(57)【要約】本発明により提供される流体バルブは、（ａ）第１の平面基板と、（ｂ）第１の平面基板に面する第１の面及びその反対側の第２の面を有し、第１の平面基板上に配置された平面エラストマー層と、（ｃ）平面エラストマー層の第２の面上に配置された第２の平面基板とを備え、第１の平面基板及び第２の平面基板は、平面エラストマー層よりも硬質であり、第１の平面基板、第２の平面基板、及び平面エラストマー層のうちの少なくとも１つが流体チャネルを有し、流体チャネルは、第１の平面基板または第２の平面基板が第１の熱状態または第１の圧縮状態にある場合には開き、第１の平面基板または第２の平面基板が第１の熱状態とは温度が異なる第２の熱状態または第１の圧縮状態よりも高圧の第２の圧縮状態にある場合には閉じるかまたは部分的に閉じる、ことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体バルブであって、
（ａ）滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含む第１の平面基板と、
（ｂ）前記第１の平面基板に面する第１の面及びその反対側の第２の面を有し、前記第１の平面基板上に配置された平面エラストマー層と、
（ｃ）前記平面エラストマー層の前記第２の面上に配置された第２の平面基板とを備え、
前記平面エラストマー層の前記第１の面及び前記第２の面は、滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含み、
前記第２の平面基板は、滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含み、
前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板は、前記平面エラストマー層よりも硬質であり、
前記第１の平面基板、前記第２の平面基板、及び前記平面エラストマー層のうちの少なくとも１つが流体チャネルを有し、
前記流体チャネルは、
前記第１の平面基板または前記第２の平面基板が第１の熱状態または第１の圧縮状態にある場合には開き、
前記第１の平面基板または前記第２の平面基板が前記第１の熱状態よりも高温の第２の熱状態または前記第１の圧縮状態よりも高圧の第２の圧縮状態にある場合には閉じるかまたは部分的に閉じる、ことを特徴とする流体バルブ。
【請求項２】
前記第１の平面基板または前記第２の平面基板は、電圧の印加によって局所的な加熱を提供するように配置された抵抗器のパターンを有し、
前記局所的な加熱が提供されたときには、前記平面エラストマー層は局所的に膨張した状態となって前記流体チャネルを塞ぐことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記抵抗器は、インジウムスズ酸化物抵抗器、印刷されたカーボン抵抗器、エッチングされた薄膜抵抗器、及び抵抗性合金抵抗器からなる群より選択されることを特徴とする、請求項２に記載の流体バルブ。
【請求項４】
前記平面エラストマー層は、シリコーン、ウレタン、熱可塑性エラストマー、フルオロエラストマー、フルオロシリコーン、及びゴムからなる群より選択されるエラストマーを含み、
前記シリコーンは、ポリジメチルシロキサンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体バルブ。
【請求項５】
前記第２の圧縮状態は、（ｉ）前記第１の平面基板、（ｉｉ）前記第２の平面基板、（ｉｉｉ）前記平面エラストマー層、またはそれらの任意の組み合わせの全体または一部の変位を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体バルブ。
【請求項６】
前記第１の平面基板または前記第２の平面基板は、ガラス、プラスチック、繊維ガラス、金属、シリコン、セラミック、石英、及び前記平面エラストマー層よりも硬い材料からなる群より選択されることを特徴とする、請求項１に記載の流体バルブ。
【請求項７】
前記第２の熱状態は、抵抗加熱要素、空間的にパターン化された光の適用、空間的にパターン化された吸収性材料とパターン化されたまたはパターン化されていない光との組み合わせ、高温物体との直接的な接触、加熱された流体を有するチャネル、または発熱化学反応を有するチャネルによって誘導されることを特徴とする、請求項１に記載の流体バルブ。
【請求項８】
前記第２の圧縮状態は、液晶エラストマー、圧電アクチュエータ、または電気活性ポリマーを含むアクチュエータによって誘導されることを特徴とする、請求項１に記載の流体バルブ。
【請求項９】
前記第２の熱状態は、パターン化された冷却によって誘導されることを特徴とする、請求項１に記載の流体バルブ。
【請求項１０】
前記第１の状態及び前記第２の状態は、互いに可逆的な状態であることを特徴とする、請求項１に記載の流体バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、流体バルブに関する。特に、本発明は、１または複数の流体チャネルを塞ぐべく熱的または機械的に作動されるエラストマー材料を有する流体バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
少量の液体の処理及び操作は、現代生物学における基本的な課題である。マイクロ流体技術は、自動化を高めながら、サンプル及び試薬の消費を減らす手段を提供する。この目標を達成するためには、サブマイクロリットルの量の液体のルーティング、ポンピング、及び分離を可能にする一体型バルブが不可欠である。最新のバルブは空気圧で作動され、オンチップ流体操作を制御するための圧力タンク、調節器、及びオフチップソレノイドバルブを必要とする。
【０００３】
空気圧バルブのために必要な外部制御を除去する試みがなされている。このことには、熱変形材料またはバイメタル、及び局所的にパターン化された熱膨張材料（例えば、ワックス、プラスチック、ガス、液体、ヒドロゲル、複合材料）を使用した熱作動バルブの開発への取り組みが含まれる。しかしながら、従来の取り組みは、下記の様々な理由、例えば、単回使用バルブである、複雑な多段階の製造プロセスを伴う、ミリメートルスケールよりも大きい、厳格に試験されていない、十分に特徴付けられていない、多重化されていない、作動させるのに５秒以上かかる、高スループット製造に適していない、または完全に閉じない、という理由のために広く採用されていない。
【０００４】
そこで、空気圧システムに必要とされる高価で、かさばり、かつ高電力消費の外部機器を使用することなく、複雑な液体処理（操作）を可能にする装置が求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
当該技術分野におけるニーズに応えるために、本発明により提供される流体バルブは、（ａ）滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含む第１の平面基板と、（ｂ）第１の平面基板に面する第１の面及びその反対側の第２の面を有し、第１の平面基板上に配置された平面エラストマー層と、（ｃ）平面エラストマー層の第２の面上に配置された第２の平面基板とを備え、平面エラストマー層の第１の面及び第２の面は、滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含み、第２の平面基板は、滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含み、第１の平面基板及び第２の平面基板は、平面エラストマー層よりも硬質であり、第１の平面基板、第２の平面基板、及び平面エラストマー層のうちの少なくとも１つが流体チャネルを有し、流体チャネルは、第１の平面基板または第２の平面基板が第１の熱状態または第１の圧縮状態にある場合には開き、第１の平面基板または第２の平面基板が第１の熱状態とは温度が異なる第２の熱状態または第１の圧縮状態よりも高圧の第２の圧縮状態にある場合には閉じるかまたは部分的に閉じる、ことを特徴とする。
【０００６】
本発明の一態様では、第１の平面基板または第２の平面基板は、電圧の印加によって局所的な加熱を提供するように配置された抵抗器のパターンを有し、局所的な加熱が提供されたときには、平面エラストマー層は局所的に膨張した状態となって流体チャネルを塞ぐ。一態様では、抵抗器は、インジウムスズ酸化物抵抗器、印刷されたカーボン抵抗器、エッチングされた薄膜抵抗器、または抵抗性合金抵抗器を含む。
【０００７】
本発明のさらなる態様では、エラストマー層は、シリコーン（例えば、ポリジメチルシロキサン）、ウレタン、フルオロエラストマー、フルオロシリコーン、ゴム、または熱可塑性エラストマーを含む。
【０００８】
本発明の別の態様では、第２の圧縮状態は、（ｉ）第１の平面基板、（ｉｉ）第２の平面基板、（ｉｉｉ）平面状エラストマー層、またはそれらの任意の組み合わせの変位を含む。
【０００９】
本発明の一態様では、第２の圧縮状態は、液晶エラストマー、圧電アクチュエータ、または電気活性ポリマーを含むアクチュエータによって誘導される。
【００１０】
本発明のさらに別の態様では、第１の平面基板または第２の平面基板は、ガラス、プラスチック、ガラス繊維、金属、シリコン、セラミック、石英、または平面エラストマー層よりも硬い材料を含む。
【００１１】
本発明の一態様では、第２の熱状態は、抵抗加熱素子、空間的にパターン化された光の適用、空間的にパターン化された吸収性材料とパターン化されたまたはパターン化されていない光との組み合わせ、高温物体との直接的な接触、加熱された流体を有するチャネル、または発熱化学反応を有するチャネルによって誘導される。
【００１２】
本発明の別の態様では、第２の熱状態は、パターン化された冷却によって誘導される。
【００１３】
本発明のさらなる態様では、第１の状態及び第２の状態は、互いに可逆的な状態である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）−（Ｄ）は、本発明による流体バルブの実施形態を示す。
【図２】（Ａ）−（Ｄ）は、本発明による流体バルブの実施形態を示す。
【図３−１】（Ａ）−（Ｄ）は、本発明による流体バルブの実施形態を示す。
【図３−２】（Ｅ）−（Ｈ）は、本発明による流体バルブの実施形態を示す。
【図４】単一の抵抗器の一例を示す。
【図５】本発明の実施形態による、電圧印加または光源によってそれぞれ作動される抵抗器または吸収性要素のパターンの一例を示す。
【図６】本発明の実施形態による、凹部または凸部を有する硬質プレート（Ａ）及びエラストマー層（Ｂ）の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、マイクロ流体技術における長年の課題を解決するために、熱電バルブを提供する。本発明によるバルブは、高性能な自動化を維持しながら、現行型のバルブと比較して、コスト、電力消費、及び必要な機器を大幅に減少させる。本発明は、既存の「ゴールドスタンダード」な空気圧マイクロ流体バルブと同様の性能特性を有し、かつ電力消費、コスト、及び外部機器を桁違いに減少させたバルブを提供する。
【００１６】
本発明により提供される流体バルブは、本発明により提供される流体バルブは、（ａ）滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含む第１の平面基板と、（ｂ）第１の平面基板に面する第１の面及びその反対側の第２の面を有し、第１の平面基板上に配置された平面エラストマー層と、（ｃ）平面エラストマー層の第２の面上に配置された第２の平面基板とを備え、平面エラストマー層の第１の面及び第２の面は、滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含み、第２の平面基板は、滑らかな表面または凹部若しくは凸部を有する表面を含み、第１の平面基板及び第２の平面基板は、平面エラストマー層よりも硬質であり、第１の平面基板、第２の平面基板、及び平面エラストマー層のうちの少なくとも１つが流体チャネルを有し、流体チャネルは、第１の平面基板または第２の平面基板が第１の熱状態または第１の圧縮状態にある場合には開き、第１の平面基板または第２の平面基板が第１の熱状態よりも高温の第２の熱状態または第１の圧縮状態よりも高圧の第２の圧縮状態にある場合には閉じるかまたは部分的に閉じる、ことを特徴とする。
【００１７】
一実施形態によれば、本発明の流体バルブは、２つのより硬質な材料と、その間に配置された熱膨張性エラストマー材料とを含み、それらの材料層のうちの１以上の層にチャネルがパターン形成されており、例えば抵抗加熱素子を使用して局所的に加熱し、熱膨張性エラストマー材料を膨張させることによって、１または複数のチャネルを塞ぐように構成される。
【００１８】
別の実施形態では、本発明の流体バルブは、２つのより硬質な材料と、その間に配置された熱膨張性エラストマー材料とを含み、それらの材料層のうちの１以上の層にチャネルがパターン形成されており、硬質材料またはエラストマー材料に対して機械的圧力を加えることによって、エラストマー材料でチャネルを塞ぐように構成される。
【００１９】
本発明のいくつかの例示的な用途としては、在宅及びベットサイドシステムなどのポイントオブケア診断、低コストの可搬型の核酸及び他の生物学的サンプルの調製システム、自動監視デバイス、食品品質試験、植物及び家畜病原体のモニタリング、微生物及び病原体の現場での分類、及び化学分析システムが挙げられる。
【００２０】
本発明は、圧力源、圧力調整器、制御チャネル及びポート、ソレノイドバルブ、空気ラインを使用しないため、既存のバルブと比較して消費電力が減少する。本発明を使用するシステムは、可搬性、消費電力の低減、及びコストの低減の恩恵を受けるので、既存の用途において競合することが可能となる。しかし、より重要なことには、以前は適用できなかった広範な用途に適用することが可能となる。
【００２１】
一実施形態では、本発明は、電圧印加により局所的な加熱を発生させるパターン化されたインジウムスズ酸化物抵抗器を有する下側ガラス層（第１の平面基板）と、ポリジメチルシロキサン層（熱膨張性エラストマー層）と、パターン形成されたチャネルを有するポリスチレン層（第２の平面基板）を含む。
【００２２】
他の実施形態は、熱膨張性エラストマー材料に配置されたチャネルを含む。他の実施形態では、硬質層のうちの１または複数はガラスである。他の実施形態は、硬質層は、ガラス、プラスチック、繊維ガラス（例えば、回路基板）、より硬いエラストマー、金属、シリコン、セラミック、石英、及び使用されるエラストマーよりも硬い潜在的な任意の材料からなる群より選択される材料を含み得る。
【００２３】
チャネルの形成方法としては、熱エンボス加工、ソフトリソグラフィー、射出成形、ダイカッティング、Ｘ線ウログラフィ、レーザーカッティング、３Ｄ印刷、スタンピング、エッチング、フォトリソグラフィ、マイクロマシニング、ウォータージェットカッティング、深部反応性イオンエッチング、研磨ブラスト、電子ビームリソグラフィーなどが挙げられる。
【００２４】
局所的な加熱のための方法としては、抵抗加熱要素のパターン化及び選択された抵抗加熱要素の両端への電圧の印加、空間的にパターン化された光の適用、はんだごての先端などの高温物体との直接的な接触による局所的熱源の適用、局所的に加熱された領域をそれよりも高温の流体を有するチャネルに接近させること、チャネルに接近させて熱生成化学反応を行うことなどが挙げられる。
【００２５】
本発明は、より複雑な流体処理を可能にするために互いに独立して制御される複数のバルブをさらに含み得る。例えば、３つのバルブを順番に配置して作動させることにより、蠕動ポンプを構成することができる。バルブを部分的に閉じることにより、フィルタリングに有用なふるいバルブ（sieve valve）を実現することができる。さらに、バルブを閉じることにより流体の一部を分離することができ、バルブを順番に作動させることにより流体を所望の場所に送達することができ、バルブを直列または並列に制御することによって少ない入力電線による多重化を可能にすることができ、または、オンチップロジックを実装することによって少ない入力電線でより多くのバルブを独立して制御することができる。別の実施形態では、バルブに電圧を様々なパターンで印加することによって、閉鎖、背圧、及び開放の各特性を最適化することができる。本発明の装置における局所的な加熱は、化学的または生化学的反応の促進や物質の乾燥などの他の目的にも使用することができる。一実施形態によれば、任意の層の性質を改変するために、例えば、バルク材料への分子の移動を防止するため、表面への吸着を防止するため、または、蒸発を低減するために、その層にコーティングが施される。
【００２６】
デッドエンドローディング（Dead-end loading）は、閉じたバルブ内に流体を加圧して導入することによって実現することができる。
【００２７】
バルブを作動させることにより、変位を直接的に生成するか、または装置を駆動する水圧（hydraulic）を制御することができる。
【００２８】
試薬は、乾燥しているか、または液体状態で装置に予め装填することができる。バルブは、反応を実行するために試薬を貯蔵チャンバから装置の他の部分に移動させたり、例えば治療薬を送達するために試薬を装置の外部に排出したりするのに使用することができる。
【００２９】
バルブは、誘導結合により、ワイヤレスで給電することができる。
【００３０】
さらなる実施形態では、本発明は、多重制御のために流体チャネルをスタッキングするロジックを流体層において実行することを可能にする多層チャネルアーキテクチャの実装を含み、そのようなものとして、より多くのチャネルを有する追加的な層、所与の量の熱の適用によって互いに異なるチャネルまたはチャネルの一部を閉じるかまたは開いたままにするようなチャネル形状の調節、及び流体の追加を可能にする任意選択のチャネルへのアクセスポートが含まれる。
【００３１】
他の実施形態では、予めプログラムされたバルブ作動シーケンスを用いて標準的プロトコルを実行したり、センサを組み込むことによってアッセイ出力の測定及び記録やフィードバックによるプログラムシーケンスの修正をしたりするようにしてもよい。さらなる実施形態では、バルブは、電話機または他のモバイルデバイスによって駆動及び制御され得る。バルブ閉鎖領域の調節は、より多いまたはより少ない熱の適用によって実現することができ、バルブ閉鎖領域の調節の使用は液体の計量に有用である。別の実施形態では、多数の独立したチャネルのうちのいくつかのチャネルの多重処理が、より少ない数の電気入力で可能となり、バルブの開閉のトグリングを用いて混合を強化することができる。これらの例は、空気圧制御と、または上記の拡張の任意の組み合わせと、組み合わせることができる。
【００３２】
本明細書に記載された本発明は、空気圧システムに要求とされる高価な、かさばる、高電力消費の外部機器を使用することなく複雑な液体処理を可能にする新規なタイプのバルブ作動機構に関する。従来のバルブ作動機構と比較して、本発明の新規なバルブ作動機構は、従来とは異なる機構によって作動し、新しい方法で製造される。この新規なタイプのバルブ及びその製造方法により、ロバストで、十分に特徴付けられた、高速な、小型または大型のバルブであって、高圧を保持し、容易かつコスト効率よく製造することができ、かつポータブルな流体制御が可能となるバルブが得られる。
【００３３】
本発明によれば、２つのより硬質の材料層と、その間に配置された熱膨張性エラストマー材料層とを含み、それらの材料層のうちの１以上の層にチャネルがパターン形成されたバルブが提供される。１以上のチャネルは、例えば抵抗加熱素子によって局所的に加熱して熱膨張性エラストマー材料を膨張させることによって塞がれる。
【００３４】
一実施形態では、下側硬質層及び／または上側硬質層、例えばガラス層またはポリスチレン層は、インジウムスズ酸化物抵抗器、印刷されたカーボン抵抗器、エッチングされた薄膜抵抗器などのパターン化された抵抗器を有する。このような抵抗器は、電圧の印加によって、装置（バルブ）を局所的に加熱する。下側硬質層と上側硬質層との間には、熱膨張性エラストマー層、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が配置される。硬質層またはエラストマー層のいずれか一方が、パターン形成されたチャネルを有する。
【００３５】
図１Ａ−１Ｂは、本発明による流体バルブ１００の実施形態を示す。図１Ａは、上側硬質プレート１０２と、熱的または機械的に作動されるエラストマー層１０４と、下側硬質プレート１０６とを含む流体バルブ１００を示す。エラストマー層１０４は、上側硬質プレート１０２と下側硬質プレート１０６との間に配置されている。この実施形態では、上側硬質プレート１０２は、その下面（エラストマー層１０４との界面）に配置された流体チャネル１０８を有し、下側硬質プレート１０６は、その上面（エラストマー層１０４との界面）に配置された加熱要素１１０を有する。図１Ａは、開いた状態のチャネル１０８を有する流体バルブ１００を示す。図１Ｂは、加熱要素１１０から提供された熱量によって加熱要素１１０が作動したときの、閉じた状態または部分的に閉じた状態の流体バルブ１００を示す。図１Ｂに示すように、エラストマー層１０４は、加熱下で膨張して、流体チャネル１０８を塞ぐかまたは部分的に塞ぐ。本明細書及び本開示を通じて、流体チャネル１０８及び／または加熱要素１１０は、上側硬質プレート１０２、エラストマー層１０４、及び／または下側硬質プレート１０６に配置できることを理解されたい。
【００３６】
図１Ｃ−１Ｄは、本発明の流体バルブ１００の別の実施形態を示す。図１Ｃに示すように、流体チャネル１０８は、エラストマー層１０４に配置されている。加熱要素１１０によりエラストマー層１０４が加熱されると、流体チャネル１０８は、加熱要素１１０から提供された熱量によって閉じた状態または部分的に閉じた状態になる。
【００３７】
図２Ａ−２Ｂは、本発明のさらなる実施形態を示し、図２Ａは、開いた状態の流体バルブ１００を示す。図示のように、流体チャネル１０８は、上側硬質プレート１０２の下面、すなわちエラストマー層１０４との界面に配置されている。上側硬質プレート１０２及び／または下側硬質プレート１０６は可動プレートであり、図２Ｂに示すように、流体バルブ１００を閉じるかまたは部分的に閉じるために、エラストマー層１０４を圧縮してエラストマー層１０４を流体チャネル１０８内に変位させることができるように構成されている。
【００３８】
図２Ｃ−２Ｄは、本発明の別の実施形態を示し、図２Ｃは、開いた状態の流体バルブ１００を示す。図示のように、流体チャネル１０８は、エラストマー層１０４における、上側硬質プレート１０２との界面に配置されている。上側硬質プレート１０２及び／または下側硬質プレート１０６は可動プレートであり、図２Ｄに示すように、流体バルブ１００を閉じるかまたは部分的に閉じるために、エラストマー層１０４を圧縮してエラストマー層１０４を流体チャネル１０８内に変位させることができるように構成されている。
【００３９】
図３Ａ−３Ｂは、本発明のさらなる実施形態を示し、図３Ａは、開いた状態の流体バルブ１００を示す。図示のように、流体チャネル１０８は、上側硬質プレート１０２におけるエラストマー層１０４との界面（下面）、及び下側硬質プレート１０６におけるエラストマー層１０４との界面（上面）にそれぞれ配置されている。上側硬質プレート１０２及び／または下側硬質プレート１０６は可動プレートであり、図３Ｂに示すように、流体バルブ１００を閉じるかまたは部分的に閉じるために、エラストマー層１０４を圧縮してエラストマー層１０４を流体チャネル１０８内に変位させることができるように構成されている。
【００４０】
図３Ｃ−３Ｈは、本発明による流体バルブ１００の別の実施形態を示す。図３Ｃは、上側硬質プレート１０２と、熱的または機械的に作動されるエラストマー層１０４と、下側硬質プレート１０６とを含む流体バルブ１００を示す。エラストマー層１０４は、上側硬質プレート１０２と、下側硬質プレート１０６との間に配置されている。この実施形態では、上側硬質プレート１０２及び下側硬質プレート１０６は、各プレートにおけるエラストマー層１０４との界面にそれぞれ配置された流体チャネル１０８を有する。さらに図示のように、上側硬質プレート１０２及び下側硬質プレート１０６は、各プレートにおけるエラストマー層１０４との界面にそれぞれ配置された加熱要素１１０を有する。図３Ｃは、開いた状態のチャネル１０８を有する流体バルブ１００を示す。図３Ｄは、加熱要素１１０から提供された熱量によって加熱要素１１０が作動したときの、閉じた状態または部分的に閉じた状態の流体バルブ１００を示す。図３Ｄに示すように、エラストマー層１０４は、加えられた熱によって膨張して、流体チャネル１０８を塞ぐかまたは部分的に塞ぐ。図３Ｅ−３Ｆは、上側硬質プレート１０２及び下側硬質プレート１０６に埋め込まれた圧力アクチュエータ１１１を有する、本発明のさらなる実施形態を示す。図３Ｅは、開いた状態のバルブを示し、図３Ｆは、圧力アクチュエータが作動したときの、閉じた状態または部分的に閉じた状態のバルブを示す。図３Ｇ−３Ｈは、圧力アクチュエータ１１１がエラストマー層１０４に埋め込まれた本発明の別の実施形態を示しており、図３Ｇは、開いた状態のバルブを示し、図３Ｈは、圧力アクチュエータが作動したときの、閉じた状態または部分的に閉じた状態のバルブを示す。
【００４１】
加熱要素を有する実施形態に関して、硬質プレート１０２／１０６は、導電性経路を有する硬質プレートである。硬質プレート１０２／１０６上の導電性経路に、例えば或るパターンの抵抗器の両端に電圧が印加されると、局所的なジュール加熱が発生する。局所的な加熱に隣接した熱膨張性エラストマー層１０４は、温度が上昇して膨張する。この膨張により、流体チャネルが塞がれるかまたは部分的に塞がれ、これにより、バルブが閉じるかまたは部分的に閉じる。電圧が除去されると、局所的な熱は消散し、熱膨張性エラストマーは元の平坦な状態に戻り、これにより、バルブは元の開いた状態に戻る。
【００４２】
本発明の別の態様では、パターン化された冷却によって、第２の熱状態が誘導される。
【００４３】
本発明のさらなる態様では、第１の状態及び第２の状態は、互いに可逆的な状態である。
【００４４】
本発明の他の態様では、流体チャネルは、フォトリソグラフィにより形成されたモールドを用いて、硬質層内にパターン形成することができる。例えば、モールドの所望のイメージに似たフォトマスクが得られる。モールドは、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）接着促進剤を収容した別個のビーカーを含む密閉容器内にシリコンウェハを５分間配置することにより作製される。蒸気吸着により、ウェハ表面にＨＭＤＳコーティングが形成される。次いで、フォトレジスト（Ｍｅｇａｐｏｓｉｔ（商標）ＳＰＲ  ２２０．７）をシリコンウェハ上に注ぐ。シリコンウェハをスピナー内に配置し、５００回転／分の回転速度で５秒間回転させた後、回転速度を１７５０回転／分に増加させてさらに３０秒間回転させる。これにより、約９−１２マイクロメートルの厚さのフォトレジスト層が形成される。続いて、シリコンウェハを摂氏９０度のホットプレート上に載置し、ホットプレートの温度を摂氏１２０度まで上昇させる。ホットプレートが摂氏１２０度に達したら、シリコンウェハを９０秒間放置する。次に、シリコンウェハを数分間冷却し、その後、フォトマスクアライナーのフォトマスク及び露光装置の下方に配置する。シリコンウェハに対して、３０秒間の紫外線照射を２回行う。２回の紫外線照射は、３０秒間の間隔を隔てて行う。合計照射量は７００ｍＪ／ｃｍ２とする。次いで、シリコンウェハを、ポジ型フォトレジスト現像液を収容したビーカー内に入れ、未露光のフォトレジストを残して、露光したフォトレジストが現像されるまで攪拌する。続いて、シリコンウェハを脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させ、フォトレジスト現像液を収容したビーカー内に１０−１５秒間戻して残存する露光したフォトレジストを除去する。次に、シリコンウェハを、フォトレジスト現像液を収容したビーカーから取り出し、脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させ、摂氏６５度のホットプレート上に載置し、摂氏１０度／時間の割合で摂氏１９０度の最終温度まで加熱する。ホットプレート上に載置してから１５時間後に、シリコンウェハをホットプレートから除去する。その後、シリコンウェハは、ダイヤモンドチップのペンでスコアリングし、スコアマークに沿って破断することによって所望のサイズにトリミングされ、これにより、モールドとなる。
【００４５】
チャネルをエンボス加工する例として、厚さ約１ｍｍのポリスチレンプラスチックの層を、平背の基板を使用して、モールドのパターニングされた面に１０ｐｓｉでクランプし、１５０℃のオーブンに入れる。オーブン中でポリスチレン層をモールドにクランプした状態で５分間保ち、その後、オーブンの温度を９０℃に下げる。オーブンの温度が９０℃に達したら、ポリスチレンシートにモールドフューチャのインプリントを残したままで、モールドからポリスチレン層を取り除く。次いで、ポリスチレン層を所望のポリスチレンチップサイズに切断し、ポリスチレンチップが平らになるように両側をトリミングし、流路チャネルへのアクセスを可能にするべくポリスチレンを穿孔してポートを形成する。
【００４６】
エラストマー層をキャスティングする例として、シリコンウェハを、クロロトリメチルシランを収容したビーカーを含む真空密閉容器内に１０分間配置する。これにより、シリコンウェハに、クロロトリメチルシランの均一なコーティングを形成することができる。クロロトリメチルシランによりシリコンウェハの表面に疎水性層が形成され、この疎水性層により、次の工程で、シリコンウェハにポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が付着するのを防止する。次に、十分に混合し脱気した、１部の架橋剤と１０部のベースＰＤＭＳ（ＲＴＶ６１５）との混合物をシリコンウェハ上に注ぐ。シリコンウェハをスピナー内に配置し、４００回転／分の回転速度で１５秒間回転させて、約１１０μｍの最終厚さにする。続いて、ＰＤＭＳでコーティングされたシリコンウェハを平坦面上に３０分間配置し、その後、８０℃のオーブンに１時間入れる。
【００４７】
一実施形態によれば、エラストマー層１０４は、硬質プレート（１０２／１０６）に接合される。ＰＤＭＳで被覆されたシリコンウェハをオーブンから取り出し、室温まで冷却した後、そのシリコンウェハ及びポリスチレンチップを、ＰＤＭＳ側を上にし、かつチャネル側を上にして、プラズマクリーナー内に配置してプラズマ酸化させる（８０ワットで３５秒間露光させる）。次いで、ＰＤＭＳ被覆されたシリコンウェハを、水溶液中の２％（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）で２０分間コーティングする。同時に、ポリスチレンチップを、水溶液中の２％（３−グリシジルオキシプロピル）トリメトキシシラン（ＧＰＴＳ）で２０分間処理する。２０分後、シリコンウェハ及びチップを脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させる。ポリスチレンチップのパターニングされた側をＰＤＭＳ被覆シリコンウェハに対向させて配置し、アセンブリを８０℃のオーブン内に２時間以上入れる。これにより、ポリスチレンチップと、ＰＤＭＳ被覆シリコンウェハ上のＰＤＭＳ層との接合が完了する。その後、ポリスチレンチップの周りのＰＤＭＳをメスで切り取り、ポリスチレンチップを剥離し、ポリスチレンチップ及びそれに接着されたＰＤＭＳの領域をウェハから剥がすことによって、アセンブリがウェハから除去される。
【００４８】
電極及び加熱要素１１０のパターン（図４−５参照）を含む実施形態では、パターニングされた抵抗器の所望のイメージに似たフォトマスクが得られる。加熱要素１１０は、インジウムスズ酸化物抵抗器、印刷された炭素抵抗器、エッチングされた薄膜抵抗器を含み得る。一実施形態では、ＨＭＤＳを収容したビーカーを含む密封容器内に、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）でコーティングされたスライドガラスを５分間入れることによって、パターニングされたガラス層が作製される。これにより、スライドガラスの表面に、ＨＭＤＳの均一なコーティングを形成することができる。次いで、スライドガラスのＩＴＯ被覆面に、フォトレジストを注ぐ。スライドガラスをスピナー内に配置し、５００回転／分の回転速度で５秒間回転させた後、回転速度を１８００回転／分増加させてさらに３０秒間回転させて、９μｍの最終厚さにする。スライドガラスを摂氏９０度のホットプレート上に載置した後、ホットプレートの温度を摂氏１２０度まで上昇させる。ホットプレートの温度が摂氏１２０度に達したら、スライドガラスを９０秒間放置する。続いて、スライドガラスを数分間冷却させた後、フォトマスクアライナーのフォトマスク及び露光装置の下方に配置する。シリコンウェハに対して３０秒間の紫外線照射を２回行う。２回の紫外線照射は、３０秒間の間隔を隔てて行う。合計照射量は７００ｍＪ／ｃｍ２とする。スライドガラスを、ポジ型フォトレジスト現像液を収容したビーカー内に入れ、未露光のフォトレジストを残して、露光したフォトレジストが現像されるまで攪拌する。次に、スライドガラスを脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させ、フォトレジスト現像液を収容したビーカーに１０−１５秒間戻して残った露光済みフォトレジストを除去する。その後、スライドガラスを、フォトレジスト現像液を収容したビーカーから取り出し、脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させる。
【００４９】
さらなる実施形態では、エッチングを用いて電極及び加熱抵抗器を作製し、スライドガラスを、３７％塩酸対脱イオン水の比が１：１の混合物を収容したビーカーに入れ、１０分間撹拌する。１０分後、スライドガラスをビーカーから取り出し、脱イオン水で洗浄し、標準的なマルチメータを使用して、フォトレジストで被覆されていない領域のコンダクタンスについて試験する。フォトレジストで被覆されていない領域に測定可能なコンダクタンスが存在する場合には、スライドガラスをエッチング溶液中に戻し、さらに５分間攪拌した後、再度試験する。このプロセスは、フォトレジストで被覆されていない領域に、コンダクタンスが存在しなくなるまで繰り返す。コンダクタンスが存在しないことは、その領域からインジウムスズ酸化物コーティングが除去されたことを示す。その後、スライドガラスをアセトンで洗浄し、次いで、イソプロピルアルコールで洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させる。
【００５０】
本発明の実施形態によれば、エラストマー／硬質プレート複合材は、電極及び抵抗器に結合される。一例では、ポリスチレン−ＰＤＭＳチップは、パターニングされたインジウムスズ酸化物抵抗器を有するスライドガラスに結合される。このことは、上記の２つの構成要素をプラズマクリーナー及びプラズマ酸化器内に配置し、２つの構成要素の結合面を活性化させることによって実現される。ポリスチレン−ＰＤＭＳチップは、そのＰＤＭＳ面がプラズマ酸化され、スライドガラスは、パターニングされたインジウムスズ酸化物抵抗器を有する面がプラズマ酸化される。２つのプラズマ酸化面を互いに整列させて接触させた後、８０℃のオーブンに１時間入れることにより、最終的なチップが作製される。
【００５１】
例示的な一実施形態では、電圧印加により局所的な加熱を発生させるパターニングされたインジウムスズ酸化物抵抗器１１０を有する下部ガラス層（下部硬質層１０６）が提供される。パターニングされたチャネル１０８を有するポリジメチルシロキサン層１０４（熱膨張性エラストマー層）、及びポリスチレン層（上側硬質層１０２）がさらに提供される。
【００５２】
本発明の１つの態様では、熱的加熱は、抵抗加熱要素、空間的にパターン化された光の適用、空間的にパターン化された吸収性材料とパターン化されていない光との組み合わせ、高温物体との直接的な接触、加熱された流体を有するチャネル、または発熱化学反応を有するチャネルによって誘導される（図５参照）。
【００５３】
図４は、単一の抵抗器１１０の例を示す。図５は、硬質プレート（１０２／１０６）に配置された抵抗器１１０のパターン（これは、空間的にパターン化された吸収性材料も表す）の一例を示し、複数の抵抗器のうちのいずれか１つが電極バスを使用して制御される。
【００５４】
図６は、凹部または凸部を有する硬質プレート（１０２／１０６）の断面図を示す。本発明によれば、硬質プレート（１０２／１０６）は、ガラス、プラスチック、繊維ガラス、金属、シリコン、セラミック、石英、または平面エラストマー層よりも硬質な材料などの材料から作製される。
【００５５】
図１Ｃ−１Ｄ及び図２Ｃ−２Ｄに示す実施形態では、流体チャネル１０８は、モールドの層を除去することによって、エラストマー層１０４に形成することができる。この例では、モールドの所望のイメージに似たフォトマスクが得られる。モールドは、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）接着促進剤を収容した別個のビーカーを含む密閉容器内にシリコンウェハを５分間配置することにより作製される。蒸気吸着により、ウェハ表面にＨＭＤＳコーティングが形成される。次いで、フォトレジストをシリコンウェハ上に注ぐ。シリコンウェハをスピナー内に配置し、５００回転／分の回転速度で５秒間回転させた後、回転速度を１７５０回転／分に増加させてさらに３０秒間に回転させる。これにより、約９−１２マイクロメートルの厚さのフォトレジスト層が形成される。続いて、シリコンウェハを摂氏９０度のホットプレート上に載置し、ホットプレートの温度を摂氏１２０度まで上昇させる。ホットプレートの温度が摂氏１２０度に達したら、シリコンウェハを９０秒間放置する。次に、シリコンウェハを数分間冷却し、その後、フォトマスクアライナーのフォトマスク及び露光装置の下方に配置する。シリコンウェハに対して３０秒間の紫外線照射を２回行う。２回の紫外線照射は、３０秒間の間隔を隔てて行う。合計照射量は７００ｍＪ／ｃｍ２とする。次いで、シリコンウェハを、ポジ型フォトレジスト現像液を収容したビーカー内に入れ、未露光のフォトレジストを残して、露光したフォトレジストが現像されるまで攪拌する。続いて、シリコンウェハを脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させ、フォトレジスト現像液を収容したビーカーに１０−１５秒間戻して残存する露光したフォトレジストを除去する。次に、シリコンウェハを、フォトレジスト現像液を収容したビーカーから取り出し、脱イオン水で洗浄し、加圧空気で吹き付けて乾燥させ、摂氏６５度のホットプレート上に載置し、摂氏１０度／時間の割合で摂氏１９０度まで加熱する。ホットプレート上に載置してから１５時間後に、シリコンウェハをホットプレートから除去する。
【００５６】
エラストマー層をキャスティングするために、モールドを、クロロトリメチルシランを収容したビーカーを含む真空密閉容器内に１０分間配置する。これにより、モールドに、クロロトリメチルシランの均一なコーティングを形成することができる。クロロトリメチルシランによりシリコンウェハの表面に疎水性層が形成され、この疎水性層により、次の工程で、シリコンウェハにポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が付着するのを防止する。次に、十分に混合し脱気した、１部の架橋剤と２０部のベースＰＤＭＳ（ＲＴＶ６１５）との混合物をモールド上に注ぐ。モールドをスピナー内に配置し、４００回転／分の回転速度で１５秒間回転させ、約１１０μｍの最終厚さにする。続いて、ＰＤＭＳでコーティングされたモールドを、平坦面上に３０分間配置し、その後、８０℃のオーブン内に１時間入れる。
【００５７】
電極及び加熱抵抗器をパターニングするために、パターニングされた抵抗器の所望のイメージに似たフォトマスクが得られる。パターニングされたガラス層は、ＨＭＤＳを収容したビーカーを含む密封容器内に、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で被覆されたスライドガラスを５分間入れることによって作製される。これにより、スライドガラスの表面に、ＨＭＤＳの均一なコーティングを形成することができる。次いで、スライドガラスのＩＴＯ被覆面に、フォトレジストを注ぐ。スライドガラスをスピナー内に配置し、５００回転／分の回転速度で５秒間回転させた後、回転速度を１８００回転／分に増加させてさらに３０秒間回転させて、９μｍの最終厚さにする。スライドガラスを摂氏９０度のホットプレート上に載置し、ホットプレートの温度を摂氏１２０度まで上昇させる。ホットプレートの温度が摂氏１２０度に達したら、スライドガラスを９０秒間放置する。続いて、スライドガラスを数分間冷却させた後、フォトマスクアライナーのフォトマスク及び露光装置の下方に配置する。スライドガラスに対して３０秒間の紫外線照射を２回行う。２回の紫外線照射は、３０秒間の間隔を隔てて行う。合計照射量は７００ｍＪ／ｃｍ２とする。スライドガラスを、ポジ型フォトレジスト現像液を収容したビーカーに入れ、未露光のフォトレジストを残して、露光されたフォトレジストが現像されるまで攪拌する。次に、スライドガラスを脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させ、フォトレジスト現像液を収容したビーカーに１０−１５秒間戻して残りの露光されたフォトレジストを除去する。その後、スライドガラスを、フォトレジスト現像液を収容したビーカーから取り出し、脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させる。
【００５８】
電極及び発熱抵抗器を作製するためのエッチングのために、スライドガラスを、３７％塩酸対脱イオン水の比が１：１の混合物を収容したビーカー内に入れ、１０分間撹拌する。１０分後、ビーカーからスライドガラスを取り出し、脱イオン水で洗浄し、標準的なマルチメータを使用して、フォトレジストで被覆されていない領域のコンダクタンスについて試験する。フォトレジストで被覆されていない領域に測定可能なコンダクタンスが存在する場合には、スライドガラスをエッチング溶液中に戻し、さらに５分間攪拌した後、再度試験する。このプロセスは、フォトレジストで被覆されていない領域に、コンダクタンスが存在しなくなるまで繰り返す。コンダクタンスが存在しないことは、その領域からインジウムスズ酸化物コーティングが除去されたことを示す。その後、スライドガラスをアセトンで洗浄し、次いで、イソプロピルアルコールで洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させる。
【００５９】
ここで、スライドガラスをエラストマー層に接合させる例について説明する。硬化したＰＤＭＳ被覆シリコンウェハ、及びパターニングされたＩＴＯ被覆スライドガラスを、ＰＤＭＳ側を上にし、かつＩＴＯ被覆側を上にして、プラズマクリーナー内に配置し、プラズマ酸化させる（８０ワットで３５秒間露光させる）。ＰＤＭＳ被覆シリコンウェハは、ＰＤＭＳ面がプラズマ酸化され、スライドガラスは、パターニングされたＩＴＯ抵抗器を有する面がプラズマ酸化される。２つのプラズマ酸化面を互いに整列させ、互いに接触させた後、８０℃のオーブン内に１時間入れる。これにより、ＰＤＭＳ被覆シリコンウェハ上のＰＤＭＳ層へのスライドガラスの接合が完了する。アセンブリが接合され冷却された後、スライドガラスの周りのＰＤＭＳをメスで切り取り、スライドガラス及びそれに結合されたＰＤＭＳの領域をウェハから剥がすことによって、アセンブリがウェハから除去される。これにより、完全なエラストマー／ＩＴＯ／ガラス複合体が形成される。
【００６０】
エラストマー／ガラス複合層をプラスチック層に接合させる例は、ポリスチレン層を所望のポリスチレンチップサイズにトリミングし、ポリスチレンチップが平らになるように両側をトリミングし、流路チャネルへのアクセスを可能にするべくポリスチレンを穿孔してポートを形成することを含む。次いで、エラストマー／ガラス複合層（ＰＤＭＳ側を上にする）及びポリスチレンチップを、プラズマクリーナー内に配置してプラズマ酸化する。エラストマー／ガラス複合層は、ＰＤＭＳ面がプラズマ酸化される。続いて、エラストマー／ガラス複合体層のＰＤＭＳ側を、水溶液中の２％（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）で２０分間コーティングする。同時に、ポリスチレンチップを、水溶液中の２％（３−グリシジルオキシプロピル）トリメトキシシラン（ＧＰＴＳ）で２０分間処理する。２０分後、エラストマー／ガラス複合層及びチップを脱イオン水で洗浄し、加圧空気を吹き付けて乾燥させる。エラストマー／ガラス複合層のＰＤＭＳ側をポリスチレンチップのＧＰＴＳ処理面に対向させて配置し、アセンブリを８０℃のオーブン内に２時間以上入れる。これにより、エラストマー／ガラス複合層とプラスチック層との接合が完了し、完成チップが作製される。
【００６１】
あるいは、エラストマー層は、硬質基板上に直接的にキャスティングしてもよい。この例では、まず、未硬化の液状エラストマーを、硬質基板上に注ぐ。次いで、モールド（平坦であり得る。あるいは、チャネルまたはフィーチャを有し得る）を、その平坦な側またはフィーチャを有する側を未硬化の液状エラストマーと接触させた状態で、硬質層に固定する。続いて、アセンブリを硬化させる。次に、硬化したエラストマー層及び硬質層からモールドを剥がし、これにより、硬質層に接合されたエラストマー層が得られる。得られたエラストマー層の高さは、所望の高さを有するスペーサー要素によって調節することができる。スペーサー要素は、モールドから独立していてもよいし、またはモールドの一部であってもよい。この例では、硬質層は、プリント回路基板であり得る。
【００６２】
以上、本発明をいくつかの例示的な実施形態により説明したが、これらの実施形態は、全ての態様において例示的であることを意図しており、本発明を限定するものではない。したがって、本発明は、詳細な実施において、当業者が本明細書中の説明から想到し得る様々な変形が可能である。例えば、硬質基板の一方または両方は、パターニングされたカーボン抵抗器または抵抗性合金抵抗器を含み得るプリント回路基板であってもよい。
【００６３】
熱膨張性層の厚さは、スピンコーティング、所望の厚さへのスクレイピング、所定量の硬化性液体エラストマーを注ぐこと、または、硬化前に液体エラストマーを所望の高さに圧縮することによって制御することができる。
【００６４】
エラストマー層のそれよりも硬質の１以上の硬質基板への接合は、硬質基板上での直接的な硬化、接着剤の塗布、化学結合、表面活性化（例えば、プラズマ酸化による）、またはシリコーン被覆層を塩基対架橋剤の比においてミスマッチさせて接合させることにより実現することができる。
【００６５】
ポートは、それをモールドに含めることによって、または切削、穿孔、エッチング、または切除などのサブトラクティブ的な手法を用いて、任意のキャスティングプロセス中に組み込むことができる。
【００６６】
このような変形は全て、添付された特許請求の範囲及びその均等物によって定義された本発明の範囲及び精神の範囲内に含まれるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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