0.1〜2μmの厚みtを持つことができ、典型的には約1μmである。
【００６９】
図6は、本発明によるポリマー駆動手段71を備えるマイクロチャネル62の実施の形態を図示する。この実施例において、微小流体システムの一部のデザインの例が示される。マイクロチャネル62の断面図が、概略的に表される。本発明のこの実施例によれば、マイクロチャネル62の壁14の内側面61は、前記マイクロチャネル中の液体（例えば水）の存在のために湾曲した複数のポリマーアクチュエータ素子71によって、おおわれることができる（図6の上部分）。図の明快さのために、アクチュエータ素子のポリマーMEMS部分10のみが示される。ポリマーMEMS10は、アクチュエータ素子71に適用される外部刺激の作用の下で、繰り返し、真っ直ぐになったり再び曲がったりすることができる。この外部刺激は、既に論じられたように、例えば、電場又は磁場である。アクチュエータ素子71は、例えばロッドのような形状又は梁のような形状を持ち、図の面から飛び出る方向に広がる幅を持つポリマーMEMS10を有することができる。
【００７０】
マイクロチャネル62の壁14の内側面61のアクチュエータ素子71は、本発明の実施の形態において、一列に又は複数の列に配置されることができる。単なる例として、アクチュエータ素子71は、図6に図示したように、２列のアクチュエータ素子71、すなわち、壁14の内側面61の第１の位置上のアクチュエータ素子71の第１の列、及び壁14の内側面61の第２の位置のアクチュエータ素子の第２の列として配置されることができ、第１及び第２の位置は、実質的に互いに対向する。本発明の他の実施の形態において、アクチュエータ素子はまた、例えば２次元アレイを形成するように配置されることができるアクチュエータ素子の複数の列で配置されることができる。また更なる実施の形態において、アクチュエータ素子71は、マイクロチャネル62の壁14の内側面61にランダムに配置されることができる。
【００７１】
特定の方向に、例えば図6の左から右へ、流体を輸送することができるためには、ポリマーアクチュエータ素子の運動は、非対称でなければならない。すなわち、「打撃」ストローク（真っ直ぐになること）の性質は、「回復」ストローク（曲がること）の性質とは異ならなければならない（打撃ストローク及び回復ストロークは図9に表されている）。これは、速い打撃ストローク及び非常にゆっくりした回復ストロークによって達成されることができる（逆もまた同様）。
【００７２】
ポンピング装置のために、ポリマーアクチュエータ素子71の運動が、経時アクチュエータ手段によって提供される。これは、個別に又は列ごとにアクチュエータ素子をアドレス指定する手段を提供することによって達成されることができる。例えば静電気駆動の場合には、マイクロチャネル62の壁14の一部であるパターニングされた電極構造によって、これは達成されることができる。パターニングされた電極構造は、構造を持つ膜を有することができ、その膜は金属又は他の適切な導電性膜であることができる。膜の構造化は、例えばリソグラフィを用いることにより実行されることができる。パターニングされた構造は、個別にアドレス指定されることができる。同じものは、磁気的に作動する構造に適用されることができる。チャネル壁構造の一部であるパターニングされた導電性膜は、アクチュエータ素子71が個別に又は列でアドレス指定されることができるように、局所的な磁場を引き起こすことを可能にする。全ての上記の場合において、マイクロチャネル62の壁14が、それを通して刺激が活性化される構造パターンを有するので、アクチュエータ素子71の個々の又は列ごとの刺激が可能である。適切な適時のアドレス指定によって、例えば波のような協調した刺激が可能になる。協調していない又はランダムなアクチュエータ手段、シンプレクティック（symplectic）経時アクチュエータ手段及びアンチプレクティック（antiplectic）経時アクチュエータ手段が、本発明の範囲内に含まれる。
【００７３】
図6に示される例において、全てのポリマーアクチュエータ素子71（同様に異なる列上のそれら）は、同時に動く。ポリマーアクチュエータの機能は、それらの動きが位相外れであるように、アクチュエータ素子71の又はアクチュエータ素子71の列の個々のアドレス指定によって、改善されることができる。例えば、電気的に刺激されるアクチュエータ素子71において、これは、マイクロチャネル62の壁14に集積化されることができるパターニングされた電極を用いることにより実行されることができる。したがって、アクチュエータ素子71の動きは、マイクロチャネル62の壁14の内側面61の上を通過している波のように見える。この運動を提供するための手段は、有効打撃運動と同じ方向（シンプレクティック継時性）に、又は対向する方向（アンチプレクティック継時性）に通過する波運動を発生させることができる。
【００７４】
例えば、微小流体システムのマイクロチャネル62の中で局所的な混合を達成するために、アクチュエータ素子71の動きは、特異的に制御されることができ、すなわち、局所的な無秩序な混合を引き起こすための特異的な態様で、いくつかのアクチュエータ素子が一方の方向へ動き、他のアクチュエータ素子が反対方向に動く。渦動は、例えばマイクロチャネル62の壁14の対向する位置のアクチュエータ素子71の反対の動きによって引き起こされることができる。
【００７５】
Blakeのモデル(J. Blake in 'A model for the micro-structure in ciliated organisms', J. Fluid. Mech. 55, p.1-23 (1972))を本発明の実施の形態にて説明されたようにポリマーアクチュエータ素子に適用することで、アクチュエータ素子でマイクロチャネル62の壁14の内側面61をおおうことにより、上記の実施の形態にて説明されたように、アクチュエータ素子の動きを制御することによって、アクチュエータ素子の種類及び用いられる流体に依存して、0〜数mm/sの速度を有する流体フローが引き起こされることが推定されることができる。例えば、水をモデル流体とすると、この速度に到達するために、1 nNの荷重及び10-13 Nmのモーメントがアクチュエータ素子に適用されなければならないことを算出することもできる。これらは非常に小さな値であり、微小流体システム中で用いられる小さな構成要素によって容易に得ることができる。上記の分析は、相当な速度が、本発明の実施の形態による微小流体システムを用いて生み出されることができることを示す。したがって、本発明の実施の形態によるポリマーMEMS10が繊毛の動きと同様の動きをするように設計されると、そのようなポリマーMEMS10を有するマイクロチャネル62の壁14の内側面61は、流体の輸送及び／又は混合に、並びに渦動を引き起こすのに非常に有効である。
【００７６】
特定の場合のポリマーアクチュエータ素子71において、本発明によるアプローチの利点は、流体操作を処理する手段（すなわち少なくとも１つのポリマーアクチュエータ素子71）が微小流体チャネルシステムに完全に集積化され、及び微小流体アプリケーションのために必要とされる大きい形状変化を得ること可能にし、したがって外部ポンプ又はマイクロポンプが必要ないことである。よって、本発明はコンパクトな微小流体システムを提供する。他の、おそらくより一層重要な利点は、全てのアクチュエータ素子71を同時にアドレス指定することによって、又は少なくとも１つの予め定められたアクチュエータ素子だけを一度にアドレス指定することによって、流体がマイクロチャネル62の中で局所的に制御されることができることである。したがって、流体は、輸送され、再循環され、混合され、又はちょうど要求された予め定められた位置で分けられることができる。本発明の更なる利点は、アクチュエータ素子71のためのポリマーの使用が、例えば印刷若しくはエンボス加工技術、又は単一ステップリソグラフィのような、安価な加工技術につながることである。
【００７７】
さらに、本発明の微小流体システムは堅固であり、これは、１つの又はいくつかのアクチュエータ素子71が適切に機能することに失敗しても、微小流体システム全体の性能を大きく妨害しないことを意味する。
【００７８】
本発明の微小流体システムは、製薬アプリケーション、局所的な混合が不可欠である特に高いスループットの組合せの検査、並びに例えばマイクロ電子工学アプリケーションにおけるマイクロチャネル冷却システムにおける、マイクロ全分析システム、微小流体診断、マイクロファクトリー及び化学若しくは生化学マイクロプラント、バイオセンサ、迅速なDNA分別及びサイジング、細胞操作及び選別のような、バイオ技術関連アプリケーションにおいて用いられることができる。
【００７９】
例えば、本発明の微小流体システムは、例えば唾液、喀痰、血液、血漿、間質液又は尿のような体液中の、タンパク、抗体、核酸（例えばDNA、RNA）、ペプチド、オリゴ糖若しくは多糖類又は糖のような、例えば少なくとも１つのターゲット分子の検出のために、バイオセンサ中で用いられることができる。したがって、流体の小さなサンプル（例えば液滴）が装置に供給され、マイクロチャネルシステム内での流体の操作によって、実際の検出が行われる検知位置に流体は動かされる。本発明の微小流体システムの中で様々なセンサを用いることにより、異なる種類のターゲット分子が、一回の分析実行中に検出されることができる。
【００８０】
上述したように、本発明の基本的なアイデアは、ここでは、特定の液体環境（例えば水性の環境）中にそれらを導くことで（例えば膜でできている）アクチュエータ素子の制御された湾曲が達成されるように形状を変化させることにより特定の液体の存在に反応するようにアクチュエータ素子を適応させることを、磁気又は静電気駆動メカニズムを提供することと組み合わせることである。形状を変化させることによって特定の液体の存在に反応するようにアクチュエータ素子を適応させることは、実際に説明された３つの特定の実施の形態のうちの１つによって、又は同様の方法によって、達成されることができる。駆動メカニズムは、湾曲を引き起こすために必要とされる材料を、磁気駆動のための磁性粒子若しくは磁性層又は磁気若しくは静電気駆動のための電極と組み合わせることによって、駆動素子71中に又はその上に提供されることができる。
【００８１】
本発明による駆動素子71の乾燥した非作動状態は、真っ直ぐであることができる。本発明による駆動素子71を液体ベースの（例えば水ベースの）環境に導くと、駆動素子71は液体の影響を受けて湾曲し、それらの本来の状態、すなわち濡れた非作動状態は、材料の分子構造（又は層構造）によって決定される曲率半径で湾曲する。駆動素子71は、上述のように、磁気又は静電気駆動によって伸び、すなわち濡れた作動状態になり、そして磁気又は静電気力を除去すると、その本来の湾曲した状態、すなわち濡れた非作動状態に戻る。
【００８２】
アクチュエータ素子71の動きは、例えば、微小流体システム中に配置される１つ以上の磁気センサで測定されることができる。これは、例えばマイクロチャネル62中の流体のフロー速度及び／又は粘性率のようなフロー特性を決定することを可能にする。さらに、他の流体の詳細は、異なる駆動周波数を用いることで測定されることができる。例えば、流体の細胞含有量（例えばヘマトクリット値）又は流体の凝固特性が、そのように測定されることができる。
【００８３】
上記の実施の形態の利点は、磁気又は静電気駆動の使用が、例えば唾液、喀痰又は全血のような非常に複雑な体液を取り扱うことができることである。さらに、磁気又は静電気駆動は接触を必要としない。言い換えると、磁気又は静電気駆動は、非接触で実行されることができ、すなわち、外部磁場又は電場生成手段が用いられる場合、アクチュエータ素子10自体は微小流体カートリッジ内部に存在し、一方、外部磁場又は電場発生手段は、微小流体カートリッジの外側に配置される。
【００８４】
好ましい実施の形態、特定の構成及び材料が、本発明による装置に対して本願明細書において論じられたが、形状及び細部における様々な変更又は修正が、本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、行われることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の形態による、電場が適用されることができる湾曲したポリマーアクチュエータ素子によって覆われる壁の内側面を持つマイクロチャネルの一部の断面の概略図。
【図２】本発明の実施の形態による、導電線によって生成される磁場が適用されることができる湾曲したポリマーアクチュエータ素子で覆われる壁の内側面を持つマイクロチャネルの一部の断面の概略図。
【図３】本発明の特定の実施の形態による材料としてLCポリマーネットワークを含むポリマーアクチュエータ素子の形状への水の影響を示す図。
【図４】本発明の特定の実施の形態によるアクチュエータ素子に用いられる材料の厚みにわたって観察される極性の勾配を示す図。
【図５】本発明の特定の実施の形態による、異なる性質の２つの層から成るポリマーアクチュエータ素子の湾曲の溶媒極性依存を示す図。
【図６】本発明の実施の形態による、曲がり及び真っ直ぐになるポリマーアクチュエータ素子で覆われる壁の内側面を持つマイクロチャネルの断面の概略図。
【図７】本発明の実施の形態による持続性磁性層を有するポリマーアクチュエータ素子を示す図。
【図８】本発明の実施の形態による磁性粒子を有するポリマーアクチュエータ素子を示す図。
【図９】有効ストローク及び回復ストロークを示す繊毛のビートサイクルの例を表す図。
【図１０】経時波におけるそれらの協調を示す繊毛の波を示す図。
【図１１】本発明の更なる実施の形態による、ポリマーアクチュエータ素子を真っ直ぐにするために導電線を用いて不均一な磁場を適用することを説明する図。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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